CN110341548A - 一种基于外接电源的动力电池组主动均衡系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于外接电源的动力电池组主动均衡系统及控制方法,该系统包括:动力电池组、信号采集模块、均衡控制模块、开关模块、超级电容器与外接电源;信号采集模块将采集到的动力电池组工作状态数据发送给均衡控制模块;均衡控制模块根据动力电池组的工作状态数据,执行主动均衡控制方法,对第一开关模块和第二开关模块的开合进行控制;超级电容器进行充电后,均衡控制模块控制通过第一开关模块的开合,进而控制超级电容器为单体电池进行充电;均衡控制模块通过控制第二开关模块的开合,进而控制外接电源为超级电容器进行充电。本发明可以加快电池组的均衡速度,提高均衡效率,简化电路设计,优化控制策略,提高整个电池组的一致性。

Description

一种基于外接电源的动力电池组主动均衡系统及控制方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车电池管理系统,尤其涉及一种基于外接电源的动力电池组主动均衡系统及控制方法。
背景技术
随着节能与环保的问题越来越受到人们的重视,越来越多的国家开始推广电动汽车。作为电动汽车重要的能量来源,动力电池组通常是由许多电池单体经过串联和并联的方式获得的,但是由于生产制造水平和使用环境的影响,会导致不同电池单体之间存在着性能差异,如果不采取一定的技术手段来消除这种差异,就会影响整个电池组的安全性能和使用寿命。
目前已经存在解决动力电池组不一致性问题的主动均衡技术,但是现有的技术方案一般都是由电容或者电感作为传递能量的中间介质,即先由电压高的电池单体为电容/电感进行充电,然后由电容/电感为电压低的电池单体进行充电,这一技术方案存在着以下缺陷:第一个缺陷是速度慢,所需时间长,当电池单体为电容/电感充电时,二者之间的电压差会逐渐降低,进而会导致充电速率逐渐减小,直至充电停止,同样在电容/电感为电池单体充电的过程中,也存在着类似的问题,即电容/电感两端电压会随着放电过程的进行而逐渐降低,进而使其放电能力不断下降,导致放电速度越来越慢;第二个缺陷是电量低的单体所需要补充的电量可能无法由一节电量高的单体完全提供,因此需要多个单体依次为同一单体充电,控制策略复杂,耗时过长;第三个缺陷是参与均衡的单体的充放电次数与没有参与均衡的相比有所增加,而电池的充放电次数直接影响着电池性能,长此以往反而会加剧不同电池单体之间的不一致性;第四个缺陷是所有单体相互之间要同时存在充电和放电两个闭合回路,所以电路结构和控制策略复杂。
因而现有的主动均衡技术仍有待提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷,提供一种基于外接电源的动力电池组主动均衡系统及控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
本发明提供一种基于外接电源的动力电池组主动均衡系统,该系统包括:动力电池组、信号采集模块、均衡控制模块、开关模块、超级电容器与外接电源;其中:
动力电池组包括多个单体电池;
开关模块包括第一开关模块和第二开关模块;
外接电源、超级电容器、开关模块、动力电池组以及负载依次连接;
信号采集模块的输入端与动力电池组相连,输出端与均衡控制模块的输入端相连,将采集到的动力电池组工作状态数据发送给均衡控制模块;
均衡控制模块的输出端分为两路,分别与第一开关模块、第二开关模块相连,均衡控制模块根据动力电池组的工作状态数据,执行主动均衡控制方法,对第一开关模块和第二开关模块的开合进行控制;
超级电容器进行充电后,均衡控制模块控制通过第一开关模块的开合,进而控制超级电容器为单体电池进行充电;均衡控制模块通过控制第二开关模块的开合,进而控制外接电源为超级电容器进行充电。
进一步地,本发明的信号采集模块包括电压采集单元、电流采集单元和温度采集单元,信号采集模块用于采集电池单体的电压、电流和温度信息,并将其传递给均衡控制模块。
进一步地,本发明的均衡控制模块的输入端与信号采集模块的输出端相连,均衡控制模块通过对信号采集模块采集到的电压、电流与温度信息进行计算分析,向开关模块输出不同高低电平的脉冲信号,控制开关模块闭合或者断开。
进一步地,本发明的超级电容器通过第一开关模块与电池组中的各个单体组成闭合回路。
进一步地,本发明的外接电源通过第二开关模块与超级电容器组成闭合回路。
进一步地,本发明的第一开关模块由MOS管与二极管组成,MOS管的基极与均衡控制模块的第一输出端相连,MOS管的栅极与超级电容器相连,MOS管的源极与二极管的阳极相连,二极管的阴极与电池单体相连,二极管用于防止MOS管被反向击穿。
进一步地,本发明的第二开关模块由MOS管与二极管组成,MOS管的基极与均衡控制模块的第二输出端相连,所述MOS管的栅极与外接电源相连,所述MOS管的源极与二极管的阳极相连,所述二极管的阴极与超级电容器相连,所述二极管起到防止MOS管被反向击穿的作用。
进一步地,本发明的第一开关模块由多个开关组N-N’组成,开关组N-N’由开关N与开关N’组成,开关N用于控制电池单体的正极与超级电容器之间的通断,开关N’用于控制电池单体的负极与超级电容器之间的通断。
本发明提供一种基于外接电源的动力电池组主动均衡系统的控制方法,包括以下步骤:
步骤1、信号采集模块采集电池单体的电压、电流、温度信号,并传递给均衡控制模块;
步骤2、均衡控制模块通过对信号采集模块采集到的信息进行计算分析,判断是否存在需要进行均衡的电池单体,若存在,则跳转至步骤3,否则,跳转至步骤6;
步骤3、均衡控制模块分析出需要进行均衡的电池单体,并控制对应的开关组N-N’关闭,同时控制第二开关模块断开,超级电容器给电池单体充电,持续t1秒,单体电压升高,超级电容器两端电压降低;
步骤4、均衡控制模块控制开关组N-N’断开,同时控制第二开关模块闭合,外接电源给超级电容器充电,持续t2秒,超级电容器两端电压升高;
步骤5、跳转至步骤2;
步骤6、主动均衡控制方法结束。
进一步地,本发明的步骤2中对信号采集模块采集到的信息进行计算分析的具体方法为:
步骤2.1、当电池单体的温度大于设定的阈值T1时,表示该电池单体存在安全隐患,均衡控制模块立即停止对其进行充放电,并等待进一步处理;当电池单体的温度小于设定的阈值T1时,转入步骤2.2;
步骤2.2、当电池单体的电压小于设定的阈值V时,表示该电池单体已经过度放电,均衡控制模块立即停止对其进行充放电,并等待进一步处理;当电池单体M的电压大于设定的阈值V时,转入步骤2.3;
步骤2.3、均衡控制模块计算电池单体的SOC值,当电池单体M的SOC值小于设定的阈值ΔSOC时,转入步骤3;当电池单体的SOC值大于设定的阈值ΔSOC时,转入步骤6;
计算电池单体的SOC值的公式为:
其中,SOC(t)为t时刻电池的荷电状态,SOC(t0)为初始时刻电池的荷电状态,η为电池的充放电效率,I(τ)为电池的充放电电流。
本发明产生的有益效果是:本发明的基于外接电源的动力电池组主动均衡系统及控制方法,1)由于外接电源不断给超级电容器补充电量,所以超级电容器两端始终处于高压状态,响应速率快,均衡效率高,所需时间短;2)由于低电量单体所需要的电量只由超级电池器进行补充,各个单体也只与超级电容器之间存在单向的闭合回路,所以电路结构和控制策略简单;3)由于不需要其他的单体参与均衡,所以不会影响电池组其他单体的使用性能。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1为本发明实施例的系统原理图。
图2为本发明实施例的系统流程图。
图3为本发明实施例的均衡控制模块发出的控制脉冲信号示意图。
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用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,本发明实施例的基于外接电源的动力电池组主动均衡系统,该系统包括:动力电池组、信号采集模块、均衡控制模块、开关模块、超级电容器与外接电源;其中:
动力电池组包括多个单体电池;
开关模块包括第一开关模块和第二开关模块;
外接电源、超级电容器、开关模块、动力电池组以及负载依次连接;
信号采集模块的输入端与动力电池组相连,输出端与均衡控制模块的输入端相连,将采集到的动力电池组工作状态数据发送给均衡控制模块;
均衡控制模块的输出端分为两路,分别与第一开关模块、第二开关模块相连,均衡控制模块根据动力电池组的工作状态数据,执行主动均衡控制方法,对第一开关模块和第二开关模块的开合进行控制;
超级电容器进行充电后,均衡控制模块控制通过第一开关模块的开合,进而控制超级电容器为单体电池进行充电;均衡控制模块通过控制第二开关模块的开合,进而控制外接电源为超级电容器进行充电。
信号采集模块包括电压采集单元、电流采集单元和温度采集单元,信号采集模块用于采集电池单体的电压、电流和温度信息,并将其传递给均衡控制模块。
均衡控制模块的输入端与信号采集模块的输出端相连,均衡控制模块通过对信号采集模块采集到的电压、电流与温度信息进行计算分析,向开关模块输出不同高低电平的脉冲信号,控制开关模块闭合或者断开。
超级电容器通过第一开关模块与电池组中的各个单体组成闭合回路。
外接电源通过第二开关模块与超级电容器组成闭合回路。
第一开关模块由MOS管与二极管组成,MOS管的基极与均衡控制模块的第一输出端相连,MOS管的栅极与超级电容器相连,MOS管的源极与二极管的阳极相连,二极管的阴极与电池单体相连,二极管用于防止MOS管被反向击穿。
第二开关模块由MOS管与二极管组成,MOS管的基极与均衡控制模块的第二输出端相连,所述MOS管的栅极与外接电源相连,所述MOS管的源极与二极管的阳极相连,所述二极管的阴极与超级电容器相连,所述二极管起到防止MOS管被反向击穿的作用。
第一开关模块由多个开关组N-N’组成,开关组N-N’由开关N与开关N’组成,开关N用于控制电池单体的正极与超级电容器之间的通断,开关N’用于控制电池单体的负极与超级电容器之间的通断。
如图2和图3所示,本发明实施例的基于外接电源的动力电池组主动均衡系统的控制方法,包括以下步骤:
步骤1、信号采集模块采集电池单体的电压、电流、温度信号,并传递给均衡控制模块;
步骤2、均衡控制模块通过对信号采集模块采集到的信息进行计算分析,判断是否存在需要进行均衡的电池单体,若存在,则跳转至步骤3,否则,跳转至步骤6;
步骤3、均衡控制模块分析出需要进行均衡的电池单体,并控制对应的开关组N-N’关闭,同时控制第二开关模块断开,超级电容器给电池单体充电,持续t1秒,单体电压升高,超级电容器两端电压降低;
步骤4、均衡控制模块控制开关组N-N’断开,同时控制第二开关模块闭合,外接电源给超级电容器充电,持续t2秒,超级电容器两端电压升高;
步骤5、跳转至步骤2;
步骤6、主动均衡控制方法结束。
步骤2中对信号采集模块采集到的信息进行计算分析的具体方法为:
步骤2.1、当电池单体的温度大于设定的阈值T1时,表示该电池单体存在安全隐患,均衡控制模块立即停止对其进行充放电,并等待进一步处理;当电池单体的温度小于设定的阈值T1时,转入步骤2.2;
步骤2.2、当电池单体的电压小于设定的阈值V时,表示该电池单体已经过度放电,均衡控制模块立即停止对其进行充放电,并等待进一步处理;当电池单体M的电压大于设定的阈值V时,转入步骤2.3;
步骤2.3、均衡控制模块计算电池单体的SOC值,当电池单体M的SOC值小于设定的阈值ΔSOC时,转入步骤3;当电池单体的SOC值大于设定的阈值ΔSOC时,转入步骤6;
计算电池单体的SOC值的公式为:
其中,SOC(t)为t时刻电池的荷电状态,SOC(t0)为初始时刻电池的荷电状态,η为电池的充放电效率,I(τ)为电池的充放电电流。
综上所述,本发明提供的基于外接电源的动力电池组主动均衡系统,包括动力电池组、信号采集模块、均衡控制模块、开关模块、超级电容器与外接电源;所述动力电池组由多个电池单体组成;信号采集模块的输入端与动力电池组相连;均衡控制模块用来控制信号采集模块与开关模块;开关模块包括第一开关模块与第二开关模块;超级电容器可以通过第一开关模块为电池单体进行充电;外接电源可以通过第二开关模块为超级电容器进行充电。通过本发明的设计方案可以加快电池组的均衡速度,提高均衡效率,简化电路设计,优化控制策略,提高整个电池组的一致性。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于外接电源的动力电池组主动均衡系统,其特征在于,该系统包括:动力电池组、信号采集模块、均衡控制模块、开关模块、超级电容器与外接电源;其中:
动力电池组包括多个单体电池;
开关模块包括第一开关模块和第二开关模块;
外接电源、超级电容器、开关模块、动力电池组以及负载依次连接;
信号采集模块的输入端与动力电池组相连,输出端与均衡控制模块的输入端相连,将采集到的动力电池组工作状态数据发送给均衡控制模块;
均衡控制模块的输出端分为两路,分别与第一开关模块、第二开关模块相连,均衡控制模块根据动力电池组的工作状态数据,执行主动均衡控制方法,对第一开关模块和第二开关模块的开合进行控制;
超级电容器进行充电后,均衡控制模块控制通过第一开关模块的开合,进而控制超级电容器为单体电池进行充电;均衡控制模块通过控制第二开关模块的开合,进而控制外接电源为超级电容器进行充电。
2.根据权利要求1所述的基于外接电源的动力电池组主动均衡系统,其特征在于,信号采集模块包括电压采集单元、电流采集单元和温度采集单元,信号采集模块用于采集电池单体的电压、电流和温度信息,并将其传递给均衡控制模块。
3.根据权利要求1所述的基于外接电源的动力电池组主动均衡系统,其特征在于,均衡控制模块的输入端与信号采集模块的输出端相连,均衡控制模块通过对信号采集模块采集到的电压、电流与温度信息进行计算分析,向开关模块输出不同高低电平的脉冲信号,控制开关模块闭合或者断开。
4.根据权利要求1所述的基于外接电源的动力电池组主动均衡系统,其特征在于,超级电容器通过第一开关模块与电池组中的各个单体组成闭合回路。
5.根据权利要求1所述的基于外接电源的动力电池组主动均衡系统,其特征在于,外接电源通过第二开关模块与超级电容器组成闭合回路。
6.根据权利要求1所述的基于外接电源的动力电池组主动均衡系统,其特征在于,第一开关模块由MOS管与二极管组成,MOS管的基极与均衡控制模块的第一输出端相连,MOS管的栅极与超级电容器相连,MOS管的源极与二极管的阳极相连,二极管的阴极与电池单体相连,二极管用于防止MOS管被反向击穿。
7.根据权利要求1所述的基于外接电源的动力电池组主动均衡系统,其特征在于,第二开关模块由MOS管与二极管组成,MOS管的基极与均衡控制模块的第二输出端相连,所述MOS管的栅极与外接电源相连,所述MOS管的源极与二极管的阳极相连,所述二极管的阴极与超级电容器相连,所述二极管起到防止MOS管被反向击穿的作用。
8.根据权利要求1所述的基于外接电源的动力电池组主动均衡系统,其特征在于,第一开关模块由多个开关组N-N’组成,开关组N-N’由开关N与开关N’组成,开关N用于控制电池单体的正极与超级电容器之间的通断,开关N’用于控制电池单体的负极与超级电容器之间的通断。
9.一种基于外接电源的动力电池组主动均衡系统的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、信号采集模块采集电池单体的电压、电流、温度信号,并传递给均衡控制模块;
步骤2、均衡控制模块通过对信号采集模块采集到的信息进行计算分析,判断是否存在需要进行均衡的电池单体,若存在,则跳转至步骤3,否则,跳转至步骤6;
步骤3、均衡控制模块分析出需要进行均衡的电池单体,并控制对应的开关组N-N’关闭,同时控制第二开关模块断开,超级电容器给电池单体充电,持续t1秒,单体电压升高,超级电容器两端电压降低;
步骤4、均衡控制模块控制开关组N-N’断开,同时控制第二开关模块闭合,外接电源给超级电容器充电,持续t2秒,超级电容器两端电压升高;
步骤5、跳转至步骤2;
步骤6、主动均衡控制方法结束。
10.根据权利要求9所述的基于外接电源的动力电池组主动均衡系统的控制方法,其特征在于,步骤2中对信号采集模块采集到的信息进行计算分析的具体方法为:
步骤2.1、当电池单体的温度大于设定的阈值T1时,表示该电池单体存在安全隐患,均衡控制模块立即停止对其进行充放电,并等待进一步处理;当电池单体的温度小于设定的阈值T1时,转入步骤2.2;
步骤2.2、当电池单体的电压小于设定的阈值V时,表示该电池单体已经过度放电,均衡控制模块立即停止对其进行充放电,并等待进一步处理;当电池单体M的电压大于设定的阈值V时,转入步骤2.3;
步骤2.3、均衡控制模块计算电池单体的SOC值,当电池单体M的SOC值小于设定的阈值ΔSOC时,转入步骤3;当电池单体的SOC值大于设定的阈值ΔSOC时,转入步骤6;
计算电池单体的SOC值的公式为:
其中,SOC(t)为t时刻电池的荷电状态,SOC(t0)为初始时刻电池的荷电状态,η为电池的充放电效率,I(τ)为电池的充放电电流。
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