CN105375566B - 电池动态实时均衡控制装置及具有其的电动汽车 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电池动态实时均衡控制装置及具有其的电动汽车，包括多个电池动态均衡单元，每个电池动态均衡单元包括：自由电池、电阻和开关矩阵，开关矩阵的一侧与自由电池和电阻相连，开关矩阵的另一侧与主电池箱相连，自由电池和电阻在开关矩阵的控制下，选择性地与主电池箱并联连接。本发明采用自由电池和电阻与电池组并联进行均衡，采用结合主动均衡和被动均衡为一体的均衡方式，通过开关矩阵进行切换，具有均衡方式直接，安全可靠性高和效果明显的特点。

Description

电池动态实时均衡控制装置及具有其的电动汽车

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，特别涉及一种电池动态实时均衡控制装置及具有其的电动汽车。

背景技术

随着电动汽车的逐渐推广和普及，电池寿命逐渐降低已经成为影响电动汽车续航里程重要问题。分析其原因，这是因为电动汽车电池是由几节电池并联组成一串电池，再逐个串联组成，串联少至几十串多则上百串。这就导致其内部如果有一节出现容量降低，就会影响整车的电池可充放电的容量，最终影响续航里程。

为了使整车电池容量保持一致，就需要采用均衡技术对电池容量进行均衡。现在的均衡技术主要分被动均衡和主动均衡两种。

(1)被动均衡就是通过电阻给电压较高的一串电池进行放电，来保持整车电池电压一致。

(2)主动均衡是用电容或电感等储能元件将能量进行转移，或用DC/DC方式与车上的铅酸电池进行能量转移。

但是上述均衡方式都存在电路结构复杂、故障率高的缺点。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种电池动态实时均衡控制装置及具有其的电动汽车，采用自由电池和电阻与电池组并联进行均衡，采用结合主动均衡和被动均衡为一体的均衡方式，通过开关矩阵进行切换，具有均衡方式直接，安全可靠性高和效果明显的特点。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种电池动态实时均衡控制装置，所述电池动态实时均衡控制装置与电池组相连，其中，所述电池组包括多个主电池箱，每个所述主电池箱包括多个单体电池，所述电池动态实时均衡控制装置包括多个电池动态均衡单元，每个所述电池动态均衡单元与所述主电池箱一一对应相连，其中，每个所述电池动态均衡单元包括：自由电池、电阻和开关矩阵，其中，所述开关矩阵的一侧与所述自由电池和所述电阻相连，所述开关矩阵的另一侧与所述主电池箱相连，所述自由电池和所述电阻在所述开关矩阵的控制下，选择性地与所述主电池箱并联连接，所述开关矩阵在所述主电池箱充电过程中，将所述自由电池与所述主电池箱的通路闭合，控制所述自由电池与所述主电池箱并联连接，以增加所述主电池箱的容量，对所述主电池箱进行主动均衡；所述开关矩阵在所述主电池箱放电过程中，将所述自由电池与所述主电池箱的通路闭合，控制所述自由电池与所述主电池箱并联连接，以对所述主电池箱进行补偿，对所述主电池箱进行主动均衡；所述开关矩阵在所述主电池箱充电末期，将所述自由电池与所述主电池箱的通路断开，然后将所述电阻与所述主电池箱的通路闭合，控制所述电阻与所述主电池箱并联连接，以对所述主电池箱或自由电池进行放电，对所述主电池箱进行被动均衡。

进一步，所述自由电池与所述单体电池的类型相同。

进一步，在充电过程中，所述自由电池在所述开关矩阵的控制下与所述主电池箱中电压最高的单体电池并联以同时充电；

在充电末期，所述电阻在所述开关矩阵的控制下与所述主电池箱中电压最高的单体电池并联以进行放电。

进一步，所述开关矩阵包括：硬开关和软开关，其中，所述硬开关和软开关的控制策略如下：

所述开关矩阵接通过程中，首先接通所述硬开关，然后接通所述软开关；

所述开关矩阵断开过程中，首先断开所述软开关，然后断开所述硬开关。

进一步，所述硬开关为继电器，所述软开关为绝缘栅双极型晶体管IGBT器件和/或场效应管MOS管。

进一步，每个所述电池动态均衡单元还包括：状态监测模块，所述状态监测模块与所述自由电池和所述电阻相连，用于监测所述自由电池的电池状态和所述电阻的电阻状态。

进一步，所述电池状态包括：所述自由电池的电压、电流、电池温度和电量积分值；所述电阻状态包括：所述电阻的温度和流经所述电阻的电流。

进一步，所述状态监测模块包括：电参数监测单元、温度监测单元和电量积分器，其中，所述电参数监测单元用于监测所述自由电池的电压和电流，以及监测流经所述电阻的电流；所述温度监测单元用于监测所述所述自由电池和所述电阻的温度；所述电量积分器用于监测所述自由电池的电量积分值。

进一步，相邻两个所述电池动态均衡单元之间通过总线连接，以在所述主电池箱之间的电压压差大于预设值时，通过所述总线进行主电池箱之间的电量转移。

根据本发明实施例的电池动态实时均衡控制装置，采用自由电池和电阻与电池组并联进行均衡，采用结合主动均衡和被动均衡为一体的均衡方式，通过开关矩阵进行切换，具有均衡方式直接，安全可靠性高和效果明显的特点。此外，本发明的均衡时序与采样时序不冲突，可实现实时均衡。

本发明实施例还提出一种电动汽车，包括：上述实施例所述的电池动态实时均衡控制装置，所述电池动态实时均衡控制装置与所述电动汽车的电池组相连。

根据本发明实施例的电动汽车，采用自由电池和电阻与整车电池并联进行均衡，采用结合主动均衡和被动均衡为一体的均衡方式，通过开关矩阵进行切换，具有均衡方式直接，安全可靠性高和效果明显的特点。此外，本发明均衡时序与采样时序不冲突，可实现实时均衡。本发明可以解决电池在使用一段时间后造成单体压差大问题，从而提高电池一致性，提高电动汽车续航里程。另外，本发明可以提高整车电池电压一致性，延长电池的使用寿命，增加续航里程。在更换箱体或电池时，采用电池动态实时均衡控制装置可降低对电池电压一致性要求。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的电池动态实时均衡控制装置的结构图；

图2为根据本发明实施例的电池动态均衡单元的结构图；

图3为根据本发明实施例的电池动态实时均衡控制装置的外部示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例的电池动态实时均衡控制装置100与电池组200相连，其中，电池组200可以包括多个主电池箱20。每个主电池箱20包括多个单体电池(i1～in)。

电池动态实时均衡控制装置100包括多个电池动态均衡单元10，每个电池动态均衡单元10可以与主电池箱20一一对应相连。

如图2所示，每个电池动态均衡单元10包括：自由电池1、电阻2和开关矩阵3。

具体地，开关矩阵3的一侧与自由电池1和电阻2相连，开关矩阵3的另一侧与主电池箱20相连。自由电池1和电阻2可以在开关矩阵3的控制下，选择性地与主电池箱20并联连接。

下面对自由电池1进行说明，自由电池1为满足以下条件的电池，也可以称为飞电池：

自由电池1可以在开关矩阵3的控制下，与主电池箱20内的任一个单体电池连接。具体与哪一个单体电池连接，需要由开关矩阵3选择控制。

在本发明的一个实施例中，自由电池1与单体电池的类型可以相同，也可以不同。

优选的，自由电池1与单体电池的类型相同，这样可以使得本发明的电池动态实时均衡控制装置100的性能达到最优状态。

对自由电池1的容量没有特殊要求，自由电池1的容量小则延长均衡时间，自由电池2的容量大可以缩短均衡时间。优选的，均衡电池与被均衡电池的容量比，约为1：10--1：20。

自由电池1需要满足以下参数：

标准放电电流≥15A；标准充电电流≥15A；内阻≤8mΩ；循环寿命DOD80％≥1500；脉冲最大放电电流60A。

自由电池1需要满足以下安全性能要求：

电池在重物冲击、穿刺、挤压、振动、碰撞、坠落、低压、热冲击、高温存储、恒定湿热、加热、温度循环、水浸、过充电、过放电、短路等条件或状态下，电池应不爆炸、不燃烧。

开关矩阵3包括硬开关和软开关，其中，硬开关和软开关的控制策略如下：

开关矩阵3接通过程中，首先接通硬开关，然后接通软开关；

开关矩阵3断开过程中，首先断开软开关，然后断开硬开关。

在本发明的一个示例中，硬开关为继电器，软开关为绝缘栅双极型晶体管IGBT器件和/或场效应管MOS管。

上述对硬开关和软开关的控制策略，避免继电器带电流切断，延长继电器的使用寿命。

需要说明的是，控制继电器时，需要满足同时只允许一组闭合，如K1和K1`这一组继电器闭合时，则其他组不能闭合。这种控制通过硬件互斥的方式实现此功能。

此外，电池动态均衡单元10继电器或MOS管失效时不应对电池造成损坏，做到不爆炸、不燃烧。

在本发明中，电池动态均衡单元10与被均衡电池(即主电池箱20)必须具有实时、同步通讯功能。

下面对开关矩阵3对自由电池1和电阻2的切换过程进行说明。通过控制硬开关与软开关的通断，与自由电池1或电阻2连接进行能量的转移或消耗。

(1)充电过程

开关矩阵3在主电池箱20充电过程中，将自由电池1与主电池箱20的通路闭合，控制自由电池1与主电池箱20并联连接，以增加主电池箱20的容量，从而实现对主电池箱20进行主动均衡。

具体地，当主电池箱20容量降低时，依次接通硬开关和软开关，控制自由电池1与主电池箱20并联连接，相当于给主电池箱20多了一个电池，参与充放电，实现增加容量。

在本发明的一个实施例中，在充电过程中，自由电池1在开关矩阵3的控制下与主电池箱20中电压最高的单体电池并联以同时充电。

(2)充电末期(充满电)

当充电时，如果自由电池1已经充满，可通过电阻2对主电池箱20或自由电池1进行放电。

具体地，开关矩阵3在主电池箱20充电末期，将自由电池1与主电池箱20的通路断开(依次断开软开关和硬开关)，然后将电阻2与主电池箱20的通路闭合(依次接通硬开关和软开关)，控制电阻2与主电池箱20并联连接，以对主电池箱20或自由电池1进行放电，从而实现对主电池箱20进行被动均衡。

在本发明的一个实施例中，在充电末期，电阻2在开关矩阵3的控制下与主电池箱20中电压最高的单体电池并联，以对该电压最高的单体电池进行放电，保证电池电压一致。

(3)放电过程

开关矩阵3在主电池箱20放电过程中，将自由电池1与主电池箱20的通路闭合，控制自由电池1与主电池箱20并联连接，以对主电池箱20进行补偿，从而实现对主电池箱20进行主动均衡。

具体地，当主电池箱20自放电严重时，自由电池1可通过与其他电压高的电池上取电来补偿其电池的自放电。

进一步，相邻两个电池动态均和单元10之间可以通过总线连接，从而在主电池箱20之间的电压压差大于预设值时，通过总线进行主电池箱20之间的电量转移，将电量从电量高的电池箱通过自由电池导入电量低的电池箱，实现跨组跨箱均衡，避免对换电池或电池箱而导致电压平台不一致造成的困扰。

此外，参考图2，每个电池动态均衡单元10还包括：状态监测模块4。

具体地，状态监测模块4与自由电池1和电阻2相连，用于监测自由电池1的电池状态和电阻2的电阻状态。

在本发明的一个实施例中，电池状态包括：自由电池1的电压、电流、电池温度和电量积分值。电阻状态包括：电阻2的温度和流经电阻2的电流。

状态监测模块4包括：电参数监测单元、温度监测单元和电量积分器.其中，电参数监测单元用于监测自由电池的电压和和电流，以及监测流经电阻的电流。温度监测单元用于监测自由电池和电阻的温度。电量积分器用于监测所述自由电池的电量积分值。

此外，本发明能够计算出主电池箱20的单体电池实际均衡的容量。该步骤可以在充电截至时(充慢电)和放电截至时(放电完成)进行。

图3为根据本发明实施例的电池动态实时均衡控制装置的外部示意图。每个电池动态均衡单元10中的自由电池1、电阻2、开关矩阵3、状态监测模块4均集成在外壳内。

本发明实施例的电池动态实时均衡控制装置具有以下功能：

(1)过电流保护功能；

(2)预测均衡电流功能，可在预测电流过大时，保证安全不均衡；

(3)短路失效保护功能；

(4)判断MOS管故障状态功能；

(5)低压电路过压、欠压、反接、过载、温度保护功能；

(6)逻辑失效保护功能；

(7)多板串联功能，从15串到60串自由分配。当本发明的电池动态实时均衡控制装置应用于电动汽车时，上述多板串联功能，可使本发明可适用于不同车型。

根据本发明实施例的电池动态实时均衡控制装置，采用自由电池和电阻与电池组并联进行均衡，采用结合主动均衡和被动均衡为一体的均衡方式，通过开关矩阵进行切换，具有均衡方式直接，安全可靠性高和效果明显的特点。此外，本发明的均衡时序与采样时序不冲突，可实现实时均衡。

本发明实施例还提出一种电动汽车，该电动汽车包括：上述实施例提供的电池动态实时均衡控制装置100，该电池动态实时均衡控制装置100与电动汽车的电池组200和电池管理系统BMS相连。电池动态实时均衡控制装置100通过CAN通讯将主电池箱20的单体电池的电压信息收集计算后，控制开关矩阵3的硬开关(例如：继电器)和软开关(例如：MOS管)导通与切断来完成动态均衡。在电动汽车的充电、行车、静置过程中，电池动态实时均衡控制装置100均可以进行均衡。

根据本发明实施例的电动汽车，采用自由电池和电阻与整车电池并联进行均衡，采用结合主动均衡和被动均衡为一体的均衡方式，通过开关矩阵进行切换，具有均衡方式直接，安全可靠性高和效果明显的特点。此外，本发明均衡时序与采样时序不冲突，可实现实时均衡。本发明可以解决电池在使用一段时间后造成单体压差大问题，从而提高电池一致性，提高电动汽车续航里程。另外，本发明可以提高整车电池电压一致性，延长电池的使用寿命，增加续航里程。在更换电池箱体或电池时，采用电池动态实时均衡控制装置可降低对电池电压一致性要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (10)

1.一种电池动态实时均衡控制装置，其特征在于，所述电池动态实时均衡控制装置与电池组相连，其中，所述电池组包括多个主电池箱，每个所述主电池箱包括多个单体电池，

所述电池动态实时均衡控制装置包括多个电池动态均衡单元，每个所述电池动态均衡单元与所述主电池箱一一对应相连，其中，

每个所述电池动态均衡单元包括：自由电池、电阻和开关矩阵，其中，所述开关矩阵的一侧与所述自由电池和所述电阻相连，所述开关矩阵的另一侧与所述主电池箱相连，所述自由电池和所述电阻在所述开关矩阵的控制下，选择性地与所述主电池箱并联连接，

所述开关矩阵在所述主电池箱充电过程中，将所述自由电池与所述主电池箱的通路闭合，控制所述自由电池与所述主电池箱并联连接，以增加所述主电池箱的容量，对所述主电池箱进行主动均衡；

所述开关矩阵在所述主电池箱放电过程中，将所述自由电池与所述主电池箱的通路闭合，控制所述自由电池与所述主电池箱并联连接，以对所述主电池箱进行补偿，对所述主电池箱进行主动均衡；

所述开关矩阵在所述主电池箱充电末期，将所述自由电池与所述主电池箱的通路断开，然后将所述电阻与所述主电池箱的通路闭合，控制所述电阻与所述主电池箱并联连接，以对所述主电池箱或自由电池进行放电，对所述主电池箱进行被动均衡。

2.如权利要求1所述的电池动态实时均衡控制装置，其特征在于，所述自由电池与所述单体电池的类型相同。

3.如权利要求1所述的电池动态实时均衡控制装置，其特征在于，

在充电过程中，所述自由电池在所述开关矩阵的控制下与所述主电池箱中电压最高的单体电池并联以同时充电；

在充电末期，所述电阻在所述开关矩阵的控制下与所述主电池箱中电压最高的单体电池并联以进行放电。

4.如权利要求1所述的电池动态实时均衡控制装置，其特征在于，所述开关矩阵包括：硬开关和软开关，其中，所述硬开关和软开关的控制策略如下：

所述开关矩阵接通过程中，首先接通所述硬开关，然后接通所述软开关；

所述开关矩阵断开过程中，首先断开所述软开关，然后断开所述硬开关。

5.如权利要求4所述的电池动态实时均衡控制装置，其特征在于，所述硬开关为继电器，所述软开关为绝缘栅双极型晶体管IGBT器件和/或场效应管MOS管。

6.如权利要求1所述的电池动态实时均衡控制装置，其特征在于，每个所述电池动态均衡单元还包括：状态监测模块，所述状态监测模块与所述自由电池和所述电阻相连，用于监测所述自由电池的电池状态和所述电阻的电阻状态。

7.如权利要求6所述的电池动态实时均衡控制装置，其特征在于，所述电池状态包括：所述自由电池的电压、电流、电池温度和电量积分值；

所述电阻状态包括：所述电阻的温度和流经所述电阻的电流。

8.如权利要求7所述的电池动态实时均衡控制装置，其特征在于，所述状态监测模块包括：电参数监测单元、温度监测单元和电量积分器，其中，

所述电参数监测单元用于监测所述自由电池的电压和电流，以及监测流经所述电阻的电流；

所述温度监测单元用于监测所述自由电池和所述电阻的温度；

所述电量积分器用于监测所述自由电池的电量积分值。

9.如权利要求1所述的电池动态实时均衡控制装置，其特征在于，相邻两个所述电池动态均衡单元之间通过总线连接，以在所述主电池箱之间的电压压差大于预设值时，通过所述总线进行主电池箱之间的电量转移。

10.一种电动汽车，其特征在于，包括：权利要求1-9任一项所述的电池动态实时均衡控制装置，所述电池动态实时均衡控制装置与所述电动汽车的电池组相连。