CN103560548B

CN103560548B - 电池组、电池组连接方法及电池组充放电管理方法

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Publication number: CN103560548B
Application number: CN201310375754.0A
Authority: CN
Inventors: 何磊
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Jiangsu Ganfeng Power Technology Co ltd
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2033-08-26
Also published as: CN103560548A

Abstract

一种电池组、电池组连接方法及电池组充放电管理方法。该电池组包括串联设置的若干电池，其中每一电池的一极经一第一开关与一冗余电池单元一极电连接，另一极经一第二开关与该冗余电池单元的另一极电连接，并且其中第一个电池的一极与负载和/或充电电源的一端电连接，最后一个电池的另一极与负载和/或充电电源的另一端电连接，而除此之外，每一电池的一极均与位于该电池之前的另一个电池的另一极电连接。该电池组充放电管理方法可应用于对前述电池组进行充放电管理，本发明能更好的实现对电池组的充放电管理，有效的实现充电均衡、放电均衡以及动态均衡，从而延长电池组的使用效能和寿命，提高能源利用效率，还可有效扩展电池组的应用范围。

Description

电池组、电池组连接方法及电池组充放电管理方法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池组及其管理方法，特别涉及一种电池组、电池组连接方法及电池组充放电管理方法。

背景技术

为了给设备提供足够的电压，电池组通常由多个电池串联而成，但是如果电池之间的容量失配便会影响整个电池组的容量。当电池组中的电池不均衡时，它的可用容量将减少，串联电池组中容量最低的电池将决定电池组的总容量。在不均衡电池包中，一个或几个电池会在其它电池尚需充电时便已达到最大容量。而在放电时，未完全充电的电池又会比其它电池先放完电，使电池组因电压不足而提前停止供电。

所以目前电池组普遍需要采用电池均衡技术，其目的在于：

1.充电均衡：在充电过程中后期,部分电池的容量很高，其单体电压已经超过设定的限制的时候(一般要比截止电压小)时,电池组管理系统(BMS)控制均衡电路开始工作,控制这些容量满的电池少充，不充甚至是转移能量，以达到在整个电池组的容量小的电池继续充电并且容量满电池不损坏的目的。

充电均衡的功能是防止电池组内的电池过充电。由于充电均衡仅仅保证了电池在充电中，容量最小的电池不过充，在放电过程中，它能释放的能量也是最小的，因此这些电池过度放电的可能性很大。如果BMS控制不好的情况下，这些容量小的电池已经处于深度放电条件下，电池组的整体仍蕴含较高的能量(表现在电池组电压较高)。往往充电均衡需要与放电均衡一起使用。

2.放电均衡：在电池组输出功率时,通过补充电能限制容量低的电池放电，使得它单体电压不低于预设值(一般要比放电终止电压高一点)。其中，预设值的设计与不同的电池种类有很大的关系，而两个重要参数充电截止电压和放电终止电压，均和电池温度，充放电流有关。

3.动态均衡：工作在浮充状态(idle),可通过能量转换的方法实现组中单体电压的平衡,实时保持相近的荷电程度。事实上目前关于idle状态的转化可能引起额外的能量消耗，因此需要谨慎评估，不能使电池的能量在无序的转移过程中变成热量而消耗。

概括的讲，习见电池组均衡方法主要有如下类型，包括断流(disconnectioncircuit)型、分流(Shuntingmethod)及能耗型(DissipativeMethod)和主动均衡型(亦可称为回馈型方法，ACTIVECELLBALANCINGMETHODS)，其中，断流型方法是通过如下方式实现的，即：当单体电池的电压在满足一定条件时，把单体电池的回路断开,并使用另一个开关进行旁路。分流型方法是给每只电池添加一个额外的旁路补偿装置,通过外部电阻的特性来补偿电池的特性，而能耗型方法也是为单体电池提供并联电流支路,将电压过高的单体电池通过分流转移电能达到均衡目的，主动均衡型方法是通过能量变换器将单体之间的偏差能量馈送回电池组或组中某些单体而实现，其相当于一个DC/DC电源的使用。但是，前述的各类方法均或多或少存在一些缺陷，例如，对器件的性能要求较高，会加剧电池组的能量损耗等等，因此难以完全满足实际应用的需求。

近年来，还出现了一种最新的电池管理技术，表面上是断流型的一种改进，实际上由于使用了变电压充电和冗余电池切换的技术，其性能甚至优于上诉各种均衡方法，其电池连接结构可参阅图1所示。该方法的要点在于将电池组设计为由N个电池组成，N>K,单块电池额定充电电压为ε，并假设电池组对外供电的额定电压为Kε′，单块电池的额定放电电压为ε′，N、K均为＞1的正整数。

若对其中第i个电池进行考察(显然，i亦为正整数，且N≥i≥1)：当开关S_i，1闭合同时S_i，2打开时，该第i个电池接入电路回路；当开关S_i，1打开同时S_i，2闭合时，该第i个电池旁出电路回路。所以通过调整开关S_i，1和S_i，2的通断状态，我们就可以控制该第i个电池接入或者旁出充电回路。如果M个电池被接入充电电路，那么此时蓄电池组的额定充电电压就降低为Mε显然，M亦为正整数，且N＞M≥1。

该方法的工作方式为，在实时监测每一块电池的电压和电流的同时：

1)充电均衡：起始时，K个电池接入，余电池旁路(为方便表述起始旁路电池块称作冗余电池块)，降压稳压电路输出为V_output＝Kε对电池组进行充电；当有电池充满时，将该电池旁路，然后将一块冗余电池切换接入充电电路，V_output不变，继续充电；当有电池充满，同时冗余电池也都已充满时，将该电池旁路，V_output降低ε，继续充电；直至所有电池充满。

2)放电均衡：起始，调整开关S_i，1和S_i，2的通断状态使得蓄电池组内只有K个电池接入放电回路，其余电池旁出放电回路；实时监测每块电池的电压，电流，计算出每块电池的电量，每隔一定时间比较一次，将电量最小的N-K快电池旁路，余接入放电电路；直到有电池剩余电量达到防过放门限，需电池组停止工作。

3)浮充均衡：不能有效提供浮充均衡。

该方法较之习见电池组均衡方法具有更高性能，能尽可能的给蓄电池充入多的电量，也能够尽可能多的放出所存储的电量，亦没有电池之间的能量转移所带来的能耗，所以能源的利用效率最高。但其仍然存在如下缺陷：

(1)放电工作状态下，电池的切换会导致电池组瞬间断路，频繁的断路和接通所造成的冲击有可能给用电设备造成损坏；

(2)电池组的工作电流受制约于开关器件的性能。

发明内容

鉴于现有技术的诸多不足，本发明旨在提供一种电池组、电池组连接方法及电池组充放电管理方法，从而更为有效的实现充电均衡、放电均衡以及动态均衡。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

作为可选的第一种实施方式，该电池组包括串联设置的两个以上电池，其中每一电池的一极经一第一开关与一冗余电池单元一极电连接，另一极经一第二开关与所述冗余电池单元的另一极电连接，并且，该两个以上电池中的第一个电池的一极与负载和/或充电电源的一端电连接，最后一个电池的另一极与所述负载和/或充电电源的另一端电连接，而除该第一个电池的一极及最后一个电池的另一极之外，每一电池的一极均与位于该电池之前的另一个电池的另一极电连接。

作为前述第一种实施方式的优选实施方案之一，该两个以上电池中第一个电池的一极还经一第三开关与一第一开关和负载和/或充电电源的一端电连接，最后一个电池的另一极与所述负载和/或充电电源的另一端电连接，而除该第一个电池的一极及最后一个电池的另一极之外，每一电池的一极还均经一第三开关与一第一开关和位于该电池之前的另一个电池的另一极电连接；

或者，该两个以上电池中最后一个电池的另一极还经一第三开关与一第二开关和所述负载和/或充电电源的另一端电连接，第一个电池的一极与负载和/或充电电源的一端电连接，而除该第一个电池的一极及最后一个电池的另一极之外，每一电池的另一极还均经一第三开关与一第二开关和位于该电池之后的另一个电池的另一极电连接。

作为可选的第二种实施方式，该电池组包括串联设置的两个以上电池单元，其中每一电池单元的一极经一第一开关与一冗余电池单元一极电连接，另一极经一第二开关与所述冗余电池单元的另一极电连接，并且，该两个以上电池单元中的第一个电池单元的一极与负载和/或充电电源的一端电连接，最后一个电池单元的另一极与所述负载和/或充电电源的另一端电连接，而除该第一个电池单元的一极及最后一个电池单元的另一极之外，每一电池单元的一极均与位于该电池单元之前的另一个电池单元的另一极电连接，以及，

其中至少一电池单元是由前述第一种实施方式或其优选实施方式所述的电池组构成。

作为前述第二种实施方式的优选实施方案之一，该两个以上电池单元中的第一个电池单元的一极经一第三开关与负载和/或充电电源的一端电连接，最后一个电池单元的另一极与所述负载和/或充电电源的另一端电连接，而除该第一个电池单元的一极及最后一个电池单元的另一极之外，每一电池单元的一极均经一第三开关与位于该电池单元之前的另一个电池单元的另一极电连接；

或者，该两个以上电池单元中最后一个电池单元的另一极还经一第三开关与一第二开关和所述负载和/或充电电源的另一端电连接，第一个电池单元的一极与负载和/或充电电源的一端电连接，而除该第一个电池单元的一极及最后一个电池单元的另一极之外，每一电池单元的另一极还均经一第三开关与一第二开关和位于该电池单元之后的另一个电池单元的另一极电连接。

优选的，对于前述的任一电池组，其中每一电池或电池单元的一极与所述冗余电池单元一极之间或每一电池单元另一极与所述冗余电池单元另一极之间还串联有至少一限流电路。

进一步的，作为可选的第三种实施方式，对于前述的任一电池组，它还可包括：

用于采集与电池组中每一电池的工作状态相关数据的监测与检测单元；

控制单元，包括：

至少用于调整电池组中与任一电池连接的任一开关的工作状态的开关驱动电路，以及，

与开关驱动电路及监测与检测单元连接的控制模块。

作为前述第三种实施方式的具体实施方案之一，前述的任一电池组还可包括通信与存储单元，所述控制模块经通信与存储单元与通信、告警设备连接，所述控制模块包括计算与控制处理单元。

作为可选的第四种实施方式，该电池组连接方法包括：

将两个以上电池串联设置，

将每一电池的一极经一第一开关与一冗余电池单元一极电连接，另一极经一第二开关与所述冗余电池单元的另一极电连接，以及，

将该两个以上电池中的第一个电池的一极与负载和/或充电电源的一端电连接，而将最后一个电池的另一极与所述负载和/或充电电源的另一端电连接，而除该第一个电池的一极及最后一个电池的另一极之外，还将每一电池的一极与位于该电池之前的另一个电池的另一极电连接。

作为前述第四种实施方式的优选实施方案之一，该方法还可包括：

将该两个以上电池中的第一个电池的一极经一第三开关与负载和/或充电电源的一端电连接，且将最后一个电池的另一极与所述负载和/或充电电源的另一端电连接，而除该第一个电池的一极及最后一个电池的另一极之外，还将每一电池的一极均经一第三开关与位于该电池之前的另一个电池的另一极电连接；

或者，将该两个以上电池中最后一个电池的另一极经一第三开关与一第二开关和所述负载和/或充电电源的另一端电连接，且将第一个电池的一极与负载和/或充电电源的一端电连接，而除该第一个电池的一极及最后一个电池的另一极之外，还将每一电池的另一极经一第三开关与一第二开关和位于该电池之后的另一个电池的另一极电连接。

作为可选的第五种实施方式，该电池组连接方法包括：

采用前述第四种实施方式或其优选实施方案所述的方法将两个以上电池连接形成一电池单元，以及，

采用前述第四种实施方式或其优选实施方案所述的方法将两个以上电池单元或者至少一电池单元与至少一电池连接形成电池组。

作为可选的第六种实施方式，本发明的电池组充放电管理方法主要应用于对前述第三种实施方式或其具体实施方式所述的电池组进行充放电管理，其中，所述电池组包括N个电池，N为大于或等于2的正整数，该方法包括：

(1)充电均衡管理，包括：以监测与检测单元至少实时测量每一电池的电压和电流，经控制单元定性或者定量的估算比较后，确定其中最接近充满的电池，并将最接近充满的电池旁路出充电回路，其中，随着充电继续进行，最接近充满的电池的标号将会在第1个至第N个电池及冗余电池单元之间变化，其中，

i)若最接近充满的电池为冗余电池，则所述电池组中，所有第一开关和第二开关全部打开，

ii)若最接近充满的电池不是冗余电池，则与最接近充满的电池对应的第一开关和第二开关均闭合，其余第一开关和第二开关全部打开；

(2)放电均衡管理，包括：以监测与检测单元至少实时测量每一电池的电压和电流，经控制单元定性或者定量的估算比较后，确定其中最接近放完的电池，并将最接近放完的电池旁路出放电回路，随着放电继续进行，最接近放完的电池的标号将会在第1个至第N个电池及冗余电池单元之间变化，其中，

i)如果最接近放完的电池为冗余电池，则所述电池组中，所有第一开关和第二开关全部打开，

ii)如果最接近放完的电池不是冗余电池，则与最接近放完的电池对应的第一开关和第二开关闭合，其余第一开关和第二开关均打开。

作为可选的第七种实施方式，该电池组充放电管理方法主要应用于对前述第三种实施方式或其具体实施方式所述的电池组进行充放电管理，其中，所述电池组包括N个电池，N为大于或等于2的正整数，该方法包括：

i)若最接近充满的电池为冗余电池，则所述电池组中，所有第一开关和第二开关全部打开，同时所有第三开关全部闭合，

ii)若最接近充满的电池不是冗余电池，则与最接近充满的电池对应的第一开关和第二开关均闭合，其余第一开关和第二开关全部打开，同时，与最接近充满的电池对应的第三开关打开，其余第三开关均闭合；

i)如果最接近放完的电池为冗余电池，则所述电池组中，所有第一开关和第二开关全部打开，同时所有第三开关全部闭合，

ii)如果最接近放完的电池不是冗余电池，则与最接近放完的电池对应的第一开关和第二开关闭合，其余第一开关和第二开关均打开，同时，与最接近放完的电池对应的第三开关打开，其余第三开关均闭合。

与现有技术相比，本发明优点至少在于：藉由本发明的电池组结构设计及配套的电池组充放电管理方法，能更好的实现对电池组的充放电管理，并更为有效的实现充电均衡、放电均衡以及动态均衡，从而延长电池组的使用效能和使用寿命，提高能源利用效率，进一步的，藉由本发明电池组连接方法，还可进一步的实现电池组的自相似扩展，并有效扩展电池组的应用范围。

附图说明

图1是现有的一种电池组连接结构示意图；

图2是本发明一较佳实施例中电池组连接电路的结构示意图；

图3是本发明另一较佳实施例中电池组连接电路的结构示意图；

图4是本发明再一较佳实施例中电池组连接电路的结构示意图；

图5是本发明一较佳实施例中电池组的结构框图。

具体实施方式

以下结合若干较佳实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1该电池组包括N个规格型号相同的单体电池，该N个电池串联设置，其编号分别为1至N，N为大于或等于2的正整数，并且，该N个电池之间还经若干开关S_i，n连接形成一电池组内部电路，在本实施例中，n选自1、2或3，其可分别定义为第一开关、第二开关和第三开关，i＝1～N中的任意整数值，其对应于任一电池在电池组中的编号。

进一步的讲，参阅图2，在该电池组中，每一电池的一极经一第一开关与一冗余电池单元一极电连接，另一极经一第二开关与冗余电池单元的另一极电连接，并且第一个电池(电池1)的一极还经一第三开关与负载和/或充电电源的一端电连接，最后一个电池(电池N)的另一极与负载和/或充电电源的另一端电连接，而除该第一个电池的一极及最后一个电池的另一极之外，每一电池的一极均经一第三开关与位于该电池之前的另一个电池的另一极电连接。

前述冗余电池单元可以是一个与电池i相同的电池，也可以是一个由多个单体电池组成的电池组。

进一步的，为便于对前述各开关S_i，n进行控制，各开关S_i，n优选采用可控开关，包括但不仅限于MOSFET场效应晶体管，固态继电器，接触式继电器、光耦继电器等各种继电器，并藉由一控制单元实现对这些可控开关的工作状态进行自动控制。该控制单元可包括一开关驱动电路及一控制模块，开关驱动电路系与各可控开关配合，并由控制模块控制。显然的，该控制模块可采用业界惯用的计算机系统、单片机、PLC等设备，但不限于此。

作为该实施例的典型应用方案之一，参阅图5所示，该电池组还可包括开关驱动电路、计算与控制处理单元以及监测与检测单元等。

显然的，如图2所示的电池组连接电路是实现电池组中单电池隔离检测和实时修复的基础，其中所采用得一系列可控开关的通断可由计算与控制处理单元决策和指令，并经由开关驱动电路实现。而对于电池组中每个电池的工作状态相关信息(例如电压、电流、温度等)，其可以通过监测与检测单元进行采集，并上报计算与控制处理单元处理，得出电池的状态数据(如每个电池的容量和剩余电量等)，进而由计算与控制处理单元进行决策及发出指令。

进一步的，该电池组中还可设置通信与存储单元，藉以实现历史数据的存储和远程的信息上报、告警，远程控制交互等，其功能可以根据实际使用需要取舍。

进一步的，对于该电池组而言，其典型的具体使用方式和功能如下：

(1)充电均衡：

监测与检测单元实时测量每一个电池的电压和电流，定性或者定量的估算比较各电池哪个更接近充满，将最接近充满的电池旁路出充电回路；随着充电继续进行，最接近充满的电池的标号将会在1到N和冗余电池之间变化。

i)如果该电池为冗余电池：第一和第二开关全部打开，同时第三开关全部闭合；

ii)如果该电池不为冗余电池:该电池对应的第一和第二开关闭合，其余第一和第二开关打开；该电池对应的第三开关打开，其余第三开关闭合；

前述估算最接近充满电池的方法可采用业界习知的任一种合适方法，例如，其中的一种方法可以是：当所有电池为同类型电池时，如：磷酸铁锂电池，把电池当前开路电压最高的那一个作为最接近充满的电池。所述开路电压可以根据闭路电压、内阻和当前电流来估测，方法不在本发明讨论之范围。

(2)放电均衡

监测与检测单元实时测量每一个电池的电压和电流，定性或者定量的估算比较各电池哪个更接近放完，将最接近放完的电池旁路出放电回路；随着放电继续进行，最接近放完的电池的标号将会在1到N和冗余电池之间变化。

同样的，前述估算最接近放完电池的方法可采用业界习知的任一种合适方法，例如，其中的一种方法可以是：当所有电池为同类型电池时，如：磷酸铁锂电池，把电池当前开路电压最低的那一个作为最接近放完的电池。

当然，对于本实施例，显然本领域之技术人员亦可由前述内容而很容易的想到将第三开关设置于与每一电池之另一极相应位置处，并参照前述充放电管理方式对第一、第二、第三开关的状态进行调整，实现相同之功能。

藉由本实施例的电池组电路及方法设计，能较好的实现对电池组的充放电管理，并更为有效的实现充电均衡、放电均衡以及动态均衡，但是，因第一、第二、第三开关的电路实现必然使用开关器件，电池组的工作电流取决于开关器件所能承受的电流，但能够承受的大电流的开关器件价格比较高昂和市场可获取性较差，可能会使本实施例的应用受到一些制约。

实施例2参阅图3，该电池组同样包括N个规格型号相同的单体电池，该N个电池串联设置，其编号分别为1至N，N为大于或等于2的正整数，并且，该N个电池之间还经若干开关S_i，n连接形成一电池组内部电路，在本实施例中，n选自1或2，其可分别定义为第一开关、第二开关，i＝1～N中的任意整数值，其对应于任一电池在电池组中的编号。

进一步的讲，在该电池组中，每一电池的一极经一第一开关与一冗余电池单元一极电连接，另一极经一第二开关与冗余电池单元的另一极电连接，并且第一个电池(电池1)的一极与负载和/或充电电源的一端电连接，最后一个电池(电池N)的另一极与负载和/或充电电源的另一端电连接，而除该第一个电池的一极及最后一个电池的另一极之外，每一电池的一极均与位于该电池之前的另一个电池的另一极电连接。

作为本实施例的具体应用方案之一，其亦可参照实施例1及图5所示方式，将图5所示之电池组连接电路与控制单元等组合，并使之参照与实施例1类似方案使用，并实现相似之功能，其不同之处在于，在本实施例中，忽略了对第三开关的操作，从而大大降低了开关器件的成本和可获取性，并且还可使得流过开关器件的电路小于整个电池组的工作电流，即，使电池组的工作电流不再受第三开关器件性能的限制。

实施例3本实施例所涉及之电池组结构与实施例2基本相同，但其中每一电池的一极还依次经一第一开关、一限流电路与冗余电池单元的一极电连接。该电池组亦可进一步扩展为图5所示框架结构，并参照实施例2所述之方式工作。

藉此实施例之电池组电路设计，使得整个电池组的工作电流进一步脱离开关器件性能的约束，或，具体的讲，可使通过开关的电流只是电池组的均衡电流，限流电路将均衡电流限制在开关器件可承受的范围之内，电池组工作的最大电流只受电池本身性能的约束。例：开关器件承受电流为10安培，电池组的工作电流甚至可以达到50安培。

显然，较之实施例1，实施例2-3，尤其是实施例3可以大大提高实现大工作电流电池组的可行性，同时降低了实现成本，因此将具有更为广泛的应用前景。

实施例4该电池组包括串联设置的两个以上电池单元，其可参照实施例1-3中任一者所述之电池组电路连接结构而相互连接，并参照实施例1-3中任一者所述之方式工作，其不同之处在于，其中，至少一电池单元系由实施例1-3中任一者所述之电池组组成，其余电池单元即可采用单体电池，亦可采用实施例1-3中任一者所述之电池组。通过此种设计，能达成电池组的自我扩展。

当然，需要说明的是，该电池组亦可进一步扩展为图5所示框架结构，并参照实施例1-3中任一者所述之方式工作。

需要指出的是，以上说明及在图纸上所示的实施例，不可解析为限定本发明的设计思想。在本发明的技术领域里持有相同知识者可以将本发明的技术性思想以多样的形态改良变更，这样的改良及变更应理解为属于本发明的保护范围内。

Claims

1.一种电池组充放电管理方法，应用于对电池组进行充放电管理，所述电池组包括：

串联设置的N个电池，N为大于或等于2的正整数，其中每一电池的一极经一第一开关与一冗余电池单元一极电连接，另一极经一第二开关与所述冗余电池单元的另一极电连接，并且，该N个电池中的第一个电池的一极与负载和/或充电电源的一端电连接，最后一个电池的另一极与所述负载和/或充电电源的另一端电连接，而除该第一个电池的一极及最后一个电池的另一极之外，每一电池的一极均与位于该电池之前的另一个电池的另一极电连接；

控制单元，包括：

与开关驱动电路及监测与检测单元连接的控制模块；

其特征在于，所述电池组充放电管理方法包括：

（1）充电均衡管理，包括：以监测与检测单元至少实时测量每一电池的电压和电流，经控制单元定性或者定量的估算比较后，确定其中最接近充满的电池，随着充电继续进行，最接近充满的电池的标号将会在第1个至第N个电池及冗余电池单元之间变化，其中，

i）若最接近充满的电池为冗余电池单元，则所述电池组中，所有第一开关和第二开关全部打开，

ii)若最接近充满的电池不是冗余电池单元，则与最接近充满的电池对应的第一开关和第二开关均闭合，其余第一开关和第二开关全部打开；

（2）放电均衡管理，包括：以监测与检测单元至少实时测量每一电池的电压和电流，经控制单元定性或者定量的估算比较后，确定其中最接近放完的电池，随着放电继续进行，最接近放完的电池的标号将会在第1个至第N个电池及冗余电池单元之间变化，其中，

i)如果最接近放完的电池为冗余电池单元，则所述电池组中，所有第一开关和第二开关全部打开，

ii)如果最接近放完的电池不是冗余电池单元，则与最接近放完的电池对应的第一开关和第二开关闭合，其余第一开关和第二开关均打开。

2.根据权利要求1所述的电池组充放电管理方法，其特征在于，所述电池组中每一电池的一极与所述冗余电池单元一极之间或每一电池另一极与所述冗余电池单元另一极之间还串联有至少一限流电路。