[发明专利]单元平衡方法和系统

说明书

本发明涉及一种用于电池单元平衡的系统，包括：单元监测块(16)，其配置成监测电池单元模块中跨过各个单元(C₁、C₂、......C_N)的电压或相关量；微控制器(18)，其配置成用于监测所述电池单元模块的正端子电压(12)和负端子电压(13)，并且用于监测(11)所述模块的输出电流I_mod，以及所述各个单元(C₁、C₂、......C_N)的监测的单元电压，其中微控制器(18)被配置成基于至少所述正端子电压(12)、所述负端子电压(13)、所述模块的所述输出电流I_mod和所述各个单元的所述监测的单元电压来提供控制信号(20)；以及混合模块平衡块，其配置成在由微控制器提供的控制信号的控制下，在特定模块中提供单元(C₁、C₂、......C_N)的有源和无源单元平衡的组合或者有源或无源单元平衡。本发明还涉及一种电池中的电池单元平衡的方法，该电池包括一个或多个模块，每个模块包括一个或多个单元。

技术领域

本发明大体上涉及用于电池系统中的单元平衡的系统和方法，以及更具体地涉及应用有源和无源单元平衡的组合以便在不同条件下优化单元平衡的这种系统和方法。

背景技术

单元平衡系统和方法在电池管理领域中是已知的，并且这种系统和方法对于优化由大量单元组成的电池的性能是至关重要的，诸如在中型和大型电化学存储系统中所需的那些，例如设计成在电动车辆中操作。

这种系统和方法的主要目的是在电池的所有单元之间维持均匀条件，从而在效率、存储能量和寿命方面允许最佳操作。为了达到电池组期望的操作电压，单元串联连接。如果单元完全平衡，则总电压将按每个单元平均分配。然而，在实践中，单元将是不平衡的。单元平衡过程使链中所有单元上的充电均衡，并且因此增加电池容量。该过程是必需的，因为最大充电受最高单元电压的限制，并且最大放电受最低单元电压的限制。它的使用在几乎每种技术中都是期望的(唯一的例外是氧化还原液流 (Redox-Flow)技术)，并且在某些情况下如在离子锂电池中必不可少。

在充电和放电循环期间，串联串中的电池可能不以统一的方式操作。电池的特征尤其在于其内部电阻，其可以在给定类型的电池单元的某些容许极限内变化。具有更高效单元(即，具有相对低内部电阻的单元)的电池倾向于具有更高的电压，而具有更低效单元的电池保持在更低的电压。一旦不平衡发生，它将倾向于随着额外的使用而增加。因此，在电池充电时，一些电池会在其他电池之前很久就达到完全充电。同样，较弱的单元将倾向于比组内的其余单元快得多地放电。这导致单元中的大多数利用不足。总之，当这些不平衡电池在没有任何控制(诸如单元均衡)的情况下被使用时，能量存储容量严重下降。

串联连接电池串已经用于许多应用，诸如电动车辆、混合电动车辆 (HEV)、电动滑板车和不间断电源。其中，HEV电池严重暴露于充电和放电环境。这种暴露的发生是因为HEV可以在再生制动(过去浪费的能量源) 期间从车轮回收能量并且重复使用它以低速度推进车辆或者为高加速度提供额外的动力。这种重复的充电和放电现象加剧了单元失配问题。

可以根据电压或SOC(充电状态)来定义单元之间的不平衡。就其本质而言，如前所述，如果不采取纠正措施，例如由于单元的内部电阻而导致的不平衡将随着时间的推移而增加并且对电池执行充电和放电循环，这可能致使一个或多个元件达到过度充电或深度放电状态，而其他元件仍具有有效的SOC的情况。这些极端状况可能导致电池的显著恶化，以及其他外部因素可能引起整个系统的过早失效。不平衡和恶化二者均发生的严重性和快速性在很大程度上取决于诸如以下因素：

●过程技术：诸如铅酸或NiCd等一些技术能够承受一定程度的过度充电和/或深度放电。在这些技术中的一些中，甚至使用轻微的过度充电过程来周期性地实现平衡电池。然而，其他技术，诸如锂离子，完全不能承受过度充电或深度放电的情况，其可能会损坏电池，缩短其寿命，甚至造成危险状况。