[發明專利]基于開關矩陣和LC諧振變換的cells to cells均衡電路及方法

有效

• 申請號: 201410219756.5
• 申請日: 2014-05-22
• 公開（公告）號: CN103956802A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 張承慧;商云龍;崔納新;紀祥
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00;H01M10/44
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及一種基于開關矩陣和LC諧振變換的cells?to?cells均衡電路及方法。?

背景技術

鋰離子電池因其高能量密度、低放電率和沒有記憶效應，作為動力源廣泛應用在電動汽車和混合電動汽車中。然而，在實際應用中，為了獲得較高的電壓等級，電池多以串聯形式使用。然而，串聯鋰電池組帶來了一個更加嚴峻的問題：即使串聯電池組中電池單體的內阻或容量存在微小差異，也可能導致電池單體間電壓或SOC的極度不均衡。此外，在數次充放電循環后，這種不均衡現象會越來越嚴重，極大地減小了電池組的可用容量和循環壽命。甚至，可能會引起安全事故，例如爆炸、起火等。因此，必須對電池進行均衡管理。顯而易見，作為電池管理系統的關鍵技術之一，串聯電池組的有效均衡已經成為一個研究熱點。目前，均衡主要有耗散均衡、非耗散均衡和電池選擇三大類。?

耗散均衡(也稱為電池旁路法均衡)通過給電池組中每個電池單體并聯一個耗散器件進行放電分流，從而實現電池電壓的均衡。耗散均衡進一步又被分為兩類：被動均衡和主動均衡。耗散均衡結構和控制簡單、成本低，但是存在能量浪費和熱管理的問題。?

非耗散均衡采用電容、電感等作為儲能元件，利用常見的電源變換電路作為拓撲基礎，采取分散或集中的結構，實現單向或雙向的均衡方案。根據能量流，非耗散均衡又能夠分為以下四種：(1)Cell?to?Cell；(2)Cell?to?Pack；(3)Pack?to?Cell；(4)Cell?to?Pack?to?Cell。對于Cell?to?Pack或Pack?to?Cell的均衡方法，每一次均衡都是通過電池組對電壓最低的電池單體進行能量補給，能夠實現較大的均衡電流，較適合于大容量的動力電池；但是當對電池組中電壓最高的電池單體進行放電均衡時，電池組同時會對其進行充電；當對電池組中電壓最低的電池單體進行充電均衡時，電池組同時會對其進行放電。因此，這種均衡方法均衡時充電和放電并存導致均衡效率低下。而對于Cell?to?Cell的均衡方法，能量能夠直接從電壓最高的電池單體轉移到電壓最低的電池單體，具有較高的均衡效率，但是電池單體之間的電壓差較小再加之電力電子器件存在導通壓降使得均衡電流很小，因此Cell?to?Cell均衡方法不適合于大容量的動力電池。非耗散均衡存在電路結構復雜、體積大、成本高、均衡時間長、高開關損耗等問題。?

電池選擇均衡是指通過實驗選擇性能一致的電池單體構建電池組，一般有兩步篩選過程。第一步，在不同的放電電流下，選擇電池平均容量相近的電池單體；第二步，在第一步篩選的電池單體中，通過脈沖充、放電實驗在不同SOC下選擇具有相近電池電壓變化量的電池單體。由于電池單體的自放電率不盡相同，電池選擇均衡在電池整個生命周期內不足以保持電池組一直均衡。它只能作為其他均衡方法的一種補充均衡方法。?

傳統均衡方法不適合鋰離子電池的主要原因如下：?

(1)鋰離子電池的開路電壓在SOC為30％～70％之間時較為平坦，即使SOC相差很大，其對應的電壓差也很小，此外由于電力電子器件存在導通壓降，使得均衡電流很小，甚至可能導致電力電子器件不能正常導通；?

(2)由于電力電子器件存在導通壓降，電池單體間很難實現零電壓差均衡。?

中國發明專利申請(申請號201310278475.2)提出了一種動力電池零電流開關主動均衡電路及實現方法，其能夠實時判斷電池組中電壓最高和最低的電池單體，并對其進行零電流開關均衡，并且每次均衡都是針對電池組中電壓差最大的兩個電池單體進行削峰填谷，極大提高了均衡效率，有效減少了電池單體之間的不一致性。但是，由于所使用的電力電子器件存在導通壓降，使得電池單體間很難達到零電壓差，并且均衡電流很小，均衡時間較長。?

為此，中國實用新型申請(申請號201320660950.8)和中國發明專利申請(申請號201310507016.7)提出一種基于升壓變換和軟開關的Cell?to?Cell電池均衡電路，該發明使用一個Boost升壓變換將電池組中電壓最高的電池單體升壓至一個較高的電壓，以實現大電流、零電壓差均衡；使用一個LC諧振變換模塊以實現零電流開關均衡，減少了能量浪費、提高了均衡效率。但是，該發明存在的主要問題是：由于屬于Cell?to?Cell型均衡電路，即使使用Boost升壓變換，所提高的均衡電流也有限，遠遠不能夠滿足電動汽車大容量動力電池的均衡需求；并且Boost升壓變換本身也存在能量浪費。?

發明內容