一種均衡級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)、具有該結(jié)構(gòu)的電池組及其充放電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及電池組或超級(jí)電容組的充電，特別涉及電池組或超級(jí)電容組中各單體的均衡充電。
現(xiàn)有技術(shù)
[0002]目前，由蓄電池或電容(為了簡(jiǎn)化描述，下文將“電池或電容”省略描述為“電池”)作為儲(chǔ)能單元的系統(tǒng)中，單體電池容量比較低，不能夠滿足大容量系統(tǒng)的要求，因此需要將單體電池串聯(lián)形成電池組;并聯(lián)可以增加容量，但其端電壓仍很低，仍被視作一個(gè)“單體”電池，這種情況下直接使用，由于開關(guān)器件、二極管壓降的損耗顯得可觀，在高功率應(yīng)用中，仍需將單體電池串聯(lián)形成電池組，如圖1所示，以提高供電電壓和存儲(chǔ)容量，例如在電動(dòng)汽車、微電網(wǎng)、大型儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域中，大多需要單體電池串聯(lián)而成的電池組，圖1由單體電池BI至Bn串聯(lián)而成，得到的電池組有兩個(gè)總端子U+和U-，U+稱為電池組的正極，U-稱為電池組的負(fù)極，既可以對(duì)外放電，又可以外接電源對(duì)電池組充電；為了方便，在本申請(qǐng)中，離電池組正極U+最近的單體電池稱為第一單體電池，圖1中以BI表示，其余依次類推，離電池組負(fù)極最近的單體電池，其編號(hào)最大，為最末單體電池，圖1中以Bn來表示。成組以后的電池組的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單體電池的壽命，主要是由于單體電池制作工藝的差異引起容量、自放電率等不同，這些微小的差異在以后的使用中，會(huì)使每個(gè)單體電池的容量產(chǎn)生更大的不同，進(jìn)而影響整個(gè)電池組的工作。
[0003]當(dāng)串聯(lián)電池組的單體電池一致性發(fā)生變化時(shí)，使用恒流源對(duì)串聯(lián)電池組充電時(shí)，以鋰電池為例，必然有單體電池因其容量下降，其端電壓先到達(dá)充電終止電壓4.2V，而這時(shí)，有的單體電池的端電壓可能才3.8 V。如對(duì)1串的電池組先期恒流充電，末期采用4 2 V恒壓充電以限制充電電流，將有單體電池的充電電壓高于4.2V，這個(gè)單體處于過充狀態(tài);而其中容量大的電池其端電壓低于4.2V，處于欠充狀態(tài)。處于潛在過充狀態(tài)的電池若不加以有效限制，極可能損壞，甚至起火燃燒、爆炸；因此對(duì)各種電池組的均衡充電是非常重要的，尤其是在大量單體電池串聯(lián)的場(chǎng)合，超級(jí)電容串聯(lián)同樣也存在相似的問題，本申請(qǐng)中的電池組也包括超級(jí)電容組成的電容組。
[0004]針對(duì)上述不平衡問題，出現(xiàn)多種均衡充電技術(shù)，原始的方案是:電阻消耗均衡法，如圖2所示，電阻Rl和開關(guān)Kl串聯(lián)后并聯(lián)在單體電池BI上，其它電池相同，當(dāng)與電池BI并聯(lián)的電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到電池BI的端電壓達(dá)到充電終止電壓4.2V時(shí)，開關(guān)Kl閉合，電阻Rl分流充電電流，用以確保電池BI中沒有電流流過，或電池BI放出電流，或存在涓流對(duì)電池BI充電。為補(bǔ)償電池或電池組自放電，使蓄電池保持在近似完全充電狀態(tài)的連續(xù)小電流充電，又稱維護(hù)充電(浮充)。電信裝置、信號(hào)系統(tǒng)等的直流電源系統(tǒng)的蓄電池等電池，在完全充電后多處于涓流充電狀態(tài)，以備放電時(shí)使用。
[0005]這種方式使用很不方便，若改變了對(duì)電池組的充電電流，那么，相應(yīng)地，所有電阻的阻值都要更換，以免電池出現(xiàn)過充或欠充。當(dāng)然，以電池BI為例，可以把電阻Rl的阻值取小，即當(dāng)開關(guān)Kl閉合時(shí)，電池BI還要對(duì)電阻Rl放出電流，然后使得開關(guān)Kl工作在開關(guān)狀態(tài)下，要實(shí)現(xiàn)在一定時(shí)間內(nèi)，對(duì)電池BI的充電電流為零或?yàn)轭~定的小電流涓流。
[0006]由于電阻存在發(fā)熱，如3A的電流，充至4.2V時(shí)，電阻要吸收3A電流，其發(fā)熱量為12.6W，這種均衡充電電路的效率低、功耗大，與目前的節(jié)能減排發(fā)展趨勢(shì)不合。以下列舉具有代表性的國(guó)內(nèi)技術(shù)方案:
[0007]圖3為現(xiàn)有的其中一種基于DC-DC變換器作為均衡模塊的主動(dòng)均衡方案示意圖，用到的均衡模塊為一種非隔離式的DC-DC變換器，自動(dòng)檢測(cè)、比較相鄰兩個(gè)單體電池的端電壓，并將其中電壓高的單體電池的能量往電壓低的那個(gè)傳輸，最終達(dá)到兩兩均衡的目的；該方案的好處是主動(dòng)均衡，控制簡(jiǎn)單，而且單級(jí)均衡模塊轉(zhuǎn)換效率高，整體的發(fā)熱比較低，然而其缺陷也正因?yàn)槭侵鲃?dòng)均衡，在觸發(fā)其工作后一直在主動(dòng)均衡工作，時(shí)間長(zhǎng)了，其整個(gè)電池組的能量損耗較大，而且級(jí)數(shù)多了，能量損失較大，目前作為均衡模塊的DC-DC變換器轉(zhuǎn)換效率做到90%，就已是比較高的，經(jīng)過7級(jí)傳遞，效率不足48%，其中任一級(jí)變換器出現(xiàn)問題，影響全局，對(duì)系統(tǒng)要求較高。
[0008]圖4為現(xiàn)有的其中一種基于DC-DC變換器作為均衡模塊的被動(dòng)式均衡方案示意圖，電池組中的每個(gè)單體電池從BI?Bn均與一個(gè)相應(yīng)的均衡模塊的輸入端相連，均衡模塊的輸出端均與電池組的正極U+和電池組的負(fù)極U-相連，通過微控制器控制對(duì)應(yīng)的均衡模塊的工作來抽取所對(duì)應(yīng)的單體電池上能量，從而降低其單體兩端電壓并傳遞到整個(gè)電池組達(dá)到各單體電池電壓均衡的目的。工作方法如下:對(duì)所有單體電池進(jìn)行電壓采樣，計(jì)算平均值，然后檢查電壓偏離平均值最大的單體電池，比如若單體電池Bn電壓低于平均值，通過控制關(guān)閉均衡模塊n，使其不工作;若單體電池BI兩端電壓高于平均值，通過控制均衡模塊I使其工作，抽走BI上的能量并對(duì)整個(gè)電池組充電，這樣就可以降低單體電池BI的兩端電壓，從而達(dá)到均衡的目的。
[0009]圖5也是現(xiàn)有的其中一種基于DC-DC變換器作為均衡模塊的被動(dòng)式均衡方案示意圖，電池組中的每個(gè)單體電池從BI?Bn均與一個(gè)相應(yīng)的均衡模塊El?En的輸出端相連，均衡模塊El?En的輸入端均與同一直流電源的Vin+和Vin-相連，通過微控制器控制對(duì)應(yīng)的均衡模塊El?En的工作來為該單體電池進(jìn)行補(bǔ)充充電，從而升高其單體兩端電壓達(dá)到電池均衡的目的。工作方法如下:對(duì)所有單體電池進(jìn)行電壓采樣，計(jì)算平均值，然后檢查電壓偏離平均值最大的單體電池，比如若單體電池Bn電壓高于平均值，通過控制關(guān)閉均衡模塊EnJi其不工作，這樣單體電池Bn兩端電壓不會(huì)升高;這時(shí)若單體電池BI兩端電壓低于平均值，通過控制均衡模塊El使其工作，為單體電池BI單獨(dú)組補(bǔ)充充電，這樣就可以升高單體電池BI的兩端電壓，從而達(dá)到均衡的目的。
[0010]用上述圖4和圖5方案的單體電池可以自由串聯(lián)，控制簡(jiǎn)單，但是其缺點(diǎn)也很明顯，比如所述的均衡模塊El?En必須是隔離式的DC-DC變換器，一般都帶有隔離變壓器，存在鐵損導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率較低，且隔離變壓器生產(chǎn)成本較高，在人工工時(shí)成本逐日上升的今天，不利于降低生產(chǎn)成本，且有個(gè)隔離變壓器，整個(gè)模塊體積不能做到較小。
[0011 ]綜上，即現(xiàn)有電池組的均衡電路的不足主要為轉(zhuǎn)換效率低，或控制復(fù)雜，或體積較大、或成本較高或者串聯(lián)時(shí)不能自由串聯(lián)等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]有鑒于此，本申請(qǐng)要解決現(xiàn)有電池的均衡電路所存在的不足，提供一種體積小、成本低、均衡效率高、可以自由串聯(lián)的均衡級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用該結(jié)構(gòu)的電池組及其充放電方法。
[0013]現(xiàn)有技術(shù)中的均衡級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)雖然有如圖3所示的全部均衡模塊應(yīng)用非隔離式的DC-DC變換器，也有全部應(yīng)用如圖4所示的全部均衡模塊應(yīng)用隔離式的DC-DC變換器，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員沒有將非隔離式的DC-DC變換器和隔離式