電池組均衡專利技術分析

李高舉　王金金

（國家知識產權局專利局 專利審查協作河南中心，河南 鄭州　450002）

電池組均衡專利技術分析

李高舉王金金

（國家知識產權局專利局 專利審查協作河南中心，河南 鄭州450002）

為了實現電池組的安全、高效運行，設置電池組管理系統是十分必要的。電池組均衡技術是電池組管理系統的核心，而電池組均衡技術的關鍵和難點是準確估測電池的荷電狀態（SOC）。本文結合較為典型的專利申請，對電池組管理系統中的電池組均衡技術和電池的荷電狀態的估算算法進行了介紹和探討。

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象，嚴重影響了電池組的正常使用。為了實現電池組（也即電池包，battery pack）的安全、高效運行，設置電池組管理系統（BMS）是十分必要的，而電池組管理系統的核心技術就是電池組均衡技術。采用電池組均衡技術，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。電池組均衡技術的目的是使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態。而電池組均衡技術的關鍵和難點是準確估測電池的荷電狀態（SOC）［1-2］。目前國內國外許多公司都對其展開了充分地研究。

1　電池組均衡技術分類

1.1靜態均衡和動態均衡

電池組均衡技術從電池工作狀態上可以分為靜態均衡和動態均衡。動態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，當某節電池電量較高時，減小該節電池的充電電流，以限制該節電池的充電電量，或者當某節電池電量較低時，對該節電池進行補電。

例如，上海中科深江電動車輛有限公司的發明專利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行單體均衡充電，直至充滿。

深圳市比克電池有限公司的發明專利CN101277022A中，在電池組充電時，將達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，當某節電池電量較低時，對其補充電能，增加其電量，或者當某節電池電量較高時，對其進行放電，減小其電量。

例如，欣旺達電子股份有限公司的發明專利CN1038 72711A中，在放電過程中，當監測到某個電池的電壓為3.3V時，則使電池組停止放電，然后對電壓未達到3V的電池繼續進行放電，直至每節電池的電壓均達到3V，并且電流為10mA時，放電完成。

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

1.2無損均衡和有損均衡

根據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換型均衡電路和能量轉移型均衡電路［2-3］。

（1）能量轉換型均衡將電池組整體能量對單體電池進行能量補充，或者將單體電池能量向整體電池組進行能量轉換。

例如，武漢市歐力普能源與自動化技術有限公司的發明專利CN103904754A中，對串聯電池組中電量不一致的單體電池進行多取少補，在充電的過程中將過于飽和的單體電池的能量轉移到整個串聯電池組，在放電的過程中將串聯電池組的能量轉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移到儲能元件中，再將儲能元件中的能量轉移到剩余容量比較低的電池中。

例如，上海電機學院的發明專利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一個由開關管和電阻串聯構成的均衡電路，當各單體電池電壓差超出設定電壓差時，控制相應的開關管導通，單體電池通過電阻進行放電，直至電壓差跌落至設定范圍內。

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的內容，例如，廈門乾芯能源科技有限公司的實用新型專利CN204794196U中，當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的開關放電模塊控制該過壓單體電池放電至對應的變壓器的副邊，并通過欠壓單體電池所對應的開關充電模塊將來自對應變壓器副邊的電能給欠壓單體電池充電，實現同一電池組中任意兩單體電池之間的均衡一致性。

有損均衡電路結構和控制方法簡單，但是在均衡過程中損失了能量，并且電能轉換成了熱能，需要進行對電路進行熱管理。無損均衡電路電路結構和控制方法較為復雜，但是在均衡過程中只進行能量轉換和轉移，能量損失較小，并且不會帶來發熱問題，相關專利申請較多，為該領域的研究熱點。

無論是充電均衡、放電均衡、靜態均衡，還是能量轉換型均衡、能量轉移型均衡、有損均衡，都是本領域技術人員常用的均衡方式，均衡技術相對成熟。每種均衡方式下都有相當多的專利數量，為電池組均衡技術的繼續發展奠定了基礎。研究人員大多在上述均衡原理的基礎上，對均衡電路做出進一步的改進，電路結構和電路控制變得更加復雜，達到的均衡效果更好。

2　荷電狀態的估算算法

電池組均衡技術的關鍵和難點是準確估測電池組中各電池的荷電狀態（State of Charge，SOC，也即剩余容量）。電池荷電狀態描述了電池的剩余容量，是電池屬性中的重要參數。精確的荷電狀態估算是BMS研究、開發人員不變的追求，但是由于電池荷電狀態的非線性，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（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、電池內阻法、模糊邏輯推理和神經網絡法、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，主要根據電池組開路電壓判斷SOC的大小。在許多專利申請中，在進行電池組均衡時，均衡的依據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的，流入流出電池組的電流進行累積，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明專利CN1036 18354A中，電池管理系統通過對電池的工作電流進行采樣，并進行電流積分的計算，來計算電池荷電狀態（SOC），對電池的充放電過程進行控制。

（3）電池內阻法。電池內阻（直流內阻）與SOC有密切關系，通過測量電池內阻，根據電池內阻與SOC的對應關系，可以相應地得知SOC的大小。

例如，在華為技術有限公司的發明專利CN101067648A中，獲得蓄電池在不同時間段放電時的電流值和電壓值，根據電流值和電壓值獲得蓄電池內阻檢測值，對內阻檢測值進行修正，將修正后的內阻檢測值與預置的初始狀態內阻值相比，所得的比值根據預置的蓄電池不同剩余容量狀態值與內阻值的關系曲線，獲得當前狀態剩余容量狀態值。

（4）模糊邏輯推理和神經網絡法可從系統的輸入、輸出樣本中獲得系統輸入、輸出關系，可以用來估算SOC。但是在計算過程中，輸入變量的選擇、變量的數量會直接影響模型的準確性和計算量，并且需要大量的參考數據進行訓練，估計誤差受訓練數據和訓練方法的影響很大。

例如，在上海汽車集團股份有限公司的發明專利CN102 118071A中，基于神經網絡的模型來計算車載電池的SOC，神經網絡包括輸入層、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、溫度和內阻，輸出層的輸出變量為電池荷電狀態SOC，通過在學習訓練過程中采用變化的步長，提高了學習精度和訓練速度，從而獲得更佳的電池荷電狀態計算精度。

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

例如，在清華大學的發明專利CN101022178A中，進行電池組復合脈沖試驗，得到電池組充放電電壓曲線，基于該試驗數據得到標準電池模型的參數，提取標準電池模型的歐姆內阻-SOC曲線和開路電壓-SOC曲線，并計算觀測矩陣，構建完整的基于標準電池模型的卡爾曼濾波SOC估計算法，電池管理系統用SOC估計算法計算各個點下的SOC值。

上述五種方法中，從相關專利數量上來說，采用開路電壓法測量SOC的專利數量是最多的，其次是容量積分法和電池內阻法，這三種方法是本領域中相對成熟的測量電池SOC的方法。對這五種方法進行分析可以得出，模糊邏輯推理和神經網絡法、卡爾曼濾波法在提高了SOC估算精度的同時，也提高了SOC估算的復雜度和運算量，目前來說不太適合實際的工程應用，而開路電壓法、容量積分法、電池內阻法雖然相對簡單、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估算復雜度和運算量的新方法。

3　總結

電池組在很多行業都獲得了廣泛的應用。為了更好地實現對電池組的管理，實現電池組的安全、高效運行，需要可靠、高效的電池組均衡技術和準確、快速的SOC估算算法。隨著電池組的應用和研究的深入，相信電池組均衡技術就會逐漸變得成熟，更加貼近實際應用，從而進一步改善人類生活。

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

［2］ 王震坡，孫逢春.電動車輛動力電池系統及應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2012.

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

李高舉（1986.12-），男，碩士，研究實習員，研究方向：電池管理和供配電技術領域。

TM53

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1003-5168（2015）11-071-02