[实用新型]锂离子电池组均衡充放电管理装置

说明书

技术领域：

本实用新型涉及一种多单元串联使用的锂离子动力和储能电池组的充、放电分布式、数字化和系统集成化的动态的电池管理装置。

背景技术：

随着对国家对新能源及新能源汽车，特别是电动汽车鼓励扶持政策的相继出台，可充电锂离子储能和动力电池组的应用越来越广泛，作为一种新型的化学电源，锂离子电池具有轻重量、体积小、无记忆效应、循环寿命长、安全、无污染、适应温度广等优势，是替代目前主流应用的镍镉、镍氢电池的最理想的动力电池和储能电池。

但是，由于目前国产的锂离子电池材料性能和批次性能不稳定，电池生产工艺从混桨、涂膜、辊压、切片制片、组装、焊接、注液、化成和分容到成品过程中的湿度、温度、粘度、加工精度和控制工艺的不尽完善，即使经过严格的检测程序，每个电池单元的电压、电阻、容量也基本一致，但在组成几串、几十串甚至上百串以上的电池组在一段时间循环使用后，由于其特殊电化学特性，电池的内阻、电压、容量等参数也会产生波动，形成不一致的状态，造成电池单元之间的差异。这种差异体表现为电池组充满或放完时的串联电池芯之间的电压和容量不相同。这种情况直接导致了电池组在充电的过程中电压过高的电池芯提早触发电池组过充电保护；而在放电过程中电压过低的电池芯会导致电池组过放电保护，从而使电池组的整体容量明显下降。整个电池组体现出来的容量实际为电池组中性能最差的电池芯的容量，从而进一步加剧过充和过放现象的出现，埋下安全隐患，减少电池组的整体循环寿命，导致其提前失效。因此，锂离子电池组的单元之间的差异要求运行的电路能够完成对电池单元的均衡操作，精确管理锂离子电池组的充电和放电。

均衡充放电技术主要是为了解决锂离子电池组中的各个单元在长期充放电循环过程中的电化学特性的偏差现象。锂离子电池替代镉镍、氢镍电池不能套用传统的简单的“即插即用”方式。这是因为锂离子电池与镉镍、氢镍电池有一个最大的不同点，即锂离子电池须严禁过充电和过放电。因此，必须结合锂离子电池特性设计新的充放电管理电路结构和控制管理技术。

在工程化应用中，锂离子电池的电池单体并联组成的电池单元必然要串联成电池组，故必须考虑充电过程中各电池单元或电池单元模块的失衡现象。随着时间的推移，这种失衡现象会愈加严重，影响电池寿命和可靠性。因此，均衡充电和放电是锂离子充放电的关键核心技术，即充、放电过程中全过程的、动态的和智能化均衡管理技术。

所谓锂离子电池组均衡充电和放电就是使锂离子电池单元间的电压偏差保持在预设的范围内，从而保证每个电池单元在循环使用过程进行均衡充电和放电控制；且随着充放电循环的增加，减轻或减少各电池单元间的电压分化。

目前常用的均衡方法有储能均衡和电阻均衡。储能均衡是利用电池对电感或电容等储能元件的充放电功能，通过继电器或者开关器件实现储能元件在不均衡电池单元间的切换，达到电池间的能量转移。这种均衡充电方法控制网络一般比较复杂，对安全性管理要求较高，在使用时还需注意掌握好储能元件的充放电时间。其最大的优点是充、放电(工作)使用中，都可平衡各单元电池的功能，且不消耗锂离子电池组的电能；电阻均衡一般是通过控制器控制电阻网络的通断对电池组进行分流均衡，均衡的原理是在电池组充电的过程中，当某节电池充电速度较快，电压高于其他电池，系统通过控制开关控制均衡电阻的导通分流，降低电池的充电速度，以达到各节电池均衡充电的目的，这种方法可以同时对多节电池进行均衡，控制简单。但是均衡过程中如果电阻选的过大，则均衡电流太小，效果甚微；如果电阻选的过小，则电阻功率很大，系统能量损耗大，均衡效率低，系统对热管理要求较高，需要进行温度检测控制。

目前，已上市的电池管理系统主要功能是检测电池单元的电压、电池组的总电压、总电流等数据指标。但是，其设计的基本原理是依据多单元串联的电池组作为唯一的一个单元，在单元出现过充或过放情况时报警和(或降低)电流直至切断总正极和总负极，以实现对电池组简单的逻辑电路保护。

由于此类产品根本不具备对单元分布式的充放电均衡管理，整个充电和放电近乎“裸充或裸放”，无法使正常的电池单元高效率的充电或放电，持久循环下去会直接降低电池的整体运行能力和循环寿命，所以，从技术层面定义，属于初级的电池组检测装置。