[发明专利]一种分布式可级联隔离均衡电路及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种分布式可级联隔离均衡电路及控制方法。

背景技术

能源危机和环境污染是当今世界面临的两大难题。电动汽车以节能、环保而广受人们的欢迎，已成为未来汽车发展的必然趋势。而锂离子电池因其高能量密度、低放电率和没有记忆效应，作为动力源被广泛应用在电动汽车和混合电动汽车中。但是受到电池制造技术和电源管理系统的技术制约，动力电池使用过程中需要大量单体多级串并联才能够提供足够的供电电压和驱动功率。但是这类电池串联使用时，容易由于容量的不均衡问题造成部分电池单体过充电与过放电的现象，大大影响动力电池组的使用寿命和安全性。因此，必须对电池组进行均衡管理。显而易见，作为电池管理系统的关键技术之一，串联电池组的有效均衡已经成为一个研究热点。

目前，电池均衡主要有电池选择、耗散型均衡和非耗散型均衡三大类。

电池选择均衡是指通过实验选择性能一致的电池单体构建电池组，一般有两步筛选过程。第一步，在不同的放电电流下，选择电池平均容量相近的电池单体；第二步，在第一步筛选的电池单体中，通过脉冲充、放电实验在不同SOC下选择具有相近电池电压变化量的电池单体。由于电池单体的自放电率不尽相同，电池选择均衡在电池整个生命周期内不足以保持电池组一直均衡。它只能作为其他均衡方法的一种补充均衡方法。

耗散型均衡(也称为电池旁路法均衡)通过给电池组中每个电池单体并联一个耗散器件进行放电分流，从而实现电池电压的均衡。耗散均衡进一步又被分为两类：被动均衡和主动均衡。耗散均衡结构和控制简单、成本低，但是存在能量浪费和热管理的问题。

非耗散均衡采用电容、电感等作为储能元件，利用常见的电源变换电路作为拓扑基础，采取分散或集中的结构，实现单向或双向的均衡方案，是电池均衡技术发展的主流。非耗散均衡存在电路结构复杂、体积大、成本高、均衡时间长、高开关损耗等问题。

传统均衡方法不适合锂离子电池的主要原因如下：

锂离子电池的开路电压在SOC为30％～70％之间时较为平坦，即使SOC相差很大，其对应的电压差也很小，此外由于电力电子器件存在导通压降，使得均衡电流很小，甚至可能导致电力电子器件不能正常导通；

由于电力电子器件存在导通压降，电池单体间很难实现零电压差均衡。

中国发明专利申请(申请号201010572115.X)公开了一种利用放电电阻对电池单体进行放电以实现电池单元均衡的电路，主要包括控制器、电池选择电路和放电电阻。该发明根据采集的电压值确定每个电池单体的剩余电量，然后控制电池选择电路将电量较高的电池单体与放电电阻并联，消耗该单体的电量，从而实现电池单元的电量均衡。很明显的，这种方法存在能量浪费和热管理的问题。

中国发明专利申请(申请号201120421053.2)公开了一种电感型电池均衡电路，该电路中相邻两节电池共用一个电感，这个电感存储较高单体释放的能量，然后传递给相邻能量较低单体，以实现均衡作用。然而当电池单元电池单体数量较多时，由于这种均衡方法的能量传递必须是一个挨着一个的传递，因此均衡速度受到了很大的限制。

中国实用新型专利申请(申请号201210595724.6)提出了一种电容式电池均衡电路，该电路每相邻的两节电池共用一个电容，当电容与电压较高的电池单体并联时，电池给电容充电；当电容与电压较低的电池单体并联时，电容给电池充电。经过电容的充、放电，能量从电压较高的电池单体转移到电压较低的电池单体，从而使得其电压相等。但是当串联电池单体数量较多，所需要的均衡电容和开关模块及其驱动电路较多，导致电路体积庞大，并且当电压最高和最低的电池相邻多个单体时，这种“击鼓传花”的均衡方式，使得均衡效率会大大降低。

中国发明专利申请(申请号201310278475.2)提出了一种动力电池零电流开关主动均衡电路及实现方法，其能够实时判断电池组中电压最高和最低的电池单体，并对其进行零电流开关均衡，并且每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体进行削峰填谷，极大提高了均衡效率，有效改善了电池单体之间的不一致性。但是，由于所使用的电力电子器件存在导通压降，使得电池单体间很难达到零电压差均衡，并且均衡电流很小，均衡时间较长。