CN108016310A - 一种分散逻辑式的电池管理系统及其能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分散逻辑式的电池管理系统及其能量管理方法，属于电动汽车动力电池技术领域，包括一个BCU、M个BMU、BMS内部CAN网和辅电高压母线，电池管理系统用于管理动力电池组，所述动力电池组包括M个电池模组，每个电池模组由N个电池单体串联，所述BMU包括控制器及第一级均衡模块、第二级均衡模块；一个BCU对应一个动力电池组，M个BMU中，每个BMU对应一个电池模组，每个BMU内的器件直接从其对应电池模组取电，每个第二级均衡模块包括双向变换器，双向变换器的输出与辅电高压母线电气连接。本发明系统易扩展且安全性高，通过第二级均衡模块中双向变换器的功能复用从而省去传统蓄电池辅助电源从而降低成本。

Description

一种分散逻辑式的电池管理系统及其能量管理方法

技术领域

本发明属于电动汽车动力电池技术领域，更具体地，涉及一种分散逻辑式的电池管理系统及其能量管理方法。

背景技术

传统燃油汽车严重影响能源安全，其排放的尾气和产生的噪声也对城市环境造成了严重污染，对生态环境构成了严重威胁。为了节约资源、保护环境，为了社会可持续发展战略的需要，新能源汽车成为了全世界关注焦点。其中纯电动汽车更是成为了世界上各大汽车公司的开发热点，而纯电动汽车在发展中仍有许多问题亟待解决。

从动力电池方面，电池组的不一致问题是相关人员必须解决的一个难点问题。电池组中电池单体电压不一致会导致整个电池组不能高效运行，容易出现过充过放现象，在一定程度上缩短电池组的使用寿命。因此，电池均衡成为BMS的重要功能之一。现有系统结构主要分为集中式管理结构和分布式管理结构。集中式管理方法结构简单，容易理解，但线束较多，布置复杂。且每一种参数都需要独立的数据线进行连接，在信号传输过程中会有多种数据信号，所以系统对电池状态巡检、通讯和管理起来也较为繁杂。在电池组均衡方面，由于通讯信号较多，对均衡的判断和控制相对比较困难，不太容易取得预期的效果。目前的分布式管理方法主要是采用多层结构，能够对单体很好的进行监控，相对集中式管理结构也易于进行均衡控制。但从控制逻辑上，仍为主从的控制方式，与集中式管理结构类似。若需针对不同种类和型号电池，均衡电路和算法都需要调整，由此带来的匹配和实验工作量较大，系统的转移成本较高，不易扩展。

从车内供电系统方面，目前的纯电动汽车中仍需要额外的12V或24V蓄电池为车内低压设备供电，而无法将动力电池组复用，增加了整车成本、同时还占据了一部分的车内空间。

由此可见，现有技术存在系统的转移成本较高，不易扩展、无法将动力电池组复用的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种分散逻辑式的电池管理系统及其能量管理方法，由此解决现有技术存在系统的转移成本较高，不易扩展、无法将动力电池组复用的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种分散逻辑式的电池管理系统，包括一个BCU(Battery Control Unit，电池控制单元)、M个BMU(Battery ManagementUnit，电池管理单元)、BMS内部CAN网和辅电高压母线，电池管理系统用于管理动力电池组，

所述动力电池组包括M个电池模组，每个电池模组由N个电池单体串联，

所述BMU包括控制器及第一级均衡模块、第二级均衡模块；一个BCU对应一个动力电池组，M个BMU中，每个BMU对应一个电池模组，每个BMU内的器件直接从其对应电池模组取电，每个第二级均衡模块包括双向变换器，双向变换器的输出与辅电高压母线电气连接。

进一步的，BMU之间采用分散逻辑控制方法。

进一步的，电池管理系统应用于车内配电系统，车内配电系统包括：电池管理系统、高压辅助设备、低压辅助设备、功率变换器、DC-DC变换器、电池高压母线、辅电高压母线和电动汽车内部CAN网，

所述电池管理系统对动力电池组进行检测、预估、均衡和保护，电池管理系统通过电动汽车内部CAN网与电机控制器以及ECU信号连接，进行CAN通讯，相互交换信息；动力电池组经过高压配电盒，由电池高压母线为电机和车载充电机供电；电池管理系统与辅电高压母线电气连接，通过功率变换器为高压辅助设备供电，通过DC-DC变换器为低压辅助设备供电。

进一步的，BCU监控动力电池组的电压电流信息，结合从BMS内部CAN网传输的数据中接收的保护标识和各电池模组电压、电流、SOC信息，用于对动力电池组进行保护，并通过电动汽车内部CAN网与整车控制器通信。

进一步的，BMU用于检测电池模组内所有状态信息，包括：电池单体电压、电池单体电流、均衡电流、温度；每个控制器及第一级均衡模块用于检测其对应的BMU所在的电池模组内所有电池单体的电压、电流、温度，处理该电池模组的数据与其他电池模组的电压与SOC信息，独立控制该电池模组内所有电池单体之间的非耗散、双向均衡，通过BMS内部CAN网与动力电池组所对应的BCU进行通信；每个第二级均衡模块负责对其对应的BMU所在的电池模组与其他电池模组进行非耗散、双向均衡，第二级均衡模块中的双向变换器的输出复用为辅电高压母线供电。

进一步的，分散逻辑控制方法的具体实现方式为：

当电池模块首次接入整车时，BMU将对应电池模块的额定电压、标称容量传输给BCU进行适配操作，当整车处于掉电停车状态时，BMU持续工作，BCU不工作，当整车开始启动时，BCU启动，电池管理系统正常工作，开机成功，当整车正常工作时，BMU和BCU共同为电池组进行检测、保护动作、状态估计等操作，BMU与BCU通过BMS内部CAN网进行信息交换，BCU与整车控制器通过电动汽车内部CAN网进行信息交换。

按照本发明的另一方面，提供了一种分散逻辑式的电池管理系统的能量管理方法，每个电池模组等效为一个电压源与一个输出阻抗串联，得到每个第二级均衡模块的输入电压V_{i_i}和输入电流I_{i_i}，输入电压V_{i_i}和输入电流I_{i_i}为第二级均衡模块中的双向变换器的输入，输入电压V_{i_i}和输入电流I_{i_i}为第二级均衡模块对应的电池模组输出，输入电流乘以输入电压得到输入功率P_{i_i}，再经低通滤波LPF后得到功率P_{lpf_i}，乘以下垂系数K得到下垂压降；各电池模组的平均电压V_avg与其开路电压V_{b_i}之差，再经过PI计算得到母线电压修正量；母线电压给定值nV_{b_i}减去下垂压降和母线电压修正量，得到新的输出参考电压误差并进行电压外环控制，得到输出参考电压误差，输出参考电压误差经过PI计算后得到新的电池参考电流并进行电流内环控制。特别说明，上述母线电压给定值可由实际情况给定，如系统稳定性、设备电压需求等。

进一步的，每个第二级均衡模块的下垂系数K是相同的，下垂系数K与低通滤波后的输入功率P_{lpf_i}相乘得到下垂压降，每个第二级均衡模块的下垂压降不一定相同；每个第二级均衡模块的母线电压修正量，由当前第二级均衡模块对应的当前BMU获取其自身电池模组电压与其他BMU对应电池模组电压，所有电池模组电压的平均电压与当前BMU对应的电池模组电压作差，经过PI计算求得。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明不仅能实现高压动力电池组之间的分布式、非耗散、双向均衡，还能在提高均衡速度的前提下，将第二级均衡模块中的双向变换器功能复用，而省去用于辅助的低压供电的12V或24V蓄电池。

(2)本发明采用的分布式均衡控制系统，通过每个第一级均衡模块对各自电池模组中的多个电池单体之间进行均衡控制；同时，通过第二级均衡模块对多个电池模组之间进行均衡控制。与传统主从式电池管理系统相比，分布式电池管理系统中没有主机与从机，不存在从机对主机的依赖，分担了主机的工作压力，同时能够完全将电池模组进行封装、标准化，使得动力电池组更易拓展、更好兼容不同体系电池，相比于传统电池管理系统，该发明的两级均衡系统提高了动力电池的均衡效果。本发明系统的转移成本低，易扩展、可以将动力电池组复用。

(4)本发明的能量管理方法，与现有变换器输出并联均流方法不同。现有变换器并联均流方法仅使各个变换器出力相同，而本发明所提出方法，每个电池模组等效为一个电压源与一个输出阻抗串联，能够根据需求随意改变各个变换器出力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于分散逻辑式的电池管理系统的车内配电示意图；

图2为本发明实施例提供的电池管理系统结构图；

图3(a)为本发明实施例提供的主从控制系统示意图；

图3(b)为本发明实施例提供的分散逻辑控制系统示意图；

图4为本发明实施例提供的基于下垂控制法的均衡策略控制框图；

图5为本发明实施例提供的基于下垂控制法的均衡策略的下垂曲线；

图6为本发明实施例提供的各模块并联等效方法示意图。

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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出一种分散逻辑式电池管理系统及其能量管理方法，将传统纯电动汽车的能源系统架构进行改良，改良后的纯电动汽车架构，不仅能实现高压动力电池组之间的分布式、非耗散、双向均衡，还能在提高均衡速度的前提下，将均衡变换器功能复用，而省去用于辅助的低压供电的12V或24V蓄电池。

如图1和图2所示，分别为本发明实施例提供的一种分散逻辑式电池管理系统及其能量管理方法的架构和电池管理系统框架，详述如下：本发明实例提供的一种改良后电动汽车配电系统架构，包括动力电池组0、电池管理系统1、高压辅助设备2、低压辅助设备3、功率变换器4、DC-DC变换器5、电池高压母线6、辅电高压母线7、电动汽车内部CAN网8；动力电池组0与电池管理系统1之间电气连接，电池管理系统1对动力电池组0进行检测、预估、均衡、保护等操作，电池管理系统1通过电动汽车内部CAN网8与电机控制器、车载电脑(ECU)之间信号连接，进行CAN通讯，相互交换信息；动力电池组0经过高压配电盒，由电池高压母线6为电机和车载充电机供电；电池管理系统1与辅电高压母线7电气连接，通过功率变换器4为高压辅助设备2供电，通过DC-DC变换器5为低压辅助设备3供电，因而省去了用于辅助的低压供电的12V或24V蓄电池。

其中，动力电池组0包括M个电池模组01，每个电池模组01由N个电池单体串联，作为本发明的一个实施例，在576V/180串磷酸铁锂动力电池组0中，一共有15个电池模组01，每个电池模组01有12个电池单体串联；电池管理系统BMS 1包括一个电池控制单元BCU 11、M个电池管理单元BMU 12、BMS内部CAN网13；其中，BMU 12包括控制器及第一级均衡模块121、第二级均衡模块122；强调通用型BCU 11，一个BCU 11对应一个电池组0，一个BCU 11仅收发少量运行所必需的信息，包括监控BMS内部CAN网13传输的数据中的保护标识和各模组SOC，监控动力电池组的电压电流信息，结合各电池模组的电压电流信息，用于对动力电池组进行保护，通过电动汽车内部CAN网8与整车控制器通信；M个BMU 12中，每个BMU 12对应一个电池模组01，每个BMU 12内的器件直接从其对应电池模组01取电，每个BMU 12负责检测该电池模组内所有状态信息，包括：电池单体电压、均衡电流、温度等；每个BMU 12包含控制器及第一级均衡模块121和第二级均衡模块122，每个控制器及第一级均衡模块121负责检测其对应的BMU 12所在的电池模组01内所有电池单体的电压、电流、温度，处理该电池模组01的数据与其他电池模组01的电压与SOC信息，独立控制该电池模组01内所有电池单体之间的非耗散、双向均衡，通过BMS内部CAN网13与电池组0所对应的BCU 11进行通信；每个第二级均衡模块122负责对其对应的BMU 12所在的电池模组01与其他电池模组01进行非耗散、双向均衡；每个第二级均衡模块122中的双向变换器的输出与辅电高压母线7电气连接，通过功率变换器4为高压辅助设备2供电，通过DC-DC变换器5为低压辅助设备3供电；

需要特别说明的是，与传统主从结构不同，BCU 11不对BMU 12进行控制，BMU 12之间采用分散逻辑控制结构。

如图3(a)所示，在主从控制系统中，BCU 11通过BMS内部CAN网13向下级BMU 12发出控制、请求指令，BMU 12将其采集的数据和状态信息返回给上级BCU 11，上级BCU 11完全控制下级BMU 12的第一、第二级均衡；如图3(b)所示，在分散逻辑控制系统中，系统将控制权分散，在系统均衡过程中，主要是由各个BMU 12检测对应模块电压、第二级均衡电流等信息，并通过BMS内部CAN网13进行广播，同时也接收其他BMU的广播数据，通过算法处理，来控制模块内第二级均衡电路出力。此时，通用型BCU 11仅接收少量运行所必需的信息，包括：监控BMS内部CAN网13传输的数据中的保护标识和SOC信息，用于对动力电池组进行保护。特别的，针对本发明的分散逻辑控制系统，对于BMU 12与BCU 11在各种工况下的通讯策略有所不同：(1)当电池模块首次接入整车系统时，BMU 12将对应电池模块的额定电压、标称容量等固有特性传输给BCU 11进行适配操作。由此带来的优势是将电池模块完全封装、标准化，降低动力电池组与电动汽车的制造成本。如需要对电池更换或扩展，只需对新的电池包所对应的BMU 12与原通用型BCU 11进行适配操作即可。(2)当整车处于掉电停车状态时，BMU 12持续工作，BCU 11不工作；(3)当整车开始启动时，BCU 11启动，BMS 1正常工作，开机成功；(4)当整车正常工作时，BMU 12和BCU 11共同为电池组进行检测、保护动作、状态估计等操作，BMU 12与BCU 11通过BMS内部CAN网1进行信息交换，BCU11与整车控制器通过电动汽车内部CAN网8进行信息交换。

图4为本发明实施例提供的基于下垂控制法的均衡策略控制框图。系统中每个BMU12的第二级均衡模块122，其整体的控制框架由电压外环(利用输出电压与下垂控制的复合)和电流内环(控制双向变换器输入电流即电池模组输出电流)组成。每个第二级均衡模块122都可以等效为一个电压源与一个输出阻抗串联，图5为本发明实施例提供的基于下垂控制法的均衡策略的下垂曲线。每个第二级均衡模块122等效为一个电压源与一个输出阻抗串联，得到每个第二级均衡模块122的输入电压V_i和输入电流I_i，输入电流乘以输入电压得到输入功率P_i，输入功率P_i乘以一个相同的下垂系数K得到下垂压降；各模组的平均电压电压给定值减去输出电压和下垂压降，得到新的输出参考电压并进行电压外环控制，得到输出参考电压误差，输出参考电压误差经过PI计算后得到新的输出参考电流进行电流内环控制。以M个模块并联工作为例。当第i个模块需要均衡时，可由戴维南定理和诺顿定理，如图6所示。把第i个模块作为M1模块，其他M-1个模块等效为一个M2模块。假定M1模块电压较低，M2模块电压较高，则需要通过下垂控制来使M1输出功率较小甚至是输出负功率，即对M1模块进行充电，同时要使输出电压和输出功率基本保持不变。如图6所示，M1模块与M2模块的下垂系数K相同。假定M1模块的开路电压V_{b_1}小于总模块的平均电压V_avg，M2模块的开路电压V_{b_2}小于总模块的平均电压V_avg，则M1模块的母线电压修正量ΔV₁大于零，M2模块的母线电压修正量ΔV₂小于零。最终母线电压稳定在V_dc，为了保持母线电压V_dc不变，M1输出功率逐渐减小至p′_{lpf_1}，M2输出功率逐渐增加至p′_{lpf_2}，此时满足p′_{lpf_1}+p′_{lpf_2}＝p_{lpf_1}+p_{lpf_2}；特别地，当M1与M2的开路电压相差很大时，要满足p″_{lpf_1}+p″_{lpf_2}＝p_{lpf_1}+p_{lpf_2}，此时M1的输出功率是负值，即M2对M1和外部辅助设备进行供电；直至M1的电压随着M1充电而提升后，M1回到正常放电工作状态。此控制过程可实现在保证并联输出电压稳定的情况下，多源之间的协调运行与负载分配，通过调节各个变换器的下垂系数，使得容量较大的模块多放电，即减小其下垂系数从而增大变换器输出电流；容量小的模块少放电，即增大其下垂系数从而减小变换器输出电流。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分散逻辑式的电池管理系统，其特征在于，包括一个BCU(11)、M个BMU(12)、BMS内部CAN网(13)和辅电高压母线(7)，电池管理系统用于管理动力电池组，

所述动力电池组包括M个电池模组(01)，每个电池模组(01)由N个电池单体串联，

所述BMU(12)包括控制器及第一级均衡模块(121)、第二级均衡模块(122)；一个BCU(11)对应一个动力电池组(0)，M个BMU(12)中，每个BMU(12)对应一个电池模组(01)，每个BMU(12)内的器件直接从其对应电池模组(01)取电，每个第二级均衡模块(122)包括双向变换器，双向变换器的输出与辅电高压母线(7)电气连接。

2.如权利要求1所述的一种分散逻辑式的电池管理系统，其特征在于，所述BMU(12)之间采用分散逻辑控制方法。

3.如权利要求1或2所述的一种分散逻辑式的电池管理系统，其特征在于，所述电池管理系统应用于车内配电系统，车内配电系统包括：电池管理系统、高压辅助设备、低压辅助设备、功率变换器、DC-DC变换器、电池高压母线、辅电高压母线(7)和电动汽车内部CAN网(8)，

所述电池管理系统对动力电池组进行检测、预估、均衡和保护，电池管理系统通过电动汽车内部CAN网(8)与电机控制器以及ECU信号连接，进行CAN通讯，相互交换信息；动力电池组经过高压配电盒，由电池高压母线为电机和车载充电机供电；电池管理系统与辅电高压母线(7)电气连接，通过功率变换器为高压辅助设备供电，通过DC-DC变换器为低压辅助设备供电。

4.如权利要求1或2所述的一种分散逻辑式的电池管理系统，其特征在于，所述BCU(11)监控动力电池组的电压电流信息，结合从BMS内部CAN网(13)传输的数据中接收的保护标识和各电池模组电压、电流、SOC信息，用于对动力电池组进行保护，并通过电动汽车内部CAN网(8)与整车控制器通信。

5.如权利要求1或2所述的一种分散逻辑式的电池管理系统，其特征在于，所述BMU(12)用于检测电池模组内所有状态信息，包括：电池单体电压、电池单体电流、均衡电流、温度；每个控制器及第一级均衡模块(121)用于检测其对应的BMU(12)所在的电池模组(01)内所有电池单体的电压、电流、温度，处理该电池模组(01)的数据与其他电池模组(01)的电压与SOC信息，独立控制该电池模组(01)内所有电池单体之间的非耗散、双向均衡，通过BMS内部CAN网(13)与动力电池组(0)所对应的BCU(11)进行通信；每个第二级均衡模块(122)负责对其对应的BMU(12)所在的电池模组与其他电池模组进行非耗散、双向均衡，第二级均衡模块(122)中的双向变换器的输出复用为辅电高压母线(7)供电。

6.如权利要求2所述的一种分散逻辑式的电池管理系统，其特征在于，所述分散逻辑控制方法的具体实现方式为：

当电池模块首次接入整车时，BMU(12)将对应电池模块的额定电压、标称容量传输给BCU(11)进行适配操作，当整车处于掉电停车状态时，BMU(12)持续工作，BCU(11)不工作，当整车开始启动时，BCU(11)启动，电池管理系统(1)正常工作，开机成功，当整车正常工作时，BMU(12)和BCU(11)共同为电池组进行检测、保护动作、状态估计等操作，BMU(12)与BCU(11)通过BMS内部CAN网(13)进行信息交换，BCU(11)与整车控制器通过电动汽车内部CAN网(8)进行信息交换。

7.如权利要求1-6任一所述的一种分散逻辑式的电池管理系统的能量管理方法，其特征在于，每个电池模组(01)等效为一个电压源与一个输出阻抗串联，得到每个第二级均衡模块(122)的输入电压V_{i_i}和输入电流I_{i_i}，输入电流乘以输入电压得到输入功率P_{i_i}，再经低通滤波LPF后得到功率P_{lpf_i}，乘以下垂系数K得到下垂压降；各电池模组的平均电压V_avg与其开路电压V_{b_i}之差，再经过PI计算得到母线电压修正量；母线电压给定值nV_{b_i}减去下垂压降和母线电压修正量，得到新的输出参考电压并进行电压外环控制，得到输出参考电压误差，输出参考电压误差经过PI计算后得到新的电池参考电流并进行电流内环控制。

8.如权利要求7所述的一种分散逻辑式的电池管理系统的能量管理方法，其特征在于，所述每个第二级均衡模块(122)的下垂系数K是相同的，下垂系数K与低通滤波后的输入功率P_{lpf_i}相乘得到下垂压降，每个第二级均衡模块(122)的下垂压降不一定相同；每个第二级均衡模块(122)的母线电压修正量，由当前第二级均衡模块(122)对应的当前BMU获取其自身电池模组电压与其他BMU对应电池模组电压，所有电池模组电压的平均电压与当前BMU对应的电池模组电压作差，经过PI计算求得。