CN110843606A - 一种电动汽车用变结构蓄电池电源及其控制方法 - Google Patents

一种电动汽车用变结构蓄电池电源及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电动汽车用变结构蓄电池电源及其控制方法。该电源通过蓄电池的高效串并联组合及控制，用于提高电动汽车在驱动与制动过程中电源的充放电能力并实现衡控制；该电源由一定数量的经可控开关相连接的蓄电池模组组成，通过控制蓄电池模组间开关的通断，使纯电动汽车在驱动时，将蓄电池模组切换为串联连接，提高电源端电压，使蓄电池电源能够以较高的功率放电；在制动或充电时将蓄电池模组切换为并联连接方式，降低电源端电压，使蓄电池能够以较快速率充电；且当蓄电池单个模组在放电时的电压或充电时的荷电状态不均衡值超过某一预定阈值时，能够根据荷电状态和电压值进行均衡控制，综合提高电动汽车用动力电池的充放电能力。

Description

一种电动汽车用变结构蓄电池电源及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车用变结构蓄电池电源及其控制方法，具体涉及一种车用蓄电池电源变结构设计与蓄电池电源的均衡控制。
背景技术
蓄电池作为纯电动汽车动力电源，具有能量效率高，循环寿命长，工作范围广泛，可在-30～55℃范围内工作，性能稳定可靠，除此之外，锂离子电池具有单体电压高、无记忆功能、充放电稳定等优点，适合用作汽车的动力电池。
当前，纯电动汽车的动力结构一般为蓄电池+直流/交流逆变器+负载电机组成或是蓄电池+双向直流/直流变换器+直流/交流逆变器+负载电机组成。其中，蓄电池+直流/交流逆变器+负载电机的动力结构无直流/直流变换器，故无需对直流/直流变换器进行复杂的算法控制，也避免了直流/直流变换器的能量损耗。但是该结构由于无直流/直流变换器，导致蓄电池的端电压无法直接控制，为正常驱动电机，故必须匹配高电压等级的蓄电池电源，因此对于系统的安全保护十分不利。由此可见，该动力结构虽然精简了系统构造和系统计算量，但同时也导致了电压等级过高，不利于系统保护。蓄电池+双向直流/直流变换器+直流/交流逆变器+负载电机的动力结构凭借双向直流/直流变换器可以实现对直流母线电压和蓄电池充电电压进行精准控制，降低了系统对蓄电池电压等级的要求，使直流母线电压始终处于合理的范围，有利于提升系统的稳定性，但是该方案由于需要对双向直流/直流变换器进行严密的算法控制，同时也增加了双向直流/直流变换器自身的功率损耗，故对系统的计算量和控制提出了更高的要求且对系统经济性造成影响。
因此，开发一种能改善动力电池的充放电特性，精简系统结构的动力电池电源及其控制方法，使动力电池能够更好的应用在电动汽车，对提高纯电动汽车的续航能力、经济性和使用寿命意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动汽车用变结构蓄电池电源及其控制方法，使纯电动汽车在驱动过程中能够实现较大功率的放电；在制动或充电过程中实现较快的充电。同时采取基于电压均衡和荷电状态均衡的方式实现对动力电池的均衡控制。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种电动汽车用变结构蓄电池电源，包括第1至第n电池模组、第1至第n-1串联开关、第1至第2n-2并联开关，第1电池模组的负极与第1串联开关的一端、第1并联开关的一端连接，第1电池模组的正极与第n至第2n-2并联开关的一端连接并作为变结构蓄电池电源的正极，第1串联开关的另一端与第n并联开关的另一端、第2电池模组的正极连接，以此类推，第i电池模组的负极与第i串联开关的一端、第i并联开关的一端连接，第i串联开关的另一端与第(n-1+i)并联开关的另一端、第i+1电池模组的正极连接，第i至第n-1并联开关的另一端相互连接，第n电池模组的负极作为变结构蓄电池电源的负极，其中，i为整数，且1＜i＜n。
在本发明一实施例中，所述电池模组为蓄电池模组。
在本发明一实施例中，所述第1至第n电池模组为动力电池单体数量相等的电池模组。
本发明还提供了一种基于上述所述的电动汽车用变结构蓄电池电源的控制方法，根据电动汽车的工作状态，实时改变各电池模组间的连接结构，使动力电池电源能以较高的功率放电，在能量回收或充电时能够以较快速率充电，且当电池模组间的荷电状态或是电压不均衡时，能够根据电压和荷电状态值对动力电池模组进行均衡控制。
在本发明一实施例中，所述根据电动汽车的工作状态，实时改变各电池模组间的连接结构，即根据电动汽车的工作状态，实时将各电池模组间的连接结构进行串/并联结构的切换。
在本发明一实施例中，在变结构蓄电池电源放电时，各电池模组间以串联结构连接，在变结构蓄电池电源充电时，各电池模组间以并联结构连接。
在本发明一实施例中，所述当电池模组间的荷电状态或是电压不均衡时，能够根据电压和荷电状态值对电池模组进行均衡控制，当变结构蓄电池电源处于放电状态对电动汽车进行驱动，即电池模组间以串联结构连接时，各电池模组电压会出现不一致，通过测量各个电池模组的电压值，当端电压最低的电池模组与电池模组平均电压值的差值高于阈值时，通过电压均衡控制器控制各个电池模组的开关状态，使端电压最低的电池模组停止放电，其他电池模组继续放电，直至端电压最低的电池模组电压与电池模组平均电压值的差值为0时，通过电压均衡控制器切换端电压最低的电池模组开关，使其重新开始进行放电，从而实现基于电压一致的电池放电均衡控制。
在本发明一实施例中，所述当电池模组间的荷电状态或是电压不均衡时，能够根据电压和荷电状态值对电池模组进行均衡控制，当变结构蓄电池电源处于电动汽车充电或制动能量回收，即各电池模组以并联结构连接时，通过电流传感器测量的各个电池模组的电流并依据安时积分法计算各个电池模组的荷电状态值并与平均荷电状态值进行比较，当荷电状态最高的电池模组与平均荷电状态差值大于阈值时，经荷电状态均衡控制器控制荷电状态最高的电池模组停止充电，荷电状态低的电池模组继续充电，直到荷电状态最高的电池模组的荷电状态与平均荷电状态值差为0时，再经荷电状态均衡控制器切换荷电状态最高的电池模组的开关状态使荷电状态最高的电池模组继续充电，从而实现基于荷电状态的电池充电均衡控制。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1)电动汽车变结构动力电池组结构相比固定结构动力电池组，可以达到更高的端电压，放电能力更强；充电时，变结构蓄电池组端电压低，充电功率更高，整体充电速度更高；
2)电动汽车变结构动力电池组摆脱了传统的采用直流/直流变换器与母线相连接方式，实现了无变换器切换动力电池端电压的调控，大大节省了车载燃料电池混合动力系统的成本。同时由于能量传递转换部件的减少，减少了直流/直流变换器的功率损耗，提高了能量的利用效率同时减少了系统的计算量，从而一定程度上提高纯电动汽车运行的经济性和稳定性；
3)纯电动汽车变结构动力电池组处于串联放电结构时，每个动力电池的电流相同，但电压不一定相同，此时采取基于动力电池模组电压的均衡控制策略；当电动汽车变结构动力电池组处于并联充电或能量回收时，每个动力电池的电压相同，但电流不一定相同，此时采取基于动力电池模组荷电状态的均衡控制策略。使动力电池模组无论处于充电状态还是处于放电状态，都能够进行均衡控制，避免了传统固定结构的均衡控制方法及其复杂的控制逻辑。
附图说明
图1为一种电动汽车用变结构蓄电池电源动力系统结构图。
图2为一种电动汽车用变结构蓄电池电源的控制方法流程图。
图3为一种电动汽车用变结构蓄电池电源变结构电路整体结构图。
图4为一种电动汽车动力电池模组串联结构图。
图5为一种电动汽车动力电池模组并联结构图。
图6为一种电动汽车动力电池模组基于荷电状态均衡控制结构图。
图7为一种电动汽车动力电池模组基于电压均衡控制结构图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图3所示，本发明提供了一种电动汽车用变结构蓄电池电源，包括第1至第n电池模组、第1至第n-1串联开关、第1至第2n-2并联开关，第1电池模组的负极与第1串联开关的一端、第1并联开关的一端连接，第1电池模组的正极与第n至第2n-2并联开关的一端连接并作为变结构蓄电池电源的正极，第1串联开关的另一端与第n并联开关的另一端、第2电池模组的正极连接，以此类推，第i电池模组的负极与第i串联开关的一端、第i并联开关的一端连接，第i串联开关的另一端与第(n-1+i)并联开关的另一端、第i+1电池模组的正极连接，第i至第n-1并联开关的另一端相互连接，第n电池模组的负极作为变结构蓄电池电源的负极，其中，i为整数，且1＜i＜n。
如图2所示，本发明还提供了一种基于上述所述的电动汽车用变结构蓄电池电源的控制方法，根据电动汽车的工作状态，实时改变各电池模组间的连接结构，使动力电池电源能足以较高的功率放电，在能量回收或充电时能够以较快速率充电，且当电池模组间的荷电状态或是电压不均衡时，能够根据电压和荷电状态值对动力电池模组进行均衡控制。
以下为本发明的具体实现过程。
1、基于纯电动汽车的动力电池充放电变结构设计
本发明采取的拓扑结构为：电动汽车动力电池电源经直流/交流逆变器与负载交流电机相连接，并通过负载电机驱动电动汽车或进行能量回收，如图1所示。本发明设计的动力电池电源由变结构蓄电池模组组成，如图3所示，所述变结构动力电池电源由一定数量x的蓄电池单体按某种串并联方式连接形成最小可操作单元模组，再由一定数量的最小可操作单元模组经串联或者并联组成变结构蓄电池组，例如：当只有SS1、SS2、SS3…SS(n-1)、SS(n)闭合时即为串联结构模式，当只有Spu1、Spu2、Spu3…Spu(n-1)、Spu(n)与Spd1、Spd2、Spd3…Spd(n-1)、Spd(n)闭合时即为并联结构模式。该变结构动力电池组采取并联或串联的方式连接取决于电动汽车动力电池组的工作状态，当动力电池处于驱动状态时，动力电池组内的各个模组将以串联的方式连接放电，如图4所示，串联的方式能够提供较高的电压，提高蓄电池电源的放电能力；当蓄电池组处于充电状态时，蓄电池组内的各个模组将以并联的方式连接，如图5所示，蓄电池组端电压变低，充电的电压差变大，充电电流增大，充电效率提高。
2、基于电动汽车变结构蓄电池电源的电压均衡的设计
为实现电动汽车动力电池组各个模组之间的电压均衡，本专利设计一种基于电压均衡的动力电池变结构，如图3、7所示。当电动汽车处于驱动状态，蓄电池组的模组处于放电状态时，蓄电池模组以串联的方式放电，如图4所示，各蓄电池模组的各个端电压会产生不一致，当蓄电池模组端电压相互差值较大时，容易造成动力电池的加速退化。故针对蓄电池模组串联放电结构，本专利采用基于纯电动汽车的蓄电池模组的电压均衡控制，具体的：
首先，在各个蓄电池模组两端安装电压传感器监测各个电池模组电压，各传感器将监测到的电压u1、u2、u3、…、u(n-1)、u(n)传递给电压均衡开关控制器，电压均衡开关控制器将各个电压传感器传递的电压信号u1、u2、u3、…、u(n-1)、u(n)进行比较计算，如式(1)、(2)所示：
Figure BDA0002292516630000041
Figure BDA0002292516630000051
当ΔUi大于阈值C(C值大小根据蓄电池模组的性能要求具体确定)时，结合图4、7，电压均衡开关控制器通过给出动力电池模组i的Spb(i)开关以导通信号，Spa(i)开关以断开信号，此时，动力电池模组Si被断路，停止放电，直到ΔUi为零时，通过电压均衡开关控制器切换开关的状态，给电池模组i的Spb(i)开关以断开信号，Spa(i)开关以导通信号，动力电池模组i继续放电。
3、基于电动汽车的变结构蓄电池组的荷电状态的均衡设计
荷电状态体现出动力电池的剩余电量，对纯动力汽车的续航里程起着决定性作用，并且荷电状态也直接影响动力电池的开路电压，当电动汽车处于充电或制动时，蓄电池模组采取并联结构工作，各动力电池模组端电压一致，无需进行基于电压的均衡控制，为此本专利设计一种基于荷电状态均衡的动力电池电源变结构设计，使电动汽车蓄电池组的各个模组之间的荷电状态均衡，如图4、6所示。首先，在各个动力电池模组一端连接电流传感器监测各个电池模组的电流值，根据各传感器监测到的电流i1、i2、i3、…、i(n-1)、i(n)对每个动力电池模组采用安时积分法计算每个动力电池模组的荷电状态，并将各个电池模组的荷电状态值传递给荷电状态均衡开关控制器，荷电状态均衡开关控制器将各个电池模组的荷电状态值SOC1、SOC2、SOC3、…、SOC(n-1)、SOC(n)进行比较计算，如公式(3)、(4)所示：
Figure BDA0002292516630000052
Figure BDA0002292516630000053
当ΔSOCi大于阈值S(S根据动力电池的性能要求具体确定)时，荷电状态均衡开关控制器通过给出电池模组i的Spa(i)开关以断开信号，此时，动力电池模组i被断路，停止充电，直到ΔSOCi为零时，切换Spa(i)开关的状态，使荷电状态均衡开关控制器通过给出电池模组i的Spa(i)开关以导通信号，电池模组i继续进入充电状态。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电动汽车用变结构蓄电池电源，其特征在于，包括第1至第n电池模组、第1至第n-1串联开关、第1至第2n-2并联开关，第1电池模组的负极与第1串联开关的一端、第1并联开关的一端连接，第1电池模组的正极与第n至第2n-2并联开关的一端连接并作为变结构蓄电池电源的正极，第1串联开关的另一端与第n并联开关的另一端、第2电池模组的正极连接，以此类推，第i电池模组的负极与第i串联开关的一端、第i并联开关的一端连接，第i串联开关的另一端与第（n-1+i）并联开关的另一端、第i+1电池模组的正极连接，第i至第n-1并联开关的另一端相互连接，第n电池模组的负极作为变结构蓄电池电源的负极，其中，i为整数，且1＜i＜n。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用变结构蓄电池电源，其特征在于，所述电池模组为蓄电池模组。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车用变结构蓄电池电源，其特征在于，所述第1至第n电池模组为动力电池单体数量相等的电池模组。
4.一种基于权利要求1至3任一所述的电动汽车用变结构蓄电池电源的控制方法，其特征在于，根据电动汽车的工作状态，实时改变各电池模组间的连接结构，使动力电池电源能以较高的功率放电，在能量回收或充电时能够以较快速率充电，且当电池模组间的荷电状态或是电压不均衡时，能够根据电压和荷电状态值对动力电池模组进行均衡控制。
5.根据权利要求4所述的一种电动汽车用变结构蓄电池电源的控制方法，其特征在于，所述根据电动汽车的工作状态，实时改变各电池模组间的连接结构，即根据电动汽车的能量回收及充放电工作状态，实时将各电池模组间的连接结构进行串/并联结构的切换。
6.根据权利要求5所述的一种电动汽车用变结构蓄电池电源的控制方法，其特征在于，在变结构蓄电池电源放电时，各电池模组间以串联结构连接，在变结构蓄电池电源充电时，各电池模组间以并联结构连接。
7.根据权利要求4所述的一种电动汽车用变结构蓄电池电源的控制方法，其特征在于，所述当电池模组间的荷电状态或是电压不均衡时，能够根据电压和荷电状态值对电池模组进行均衡控制，当变结构蓄电池电源处于放电状态对电动汽车进行驱动，即电池模组间以串联结构连接时，各电池模组电压会出现不一致，通过测量各个电池模组的电压值，当端电压最低的电池模组与电池模组平均电压值的差值高于阈值时，通过电压均衡控制器控制各个电池模组的开关状态，使端电压最低的电池模组停止放电，其他电池模组继续放电，直至该端电压最低的电池模组电压与电池模组平均电压值的差值为0时，通过电压均衡控制器切换端电压最低的电池模组开关，使其重新开始进行放电，从而实现基于电压一致的电池放电均衡控制。
8.根据权利要求4所述的一种电动汽车用变结构蓄电池电源的控制方法，其特征在于，所述当电池模组间的荷电状态或是电压不均衡时，能够根据电压和荷电状态值对电池模组进行均衡控制，当变结构蓄电池电源处于电动汽车充电或制动能量回收，即各电池模组以并联结构连接时，通过电流传感器测量的各个电池模组的电流并依据安时积分法计算各个电池模组的荷电状态值并与平均荷电状态值进行比较，当荷电状态最高的电池模组与平均荷电状态差值大于阈值时，经荷电状态均衡控制器控制荷电状态最高的电池模组停止充电，荷电状态低的电池模组继续充电，直到该荷电状态最高的电池模组的荷电状态与平均荷电状态值差为0时，再经荷电状态均衡控制器切换荷电状态最高的电池模组的开关状态，使荷电状态最高的电池模组继续充电，从而实现基于荷电状态的电池充电均衡控制。
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