CN103532193B - 基于双向变换器的电池均衡装置及控制电池均衡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双向变换器的电池均衡装置及控制电池均衡的方法，该装置包括：电池/超级电容组本体；串联高压电池组；双向DC/DC变换器，其低压端口通过第一开关阵列与所述电池/超级电容组本体连接，其高压端口通过第二开关阵列与所述串联高压电池组连接；以及控制模块，其分别与所述双向DC/DC变换器和第一开关阵列连接。本发明电池均衡装置能够在不影响电池/超级电容组本体正常使用的前提下，实现对电池/超级电容组本体中单个电池/超级电容的不均衡状态进行全面、快速的均衡。

Description

基于双向变换器的电池均衡装置及控制电池均衡的方法

技术领域

本发明涉及充放电电池/超级电容，具体地指一种基于双向变换器的电池均衡装置及控制电池均衡的方法。

背景技术

电动汽车、混合动力器材作为清洁、节能的新型交通工具，已经受到世界各国的政府、学术界、工业界的重视，它在行驶过程中没有污染或排放比传统汽车低，噪音小，节能环保，因此目前各大汽车厂商都推出了电动汽车或混合动力汽车，电动汽车和混合动力汽车市场已经开始迅速发展。

电池/超级电容作为一种广泛采用的储能装置，由于当前存在技术瓶颈，其能量密度和功率密度比低，造成电动汽车续驶里程短，充电速度慢，严重制约了电动汽车的发展。电池作为关键部件，维护和使用成本高也给技术推广应用带来不利影响。因此，合理使用和管理电池/超级电容是提高电动汽车和混合动力汽车性能的关键技术。

其中，对电池/超级电容进行充电时存在充电不均衡的问题，如：电动汽车和混合动力汽车中普遍采用200V-800V直流电压，一般单个锂电池单元电压为3V左右，因此需要N个锂电池单元串联组成。而在使用过程中，由于电池特性不同，在长时间充、放电过程中电池单元的电压会逐渐偏离平均电压，即产生“不均衡”的现象。

电池在使用中存在不均衡将会降低电池可用容量，放电时，当最低的电池电压达到允许的最低电压时，就必须充电，而此时其他的电池仍然可以继续放电。同样地，在充电时，当电压最高的电池电压达到允许的最高电压时，就不能再给电池充电，而其他的电池都还未充满电。由于不均衡的存在，也给电池状态SOC估计带来困难，SOC的估计不准给使用性能造 成了很大影响。在不均衡状态下使用电池也影响电池使用寿命，严重时可能导致电池爆炸等颠覆性后果。因此在锂电池使用中必须配备电池均衡装置。

电池的均衡使用是电动汽车电池管理系统应具备的基本功能。目前的电池均衡方法通常采用旁路法。在充电时通过功率器件对已经充满的单元进行旁路，类似于开关切换方式，仅仅对未充满的电池进行充电。放电时对电压低的单元进行旁路。旁路法由于旁路电流较大，长时间旁路可能造成的旁路开关器件和旁路电阻过热，威胁系统安全。旁路法对电池的正常使用也造成一定影响，电压的波动和状态的旁路开关切换时电流突变给电池的管理带来不利的影响，此外，旁路方法虽然简单，但是由于旁路时的能量并未减少，而是在电阻上消耗了。这种均衡方式损耗大、效率低，造成能量损失大，还需要增加散热措施保证电池的工作环境温度不超过电池使用环境要求。

对于常用的串联电池使用环境，由于串联电池单元数量较少，可以采用开关旁路电阻法、单独充电法来均衡电池电压，定期维护，以延长使用寿命。对于电动汽车使用条件，由于串联数目多，通常按12V一组进行串联，数目24-28组。安装空间条件苛刻，一般在车厢座位下面，或是后备箱底部。因此不适合采用上述办法进行维护。

目前还有一种电池均衡方法是采用切换电容方式，通过电容充放电来均衡。这种方法依靠电容充放电来均衡各个电池的能量，当电池之间电压差比较小时，电容充放电的时间长，难以起到完全均衡的效果，均衡效率低，而且这种方法采用的器件多，需要大量的电容和开关，电容的成本较高，控制开关多，可靠性低。实际上大部分电池管理系统都不具备所有电池之间的均衡功能，一般只具备电池组内（如4-8个电池之间）均衡功能，采用的方法是旁路法。

因此，有必要提供一种技术方案以克服现有技术电池/超级电容组中电池不均衡的缺陷，采用具备高效均衡功能的装置作为电池管理系统一个重要组成部分，实现真正的电池“管理”。

发明内容

本发明目的就在于克服上述现有技术的不足而提供一种基于双向变换器的电池均衡装置及控制电池均衡的方法，本发明能够自动根据电池/超级电容组中单个电池/超级电容的电压状况，对其进行充电或者放电，以实现电池/超级电容组中每个电池/超级电容的电压趋于平衡。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种基于双向变换器的电池均衡装置，包括：

串联高压电池组；

双向DC/DC变换器，其低压端口通过第一开关阵列与所述电池/超级电容组本体连接，其高压端口通过第二开关阵列与所述串联高压电池组连接；以及

控制模块，分别与所述双向DC/DC变换器和第一开关阵列连接；

所述控制模块通过控制所述开关阵列，使得所述电池/超级电容组本体中电压高的单片电池向所述串联高压电池组放电，和/或者所述串联高压电池组向所述电池/超级电容组本体中电压低的单片电池充电，以实现所述电池/超级电容组本体中所有单片电池的电压达到均衡。

本发明还提供第一种通过上述基于双向变换器的电池均衡装置控制电池均衡的方法，该方法包括：

选择电池/超级电容组本体中单片电池/超级电容电压最高的一个；

控制第一开关阵列中的开关将所述电压最高的电池/超级电容电池切换到双向DC/DC变换器的输入，闭合第二开关阵列的开关使得所述单片电池/超级电容电压最高的电池向串联高压电池组放电，放电直至其电压不再为所述电池/超级电容组本体中最高；

重复上述步骤，直至所述电池/超级电容组本体中单片电池/超级电容的电压趋于平衡。

本发明还提供第二种通过上述基于双向变换器的电池均衡装置控制电池均衡的方法，该方法包括：

选择电池/超级电容组本体中单片电池/超级电容电压最低的一个；

控制第一开关阵列中的开关将所述电压最低的电池/超级电容电池切换到双向DC/DC变换器的输入，闭合第二开关阵列的开关使得所述单片电池/超级电容电压最高的电池向串联高压电池组放电，放电直至其电压不再为所述电池/超级电容组本体中最高；

重复上述步骤，直至所述电池/超级电容组本体中单片电池/超级电容的电压趋于平衡。

本发明还提供第三种通过上述基于双向变换器的电池均衡装置控制电池均衡的方法，该方法包括：

检测电池/超级电容组本体中任意两个电池/超级电容的电压是否均衡，当出现不平衡时，通过控制模块将电压高的电池/超级电容向串联高压电池组的电池放电，从而使得两个电池/超级电容的电压达到均衡；或者将电压低的电池/超级电容向串联高压电池组的电池充电，从而使得两个电池/超级电容的电压达到均衡。

本发明电池均衡装置能够在不影响电池/超级电容组本体正常使用的前提下，实现对电池/超级电容组本体中单个电池/超级电容的不均衡状态进行全面、快速的均衡。

附图说明

图1为本发明基于双向变换器的电池均衡装置的结构示意图。

图2为图1中控制模块的结构框图。

图3为图1中双向变换器的电路图。

图4为均衡控制策略的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

本实施例以电池为例来具体说明本发明的技术方案，如图1所示，基于双向变换器的电池均衡装置包括电池组本体和串联高压电池组，本实施例中以三个电池（A1、A2、A3）串联形成电池组本体和三个电池（B1、B2、B3）串联形成串联高压电池组进行详细说明。

本发明还包括双向DC/DC变换器，其电路图如图3所示，所用双向DC/DC变换器为本领域技术人员常用技术手段，此处不再赘述。双向DC/DC变换器的低压端口通过第一开关阵列与电池组本体连接，高压端口通过第二开关阵列（KB1、KB2）与串联高压电池组连接。第一开关阵列包括多条带有开关的通电线路，电池组本体中的每个电池通过两条通电线路与所述双向DC/DC变换器的低压端口连接构成通电回路。本实施例中四条通电线路（L1、L2、L3、L4）的一端分别连接在A1、A2、A3的正负极之间，即四条通电线路（L1、L2、L3、L4）的一端分别连接在A1的正极、A1的负极（A2的正极）、A2的负极（A3的正极）、A3的负极，而四条通电线路（L1、L2、L3、L4）的另一端通过切换开关实现将任一电池连接在双向DC/DC变换器的低压端口，通过控制切换开关将电池组本体中的每个电池能够与双向DC/DC变换器的低压端口连接构成通电回路。

双向DC/DC变换器的低压端口设有电压传感器，电压传感器用于获取电池组本体中电池的电压模拟信号；此外，双向DC/DC变换器内设有电流传感器，用于获取流过双向DC/DC变换器的电池均衡的电流模拟信号。

本发明还包括控制模块，如图2所示，控制模块分别与双向DC/DC变换器和第一开关阵列连接。控制模块通过控制第一开关阵列，使得电池组本体中电压高的电池向串联高压电池组放电，或者使串联高压电池组向电池组本体中电压高的电池充电，从而实现所述电池/超级电容组本体中所有电池的电压达到均衡。

控制模块还包括模拟-数字转换电路和均衡状态图逻辑控制模块，均衡状态图逻辑控制模块与模拟-数字转换电路连接。模拟-数字转换电路分别与电压传感器和电流传感器连接，用于将电压模拟信号和电流模拟信号分别转换为电压数字信号和电流数字信号。

均衡状态图逻辑控制模块用于根据电压数字信号控制电池组本体中电压高的电池向串联高压电池组放电，或者控制串联高压电池组向电池组本体中电压高的电池充电，均衡控制策略如图3所示，具体步骤如下：

首先选择电池组本体中单体电池（A1，A2，A3）电压最高的一个电池， 如设电池A1电压最高。

控制开关阵列，闭合开关第一开关阵列中的开关KA1KA2，KA5和KA6将电池A1切换到双向DC/DC变换器的输入，并将双向DC/DC变换器的输出切换到高压，闭合开关第二开关阵列的开关KB1和KB2，执行A1向串联高压电池组放电的操作，该均衡步骤执行完毕后电池A1应当不再是电池组本体中中电压最高的电池。

同上步骤，还可以选择电池组本体中单体电池（A1，A2，A3）电压最低的一个电池，如设电池A3电压最低。控制开关阵列中相应的开关，闭合开关第二开关阵列的开关KB1和KB2，控制串联高压电池组向A3充电的操作，该均衡步骤执行完毕后电池A1应当不再是电池组本体中电压最低的电池。

通过上述步骤，逐渐将电池组本体中电压高的电池的能量向串联高压电池组转移，将串联高压电池组的能量向电池组本体中电压低的电池转移。直至电池组本体中所有电池的电压逐渐收敛到同一的电压，电压高的电池能量逐渐转移到电压低的电池中，当达到设定的均衡条件-电压偏差小于某一设定值时，控制模块停止运行。

在上述均衡控制策略中，为了避免双向DC/DC变换器中均衡电流过大对电池造成损害，本实施例还通过控制模块控制双向DC/DC变换器中均衡电流恒定不变，具体实现过程如下：

控制模块将给定均衡电流信号发送到双向DC/DC变换器中的PI调节模块，PI调节模块根据电流传感器获取电流信号，进行比例-积分计算，得到输出PWM输出信号，并将该PWM输出信号通过方向控制切换开关，并通过双向DC/DC变换器中场效应管控制隔离变压器中流过的均衡电流的大小，以保持均衡电流恒定不变，避免电流过大对电池造成损害。

本实施例的另一种优选实施方式是：均衡状态图逻辑控制模块根据电压传感器检测电池组本体中任意两个电池的电压判断是否出现电压不均衡的情况，当检测电池组本体中的两个电池仍不平衡时，通过控制模块将电池组本体中电压高的电池向串联高压电池组的电池放电，或者将电池组本 体中电压低的电池从串联高压电池组的电池充电，从而使得串联高压电池组的电池进而达到均衡。

从上述对电池组本体中各电池均衡的过程中，可以看出：在充放电过程电能没有被任何旁路电阻消耗，只是在双向DC/DC变换器的PWM运行中有损耗，因此均衡的效率高。此外，均衡电流由双向DC/DC变换器直接控制，包含电流反馈和电流保护，可靠性高。此外，本电池组装置独立于电池的工作系统，能够在电池工作（如电动汽车充电、放电和待机过程）中都能对电池进行均衡操作。

为了进一步保证本发明电池组装置的稳定性，本实施例电池组装置的控制模块中还包括故障诊断模块，该故障诊断模块分别与第一开关阵列、第一开关阵列和均衡状态图逻辑控制模块连接。

故障诊断模块不断的通过第一开关阵列的切换，检测各个电池组本体中各电池的电压，根据电压传感器输出的电压信号获取每个电池的瞬时状态信号，并根据电池的瞬时信号判断系统是否发生故障。具体地，当故障诊断模块检测出电池组本体的电压高于允许最大电压，或低于允许最低电压，或者检测出双向变换器的均衡电流信号，高于最大允许电流时，判断电池组本体发生故障，向上一级管理系统（如汽车电池管理系统、能量管理系统和中央控制器）发送故障信息，控制模块令给定均衡电流为零，并封锁PI调节模块的PWM输出，此时本发明装置处于待机状态一段时间。一般地，所述待机状态持续2秒。2秒后，所述故障诊断模块重新接收信号并判断电池组本体是否发生故障，如果无故障发生，则控制模块重新启动运行程序，还原给定均衡电流，并保持PI调节模块信号的输出，按照预定斜率逐渐恢复输出均衡电流，直到完全恢复故障前状态为止。

此外，当故障诊断模块检测出上一级管理系统提供的输入电压低于最低工作电压时，则控制模块给定均衡电流减小至零，并保存当前的均衡状态，输入电压恢复后，给定均衡电流逐渐恢复，直到完全恢复停止运行前的状态。

由于本实施例采用双向PWM变换调制模块，并且PI调节模块使用脉 冲宽度调制算法对所述双向变换器的端口电压、电流进行处理，因此处理后得到的PI调节信号，按照给定的均衡电流大小变换PWM脉冲宽度，这样，相比于普通的单向PWM调制，本系统具有结构简单、利用率高(高出15%)、电流畸变率小和便于实现的优点，系统均衡控制快，冲击小。

另外，本发明的电池组装置中控制模块还配置通信模块，本实施例为RS232/485/CAN通信模块，通信模块与整车能量管理系统和中央控制器以及电池管理系统连接，实时传递电池信号给电池管理系统、整车的能量管理系统和中央控制器，可以为车辆最大效率地合理使用电池提供了数据，从而实现对电池的管理。

最后，本实施例电池组装置中控制模块还设有电池SOC计算模块，通过电池电压、电流、温度和运行状态，精确计算电池SOC、容量、预计使用寿命，实现完整的电池管理功能，实现了对电池进一步的管理。

本实施例只是以电池构成的电池组本体为例进行了说明，由超级电容构成的超级电容组本体进行充放电过程同上述电池组本体，此处不再赘述。

以上仅仅只是结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (4)

1.一种基于双向变换器的电池均衡装置，包括：电池/超级电容组本体，其特征在于，还包括：

串联高压电池组；

双向DC/DC变换器，其低压端口通过第一开关阵列与所述电池/超级电容组本体连接，其高压端口通过第二开关阵列与所述串联高压电池组连接；第一开关阵列包括多条带有开关的通电线路，电池/超级电容组本体中的每片电池通过两条通电线路与所述双向DC/DC变换器的低压端口连接构成通电回路；所述第二开关阵列包括两个开关，分别连接于所述串联高压电池组的正极和负极线路中；

电压传感器，设于所述双向DC/DC变换器的低压端口，获取所述电池/超级电容组本体中单片电池的电压模拟信号；

电流传感器，设于所述双向DC/DC变换器内，用于获取流过所述双向DC/DC变换器的电流模拟信号；

控制模块，分别与所述双向DC/DC变换器和第一开关阵列连接；所述控制模块包括：

模拟-数字转换电路，分别与所述电压传感器和电流传感器连接，用于将所述电压模拟信号和电流模拟信号分别转换为电压数字信号和电流数字信号；

均衡状态图逻辑控制模块，与所述模拟-数字转换电路连接，用于根据所述电压数字信号控制所述电池/超级电容组本体中电压高的单片电池向所述串联高压电池组放电，或者所述串联高压电池组向所述电池/超级电容组本体中单片电压低的电池充电；根据所述电流数字信号控制双向DC/DC变换器内均衡电流的大小；

故障诊断模块，分别与所述第一开关阵列和均衡状态图逻辑控制模块连接；

通信模块，与整车能量管理系统和整车中央控制器以及整车电池管理系统连接；

所述控制模块通过控制所述开关阵列，使得所述电池/超级电容组本体中电压高的单片电池向所述串联高压电池组放电，和/或者所述串联高压电池组向所述电池/超级电容组本体中电压低的单片电池充电，以实现所述电池/超级电容组本体中所有单片电池的电压达到均衡。

2.一种通过权利要求1所述基于双向变换器的电池均衡装置控制电池均衡的方法，其特征在于，包括：

选择电池/超级电容组本体中单片电池/超级电容电压最高的一个；

控制第一开关阵列中的开关将所述电压最高的电池/超级电容电池切换到双向DC/DC变换器的输入，闭合第二开关阵列的开关使得所述单片电池/超级电容电压最高的电池向串联高压电池组放电，放电直至其电压不再为所述电池/超级电容组本体中最高；

重复上述步骤，直至所述电池/超级电容组本体中所有单片电池/超级电容的电压趋于平衡。

3.一种通过权利要求1所述基于双向变换器的电池均衡装置控制电池均衡的方法，其特征在于，包括：

选择电池/超级电容组本体中单片电池/超级电容电压最低的一个；

控制第一开关阵列中的开关将所述电压最低的电池/超级电容电池切换到双向DC/DC变换器的输入，闭合第二开关阵列的开关使得所述串联高压电池组向单片电池/超级电容电压最低的电池充电，充电直至其电压不再为所述电池/超级电容组本体中最低；

重复上述步骤，直至所述电池/超级电容组本体中所有单片电池/超级电容的电压趋于平衡。

4.一种通过权利要求1所述基于双向变换器的电池均衡装置控制电池均衡的方法，其特征在于，包括：

检测电池/超级电容组本体中任意两个电池/超级电容的电压是否均衡，当出现不平衡时，通过控制模块将电压高的电池/超级电容向串联高压电池组的电池放电，从而使得两个电池/超级电容的电压达到均衡；或者将电压低的电池/超级电容向串联高压电池组的电池充电，从而使得两个电池/超级电容的电压达到均衡。