CN101764421A - 一种用于电动汽车电池组的均衡设备 - Google Patents

Abstract

一种用于电动汽车电池组的均衡设备，包括逆变分压电池组均衡系统和电容切换单体均衡系统；逆变分压电池组均衡系统中，串接的两个大电容和串接的第一、第二开关管MOSFET并联后，跨接在多个电池组串接组成的电池包的正负极两端，变压器原边的同名端接串接大电容的中点，变压器异名端接第一开关管MOSFET的源极。变压器采用多副边结构，变压器副边的中心抽头接电池组的负极。电容切换单体均衡系统中，4个开关管MOSFET两两串联，每个串联支路分别接在每一电池组中相邻两节单体电池的正负极，滤波电容跨接在串联开关管MOSFET的中点。所述的逆变分压电池组均衡系统对串接的多个电池组之间进行均衡，所述的电容切换单体均衡系统对每个电池组内的单体电池进行均衡。

Description

一种用于电动汽车电池组的均衡设备

技术领域

本发明涉及一种用于电动汽车串联电池组充放电均衡设备。

背景技术

近几年来，随着节能和环保问题被世界各国广泛关注，具有清洁环保节能等优点的电动汽车的研究进入了一个崭新的发展时期。在纯电动车不能完全市场化的情况下，作为过渡产品的混合动力汽车正在形成新一轮的技术开发热点。蓄电池将作为动力源而成为混合动力汽车发展的关键。混合动力汽车车用电池，一般由多个单体电池串联组成一个模块。由于单体电池制造过程中性能的分散性和使用过程中电池组内部环境的非均匀性等原因，单体电池存在不一致性。这种电池的不一致性不仅会降低电池组的使用水平，影响混合动力汽车的性能，而且还可能产生大量的热量引起电池燃烧或爆炸。因此研究先进的电池均衡控制技术，以减轻单体电池在使用过程中出现的差异，既能够最大限度地发挥电池的效率、延长使用寿命，还能增加电动汽车的安全性，极大的促进电动汽车相关技术的发展。

目前由均衡过程中电路对能量的消耗情况，电池组均衡控制方案可分为耗能型和馈能型两大类。耗能型电路一般通过电阻分流实现均衡，结构简单，但是均衡效果受分流电阻的限制，电阻选取过大，分流电流小，均衡效率低，电阻选取过小，分流电流增大，电阻发热会引起电路的热处理问题，如专利1667909中，公开了一种用于均衡锂电池组能量的电池均衡方法，其均衡方法是以偶数个串联电池为一组进行均衡，获得该偶数个串联电池的正端与负端电压差的中间值，与该偶数个串联电池的中间点电压进行比较，当中间值电压高于中间端点电压时，对中间端点以上的电池进行放电，当中间值电压低于中间端点电压时，对中间端点以下的电池进行放电，该方法虽然不需要测量电池的电压就能够实现电池能量均匀分布的目的，但是均衡所用的分流电阻会消耗能量，如果均衡的时间过长还会产生大量热量。

馈能型电路大多采用电容、电感、变压器等换能器件实现均衡，该类电路设计方案，虽然在理论上能够实现无损均衡，但是实际应用中控制结构复杂，体积较大，成本较高，不易级连。如专利10149455A，公开了一种电池系统的电压平衡装置及电压平衡方法，该装置包括：变压器，由初级绕组、多个次级绕组和磁性芯体构成；第一开关，与初级绕组串联，并联于电池系统；多个第二开关，分别于次级绕组串联，并联于各个电芯。该电路可以通过控制开关的导通和关断，达到使电池组总能量向单体能量流动的目的，从而实现了电池组的能量均衡分配。该方法虽然从理论上不消耗能量，但是由于变压器的结构复杂，初次级线圈的工艺有很高的要求，若是有漏磁等问题，同样会导致能量的损失。而且该装置的整体结构与控制方法比较复杂，应用于电动车辆比较困难。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的结构复杂、控制难度大、能量损耗高并且均衡的效率较低等问题，尤其对于混合动力汽车车用电池，工作电流波动大，充放电转换频繁，一般的均衡方法不能满足均衡要求，提出一种简单、高效、可靠的适合混合动力车用的电池组的均衡设备，解决因充放电对电池性能、寿命影响造成的电池间差异、失配，提高电池组的有效使用寿命。

本发明可以保证在电动汽车串联电池组充放电使用过程中的使用安全和对电池组进行实时能量调整，保证所有电池组的能量总量保持一致，同时在单体间进行能量流动的微调，实现电池组均衡。

本发明均衡装置主要由逆变分压电池组均衡系统和电容切换单体均衡系统两部分组成成。其中逆变分压系统由开关管MOSFET，电容，二极管和变压器构成，电容切换单体均衡系统由开关管MOSFET和电容构成。本发明通过逆变分压电池组均衡系统对串接的多个电池组之间进行均衡，通过电容切换单体均衡系统对每个电池组内的单体电池进行均衡。

所述的逆变分压电池组均衡系统中，串接的两个大电容和串接的第一和第二两个开关管MOSFET并联后，跨接在多个电池组串接组成的电池包的正负极两端，开关管MOSFET的串接方式是第一开关管MOSFET的源极连接第二开关管MOSFET的栅极。逆变分压系统中变压器原边的同名端接串接大电容的中点，变压器异名端接第一开关管MOSFET的源极。变压器采用多副边结构，变压器的每一个副边的中心抽头接所述每一电池组的负极，变压器的副边接有保护二极管和滤波电容。

所述的电容切换单体均衡主要采用电容切换方式，将4个开关管MOSFET两两串联。分别接在每一电池组中相邻两节单体电池的正负极，开关管MOSFET的串联方式采用源极接栅极的方式，电容则跨接在串联开关管MOSFET的中点。

本发明的具体工作过程：本发明通过逆变分压均衡与电容切换均衡组合使用，使电池组中单体电池达到均衡的目的。该均衡系统对串联电池中的每一组电池采用逆变分压均衡，逆变分压结构采用变压器多副边结构，每个逆变副边等效于一个具有相同特性的均衡单元，给每一组电池进行均衡。逆变分压均衡既可以利用外电源向电池组充电，也可以利用动力电池组自身的总电压作为均衡充电的电源。然后利用开关电容切换均衡可以使串联电池组中相邻的电池间进行电荷交换，当电容器重复进行前后开关切换时，通过利用各蓄电池间的电压差对电容进行充放电，可以在相邻蓄电池间将能量从电压高的蓄电池转移到电压低的蓄电池中去。这一能量转移过程具有传递性。

附图说明

图1.电池均衡系统原理图；

图2.电容切换电池均衡原理图。

具体实施方式

本发明均衡装置由逆变分压电池组均衡系统和电容切换单体均衡系统两部分组成。其中逆变分压电池组均衡系统由开关管MOSFET，电容，二极管和变压器构成，电容切换单体均衡系统由开关管MOSFET和电容构成。

如图1所示，串联的n个电池组E1～En组成电池包，其中n为大于0的整数，当电池包放电时U_S为负载电压，当电池包充电时U_S为电源电压。图1的电路原理图主要包括两部分，一部分是逆变分压电池组均衡系统，由电容C_a、C_b，开关管MOSFET G₁、G₂，变压器T，保护二极管D₁......D_2n以及滤波电容C1......Cn构成。另一部分是串联电池组单体均衡系统，由电容切换单体均衡1，电容切换单体均衡2.....电容切换单体均衡n构成。

如图1所示，逆变分压电池组均衡系统中第一电容C_a和第二电容C_b串联，第一开关管MOSFET G₁和第二开关管MOSFET G₂串联，第一电容C_a、第二电容C_b的串联支路和第一开关管MOSFET G₁、第二开关管MOSFET G₂的串联支路并联，并联的两个串联支路跨接在电池包的正负极两端。第一开关管MOSFET G₁和第二开关管MOSFET G₂的串联方式采用源极接栅极的方式，即第一开关管MOSFET G₁的源极接第二开关管MOSFET G₂的栅极，第一开关管MOSFET G₁的栅极接电池包正极，第二开关管MOSFET G₂的源极接电池包的负极。逆变分压系统中变压器T原边的同名端接在串联的第一电容C_a和第二电容C_b的中点，变压器T原边的异名端接串联的第一开关管MOSFET G₁和第二开关管MOSFET G₂的中点。开关管MOSFET G₁、G₂的门极由PWM波形控制器控制。电池包分成n个电池组。变压器T采用多副边结构，每一个副边的中心抽头接电池组负极，副边接有保护二极管D₁......D_2n和滤波电容C₁......C_2n。如对于电池组E₁，变压器T副边U₁的同名端经第一保护二极管D₁连接电池组E₁正极，同时变压器T副边U₁的异名端也经第一保护二极管连接电池组E₁正极，变压器T副边U₁的中心抽头接电池组E₁负极，在电池组E₁的正负极间跨接滤波电容C₁。其余变压器副边和保护二极管和滤波电容的连接方式和变压器T的副边U₁与保护二极管和滤波电容的连接方式相同。

如图1所示，电容切换单体均衡1跨接在电池组E₁的单体电池上，电容切换单体均衡2跨接在电池组E2的单体电池上，电容切换单体均衡3……电容切换单体均衡n分别跨接在电池组E₃......E_n的单体电池上。

逆变分压均衡系统的工作原理：逆变分压均衡系统既可以利用外电源向电池包充电，也可以利用电池包自身总电压作为均衡充电的电源。

利用电池包自身总电压作为均衡充电的电源时，设第n个电池端电压为U_En，其中n为大于0的整数。PWM的开关控制信号占空比为θ，变压器的变比为N_P∶N_S。以第一电池组E₁电压U_E1和第二电池组E₂电压U_E2较其余电池组电压低的情况为例说明，其中U_av为电池组的平均电压，U_En和ΔU_En分别表示第n个子电池组的端电压及其与电池组总平均电压的差值，U_Un表示经过逆变分压后施加在第n个子电池组两端的电压，I_En表示第个子电池组的充放电电流。很容易得到：

第1个子电池组电压：U_E1＝U_av-ΔU_E1                                           (1)

第2个子电池组电压：U_E2＝U_av-ΔU_E2                                           (2)

副边均衡电压： $U_{\mathrm{Un}}=\frac{n\×\mathrm{NS}}{\mathrm{NP}}\×\mathrm{\θ}\×U_{\mathrm{av}}---\left(3\right)$

当

时，U_Un＝U_av，此时只有以第一电池组E₁和第二电池组E₂进行充电，其余电池组都在进行放电，而且计算可知：

$I_{\mathrm{En}}=-\frac{1}{n}[\frac{\mathrm{\Δ}{U}_{E1}}{R_1}(1-\frac{\mathrm{\Δ}{U}_{E1}}{R_1})+\frac{\mathrm{\Δ}{U}_{E2}}{R_2}(1-\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{E2}}{R_2})]---\left(4\right)$

$I_1=\frac{\mathrm{\Δ}{U}_{E1}}{R_1}-I_{\mathrm{En}}---\left(5\right)$

$I_2=\frac{\mathrm{\Δ}{U}_{E2}}{R_2}-I_{\mathrm{En}}---\left(6\right)$

以上公式中，R₁-第一电池组E₁常温内阻；R₂-第二电池组E₂常温内阻。由式(5)、式(6)可知，容量较低的电池组的均衡充电电流与其偏离电池组平均电压值ΔU_En的程度成线性关系，ΔU_En越大，则该电池组的均衡充电电流也越大，其容量上升也越快，当各电池组电压趋于一致时，系统自动进入平衡状态。

由外电源向电池包充电时，每个电池组可以有两个充电电流，即i_s(外加电源充电电流)和i_m(m＝1，2，…，n，均衡器对电池组的充电电流)。i_m的大小和流过时间的长短由各电池组的具体状况而定。因此，各电池组所接受的充电电流大小是不同的，它与其偏离电池组平均电压值的程度是成线性关系的。当第m个电池组电压U_Em＜U_s/n时，保护二极管D_2m-1和D_2m正向导通，均衡器向第m电池组E_m补充充电，即i_s和i_m共同对电池组E_m充电；反之，当U_Em≥U_s/n时，保护二极管D_2m-1和D_2m反向截止，i_m＝0，只有i_s对该子电池组充电。这样端电压低的电池组充电电流大，其容量上升得更快，反之亦然。该过程持续到各电池组间电压相同且等于U_s/n为止，从而达到均衡控制的目的。

图2为电容切换单体均衡的电路原理图。图2所示的串联电池组单体均衡系统主要采用电容切换方式，图中B₁......B_j为单体电电池，即为图1中的第n个电池组E_n。首先将开关管MOSFET分组，每4个开关管MOSFET为一组，即开关管MOSFET Q₁、Q₂、Q₃、Q₄为第一组，开关管MOSFET Q₃、Q₄、Q₅、Q₆为第二组，依次类推。以下以第一组开关管MOSFET为例说明其结构。如图2所示，4个开关管MOSFET Q₁、Q₂、Q₃、Q₄两两串联分别跨接在相邻两节单体电池B₁、B₂的正负极，4个开关管MOSFET Q₁、Q₂、Q₃、Q₄两两串联分别跨接的方式即第一开关管MOSFET Q₁的源极连接第二开关管MOSFET Q₂的栅极，第三开关管MOSFET Q₃的源极连接第四开关管MOSFET Q₄的栅极。同时第一开关管MOSFET Q₁的栅极接第一电池B₁的负极，第二开关管MOSFET Q₂的源极接第一电池B₁的正极，第三开关管MOSFET Q₃的栅极接第二电池B₂的负极，第四开关管MOSFET Q₄的源极接第二电池B₂的正极。第一电容C₁的一端接第一开关管MOSFETQ₁的源极，第一电容C₁的另一端接第三开关管MOSFET Q₃源极。其余各组的开关管MOSFET连接方式和第一组相同。

如图2所示，串联电池组单体均衡系统对开关管MOSFET的控制是采用分组控制、分时控制的方式。分组控制是指以每四个开关MOSFET为一组，对同一组内的四个开关MOSFET同时控制，如对第一组的4个开关管MOSFET Q₁～Q₄要同时控制。分时控制是指按照时间顺序依次对每一组进行控制，如对开关管MOSFET Q₁～Q₄组成的第一组，开关MOSFETQ₃～Q₆......组成的第二组等开关组按照时间顺序进行控制。控制器实时监测B₁，B₂，B₃......B_j单体电池的电压值：V_B1，V_B2，V_B3......V_Bj，同时计算相邻单体电池的压差值，如ΔV₁＝V_B1-V_B2，ΔV₂＝V_B2-V_B3......，当ΔV₁＞10mv时，则开启第一组的4个开关管MOSFET Q₁～Q₄的控制电路，如果Q₁、Q₃导通，则Q₂、Q₄关断，如果Q₁、Q₃关断，则Q₂、Q₄导通。控制采用PWM方式，开关频率f为5kHZ，占空比D为0.5。对每一组采用分时操作，对每一组开关的均衡时间不超过10秒钟，然后进入对下一组监测、均衡，如此重复上述均衡过程。

采用开关电容切换均衡可以使串联电池组中相邻的电池间进行电荷交换，当电容器重复进行前后开关切换时，通过利用各电池间的电压差对电容进行充放电，可以在相邻电池间将能量从电压高的电池转移到电压低的电池中去。这一能量转移过程具有传递性。不论各电池组初始状态如何，只要操作时间足够长，就可以精确实现任意数量的串联电池端电压的完全相等。

其中电容的选择依据下面的公式，R_eq电容回路等效电阻如(1)所示。

R_eq＝1/(f_sw×C_eq)+R_min                                                   (7)

其中f_sw为开关频率，C_eq为电容容量，而R_min与器件接触电路、串联电容的ESR和开关电阻有关。根据现有电池的标准，一般均衡器单体均衡电流I_min应该控制在0.05C～0.1C之间，电压差ΔV范围在20mv～50mv之间较适宜。因此可以由此计算得到最小R_eq＝ΔU/I_min。R_min一般为器件经验值；f_sw不应太高，在100Hz＜f_sw＜1000Hz范围内，由式(1)式计算即可得到所需电容值。

对两个电池单体在静止状态下采用一个开关电容器切换进行电量均衡的情况进行分析，设电池电压差为ΔU＝U_b1-U_b2，则可以计算出在时间t内电池间转移的电量为ΔQ＝ΔU×C_eq×f_sw×t。

针对混合动力汽车的实际应用情况进行具体分析，通过逆变分压系统对电池组充放电进行实时能量调整，保证所有电池组的能量总量保持一致，因此全部电池单体间的能量差异状态会被限制在很小的范围内，不均衡现象只可能在子组内的蓄电池单体间微弱出现。在此基础上对应用开关电容均衡技术，只要持续在单体间进行能量流动的微调，就可以累积均衡效果，最终实现均衡。

Claims (5)

1.一种用于电动汽车电池组的均衡设备，其特征在于，所述的均衡设备包括逆变分压电池组均衡系统和电容切换单体均衡系统；所述的逆变分压电池组均衡系统中，串接的两个大电容和串接的第一、第二开关管MOSFET并联后，跨接在多个电池组串接组成的电池包的正负极两端；逆变分压系统中变压器原边的同名端接串接大电容的中点，变压器异名端接第一开关管MOSFET的源极；变压器采用多副边结构，变压器每一个副边的中心抽头接每一个电池组的负极，变压器的副边接有保护二极管和滤波电容；所述的电容切换单体均衡系统中，4个开关管MOSFET两两串联，每个串联支路分别接在每一电池组中相邻两节单体电池的正负极，滤波电容跨接在串联开关管MOSFET的中点；所述的逆变分压电池组均衡系统对串接的多个电池组之间进行均衡，所述的电容切换单体均衡系统对每个电池组内的单体电池进行均衡。

2.按照权利要求1所述的电池组均衡设备，其特征在于所述的逆变分压电池组均衡系统中，第一电容(C_a)和第二电容(C_b)串联，第一开关管MOSFET(G₁)和第二开关管MOSFET(G₂)串联，串联的第一电容(C_a)、第二电容(C_b)和串联的第一开关管MOSFET(G₁)、第二开关管MOSFET(G₂)并联，并联的两个串联支路跨接在所述电池包的正负极两端；第一开关管MOSFET(G₁)的源极接第二开关管MOSFET(G₂)的栅极，第一开关管MOSFET(G₁)的栅极接电池包正极，第二开关管MOSFET(G₂)的源极接所述电池包的负极；逆变分压系统中变压器(T)原边的同名端接在串联的第一电容(C_a)和第二电容(C_b)的中点，变压器(T)原边的异名端接串联的第一开关管MOSFET(G₁)和第二开关管MOSFET(G₂)的中点；开关管MOSFET(G₁)和开关管MOSFET(G₂)的门极由控制器控制。

3.按照权利要求1所述的电池组均衡设备，其特征在于逆变分压电池组均衡系统中，对于第一电池组(E₁)，变压器(T)第一副边(U₁)的同名端经保护第一二极管(D1)连接第一电池组(E₁)正极，同时变压器(T)第一副边(U₁)的异名端也经第二保护二极管(D2)连接第一电池组(E₁)正极，变压器(T)第一副边(U₁)的中心抽头接第一电池组(E₁)负极，在第一电池组(E₁)的正负极间跨接第一滤波电容(C₁)；其余变压器副边(U₂)......(U_n)与电池组保护二极管(D₃)......(D_2n)以及滤波电容(C₁)......(C_n)的连接方式与所述的副边U1与保护二极管和滤波电容的连接方式相同。

4.按照权利要求1所述的电池组均衡设备，其特征在于所述的电容切换单体均衡系统的第一组开关管MOSFET中，第一开关管MOSFET(Q₁)的源极连接第二开关管MOSFET(Q₂)的栅极，第三开关管MOSFET(Q₃)的源极连接第四开关管MOSFET(Q₄)的栅极；第一开关管MOSFET(Q₁)的栅极接第一电池(B₁)的负极，第二开关管MOSFET(Q₂)的源极接第一电池(B₁)的正极，第三开关管MOSFET(Q₃)的栅极接第二电池(B₂)的负极，第四开关管MOSFET(Q₄)的源极接第二电池(B₂)的正极；第一电容(C₁)的一端接第一开关管MOSFET(Q₁)的源极，第一电容(C₁)的另一端接第三开关管MOSFET(Q₃)的源极；其余开关管MOSFET的连接方式和第一组开关管MOSFET相同。

5.按照权利要求4所述的电池组均衡设备，其特征在于电容切换单体均衡系统开关管MOSFET的控制是采用分组和分时控制方式：分组控制是以每四个开关MOSFET为一组，对每一组内的四个开关管MOSFET同时控制；分时控制是按照时间顺序依次对每一组进行控制；控制器实时监测串接电池组中各单体电池(B₁，B₂，B₃……B_j)的电压值：V_B1，V_B2，V_B3......，同时计算相邻单体电池的压差值，如ΔV₁＝V_B1-V_B2，ΔV₂＝V_B2-V_B3......，当ΔV₁＞10mv时，开启第一组的第一至第四MOSFET开关(Q₁～Q₄)的控制电路，如果第一组开关中的第一开关管MOSFET(Q₁)、第三开关管MOSFET(Q₃)导通，则第二开关管MOSFET(Q₂)、第四开关管MOSFET(Q₄)关断，如果第一开关管MOSFET(Q₁)、第三开关管MOSFET(Q₃)关断，则第二开关管MOSFET(Q₂)、第四开关管MOSFET(Q₄)导通，控制采用PWM方式；对每一组的均衡时间不超过10秒钟，然后进入下一开关组的控制；其余各组开关管MOSFET的控制方式与第一组开关管MOSFET的控制方式相同。

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