CN104953675B - 能源管理设备、电控系统和电控方法、电动汽车 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种能源管理设备、电控系统和电控方法、电动汽车，其中能源管理设备包括H桥单元、作为H桥单元的输入电源的电池组和对电池组进行能量均衡控制的电池管理系统BMS。其中的电控系统包括主控制器、3N个分控制器和3N个能源管理设备；3N个能源管理设备构成第一相组、第二相组和第三相组共三个相组，每个相组包括N个能源管理设备，主控制器计算各能源管理设备的PWM占空比，由分控制器据此控制相应能源管理设备连接。本发明实施例解决了现有电动汽车电池组中电池大规模的串联所导致的电池一致性要求高、检测成本高、电池替换困难、BMS均衡能力不足以满足大规模串联后电池组的动态均压的技术问题。

Description

能源管理设备、电控系统和电控方法、电动汽车

技术领域

本发明涉及电子技术，尤其是一种能源管理设备、电控系统和电控方法、电动汽车。

背景技术

电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于电动汽车使用存储在电池中的电能来发动，相对于传统的燃油汽车对环境影响较小，电动汽车的前景被广泛看好。

动力电池是电动汽车的关键技术，决定了它的续行里程和成本。由于电池单体的电压不高，例如，磷酸铁锂电池的电压通常为3.2V-3.3V，三元材料锂电池的电压通常为3.6V，需要电池大规模的串联来达到驱动电机所需的电压等级。因此，电动汽车的供电电源通常为由上百只电池大规模串联的电池组。如图1所示，为现有电动汽车电池组的一个示意图，电动公交车供电电源的电压通常为384V，由116只单体电压为3.3V的锂电池串联而成。如图2所示，为现有电动汽车中电控系统的一个结构示意图。

电池的特性与其它电子器件不同，它会随着使用逐渐老化和衰减，在电特性上主要体现为内阻的变化。电池这种变化在整个寿命周期内是必然存在的，并且成组后电池组内各个电池的衰减规律是不同的，这主要是因为生产加工的一致性、以及电池组内电池的工作温度特性等原因造成的。在制造过程中，由于工艺问题和材质的不均匀，会导致电池在内部结构和材质上的不完全一致性，这就会使同一批次出场的同一型号电池的容量、内阻和电压等参数值不可能完全一致；在装车使用时，由于电池组中各电池的温度、通风条件、自放电程度、电解液密度等差别的影响，在一定程度上增加了电池容量、内阻和电压等参数的不一致。由于上述电池间的个体差异，导致电池组充电时，容量最小的电池容易过充，放电时容量最小的电池又容易过放，由于容量最小的电池受损，容量变得更小，进入恶性循环，因此，电池组的可靠性、安全性、电气特性取决于串联各单体中性能最差的一个，此即木桶效应。

针对上述电池组的木桶效应问题，现有技术提出通过电池管理系统(BMS)管理电池组内的各电池单体，解决电池组内各电池单体之间的不均衡，将容量多的电池上多余的能量消耗掉或者转移给容量少的电池。

在实现本发明的过程中，发明人发现，现有电动汽车的储能系统至少存在以下问题：

由于锂电池的特性受生产条件、使用周期、工作环境等因数的影响，即使同一品牌的电池在长时间使用后也很难做到良好的一致性，不同厂家、不同批次、不同时间生产的电池，往往不能混用，从而导致在新能源汽车推广的过程中，出现了如下问题：储能系统在出厂时，需要浪费大量的人力、物理、财力对电池单体进行多项指标的检测，以保证各批次的一致性；在使用一段时间后，如果电池组中某个电池单体发生故障，替换又非常困难，很难找到与其衰减特性一致的电池用于替换，造成售后服务成本的提高；各个厂家生产的锂电池特性很难做到一致，彼此替换困难；不同类型的电池(例如，锂电与铅酸电池之间)更是无法相互替换，从而严重影响新能源汽车的产业化进程；

如果电池组内电池单体之间出现了较大的差异，在大电流输出下会加速电池单体之间的不均衡。而现有BMS产品的均衡电流通常为5A左右，电机的最大输出电流通常接近100A甚至更高，BMS的均衡能力比电机输出小一个量级(即：10倍)，因此现有BMS只能满足静态均衡的需求，即：只能实现电池组充电状态下的均衡控制，无法实现大规模串联后电池组在大功率放电情况下的动态均压，这就使得电池组在长期使用时，由于电池单体的特性不均导致充放电电压不一致，严重时导致电池损毁；

目前BMS一般已占储能系统成本的15～25％，而储能系统又占了整车成本的50-60％左右，若要实现电池组的动态均压，需提高BMS的均衡能力，则BMS的成本又需进一步提高。

发明内容

本发明实施例提供一种能源管理设备、电控系统和电控方法、电动汽车，以解决现有电动汽车电池组中电池大规模的串联所导致的电池一致性要求高、检测成本高、电池替换困难、BMS均衡能力不足以满足大规模串联后电池组的动态均压的技术问题。

本发明实施例提供的一种能源管理设备，包括：

H桥单元；

与所述H桥单元并联、作为所述H桥单元的输入电源的电池组，所述电池组包括串联在一起的由M个电池，其中，M为大于1的整数；和

分别与所述电池组中的各电池连接、对所述电池组进行能量均衡控制的电池管理系统BMS。

在上述能源管理设备的另一个实施例中，所述BMS包括能量转移型BMS或能量消耗型BMS。

在上述能源管理设备的另一个实施例中，能量转移型BMS包括共享变压器均衡型BMS、开关电容式BMS或开关变压器均衡型BMS。

本发明实施例提供的一种电控系统，包括主控制器、3N个分控制器和3N个能源管理设备；其中，所述能源管理设备包括H桥单元，与所述H桥单元并联、作为所述H桥单元的输入电源的电池组，和分别与所述电池组中的各电池连接、对所述电池组进行能量均衡控制的BMS，所述电池组包括串联在一起的由M个电池，M、N分别为大于1的整数；3N个能源管理设备构成第一相组、第二相组和第三相组共三个相组，每个相组包括N个能源管理设备，每个相组中的N个能源管理设备通过能源管理设备中的H桥单元级联；第一相组、第二相组和第三相组分别包括两个端口，所述两个端口包括输入端口和输出端口，第一相组的两个端口中的一个端口连接至电机的U相端子，第一相组的两个端口中的另一个端口分别与第二相组和第三相组的两个端口中的一个端口连接，第二相组和第三相组的两个端口中的另一个端口分别连接至电机的V相端子和W相端子；其中：

BMS，用于采集电池组的电压、充放电电流和温度参数，和电池组中各电池的电压、温度、充放电电流参数；以及根据信号采集模块采集的参数估测电池组的荷电状态SOC和电池组内各电池的SOC，并进行电池组内电池间的均衡充电和放电，使组中各电池达到均衡一致的状态；

3N个分控制器中的各分控制器，分别与一个能源管理设备连接，用于采集所连接能源管理设备中电池组的电压、充放电电流和温度参数，电池组中各电池的电压、温度、充放电电流参数，电池组和电池组内各电池的SOC参数，以及分控制器自身的电流、电压和温度参数，并上传给主控制器；以及根据主控制器下发的脉冲宽度调制PWM占空比信息对PWM进行处理后输出给连接的能源管理设备中的H桥单元以驱动该H桥单元动作，从而控制能源管理设备的工作状态、和工作状态下的工作时长；

主控制器，分别与各分控制器通信连接，根据各分控制器上传的参数信息，获取每个输出相组中各能源管理设备的电量和/或电压；并依据输出相组中各能源管理设备的电量和/或电压信息，结合电机的速度、电流和温度参数信息，计算各能源管理设备的PWM占空比并分别下发给各能源管理设备连接的分控制器。

在上述电控系统的另一个实施例中，所述能源管理设备包括权利要求2至4任意一项所述的能源管理设备。

在上述电控系统的另一个实施例中，还包括所述电机。

在上述电控系统的另一个实施例中，还包括交流电源，连接至电机的U、V、W相端子，向能源管理设备输入三相电。

在上述电控系统的另一个实施例中，还包括电机信息采集单元，用于根据主控制器发送的电机参数采集指示采集电机的速度、电流和温度参数并上报给主控制器；

所述主控制器还用于向电机信息采集单元发送电机参数采集指示。

在上述电控系统的另一个实施例中，所述分控制器，还用于在检测到自身或所连接能源管理设备故障时，切断故障的自身或所连接能源管理设备输出并向主控制上报故障信息；或者在检测到自身或所连接能源管理设备工作状态不佳但仍处于许可工作状态范围内时，向主控制上报工作状态不佳的报警信息。

在上述电控系统的另一个实施例中，所述主控制器，还用于在检测到自身、分控制器或能源管理设备故障时，切断故障的自身、分控制器输出，或指示相应的分控制器切断故障的能源管理设备输出并向相应分控制器发送故障信息；或者在检测到自身工作状态不佳但仍处于许可工作状态范围内时，向所有分控制器控制下发工作状态不佳的报警信息，或在检测到分控制器或能源管理设备工作状态不佳但仍处于许可工作状态范围内时，向相应分控制器控制下发工作状态不佳的报警信息。

本发明实施例提供的一种电动汽车，包括上层控制器和上述任一实施例的电控系统，所述上层控制器与所述电控系统中的主控制器通信连接，进行相应的工作信息交互。

本发明实施例提供的一种基于上述电控系统实施例的电控方法，包括：

BMS对相应能源管理设备中的电池组进行能量均衡控制；和

分控制器采集所连接能源管理设备中电池组的电压、充放电电流和温度参数，电池组中各电池的电压、温度、充放电电流参数，电池组和电池组内各电池的SOC参数，以及分控制器自身的电流、电压和温度参数，并上传给主控制器；

主控制器根据各分控制器上传的参数信息，获取每个输出相组中各能源管理设备的电量和/或电压，并结合电机的速度、电流和温度参数信息，计算各能源管理设备的PWM占空比并分别下发给各能源管理设备连接的分控制器；

分控制器根据主控制器下发的PWM占空比信息对PWM进行处理后输出给连接的能源管理设备中的H桥单元以驱动该H桥单元动作，从而控制能源管理设备的工作状态、和工作状态下的工作时长。

在上述电控方法的另一个实施例中，所述BMS对相应能源管理设备中的电池组进行能量均衡控制包括：

采集电池组的电压、充放电电流和温度参数，以及电池组中各电池的电压、温度、充放电电流参数；以及

根据采集的参数估测电池组的SOC和电池组内各电池的SOC，并进行电池组内电池间的均衡充电和放电，使组中各电池达到均衡一致的状态。

在上述电控方法的另一个实施例中，所述主控制器根据各分控制器上传的参数信息，获取每个输出相组中各能源管理设备的电量和/或电压包括：

主控制器直接以分控制器上传的参数信息中的电池组的SOC和/或电压分别作为能源管理设备的电量和/或电压；或者

主控制器通过预设电池标准放电电量Q0和分控制器上传的参数信息中电池组的充放电电流计算能源管理设备的电量，和/或以分控制器上传的参数信息中的电池组的电压作为能源管理设备的电压。

在上述电控方法的另一个实施例中，所述结合电机的速度、电流和温度参数信息，计算各能源管理设备的PWM占空比包括：

根据电机输出能量的正负，按照所有能源管理设备的电量或电压的大小对各能源管理设备进行排序，获得各能源管理设备在PWM占空比输出中的位置；其中，电机输出能量为正时，按照所有能源管理设备的电量或电压由大到小的顺序，在PWM占空比输出中依次由底端到顶端排序，电机输出能量为负时，按照所有能源管理设备的电量或电压由大到小的顺序，在PWM占空比输出中依次由顶端到底端排序；

通过载波层叠PWM方法，将载波与调制波进行比较，输出各能源管理设备的PWM占空比信息。

在上述电控方法的另一个实施例中，还包括：

在能源管理设备故障时，故障能源管理设备的分控制器通过控制该故障能源管理设备中的H桥单元切出该故障能源管理设备。

基于本发明上述实施例提供的能源管理设备、电控系统和电控方法、电动汽车，由H桥单元、M个电池串联而成的电池组和BMS构成一个能源管理设备，电控系统中可以设置三个相组的多个能源管理设备，由BMS对所在能源管理设备中的电池组进行能量均衡控制，通过主控制器结合分控制器的两级控制结构，由主控制器计算各能源管理设备的PWM占空比并由各能源管理设备连接的分控制器据此驱动能源管理设备中的H桥单元动作，来控制能源管理设备的工作状态、和工作状态下的工作时长。与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益技术效果：

无大规模的电池串联；

由于各电池组中串联的电池单体数量少，例如可以12只电池单体作为一个电池组，仅要求这12个串联电池单体的特性尽量一致即可，而不同电池组之间的特性不必完全一致，可兼容不同电气特性的电池组，因此可兼容不同厂家、不同生产年限甚至是不同类型的电池，电池的生产、维护、更换时都比较方便，避免了大规模的电池串联存在的检测成本高、电池替换困难等问题；

电池组的体积小、重量轻、散热容易设计，不易产生热积聚，不会再出现中心单体温度与周围单体差异很大的情况，有利于保持电池全寿命周期内的内阻稳定并减缓因电池衰减带来的不一致问题；

由于能源管理设备级联，在一部分实施例中，当能源管理设备出现故障时可通过控制切出故障能源管理设备，使电控系统降额运行，可靠性和安全性得到提高；

在一部分实施例中，电控系统兼容充电与换电两种运营模式。在换电模式下，只需依据剩余电量将各级联能源管理设备中的电池全部或部分更换，操作灵活，不再像现有的换电系统需要更换整个电池组；在充电模式下，可以直接接入交流电源，通过控制H桥单元对电控系统各能源管理设备进行充电。

由此，本发明实施例解决了现有电动汽车电池组中电池大规模的串联所导致的电池一致性要求高、检测成本高、电池替换困难、BMS均衡能力不足以满足大规模串联后电池组的动态均压的技术问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：

图1为现有电动汽车电池组的一个示意图。

图2为现有电动汽车中电控系统的一个结构示意图。

图3为本发明能源管理设备一个实施例的结构示意图。

图4为本发明能量消耗型BMS一个实施例的结构示意图。

图5为本发明共享变压器均衡型BMS一个实施例的结构示意图。

图6为本发明开关电容式BMS一个实施例的结构示意图。

图7为本发明开关变压器均衡型BMS一个实施例的结构示意图。

图8为能源管理设备一个应用实施例的结构示意图。

图9为本发明电控系统一个实施例的结构示意图。

图10为本发明实施例电控系统的一个仿真输出波形图。

图11为本发明电控系统再一个实施例的结构示意图。

图12为本发明实施例中一个能源管理设备的旁路结构示意图。

图13为本发明电控方法一个实施例的流程图。

图14为本发明实施例中能源管理设备的一个排序示意图。

图15为本发明实施例中输出各能源管理设备的PWM占空比信息的一个示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图3为本发明能源管理设备一个实施例的结构示意图。如图3所示，该实施例的能源管理设备包括：

H桥单元(也称为：H桥变换器)，包括并联的电容和两个桥臂，每个桥臂包括两个三极管；

与H桥单元并联、作为H桥单元的输入电源的电池组，该电池组包括串联在一起的由M个电池，其中，M为大于1的整数；和

分别与电池组中的各电池连接、对电池组进行能量均衡控制的BMS。基于本发明上述实施例提供的能源管理设备，由H桥单元、M个电池串联而成的电池组和BMS构成，在结构和功能上集成了BMS与H桥单元。这样，电控系统中便可以设置三个相组的多个能源管理设备，由BMS对所在能源管理设备中的电池组进行能量均衡控制，与现有技术相比，无大规模的电池串联；由于各电池组中串联的电池单体数量少，例如可以12只电池单体作为一个电池组，仅要求这12个串联电池单体的特性尽量一致即可，而不同电池组之间的特性不必完全一致，可兼容不同电气特性的电池组，因此可兼容不同厂家、不同生产年限甚至是不同类型的电池，电池的生产、维护、更换时都比较方便，避免了大规模的电池串联存在的检测成本高、电池替换困难等问题；电池组的体积小、重量轻、散热容易设计，不易产生热积聚，不会再出现中心单体温度与周围单体差异很大的情况，有利于保持电池全寿命周期内的内阻稳定并减缓因电池衰减带来的不一致问题；解决了现有电动汽车电池组中电池大规模的串联所导致的电池一致性要求高、检测成本高、电池替换困难、BMS均衡能力不足以满足大规模串联后电池组的动态均压的技术问题。

BMS的结构种类多样，在原理上BMS主要分为能量转移型BMS和能量消耗型BMS。其中，能量转移型BMS又可以包括共享变压器均衡型BMS、开关电容式BMS、开关电感型BMS或开关变压器均衡型BMS等。如图4所示，为本发明能量消耗型BMS一个实施例的结构示意图。如图5所示，为本发明共享变压器均衡型BMS一个实施例的结构示意图。如图6所示，为本发明开关电容式BMS一个实施例的结构示意图。如图7所示，为本发明开关变压器均衡型BMS一个实施例的结构示意图。图4～图7中，B_k表示构成电池组的电池单体。

如图8所示，为采用开关变压器均衡型BMS时能源管理设备一个应用实施例的结构示意图，该应用实施例中，M的取值为12，即：电池组中串联有12个电池单体，每个电池单体的正极和负极均通过均衡开关与BMS开关变压器原边的两端相连接。当某个电池电压高于设定电压或电量高于设定电量时，均衡开关接通，均衡变压器原副边的开关器件动作，将能量由该待均衡电池传递给均衡电池。当某个电池电压低于设定电压或电量低于设定电量时，同样接通均衡开关，此时均衡电池将能量传递给该待均衡电池。

其中，均衡电池通常为低压12V-24V的铅酸电池或锂电池组，均衡开关具体可以采用的类型包括各类电力电子器件(例如，Mosfet、IGBT、IGCT、晶闸管、三极管)或者是各类电气开关(例如，继电器、断路器、接触器、固态继电器)等。

图9为本发明电控系统一个实施例的结构示意图。如图9所示，该实施例的电控系统包括主控制器、3N个分控制器和3N个能源管理设备，N分别为大于1的整数。其中的能源管理设备具体为本发明上述任一实施例的能源管理设备结构。3N个能源管理设备构成第一相组、第二相组和第三相组共三个相组，每个相组包括N个能源管理设备，每个相组中的N个能源管理设备通过能源管理设备中的H桥单元级联。

其中，第一相组、第二相组和第三相组分别包括输入端口和输出端口两个端口，第一相组的两个端口中的一个端口连接至电机的U相端子，第一相组的两个端口中的另一个端口分别与第二相组和第三相组的两个端口中的一个端口连接，第二相组和第三相组的两个端口中的另一个端口分别连接至电机的V相端子和W相端子。

在该电控系统实施例中：

BMS，用于采集电池组的电压、充放电电流和温度参数，和电池组中各电池的电压、温度、充放电电流参数；以及根据信号采集模块采集的参数估测电池组的荷电状态(SOC)和电池组内各电池的SOC，并进行电池组内电池间的均衡充电和放电，使组中各电池达到均衡一致的状态；

3N个分控制器中的各分控制器，分别与一个能源管理设备连接，用于采集所连接能源管理设备中电池组的电压、充放电电流和温度参数，电池组中各电池的电压、温度、充放电电流参数，电池组和电池组内各电池的SOC参数，以及分控制器自身的电流、电压和温度参数，并上传给主控制器；以及根据主控制器下发的脉冲宽度调制(PWM)占空比信息对PWM进行处理(例如，死区、移相等)后输出给连接的能源管理设备中的H桥单元以驱动该H桥单元动作，从而控制能源管理设备的工作状态、和工作状态下的工作时长，实现了不同能源管理设备的独立控制；

主控制器，分别与各分控制器通信连接，例如可以通过总线与各分控制器连接，根据各分控制器上传的参数信息，获取每个输出相组中各能源管理设备的电量和/或电压；并依据输出相组中各能源管理设备的电量和/或电压信息，结合电机的速度、电流和温度参数信息，计算各能源管理设备的PWM占空比并分别下发给各能源管理设备连接的分控制器。

基于本发明上述实施例提供的电控系统，由H桥单元、M个电池串联而成的电池组和BMS构成一个能源管理设备，电控系统中可以设置三个相组的多个能源管理设备，由BMS对所在能源管理设备中的电池组进行能量均衡控制，通过主控制器结合分控制器的两级控制结构，由主控制器计算各能源管理设备的PWM占空比并由各能源管理设备连接的分控制器据此驱动能源管理设备中的H桥单元动作，来控制能源管理设备的工作状态、和工作状态下的工作时长。与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益技术效果：

无大规模的电池串联；

由于各电池组中串联的电池单体数量少，例如可以12只电池单体作为一个电池组，仅要求这12个串联电池单体的特性尽量一致即可，而不同电池组之间的特性不必完全一致，可兼容不同电气特性的电池组，因此可兼容不同厂家、不同生产年限甚至是不同类型的电池，电池的生产、维护、更换时都比较方便，避免了大规模的电池串联存在的检测成本高、电池替换困难等问题；

电池组的体积小、重量轻、散热容易设计，不易产生热积聚，不会再出现中心单体温度与周围单体差异很大的情况，有利于减缓因电池衰减带来的不一致问题；

由于能源管理设备级联，在一部分实施例中，当能源管理设备出现故障时可通过控制切出故障能源管理设备，使电控系统降额运行，可靠性和安全性得到提高；

各能源管理设备为低压，控制器关闭后每个能源管理设备对人体都是相对安全的，因此在出现极端情况(例如交通事故导致车体受损等情况)时可以大大降低人体触电伤亡的几率；

电控系统可以兼容充电与换电两种运营模式。在换电模式下，只需依据剩余电量将各级联能源管理设备中的电池全部或部分更换，操作灵活，不再像现有的换电系统需要更换整个电池组；在充电模式下，可以直接接入交流电源，通过控制H桥单元对电控系统各能源管理设备进行充电。

另外，现有技术中，电动汽车中用于驱动电机行走的电机驱动控制器完成的，该电机驱动控制器与电池、BMS在功能上相互独立，即：现有的技术体系中电机驱动的功能和能量管理(电池+BMS)是独立的。本发明实施例的电控系统，实现了能量从电池向动能的转化，因此将能量管理与电机驱动在物理形式和功能上实现高度融合，在物理结构和功能上集成了电机驱动、电池管理和充电三大功能，且对不同特性和类型的电池具备良好的兼容性，有利于系统优化。

此外，现有技术中，直流-直流(DC-DC)变换器和两电平变换器的谐波成分依然较大，会造成对车辆仪表、车载电器和通讯设备的干扰。本发明实施例中，采用了级联H桥变换器的结构，实现了多电平阶梯波输出，这种多电平输出使得电控系统的谐波特性更优，减少了其他车载设备和通讯设备的干扰。

在本发明上述实施例的电控系统中，能源管理采用两级控制结构。第一级(也称为外级)能源管理是对各个能源管理设备的管理，由能源管理设备中的H桥单元实现，通过控制各能源管理设备中的H桥单元的占空比，可以实现各个能源管理设备不同的导通时间。由于同一个输出相位的电流是相同的，因此同样的电流作用不同的时间就可以产生不同的放电电量或充电电量。而且，通过改变H桥单元开关对的导通规则，还可以实现同样输出电流的情况下，能源管理设备既可以工作在充电状态又可以工作在放电状态。第二级(也称为内级)的能源管理是由能源管理设备中的BMS在串联电池之间进行能量均衡控制。

本发明实施例在电动汽车中实现了两极能源管理。由于能源管理设备的功率满足电机驱动的需求，能源管理设备进行动态均衡管理的能力远远高于现有的BMS，通过第一级能源均衡管理后，能源管理设备内部的BMS的均衡压力大大减小，仅仅实现对内部电池单体的均衡即可。简单来说，就是主要均衡任务已经在实现电机驱动的同时由能源管理设备完成了，BMS仅仅进行内部单体均衡即可。

图10为本发明实施例电控系统的一个仿真输出波形图。对该电控系统仿真时采用了每相组6个能源管理设备的结构。仿真条件设定6个能源管理设备的初始电量差分别为(80％、70％、60％、50％、40％、30％SOC)。从左图可以看到本发明实施例所采用的电控系统结构充分考虑了各个能源管理设备的差异，而进行差异化管理和控制，使得电能充足的能源管理设备放电速度更快(既曲线斜率大)，而电能不足的能源管理设备放电速率慢。右图是输出给电机的线电压波形和相电流波形。从电压波形可见这种结构更接近理想的正弦波形，电压跳变幅度仅仅为一个能源管理设备的电压(既dv/dt小)，谐波也更好。

再参见图9，在电控系统的另一个实施例中，还包括电机。

另外，在电控系统的又一个实施例中，还可以包括交流电源，连接至电机的U、V、W相端子，用于向能源管理设备输入三相电，可以采用PWM整流技术控制每个能源管理设备的PWM占空比，实现对电池充电电流和充电电压的控制。

图11为本发明电控系统再一个实施例的结构示意图。如图11所示，该实施例的电控系统还可以包括与主控制器连接的电机信息采集单元，用于根据主控制器发送的电机参数采集指示采集电机的速度、电流和温度等参数并上报给主控制器。相应地，该实施例中，主控制器还用于向电机信息采集单元发送电机参数采集指示。

在本发明电控系统的具体应用中，具体可以通过电压传感器或分压电阻采集电压参数，通过电流传感器采集电流参数，通过热敏电阻或热敏电容采集温度参数，通过转速传感器电机的转速参数。

在基于本发明上述各电控系统的进一步实施例中，分控制器，还可用于在检测到自身或所连接能源管理设备故障时，切断故障的自身或所连接能源管理设备输出并向主控制上报故障信息；或者在检测到自身或所连接能源管理设备工作状态不佳但仍处于许可工作状态范围内时，向主控制上报工作状态不佳的报警信息。

由于各能源管理设备通过H桥单元级联，可通过分控制器进行旁路。当能源管理设备出现故障时分控制器可通过控制H桥单元切出故障能源管理设备，电控系统降额运行，可靠性和安全性得到提高。

如图12所示，为本发明实施例中一个能源管理设备的旁路结构示意图。可以通过选择H桥单元的上管旁路(上部分图)或下管旁路(下部分图)，使能源管理设备处于旁路状态。无论哪种旁路形式，也无论电流是从A端流入、B端流出，还是从B端流入、A端流出，此时电流都不经过其中的电池组，也就意味着该电池组不参与放电或充电，等效于被旁路。

相应地，在基于本发明上述各电控系统的进一步实施例中，主控制器，还可用于在检测到自身、分控制器或能源管理设备故障时，切断故障的自身、分控制器输出，或指示相应的分控制器切断故障的能源管理设备输出并向相应分控制器发送故障信息；或者在检测到自身工作状态不佳但仍处于许可工作状态范围内时，向所有分控制器控制下发工作状态不佳的报警信息，或在检测到分控制器或能源管理设备工作状态不佳但仍处于许可工作状态范围内时，向相应分控制器控制下发工作状态不佳的报警信息。

现有电控系统安全性差，而作为其中的车载控制系统，其控制方式和控制需求有别于传统工业变换器系统，采用两电平拓扑，一旦某个电力电子器件或电容器出现故障，系统即停止工作，在车载控制系统中，这无疑将导致严重的安全隐患，例如，高速路上车辆突然失控。而基于本发明上述实施例，电控系统一旦遇到故障，例如电机过流、电池过欠压、电池过热等情况，如果相应信息由分控制器采集则由分控切断输出并向主控制器上传故障信号；如果相应信息由主控制器采集，则由主控制器切断输出并向分控制器发送故障信号。如果电池过欠压或者温度情况不佳但依然在允许工作的范围内，则可以在主控制器和分控制器之间相互传递报警信号，最终主主控制器可以按照预先设定的多组曲线降低电控系统功率输出并可指示分控制器开启分控制器中的散热/加热系统、或采用旁路手段隔离状态不佳的电池组。一方面防止了情况恶化，另一方面又保证了不会出现整车突然失去动力的危险情况，具备良好的可靠性。其中，系统在出现故障的情况下依然可以保持一定的工作能力，称为容错，容错能力强的系统可靠性和安全性更佳，因此，本发明实施例的电控系统相对于现有技术容错能力更强。

本发明实施例还提供了一种电动汽车，参见图11，该本发明实施例的电动汽车包括上层控制器和本发明室上述任一实施例所示的电控系统，上层控制器与电控系统中的主控制器通信连接，进行相应的工作信息交互。其中的上层控制器可以使整车控制器(VCU)或类似功能模块。

本发明实施例的电控系统开始工作时，主控制器可以首先进行上电自检，并通过各分控制器检验每相组的能源管理设备数量和能源管理设备的状态是否正常，例如电压、电流、温度、器件是否短路、器件是否断路。当根据各参数确认电控系统具备工作条件时，主控制器可以发送指令给各分控制器，命令其上传各自的参数信息，包括电池组的电压、温度、电量，以及各电池单体电压、温度、电量、各电池单体之间电压差、温度差等参数。同时，主控制器命令电机信息采集单元采集电机的电流和转速等信息。

图13为本发明电控方法一个实施例的流程图。本发明实施例的电控方法基于上述任一实施例电控系统实现。如图13所示，该实施例的电控方法包括：

110，BMS对相应能源管理设备中的电池组进行能量均衡控制。

具体地，该操作110可以通过如下方式实现：BMS采集电池组的电压、充放电电流和温度参数，以及电池组中各电池的电压、温度、充放电电流参数；以及根据采集的参数估测电池组的SOC和电池组内各电池的SOC，并进行电池组内电池间的均衡充电和放电，使组中各电池达到均衡一致的状态。

120，分控制器采集所连接能源管理设备中电池组的电压、充放电电流和温度参数，电池组中各电池的电压、温度、充放电电流参数，电池组和电池组内各电池的SOC参数，以及分控制器自身的电流、电压和温度参数，并上传给主控制器。

示例性地，分控制器可以直接采集能源管理设备中电池组和电池单体的参数，也可以直接由BMS采集的参数获取。

130，主控制器根据各分控制器上传的参数信息，获取每个输出相组中各能源管理设备的电量和/或电压，并结合电机的速度、电流和温度参数信息，计算各能源管理设备的PWM占空比并分别下发给各能源管理设备连接的分控制器。

140，分控制器根据主控制器下发的PWM占空比信息对PWM进行处理后输出给连接的能源管理设备中的H桥单元以驱动该H桥单元动作，从而控制能源管理设备的工作状态、和工作状态下的工作时长。

其中，操作110与操作120～140在执行顺序上没有限制，操作110可以根据预先设置在能源管理设备工作过程中的任意时刻执行或者周期性执行，也可以基于预设触发条件触发执行。操作120～140也可以根据预先设置在电控系统工作过程中的任意时刻执行或者周期性执行，也可以基于预设触发条件触发执行，例如在上电启动后执行。

根据本发明电控方法实施例的一个具体示例而非限制，操作130中，主控制器根据各分控制器上传的参数信息，获取每个输出相组中各能源管理设备的电量和/或电压时，可以直接以分控制器上传的参数信息中的电池组的SOC和/或电压分别作为能源管理设备的电量和/或电压；另外，主控制器也通过预设电池标准放电电量Q₀和分控制器上传的参数信息中电池组的充放电电流计算能源管理设备的SOC，和/或以分控制器上传的参数信息中的电池组的电压作为能源管理设备的电压。

例如，可以通过∫idt＝Q和计算能源管理设备的SOC，i为流过电池组的电流，经过对一个周期的积分得到电池充电或放电的能量。需要说明的时，由于数学上SOC与电压单调，即：SOC大的电池组其稳态电压高于剩余SOC小的电池组，因此直接采用电压判断定性的得到SOC的大小关系也属于本发明实施例的范围。

根据本发明电控方法实施例的一个具体示例而非限制，操作130中，结合电机的速度、电流和温度参数信息，计算各能源管理设备的PWM占空比具体可以通过如下方式实现：

根据电机输出能量的正负，按照所有能源管理设备的电量或电压的大小对各能源管理设备进行排序，获得各能源管理设备在PWM占空比输出中的位置，排序后的到了各个能源管理设备在PWM占空比输出中的位置。其中，电机输出能量为正(即：能源管理设备中的电池组放电)时，按照所有能源管理设备的电量或电压由大到小的顺序，在PWM占空比输出中依次由底端到顶端排序，处于底端的能源管理设备在相同时间内输出能量最大，处于顶端的能源管理设备在相同的时间内输出能量最小，处于中间顺序的能源管理设备输出能量的大小依照其排序位置，依次类推，即：SOC较大的能源管理设备位于PWM输出的较底端，意味着放电能量较大；电机输出能量为负(即：能源管理设备中的电池组充电)时，按照所有能源管理设备的电量或电压由大到小的顺序，在PWM占空比输出中依次由顶端到底端排序，即：SOC较小的能源管理设备位于PWM输出的较底端，意味吸收回馈能量较大。其中，可以通过电机控制算法，由预先存储的电机转矩和电机转速计算电机的iq参考值，由iq参考值确定电机输出能量的正负，iq参考值为正意味着电机输出功率、电机输出能量为正，iq参考值为负意味着电机进行减速或制动能量回馈、电机输出能量为负。如图14所示，为本发明实施例中能源管理设备的一个排序示意图；

通过载波层叠PWM方法，将载波与调制波进行比较，输出各能源管理设备的PWM占空比信息。如图15所示，为本发明实施例中输出各能源管理设备的PWM占空比信息的一个示意图。图15以两级能源管理设备为例，给出了载波和调制波的对应关系，通过将载波(图中的三角波)与调制波(图中的正弦波)进行比较得到了各能源管理设备的PWM占空比，其中三角波1表示位置较高的能源管理设备的载波，三角波2为位置较低的能源管理设备的载波。黑色为调制波。通过比较输出的即PWM占空比信息。

基于上述方式，主控制器计算得到PWM信息后发送给各分控制器，各分控制器即可执行相应的指令，从而完成一个控制周期的工作内容。

另外，在本发明电控方法的另一个实施例中，还包括：

在能源管理设备故障时，故障能源管理设备的分控制器通过控制该故障能源管理设备中的H桥单元切出该故障能源管理设备。

本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

可能以许多方式来实现本发明的方法、设备和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法、设备和系统。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (14)

1.一种电控系统，其特征在于，包括主控制器、3N个分控制器和3N个能源管理设备；其中，所述能源管理设备包括H桥单元，与所述H桥单元并联、作为所述H桥单元的输入电源的电池组，和分别与所述电池组中的各电池连接、对所述电池组进行能量均衡控制的BMS，所述电池组包括串联在一起的M个电池，M、N分别为大于1的整数；3N个能源管理设备构成第一相组、第二相组和第三相组共三个相组，每个相组包括N个能源管理设备，每个相组中的N个能源管理设备通过能源管理设备中的H桥单元级联；第一相组、第二相组和第三相组分别包括两个端口，所述两个端口包括输入端口和输出端口，第一相组的两个端口中的一个端口连接至电机的U相端子，第二相组的两个端口中的一个端口连接至电机的V相端子，第三相组的两个端口中的一个端口连接至电机的W相端子，第一相组的两个端口中的另一个端口与第二相组的两个端口中的另一个端口、第三相组的两个端口的另一个端口连接；其中：

BMS，用于通过信号采集模块采集电池组的电压、充放电电流和温度参数，和电池组中各电池的电压、温度、充放电电流参数；以及根据信号采集模块采集的参数估测电池组的荷电状态SOC和电池组内各电池的SOC，并进行电池组内电池间的均衡充电和放电，使组中各电池达到均衡一致的状态；

3N个分控制器中的各分控制器，分别与一个能源管理设备连接，用于采集所连接能源管理设备中电池组的电压、充放电电流和温度参数，电池组中各电池的电压、温度、充放电电流参数，电池组和电池组内各电池的SOC参数，以及分控制器自身的电流、电压和温度参数，并上传给主控制器；以及根据主控制器下发的脉冲宽度调制PWM占空比信息对PWM进行处理后输出给连接的能源管理设备中的H桥单元以驱动该H桥单元动作，从而控制能源管理设备的工作状态、和工作状态下的工作时长；

主控制器，分别与各分控制器通信连接，根据各分控制器上传的参数信息，获取每个输出相组中各能源管理设备的电量和/或电压；并依据输出相组中各能源管理设备的电量和/或电压信息，结合电机的速度、电流和温度参数信息，计算各能源管理设备的PWM占空比并分别下发给各能源管理设备连接的分控制器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述BMS包括能量转移型BMS或能量消耗型BMS。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述能量转移型BMS包括共享变压器均衡型BMS、开关电容式BMS、开关电感式BMS或开关变压器均衡型BMS。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括所述电机。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括交流电源，连接至电机的U、V、W相端子，用于向能源管理设备输入三相电。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的系统，其特征在于，还包括电机信息采集单元，用于根据主控制器发送的电机参数采集指示采集电机的速度、电流和温度参数并上报给主控制器；

所述主控制器还用于向电机信息采集单元发送电机参数采集指示。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述分控制器，还用于在检测到自身或所连接能源管理设备故障时，切断故障的自身或所连接能源管理设备输出并向主控制上报故障信息；或者在检测到自身或所连接能源管理设备工作状态不佳但仍处于许可工作状态范围内时，向主控制上报工作状态不佳的报警信息。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述主控制器，还用于在检测到自身、分控制器或能源管理设备故障时，切断故障的自身、分控制器输出，或指示相应的分控制器切断故障的能源管理设备输出并向相应分控制器发送故障信息；或者在检测到自身工作状态不佳但仍处于许可工作状态范围内时，向所有分控制器控制下发工作状态不佳的报警信息，或在检测到分控制器或能源管理设备工作状态不佳但仍处于许可工作状态范围内时，向相应分控制器控制下发工作状态不佳的报警信息。

9.一种电动汽车，其特征在于，包括上层控制器和权利要求1至8任意一项所述的电控系统，所述上层控制器与所述电控系统中的主控制器通信连接，进行相应的工作信息交互。

10.一种基于权利要求1至8任意一项所述电控系统的电控方法，其特征在于，包括：

BMS对相应能源管理设备中的电池组进行能量均衡控制；和

分控制器采集所连接能源管理设备中电池组的电压、充放电电流和温度参数，电池组中各电池的电压、温度、充放电电流参数，电池组和电池组内各电池的SOC参数，以及分控制器自身的电流、电压和温度参数，并上传给主控制器；

主控制器根据各分控制器上传的参数信息，获取每个输出相组中各能源管理设备的电量和/或电压，并结合电机的速度、电流和温度参数信息，计算各能源管理设备的PWM占空比并分别下发给各能源管理设备连接的分控制器；

分控制器根据主控制器下发的PWM占空比信息对PWM进行处理后输出给连接的能源管理设备中的H桥单元以驱动该H桥单元动作，从而控制能源管理设备的工作状态、和工作状态下的工作时长。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述BMS对相应能源管理设备中的电池组进行能量均衡控制包括：

采集电池组的电压、充放电电流和温度参数，以及电池组中各电池的电压、温度、充放电电流参数；以及

根据采集的参数估测电池组的SOC和电池组内各电池的SOC，并进行电池组内电池间的均衡充电和放电，使组中各电池达到均衡一致的状态。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述主控制器根据各分控制器上传的参数信息，获取每个输出相组中各能源管理设备的电量和/或电压包括：

主控制器直接以分控制器上传的参数信息中的电池组的SOC和/或电压分别作为能源管理设备的电量和/或电压；或者

主控制器通过预设电池标准放电电量Q₀和分控制器上传的参数信息中电池组的充放电电流计算能源管理设备的电量，和/或以分控制器上传的参数信息中的电池组的电压作为能源管理设备的电压。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述结合电机的速度、电流和温度参数信息，计算各能源管理设备的PWM占空比包括：

根据电机输出能量的正负，按照所有能源管理设备的电量或电压的大小对各能源管理设备进行排序，获得各能源管理设备在PWM占空比输出中的位置；其中，电机输出能量为正时，按照所有能源管理设备的电量或电压由大到小的顺序，在PWM占空比输出中依次由底端到顶端排序，电机输出能量为负时，按照所有能源管理设备的电量或电压由大到小的顺序，在PWM占空比输出中依次由顶端到底端排序；

通过载波层叠PWM方法，将载波与调制波进行比较，输出各能源管理设备的PWM占空比信息。

14.根据权利要求10至13任意一项所述的方法，其特征在于，还包括：

在能源管理设备故障时，故障能源管理设备的分控制器通过控制该故障能源管理设备中的H桥单元切出该故障能源管理设备。