CN108275017A - 一种动力电池组主动均衡系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力电池组主动均衡系统及控制方法，属于电池管理技术领域，包括动力电池组、监测采集模块、主控模块、均衡控制模块以及均衡电路模块；监测采集模块的一端与动力电池组中各单体电池连接、另一端与主控模块连接，主控模块通过SPI总线与均衡控制模块连接进行双向通信，均衡控制模块的驱动端通过均衡电路模块与动力电池组连接。其基于反激式变压器的均衡电路，实现了能量在电池之间的转移而不是通过电阻的方式耗散掉，提高了均衡效率。另外，采用电池模拟器代替真实的动力电池组，集合控制该模拟器的方法，来验证均衡系统在充电、放电、静置下的均衡实验，验证了系统的高效性。

Description

一种动力电池组主动均衡系统及控制方法
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域，特别涉及一种动力电池组主动均衡系统及控制方法。
背景技术
动力电池技术作为新能源电动汽车产业发展的关键技术，对其研究一直是国内外研究的热点。电动汽车的动力电池部分是由许多单体电池串联组合而成，以此满足纯电动汽车运行时的输出电压和功率。由于电池制作工艺水平的局限，电池的内阻和容量等参数往往会出现不一致的现象，加之电池的不合理成组和缺乏科学的管理，严重的影响成组后的动力电池组性能和寿命，导致动力电池不能为车辆提供可靠、稳定的动力输出。
电池均衡管理技术作为动力电池技术中的关键技术，可通过有效地对电池组进行均衡管理，使电池组电池特性最终达到一致性状态。目前电池均衡管理方案主要分为能量耗散型和非能量耗散型两大类型。其中，耗散型均衡方案主要是把电池中多余能量通过热量的形式耗散掉，使电池组达到均衡状态，不符合新能源电动汽车节能环保的理念。非能量耗散型则是通过能量的转移作用把电池组能量高的单体转移到能量低的单体或电池组中，实现的是一种能量转换效果，是新能源电动汽车未来发展的主流。
目前，国内的电池均衡管理系统仍然处于落后状态，其存在可靠性、设备精度、智能化程度以及均衡效率等不高的缺点，无法满足大规模应用的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高均衡效率且可合理管理的动力电池组主动均衡系统及控制方法。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
一方面，采用一种动力电池组主动均衡系统，包括：动力电池组、监测采集模块、主控模块、均衡控制模块以及均衡电路模块；
监测采集模块的一端与动力电池组中各单体电池连接、另一端与主控模块连接，主控模块通过SPI总线与均衡控制模块连接进行双向通信，均衡控制模块的驱动端通过均衡电路模块与动力电池组连接。
优选地，所述均衡电路模块包括多个均衡电路单元，该多个均衡电路单元分别与所述动力电池组中各单体电池一一对应连接。
优选地，所述均衡电路单元包括反激式变压器、开关MOS管以及整流二极管；
反激式变压器的原边分别连接对应单体电池的正、负极，反激式变压器的副边分别连接到所述动力电池组的顶端、底端；
反激式变压器的原边和对应单体电池负极之间连接有开关MOS管，开关MOS管的栅极与对应单体电池连接，且开关MOS管源极、漏极之间并联有整流二极管；
反激式变压器的副边和所述动力电池底端之间连接有开关MOS管，开关MOS管的栅极与所述均衡控制电路连接，且开关MOS管源极、漏极之间并联有整流二极管。
优选地，所述动力电池组为电池模拟器。
优选地，还包括充/放电装置，充/放电装置通过CAN模块与电池模拟器连接进行双向通信。
优选地，所述充/放电装置包括dSPACE测试柜和ControDesk综合实验环境。
优选地，还包括显示器，所述主控模块通过串口与该显示器连接。
优选地，还包括报警装置，所述主控模块通过串口与该报警装置连接。
第二方面，采用一种动力电池组主动均衡系统的控制方法，包括：
主控模块通过监测采集模块获取动力电池中各单体电池的电压、温度信息；
主控模块根据各单体电池的电压、温度信息，发送控制信号至均衡控制模块，所述控制信号携带有各单体电池的电压、温度信息；
均衡控制模块根据接收的控制信号，生成相应的PWM信号控制均衡电路模块完成对动力电池组的均衡处理。
优选地，在所述主控模块检测到单体电池温度、单体电池电压信息后，还包括：
所述主控模块控制所述监测采集模块采集所述动力电池组的工作电流，并根据采集的工作电流判断动力电池的工作状态，工作状态包括充电、放电以及静置；
在工作电流大于零时，判断动力电池处于充电状态，则通过所述充/放电装置对动力电池进行充电状态的均衡操作；
在工作电流等于零时，判断动力电池处于静置状态，则通过所述充/放电装置对动力电池进行静置状态的均衡操作；
在工作电流小于零时，判断动力电池处于放电状态，则通过所述充/放电装置对动力电池进行放电状态的均衡操作。
优选地，所述充电状态的均衡操作，包括：
S11、判断采集的单体电池电压中的最大值Vmax是否满足Vmax≥0.8VPP，其中VPP是单体电池均衡充电截止电压；
S12、若否，则重复执行步骤S11；
S13、若是，则计算所述动力电池组中各单体电池电压的平均值Vj；
S14、判断动力电池组中是否存在某单体电池的电压与平均值Vj的差值绝对值大于允许误差α；
S15、若是，则执行充电均衡操作直至充电均衡结束；
S16、若否，则重复执行步骤S11。
优选地，所述静置状态的均衡操作，包括：
S21、在采集的单体电池电压值中，将单体电池电压的最大值Vmax与单体电池电压的最小值Vmin进行做差处理；
S22、判断差值是否满足Vmax-Vmin≥30mV；
S23、若是，则执行静置状态下的均衡操作直至均衡结束；
S24、若否，则执行步骤S21。
优选地，所述放电状态的均衡操作，包括：
S31、判断采集的单体电池电压中的最小值Vmin是否满足Vmin≤1.2VDD，其中VDD为单体放电截止电压；
S32、若否，则重复执行步骤S31；
S33、若是，则计算所述动力电池组中各单体电池电压的平均值Vj；
S34、判断动力电池组中是否存在某单体电池的电压与平均值Vj的差值绝对值大于允许误差α；
S35、若是，则执行放电均衡操作直至充电均衡结束；
S36、若否，则重复执行步骤S31。
有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明采用的动力电池组主动均衡系统为非能量耗散型，其基于反激式变压器的均衡电路，实现了能量在电池之间的转移而不是通过电阻的方式耗散掉，提高了均衡效率。另外，采用电池模拟器代替真实的动力电池组，集合控制该模拟器的方法，来验证均衡系统在充电、放电、静置下的均衡实验，验证了系统的高效性。该模拟器控制方法根据动力电池的不同工作状态，调整均衡标准，采用不同的均衡操作判断标准，提高电池组均衡效率，增加电池组使用寿命。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1是一种动力电池组主动均衡系统的结构示意图；
图2是包含三个均衡电路单元的均衡电路模块的结构示意图；
图3是一种动力电池组主动均衡系统的控制方法的流程示意图；
图4是一种动力电池组主动均衡系统验证方法的流程示意图；
图5是动力电池组充电状态下的均衡过程示意图；
图6是动力电池组静置状态下的均衡过程示意图；
图7是动力电池组放电状态下的均衡过程示意图。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
实施例一
如图1所示，本实施例公开了一种动力电池组主动均衡系统，包括：动力电池组10、监测采集模块20、主控模块30、均衡控制模块40以及均衡电路模块50；监测采集模块20的一端与动力电池组10中各单体电池连接、另一端与主控模块30连接，主控模块30通过SPI总线与均衡控制模块40连接进行双向通信，均衡控制模块40的驱动端通过均衡电路模块50与动力电池组10连接。该均衡电路模块50包括多个多个均衡电路单元，该多个均衡电路单元分别与动力电池组10中各单体电池一一对应连接。
其中，监测采集模块20用于监测并采集动力电池组10中每个单体电池的电压、电流和温度。其采用LTC6804-2芯片或普通的A/D采样模拟电路，该芯片的电压采集误差低于1.2mV，能在290us之内完成所有单体电池电压的采集，其具有可堆迭式架构，通过将多个芯片之间进行级联，可以实现同时对更多节电池的实时采集。
优选地，在实际应用该中，为了得到较稳定的电压，在动力电池组10中的各单体电池接入监测采集模块20之前，先接入一低通滤波电路，来消除电压采集过程中产生的高频干扰信号，该低通滤波电路中所用到的电阻取值为100Ω，电容取值为100nF。
其中，主控模块30采用型号为STM32F103VET6的32位基于ARM核心的微控制器，其用于控制监测采集模块20采集各单体电池的电压、电流及温度信息，并根据单体电池的电压、电流及温度信息发送控制信号中均衡控制模块40，均衡控制模块40根据控制信号驱动均衡电路模块50对动力电池组10进行均衡操作。
优选地，主控模块30在控制监测采集模块20进行电池信息采集过程中，使用ADUM1402隔离芯片对各芯片之间通信过程进行隔离，保证通信过程的安全性。
其中，均衡控制模块40采用LTC3300-1芯片，其与主控模块30通过模拟SPI通信，主控模块30通过发送控制指令控制均衡控制模块40生成相应的PWM信号，控制均衡电路模块50中与其相连的MOS管的通断，完成系统均衡操作。
其中，均衡电路单元用于对相应的待放电单体电池放电以对待充电电池进行充电，其包括反激式变压器、开关MOS管以及整流二极管；
反激式变压器的原边分别连接对应单体电池的正、负极，反激式变压器的副边分别连接到所述动力电池组的顶端、底端；
反激式变压器的原边和对应单体电池负极之间连接有开关MOS管，开关MOS管的栅极与对应单体电池连接，且开关MOS管源极、漏极之间并联有整流二极管；
反激式变压器的副边和所述动力电池底端之间连接有开关MOS管，开关MOS管的栅极与所述均衡控制电路连接，且开关MOS管源极、漏极之间并联有整流二极管。
如图2所示，以包含三个均衡电路单元的均衡电路模块为例，对均衡电路模块50的结构进行说明如下：
图2中，T1、T2、T3为反激式变压器；S11、S12、S21、S22、S31、S32为开关MOS管；D11、D12、D21、D22、D31、D32为整流二极管；反激式变压器T1、T2、T3的原边分别连接对应单体电池的正负极，副边分别连接到动力电池组10的顶端和底端。三个均衡电路单元分别与三个单体电池B1、B2、B3一一对应连接。
需要说明的是，多级电池相邻单体之间可参照此相邻的三个单体之间的均衡单元电路拓扑展开。
结合图2，对均衡电路单元进行均衡操作的原理进行说明如下：
当主控模块30检测到B1单体电压高于B3单体电压时，输出控制信号至均衡控制模块40，均衡控制模块40输出相应的PWM调制信号控制开关MOS管S11导通、S12断开，这时电流从B1正极经T1原边绕组流到B1负极，T1的原边绕组相当于一个电感存储能量。
经过设定时间后，开关MOS管S11断开、S12导通，储存在T1原边绕组的能量直接耦合到副边。
经过设定时间后，开关MOS管S32导通，能量由T1副边绕组传递到T3副边绕组。
再经过相应设定时间后，开关MOS管S12、S32均断开，此时开关MOS管S31导通，储存在T3副边绕组的能量直接耦合到原边，把能量转移到单体电压较低的B3电池，由此实现能量从电池B1转移到电池B3。
需要说明的是，本实施例中每个阶段设定的时长可以相同也可以不同，其为经过大量试验得出的一个经验值。
作为进一步优选的方案，本实施例中各模块之间通讯部分采用循环冗余校验CRC，提高了通讯数据质量的可靠性。
需要说明的是，本发明实施例的电池主动均衡系统，对均衡和单体电池电压、电流、温度采集实现了集成化控制，均衡过程中实现的是能量的转移而不是消耗，均衡过程中的电流大，均衡效率高。此外，采用模块化设计，可同时对多个单体电池进行均衡，利于拓展应用。
作为进一步优选的方案，如图1所示，本实施例中还设置了显示器和报警器，主控模块30通过串口与显示器、报警器连接以进行串口通信。该显示器用于接收主控模块30的控制，通过Labview界面显示均衡过程电池电压温度等信息的变化情况。该报警器用于在主控模块30判断单体电池的温度过高、电压偏低或偏高时，进行报警。
需要说明的是，通过微控制器连接报警装置60和显示装置70，显示装置70实时显示电池组各个相关参数状态，报警装置60及时对过充、过放、过流、过压等情况报警，以保护电池组。
实施例二
作为进一步优选的方案，本实施例中采用KL系列的多功能电池模拟器代替上述实施例一种的动力电池组10，该电池模拟器采用嵌入式微处理器来控制高精度的单体电池输出，每个单体电池的输出电压都可以通过上位机程序来动态控制，也可以通过与之相连的RT-LAB实时仿真机上的高精度仿真电池模型来实时控制，从而实现对整体电池组的输出动态模拟。
作为进一步优选的方案，如图1所示，本实施例中还设置了与电池模拟器连接的充/放电装置80。该充/放电装置80由dSPACE测试柜和ControDesk综合实验环境搭建而成，其通过可视化的操作方式通过DS2211板卡里的CAN模块与电池模拟器进行通信，可实时对电池模拟器进行控制，精确的模拟电池在充电放电过程中的均衡，能够真实的模拟测试机柜对真实电池的充放电过程，可快速验证均衡系统的高效性。
需要说明的是，本实施例中通过设置电池模拟器代替真实的动力电池组，以验证均衡系统的高效性，具体原理为：
根据在Simulink环境下搭建真实对电池的充放电工况，并编译下载到ControDesk综合测试环境中，生成电池充放电可视化图形界面，实时控制充放电电流大小，使用半实物仿真测试平台dSPACE机柜中DS2211板卡CAN通信模块建立与电池模拟器之间的通信，电池模拟器会输出电池组在真实充放电过程中电压变化。应用此方法可验证均衡系统在充电、放电、静置环境下的均衡过程。
需要说明的是，本实施例使用了电池模拟器代替真实电池，集合该模拟器的控制方法，验证均衡系统在充电、放电、静置下的均衡实验，验证了系统的高效性。
实施例三
如图3所示，本实施例提供了一种针对上述实施例一中动力电池组主动均衡系统的控制方法，包括如下步骤S101至S103：
S101、主控模块通过监测采集模块获取动力电池中各单体电池的电压、温度信息；
S102、主控模块根据各单体电池的电压、电流、温度信息，发送控制信号至均衡控制模块，所述控制信号携带有各单体电池的电压、温度信息；
S103、均衡控制模块根据接收的控制信号，生成相应的PWM信号控制均衡电路模块完成对动力电池组的均衡处理。
需要说明的是，主控模块30在判断单体电池的温度过高或电压偏低或电压偏高时，控制报警装置进行报警，并切断系统主电路，然后通过对单体电池电流的采集判断电池组是处于充电、放电和静置状态，并执行相应的均衡操作。如图4所示：
在工作电流大于零时，判断动力电池处于充电状态，则通过所述充/放电装置对动力电池进行充电状态的均衡操作；
在工作电流等于零时，判断动力电池处于静置状态，则通过所述充/放电装置对动力电池进行静置状态的均衡操作；
在工作电流小于零时，判断动力电池处于放电状态，则通过所述充/放电装置对动力电池进行放电状态的均衡操作。
作为进一步优选的方案，当检测到电池组处于充电状态后，系统开始执行充电均衡操作。充电引起的电压波动要和模块或单体间电压的不均衡区分。为了尽量缩短充电时间，均衡操作开始的判断标准适当降低。如图5所示，本实施例进行充电状态下的电池均衡操作具体为：
S11、判断采集的单体电池电压中的最大值Vmax是否满足Vmax≥0.8VPP，其中VPP是单体电池均衡充电截止电压；
S12、若否，则重复执行步骤S11；
S13、若是，则计算所述动力电池组中各单体电池电压的平均值Vj；
S14、判断动力电池组中是否存在某单体电池的电压与平均值Vj的差值绝对值大于允许误差α，α＝50mV；
S15、若是，则执行充电均衡操作直至充电均衡结束；
S16、若否，则重复执行步骤S11。
作为进一步优选的方案，在判断动力电池组目前所处的状态为静置状态，开始执行静置均衡，如图6所示：
S21、在采集的单体电池电压值中，将单体电池电压的最大值Vmax与单体电池电压的最小值Vmin进行做差处理；
S22、判断差值是否满足Vmax-Vmin≥30mV；
S23、若是，则执行静置状态下的均衡操作直至均衡结束；
S24、若否，则执行步骤S21。
需要说明的是，电池静置过程中，电池自放电会造成电池的不一致性。虽然电池自放电率很小，但是随着电池充放电次数增加，各单体电池的自放电率会出现差异，在静置时间较长的情况下，可能会出现某个单体电池过放，所以静置状态下也需要均衡管理。而且，静置过程中解决了电池的均衡问题，也间接减少了充放电过程均衡管理的压力。
应当说明的是，在静置过程中，单体电压变化较小，均衡标准需相应提高。
作为进一步优选的方案，如图7所示，本实施例进行充电状态下的电池均衡操作具体为：
S31、判断采集的单体电池电压中的最小值Vmin是否满足Vmin≤1.2VDD，其中VDD为单体放电截止电压；
S32、若否，则重复执行步骤S31；
S33、若是，则计算所述动力电池组中各单体电池电压的平均值Vj；
S34、判断动力电池组中是否存在某单体电池的电压与平均值Vj的差值绝对值大于允许误差α，α＝50mV；
S35、若是，则执行放电均衡操作直至充电均衡结束；
S36、若否，则重复执行步骤S31。
需要说明的是，在实际应用中，均衡操作会对电动汽车的运动性能有所影响，放电过程中均衡管理首先需要注意在保证单体电池不过放的前提下，减少均衡操作次数而且不使用耗散性均衡电路，减少电池能量的耗散。
还需要说明的是，本实施例根据动力电池的不同工作状态，调整均衡标准，采用不同的均衡操作判断标准，提高电池组均衡效率，增加电池组使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动力电池组主动均衡系统，其特征在于，包括：动力电池组、监测采集模块、主控模块、均衡控制模块以及均衡电路模块；
监测采集模块的一端与动力电池组中各单体电池连接、另一端与主控模块连接，主控模块通过SPI总线与均衡控制模块连接进行双向通信，均衡控制模块的驱动端通过均衡电路模块与动力电池组连接。
2.如权利要求1所述的动力电池组主动均衡系统，其特征在于，所述均衡电路模块包括多个均衡电路单元，该多个均衡电路单元分别与所述动力电池组中各单体电池一一对应连接。
3.如权利要求2所述的动力电池组主动均衡系统，其特征在于，所述均衡电路单元包括反激式变压器、开关MOS管以及整流二极管；
反激式变压器的原边分别连接对应单体电池的正、负极，反激式变压器的副边分别连接到所述动力电池组的顶端、底端；
反激式变压器的原边和对应单体电池负极之间连接有开关MOS管，开关MOS管的栅极与对应单体电池连接，且开关MOS管源极、漏极之间并联有整流二极管；
反激式变压器的副边和所述动力电池底端之间连接有开关MOS管，开关MOS管的栅极与所述均衡控制电路连接，且开关MOS管源极、漏极之间并联有整流二极管。
4.如权利要求1所述的动力电池组主动均衡系统，其特征在于，所述动力电池组为电池模拟器。
5.如权利要求4所述的动力电池组主动均衡系统，其特征在于，还包括充/放电装置，充/放电装置通过CAN模块与电池模拟器连接进行双向通信。
6.一种如权利要求1-5任一项所述动力电池组主动均衡系统的控制方法，其特征在于，包括：
主控模块通过监测采集模块获取动力电池中各单体电池的电压、温度信息；
主控模块根据各单体电池的电压、温度信息，发送控制信号至均衡控制模块，所述控制信号携带有各单体电池的电压、温度信息；
均衡控制模块根据接收的控制信号，生成相应的PWM信号控制均衡电路模块完成对动力电池组的均衡处理。
7.如权利要求6所述的动力电池组主动均衡系统的控制方法，其特征在于，在所述主控模块检测到单体电池温度、单体电池电压信息后，还包括：
所述主控模块控制所述监测采集模块采集所述动力电池组的工作电流，并根据采集的工作电流判断动力电池的工作状态，工作状态包括充电、放电以及静置；
在工作电流大于零时，判断动力电池处于充电状态，则通过所述充/放电装置对动力电池进行充电状态的均衡操作；
在工作电流等于零时，判断动力电池处于静置状态，则通过所述充/放电装置对动力电池进行静置状态的均衡操作；
在工作电流小于零时，判断动力电池处于放电状态，则通过所述充/放电装置对动力电池进行放电状态的均衡操作。
8.如权利要求7所述的动力电池组主动均衡系统的控制方法，其特征在于，所述充电状态的均衡操作，包括：
S11、判断采集的单体电池电压中的最大值Vmax是否满足Vmax≥0.8VPP，其中VPP是单体电池均衡充电截止电压；
S12、若否，则重复执行步骤S11；
S13、若是，则计算所述动力电池组中各单体电池电压的平均值Vj；
S14、判断动力电池组中是否存在某单体电池的电压与平均值Vj的差值绝对值大于允许误差α；
S15、若是，则执行充电均衡操作直至充电均衡结束；
S16、若否，则重复执行步骤S11。
9.如权利要求7所述的动力电池组主动均衡系统的控制方法，其特征在于，所述静置状态的均衡操作，包括：
S21、在采集的单体电池电压值中，将单体电池电压的最大值Vmax与单体电池电压的最小值Vmin进行做差处理；
S22、判断差值是否满足Vmax-Vmin≥30mV；
S23、若是，则执行静置状态下的均衡操作直至均衡结束；
S24、若否，则执行步骤S21。
10.如权利要求7所述的动力电池组主动均衡系统的控制方法，其特征在于，所述放电状态的均衡操作，包括：
S31、判断采集的单体电池电压中的最小值Vmin是否满足Vmin≤1.2VDD，其中VDD为单体放电截止电压；
S32、若否，则重复执行步骤S31；
S33、若是，则计算所述动力电池组中各单体电池电压的平均值Vj；
S34、判断动力电池组中是否存在某单体电池的电压与平均值Vj的差值绝对值大于允许误差α；
S35、若是，则执行放电均衡操作直至充电均衡结束；
S36、若否，则重复执行步骤S31。
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