[发明专利]一种串联电池组模块化主动均衡系统及方法

说明书

本发明公开了一种串联电池管理装置，包括变换单元,与多节串联单体电池分别电连接，其中所述变换单元包括开关组件，配置为控制与多节单体电池对应多条回路的闭合状态；以及充放电兼变压组件，配置为工作在充电、放电或变压模式，以实现相邻和不相邻的单体电池之间的电量调配；所述电池管理装置还包括控制单元,与所述变换单元电连接，配置为对电池状态进行检测，并控制所述开关组件的状态以及所述充放电兼变压组件的工作模式。在每个电池单元内部，通过控制功率开关管和变压器实现电池之间的电量交换，在相邻的电池单元之间通过共用一个单体电池实现电量交换，电量交换用时短，能量传递损耗少。

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，尤其涉及一种串联电池组模块化主动均衡系统及方法。

背景技术

当使用多个单体电池串联形成电池组时，由于单体电池容量的不一致性，再加上单体电池在使用中的环境温度不同导致这种不一致性的加剧，会造成在电池组放电时，当容量最小的单体电池电量耗尽时，即使其它电池还有电量也无法使用；而在电池组充电时，电量最小的电池先充满电，即使其它电池还有空余容量，也无法再充电，从而导致电池组的总体容量利用率降低，因此需要使用电池管理系统对电池组内的所有单体电池进行管理。

目前针对电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，简称BMS)的研究，主要集中于电动汽车技术领域，汽车BMS作为连接车载动力电池组和电动汽车的重要纽带，其主要功能包括：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预警；充、放电与预充控制；均衡管理和热管理等。

在均衡管理方面，传统的电池组均衡管理方式主要分为两大类：被动均衡和主动均衡。被动均衡的原理为能量消耗，通常在每只单体电池上并联一个可控分流电阻，当电池电压达到或者超过限制电流电压时，导通分流电阻回路，使流过单体电池的充电电流减小，从而使得单体电池的电压维持在限制值以内，流过电阻的电能则以热能的形式释放。主动均衡的原理为能量转移，通常需要一个电压转换器，当主控制器检测到某单体电池电压偏高时，将电压偏高单体电池的能量通过变换器转移到电压偏低的单体电池上，从而达到电压和能量的均衡。

实际应用中，由于被动均衡管理的电路结构简单，易于实现，在能够做到单体电池一致性较好、电池热均衡管理较好、电池压力管理较好的应用场合一般采用被动均衡管理的方法，典型的应用实例为特斯拉电动汽车中的电池管理。而在单体电池一致性较差、电池热均衡管理较差，并且单体电池受到的机械应力不一致的应用场合一般采用主动均衡的管理方法。

主动均衡管理方法较为典型的实现方案为利用开关电源来实现电池组的主动均衡，具体电路设计方案如图1所示，为实现N个电池的主动均衡，需要使用2(N-1)个功率开关以及(N-1)个电感，同时电池组的充放电只能在相邻的两个单体电池之间进行。这样一来，如果需要平衡的两个单体电池之间相隔有K个单体电池，它们之间的电量平衡需要通过K+1次的电量传递才能完成，整个传递过程不仅需要消耗较多的能量，而且需要较长的传递时间。

针对上述利用开关电源实现主动均衡管理中存在的技术问题，一些研究人员提出了利用多绕组变压器实现单体电池能量传递的技术方案，如中国专利公告号为CN102684263B的发明专利就公开了一种基于对称多绕组变压器结构的串联电池组均衡电路及应用于该电路的控制方法，但是这种单磁芯多绕组的技术方案在绕组个数增多时，变压器的制作及机械可靠性都变得非常困难；同时变压器的维护和替换也非常昂贵。

同时现有的BMS一般采用CAN总线传输的方式，不仅使得系统布线复杂，而且当应用于电动汽车时，汽车行驶过程中的环境因素，会对CAN总线传输的稳定性造成影响，大大降低整个BMS的稳定性和可靠性。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种模块化的、系统器件数量更少，体积更小，并且能够电池之间更加快速传递电量的串联电池组模块化主动均衡及方法。