電池組均衡專利技術(shù)分析

李高舉　王金金

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州　450002）

電池組均衡專利技術(shù)分析

李高舉王金金

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州450002）

為了實(shí)現(xiàn)電池組的安全、高效運(yùn)行，設(shè)置電池組管理系統(tǒng)是十分必要的。電池組均衡技術(shù)是電池組管理系統(tǒng)的核心，而電池組均衡技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)是準(zhǔn)確估測電池的荷電狀態(tài)（SOC）。本文結(jié)合較為典型的專利申請，對電池組管理系統(tǒng)中的電池組均衡技術(shù)和電池的荷電狀態(tài)的估算算法進(jìn)行了介紹和探討。

電池組；均衡；SOC；專利

由于各單塊蓄電池在制造、初始容量、電壓、內(nèi)阻以及蓄電池組中各單塊蓄電池的溫度等方面均不完全相同，在使用過程中，會造成某單塊蓄電池的過充電和過放電現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了電池組的正常使用。為了實(shí)現(xiàn)電池組（也即電池包，battery pack）的安全、高效運(yùn)行，設(shè)置電池組管理系統(tǒng)（BMS）是十分必要的，而電池組管理系統(tǒng)的核心技術(shù)就是電池組均衡技術(shù)。采用電池組均衡技術(shù)，可以解決蓄電池間的不均衡性，提高電池組能量利用率、電池組的安全性和電池組的使用壽命。電池組均衡技術(shù)的目的是使電池組中各個電池都達(dá)到均衡一致的狀態(tài)。而電池組均衡技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)是準(zhǔn)確估測電池的荷電狀態(tài)（SOC）［1-2］。目前國內(nèi)國外許多公司都對其展開了充分地研究。

1　電池組均衡技術(shù)分類

1.1靜態(tài)均衡和動態(tài)均衡

電池組均衡技術(shù)從電池工作狀態(tài)上可以分為靜態(tài)均衡和動態(tài)均衡。動態(tài)均衡又包括充電均衡、放電均衡。

（1）充電均衡在電池組充電過程中，當(dāng)某節(jié)電池電量較高時，減小該節(jié)電池的充電電流，以限制該節(jié)電池的充電電量，或者當(dāng)某節(jié)電池電量較低時，對該節(jié)電池進(jìn)行補(bǔ)電。

例如，上海中科深江電動車輛有限公司的發(fā)明專利CN101916888A中，充電器對動力電池組充電，直至至少一個單體電池的單體電壓值達(dá)到最高值，然后停止充電器對動力電池組的充電，控制充電均衡器對每個單體電池進(jìn)行單體均衡充電，直至充滿。

深圳市比克電池有限公司的發(fā)明專利CN101277022A中，在電池組充電時，將達(dá)到過充電壓的單體電池的充電電流旁路到下一個單體電池，在避免電池過充的同時，增加了其他未充滿電池的充電電流。

（2）放電均衡是在電池組放電過程中，當(dāng)某節(jié)電池電量較低時，對其補(bǔ)充電能，增加其電量，或者當(dāng)某節(jié)電池電量較高時，對其進(jìn)行放電，減小其電量。

例如，欣旺達(dá)電子股份有限公司的發(fā)明專利CN1038 72711A中，在放電過程中，當(dāng)監(jiān)測到某個電池的電壓為3.3V時，則使電池組停止放電，然后對電壓未達(dá)到3V的電池繼續(xù)進(jìn)行放電，直至每節(jié)電池的電壓均達(dá)到3V，并且電流為10mA時，放電完成。

（3）靜態(tài)均衡是在充電完成后、放電進(jìn)行前進(jìn)行的均衡，包括所有在此期間進(jìn)行均衡的方式。

1.2無損均衡和有損均衡

根據(jù)均衡過程中能量的消耗情況，可以分為無損均衡和有損均衡，其中無損均衡又稱為主動均衡，有損均衡又稱為被動均衡。無損均衡又包括能量轉(zhuǎn)換型均衡電路和能量轉(zhuǎn)移型均衡電路［2-3］。

（1）能量轉(zhuǎn)換型均衡將電池組整體能量對單體電池進(jìn)行能量補(bǔ)充，或者將單體電池能量向整體電池組進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。

例如，武漢市歐力普能源與自動化技術(shù)有限公司的發(fā)明專利CN103904754A中，對串聯(lián)電池組中電量不一致的單體電池進(jìn)行多取少補(bǔ)，在充電的過程中將過于飽和的單體電池的能量轉(zhuǎn)移到整個串聯(lián)電池組，在放電的過程中將串聯(lián)電池組的能量轉(zhuǎn)移到電量不夠充分的單體電池，使各個單體電池保持良好的一致性。

（2）能量轉(zhuǎn)移式均衡是利用電感或電容等儲能元件，把電池組中剩余容量高的單體電池的能量轉(zhuǎn)移到儲能元件中，再將儲能元件中的能量轉(zhuǎn)移到剩余容量比較低的電池中。

例如，上海電機(jī)學(xué)院的發(fā)明專利CN102647007A中，采用超級電容作為儲能元件，通過雙向DC-DC變換模塊和開關(guān)矩陣模塊，將電量高的電池的多余電量通過雙向DC-DC變換模塊放到超級電容中，再將超級電容中的電量通過雙向DC-DC變換模塊充至電量低的電池中。

（3）有損均衡，也即耗能均衡，通過采用耗能元件（如電阻）消耗掉剩余容量高的單體電池的能量，從而使其與其他單體電池的剩余容量接近一致。

例如，濰坊光華電池有限公司的實(shí)用新型專利CN20162 3470U中，在電池組的每個單體電池的兩端均并聯(lián)一個由開關(guān)管和電阻串聯(lián)構(gòu)成的均衡電路，當(dāng)各單體電池電壓差超出設(shè)定電壓差時，控制相應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通，單體電池通過電阻進(jìn)行放電，直至電壓差跌落至設(shè)定范圍內(nèi)。

1.3其他均衡方法

除上述幾種均衡方法外，還有一些其他的均衡方法，豐富了電池組均衡技術(shù)的內(nèi)容，例如，廈門乾芯能源科技有限公司的實(shí)用新型專利CN204794196U中，當(dāng)任意兩單體電池中存在其中一單體電池過壓，另一單體電池欠壓時，控制器通過過壓單體電池所對應(yīng)的開關(guān)放電模塊控制該過壓單體電池放電至對應(yīng)的變壓器的副邊，并通過欠壓單體電池所對應(yīng)的開關(guān)充電模塊將來自對應(yīng)變壓器副邊的電能給欠壓單體電池充電，實(shí)現(xiàn)同一電池組中任意兩單體電池之間的均衡一致性。

有損均衡電路結(jié)構(gòu)和控制方法簡單，但是在均衡過程中損失了能量，并且電能轉(zhuǎn)換成了熱能，需要進(jìn)行對電路進(jìn)行熱管理。無損均衡電路電路結(jié)構(gòu)和控制方法較為復(fù)雜，但是在均衡過程中只進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)移，能量損失較小，并且不會帶來發(fā)熱問題，相關(guān)專利申請較多，為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

無論是充電均衡、放電均衡、靜態(tài)均衡，還是能量轉(zhuǎn)換型均衡、能量轉(zhuǎn)移型均衡、有損均衡，都是本領(lǐng)域技術(shù)人員常用的均衡方式，均衡技術(shù)相對成熟。每種均衡方式下都有相當(dāng)多的專利數(shù)量，為電池組均衡技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。研究人員大多在上述均衡原理的基礎(chǔ)上，對均衡電路做出進(jìn)一步的改進(jìn)，電路結(jié)構(gòu)和電路控制變得更加復(fù)雜，達(dá)到的均衡效果更好。

2　荷電狀態(tài)的估算算法

電池組均衡技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)是準(zhǔn)確估測電池組中各電池的荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC，也即剩余容量）。電池荷電狀態(tài)描述了電池的剩余容量，是電池屬性中的重要參數(shù)。精確的荷電狀態(tài)估算是BMS研究、開發(fā)人員不變的追求，但是由于電池荷電狀態(tài)的非線性，并且受到多種因素影響（如溫度、充放電電流、自放電、老化等），電池組的荷電狀態(tài)（SOC）的估算精度誤差很大。SOC估計常用的算法通常包括以下五種：開路電壓法、容量積分法、電池內(nèi)阻法、模糊邏輯推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等［2］。

（1）開路電壓法是最簡單、最常用的測量方法，但測量精度很低，主要根據(jù)電池組開路電壓判斷SOC的大小。在許多專利申請中，在進(jìn)行電池組均衡時，均衡的依據(jù)多為單體電池兩端的電壓。

（2）容量積分法是通過對單位時間內(nèi)的，流入流出電池組的電流進(jìn)行累積，從而獲得電池組每一輪放電能夠放出的電量，確定電池SOC的變化。

例如，在奇瑞汽車股份有限公司的發(fā)明專利CN1036 18354A中，電池管理系統(tǒng)通過對電池的工作電流進(jìn)行采樣，并進(jìn)行電流積分的計算，來計算電池荷電狀態(tài)（SOC），對電池的充放電過程進(jìn)行控制。

（3）電池內(nèi)阻法。電池內(nèi)阻（直流內(nèi)阻）與SOC有密切關(guān)系，通過測量電池內(nèi)阻，根據(jù)電池內(nèi)阻與SOC的對應(yīng)關(guān)系，可以相應(yīng)地得知SOC的大小。

例如，在華為技術(shù)有限公司的發(fā)明專利CN101067648A中，獲得蓄電池在不同時間段放電時的電流值和電壓值，根據(jù)電流值和電壓值獲得蓄電池內(nèi)阻檢測值，對內(nèi)阻檢測值進(jìn)行修正，將修正后的內(nèi)阻檢測值與預(yù)置的初始狀態(tài)內(nèi)阻值相比，所得的比值根據(jù)預(yù)置的蓄電池不同剩余容量狀態(tài)值與內(nèi)阻值的關(guān)系曲線，獲得當(dāng)前狀態(tài)剩余容量狀態(tài)值。

（4）模糊邏輯推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法可從系統(tǒng)的輸入、輸出樣本中獲得系統(tǒng)輸入、輸出關(guān)系，可以用來估算SOC。但是在計算過程中，輸入變量的選擇、變量的數(shù)量會直接影響模型的準(zhǔn)確性和計算量，并且需要大量的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，估計誤差受訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法的影響很大。

例如，在上海汽車集團(tuán)股份有限公司的發(fā)明專利CN102 118071A中，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型來計算車載電池的SOC，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱含層和輸出層，輸入層的輸入變量為車載電池的電壓、電流、溫度和內(nèi)阻，輸出層的輸出變量為電池荷電狀態(tài)SOC，通過在學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程中采用變化的步長，提高了學(xué)習(xí)精度和訓(xùn)練速度，從而獲得更佳的電池荷電狀態(tài)計算精度。

（5）卡爾曼濾波理論的核心思想是對動力系統(tǒng)的狀態(tài)做出最小方差意義上的最優(yōu)估算，動力系統(tǒng)即為電池，SOC是系統(tǒng)的一個內(nèi)部狀態(tài)。但在SOC估計精度提高時，電池模型將變得復(fù)雜，運(yùn)算量也會大大提高。

例如，在清華大學(xué)的發(fā)明專利CN101022178A中，進(jìn)行電池組復(fù)合脈沖試驗(yàn)，得到電池組充放電電壓曲線，基于該試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到標(biāo)準(zhǔn)電池模型的參數(shù)，提取標(biāo)準(zhǔn)電池模型的歐姆內(nèi)阻-SOC曲線和開路電壓-SOC曲線，并計算觀測矩陣，構(gòu)建完整的基于標(biāo)準(zhǔn)電池模型的卡爾曼濾波SOC估計算法，電池管理系統(tǒng)用SOC估計算法計算各個點(diǎn)下的SOC值。

上述五種方法中，從相關(guān)專利數(shù)量上來說，采用開路電壓法測量SOC的專利數(shù)量是最多的，其次是容量積分法和電池內(nèi)阻法，這三種方法是本領(lǐng)域中相對成熟的測量電池SOC的方法。對這五種方法進(jìn)行分析可以得出，模糊邏輯推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法在提高了SOC估算精度的同時，也提高了SOC估算的復(fù)雜度和運(yùn)算量，目前來說不太適合實(shí)際的工程應(yīng)用，而開路電壓法、容量積分法、電池內(nèi)阻法雖然相對簡單、計算量小，但在某些場合中又滿足不了SOC估算精度的要求。因此需要一種既能提高SOC精度、又能降低SOC估算復(fù)雜度和運(yùn)算量的新方法。

3　總結(jié)

電池組在很多行業(yè)都獲得了廣泛的應(yīng)用。為了更好地實(shí)現(xiàn)對電池組的管理，實(shí)現(xiàn)電池組的安全、高效運(yùn)行，需要可靠、高效的電池組均衡技術(shù)和準(zhǔn)確、快速的SOC估算算法。隨著電池組的應(yīng)用和研究的深入，相信電池組均衡技術(shù)就會逐漸變得成熟，更加貼近實(shí)際應(yīng)用，從而進(jìn)一步改善人類生活。

［1］ 譚曉軍.電池管理系統(tǒng)深度理論研究：面向大功率電池組的應(yīng)用技術(shù)［M］.廣州：中山大學(xué)出版社，2014.

［2］ 王震坡，孫逢春.電動車輛動力電池系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［3］ 胡國文，李超，林萍.超級電容器電壓均衡技術(shù)研究綜述［J］.電測與儀表，2014，51（22）：22-29.

李高舉（1986.12-），男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：電池管理和供配電技術(shù)領(lǐng)域。

TM53

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1003-5168（2015）11-071-02