蓄电池均衡系统及其控制方法与流程

本技术涉及可充放电的电池领域，特别涉及可充放电电池的均衡技术。

背景技术：

1、本部分旨在为权利要求书中陈述的本技术的实施方式提供背景或上下文。本部分中的内容仅供参考，并不构成对其作为已被公开的现有技术的承认或确认。

2、随着锂电池技术的发展，蓄电池在动力和储能方面的应用越来越广泛。锂电池(lithium battery)因其高能量密度、长循环寿命等优点，在电动汽车、便携式电子设备等领域得到了广泛应用。然而，锂电池也存在一些问题，尤其是在串联应用时的电池不一致性问题。

3、由于单节锂电池的电压较低，为获得所需的高电压，通常需将多个电池串联使用。在串联配置中，由于各电池容量上的微小差异，它们在充放电过程中表现出不一致性。这种不一致性会影响电池组的整体性能，降低其使用寿命，并可能引起安全问题。

4、在长串电池组中，电池不一致性会引发所谓的“短板效应”。这个效应源于一个简单的道理：在串联电池组中，整个系统的性能受限于性能最弱的单个电池。例如，在一个由100节电池串联而成的电池组中，如果其中一节电池的容量只有其他电池的90％，那么整个电池组的总容量实际上就降低了10％，因为所有电池在充放电时都受到容量最低的那节电池的限制。

5、“短板效应”的后果不仅仅是容量上的损失。由于差电池(容量低于平均水平的电池)会比其他电池更早耗尽电量或更快充满电，它们在充放电周期中承受更多的应力。特别是在电池接近充满或放尽时，其寿命损失最为显著。这种情况导致差电池进入一种恶性循环，其中它们的性能迅速下降，进一步加剧了整个电池组的不一致性。

6、更为严重的是，随着差电池的加速老化，其内阻会逐渐增大。在串联配置中，由于所有电池都承受相同的电流，增大的内阻会导致差电池在放电时过热。这种过热状况可能会引发热失控现象，甚至导致电池自燃。因此，长串电池组中电池不一致性的问题不仅影响电池组的性能和寿命，还可能带来严重的安全隐患。

7、在动力电池或储能电池应用中，由于成组电压通常在300v至500v之间，这种安全风险尤为突出。因此，解决电池组中的不一致性问题，不仅是提高性能和延长寿命的问题，更是确保安全的关键所在。

8、为解决长串电池组的不一致问题，现有技术主要采用两种方法：主动均衡和被动均衡。主动均衡是指通过电子控制系统主动调整电池单元的充电状态，以实现电池间的能量平衡。被动均衡则是通过电阻放电等方式，使电池组中的高电压电池放电，以达到与低电压电池相同的电压水平。然而，这两种方法都存在效率低下、成本较高、用户体验不佳等问题。尤其是在长期应用中，它们的均衡效果有限，无法完全解决电池不一致性问题。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种蓄电池均衡系统及其控制方法，以更可靠更高效的方式解决长串电池不一致所带来的“短板效应”问题。

2、本技术公开了一种蓄电池均衡系统，包括：

3、第一电池组，包括n节依次串联的电池；

4、第二电池组，包括n+1节依次串联的电池；

5、第一开关组，包括由第一控制信号统一控制的n+1个电子开关；和

6、第二开关组，包括由第二控制信号统一控制的n+1个电子开关；

7、其中，第一开关组的第i个电子开关连接在第一电池组的第i节电池的第一极和第二电池组的第i节电池的第一极之间，1≤i≤n，第一开关组的第n+1个电子开关连接在第一电池组的第n节电池的第二极和第二电池组的第n节电池的第二极之间；

8、第二开关组的第i个电子开关连接在第一电池组的第i节电池的第一极和第二电池组的第i节电池的第二极之间，第二开关组的第n+1个电子开关连接在第一电池组的第n节电池的第二极和第二电池组的第n+1节电池的第二极之间；

9、第一控制信号和第二控制信号是互斥的；

10、其中，第一极为正极且第二极为负极，或者，第一极为负极且第二极为正极。

11、在一个优选例中，所述电子开关包括mos管，mos管的源极和漏极作为电子开关的两端；所述第一开关组的n+1个mos管的栅极分别连接到所述第一控制信号；所述第二开关组的n+1个mos管的栅极分别连接到所述第二控制信号。

12、在一个优选例中，第一电池组和第二电池组组成一个电池包，该电池包的第一极连接第一电池组的第一节电池的第一极，该电池包的第二极连接第一电池组的第n节电池的第二极。

13、在一个优选例中，第二电池组中，第1节电池和第n+1节电池分别是第一电容量，第2至第n节电池分别是第二电容量，其中，第一电容量是第二电容量的一半。

14、在一个优选例中，第一电池组和第二电池组组成一个电池包，该电池包的第一极连接第二电池组的第一节电池的第一极，该电池包的第二极连接第二电池组的第n+1节电池的第二极。

15、在一个优选例中，第一电池组中每节电池分别是第三电容量，第二电池组中第2至第n节电池分别是第四电容量，第二电池组中第1节电池和第n+1节电池分别是第五电容量，

16、其中，第五电容量＝第四电容量+第三电容量/2。

17、在一个优选例中，所述第四电容量超过所述第三电容量的两倍。

18、在一个优选例中，还包括方波发生器，用于产生稳定持续的方波脉冲；

19、第一驱动器，其输入端连接到所述方波发生器的正向脉冲输出端，其输出端连接到所述第一开关组的n+1个mos管的栅极，用于将所述正向脉冲放大后形成符合mos管导通条件的栅极驱动脉冲；

20、第二驱动器，其输入端连接到所述方波发生器的反向脉冲输出端，其输出端连接到所述第二开关组的n+1个mos管的栅极，用于将所述反向脉冲放大后形成符合mos管导通条件的栅极驱动脉冲；

21、所述正向脉冲和所述反向脉冲的相位相反。

22、在一个优选例中，所述第一开关组和第二开关组周期性地交替导通和断开，其中，

23、在每一个周期的前半周期，所述第一开关组导通，所述第二开关组断开；

24、在每一个周期的后半周期，所述第一开关组断开，所述第二开关组导通。

25、在一个优选例中，所述周期的长度在0.1秒至30秒的范围内。

26、在本技术的实施方式通过主工作电池组与均衡电池组之间的错位开关，允许两组电池间实现对应错位并联，进而使得电池自然地达到均衡状态，无需外部补偿电路。

27、具体来说,主工作电池组和均衡电池组之间通过开关器件连接。这些开关可以将两组电池中的不同电池错位并联起来。比如主工作电池组中某些电池的电压高于均衡电池组中的电池,当错位开关将这些电压更高的工作电池与电压较低的均衡电池并联时，根据并联电路的原理,当两电池并联后,电流会由电压高的流向低的,电压会趋于相同,荷电状态就会达到均衡。也就是说,电压高的工作电池会向电压低的均衡电池提供电流,将多余的电量传递过去,直至两者电压和电量均相同。随后,开关交替改变主工作电池组和均衡电池组之间的并联组合,继续将其他不平衡的电池并联起来,达到全部均衡的目的。整个过程完全由电池之间的自发性电流流动实现,不需要任何外部电路的参与。这就是本专利所称的“自然均衡”。相比使用外部电路强制均衡的传统技术,这种自然均衡方式无需额外能量和损耗,简单可靠且高效。这是本专利的核心创新与突破点。

28、彻底消除长串电池不一致的三大危害：简言之，长串电池不一致，会带来“短板效应”损失，差电池进入恶行循环加速老化，甚至引发热失控，导致自燃。

29、目前的长串电池组应用，不论是动力电池，还是储能电池，成组电压都达到300v甚至500v，往往需要数十至上百节电池串联成组。假设100节的长串中，有一节是差电池，容量只有其他电池的90％，那么，由于短板效应，整串电池的总容量就相当于缩减了10％，造成显著的浪费。

30、由于差电池会比其他电池更早放光电，更早充满电，而电池接近充满和放光时，寿命损失最为显著，因此，随着使用进程，差电池会进入恶性循环加速老化。

31、需指出，随着差电池加速老化，内阻会不断变大。当其他电池还很健康时，由于串联，满负荷的电流会使差电池快速升温，这就是老化电池自燃的根本原因。

32、利用本技术实施例实现的全时动态自然均衡，使整个电池组所有电池不论充电放电，还是储放，在任何时间都处于电压相等，荷电状态均衡的同步状态。所有电池同时充满电，同时用尽电，彻底消除了前述长串电池不一致的三大危害。保护了投资，保障了安全。

33、自然均衡：与现有技术不同，本技术采用的是蓄电池并联本身具备的“自然均衡”这一物理和化学特性。这种均衡依据的是电池内部电压差。而其他方法都是通过外部测量电池端电压，试图通过电池外部电压来推测电池内部电压情况，并以此为依据，进行外部均衡补偿。殊不知，由于电池内部结构和化学反应进程的复杂性，不同工作状态的外电压，与电池内部电压差距甚远。用并不可靠的外部电压进行均衡补偿的办法，有时反而错上加错，适得其反。这也是目前市场上对均衡无可奈何，只好转而花大力气进行电池分选的根本原因。问题是，出厂的一致性，也许可以通过分选达成，可是，老化过程中形成的电池不一致，就成了无解的难题。本技术实施例采用了全时动态错位并联均衡的办法，完全摆脱了对外部电压的依赖，基于电池最基本的物理化学特性，采用的是电池自带的并联自然均衡能力，这就决定了这种方法是绝对准确可靠的。因此彻底解决了长串电池的均衡难题，是颠覆性的创新。

34、全时均衡：如前所述，本技术实施例不是依据测量外部电压，只在电压不同时，才进行均衡。而是按照计划持续地进行错位均衡。任何时候，主工作电池和均衡电池都是并联工作，并且按计划间隔时间，不断进行交替错位。也就是说，不论电池内部电压是否相同，都会不断地交替错位并联。电压相等时，并联工作，而电压存在差异时，就在工作的同时自然均衡。不论充电、放电还是储放，都按计划进行持续的交替错位并联均衡，所以，事实上，各电池实时保持完全同步状态，个别不一致的电池短时间造成的电量差异，会及时得到均衡。所有电池的容量得以充分使用，所有电池的寿命同步减少。

35、同步老化，杜绝恶性循环：如前所述，本技术能够时刻保持各电池的充放电深度、寿命的消耗程度处于同步状态。差电池也不会出现提前充满电，提前放光电的情况。所有电池的充放电循环周次是完全相同的，老化程度是步调一致的，由此，个别电池进入恶性循环，加速老化的问题得以彻底解决。根除了由此引发热失控的可能。

36、低开关能耗：采用合适的主工作电池和均衡电池容量的配置比例，可以大大减少均衡电池通过错位开关的电流，而大部分工作电流由主工作电池组提供。这样，就可以大大降低开关上损失的能量，提高成组效率。本技术实施例的巧妙之处在于，虽然利用了电池并联的思路实现自然均衡，却避免了串联主回路引入的开关器件。本技术实施例和普通的长串电池成组方式一致，保持了电池的直接串联主干回路，没有添加任何主干回路的串联电阻损耗。

37、降低制造成本：本技术的一个巧妙之处在于，虽然电池组的总电压可以高达数百伏，可是，由于主串电池与对应均衡电池之间，并没有很大的电压差，仅仅存在相当于单节电池电压错位电压差。因此，开关器件仅需承受单节电池的电压。可以选用廉价的低工作电压的开关器件，大大降低了制作成本和制作难度。

38、提高效率：由于避免了外部补偿电路的使用，整体系统的效率得到提高，减少了能量损耗。

39、具体地说,在传统的电池组均衡方案中,常常需要设置外部的补偿电路来实现电池间的均衡。比如通过并联一个电阻来消耗电压较高电池中的电量,或者通过转换电路将高电压电池的电压转换后输出给低电压电池。但是,这种外部补偿电路的使用同时也带来了效率的损失。补偿电路本身需要消耗一定的电量来驱动其工作,同时在电量转换和传输的过程中也会有电能被损耗转化为热能。而本技术中的技术方案通过创新设计实现了电池组内部的自然均衡,不再需要外部的补偿电路。在电池组内部,高电压电池可以直接为低电压电池提供电流,实现电量的重新分配。在这个过程中,不需要电量转换或通过电阻消耗,所以可以避免外部补偿电路本身带来的效率损失。电池组内部通过并联实现直接的电流传递,节省了电能转换的损耗,从而提高了整体系统的效率。总之,本技术提出的技术方案,通过利用电池的自身特性实现自然均衡,避免了外部补偿电路的使用,因此整体系统的效率得到提升,有效地减少了能量的损耗和浪费,实现了更高效的电池组管理。这是本技术在效率方面的一个重要进步。

40、降低成本：无需额外的外部补偿电路和复杂的控制策略，从而在制造和维护方面降低了成本。

41、具体地说,传统的电池组均衡方案需要设置外部补偿电路,这样不仅增加了电路的复杂程度,也提高了制造成本。外部补偿电路需要额外制作pcb板,安装集成电路等各类电子元件。这无疑增加了材料和工艺的成本。同时,外部补偿电路也需要设计复杂的控制策略来协调其工作,这对于系统的软件开发也提出更高的要求,增加了研发投入。而本技术通过内部自然均衡的方式,根本无需设置外部补偿电路,也无需电池外部电压的测量电路。其电路结构和控制策略都得到极大的简化。这不仅减少了材料的使用,简化了制造工艺,也降低了研发难度。因此,从成本的角度来看,本技术节省了外部补偿电路的材料成本和制造成本,也减少了系统研发的投入,直接导致了整体成本的降低。此外,由于外部补偿电路的减少,系统的可靠性也得到提高,所以减少了维护成本。技术人员不需要频繁检查或更换外部电路,也减少了维修工作量。这也从另一方面降低了整个系统的使用成本。综上所述,本技术通过简化电路结构和控制策略,无需增加外部补偿电路,直接减少了制造成本和维护成本,使整个系统的成本得以降低,这是其显著的经济效益之一。

42、提高电池寿命：由于电池组之间能够实现更好的均衡，使得每个电池单元都能够更均匀地充放电，从而延长了整个电池组的使用寿命。

43、具体地说，在电池技术领域，电池的使用寿命与其在充放电过程中所承受的各种应力有直接关系，其中一个重要的因素便是电池单元间的均衡状态。传统上，由于电池单元间存在的微小差异，如制造过程中的微小变异或使用中逐渐产生的性能差异，可能导致电池组在运作过程中出现充放电不均匀的情况。这种不均匀可能导致某一电池单元或多个电池单元承受过度的电荷压力，从而加速其老化。本技术实施例通过实施错位并联技术，促进了电池组内部各电池单元间的电压和容量均衡。这样的设计确保每个电池单元在充电和放电过程中所经历的电荷压力更为均衡，从而降低了由于充放电不均匀而导致的潜在损伤风险。由于充放电过程更加平稳，可以有效维持电池单元内部的化学平衡，减少不稳定的化学反应，进而延长电池的使用寿命。因此，本技术实施例通过确保电池组中每个电池单元的均匀充放电，不仅增强了单一电池单元的使用寿命，同时也提高了整个电池组的稳定性和可靠性，为用户带来更为持续且稳定的能源输出。

44、增强用户体验：简化了电池组的使用和维护，使其更加用户友好，减少了因不均衡引起的潜在风险。

45、具体地说，在众多电子设备和能源系统中，电池组作为重要的能源供应组件，其稳定性、可靠性以及使用维护的便捷性，都直接影响到用户的实际使用体验。传统的电池管理系统可能涉及复杂的操作或周期性的维护，以确保电池组的稳定运行。这不仅增加了用户的操作成本，还可能因不当操作而带来潜在的风险。本技术实施例通过优化电池组的均衡技术，显著简化了电池组的使用和维护流程。首先，自动的电池均衡功能减少了用户定期检查和手动调整电池均衡的需求，使得电池组能够自我维持在一个较为稳定的状态。其次，当电池组的每个单元都维持在相对均衡的状态时，设备的运行效率得到提高，从而提供更稳定、持久的能源输出，给用户带来更为畅快的使用体验。再者，由于电池组的均衡性得到提高，减少了因单体电池过度放电或充电而引发的风险，如电池温度过高、电解液泄漏或电池膨胀，甚至自燃，从而增加了电池组的安全性。这不仅为用户提供了更为安全的使用环境，还避免了因电池问题导致的潜在财产损失。因此，本技术实施例通过自动的电池均衡技术，不仅确保了电池组的稳定性和安全性，同时也大大提高了用户的使用便捷性，从而全面增强了用户的整体体验。

46、综上所述，本技术实施例提供的蓄电池装置为解决长串电池不一致性问题提供了一个高效、低成本、简单且实用的解决方案。

47、上述技术实现要素：中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均应该视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征a+b+c，在另一个例子中公开了特征a+b+d+e，而特征c和d是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征e技术上可以与特征c相组合，则，a+b+c+d的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而a+b+c+e的方案应当视为已经被记载。