CN110077284A - 一种主动均衡电池管理系统及其在电动汽车上的应用 - Google Patents

一种主动均衡电池管理系统及其在电动汽车上的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主动均衡电池管理系统，属于电池管理系统领域。本发明包括电池组、转换器；其还包括开关组和极性开关；所述开关组由多个双向开关组成，所述开关组的公共端为两个；所述极性开关为两个左侧公共端和两个右侧公共端，其左侧公共端与右侧公共端之间设置四个双向开关；所述开关组的一个公共端与极性开关的一个左侧公共端连接，另一个公共端与极性开关的另一个左侧公共端连接；所述极性开关的右侧公共端与转换器的低压端连接，所述转换器的高压端与电池组连接。本发明主动均衡电动汽车动力电池管理系统可以安全、高效的对电池组实施监控、均衡和保护，具有能量损耗小、发热量低、电路和控制简单、可靠性高等优点。

Description

一种主动均衡电池管理系统及其在电动汽车上的应用
技术领域
本发明属于电动汽车电池管理系统领域，具体涉及一种主动均衡电池管理系统及其在电动汽车上的应用。
背景技术
随着电动汽车的大力推广与应用，对电动汽车的续航也有越来越高的要求。由于锂电池在制造过程中会存在差异，随着使用时间的增长，这种差异也越来越大，而且电动汽车的续航里程与电池当前的状态有着直接的关系，因此有必要使用电池管理系统对电动汽车的电池组进行管理，实时监测电池组的电压、电流、温度、SOC和健康状态等，对不同的情况做出不同的处理，保护电池组免受损坏，防止出现安全事故，使电池组工作在可靠安全区域，延长电池组的使用寿命。通过电池管理系统对电池组的管理，提高电动汽车的安全性，使电动汽车的续航里程和寿命达到最大。
目前电动汽车动力电池管理系统应用最广泛的方法是被动均衡。被动均衡是通过电阻对电池组中SOC过高的电池进行放电，使电池组中每节电池的SOC达到一致，从而避免一部分锂电池因过放电对电池的性能和寿命造成影响，起到保护电池组的作用。虽然电池管理系统被动均衡方法的电路和算法简单，但是在电池均衡过程中通过电阻对电池放电会产生大量热量，不仅造成电能的浪费，还需要更好的散热系统对电池组和控制器进行散热，保证温度在合理的范围内，不会造成安全事故。
现有技术中电池管理系统也有采用主动均衡的技术方法。主动均衡具有能源利用率高，发热量小等优点，而被广发接受。主动均衡原理是将电池组中SOC过高的锂电池中的电能传递到SOC过低的电池中，使每节电池SOC一致。但目前主动均衡需要搭配DC/DC转换器进行工作，不仅仅使体积增大，而且成本高昂。
发明内容
针对现有的电动汽车动力电池管理系统，本发明公开了一种主动均衡电池管理系统及其在电动汽车上的应用。其具有能量损耗小、发热量低、成本低、可靠性高等优点。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种主动均衡电池管理系统，包括电池组、转换器；其还包括开关组和极性开关；所述开关组由多个双向开关组成，且有两个公共端；所述电池组内的每个电池的一个电极连接开关组的一个双向开关后与开关组的一个公共端连接，另一个电极连接开关组的一个双向开关后与连接开关组的另一个公共端连接；所述极性开关为两个左侧公共端和两个右侧公共端，其每个左侧公共端分别通过两个双向开关连接两个右侧公共端；所述开关组的一个公共端与极性开关的一个左侧公共端连接，另一个公共端与极性开关的另一个左侧公共端连接；所述极性开关的右侧公共端与转换器的低压端连接，所述转换器的高压端与电池组连接。
进一步的技术方案在于：还包括控制器和驱动器、电池监测芯片；所述电池监测芯片监测每个电池的电压、电池组的电流和温度；所述控制器接收电池监测芯片监测到的电池的信息，获得电池的SOC信息，并根据SOC信息控制驱动器调控开关组、极性开关和转换器进行电池组内部电能的转移。
进一步的技术方案在于：所述转换器包括电容C1～C4，电感L1，二极管D1，电阻R1、R2，开关管S1～S4，双向开关管S5以及变压器；
所述电容C1的两端分别作为转换器的低压端，所述电感L1的一端与转换器的一个低压端连接，另一端分别与开关管S1、电阻R1，电容C2、变压器原边连接；所述电阻R2一端与转换器的另一个低压端连接，另一端分别与开关管S2、开关管S1另一端连接；开关管S2的另一端分别与变压器原边的另一端、二极管D1正极连接；所述二极管D1的负极分别与电阻R1的另一端、电容C2的另一端连接；所述电容C4的两端分别作为转换器的高压端，所述转换器的副边的一端与双向开关管S5连接，另一端分别与开关管S3、电容C3连接，所述双向开关管S5的另一端与转换器的一个高压端连接；电容C3的另一端与开关管S4连接，所述开关管S4的另一端、开关管S3的另一端均与转换器的高压端连接。
进一步的技术方案在于：所述双向开关为双向开关管。
进一步的技术方案在于：所述开关管S1～S4，双向开关管S5均与驱动器连接。
进一步的技术方案在于：所述控制器由单片机及其外围电路构成。
进一步的技术方案在于：所述电池监测芯片监测每节电池的电压、电池组的电流和温度，并将数据通过SPI通讯发送给控制器。
进一步的技术方案在于：所述驱动器由多个集成驱动芯片IR25750L及其外围电路构成。
进一步的技术方案在于：所述电池监测芯片为锂电池监测芯片LTC6812。
进一步的技术方案在于：利用上述权利要求所述一种主动均衡电池管理系统在电动汽车上的应用。
本发明采用上述技术方案具有的有益效果：本发明主动均衡电动汽车动力电池管理系统可以安全、高效的对电池组实施监控、均衡和保护，具有能量损耗小、发热量低、电路和控制简单、可靠性高等优点。
附图说明
本发明的附图具体说明如下：
图1是本发明电池管理系统的结构图。
图2是本发明电池管理系统的开关组电路图。
图3是本发明电池管理系统的转换器电路图。
图4是本发明电池管理系统中电池SOC过高放电时转换器工作过程1。
图5是本发明电池管理系统中电池SOC过高放电时转换器工作过程2。
图6是本发明电池管理系统中电池SOC过高放电时转换器工作过程3。
图7是本发明电池管理系统中电池SOC过高放电时转换器工作过程4。
图8是本发明电池管理系统中电池SOC过低充电时转换器工作过程1。
图9是本发明电池管理系统中电池SOC过低充电时转换器工作过程2。
图10是本发明电池管理系统中电池SOC过低充电时转换器工作过程3。
图11是本发明电池管理系统中电池SOC过低充电时转换器工作过程4。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明阐述了一种主动均衡电池管理系统，包括电池组、转换器；其还包括开关组和极性开关；所述开关组由多个双向开关组成，且有两个公共端；所述电池组内的每个电池的一个电极连接开关组的一个双向开关后与开关组的一个公共端连接，另一个电极连接开关组的一个双向开关后与连接开关组的另一个公共端连接；所述极性开关为两个左侧公共端和两个右侧公共端，其每个左侧公共端分别连接两个右侧公共端，且左侧公共端与右侧公共端连接之间串接一个双向开关；所述开关组的一个公共端与极性开关的一个左侧公共端连接，另一个公共端与极性开关的另一个左侧公共端连接；所述极性开关的右侧公共端与转换器的低压端连接，所述转换器的高压端与电池组连接。
本发明优选实施例中，还包括控制器和驱动器、电池监测芯片；所述电池监测芯片监测每个电池的电压、电池组的电流和温度；所述控制器接收电池监测芯片监测到的电池的信息，获得电池的SOC信息，并根据SOC信息控制驱动器调控开关组、极性开关和转换器进行电池组内部电能的转移。
本发明优选实施例中，所述转换器包括电容C1～C4，电感L1，二极管D1，电阻R1、R2，开关管S1～S4，双向开关管S5以及变压器；
所述电容C1的两端分别作为转换器的低压端，所述电感L1的一端与转换器的一个低压端连接，另一端分别与开关管S1、电阻R1，电容C2、变压器原边连接；所述电阻R2一端与转换器的另一个低压端连接，另一端分别与开关管S2、开关管S1另一端连接；开关管S2的另一端分别与变压器原边的另一端、二极管D1正极连接；所述二极管D1的负极分别与电阻R1的另一端、电容C2的另一端连接；所述电容C4的两端分别作为转换器的高压端，所述转换器的副边的一端与双向开关管S5连接，另一端分别与开关管S3、电容C3连接，所述双向开关管S5的另一端与转换器的一个高压端连接；电容C3的另一端与开关管S4连接，所述开关管S4的另一端、开关管S3的另一端均与转换器的高压端连接。
本发明优选实施例中，所述双向开关为双向开关管。
本发明优选实施例中，所述开关管S1～S4，双向开关管S5均与驱动器连接。
本发明优选实施例中，所述控制器由单片机及其外围电路构成。
本发明优选实施例中，所述电池监测芯片监测每节电池的电压、电池组的电流和温度，并将数据通过SPI通讯发送给控制器。
本发明优选实施例中，所述驱动器由多个集成驱动芯片IR25750L及其外围电路构成。
本发明优选实施例中，所述电池监测芯片为锂电池监测芯片LTC6812。
本发明优选实施例中，如图1所示，电池监测芯片测量每节电池的电压，电池组的电流和温度发送给控制器。控制器根据所有锂电池状态判断需要均衡哪些电池，通过控制由双向开关组成的开关组，选择需要均衡的锂电池，进一步的控制极性开关和转换器对电池进行均衡。控制器将电池组实时状态发送到汽车CAN总线，使整车控制器根据实时情况合理的使用电池组。
本发明优选实施例中，上述所述一种主动均衡电池管理系统在电动汽车上的应用。包括以下步骤：
步骤一，电池组参数的测量。如附图1所示，首先，控制器从内部FLASH读取出电池组的历史数据，如电池的循环次数、上一次停机时电池的SOC、上一次停机时电池的健康状态。进一步的，控制器每隔50ms通过SPI通讯发送测量电池电压指令、测量电池组电流指令、测量电池组温度指令给电池监测芯片，要求电池监测芯片测量每节电池的电压、电池组电流和温度，并将测量的数据通过SPI通讯发送给控制器。进一步的，控制器通过算法计算出电池组的最大放电电流、最大放电深度、剩余电量和电池组可用时间的估计等，并且由控制器将数据发送到汽车CAN总线，以便电动汽车中其他的控制器使用。
步骤二，电池组均衡。控制器得到每节电池的电压后，通过算法进行处理，判断哪一小部分电池的SOC过高还是过低。若某一小部分电池的SOC过高，则通过控制器的控制，按SOC从高到低依次对这一部分电池进行放电，并将电能转移到电池组；若某一小部分的电池的SOC过低，则通过控制器的控制对电池组进行放电，将电池组中的电能通过转换器按SOC从低到高依次转移到这一小部分电池。
具体的步骤如下：
(1)首先，控制器通过控制驱动器来驱动开关组选定某一节电池，开关组的电路如附图2所示。
①假设电池C6的SOC过高，则需要将电池C6中的电能通过转换器转移到C1-C7构成的电池组中。进一步的，控制器控制驱动器将双向开关S2、S3打开，并且将极性开关S12、S13打开，此时电池C6与转换器相连，控制器通过控制驱动器来控制转换器将电池C6中的电能转移到C1-C7构成的电池组中。
②假设电池C5的SOC过低，则需要将电池组中的电能通过转换器转移到电池C5中。进一步的，控制器控制驱动器将双向开关S3、S4打开，并且将极性开关S11、S14打开，此时电池C5与转换器相连，控制器通过控制驱动器来控制转换器将电池组中的电能转移到电池C5中。
(2)转换器的电路如附图3所示。
①当某一节电池的SOC过高时，需要将高SOC电池中的电能通过转换器转移到电池组中。如附图4所示，首先双向开关管S5导通，开关管S1导通，开关管S2关断，此时开关管S3处于关断状态，开关管S4处于关断状态。电流流过电感L1和开关管S1，并且电感电流线性增加，电池中的电能存储在电感L1中。
如附图5所示，开关管S2导通，开关管S1关断，开关管S3导通，开关管S4关断，此时电感中存储的电能与这节SOC很高的电池一起向变压器原边供电，变压器副边的电压方向为上正下负，电流流经开关管S3、变压器副边、双向开关管S5给电池组充电。
如附图6所示，开关管S1关断，开关管S2关断，此时变压器原边的励磁电流流经RCD吸收电路，变压器磁复位。同时开关管S4导通，开关管S3关断，此时变压器副边电流流经开关管S4，电容C3，变压器副边线圈和双向开关管S5给电池组充电，且电流逐渐减小至0。
如附图7所示，当流经RCD吸收电路的电流为0时，变压器磁复位，此时开关管S4关断。电路的一个工作周期结束。
②当某一节电池的SOC过低时，需要将电池组的电能通过转换器转移到低SOC的电池中。首先，如附图8所示，双向开关管S5导通，开关管S1关断，开关管S2导通，开关管S4关断，开关管S3导通，此时，电池组的电流流经双向开关S5流入到变压器副边；变压器原边的电压方向为上正下负，电流经过开关管S2，变压器原边，电感L1给低SOC电池充电。
如附图9所示，开关管S3关断，开关管S4导通。此时开关管S1未被导通，但开关管S1的反并联二极管已经导通。流经开关管S1的二极管的电流逐渐增大，此阶段为死区阶段，防止电流陡增将开关管损坏。流经开关管S2的电流逐渐减小，变压器原边和电感L1中的电能转移到低SOC的电池中。同时，变压器副边的电流和副边的励磁电流流入到电容C3中，变压器磁复位。
如附图10所示，开关管S1导通，导通损耗进一步降低，开关管S2关断。流经开关管S1的电流增大，电感L1中的电能继续转移到低SOC的电池中。
如附图11所示，当流经采样电阻R2的电流减小到0时，开关管S1关闭，开关管S4关闭，此时，电路的一个工作周期结束。
步骤三，均衡后电池组信息的发送与存储。电池组均衡过程将电池组中所有的电池的SOC调节到一致，此时电池组有最佳的性能。同时，开关组的双向开关和极性开关都关闭。如附图1所示，结合电池组历史数据和电池组当前的电压、温度、SOC状态，经过控制器计算与估计后，将电池组的最大放大电流、电池组的剩余电量发送到汽车的CAN总线中，以便汽车其他控制器使用，并且将电池组状态显示在汽车仪表盘中。当汽车停止后，控制器将当前电池SOC、电池的健康状态、电池循环次数、电池的剩余寿命的估计、此次使用电池的损耗存储到控制器内部FLASH中，以便下一次电池管理系统工作时使用。
综上所述，本发明通过控制器控制各个开关管的状态，使电池SOC过高时，将电能转移到电池组中；电池SOC过低时，电池组中电能转移到低SOC电池中。这种主动均衡电路，摒弃传统的DC/DC转换器，即减少了成本，又降低了能量的损耗和电池管理系统的发热。使电池管理系统能够安全，高效的运行。

Claims (10)

1.一种主动均衡电池管理系统，包括电池组、转换器；其特征在于：还包括开关组和极性开关；所述开关组由多个双向开关组成，且有两个公共端；所述电池组内的每个电池的一个电极连接开关组的一个双向开关后与开关组的一个公共端连接，另一个电极连接开关组的一个双向开关后与连接开关组的另一个公共端连接；所述极性开关为两个左侧公共端和两个右侧公共端，其每个左侧公共端分别通过两个双向开关连接两个右侧公共端；所述开关组的一个公共端与极性开关的一个左侧公共端连接，另一个公共端与极性开关的另一个左侧公共端连接；所述极性开关的右侧公共端与转换器的低压端连接，所述转换器的高压端与电池组连接。
2.根据权利要求1所述的一种主动均衡电池管理系统，其特征在于：还包括控制器和驱动器、电池监测芯片；所述电池监测芯片监测每个电池的电压、电池组的电流和温度；所述控制器接收电池监测芯片监测到的电池的信息，获得电池的SOC信息，并根据SOC信息控制驱动器调控开关组、极性开关和转换器进行电池组内部电能的转移。
3.根据权利要求1或2所述的一种主动均衡电池管理系统，其特征在于：所述转换器包括电容C1～C4，电感L1，二极管D1，电阻R1、R2，开关管S1～S4，双向开关管S5以及变压器；
所述电容C1的两端分别作为转换器的低压端，所述电感L1的一端与转换器的一个低压端连接，另一端分别与开关管S1、电阻R1，电容C2、变压器原边连接；所述电阻R2一端与转换器的另一个低压端连接，另一端分别与开关管S2、开关管S1另一端连接；开关管S2的另一端分别与变压器原边的另一端、二极管D1正极连接；所述二极管D1的负极分别与电阻R1的另一端、电容C2的另一端连接；所述电容C4的两端分别作为转换器的高压端，所述转换器的副边的一端与双向开关管S5连接，另一端分别与开关管S3、电容C3连接，所述双向开关管S5的另一端与转换器的一个高压端连接；电容C3的另一端与开关管S4连接，所述开关管S4的另一端、开关管S3的另一端均与转换器的高压端连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种主动均衡电池管理系统，其特征在于：所述双向开关为双向开关管。
5.根据权利要求3所述的一种主动均衡电池管理系统，其特征在于：所述开关管S1～S4，双向开关管S5均与驱动器连接。
6.根据权利要求2所述的一种主动均衡电池管理系统，其特征在于：所述控制器由单片机及其外围电路构成。
7.根据权利要求2所述的一种主动均衡电池管理系统，其特征在于：所述电池监测芯片监测每节电池的电压、电池组的电流和温度，并将数据通过SPI通讯发送给控制器。
8.根据权利要求2所述的一种主动均衡电池管理系统，其特征在于：所述驱动器由多个集成驱动芯片IR25750L及其外围电路构成。
9.根据权利要求2所述的一种主动均衡电池管理系统，其特征在于：所述电池监测芯片为锂电池监测芯片LTC6812。
10.根据权利要求1-9任一项权利要求所述一种主动均衡电池管理系统在电动汽车上的应用。
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