[发明专利]一种动力锂电池组电压动态均衡管理系统

说明书

技术领域

本发明涉及串联动力电池组的充放电均衡电路，尤其是涉及一种串联动力锂电池组充放电过程电压自动均衡管理系统。

背景技术

随着大型锂电池组的模块化以及中型锂电池组的广泛应用，电池组的循环性能和安全性能问题成为了当前制约发展的主要因素，因电池组中各单体电池之间存在的不一致性，及连续的充放电循环导致的单体电池的差异，将使某些单体电池容量加速衰减。而电池组的容量是由单体电池最小容量决定的，因此这些差异将使电池组的使用寿命缩短。目前，电池组在使用前的匹配要求较高，能减少一些不均衡性的影响，但是仍不能根本解决均衡性的问题。为了解决这种不均衡对锂离子电池组的影响，在电池组的充放电过程中需要使用均衡电路。

为了改善以上问题，国内外都相应提出了一系列有关串联电池组充放电均衡问题的技术方案，据检索，国外相关专利（Lithium-ion battery balancing）约超过1000项，国内相关专利约超过100项，其中，在66项相关发明和实用新型专利里真正提出实际均衡方案的只有41项，从均衡功能分类，其中采用充电均衡方式的有33项，采用放电均衡方式的有2项，采用动态均衡方式的有6项。

以下给出对上述41项均衡技术的分析：

在充电均衡33项专利中，通过单体电池的并联电阻进行充电分流从而实现均衡的占一半以上，其中少数专利采用主/分充电单元分别进行充电、采用同轴线圈进行充电过程能量的转换或采用继电器开关信号进行充电过程能量的转换。以上充电均衡电路的不足如下：1、采用并联电阻进行充电分流实现充电均衡的不足之处：属于能量耗散型，存在能量浪费和热管理问题；2、采用主/分充电单元分别进行充电实现充电均衡的不足之处：每个单体电池都需要一个单独的充电模块，造成电路结构复杂，成本太高；3、采用同轴线圈进行能量转换实现充电均衡的不足之处：每个单体电池都需要一个次级绕组，成本较大，而且采用同轴线圈进行能量转换存在一定的能量耗散，在实际使用过程中，电路结构复杂，不适合级联；4、采用继电器开关信号进行能量转换实现充电均衡的不足之处：每个单体电池对应两个继电器开关，造成充电均衡电路体积太大，且继电器开关切换时容易产生火花氧化，导致开关接触处接触内阻增大，功耗变大，能量补充采用逆变电源电路实现，成本较高，电路实现结构较为复杂。综上所述，采用单一方式的充电均衡，无法实现放电过程电池组的均衡，容易导致过放，或因个别单体电池提前低于放电截止电压而导致整个电池组提前终止对外供电，不能充分发挥电池组的效能。

在放电均衡2项专利中，通过放电过程中向单体电池电压低的电池补充能量或采用主/分放电单元分别放电从而实现均衡。采用主/分放电单元分别放电实现放电均衡的不足之处：每个单体电池都需要一个单独的放电模块，造成电路结构复杂，成本太高；综上所述，放电均衡方式在电池组使用初期可以采用，在后期电池性能变化大的情况下，在充电过程中，单体电池内阻较大的电池充电电压将高于其它电池，从而使得过充的可能性增大。

在动态均衡6项专利中，目前采用的主要均衡电路有以下几种：

1、充电过程，采用一对一并行控制，实现充电均衡，放电过程，采用逆变电源电路实现电池组向单体电池的能量转换，从而达到放电均衡目的。

2、充电过程，任一单体电池充满电，通过分流将多余电量消耗，直到电池组都充满电，放电过程，任一单体电池达到放电截止电压，停止整个电池组对外供电或通过开关选择补充能量。

3、采用同轴线圈，充电过程，采用单体电池向单体电池能量转换，放电过程，采用电池组向单体电池能量转换。

4、利用电感储能元件，将相邻两个电池中容量高的单体电池通过储能元件转移到容量低的电池上。

以上动态均衡电路的不足如下：前三点不足之处已在上面单一均衡方式中陈述过，第四点利用电感储能元件实现能量转移方式的动态均衡电路，其不足之处：因为只能实现相邻电池间的能量传递，所以均衡过程中必须有多次传输，均衡时间长，不适合多串的电池组。综上所述，采用动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点，在整个充放电循环过程中对电池组进行均衡，避免了单一均衡存在的问题，但是目前从国内采用动态均衡方式的专利来看，未能真正充分地发挥动态均衡的优势，而只是简单的把现有的充电均衡和放电均衡技术结合在一起，所以仍存在很多单一均衡所遗留下的问题。

以下针对国内部分相关专利说明如下：