[发明专利]自激负脉冲稳压均衡电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种串联使用的蓄电池组或蓄电池单元中的各个单体，常用于助力自行车、电动摩托车、电动汽车等电动车辆用铅酸蓄电池、UPS用阀控式铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、双能源动力电池、叉车电池、小型阀控式铅酸蓄电池等需要多个单体串联使用且对一致性有需求的蓄电池领域。

背景技术

蓄电池组是多个蓄电池单体构成，充电控制一般只控制整个电池组的电流和电压，由于电池单体间客观存在的差异，不管电池出厂前如何进行容量和电压的配组，但在多次充、放电循环后，电池单体间的容量和电压总会拉开差异，这是普遍存在的现实。所以在充电过程中，电压高的电池单体容易过度充电而损坏，容量小的电池单体容易过度放电又无法达到充分的补充而损坏。

为了解决这个难题，人们进行不懈的努力，也取得一定的成效，但也存在一些不足：

CN1275829A公开的一种连接于电池之外的电路，通过谐振电路调节相邻电池单体间的电荷平衡。确实解决了电池组的均衡问题。也存在明显的不足：1、其电路不管电池组是在充电末期还是在放电后期，只要电池单体间电压有差异，就进行电荷来回搬迁，实践证明，即便谐振电路的能量转化率能够高达90％，也造成不小的电量浪费，最后表现为电池组实际使用容量的大大下降。2、谐振电路结构比较复杂，成本高，在很多领域没有实际应用价值，比如：一组常用的36V电动助力车电池，总共有18个单体，这就需要17套谐振电路，谐振电路的成本最低也超过电池本身价值的2倍。

CN1667909A公开一种电路，大致原理与CN1275829A类似，但去掉谐振电路，用旁路电阻来代替，确实降低了成本，但也存在明显的不足：1、如果电池组的单体间差异比较大时，用电阻来旁路发热相当严重，在实际应用中散热成为新问题；2、电池充电过程电压高并不一定是容量大，而可能是电池的内阻比较大，如果电压偏高就进行放电，势必造成容量小的单元反而不容易充饱。放电末期电压高的确实容量比较大，如果把容量大的进行放电，那么整个电池组的实际容量就由容量最小的单体来决定，这样可能导致电池组更早达到使用终止。

参考很多解决电池组均衡问题的方法，概括起来大致包括两类，第一类是“电荷搬迁法”，不管用谐振电路还是DC-DC转换电路或其他的电荷搬迁电路，大致思路是一样的，在一定程度上解决电压平衡的问题，但不足之处也很明显，实际应用不容易普及。第二种方法就是旁路放电，不管是设定电压，还是使用电压比较器，都是将电荷释放达到电压平衡。这些方法对电压平衡有一定帮助，但还是没有解决电池容量平衡和充电接受率的最根本问题，依然存在比较明显的不足。

要彻底巧妙地解决这个问题，我们必须深入了解电池的电化学原理。在有水参与电解质的蓄电池族中，其电化学反应在水的分解、吸收、充电末期的欧姆极化和电解质的浓度极化方面的机理大致相同。下面我们以阀控式铅酸蓄电池为例来说明这个问题。

阀控式铅酸蓄电池充电末期，当正极的硫酸铅大全部转化为二氧化铅，负极的硫酸铅大部分都转化成海绵状铅的时候，就出现以下几种情况：

1、电解质中硫酸浓度增加，硫酸浓度与电池电动势大致成这样的关系：电动势＝(电解质密度+0.85)V，所以当电解质浓度增加的时候，电池电动势自然增加；

2、电池内部存在一个静态电场，其方向由正极到负极，所以电解质中的H⁺在电场的作用下向负极移动，并聚集在负极的周围形成较高的离子浓度；同样的道理，正极板附近的SO₄^2-浓度较高，特别充电末期在内电场加强的时候，这种浓度聚集的现象更加明显，这就是我们常说的“浓度极化”，浓度极化提高电池的电动势；

3、导体在直流电场的作用下，有阻碍电流通过的趋势，称“欧姆极化”，特别蓄电池本身相当一个电容，电容有通交流、阻直流的特性。欧姆极化在电池的充电末期表现得尤其明显。

以上3种情况都表现为电池充电末期电动势的上升，当电动势上升到一定程度，超过析氧过电位的时候，电池内部可能发生如下的反应：

H₂O(电解)→H₂↑+O₂↑

其实在电解过程中析氧和析氢的过电位是不一样的，也就是说在电动势还没有达到析氢过电位的时候，氢气不会产生，但氧气已经产生了。