CN109249839A - 一种电动汽车储能装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动汽车储能装置及其控制方法，该装置包括依次串联的N个电池，串联电路的一端相接电源，另一端接地，相邻两个电池之间并接一个逆变均衡模块，每个逆变均衡模块由电容C1、电感L1/L2、可控开关器件S1/S2和二极管D1/D2组成。工作时，可控开关器件S1/S2在PWM脉冲的控制下交替导通。当可控开关器件S1导通时，电池B1的充电电流减小，电感L1开始蓄能；当可控开关器件S1断开时，可控开关器件S2导通，电感L1感生出左正右负的感生电动势并对电池B2释能，使其充电电流高于其他电池。控制PWM脉冲的脉宽可调整每个周期的电荷均衡量，改变PWM脉冲的极性可以控制电荷的转移方向。该方案可以实现电池的无损均衡。

Description

一种电动汽车储能装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电池领域技术，尤其是指一种电动汽车储能装置及其控制方法。

背景技术

电动汽车动力电池由多节单体充电电池串并联而成，以满足动力源的电压需求和容量需求。由于制造工艺、老化及环境温度的影响，单体电池在容量、内阻等性能上不可避免地存在不一致性。成组工作的单体电池的循环寿命低于单独工作的单体电池，这主要是由单体电池的不一致性造成的。

电池的不一致性及其危害主要表现在：

(1)容量不一致性。首先，容量不同的蓄电池放电深度不尽相同。同组电池中，容量较大的电池还处于浅放电时，容量较小的电池可能已进入深放电阶段或已放电完而成为电路的负载，出现蓄电池的反极现象，使得整个蓄电池组不能正常工作，同时对反极的蓄电池寿命造成极大的影响。其次，不同容量的同类电池最佳放电电流不同，但成组工作时各电池工作电流相同，无法兼顾。最后，充电过程中，容量较小的电池电压上升较快，充电即将结束时极易过充。容量较小的电池在充放电过程中易进入恶性循环而提前损坏。

(2)内阻不一致性。放电过程中，内阻大的电池压降和能量损耗较大，易产生热量导致电池升温，而环境温度的不一致性会进一步加剧组内电池性能的不均衡。充电过程中，内阻较大的电池充电电压较大，容易提前达到电压上限。

(3)电压不一致性。容量和内阻不一致，导致电池组在使用过程中电压不一致性日趋严重。电压不一致成为电池特性不一致的最终表象。对单体电池能量进行均衡控制是确保电池组充分发挥效能的重要保障。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种电动汽车储能装置及其控制方法，其通过逆变均衡模块对电池电压的均衡，以一种新的控制方法来补偿使电池电压更趋向一致性，如此，不但能缩小电池电压的差异，还能提高电池包的放电容量，从而克服现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种电动汽车储能装置，包括依次串联的N个电池，串联电路的一端相接电源，另一端接地，相邻两个电池之间并接一个逆变均衡模块，每个逆变均衡模块由电容C1、电感L1/L2、可控开关器件S1/S2和二极管D1/D2组成，

电感L1的第一端相接于电池B1的正极，电感L1的第二端相接于可控开关器件S1，可控开关器件S1的另一端相接于电池B1的负极，可控开关器件S1受PWM控制，从而保证电池B1的能量由高向低的转移；二极管D1与可控开关器件S1并联，该二极管D1的正极相接于电池B1的负极，该二极管D1的负极相接于电感L1的第二端；

电感L2的第一端相接于电池B2的负极，电感L2的第二端相接于可控开关器件S2，可控开关器件S2的另一端相接于电池B2的正极，可控开关器件S2受PWM控制，从而保证电池B2的能量由高向低的转移；二极管D2与可控开关器件S2并联，该二极管D2的负极相接于电池B2的正极，该二极管D1的正极相接于电感L2的第二端；

所述电容C1相接于电感L1/L2之间。

作为一种优选方案，所述可控开关器件S1/S2为场效应管。

作为一种优选方案，所述可控开关器件S1/S2的控制端相接于逻辑切换器，所述逻辑切换器相接于PWM调制器，该PWM调制器相接于均衡控制单元的第一路信号输出P1，以及该均衡控制单元还有第二路信号输出P2直接相接于逻辑切换器。

作为一种优选方案，所述均衡控制单元相接有显示模块，CAN/SCI通讯模块。

作为一种优选方案，所述均衡控制单元具有每秒高达3 000万条指令的处理性能，片内集成AD资源和CAN、SPI、SCI多种外设接口，可扩展到64K的外部数据、程序存储空间寻址能力，均衡控制单元具有EVA、EVB两个事件管理模块，每个管理模块都包括两个可配置时钟的通用定时单元、6个带死区控制的比较单元、3个可编程的捕获单元，特别适合于电机控制和功率器件的PWM调节；

第一路信号输出P1、第二路信号输出P2驱动控制信号就是由主均衡控制单元的EVB模块定时器T3、T4的比较输出产生，系统内部时钟频率40MHz，PWM开关频率20kHz；采用单闭环数字化复合PID控制，输出最大电压380V，最大输出功率3kW；调节T3、T4模块定时器的值实现的调节，从而实现均衡充电电压和功率的调节。

一种电动汽车储能装置的控制方法，包括以下步骤

1)检测N个电池的电压，记录电池电压的最高值Umax，最低值Umin；

2)计算出电压平均值ū，计算Umax-Umin的差值；

3)检测是否存在Umax-Umin>UTH，UTH为均衡控制的电压阀值；

4)当Umax-Umin<UTH时均衡结束；

5)当电池组中存在Umax-Umin>UTH时，说明电池组存在不均衡的电池，阵列选择开关分别选择将偏离电压平均值较高的电池和较低的电池配对形成一个均衡对；

6)当均衡对中的2个电池差值绝对值超过电压阀值UTH时，即|U1-U2|>UTH时均衡启动；7)当所有均衡对中的2个电池都达到|U1-U2|<UTH时，一轮均衡结束，此后如果仍存在Umax-Umin>UTH的情况，则继续配对均衡，如此循环直至电池组达到均衡。

作为一种优选方案，所述均衡控制单元检测并比较U1-U2的电压，求得ΔU，通过第一路信号输出P1，用ΔU的极性指挥逻辑电路，控制能量流的方向，使得当ΔU>0，即U1>U2时，电池B1向电池B2传递能量，反之，当ΔU<0，电池B2向电池B1传递能量。

作为一种优选方案，所述均衡控制单元检测并比较U1-U2的电压，求得ΔU，通过第二路信号输出P2，用ΔU的大小控制能量流的传递速率，即PWM调制器的占空比，PWM调制器产生与ΔU的大小成正比的PWM信号。

作为一种优选方案，所述逻辑切换单元控制的功能：当ΔU>0时，S1进行PWM控制，S2封锁，控制能量从E1传向E2；而ΔU<0时，S2进行PWM控制，S1封锁，控制能量从E2传向E1。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，本发明电动汽车储能装置和控制方法，各电池组荷电状态的均衡是通过对电压不足电池单元的充电和电压充足电池单元的放电来实现，能够减小各电池组荷电状态的差异，应采用逆变均衡模块保持电池包处于平衡状态，避免由于单体电池的不平衡将减小电池包可用容量和输出功率，直接导致电动汽车的性能劣化。以此改善电池的性能，延长电池的使用寿命。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明之实施例的动汽车储能装置示意图。

图2是本发明之实施例的逆变均衡模块连接示意图。

图3是本发明之实施例的逆变均衡模块电路图。

图4是本发明之实施例的控制方法流程图。

图5是本发明之实施例的控制方法效果图。

附图标识说明：

10、电池组 20、逆变均衡模块

30、均衡控制单元 40、CAN/SCI通信单元

50、显示模块。

具体实施方式

本发明的电动汽车储能装置的结构如图1至图3所示，包括电池组10、逆变均衡模块20、均衡控制单元30、CAN/SCI通信单元40、显示模块50，该均衡控制单元30和逆变均衡模块20均与电池组10相连，该CAN/SCI通信单元40和显示模块50均与均衡控制单元30相连。

所述电池组10包括依次串联的N个电池，串联电路的一端相接电源，另一端接地。相邻两个电池之间并接一个逆变均衡模块20，每个逆变均衡模块20由电容C1、电感L1/L2、可控开关器件S1/S2和二极管D1/D2组成。

电感L1的第一端相接于电池B1的正极，电感L1的第二端相接于可控开关器件S1，可控开关器件S1的另一端相接于电池B1的负极，可控开关器件S1受PWM控制，从而保证电池B1的能量由高向低的转移；二极管D1与可控开关器件S1并联，该二极管D1的正极相接于电池B1的负极，该二极管D1的负极相接于电感L1的第二端。

电感L2的第一端相接于电池B2的负极，电感L2的第二端相接于可控开关器件S2，可控开关器件S2的另一端相接于电池B2的正极，可控开关器件S2受PWM控制，从而保证电池B2的能量由高向低的转移；二极管D2与可控开关器件S2并联，该二极管D2的负极相接于电池B2的正极，该二极管D1的正极相接于电感L2的第二端。

所述电容C1相接于电感L1/L2之间。

工作时，可控开关器件S1/S2在PWM脉冲的控制下交替导通。当可控开关器件S1导通时，电池B1的充电电流减小，电感L1开始蓄能；当可控开关器件S1断开时，可控开关器件S2导通，电感L1感生出左正右负的感生电动势并对电池B2释能，使其充电电流高于其他电池。控制PWM脉冲的脉宽可调整每个周期的电荷均衡量，改变PWM脉冲的极性可以控制电荷的转移方向。该方案可以实现电池的无损均衡。

作为一种优选方案，所述可控开关器件S1/S2为场效应管。例如，可控开关器件S1为NMOS管，可控开关器件S2为PMOS管。

如图3所示，所述可控开关器件S1/S2的控制端相接于逻辑切换器，所述逻辑切换器相接于PWM调制器，该PWM调制器相接于均衡控制单元30的第一路信号输出P1，以及该均衡控制单元30还有第二路信号输出P2直接相接于逻辑切换器。

所述均衡控制单元30例如可以基于TI公司生产的高速定点DSP芯片TMS 2407A进行开发。此种芯片具有每秒高达3 000万条指令的处理性能，片内集成AD资源和CAN、SPI、SCI多种外设接口，可扩展到64K的外部数据、程序存储空间寻址能力，均衡控制单元30具有EVA、EVB两个事件管理模块，每个管理模块都包括两个可配置时钟的通用定时单元、6个带死区控制的比较单元、3个可编程的捕获单元，特别适合于电机控制和功率器件的PWM调节。

所述均衡控制单元30的第一路信号输出P1、第二路信号输出P2驱动控制信号就是由主均衡控制单元30的EVB模块定时器T3、T4的比较输出产生，系统内部时钟频率40MHz，PWM开关频率20kHz；采用单闭环数字化复合PID控制，输出最大电压380V，最大输出功率3kW；调节T3、T4模块定时器的值实现的调节，从而实现均衡充电电压和功率的调节。

逆变均衡模块30就是一种单向或双向辅助电源，它与主电源或负载一起对电池组充电或放电，辅助电源起微调作用。当电池组开路电压高于平均值时，辅助电源暂停充电或使该电池组通过逆变均衡模块30向开路电压低于平均值的电池组放电；开路电压低的电池组继续由主电源和辅助电源充电，以此达到电池组间的电压均衡。逆变均衡模块30容量大，即指传递元件L 1、L 2、C传递的能量大，则辅助充电电流大，微调作用强；但是容量太大将使逆变均衡模块30的体积、质量、功耗、成本等加大。同理容量太小，辅助充电电流太小，则均衡力度不够将出现电池组间电压差异不符合要求(一般要求小于015％)。根据国内电池性能，经验表明选择逆变均衡模块30的标称电流为电池标称电流的0.05～0.1倍，即0.05C～0.1C是较适宜的。

如图4所示，基于上述电动汽车储能装置的控制方法，包括以下步骤。

1)检测N个电池的电压，记录电池电压的最高值Umax，最低值Umin；

2)计算出电压平均值ū，计算Umax-Umin的差值；

3)检测是否存在Umax-Umin>UTH，UTH为均衡控制的电压阀值；

4)当Umax-Umin<UTH时均衡结束；

5)当电池组10中存在Umax-Umin>UTH时，说明电池组10存在不均衡的电池，阵列选择开关分别选择将偏离电压平均值较高的电池和较低的电池配对形成一个均衡对；

6)当均衡对中的2个电池差值绝对值超过电压阀值UTH时，即|U1-U2|>UTH时均衡启动；7)当所有均衡对中的2个电池都达到|U1-U2|<UTH时，一轮均衡结束，此后如果仍存在Umax-Umin>UTH的情况，则继续配对均衡，如此循环直至电池组10达到均衡。

所述均衡控制单元30检测并比较U1-U2的电压，求得ΔU，通过第一路信号输出P1，用ΔU的极性指挥逻辑电路，控制能量流的方向，使得当ΔU>0，即U1>U2时，电池B1向电池B2传递能量，反之，当ΔU<0，电池B2向电池B1传递能量。

所述均衡控制单元30的另一个功能是：检测并比较U1-U2的电压，求得ΔU，通过第二路信号输出P2，用ΔU的大小控制能量流的传递速率，即PWM调制器的占空比，PWM调制器产生与ΔU的大小成正比的PWM信号。

所述逻辑切换单元控制的功能是：当ΔU>0时，S1进行PWM控制，S2封锁，控制能量从E1传向E2；而ΔU<0时，S2进行PWM控制，S1封锁，控制能量从E2传向E1。

将某型纯电动汽车84节80Ah的动力锂离子电池组10串联充电至标称电量的97.3％后，利用该套电动汽车储能装置对池组进行2h均衡充电试验。试验结束后系统温升小于6℃，均衡充电前后电池组10内所有电池的端电压对比如图5，电池单体电压绝对差从均衡前的0.157V缩小到均衡后的0.03V，电池组10的不一致性得到很大的改善。该种均衡充电方法的均衡力度较大，均衡效果明显。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种电动汽车储能装置，包括依次串联的N个电池，串联电路的一端相接电源，另一端接地，其特征在于：相邻两个电池之间并接一个逆变均衡模块，每个逆变均衡模块由电容C1、电感L1/L2、可控开关器件S1/S2和二极管D1/D2组成，

电感L1的第一端相接于电池B1的正极，电感L1的第二端相接于可控开关器件S1，可控开关器件S1的另一端相接于电池B1的负极，可控开关器件S1受PWM控制，从而保证电池B1的能量由高向低的转移；二极管D1与可控开关器件S1并联，该二极管D1的正极相接于电池B1的负极，该二极管D1的负极相接于电感L1的第二端；

电感L2的第一端相接于电池B2的负极，电感L2的第二端相接于可控开关器件S2，可控开关器件S2的另一端相接于电池B2的正极，可控开关器件S2受PWM控制，从而保证电池B2的能量由高向低的转移；二极管D2与可控开关器件S2并联，该二极管D2的负极相接于电池B2的正极，该二极管D1的正极相接于电感L2的第二端；

所述电容C1相接于电感L1/L2之间。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车储能装置，其特征在于：所述可控开关器件S1/S2为场效应管。

3.根据权利要求1所述的一种电动汽车储能装置，其特征在于：所述可控开关器件S1/S2的控制端相接于逻辑切换器，所述逻辑切换器相接于PWM调制器，该PWM调制器相接于均衡控制单元的第一路信号输出P1，以及该均衡控制单元还有第二路信号输出P2直接相接于逻辑切换器。

4.根据权利要求3所述的一种电动汽车储能装置，其特征在于：所述均衡控制单元相接有显示模块，CAN/SCI通讯模块。

5.根据权利要求4所述的一种电动汽车储能装置，其特征在于：所述均衡控制单元具有每秒高达3 000万条指令的处理性能，片内集成AD资源和CAN、SPI、SCI多种外设接口，可扩展到64K的外部数据、程序存储空间寻址能力，均衡控制单元具有EVA、EVB两个事件管理模块，每个管理模块都包括两个可配置时钟的通用定时单元、6个带死区控制的比较单元、3个可编程的捕获单元，特别适合于电机控制和功率器件的PWM调节；

第一路信号输出P1、第二路信号输出P2驱动控制信号就是由主均衡控制单元的EVB模块定时器T3、T4的比较输出产生，系统内部时钟频率40MHz，PWM开关频率20kHz；采用单闭环数字化复合PID控制，输出最大电压380V，最大输出功率3kW；调节T3、T4模块定时器的值实现的调节，从而实现均衡充电电压和功率的调节。

6.一种电动汽车储能装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤

1)检测N个电池的电压，记录电池电压的最高值Umax，最低值Umin；

2)计算出电压平均值ū，计算Umax-Umin的差值；

3)检测是否存在Umax-Umin>UTH，UTH为均衡控制的电压阀值；

4)当Umax-Umin<UTH时均衡结束；

5)当电池组中存在Umax-Umin>UTH时，说明电池组存在不均衡的电池，阵列选择开关分别选择将偏离电压平均值较高的电池和较低的电池配对形成一个均衡对；

6)当均衡对中的2个电池差值绝对值超过电压阀值UTH时，即|U1-U2|>UTH时均衡启动；7)当所有均衡对中的2个电池都达到|U1-U2|<UTH时，一轮均衡结束，此后如果仍存在Umax-Umin>UTH的情况，则继续配对均衡，如此循环直至电池组达到均衡。

7.根据权利要求6所述的一种电动汽车储能装置的控制方法，其特征在于：所述均衡控制单元检测并比较U1-U2的电压，求得ΔU，通过第一路信号输出P1，用ΔU的极性指挥逻辑电路，控制能量流的方向，使得当ΔU>0，即U1>U2时，电池B1向电池B2传递能量，反之，当ΔU<0，电池B2向电池B1传递能量。

8.根据权利要求6或7所述的一种电动汽车储能装置的控制方法，其特征在于：所述均衡控制单元检测并比较U1-U2的电压，求得ΔU，通过第二路信号输出P2，用ΔU的大小控制能量流的传递速率，即PWM调制器的占空比，PWM调制器产生与ΔU的大小成正比的PWM信号。

9.根据权利要求1所述的一种电动汽车储能装置的控制方法，其特征在于：所述逻辑切换单元控制的功能：当ΔU>0时，S1进行PWM控制，S2封锁，控制能量从E1传向E2；而ΔU<0时，S2进行PWM控制，S1封锁，控制能量从E2传向E1。