电池组均衡专利技术分析

2015-03-23李高举王金金

河南科技 2015年22期

关键词：荷电内阻电池组

李高举　王金金

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州　450002）

电池组均衡专利技术分析

李高举王金金

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州450002）

为了实现电池组的安全、高效运行，设置电池组管理系统是十分必要的。电池组均衡技术是电池组管理系统的核心，而电池组均衡技术的关键和难点是准确估测电池的荷电状态（SOC）。本文结合较为典型的专利申请，对电池组管理系统中的电池组均衡技术和电池的荷电状态的估算算法进行了介绍和探讨。

电池组；均衡；SOC；专利

由于各单块蓄电池在制造、初始容量、电压、内阻以及蓄电池组中各单块蓄电池的温度等方面均不完全相同，在使用过程中，会造成某单块蓄电池的过充电和过放电现象，严重影响了电池组的正常使用。为了实现电池组（也即电池包，battery pack）的安全、高效运行，设置电池组管理系统（BMS）是十分必要的，而电池组管理系统的核心技术就是电池组均衡技术。采用电池组均衡技术，可以解决蓄电池间的不均衡性，提高电池组能量利用率、电池组的安全性和电池组的使用寿命。电池组均衡技术的目的是使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。而电池组均衡技术的关键和难点是准确估测电池的荷电状态（SOC）［1-2］。目前国内国外许多公司都对其展开了充分地研究。

1　电池组均衡技术分类

1.1静态均衡和动态均衡

电池组均衡技术从电池工作状态上可以分为静态均衡和动态均衡。动态均衡又包括充电均衡、放电均衡。

（1）充电均衡在电池组充电过程中，当某节电池电量较高时，减小该节电池的充电电流，以限制该节电池的充电电量，或者当某节电池电量较低时，对该节电池进行补电。

例如，上海中科深江电动车辆有限公司的发明专利CN101916888A中，充电器对动力电池组充电，直至至少一个单体电池的单体电压值达到最高值，然后停止充电器对动力电池组的充电，控制充电均衡器对每个单体电池进行单体均衡充电，直至充满。

深圳市比克电池有限公司的发明专利CN101277022A中，在电池组充电时，将达到过充电压的单体电池的充电电流旁路到下一个单体电池，在避免电池过充的同时，增加了其他未充满电池的充电电流。

（2）放电均衡是在电池组放电过程中，当某节电池电量较低时，对其补充电能，增加其电量，或者当某节电池电量较高时，对其进行放电，减小其电量。

例如，欣旺达电子股份有限公司的发明专利CN1038 72711A中，在放电过程中，当监测到某个电池的电压为3.3V时，则使电池组停止放电，然后对电压未达到3V的电池继续进行放电，直至每节电池的电压均达到3V，并且电流为10mA时，放电完成。

（3）静态均衡是在充电完成后、放电进行前进行的均衡，包括所有在此期间进行均衡的方式。

1.2无损均衡和有损均衡

根据均衡过程中能量的消耗情况，可以分为无损均衡和有损均衡，其中无损均衡又称为主动均衡，有损均衡又称为被动均衡。无损均衡又包括能量转换型均衡电路和能量转移型均衡电路［2-3］。

（1）能量转换型均衡将电池组整体能量对单体电池进行能量补充，或者将单体电池能量向整体电池组进行能量转换。

例如，武汉市欧力普能源与自动化技术有限公司的发明专利CN103904754A中，对串联电池组中电量不一致的单体电池进行多取少补，在充电的过程中将过于饱和的单体电池的能量转移到整个串联电池组，在放电的过程中将串联电池组的能量转移到电量不够充分的单体电池，使各个单体电池保持良好的一致性。

（2）能量转移式均衡是利用电感或电容等储能元件，把电池组中剩余容量高的单体电池的能量转移到储能元件中，再将储能元件中的能量转移到剩余容量比较低的电池中。

例如，上海电机学院的发明专利CN102647007A中，采用超级电容作为储能元件，通过双向DC-DC变换模块和开关矩阵模块，将电量高的电池的多余电量通过双向DC-DC变换模块放到超级电容中，再将超级电容中的电量通过双向DC-DC变换模块充至电量低的电池中。

（3）有损均衡，也即耗能均衡，通过采用耗能元件（如电阻）消耗掉剩余容量高的单体电池的能量，从而使其与其他单体电池的剩余容量接近一致。

例如，潍坊光华电池有限公司的实用新型专利CN20162 3470U中，在电池组的每个单体电池的两端均并联一个由开关管和电阻串联构成的均衡电路，当各单体电池电压差超出设定电压差时，控制相应的开关管导通，单体电池通过电阻进行放电，直至电压差跌落至设定范围内。

1.3其他均衡方法

除上述几种均衡方法外，还有一些其他的均衡方法，丰富了电池组均衡技术的内容，例如，厦门乾芯能源科技有限公司的实用新型专利CN204794196U中，当任意两单体电池中存在其中一单体电池过压，另一单体电池欠压时，控制器通过过压单体电池所对应的开关放电模块控制该过压单体电池放电至对应的变压器的副边，并通过欠压单体电池所对应的开关充电模块将来自对应变压器副边的电能给欠压单体电池充电，实现同一电池组中任意两单体电池之间的均衡一致性。

有损均衡电路结构和控制方法简单，但是在均衡过程中损失了能量，并且电能转换成了热能，需要进行对电路进行热管理。无损均衡电路电路结构和控制方法较为复杂，但是在均衡过程中只进行能量转换和转移，能量损失较小，并且不会带来发热问题，相关专利申请较多，为该领域的研究热点。

无论是充电均衡、放电均衡、静态均衡，还是能量转换型均衡、能量转移型均衡、有损均衡，都是本领域技术人员常用的均衡方式，均衡技术相对成熟。每种均衡方式下都有相当多的专利数量，为电池组均衡技术的继续发展奠定了基础。研究人员大多在上述均衡原理的基础上，对均衡电路做出进一步的改进，电路结构和电路控制变得更加复杂，达到的均衡效果更好。

2　荷电状态的估算算法

电池组均衡技术的关键和难点是准确估测电池组中各电池的荷电状态（State of Charge，SOC，也即剩余容量）。电池荷电状态描述了电池的剩余容量，是电池属性中的重要参数。精确的荷电状态估算是BMS研究、开发人员不变的追求，但是由于电池荷电状态的非线性，并且受到多种因素影响（如温度、充放电电流、自放电、老化等），电池组的荷电状态（SOC）的估算精度误差很大。SOC估计常用的算法通常包括以下五种：开路电压法、容量积分法、电池内阻法、模糊逻辑推理和神经网络法、卡尔曼滤波法等［2］。

（1）开路电压法是最简单、最常用的测量方法，但测量精度很低，主要根据电池组开路电压判断SOC的大小。在许多专利申请中，在进行电池组均衡时，均衡的依据多为单体电池两端的电压。

（2）容量积分法是通过对单位时间内的，流入流出电池组的电流进行累积，从而获得电池组每一轮放电能够放出的电量，确定电池SOC的变化。

例如，在奇瑞汽车股份有限公司的发明专利CN1036 18354A中，电池管理系统通过对电池的工作电流进行采样，并进行电流积分的计算，来计算电池荷电状态（SOC），对电池的充放电过程进行控制。

（3）电池内阻法。电池内阻（直流内阻）与SOC有密切关系，通过测量电池内阻，根据电池内阻与SOC的对应关系，可以相应地得知SOC的大小。

例如，在华为技术有限公司的发明专利CN101067648A中，获得蓄电池在不同时间段放电时的电流值和电压值，根据电流值和电压值获得蓄电池内阻检测值，对内阻检测值进行修正，将修正后的内阻检测值与预置的初始状态内阻值相比，所得的比值根据预置的蓄电池不同剩余容量状态值与内阻值的关系曲线，获得当前状态剩余容量状态值。

（4）模糊逻辑推理和神经网络法可从系统的输入、输出样本中获得系统输入、输出关系，可以用来估算SOC。但是在计算过程中，输入变量的选择、变量的数量会直接影响模型的准确性和计算量，并且需要大量的参考数据进行训练，估计误差受训练数据和训练方法的影响很大。

例如，在上海汽车集团股份有限公司的发明专利CN102 118071A中，基于神经网络的模型来计算车载电池的SOC，神经网络包括输入层、隐含层和输出层，输入层的输入变量为车载电池的电压、电流、温度和内阻，输出层的输出变量为电池荷电状态SOC，通过在学习训练过程中采用变化的步长，提高了学习精度和训练速度，从而获得更佳的电池荷电状态计算精度。

（5）卡尔曼滤波理论的核心思想是对动力系统的状态做出最小方差意义上的最优估算，动力系统即为电池，SOC是系统的一个内部状态。但在SOC估计精度提高时，电池模型将变得复杂，运算量也会大大提高。

例如，在清华大学的发明专利CN101022178A中，进行电池组复合脉冲试验，得到电池组充放电电压曲线，基于该试验数据得到标准电池模型的参数，提取标准电池模型的欧姆内阻-SOC曲线和开路电压-SOC曲线，并计算观测矩阵，构建完整的基于标准电池模型的卡尔曼滤波SOC估计算法，电池管理系统用SOC估计算法计算各个点下的SOC值。

上述五种方法中，从相关专利数量上来说，采用开路电压法测量SOC的专利数量是最多的，其次是容量积分法和电池内阻法，这三种方法是本领域中相对成熟的测量电池SOC的方法。对这五种方法进行分析可以得出，模糊逻辑推理和神经网络法、卡尔曼滤波法在提高了SOC估算精度的同时，也提高了SOC估算的复杂度和运算量，目前来说不太适合实际的工程应用，而开路电压法、容量积分法、电池内阻法虽然相对简单、计算量小，但在某些场合中又满足不了SOC估算精度的要求。因此需要一种既能提高SOC精度、又能降低SOC估算复杂度和运算量的新方法。