CN107302244A - 一种多路径能量传输电池组主动均衡系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路径能量传输电池组主动均衡系统，包括总电池组、均衡电源单元、电池均衡模块、能量缓冲器模块和均衡系统主机；总电池组是由一个以上的电池块串接而成且与电池均衡模块电连接；均衡电源单元一端分别电连接均衡系统主机和电池均衡模块，另一端与总电池组电连接；每个电池均衡模块与能量缓冲器模块电连接；能量缓冲器模块是辅助电池均衡模块的一个能量缓存装置，其电连接每个电池均衡模块；均衡系统主机对各个电池均衡模块通过CAN总线传送过来的信息进行分析处理与显示，并对各个电池均衡模块的控制策略进行控制。本发明结构设计简单、合理，降低了成本，提高了系统的稳定性，改善了电池组的不一致性，延长电池的使用寿命。

Description

一种多路径能量传输电池组主动均衡系统

技术领域

本发明涉及电池组均衡技术领域，具体地说，涉及一种多路径能量传输 电池组主动均衡系统。

背景技术

为解决能源和排放的问题，电动汽车(EV)受到越来越多的关注。作为 EV的车用电源，通常需要几十组甚至上百组电池连接起来同时使用，因此， 电池组的控制与管理是保障清洁汽车良好运行的关键技术。由于制造工艺会 造成各个单体电池性能不一致，当许多组电池反复同时使用时，会引起不同 程度的老化和损害，因此每一块电池的性能和参数不可能长期保持一致，这 种不一致反过来又会影响整体充放电过程的正常进行，不仅会造成问题电池 的过充和过放，严重时会使整个电池组产生不可恢复的故障。因此，电池的 充放电过程需要通过电池均衡系统来解决不一致电池对整个电池组的影响问 题，以实现均衡的充放电过程。现有的各种拓扑结构的均衡系统存在结构复 杂、转移过程中能量损耗严重和能量转移效率低等问题，以至于通过选择不 同能量传输器件和改变电路结构也不能从根本上提高其性能。因此，本课题 从均衡系统拓扑结构入手，研究电池均衡系统更有效的方案，通过搭建仿真 与实验平台，对多路径能量均衡拓扑结构及其控制策略进行研究与实现。

随着消费水平的提高，汽车作为一种交通工具已经成为了人们的普通消 费品，汽车的人均保有量也正在迅速增加。截至2014年年底，我国汽车保有 量达1.54亿辆。然而传统的燃油汽车不仅在能源上严重依赖不可再生的石油 资源，而且排放的尾气带来了严重的环境污染问题。据统计，全球大气污染 的42％来自于交通污染，在我国大城市，汽车的排放贡献量也在60-65％。2014 年我国进口原油3.1亿吨，原油对外依存度为59.6％；当前中国汽车耗油约占 整个石油消费量的1/3，预计到2020年这个比例将上升到57％。传统燃油汽 车的大量消费已经给环境和国家能源安全造成巨大压力，然而电动汽车具有 排放低、能源多样化、噪声低、效率高和结构简单等诸多优点。

以电动汽车为代表的节能与新能源汽车产业已经成为各汽车制造大国争相 发展的重点。近年来，全球电动汽车市场成长迅速，电动汽车的产销量也明显 增加，数据显示2014年全球市场共销售35万辆电动汽车，同比增长56.78％。 当今世界主要国家都制定了电动汽车中长期发展战略规划，预计未来十年全球 电动汽车市场会继续扩大。为了抢占电动汽车相关技术制高点和市场份额，美 国、德国、日本等出台了一系列政策措施全面推动电动汽车产业的发展，并投 入了大量资金用于其相关技术的研究。我国对电动汽车的研究始于20世纪90 年代，先后启动了“863”计划、“电动汽车重大科技专项”、“节能与电动汽车重大项目”等，投入了近20亿经费用于电动汽车及其相关技术的研究。

电动汽车的关键技术是电池、电机和电控三部分。长期以来，电池技术 是制约电动汽车大规模产业化的关键因素之一。特别是对于纯电动汽车，电 池是其唯一动力来源，其性能的优劣很大程度上取决于电池。若要满足电动 汽车续航里程的要求，必须要保证汽车动力电池能够储存较高的能量并且长 时间的持续稳定工作。

电池管理系统(Battery Management System，BMS)是汽车动力电池必不 可少的核心组成部分，其功能是在各种复杂的行驶工况下监控电池的状态， 精确采集有关电池性能和安全方面的信息，估算电池的荷电状态(State of Charge，SOC)和健康状态(State ofHealth，SOH)，预估电动汽车的续航里 程，还包括能量均衡、电池热管理、安全预警与故障提示，以及与整车控制 器的通信和液晶显示等方面。通过电池管理系统对整车动力电池的监控管理， 极大地提高了蓄电池的使用寿命和工作效率，对动力电池安全可靠的运行起到了关键作用。锂电池因其具有能量密度高、自放电率低、循环寿命长、安 全稳定性较好等优点而被广泛应用于电动汽车领域。由于目前电池单体的电 压和容量还比较小，需要成百上千节电池单体串并联组合成电池包才能满足 电动汽车的功率输出要求。而电池单体在生产时就存在性能差异，在使用过 程中整个电池组的不一致性会进一步扩大，从而引发“短板效应”。电池组充 电截止电压由组内充电截止电压最低的那节电池决定，电池组放电截止电压 由组内放电截止电压最高的那节电池决定，因此电池组的最大可用容量完全 由组内单体电池决定，这不仅造成电池组容量的极大浪费，而且某节电池单 体的过充过放会直接影响到整个电池组的老化速度和使用寿命。因此在电池 管理系统中必须要设计电池均衡部分，根据实时检测到的电池状态信息，当 电池不一致性满足启动均衡条件时，运用合理的均衡控制策略和均衡电路使 得电池组中各电池单体的能量状态达到均衡。因此开展电池均衡技术的研究 不仅可以改善电池组的不一致性，延长电动汽车动力电池的使用寿命；还对 增加电动汽车的续航里程，降低电动汽车的生产使用成本，促进电动汽车产 业的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构设计简单、合理，使用稳定、可靠，可 有效改善电池组的不一致性，延长电动汽车动力电池的使用寿命，增加电动 汽车的续航里程，降低电动汽车生产使用成本的多路径能量传输电池组主动 均衡系统。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，其技术方案具体为：

一种多路径能量传输电池组主动均衡系统，包括总电池组、均衡电源单 元、电池均衡模块、能量缓冲器模块和均衡系统主机；所述总电池组是由一 个以上的电池块串接而成且与所述电池均衡模块电连接；

所述均衡电源单元一端分别电连接均衡系统主机和电池均衡模块，另一 端与所述总电池组电连接，以将所述总电池组的高压电转换成低压电；

所述电池均衡模块是所述均衡系统进行均衡的主体，其由一个以上的电 池均衡模块组成，每个电池均衡模块与能量缓冲器模块电连接，每个所述电 池均衡模块均通过CAN总线与所述均衡系统主机双向电连接；

所述能量缓冲器模块是本发明特有的一个结构，该单元将所述的各个电 池均衡模块电连接起来，以将各个电池均衡模块的能量互相传递；

所述均衡系统主机对各个所述电池均衡模块通过CAN总线传送过来的信 息进行分析处理与显示，并对各个所述电池均衡模块的控制策略进行控制。

进一步，所述电池均衡模块包括控制器、逆变均衡模块、矩阵开关、电 压监测模块、温度监测模块、电源模块及CAN接口电路。

再进一步，所述控制器通过所述CAN接口电路双向电连接所述均衡系统 主机；

所述CAN接口电路具体是通过CAN总线与所述均衡系统主机电连接。

再进一步，所述逆变均衡模块一端双向电连接所述控制器，另一端电连 接所述电源模块并通过所述电源模块连接至所述均衡电源单元；所述逆变均 衡模块还与所述总电池组电连接。

再进一步，所述矩阵开关一端电连接所述控制器，另一端电连接所述电 源模块并通过所述电源模块连接至所述均衡电源单元；所述矩阵开关还与所 述总电池组电连接。

再进一步，所述电压监测模块一端双向电连接所述控制器，另一端电连 接所述电源模块并通过所述电源模块连接至所述均衡电源单元；所述电压监 测模块还与所述总电池组电连接。

再进一步，所述温度监测模块一端电连接所述控制器，另一端电连接所 述电源模块并通过所述电源模块连接至所述均衡电源单元；所述温度监测模 块还与所述总电池组电连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述电池均衡模块实现了能量的多径传输，其电连接结构相比当 前的各种均衡系统，结构更简单，能量传递效率更高，电池均衡速度更快， 既节能又缩短了均衡时间；所述均衡系统主机对各个所述电池均衡模块通过 CAN总线传送过来的信息进行分析处理与显示，传输效率高，具有高可靠性 和良好的错误检测能力，适用于汽车复杂的干扰环境，可与汽车已有CAN 总线对接，节省成本，减小了均衡系统的体积与重量；采用多目标优化选择 均衡控制策略，解决多个失衡单体之间如何连通最短能量传递通道以及各层 均衡器动作协调的问题；整体上采用先进的模块化设计，对市场上电池均衡 数量不同的各种场合具有更灵活的适用性。

本发明电池组主动均衡系统结构设计简单、合理，使用稳定、可靠，可 有效改善电池组的不一致性，延长电动汽车动力电池的使用寿命，增加电动 汽车的续航里程，降低电动汽车生产使用成本，对促进电动汽车产业的发展 具有重要意义。

附图说明

图1为本发明电池组主动均衡系统的结构示意图；

图2为本发明电池组主动均衡系统的多路径能量均衡电路拓扑结构图；

图3为本发明电池组主动均衡系统的组内单体电池与电池块之间的均 衡示意图；

图4为本发明电池组主动均衡系统的电池块内单体电池之间的均衡示 意图；

图5为本发明电池组主动均衡系统的电池块间某电池块与另一电池块 及其内部单体之间的均衡示意图；

图6为本发明电池组主动均衡系统的电池块间某电池块中的单体与另 一电池块及其内部单体之间的均衡示意图。

图7为本发明电池组主动均衡系统均衡电源单元的结构示意图；

图8为本发明电池组主动均衡系统均衡系统主机的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及 实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明电池组主动均衡系统，适用于多路径能量均衡且主 要由总电池组、均衡电源单元、电池均衡模块、能量缓冲器模块和均衡系统 主机组成。

该总电池组是由若干电池块串接而成，其与电池均衡模块电连接。

该均衡电源单元一端电连接均衡系统主机，另一端与总电池组电连接， 用于给均衡系统各个模块提供电源，以将总电池组的高压电转换成低压电； 该均衡电源单元在电动汽车的应用非常广泛，可以直接用成熟的车载DC/DC 电源。

该电池均衡模块是均衡系统进行均衡的主体且是由若干电池均衡模块组 成，每个电池均衡模块与能量缓冲器模块电连接，每个电池均衡模块均通过 CAN总线与均衡系统主机双向电连接，使用CAN总线，CAN总线传输效率高， 具有高可靠性和良好的错误检测能力，被广泛应用于汽车计算机控制系统和 环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。该电池均衡模块由控制器、 逆变均衡模块、矩阵开关、电压监测模块、温度监测模块、电源模块及CAN 接口电路组成。

该控制器采用具有浮点运算的高性能Cotex-M4处理器，其通过CAN接口 电路双向电连接均衡系统主机，以方便数据的高速收发；该CAN接口电路具 体是通过CAN总线与均衡系统主机电连接；同时，该控制器还电连接电源模 块并通过电源模块连接至均衡电源单元。

该逆变均衡模块、矩阵开关、电压监测模块和温度监测模块集成为一体。 该逆变均衡模块一端双向电连接控制器，另一端电连接电源模块并通过电源 模块连接至均衡电源单元，该逆变均衡模块同时还与总电池组和能量缓冲器 模块电连接。

该矩阵开关主要负责将单体电池与逆变均衡模块连接起来，这样可以在 一个电池均衡模块中使用一个逆变均衡模块就可以了，由于逆变均衡模块体 积大，成本高，通过矩阵开关可以极大的减小体积，降低成本，该矩阵开关 可以使用大电流的功率MOSFET管，体积小，成本低。该矩阵开关一端电连接 控制器，另一端电连接电源模块并通过电源模块连接至均衡电源单元，该矩 阵开关同时还与总电池组电连接。

该电压监测模块一端双向电连接控制器，另一端电连接电源模块并通过 电源模块连接至均衡电源单元，该电压监测模块同时还与总电池组电连接。

该温度监测模块一端电连接控制器，另一端电连接电源模块并通过电源 模块连接至均衡电源单元，该温度监测模块同时还与总电池组电连接。

该能量缓冲器模块将各个电池均衡模块电连接起来，利用能量缓冲器模 块进行能量传递。该均衡系统主机对各个电池均衡模块通过CAN总线传送过 来的信息进行分析处理与显示，并对各个电池均衡模块的控制策略进行控制。

本发明电池组主动均衡系统的工作流程如下：

首先，各电池均衡模块将监测其对应的电池块的电池电压、电极温度、 电池块温度等信息通过CAN接口电路发送给均衡系统主机；接着，均衡系统 主机对接收到的各电池均衡模块的信息进行汇总，得到总电池组各单体电池 的电压、各电池块的电极温度、各电池块的电压和系统主回路电流等信息， 结合各单体电池和总电池组自身的信息，通过判断后均衡系统主机结合电池 充放电状态和工况来制定控制策略，并向各电池均衡模块发送均衡命令，控 制电池均衡模块的均衡路径、均衡电流和均衡时间。最后，当电池均衡模块接收到均衡系统主机发送过来的均衡指令后，按照一定的控制算法控制均衡 电路开始均衡，同时继续监测本模块对应的单体电池和电池块的信息，有异 常随时中断，并上报给均衡系统主机；周而复始，直到总电池组达到完全均 衡状态或者达到均衡系统主机设定状态。

下面结合本发明电池组主动均衡系统的多路径能量均衡电路拓扑结构， 对本发明作进一步说明：

(一)、电池组多路径能量均衡电路拓扑结构模型的建立

多路径能量均衡电路拓扑结构如图2所示。该结构中通过多绕组高频变 压器来实现单体电池与电池块之间的能量相互传输、单体电池与能量缓冲器 之间的能量相互传输、电池块与能量缓冲器之间的能量相互传输。通过该结 构解决了电池块内的均衡问题。同时，由于利用了能量缓冲器，可以将各个 均衡单元中的能量进行缓存，实现各个单体之间、电池块之间的组内和组间 的能量互相流动。

(二)电池均衡路径说明电池在不同均衡状态下能量均衡可能路径分析 如下：

a、电池块内能量多路径均衡分析

开展组内均衡具有路线短，损耗小，相应快等特点，在外部其他均衡模 块出现问题时，仍然可以保证本电池块内电池的保护，是均衡电路结构中最 基本的保障。单体电池与电池块之间的均衡：当某电池块中单体电池电压过 高时，可以释放给电池块；当电池块中某单体电池电压过低时，可以将电池 块的能量释放给该单体电池。其均衡示意图如图3所示。

单体电池之间的均衡：当电池块中某单体电池电压过高，而同时，该电 池块中另一个单体电池电压过低，此时可以将电压过高的单体能量通过能量 缓冲器释放给电压过低的电池，实现单体之间的均衡。其均衡示意图如图4 所示。

b、电池块间能量多路径均衡分析

电池块间的均衡可以保证整个电池组工作在最大的容量和使用寿命，对 电池组整体的一致性是一个直接的保障。电池块之间的均衡包括四种情况。 某电池块与另一电池块及其内部单体之间的均衡：当接受能量的电池块中某 单体电池电压过低时，可以将能量直接通过电池块间传送到该电池。当接受 能量的电池块整体电压过低时，可以将能量通过电池块间传送到该电池块。 其均衡示意图如图5所示。

某电池块中的单体与另一电池块及其内部单体之间的均衡：当某电池块 中的单体电池电压过高，而该电池所在的电池块能量不需要补充，可以将该 单体电池的能量通过能量缓冲器传送给另一电池块中电压过低的单体电池或 者传送给电池块。其均衡示意图如图6所示。

图7为本发明电池组主动均衡系统均衡电源单元的结构示意图；图8为 本发明电池组主动均衡系统均衡系统主机的结构示意图；电池均衡模块是均 衡系统进行均衡的主体且是由若干电池均衡模块组成，包括图2中的多绕组 高频变压器，高频开关，能量缓冲模块，PWM波控制等。

本发明结构设计简单、合理，使用稳定、可靠，可有效改善电池组的不 一致性，延长电动汽车动力电池的使用寿命，增加电动汽车的续航里程，降 低电动汽车生产使用成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易 见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种多路径能量传输电池组主动均衡系统，其特征在于，包括总电池组、均衡电源单元、电池均衡模块、能量缓冲器模块和均衡系统主机；所述总电池组是由一个以上的电池块串接而成且与所述电池均衡模块电连接；

所述均衡电源单元一端分别电连接均衡系统主机和电池均衡模块，另一端与所述总电池组电连接，以将所述总电池组的高压电转换成低压电；

所述电池均衡模块是所述均衡系统进行均衡的主体，其由一个以上的电池均衡模块组成，每个电池均衡模块与能量缓冲器模块电连接，每个所述电池均衡模块均通过CAN总线与所述均衡系统主机双向电连接；

所述能量缓冲器模块是本发明特有的一个结构，该单元将所述的各个电池均衡模块电连接起来，以将各个电池均衡模块的能量互相传递；

所述均衡系统主机对各个所述电池均衡模块通过CAN总线传送过来的信息进行分析处理与显示，并对各个所述电池均衡模块的控制策略进行控制。

2.如权利要求1所述的一种多路径能量传输电池组主动均衡系统，其特征在于，所述电池均衡模块包括控制器、逆变均衡模块、矩阵开关、电压监测模块、温度监测模块、电源模块及CAN接口电路。

3.如权利要求2所述的一种多路径能量传输电池组主动均衡系统，其特征在于，所述控制器通过所述CAN接口电路双向电连接所述均衡系统主机；

所述CAN接口电路具体是通过CAN总线与所述均衡系统主机电连接。

4.如权利要求2所述的一种多路径能量传输电池组主动均衡系统，其特征在于，所述逆变均衡模块一端双向电连接所述控制器，另一端电连接所述电源模块并通过所述电源模块连接至所述均衡电源单元；所述逆变均衡模块还与所述总电池组电连接。

5.如权利要求2所述的一种多路径能量传输电池组主动均衡系统，其特征在于，所述矩阵开关一端电连接所述控制器，另一端电连接所述电源模块并通过所述电源模块连接至所述均衡电源单元；所述矩阵开关还与所述总电池组电连接。

6.如权利要求2所述的一种多路径能量传输电池组主动均衡系统，其特征在于，所述电压监测模块一端双向电连接所述控制器，另一端电连接所述电源模块并通过所述电源模块连接至所述均衡电源单元；所述电压监测模块还与所述总电池组电连接。

7.如权利要求2所述的一种多路径能量传输电池组主动均衡系统，其特征在于，所述温度监测模块一端电连接所述控制器，另一端电连接所述电源模块并通过所述电源模块连接至所述均衡电源单元；所述温度监测模块还与所述总电池组电连接。