[发明专利]锂离子电池组充电状态下的主动均衡方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种串联锂离子电池组电量均衡方法，可以用于大容量动力串联锂离子电池组充电状态下的电压均衡。

背景技术

锂离子电池【以下简称锂电池】是一种具有高能量密度、高工作电压、无记忆效应、循环寿命长、无污染、重量轻、自放电小的电池，目前广泛应用于各行各业。由于锂电池的工作电压一般在2.5~4.2V左右(不同材料的锂电池有所不同)，实际应用中需要将几只、几十只甚至几百只单体锂电池串联起来，以提高工作电压。但是由于锂电池生产工艺的限制，锂电池单体之间存在容量、电压、内阻及自放电率等不一致，即使在同一批次的电池中也会存在差异。在实际使用中，这种差异会严重影响锂电池的使用寿命，所以有必要对串联锂电池组【以下简称锂电池组】进行均衡管理。

目前，锂电池组均衡方法主要有两种：被动均衡和主动均衡。被动均衡主要是在充电过程通过均衡电阻给电压高的单体电池放电，使整组电池的电压达到一致。这种方法的缺点在于浪费能源，且由于放电电流的限制，不适合于大容量的锂电池组。主动均衡方法有电感和电容两种电量转移方式，电感转移方式中使用最多的是基于Boost/buck的电感均衡，这种方式在相邻电池之间进行电量传递，电量从电压高的电池转移到电压低的电池，电量传递的效率可以达到80％以上。这种方式的缺点在于只能在相邻锂电池之间进行电量传递，对于非相邻锂电池需进行多次电量传递，才能达到均衡的目的，这极大的降低了电量传递效率。而且由于单个均衡模块只能对两个相邻电池进行均衡，那么对于多串锂电池组，则需要多个均衡模块，这也极大的增加了系统的复杂性。电容转移方式由于锂电池组中电压差异在几毫伏和几十毫之间，单次转移的电量极少，所以这种方式的转移效率也是非常低。

发明内容

为了解决上述所存在的问题，本发明提供了一种新的主动均衡方法，该技术结合了电感和电容的电量转移技术，可对锂电池组中的任意两节电池进行电量传移，且单次转移的电量要比传统纯电容方式要高的多。

在本技术说明书中，将锂电池组中单体电池电压偏离平均电压的值定义为偏压。锂电池组中任何电池的偏压高于一定的值，则定义锂电池组为不一致，需要对锂电池组进行均衡，而这个值则定义为偏压限。

本发明主要包括了以下几个部分：电压检测单元、开关阵列、法拉电容、电容控制单元以及主控单元。电压检测单元用于检测锂电池组中各个单体的电压；开关阵列用于锂电池组中不同电池的选通；法拉电容作为电量转移的中间介质；电容控制单元用于控制法拉电容的充放电过程；主控单元通过控制开关阵列、法拉电容、电容控制单元，对整个均衡过程进行控制。电容控制单元包括电容充电控制MOS管、电容电压检测单元、Boost控制MOS管、Boost电感以及相关开关的驱动机构。电容充电控制MOS管为控制电容的充放电的操作机构，同时MOS管的寄生二极管也作为Boost续流二极管；电容电压检测单元检测电容电压并传递给主控单元，为Boost的占空比的设置提供依据；Boost控制MOS管、Boost电感及电容充电控制MOS管的寄生二极管构成一个完整的Boost升压电路，通过Boost升压电路使电容给电池充电。

本均衡方法工作过程可分为以下几个过程：首先电压检测单元检测锂电池组单体电池的电压，主控单元根据单体电池的电压判断锂电池组是否满足启动均衡装置，如果满足即启动均衡装置，从电压最高的电池向电压最低的电池进行电量传递。电量传递可分为两个部分：1)电容充电部分，首先开关阵列选通电压高的电池，然后打开电容充电控制MOS管，由电池给电容充电。电容充电控制MOS管严格控制充电电流，在电容电压达到预设值时，关闭电容充电控制MOS管，同时关闭开关阵列对电池的选通。2)电容放电部分，首先开关阵列选通电压低的电池，通过电容控制单元中的Boost升压电路使电容给电池充电，在这个过程中，主控单元根据电容电压调整Boost控制MOS管控制信号的占空比，在电容电压下降到设定的放电终止电压，停止电容放电。重复这两个过程，直到均衡条件不再满足。

本均衡方法的要点在于开关阵列、电容充放电区间的控制及Boost控制MOS控制信号占空比的控制。开关阵列要求在对某一电池均衡时，不影响其他电池，由于在本技术方案中储能器件是法拉电容，单次传递的能量高，电容充放电的时间较长(具体根据电容的容量和均衡电流的大小)，所以开关的频率比较低，可以使用双通道继电器做开关阵列，且开关阵列是在无负载情况下进行开关动作，不必考虑继电器的寿命对均衡电路的影响。