[发明专利]串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路及方法

说明书

本公开提供了一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路及方法，包括蓄电池组、选通开关阵列、电量耗散回路、极性匹配开关阵列、隔离型DC/DC变换器、双极性差分式电压测量电路、微控制器单元、充放电电流检测回路和开关电路单元，本公开能够通过控制选通开关阵列对蓄电池组的每个串联节电池单独进行充电和放电，实时测量每个串联节电池的电压、计算放电电流和泄放电量，实现蓄电池组容量在线检测，并可在充电、放电两种状态下对相对荷电量高或低的串联节电池进行旁路泄放和并联补充，实现各串联节电池电量的高效均衡。

技术领域

本公开涉及蓄电池技术领域，特别涉及一种串联电池组容量在线监测和充放电双状态均衡电路及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

随着地球环境的持续恶化，减少各种有害排放成为全人类共同面对的重大问题。各种大容量的蓄电池组作为最便捷的电能储存装置，广泛用于安全监控、通信设施等各种应用的备用电源装置中，以及电动汽车、电动船、无人飞机等新能源交通运输工具。为了满足应用系统对电池容量和电压的需要，需要把多个蓄电池单体进行并联和串联组合成为电池组。当把电池单体串联后，为了保障蓄电池组的使用寿命和运行安全，通常会给蓄电池组配备一套对每个串联节电池电压的测量监控和切断充放电回路的保护电路，保证蓄电池组内的每一串联节电池不会过高电压充电和过低电压放电。由于制造工艺的缺陷和安装位置导致的使用环境的差异，使得各串联节电池的漏电流存在差异，日积月累将导致串联节电池的相对荷电量(SOC)出现不均衡。当蓄电池组内各串联节电池电压不一致时，充电时电压高的电池节被先充到了过电压保护值产生充电保护，放电时电压低的电池节被先放到了欠电压保护值产生放电保护，从而使蓄电池组的有效可用容量(即健康状态SOH)下降，影响了蓄电池组的储能效率和使用寿命。

为了保持蓄电池组的有效容量，通常采用均衡电路迫使蓄电池组内各串联节电池电压在充电后达到相等的均衡状态。均衡的电路的工作方式分为能量耗散型和能量转移型。能量耗散型均衡电路是将一个带可控开关的旁路电阻并联在每一节串联节电池的两端，当任一节串联节电池的电压高于某一阀值时接通旁路电阻分流充入该串联节电池的电流实现均衡。这种方式电路简单、成本低廉，在小微型蓄电池组中得到了广泛的应用，缺点是均衡电阻消耗的能量转换成了热量，消散这些热量需要较大的体积空间，因而限制了均衡的能力，不能满足大容量蓄电池组的均衡要求。能量转移型均衡电路是将电压较高的串联节电池的能量通过电抗元件(电感或电容)或DC/DC变换器转移到其他串联节电池或总回路上，降低该串联节电池的充入电流实现均衡；或者将总回路或其他串联节电池的能量通过电抗元件(电感或电容)或DC/DC变换器转移到电压较低的串联节电池，增加其充电电流实现均衡。这种方式发热量较小，可用于大容量蓄电池组的均衡，缺点是电路复杂，成本较高。

对于备用电源的蓄电池组，很多应用系统(如安全监控系统)的蓄电池组处于长时间闲置备用状态，只有在偶发情况下才会启动蓄电池供电工作。处于长时间闲置状态的蓄电池由于制造缺陷或者环境影响会导致各串联节电池的相对荷电量(SOC)出现不均衡、某些电池的容量下降等问题，使蓄电池组有效容量(即健康状态SOH)大幅度下降，甚至完全失效。当需要蓄电池组供电时却不能有效地提供电能支持而致使整个系统失效，导致严重后果。为了确保蓄电池组的有效性，对于重要的系统通常需要定期地在应用现场进行容量测试，有些场合(如易爆环境)则必须将设备搬回实验室进行测试，维护工作费时费力且成本高，如果测试维护过程中爆发供电需求，将无法提供备用电能供给导致系统失效。