电池均衡装置及其充放电均衡方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电池(或电池组)系统，尤其涉及一种设置有电池均衡装置的可充放电电池(或电池组)系统。本发明还涉及一种用于充放电电池组的充放电均衡装置和电池(组)充放电均衡方法。
【背景技术】
[0002]燃油汽车的发展造成了全球能源的巨大消耗和不可再生石油资源的不断减少、温室气体的大量排放和大气污染。世界上大多数国家以及汽车业都普遍认识到节能减排是未来汽车业发展的方向，而发展电动汽车将是解决上述诸多问题的出路之一。电动汽车具有噪声低，无尾气排放，环境友好，热效率高，排放低，可回收利用的能量多和能够明显改善能源结构等优点。多国政府正在积极鼓励消费者购买电动汽车。
[0003]根据动力源，电动汽车可以大致分为纯电动汽车，混合电动汽车和燃料电池电动汽车。这些电动汽车一般会配置电池作为储能装置，特别是纯电动汽车，多使用多个单体电池，如单体锂电池串联和/或并联形成的锂电池组作为动力源。换句话说，电池(组)的性能的好坏会影响到电动汽车的性能。
[0004]但是，组成电池组的各个单体电池之间不可避免存在性能差异一这种差异是由多方面的原因造成的，如各个单体电池的生产材料、生产工艺、生产时间甚至是单体电池的相同部件或部位的生产材料或品质的不同，均可能会导致各个单体电池间的性能的不同。虽然随着技术的不断进步，这种不同单体电池之间的性能差别不断缩小，但要完全消除非常困难和成本高昂。但是，即使是微弱的不一致性，在使用过程中，这种不同单体电池之间的微弱不一致性也会随着整体使用情况而被放大，如使用时间的延长，而被不断放大。最终，这种不同单体电池之间的差异将会导致整个电池组或整个储能装置的电容量与设计值的偏差越来越大。在充电过程中，容量小的单体电池将首先被充满，以致整个电池组的停止充电和其他大容量电池不能获得足够的电量，其后果就是整个电池组无法得到充分利用；在放电过程中，容量小的单体电池首先被放电到截止电压，整个电池(组)将停止放电。这样的不一致性问题的存在，导致由多个单体电池组成的电池组的可用容量和使用寿命等方面远不及其组成的单体电池的总和，电池组很难达到电池组理论上应有的功效，和加大了电池电力供应管理和控制的难度。实际应用表明，当电池组中的个别单体电池出现容量大幅减小，内阻显著提高等情况时，整个电池组的性能会在短时间快速恶化和使整个电池组无法正常使用。
[0005]为了解决电池组不一致性问题，人们提出了电池组均衡技术，如用于锂电池组的电池组均衡技术。电池组均衡管理的方法主要是基于检测电池组的电压，电流等参数，和对这些参数进行识别，分析电池的一致性，通过控制装置对能量高的单体电池进行放电，对能量低的单体电池进行充电，使各个单体电池的状态趋于一致。通过有效的均衡控制策略和采用均衡技术，可有效改善电池组的一致性问题，提高整个电池组的使用寿命和降低电池组的维护成本，使电动汽车更加安全，高效和耐用。
[0006]目前的电池(组)均衡技术根据是否消耗能量分为“能量耗散型”与“非能量耗散型”两大类，其中能量耗散型均衡方法的原理为:当检测到某个单体电压不同时，通过能耗的方式将高电压单体的电能耗散掉来达到单体之间电压的相对一致性。尽管能量耗散型均衡方法能够实现各个单体之间电压的相对一致，但这种能量耗散型均衡方法需要将单体中多余的能量消耗和转换为热能，存在能量浪费，且会进一步减小电池组整体电容量。另外，能量消耗会产生热量。需要额外的散热机构。非耗散型均衡方法的原理为:将电感、电容等作为能量转移载体，当电池组单体之间存在一致性问题时，将多余能量的单体能量转移到低能量单体。现有的非耗散型均衡方法不再将单体中多余的能量消耗掉和转换为热能，且单体多余能量能够被电池组利用。但是，非耗散型均衡方法需要电容、电感等作为能量转移载体，增大了电池组或电池系统的整体体积。另外，现有的非耗散型均衡方法难以实现高输出电流均衡。
[0007]申请号为CN201110098056.1的中国发明专利201110098056.1教导了一种基于锂电池作为储能元件的均衡方法，该均衡方法能够在不过于增大电池组或电池系统的整体体积的情况下增加电池组或电池系统的充放电效率。但是，该专利提供的电池组均衡方法在均衡过程中，高输出电流受锂电池电压影响比较大，和需要使用备用电池组。另外，随着备用电池组使用过程中电压的下降，其高输出电流受电路影响较大。最后，该专利提供的电池组均衡方法并没有很好地解决二级电池组与二级电池组之间的均衡问题。
[0008]因此，现在仍迫切需要新的电池(组)均衡方法，以能在不过于增大电池组或电池系统整体体积的情况下，实现电池组或电池系统的大容量、高输出电流均衡。另外，现有的电池组或电池系统，如锂电池组多是由多个单体电池串联和/或并联组成一级电池组，多个一级电池组串联或并联组成二级电池组，多个二级电池组串联或并联组成电池系统或储能装置。而现有的均衡技术多针对的是一级电池组之间的均衡，而针对电池系统或储能装置的二级电池组，甚至是电池系统或储能装置本身之间的充放电均衡技术，现有技术少有涉及。
【发明内容】
[0009]本发明的主要优势在于其提供一种电池均衡装置，其中该电池均衡装置能够使均衡对象组的充放电得到有效管理和均衡，以提高该均衡对象组的整体能效和延长该均衡对象组的使用寿命。
[0010]本发明的另一优势在于其提供一种电池均衡装置，其中该电池均衡装置能够在充电时，防止均衡对象组中的容量小的均衡对象被过早充满，和在放电时，防止均衡对象组中的容量小的均衡对象被过早放电完毕。
[0011]本发明的另一优势在于其提供一种电池均衡装置，其中该电池均衡装置不但能用于单体电池的充放电均衡，而且能应用于由多个单体电池组成的一级电池组，由多个一级电池组组成的二级电池组、由多个二级电池组组成的三级电池组或其类似电池组。换句话说，该电池均衡装置的均衡对象可以是单体电池，也可以是一级电池组、二级电池组、三级电池组或其它类似电池组。
[0012]本发明的另一优势在于其提供一种电池均衡装置，其中该电池均衡装置的结构简单和成本低廉。
[0013]本发明的另一优势在于其提供一种电池均衡装置，其中该电池均衡装置被设置以在电池充放电过程中动态监测均衡对象组的均衡对象，实时均衡，使得均衡对象组的电池(组)在充放电过程中得到均衡，从而提高均衡对象组的电池(组)的能效，延长均衡对象组的使用寿命和减少均衡对象组的维修成本。
[0014]本发明的另一优势在于提供一种电池均衡装置，其中该电池均衡装置不需要能量储存机构，从而减小了整个储能装置的系统体积和降低了制造成本。
[0015]本发明的另一优势在于提供一种电池均衡装置，其中该电池均衡装置均衡效率高和均衡能耗低。
[0016]本发明的另一优势在于提供一种充放电均衡装置，其中该电池均衡装置安全性尚ο
[0017]本发明的另一优势在于提供一种电池充放电均衡方法，其中该电池充放电均衡方法能够在充电时，防止均衡对象组中的容量小的均衡对象被过早充满，和在充电时，防止均衡对象组中的容量小的均衡对象被过早放电完毕。
[0018]本发明的另一优势在于提供一种电池充放电均衡方法，其中该电池充放电均衡方法操作简单，安全可靠，均衡效果好。
[0019]本发明的另一优势在于提供一种电池充电均衡方法，其中该电池充电均衡方法能够在充电时，防止均衡对象组中的容量小的均衡对象被过早充满。
[0020]本发明的另一优势在于提供一种电池充电均衡方法，其中该电池充电均衡方法通过在充电过程中，检测出均衡对象组中具有最大电压的均衡对象和利用其电能对整个均衡对象组进行充电的方法，来确保均衡对象组中的每一个均衡对象均能获得足够的电量。
[0021]本发明的另一优势在于提供一种电池放电均衡方法，其中该电池充电均衡方法能够在充电时，防止均衡对象组中的容量小的均衡对象被过早放电完毕。
[0022]本发明的另一优势在于提供一种电池放电均衡方法，其中该电池放电均衡方法通过检测出均衡对象组中具有最小电压的均衡对象和利用其电能对具有最小电压的均衡对象进行充电的方法，来确保均衡对象组中的每一个均衡对象的电量均能得到充分利用。
[0023]本发明的另一优势在于提供一种电池组或电池系统，其中该电池组或电池系统包括有至少一个电池均衡装置，以使该电池组或电池系统的充放电均能够得到有效管理和均衡，以提高该电池组或电池系统的能效和延长该电池组或电池系统的使用寿命。
[0024]本发明的另一优势在于提供一种电池组或电池系统，其中该电池组或电池系统包括有电池均衡装置，以使该电池组或电池系统的充放电能够得到有效管理和均衡，以降低该电池组或电池系统的维修成本。
[0025]本发明的另一优势在于其提供一种用于电池系统的电池均衡装置，其中该电池均衡装不需要精密的部件和复杂的结构，其制造工艺简单，成本低廉。
[0026]本发明的其它优势和特点通过下述的详细说明得以充分体现并可通过所附权利要求中特地指出的手段和装置的组合得以实现。
[0027]为实现本发明的以上目的及优势，本发明提供一种电池系统，其包括:
[0028]—个均衡对象组，其中该均衡对象组包括多个串联连接在一起的均衡对象；和
[0029]一个电池均衡装置，其中该电池均衡装置分别与该均衡对象组的每个均衡对象可通电地相连接，其中该电池均衡装置被设置能够分别实时检测该均衡对象组的每个均衡对象的电压，并
[0030]在充电时，如果该均衡对象组中具有最大电压的均衡对象的电压值与该均衡对象组的均衡对象的电压平均值的电压差值大于一个第一预设电压值，则该电池均衡装置能够利用具有最大电压值的均衡对象的电能对整个均衡对象组进行充电；和/或
[0031]在放电时，如果该均衡对象组的均衡对象的电压平均值与该均衡对象组中具有最小电压值的均衡对象的电压值的电压差值大于一个第二预设电压值，则该电池均衡装置能够利用该均衡对象组的电能对具有最小电压值的均衡对象进行充电。
[0032]本发明还进一步提供一种用于电池系统的电池均衡装置，其包括:
[0033]一个电压检测单元；
[0034]一个均衡单元；和
[0035]—个第一控制模块，其中该电压检测单元和该均衡单元分别与该第一控制模块可通电地相连接，其中该电压检测单元被设置能够分别实时检测该电池系统的均衡对象组的每个均衡对象的电压，其中该第一控制模块被设置以
[0036]在充电时，如果该均衡对象组中具有最大电压值的均衡对象的电压值与该均衡对象组的均衡对象的电压平均值的电压差值大于该第一预设电压值，则该第一控制模块能够控制该均衡单元利用具有最大电压值的均衡对象的电能对整个均衡对象组进行充电；和/或
[0037]在放电时，如果该均衡对象组的均衡对象的电压平均值与该均衡对象组中具有最小电压的均衡对象的电压值的电压差值大于该第二预设电压值，则该第一控制模块能够控制该均衡单元利用该均衡对象组的电能对具有最小电压值的均衡对象进行充电。
[0038]本发明还进一步提供一种用于电池系统的电池充放电均衡方法，其包括以下步骤:
[0039](A)在充电时，对一个电池系统实施充电均衡，其包括以下步骤:
[0040](A1)分别检测该电池系统的均衡对象组的各均衡对象的电压；和
[0041](A2)如果具有最大电压值的均衡对象的电压值与该均衡对象组的其它均衡对象的电压值的电压差值大于一个第一预设电压值，则控制该均衡单元利用具有最大电压值的均衡对象的电能对整个均衡对象组进行充电；和
[0042](B)在放电时，对一个电池系统实施放电均衡，其包括以下步骤:
[0043](B1)分别检测该电池系统的均衡对象组的各均衡对象的电压；和
[0044](B2)如果具有最小电压值的均衡对象的电压值与该均衡对象组的其它均衡对象的电压值的电压差值大于一个第二预设电压值，则控制该均衡单元利用均衡对象组的电能对具有最小电压值的均衡对象进行充电。
[0045]本发明还进一步提供一种用于电池系统的电池充电均衡方法，其包括以下步骤:
[0046](A1)分别检测该电池系统的均衡对象组的各均衡对象的电压；和
[0047](A2)如果具有最大电压值的均衡对象的电压值与该均衡对象组的其它均衡对象的电压值的电压差值大于一个第一预设电压值，则控制该均衡单元利用具有最大电压值的均衡对象的电能对整个均衡对象组进行充电。
[0048]本发明还进一步提供一种用于电池系统的电池放电均衡方法，其包括以下步骤:
[0049](B1)分别检测该电池系统的均衡对象组的各均衡对象的电压；和
[0050](B2)如果具有最小电压值的均衡对象的电压值与该均衡对象组的其它均衡对象的电压值的电压差值大于一个第二预设电压值，则控制该均衡单元利用均衡对象组的电能对具有最小电压值的均衡对象进行充电。
[0051]本发明还进一步提供一种电池系统，其包括:
[0052]—均衡对象组，其包括至少二个串联的均衡对象，其中每个均衡对象均对应一可控第一开关和一可控第二开关；
[0053]—采样电阻，其中每个均衡对象的正极通过其对应的可控第一开关连接于该采样电阻的第一端D1，每个均衡对象的负极通过其对应的可控第二开关连接于该采样电阻的第二端 D2 ；
[0054]—控制器(第一控制模块)，包括一AD检测模块，其中相对应的该可控第一开关的控制端子和该可控第二开关的控制端子并联后连接于该控制器的控制端子，该采样电阻的分压端连接于该控制器的AD检测模块；
[0055]—均衡开关，其中该均衡开关的控制端子连接于该控制器的控制端子；和
[0056]—双向DC/DC变换器，其包括一输入端和一输出端，其中该输出端正极通过该均衡开关连接于该采样电阻的第一端D1，该输出端负极连接于该采样电阻的第二端D2，该输入端正极与负极分别连接于该均衡对象组的正极与负极。
[0057]该均衡对象为单体电池、由多个单体电池组成的一级电池组(电池砖)、由多个一级电池组组成的二级电池组或由多个二级电池组组成的三级电池组或其类似电池组，其中该可控第一开关的数量、该可控第二开关的数量与该均衡对象的数量相等。
[0058]根据本发明较佳实施例较佳实施例，该电池系统进一步包括一个保护装置，其中该保护装置包括一直流接触器和一自恢复保险丝，其中该直流接触器和