[发明专利]一种均衡级联结构、具有该结构的电池组及其充放电方法

说明书

本发明公开了一种均衡级联结构、具有该结构的电池组及其充放电方法，其中均衡级联结构中的均衡模块采用了两类DC‑DC变换器，其中一类为具备外部控制引脚和降压功能的非隔离式DC‑DC变换器，另外一种为具备外部控制引脚和升压功能的非隔离式DC‑DC变换器或者具备外部控制引脚和降压功能的隔离式DC‑DC变换器，在本发明的这种均衡结构、具有该结构的电池组及其充放电方法可以使得系统可靠性更高，且均衡模块总体积和生产成本更低。

技术领域

本发明涉及电池组或超级电容组的充电，特别涉及电池组或超级电容组中各单体的均衡充电。

现有技术

目前，由蓄电池或电容(为了简化描述，下文将“电池或电容”省略描述为“电池”)作为储能单元的系统中，单体电池容量比较低，不能够满足大容量系统的要求，因此需要将单体电池串联形成电池组；并联可以增加容量，但其端电压仍很低，仍被视作一个“单体”电池，这种情况下直接使用，由于开关器件、二极管压降的损耗显得可观，在高功率应用中，仍需将单体电池串联形成电池组，如图1所示，以提高供电电压和存储容量，例如在电动汽车、微电网、大型储能系统等领域中，大多需要单体电池串联而成的电池组，图1由单体电池B1至Bn串联而成，得到的电池组有两个总端子U+和U-，U+称为电池组的正极，U-称为电池组的负极，既可以对外放电，又可以外接电源对电池组充电；为了方便，在本申请中，离电池组正极U+最近的单体电池称为第一单体电池，图1中以B1表示，其余依次类推，离电池组负极最近的单体电池，其编号最大，为最末单体电池，图1中以Bn来表示。成组以后的电池组的寿命远远低于单体电池的寿命，主要是由于单体电池制作工艺的差异引起容量、自放电率等不同，这些微小的差异在以后的使用中，会使每个单体电池的容量产生更大的不同，进而影响整个电池组的工作。

当串联电池组的单体电池一致性发生变化时，使用恒流源对串联电池组充电时，以锂电池为例，必然有单体电池因其容量下降，其端电压先到达充电终止电压4.2V，而这时，有的单体电池的端电压可能才3.8V。如对10串的电池组先期恒流充电，末期采用42V恒压充电以限制充电电流，将有单体电池的充电电压高于4.2V，这个单体处于过充状态；而其中容量大的电池其端电压低于4.2V，处于欠充状态。处于潜在过充状态的电池若不加以有效限制，极可能损坏，甚至起火燃烧、爆炸；因此对各种电池组的均衡充电是非常重要的，尤其是在大量单体电池串联的场合，超级电容串联同样也存在相似的问题，本申请中的电池组也包括超级电容组成的电容组。

针对上述不平衡问题，出现多种均衡充电技术，原始的方案是：电阻消耗均衡法，如图2所示，电阻R1和开关K1串联后并联在单体电池B1上，其它电池相同，当与电池B1并联的电压检测电路检测到电池B1的端电压达到充电终止电压4.2V时，开关K1闭合，电阻R1分流充电电流，用以确保电池B1中没有电流流过，或电池B1放出电流，或存在涓流对电池B1充电。为补偿电池或电池组自放电，使蓄电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电，又称维护充电(浮充)。电信装置、信号系统等的直流电源系统的蓄电池等电池，在完全充电后多处于涓流充电状态，以备放电时使用。

这种方式使用很不方便，若改变了对电池组的充电电流，那么，相应地，所有电阻的阻值都要更换，以免电池出现过充或欠充。当然，以电池B1为例，可以把电阻R1的阻值取小，即当开关K1闭合时，电池B1还要对电阻R1放出电流，然后使得开关K1工作在开关状态下，要实现在一定时间内，对电池B1的充电电流为零或为额定的小电流涓流。

由于电阻存在发热，如3A的电流，充至4.2V时，电阻要吸收3A电流，其发热量为12.6W，这种均衡充电电路的效率低、功耗大，与目前的节能减排发展趋势不合。以下列举具有代表性的国内技术方案：