[發明專利]基于電容的串聯電池組均衡管理系統及其管理方法

有效

• 申請號: 201010201088.5
• 申請日: 2010-06-11
• 公開（公告）號: CN101882803A
• 公開（公告）日: 2010-11-10
• 發明（設計）人: 李小平
• 申請（專利權）人: 李小平
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00;H01M10/42
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種電池組管理系統，尤其是一種基于電容的串聯電池組均衡管理系統及其管理方法。

背景技術

術語定義：

單電池：非串聯的基本電池單元。

單電壓：單電池的電壓。

串聯數：電池組中串聯方式連接的單電池的個數或用N表示。

均衡電流：調節單電池電量時的電流。

單節電池的使用，電池管理系統最簡單，串聯使用時情況則不同。電池的一致性決定了電池的性能，壽命和安全性，即只要有一個電池的性能變差，整個電池組的性能都將變差。

1、其中有一個電池的容量偏低，結果是充電時這個電池首先達到充電上限截止電壓，而放電時首先達到放電下限截止電壓。那么這個電池的容量決定這個電池組的容量。

2、如果初始狀態有一個電池的電壓偏低，充電時這個電池達不到截止電壓而不能充滿。放電時這個電池首先到達放電截止。電池沒充滿電又提前把電放完，實際可用的電量由這個電池的容量決定。

3、如果一個電池的極化阻抗和內阻偏高，充電時電池電壓上升快，放電時電池電壓下降快。就某一次測試的表現來看就是這個電池的容量不足，負載能力下降。充放電時的溫度偏高。

電池制造過程中提高電池的一致性還有相當大的難度且需要較大投入并將大幅度提高電池的制造費用導致電池價格高而不利于電動汽車產業的快速發展。目前電池制造商或電池組合工廠采用嚴格的篩選方法進行電池匹配來提高電池的一致性。但即使是嚴格匹配后的電池，在循環的初期就表現出可見的差別。放電的中值電壓在一開始就有較大差別。采用電池匹配的有效性不盡人意。尤其需要強調的是隨電池循環次數的增加，電池一致性改變程度的不可檢測性。電池的工作條件和環境也會對一致性產生影響。總之，復雜多樣的影響因素使得決定論的普遍和精確的規律難以獲得。

除了在電池本身的一致性方面下功夫外，另一種解決方案——電池均衡管理愈來愈顯示出重要性。均衡管理通過電量轉移的方式調節每節電池的電量。原則上均衡管理不僅能解決電池一致性的問題，而且能夠使串聯電池組中性能最差的那個電池的壽命得到延長，同時電池性能的改進也將使得電池安全性得到改善，因為電池性能變差后，安全性也隨之降低。電池的續航里程和使用期限及電池成本決定了電動汽車的命運。均衡管理正是涉及到電動汽車性能攸關的重要一環。采用均衡管理，電池的一致性要求明顯降低，制造過程簡單化，成本也會大幅下降，只要單電池的性能滿足要求，電池組的性能就能滿足要求。中國電池企業眾多，層次參差不齊。均衡管理技術的應用不單能提高中國電池的地位，而且能使更多企業有能力加入到電動汽車及其相關行業的競爭中，讓整個行業更加繁榮興旺。有效可靠的均衡管理系統將極大促進電動汽車的發展。其本身有將成為隨電動汽車，電動公交，包括電動自行車，電動摩托車，大型蓄能裝置，電動工具，通訊基站備用電源，軍事電源等電池應用領域的發展而壯大的新興產業。

但是目前均衡管理的問題尚未得到有效解決。電池均衡的實現大多基于兩個基本物理概念：電流分流與電量轉移。

電流分流是將電壓高的電池的電量經由電阻放掉。這個方法的電路結構和控制都比較復雜，電阻發熱量大，均衡電流受限制，很難超過1A，只適合小容量，串聯電池數少的場合。而且只用于充電時的均衡，放電時無實際意義。目前在電池容量1-3Ah，串聯電池數2-5的電動工具產品中廣泛應用。MAXIM，Intersil，O2等美國公司都有專用的產品，也可由MCU技術實現。電量轉移方法的典型電路結構是美國TI公司提義，并在業界被普遍推崇的雙向無損概念。但這個思路更復雜，分立元器件多，控制的復雜程度也更高。要求每個電池配備一個均衡回路，可靠性下降，成本上升，幾乎無法維護。如果要求較大的均衡電流則各種問題將會更加突出。每節電池需要兩個功率MOS，一旦有一路器件損壞，產生短路的風險極高。這對電池和整車的安全性是極為不利的。

雙向無損概念的誘人之處是把電壓高的電池的電量轉移到電壓低的電池上去，但是要通過鄰接的電池逐個傳遞電量，這種多次能量傳遞回導致更大的能量損失，這對放電過程的均衡不利。這個方法同樣難以實現大電流均衡的問題。電動汽車電池容量常都在100Ah左右，電動公交達到200Ah。過小的均衡電流將失去均衡的意義，大電流均衡的各種原理并不復雜。困難在于可實現性差，可靠性低，安全風險大，成本高。因此目前的電動汽車電池管理系統多為數據檢測采集為主，少有管理的功能。本發明提出能夠實現充電和放電都能進行大電流均衡，簡單可靠易于實現的電池管理系統的設計方案和裝置，能夠有效解決目前大容量多節電池串量電池組管理系統存在的問題。