CN105429215B - 一种复合电源的组合均衡装置及其均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种复合电源的组合均衡装置，包括：电池组、超级电容组、组合均衡控制器、电池组电压采集模块、超级电容组电压采集模块、第一非能耗型均衡装置、第一能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置和第二能耗型均衡装置，电池组和超级电容组并联；电池组与第一能耗型均衡装置、第一非能耗型均衡装置连接，第一能耗型均衡装置、第一非能耗型均衡装置、电池组电压采集模块均与组合均衡控制器连接；超级电容组与第二能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置连接，第二能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置、超级电容组电压采集模块均与组合均衡控制器连接。本发明还提出了上述装置的均衡方法。
Description
技术领域
本发明涉及电源设备技术领域，尤其涉及一种复合电源的组合均衡装置，还涉及上述均衡装置的均衡方法。
背景技术
电动汽车具有节能、环保、能源利用率高等优势，在石油资源日渐缺少的现在，电动汽车的优点越来越明显。目前，制约电动汽车发展的一个重要因素是其续驶里程短，提高能量利用效率对电动汽车具有重要的意义。
现在厂家生产的电动汽车大多都运用的单一能源结构，电动汽车在驱动过程中会经历加速、起步和爬坡等动作，此时瞬间放电电流很大，将会很大程度上影响动力蓄电池组的能量利用率和使用寿命。双电层电容器又称为超级电容，充电速度快，循环使用寿命长，大电流放电能力强，能量转换效率高，功率密度高。将超级电容的功率特性和蓄电池的高能量存储结合，可以提高电动汽车的性能。
电动汽车运用动力电池和超级电容供电时，需要将多节单体电池/超级电容串联成动力电池组/超级电容组使用。由于现有制造技术以及阻抗和温度特性等各方面的差异，单体电池之间出厂时性能会有所差异，使其在相同的充放电电流下，各节电池的电压和可用容量都会有所不同，而不断重复的充放电过程更加剧了不一致现象。这种情况会导致电池的性能恶化，电池组可用能量的降低，最终甚至将导致串联电池组无法工作。超级电容同样存在不一致现象，将会影响超级电容组和整个复合电源的工作状态。因此为解决单体电源/单体超级电容之间的不一致性，必须对两者进行均衡管理，以保持串联后电源系统的整体容量，延长电源系统的使用寿命。
均衡行为按是否有能量损失可分为非能耗型均衡与能耗型均衡。在进行电池之间或者超级电容间的均衡时若选用非能耗型均衡则会将能量由高能量单体通过中间的能量储存装置转移到低能量单体中，但是当高能量单体与低能量单体之间的压差或者能量差较小时将会大大影响均衡的速度。若选用能耗型均衡，一般会将高能量单体连接旁路分流电阻，通过功率电阻的发热将多余能量消耗，但这种方法会增加能量的消耗。
因此，对于本领域技术人员而言，提供一种结合非能耗型均衡方法和能耗型均衡方法各自优点的组合均衡技术为亟需解决的技术问题。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种复合电源的组合均衡装置及其均衡方法。
本发明提出的一种复合电源的组合均衡装置的均衡方法，包括：电池组、超级电容组、组合均衡控制器、电池组电压采集模块、超级电容组电压采集模块、第一非能耗型均衡装置、第一能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置和第二能耗型均衡装置，电池组和超级电容组并联；
电池组与第一能耗型均衡装置、第一非能耗型均衡装置连接，第一能耗型均衡装置、第一非能耗型均衡装置、电池组电压采集模块均与组合均衡控制器连接；电池组电压采集模块与电池组连接并采集电池组中各电池的电压信息，组合均衡控制器通过电池组电压采集模块获取各电池的电压信息，并根据上述电压信息控制第一能耗型均衡装置、第一非能耗型均衡装置动作；
超级电容组与第二能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置连接，第二能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置、超级电容组电压采集模块均与组合均衡控制器连接；超级电容组电压采集模块与超级电容组连接并采集超级电容组中各超级电容的电压信息，组合均衡控制器通过超级电容组采集模块获取各超级电容的电压信息，并根据上述电压信息控制第二能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置动作。
优选地，电池组由n个电池串联形成，超级电容组由m个超级电容串联形成，第一能耗型均衡装置由n个可控开关和n个第一均衡电阻组成，第二能耗型均衡装置由m个可控开关和m个第二均衡电阻组成，第一非能耗型均衡装置由2n个可控开关和第一储能电容组成，第二非能耗型均衡装置由2m个可控开关和第二储能电容组成；电池组中任一电池正极通过可控开关与第一储能电容正极连接，负极通过可控开关与第一储能电容负极连接；超级电容组中任一超级电容正极通过可控开关和第二储能电池正极连接，负极通过可控开关和第二储能电池负极连接；第一能耗型均衡装置中n个第一均衡电阻分别电池组中n个电池串联，且n个可控开关分别设置在第一均衡电阻和电池组成的串联电路上；第二能耗型均衡装置中n个第二均衡电阻分别与超级电容组中m个超级电容串联，且m个可控开关分别设置在第二均衡电阻和超级电容组成的串联电路上；组合均衡控制器控制第一能耗型均衡装置的n个可控开关、第二能耗型均衡装置的m个可控开关、第一非能耗型均衡装置的2n个可控开关、第二非能耗型均衡装置的2m个可控开关进行开闭动作。
本发明还提出一种复合电源的组合均衡装置的均衡方法，包括以下步骤：
S1：获取复合电源的工作状态信息，若复合电源处于充电状态，则转入步骤S2，若复合电源处于放电状态，则转入步骤S4，若复合电源处于静止状态，则转入步骤S3；
S2：获取电池组中各电池的电压信息，计算各电池间的最大电压差，若最大电压差达到预设的第一均衡门限值，则同时启动第一能耗型均衡装置和第一非能耗型均衡装置工作；获取超级电容组中各超级电容的电压信息，计算各超级电容间的最大电压差，若最大电压差达到预设的第二均衡门限值，则同时启动第二能耗型均衡装置和第二非能耗型均衡装置工作；
S3：获取电池组中各电池的电压信息，计算各电池间的最大电压差，若最大电压差达到预设的第一均衡门限值，则计算电池组剩余电量值，若剩余电量值不小于预设第一剩余电量值时，则同时启动第一能耗型均衡装置和第一非能耗型均衡装置工作，若剩余电量值小于预设第一剩余电量值时，则启动第一非能耗均衡装置工作；获取超级电容组中各超级电容的电压信息，计算各超级电容间的最大电压差，若最大电压差达到预设的第二均衡门限值，则计算超级电容组剩余电量值，若剩余电量值不小于预设第二剩余电量值时，则同时启动第二能耗型均衡装置和第二非能耗型均衡装置工作，若剩余电量值小于预设第二剩余电量值时，则启动第二非能耗均衡装置工作；
S4：保持第一能耗型均衡装置、第一非能耗型均衡装置、第二能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置处于非工作状态。
优选地，第一均衡门限值为50mv。
优选地，第二均衡门限值为50mv。
优选地，第一剩余电量值为70％。
优选地，第二剩余电量值为70％。
本发明中，采用电池组和超级电容组并联的复合电源，将电池组和超级电容组列入均衡对象，通过结合非能耗型均衡方式和能耗型均衡方式，一方面相对减少了由于单一采用能耗型均衡行为而导致的能量损耗，另一方面又解决了采用单一非能耗型均衡方法在低压差时均衡时间过长的缺陷；达到了更好地改善了复合电源的动力性能和使用寿命的目的。
附图说明
图1为本发明提出的一种复合电源的组合均衡装置的结构示意图；
图2为图1中电池组与第一能耗型均衡装置、第一非能耗型均衡装置的连接示意图；
图3为图1中超级电容组与第二能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置的连接示意图。
具体实施方式
如图1-3所示，图1为本发明提出的一种复合电源的组合均衡装置的结构示意图；图2为图1中电池组与第一能耗型均衡装置、第一非能耗型均衡装置的连接示意图；图3为图1中超级电容组与第二能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置的连接示意图。
参照图1并结合图2-3，本发明提出的一种复合电源的组合均衡装置，电池组、超级电容组、组合均衡控制器、电池组电压采集模块、超级电容组电压采集模块、第一非能耗型均衡装置、第一能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置和第二能耗型均衡装置，电池组和超级电容组并联；
电池组由n个电池串联形成，超级电容组由m个超级电容串联形成，第一能耗型均衡装置由n个可控开关和n个第一均衡电阻组成，第二能耗型均衡装置由m个可控开关和m个第二均衡电阻组成，第一非能耗型均衡装置由2n个可控开关和第一储能电容组成，第二非能耗型均衡装置由2m个可控开关和第二储能电容组成；电池组中任一电池正极通过可控开关与第一储能电容正极连接，负极通过可控开关与第一储能电容负极连接；超级电容组中任一超级电容正极通过可控开关和第二储能电池正极连接，负极通过可控开关和第二储能电池负极连接；第一能耗型均衡装置中n个第一均衡电阻分别电池组中n个电池串联，且n个可控开关分别设置在第一均衡电阻和电池组成的串联电路上；第二能耗型均衡装置中n个第二均衡电阻分别与超级电容组中m个超级电容串联，且m个可控开关分别设置在第二均衡电阻和超级电容组成的串联电路上；
电池组电压采集模块与电池组连接并采集电池组中各电池的电压信息，超级电容组电压采集模块与超级电容组连接并采集超级电容组中各超级电容的电压信息，组合均衡控制器通过电池组电压采集模块和超级电容组采集模块获取各电池和各超级电容的电压信息；
组合均衡控制器根据各电池和各超级电容的电压信息控制第一能耗型均衡装置的n个可控开关、第二能耗型均衡装置的m个可控开关、第一非能耗型均衡装置的2n个可控开关、第二非能耗型均衡装置的2m个可控开关进行开闭动作。
上述复合电源的组合均衡装置的均衡方法，包括以下步骤：
S1：获取复合电源的工作状态信息，若复合电源处于充电状态，则转入步骤S2，若复合电源处于放电状态，则转入步骤S4，若复合电源处于静止状态，则转入步骤S3；
S2：获取电池组中各电池的电压信息，计算各电池间的最大电压差，若最大电压差达到50mv，则同时启动第一能耗型均衡装置和第一非能耗型均衡装置工作；获取超级电容组中各超级电容的电压信息，计算各超级电容间的最大电压差，若最大电压差达到50mv，则同时启动第二能耗型均衡装置和第二非能耗型均衡装置工作；
S3：获取电池组中各电池的电压信息，计算各电池间的最大电压差，若最大电压差达到50mv，则计算电池组剩余电量值，若剩余电量值不小于70％时，则同时启动第一能耗型均衡装置和第一非能耗型均衡装置工作，若剩余电量值小于70％时，则启动第一非能耗均衡装置工作；获取超级电容组中各超级电容的电压信息，计算各超级电容间的最大电压差，若最大电压差达到50mv，则计算超级电容组剩余电量值，若剩余电量值不小于70％时，则同时启动第二能耗型均衡装置和第二非能耗型均衡装置工作，若剩余电量值小于70％时，则启动第二非能耗均衡装置工作；
S4：保持第一能耗型均衡装置、第一非能耗型均衡装置、第二能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置处于非工作状态。
上述实施例中，在均衡方法中，将均衡工作模式根据复合电源的工作状态，分为以下三种：
一：当复合电源处于充电状态，且电池组或超级电容组中单体间最大电压差符合均衡条件则均同时启动能耗型和非能耗型均衡装置。
二：当复合电源处于放电状态时，无论电池组或者超级电容组中单体间最大电压差是否达到均衡门限值都不使用任何均衡装置。
三：当复合电源处于静置状态时，且电池组或超级电容组中单体间最大电压差达到均衡门限值，同时需要均衡的电池组或超级电容组的剩余电量大于等于70％时，同时启动非能耗型均衡装置和能耗型均衡装置；需要均衡的电池组或超级电容组的剩余电量小于70％时，仅启动非能耗型均衡装置。
为了便于理解，现将均衡行为进一步说明如下：如图1-3所示，假设B1为最高电压单体电池，B2为最低电压单体电池，且二者符合进行均衡行为的压差条件。当复合电源处于充电状态时，同时启动能耗型和非能耗型均衡装置。非能耗型均衡装置工作过程为：关闭可控开关S1和S2，则B1的正极与储能电容的正极连接，B1的负极与储能电容的负极连接，B1开始向储能电容充电。充电完成后断开可控开关S1和S2。然后关闭可控开关S3和S4，则B2正极与储能电容正极连接，B2负极与储能电容负极连接，由于储能电容电压高于B2电压，则储能电容向B2充电，充电完成后断开可控开关S3和S4，重复执行以上控制行为，达到非能耗均衡的目的。能耗型均衡装置工作过程为：关闭可控开关S(2n+1)，B1对应的旁路分流电路导通，分流电路中有电流流过，电流经过均衡电阻产生功耗并以热量的形式消耗掉。另外可利用PWM波控制S(2n+1)的关闭频率来控制电流大小，以达到控制均衡速度的目的；当复合电源处于放电状态时，此时所有控制电池组的均衡行为的可控开关均处于断开状态，所有电池均不进行均衡行为；当复合电源处于静置状态时，假设B1为最高电压单体电池，B2为最低电压单体电池，两者符合均衡行为的压差条件，且电池组剩余电量大于等于70％时，同时启动非能耗型和能耗型均衡装置，此时工作过程与之前提到的电池组在充电情况下的工作过程相同；若电池组剩余电量小于70％时，仅启动非能耗型均衡装置，此时关闭可控开关S(2n+1)，B1对应的旁路分流电路导通，分流电路中有电流流过，电流经过均衡电阻产生功耗并以热量的形式消耗掉
假设C1为最高电压单体超级电容，C2为最低电压单体超级电容，且二者符合进行均衡的压差条件。当复合电源处于充电状态时，同时启动能耗型和非能耗型均衡装置。非能耗型均衡装置工作方式为：关闭可控开关S(3n+1)和S(3n+2)，则C1的正极与储能电容的正极连接，C1的负极与储能电容的负极连接，C1开始向储能电容充电。充电完成后断开可控开关S(3n+1)和S(3n+2)。然后关闭可控开关S(3n+3)和S(3n+4)，则C2正极与储能电容正极连接，C2负极与储能电容负极连接，由于储能电容电压高于C2电压，则储能电容向C2充电，充电完成后断开可控开关S(3n+3)和S(3n+4)，重复执行以上控制行为，达到非能耗均衡的目的。能耗型均衡装置工作方式为：关闭可控开关S(2n+1)，C1对应的旁路均衡电阻导通，均衡电阻中有电流流过，从而产生功耗并以热量的形式消耗掉；当复合电源处于放电状态时，此时所有控制超级电容组均衡行为的可控开关均处于断开状态，所有超级电容均不进行均衡行为；当复合电源处于静置状态时，假设C1为最高电压单体超级电容，C2为最低电压单体超级电容，两者符合均衡行为的压差条件，且超级电容组剩余电量大于等于70％时，同时启动非能耗型和能耗型均衡装置，此时工作过程与之前提到的超级电容组在充电情况下的工作过程相同；若超级电容组剩余电量小于70％时，仅启动非能耗型均衡装置，此时关闭可控开关S(3n+2m+1)，C1对应的旁路分流电路导通，分流电路中有电流流过，电流经过均衡电阻产生功耗并以热量的形式消耗掉。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种复合电源的组合均衡装置的均衡方法，其特征在于，包括：电池组、超级电容组、组合均衡控制器、电池组电压采集模块、超级电容组电压采集模块、第一非能耗型均衡装置、第一能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置和第二能耗型均衡装置，电池组和超级电容组并联；
电池组与第一能耗型均衡装置、第一非能耗型均衡装置连接，第一能耗型均衡装置、第一非能耗型均衡装置、电池组电压采集模块均与组合均衡控制器连接；电池组电压采集模块与电池组连接并采集电池组中各电池的电压信息，组合均衡控制器通过电池组电压采集模块获取各电池的电压信息，并根据上述电压信息控制第一能耗型均衡装置、第一非能耗型均衡装置动作；
超级电容组与第二能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置连接，第二能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置、超级电容组电压采集模块均与组合均衡控制器连接；超级电容组电压采集模块与超级电容组连接并采集超级电容组中各超级电容的电压信息，组合均衡控制器通过超级电容组采集模块获取各超级电容的电压信息，并根据上述电压信息控制第二能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置动作；
且包括以下步骤：
S1：获取复合电源的工作状态信息，若复合电源处于充电状态，则转入步骤S2，若复合电源处于放电状态，则转入步骤S4，若复合电源处于静止状态，则转入步骤S3；
S2：获取电池组中各电池的电压信息，计算各电池间的最大电压差，若最大电压差达到预设的第一均衡门限值，则同时启动第一能耗型均衡装置和第一非能耗型均衡装置工作；获取超级电容组中各超级电容的电压信息，计算各超级电容间的最大电压差，若最大电压差达到预设的第二均衡门限值，则同时启动第二能耗型均衡装置和第二非能耗型均衡装置工作；
S3：获取电池组中各电池的电压信息，计算各电池间的最大电压差，若最大电压差达到预设的第一均衡门限值，则计算电池组剩余电量值，若剩余电量值不小于预设第一剩余电量值时，则同时启动第一能耗型均衡装置和第一非能耗型均衡装置工作，若剩余电量值小于预设第一剩余电量值时，则启动第一非能耗均衡装置工作；获取超级电容组中各超级电容的电压信息，计算各超级电容间的最大电压差，若最大电压差达到预设的第二均衡门限值，则计算超级电容组剩余电量值，若剩余电量值不小于预设第二剩余电量值时，则同时启动第二能耗型均衡装置和第二非能耗型均衡装置工作，若剩余电量值小于预设第二剩余电量值时，则启动第二非能耗均衡装置工作；
S4：保持第一能耗型均衡装置、第一非能耗型均衡装置、第二能耗型均衡装置、第二非能耗型均衡装置处于非工作状态。
2.根据权利要求1所述的复合电源的组合均衡装置的均衡方法，其特征在于，电池组由n个电池串联形成，超级电容组由m个超级电容串联形成，第一能耗型均衡装置由n个可控开关和n个第一均衡电阻组成，第二能耗型均衡装置由m个可控开关和m个第二均衡电阻组成，第一非能耗型均衡装置由2n个可控开关和第一储能电容组成，第二非能耗型均衡装置由2m个可控开关和第二储能电容组成；电池组中任一电池正极通过可控开关与第一储能电容正极连接，负极通过可控开关与第一储能电容负极连接；超级电容组中任一超级电容正极通过可控开关和第二储能电池正极连接，负极通过可控开关和第二储能电池负极连接；第一能耗型均衡装置中n个第一均衡电阻分别电池组中n个电池串联，且n个可控开关分别设置在第一均衡电阻和电池组成的串联电路上；第二能耗型均衡装置中n个第二均衡电阻分别与超级电容组中m个超级电容串联，且m个可控开关分别设置在第二均衡电阻和超级电容组成的串联电路上；组合均衡控制器控制第一能耗型均衡装置的n个可控开关、第二能耗型均衡装置的m个可控开关、第一非能耗型均衡装置的2n个可控开关、第二非能耗型均衡装置的2m个可控开关进行开闭动作。
3.根据权利要求1所述的复合电源的组合均衡装置的均衡方法，其特征在于，第一均衡门限值为50mv。
4.根据权利要求1所述的复合电源的组合均衡装置的均衡方法，其特征在于，第二均衡门限值为50mv。
5.根据权利要求1所述的复合电源的组合均衡装置的均衡方法，其特征在于，第一剩余电量值为70％。
6.根据权利要求1所述的复合电源的组合均衡装置的均衡方法，其特征在于，第二剩余电量值为70％。
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2015
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Patent Citations (6)
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