CN105141008A - 一种简易的电池组电池均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种简易的电池组电池均衡方法，包括定期均衡；均衡时电池组放电至最低电压的单体电池达到低电压区的电压V_S，电池管理系统对组成电池组的所有电池，间隔次序地启动放电均衡模块，以均衡电流I_J给电池放电至电压V_E，使所有电池电压都在V_E。本发明定期、低电压区、大均衡电流放电、电池间隔次序均衡、管理系统和均衡策略简单的一种简易的电池组电池均衡方法使电池组均衡能耗低、所需均衡时间短和有效，提高了电池组循环寿命。

Description

一种简易的电池组电池均衡方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种简易的电池组电池均衡方法。

背景技术

锂离子电池具有电压高、比能量高和环保，广泛应用于便携式消费电子产品，其组成的电池组逐渐应用于电动汽车和储能等系统。

用作电动汽车和储能等系统的锂离子电池组必须高电压，甚至高达600多伏，需要约200只电池串联，同时需要长达10年以上的使用寿命。锂离子电池的电池组的循环能力表示为经过N次循环后，电池组放电容量C_n降为初始放电容量C₀的D％(D％通常为70-80％)。某次电池组放电容量取决于该次电池充电容量，而充电容量取决于该次充电时电池组中最大剩余电池容量(最小可充容量)电池A。电池组中电池A的剩余容量C_A和最小剩余容量(最大可充电容量)电池B的剩余容量C_B之差ΔC(＝C_A-C_B)(电池A、B此时容量不是此时其真正的本征容量)，反映电池组电池的一致性。ΔC愈大，表明电池组中一致性愈差，充、放电容量愈小。通过电池组均衡可以减少ΔC。通常均衡方法是基于电压反映电池剩余容量态SOC(StateofCharge)，在电池高电压区，如磷酸铁锂电池在3.5-3.6V处设立某个电压，电池组其中一个电压最高的电池被认定是电池A，电压最低的被认定是电池B，把电池A的电量用电阻放电或转移到电池B。但各个电池个体由于电池工艺差异(尽管电池配组是挑选相近的电池，但经过循环，电池极化仍然会不一样)、组配电连接差异和电池个体所在电池组周围温度差异等都会导致电池个体曲线不能重合，使电池剩余容量态SOC与电池电压对应关系失真，特别是在电池充电或放电曲线的高电压和平台区。使得管理系统依照测得的电池电压值确认电池A和电池B不正确，甚至，测得电压最高那个电池可能是电池B，电压低的可能是电池A，使本应该补电的电池B反而被放电，导致电池放电容量减少；本应该放电的电池A被均衡电路补电，实际无法补入电，电压瞬间达到电池截止电压而关断，测得的电压仍然是低压，管理系统又要求均衡电路补电，均衡电路反复动作，不仅没有均衡电池组电池，而且很快损坏均衡系统或电压采集系统。

电池组ΔC主要来自电池个体自放电不同和电池管理系统电压采集系统的导通电流差异。电池组ΔC会随着电池组的使用而增大，从而减少电池组放电容量，表现为电池组使用寿命差，因此，为保证电池组的使用寿命，有效的电池组电池均衡是必不可少。

通常电池组均衡时，需要管理系统估算电池SOC，比较电池SOC或者电压，确定均衡测策略，对管理系统要求较高，均衡方法复杂，均衡时间长。

发明内容

针对磷酸铁锂及其他锂离子电池电池组均衡效果差和均衡方法复杂的问题，在本发明，希望提供一种简易的电池组电池均衡方法，对电池组电池进行有效的均衡，延长电池组的循环寿命。

本发明技术是这样实现的，定期均衡，均衡时，电池组放电至最低电压单体电池达到低电压区的电压V_S，电池管理系统对组成电池组的所有电池，间隔次序地启动放电均衡模块，以均衡电流I_J给电池放电至电池组均衡截止电压V_E。使所有电池电压都在V_E。

进一步地，上述均衡方法可以应用于电动汽车电池组、电力储能系统和UPS。

进一步地，上述均衡方法为定期限进行，在管理系统中设定均衡定期限指令。

进一步地，上述均衡方法在均衡放电启动前把电池组放电至最低电压单体电池达到低电压区的电压V_S。V_S设定为电池组正常工作时单体电池最低控制电压。只要电池组放电完毕，就可开始电池组均衡动作，这样简化了均衡操作，均衡时间短。

进一步地，上述均衡方法的管理系统对所有电池有序均衡，可以是电池间隔次序均衡。为减少均衡放电导出的热量聚集，也可以分分所有单数序数电池1次或多次和所有偶数序数电池1次多次均衡。

进一步地，上述均衡方法要对均衡方法要设定合理的均衡电流I_J，I_J≥0.02CA(1CA为电池1小时放电率电流)。I_J过小，可能小于电池自放电电流，无法给电池放电，导致均衡方法失效，或均衡时间过长。均衡电流I_J最小值，由均衡模块的耗电电阻R确定。耗电电阻R＝(V_S-V_E)/I_J。

进一步地，上述均衡方法均衡截止电压V_E应当尽可能低，以达到各电池空电态，使电池组电池ΔC＝0，为避免电池过放电，其值不低于电池组单体最小允许放电电压；由于低电压区电池放电曲线较陡，单体电池容量对电压的变化率小，V_E也可以比电池组单体电池的最小允许放电电压高100mV，对均衡效果影响不大。因此，V_E值设定与电池组单体最小允许放电电压相同，或比电池组单体电池的最小允许放电电压高100mV。

进一步地，低电压区电池放电曲线较陡，单体电池容量对电压的变化率小，即使V_S和V_E测量有误差，反映的电池容量误差很小，均衡后电池组电池间ΔC仍然接近于0，也不影响电池均衡效果。因而，对管理系统和电压采集系统所用的电池电压采集器件精度要求低，管理系统和电压采集系统简单。

进一步地，上述均衡方法在电池的V_E-V_S低电压区进行，同样大小的均衡电流，与高电压区放电均衡相比，在低电压区放电均衡其放电功率小，散热量少，电池组均衡模块散热设施简单。

因此，根据本发明实施方案中包括定期、低电压区、大均衡电流放电、电池间隔次序均衡、管理系统和均衡策略简单的一种简易的电池组电池均衡方法使电池组均衡有效、能耗低、均衡时间短、电池组循环寿命提高。

本发明的其它特征和优点在下述描述中更为充分呈现。

附图说明

图1描述本发明均衡方法的基本原理和其中两只电池的均衡过程

图2描述本发明电池组电池均衡方法的流程图

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的实例在附图中标出。流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法可以被理解为，表示包括一个或多个用于实现特定的逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或相反的顺序，来执行功能，也应被本发明的实施例技术领域的技术人员所理解。

图1描述本发明均衡方法的基本原理和其中两只电池的均衡过程。在电池组需要均衡时，存在最大剩余容量电池A和最少剩余电池B。电池组放电结束，实际上只是电池B放电至V_S(即放电曲线Q点)，电池B电放完，而电池A仍然有ΔC容量没有放完(在曲线P点处)。如不均衡继续下一步充电，电池A充满电，电池B却没有满电。假如此时电池A和电池B本征容量为C，电池组充电受电池A控制，只能充电C-C_A和放电C-C_A，而不是充电C-C_B和放电C-C_B。正如图1看到，要使电池A和电池B均衡，必须使C_A等于或约等于C_B；要使电池组均衡，电池组其它所有电池剩余容量必须接近C_B。

本发明均衡基本原理是，把电池组所有电池电放空或接近放空，使所有电池的剩余容量等于零或接近零，实现电池间均衡。其均衡过程正如电池A和电池B，把两者都以电流I_J放电到电压V_E(电池A和电池B都在放电曲线R处)，电都放完，C_A＝C_B＝0或接近0，实现电池A与电池B的均衡。其中V_E值设定为与电池组单体最小允许放电电压相同；如果ΔV(＝V_S-V_E)＞0.30V，V_E可设为电池组单体电池最小允许放电电压以上100mV。V_S设定与电池组正常工作时单体电池最低控制电压相等，这样电池组放电后就可以开始电池均衡操作，不需要其他复杂的准备操作。本发明均衡方法简单，不需要管理系统比对电池组中单体电池电压或SOC态等复杂的均衡策略，操作简单，均衡作业时间短。

图2描述本发明的电池组电池均衡方法的流程图。在电池组均衡开始201；电池组放电202至最低电压的单体电池达到V_S；管理系统选择将均衡的电池203；启动指令均衡模块给电池放电至V_E204，电池可以间隔次序均衡，也可以分所有单数序数电池1次或多次和所有偶数序数电池1次多次均衡；所有电池均衡后，均衡过程结束205。

实施例1

把16只3.2V105Ah磷酸铁锂电池串联成电池组，并配有管理系统板和带均衡模块的电池电压采集板。电池组单体电池允许的最大充电电压为3.65V，最小的放电电压2.50V；循环时单体电池的电压限定为充电电压3.60V，放电电压2.85V。均衡设定：V_S为2.85V，V_E为2.5V，均衡电流I_J最小值为3A(0.03CA)，耗电电阻R为0.12Ω，按照先电池序号偶数一批，序号奇数为另一批对每个电池放电均衡。电池组以100A电流，在45.6-57.6V范围内充电和放电循环测试，测试结果：电池组首次放电100Ah；循环第200次电池组放电容量94.6Ah，用本发明的均衡方法对电池组进行均衡，均衡时间5.2h，电池组内部温升2℃。均衡后的电池组以上述循环程序相同的电流和电压范围进行充、放电，其结果：电池组放电容量恢复为98.6Ah，

实施例2

把32只3.2V105Ah磷酸铁锂电池串联成电池组。先16只电池组成模块，然后2个模块串联成1个电池组。电池组配有管理系统板和每个模块各带1个带均衡模块的电池电压采集板。电池组单体电池允许的最大充电电压为3.65V，最小的放电电压2.50V；循环时单体电池的电压限定为充电电压3.60V，放电电压2.85V。均衡设定：V_S为2.85V，V_E为2.6V，均衡电流I_J最小值为2A(0.02CA)，耗电电阻R为0.12Ω，按照先电池序号偶数一批，序号奇数为另一批对每个电池放电均衡。电池组以100A电流，在91.2-115.2V范围内充电和放电循环测试，测试结果：电池组首次放电100Ah；循环第200次电池组放电容量94.0Ah，用本发明的均衡方法对电池组进行均衡，均衡时间6.0h，电池组内部温升2℃。均衡后的电池组以上述循环程序相同的电流和电压范围，进行充、放电，其结果：电池组放电容量恢复为98.4Ah， $\frac{C_{201}}{C_1}\×100\%=98.4\%.$

实施例3

把32只3.6V33Ah镍锰钴酸锂锂离子电池串联成电池组。先16只电池组成模块，然后2个模块串联成1个电池组。电池组配有管理系统板和每个模块各带1个均衡模块的电池电压采集板。电池组单体电池允许的最大充电电压为4.20V，最小的放电电压2.85V；循环时单体电池的电压限定为充电电压4.10V，放电电压3.00V。均衡设定：V_S为3.00V，V_E为2.85V，均衡电流I_J最小值为2A(0.07CA)，耗电电阻R为0.075Ω，按照先电池序号偶数一批，序号奇数为另一批对每个电池放电均衡。电池组以30A电流，在96.0-131.2V范围内充电和放电循环测试，测试结果：电池组首次放电30Ah；循环第200次电池组放电容量28.5Ah，用本发明的均衡方法对电池组进行均衡，均衡时间4.8h，电池组内部温升5℃。均衡后的电池组以上述循环程序相同的电流和电压范围，进行充、放电，其结果：电池组放电容量恢复为29.4Ah， $\frac{C_{201}}{C_1}\×100\%=98.0\%.$

对比例1

电池组采用常规的被动均衡方法，均衡启动电压3.55V，均衡电流I_J最小值为2A(0.02CA)。采用实施例1相同的电池、电池组组装方法和充、放电循环程序，测试结果：电池组首次放电100Ah；循环第200次电池组放电容量94.6Ah，用常规的被动均衡方法对电池组进行均衡，均衡超过24h没有结束，人为结束均衡，电池组内部温升1℃。均衡后的电池组以上述循环程序相同的电流和电压范围进行充、放电，其结果：电池组放电容量恢复为94.9Ah，

对比例2

采用除了V_E为0V外，其他与实施例1相同的均衡方法。采用实施例1相同的电池、电池组组装方法和充、放电循环程序，循环测试结果：电池组首次放电100Ah；循环第200次电池组放电容量94.6Ah，然后对电池组进行均衡，均衡6.5h，电池组内部温升5℃。均衡后的电池组以上述循环程序相同的电流和电压范围进行充、放电，其结果：电池组放电容量恢复为98.4Ah，但电池发热，电池过放损坏。

对比例3

采用除了均衡电流I_J最小值为0.5A(0.005CA)，即耗电电阻R为0.70Ω外，其他与实施例1相同的均衡方法。采用实施例1相同的电池、电池组组装方法和充、放电循环程序，循环测试结果：电池组首次放电100Ah；循环第200次电池组放电容量94.6Ah，然后对电池组进行均衡，均衡时间长达23h，电池组内部温升1℃。均衡后的电池组以上述循环程序相同的电流和电压范围进行充、放电，其结果：电池组放电容量恢复为97.6Ah，

Claims (9)

1.一种简易的电池组电池均衡方法，其特征在于，包括：

均衡时电池组放电至最低电压单体电池达到低电压区的电压V_s，电池管理系统对组成电池组的所有电池，间隔次序地启动放电均衡模块，以均衡电流I_J使电池放电至电池组均衡截止电压V_E，使所有电池电压都在V_E；

所述间隔次序启动放电均衡模块，包括将所有单数序数电池1次或多次，以及将所有偶数序数电池1次或多次均衡。

2.根据权利要求1所述的均衡方法，其特征在于：所述的V_s设定与电池组正常工作时单体电池最低控制电压相等。

3.根据权利要求1所述的均衡方法，其特征在于：所述的V_E值与电池组单体电池最小允许放电电压相同，或V_s-V_E＞0.30V时，VE值比电池组单体电池最小允许放电电压高100mV。

4.根据权利要求3所述的均衡方法，其特征在于：所有电池均衡后接近空电态。

5.根据权利要求1所述的均衡方法，其特征在于：所述均衡的均衡电流I_J≥0.02CA，其中1CA为电池1小时放电率电流。

6.根据权利要求5所述的均衡方法，其特征在于：均衡电流I_J最小值，由均衡模块的耗电电阻R确定；耗电电阻R＝(V_s-V_E)/I_J。

7.根据权利要求1所述的均衡方法，其特征在于：所述电池为磷酸铁锂电池或其他类型的锂离子电池。

8.根据权利要求1所述的均衡方法，其特征在于：所述的均衡是定期限进行。

9.根据权利要求1所述的均衡方法，其特征在于：所述均衡方法可以应用于电动汽车电池组、电力储能系统或UPS。