CN110932352A - 一种蓄电池组双矩阵采集、均衡系统及控制方法 - Google Patents

一种蓄电池组双矩阵采集、均衡系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种蓄电池组双矩阵采集、均衡系统及控制方法，其中系统包括由若干单体电池组成的蓄电池组、以光继电器组成的第一矩阵阵列开关和第二矩阵阵列开关、电压采集模块、电阻放电模块、充电模块以及中央控制模块。本发明利用光继电器无限长的开关寿命和高耐压，定周期轮序采集系统单体电池电压，得到各个电池组内单体电池电压平均值，结合各个单体电池的电压变化率，进行削峰填谷均衡。同时采集和充放电均衡时序分离，既保证采集电压的准确性，又防止均衡误动作，解决电池组生命周期中的逐渐离散问题。

Description

一种蓄电池组双矩阵采集、均衡系统及控制方法
技术领域
本发明涉及蓄电池组能量均衡技术领域，尤其涉及一种蓄电池组双矩阵采集、均衡系统及控制方法。
背景技术
近几年，国内投入运营了大批新能源电动汽车，从车辆远程监控平台实际运行的大数据分析，以及现场反馈，因蓄电池组单体电池荷电量不平衡，电池系统可用容量降低，续驶里程降低，因蓄电池组单体电池容量衰减不一致，电池系统容量损失，车辆续驶里程逐渐缩短，是行业内主要共性问题。针对电池间不平衡和不一致的情况，行业内主要采用均衡措施解决。
均衡的研究内容包含两个方面：均衡策略研究和均衡电路拓扑结构研究。均衡策略研究主要选择确当的均衡变量作为评价目标，并根据均衡电路，确定最佳变量阈值；均衡电路拓扑结构研究是选择合适的电路结构形式，保证均衡效率的情况下，简化电路，降低成本。电量均衡是目前认为最好的评价目标，可是蓄电池组是电池模块的串联结构，系统荷电量可以近似计算，单体电池模块的荷电态由于各自的自放电和充放电效率不一致，尚无具体应用，因此电压还是作为主要均衡变量。新电池刚使用，由于内阻一致，电压作为均衡变量是有效的，但当电池衰减时，由于内阻出现分化，弱势电池由于容量降低和内阻变高，以电压作为均衡变量反而加速电池的劣化，系统容量比不用均衡更小。根据传递能量的方式不同分为有损均衡和无损均衡。有损均衡主要是电池组每一个通道旁路电阻，当单体电池电压较高，通过电阻放电方式耗散能量，由于产生热量，故电流不能过大，通常电流都小于100mA。一组电池中，出现低压电池是偶发事件，则将大部分好电池全部放电，以适应低压电池，增加能耗，好电池做无效放电，降低电池容量，缩短循环寿命，因此仅蓄电池组充电时使用该均衡方式；电动汽车领域由于蓄电池组容量大，该方式不适用。无损均衡是用能量转移的方式将能量从能量高的电池转移到能量低的电池；主要有以下几种方式：电感转移均衡、电容充放电均衡、变压器双向均衡。电感转移均衡，可以削高补低，但能量在不同的电感传递过程中，就衰竭了，实际效率较低；同时能量仅能在一块电路板内传递，长期情况下，易造成整个电源系统内不同模组之间的电量不平衡，同时电感均衡控制复杂，成本较高。电容充放电均衡，是将电池电压是通过与电容间电压差进行均衡，但由于单体电池间本来的电压差很小，实际效果微弱。变压器双向均衡，是将变压器的初次级连接在电池组内，变压器绕制具有较高的工艺要求，体积较大，不宜安装，抗震动情况差，控制方案复杂，现行的方案较少使用。
均衡时由于线束压降的存在，导致电压检测存在误差，这就对电压检测精度造成影响，甚至造成系统的误动作。目前业界提出两种解决方案：第一种电池系统把检测线束和均衡线束分开，一组线束用作电压检测，另一组线束单独用于均衡电路，这种方案成本较高；第二种方案：降低均衡电流，当均衡小到一定值时，线束上的电压降可以忽略，BMS直接检测的电压值误差在允许范围内，这种方案效果较差。
综上所述，虽然目前方案较多，并没有一种完美的方案满足电动汽车用均衡系统相对安装、成本、效率、可靠性等方面的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种蓄电池组双矩阵采集、均衡系统及控制方法，利用光继电器无限长的开关寿命和高耐压，定周期轮序动作，实现数据采集和充放电均衡时序分离，既保证采集电压的准确性，又防止均衡误动作；同时，采用有损均衡和无损均衡相结合的电路结构优点，解决蓄电池组中单体电池生命周期中的逐渐离散问题，延长蓄电池组寿命，增加续驶里程。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种蓄电池组双矩阵采集、均衡系统，包括由若干单体电池组成的蓄电池组，还包括第一矩阵阵列开关、第二矩阵阵列开关、电压采集模块、电阻放电模块、充电模块以及中央控制模块；所述电压采集模块通过第一矩阵阵列开关连接电池组中每个待测量的单体电池；所述电阻放电模块和充电模块通过第二矩阵阵列开关连接电池中中的每个单体电池，充电模块的另一端连接低压电源；所述第一矩阵阵列开关、第二矩阵阵列开关、电压采集模块和充电模块均与中央控制模块相连，中央控制模块通过第一矩阵阵列开关定周期轮序循环检测每个单体电池的电压，中央控制模块根据均衡策略选择第二矩阵阵列开关执行充电均衡状态或放电均衡状态。
上述方案中，中央控制模块以蓄电池组中每个单体电池电压一致性结合单体电池电压变化率系数修正后的压差阈值作为启动均衡的执行条件；以均衡执行条件和压差作为关闭均衡的执行条件。
上述方案中，第一矩阵阵列开关由多只高耐压行的光继电器排列组成，第二矩阵阵列开关由多只功率型的光继电器排列组成。
上述方案中，充电模块为带使能信号的DC/DC充电模块，低压电源的电压范围为9～36V。
上述方案中，本控制系统还包括与中央控制模块相连的温度传感器，用于采集蓄电池组温度。
一种蓄电池组双矩阵采集、均衡控制方法，电压采集模块通过第一矩阵阵列开关轮序循环采集每个单体电池的电压值并传输至中央控制模块，中央控制模块经运算，以蓄电池组中每个单体电池电压一致性结合单体电池电压变化率系数修正后的压差阈值作为判定是否启动均衡的执行条件；当满足启动均衡的执行条件，均衡启动，包括充电均衡状态或放电均衡状态。
当单体电池需要充电均衡时，第二矩阵阵列开关选择需要均衡的单体电池，充电模块被选通，低压电源为充电模块提供电源，组成充电回路，充电均衡执行，当满足均衡关闭的条件，中央控制模块发出禁用充电模块的命令，同时关闭第二矩阵阵列的通道，回路断开，充电均衡结束；
当单体电池需要放电均衡时，中央控制模块通过第二矩阵阵列开关选择需要均衡的单体电池和电阻放电模块，电阻放电模块被选通，此时，电阻放电模块、第二矩阵阵列被选择的通道和需均衡的单体电池成了放电回路，放电均衡执行，当满足均衡关闭的条件，中央控制模块发出禁用放电模块的命令，关闭第二矩阵阵列，回路断开，放电均衡结束。
其中，电压采集状态为第一优先级，均衡执行条件为第二优先级，在检测每通道单体电池的电压前，必须关闭均衡状态，若不满足均衡关闭条件，则继续执行均衡状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1、采集和均衡实现时序分离，检测电压时不均衡，当通道不采集电压，可以继续均衡，完全去除线压降对电压测量精度的影响，同时防止均衡执行的误动作；
2、设计方案策略简洁高效，能够使电压采集电路和均衡电路能够共用一组线束，降低了成本，系统线束布线更加简洁；
3、某个通道仅在测量时关闭均衡，其余时间都可以执行均衡，可以长时间执行均衡；
4、系统全过程都可以双向均衡，结合两种均衡的优点，均衡效率高；
5、均衡策略先进，均衡条件识别度高，抗干扰性强，实用性高。
附图说明
参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制；
图1示意性显示了根据本发明一个实施方式提出的蓄电池组双矩阵采集、均衡系统的原理框图。
具体实施方式
容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
如图1所示，本发明的一种蓄电池组双矩阵采集、均衡系统，包括由若干单体电池组成的蓄电池组、第一矩阵阵列开关、第二矩阵阵列开关、电压采集模块、电阻放电模块、充电模块以及中央控制模块。其中，电压采集模块通过第一矩阵阵列开关连接电池组中每个待测量的单体电池；电阻放电模块和充电模块通过第二矩阵阵列开关连接电池中中的每个单体电池，充电模块的另一端连接低压电源；第一矩阵阵列开关、第二矩阵阵列开关、电压采集模块和充电模块均与中央控制模块相连，中央控制模块通过第一矩阵阵列开关定周期轮序循环检测每个单体电池的电压，中央控制模块根据均衡策略选择第二矩阵阵列开关执行充电均衡状态或放电均衡状态。
中央控制模块以蓄电池组中每个单体电池电压一致性结合单体电池电压变化率系数修正后的压差阈值作为启动均衡的执行条件；以均衡执行条件和压差作为关闭均衡的执行条件。
在一实施例中，第一矩阵阵列开关由多只高耐压行的光继电器排列组成，第二矩阵阵列开关由多只功率型的光继电器排列组成。充电模块为带使能信号的DC/DC充电模块，低压电源的电压范围为9～36V。电阻放电模块由多只并联电阻组成。中央控制模块的核心芯片采用型号为SPC560b54L3C6E0的单片机，电压采集模块的型号为AD7321BRUZ。
本控制系统还包括与中央控制模块相连的温度传感器，用于采集蓄电池组温度，温度传感器的型号为502AT。
一种蓄电池组双矩阵采集、均衡控制方法，中央控制模块以蓄电池组中每个单体电池电压一致性结合单体电池电压变化率系数修正后的压差阈值作为启动均衡的执行条件；以均衡执行条件和压差作为关闭均衡的执行条件。
当单体电池处于电压采集状态时，电压采集模块通过第一矩阵阵列开关轮序循环采集每个单体电池的电压值并传输至中央控制模块，中央控制模块经运算后判定是否满足均衡条件，当满足启动均衡的执行条件，均衡启动。
当单体电池需要充电均衡时，第二矩阵阵列开关选择需要均衡的单体电池，充电模块被选通，低压电源为充电模块提供电源，组成充电回路，充电均衡执行，当满足均衡关闭的条件，中央控制模块发出禁用充电模块的命令，同时关闭第二矩阵阵列开关的通道，回路断开，充电均衡结束。
当单体电池需要放电均衡时，中央控制模块通过第二矩阵阵列开关选择需要均衡的单体电池和电阻放电模块，电阻放电模块被选通，此时，电阻放电模块、第二矩阵阵列被选择的通道和需均衡的单体电池成了放电回路，放电均衡执行，当满足均衡关闭的条件，中央控制模块发出禁用放电模块的命令，关闭第二矩阵阵列开关，回路断开，放电均衡结束。
其中，电压采集状态为第一优先级，均衡执行条件为第二优先级，在检测每通道单体电池的电压前，必须关闭均衡状态，若不满足均衡关闭条件，则继续执行均衡状态。
均衡策略为中央控制模块的核心，首先进行均衡需求识别，计算电池组总电压、电池组平均电压、单体电池与电池组平均电压的压差；当压差超过设定阈值，则对该单体电池进行均衡标记，且可同时对多个单体电池进行均衡标记，以便后期执行均衡功能，并进行均衡方向识别。其次，进行均衡判据的时间选取，电池组大电流放电和充电后，电压会有一个回弹的过程。在此期间采集，也会使电压采集值不稳定，实行连续采样，经滤波处理后确定当前采样点的采样值。第三，识别判据的确定，中央控制模块检测单体电池电压、温度，根据电池不同的荷电态，初定一个压差控制值，最终算出单体电池电压变化率系数，根据系数进行修正，得到当前的压差阈值△V0。
当单体电池电压变化率系数超限，则认为故障电池，否则按新的压差阈值执行。据单体电池均衡标识进行对应动作，如果出现多个电池需要均衡，以压差大小顺序依次进行均衡。当满足均衡关闭条件时，则均衡关闭。通过以上策略的实施，提高电池的使用寿命。
上述方案的实施，通过准确识别诊断，大电流均衡，快速有效的恢复电池的一致性。在生命早期阶段就实时查缺补漏，以预防为主，保持电池系统内电池间的压差收敛、在一个很小的范围内波动，实现电池持续强壮，更重要的是能对电池的状态进行调理，避免离群电池被滥用，加速电池的劣化过程，导致动力电池生命大幅缩短。通过及时调理电池容量差异，保障电池使用区间的一致性，提高电池系统生命。
本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种蓄电池组双矩阵采集、均衡系统，包括由若干单体电池组成的蓄电池组，其特征在于，还包括第一矩阵阵列开关、第二矩阵阵列开关、电压采集模块、电阻放电模块、充电模块、低压电源以及中央控制模块；
所述电压采集模块通过第一矩阵阵列开关连接电池组中每个待测量的单体电池；
所述电阻放电模块和充电模块通过第二矩阵阵列开关连接电池中的每个待均衡的单体电池，充电模块的另一端连接低压电源；
所述第一矩阵阵列开关、第二矩阵阵列开关、电压采集模块和充电模块均与中央控制模块相连，中央控制模块通过第一矩阵阵列开关定周期轮序循环检测每个单体电池的电压，中央控制模块根据均衡策略选择第二矩阵阵列开关执行充电均衡状态或放电均衡状态。
2.根据权利要求1所述的蓄电池组双矩阵采集、均衡系统，其特征在于，所述中央控制模块以蓄电池组中每个单体电池电压一致性结合单体电池电压变化率系数修正后的压差阈值作为启动均衡的执行条件；以均衡执行条件和压差作为关闭均衡的执行条件。
3.根据权利要求1所述的蓄电池组双矩阵采集、均衡系统，其特征在于，所述第一矩阵阵列开关由多只高耐压行的光继电器排列组成，第二矩阵阵列开关由多只功率型的光继电器排列组成。
4.根据权利要求1所述的蓄电池组双矩阵采集、均衡系统，其特征在于，所述充电模块为带使能信号的DC/DC充电模块，所述低压电源的电压范围为9～36V。
5.根据权利要求4所述的蓄电池组双矩阵采集、均衡系统，其特征在于，还包括与中央控制模块相连的温度传感器，用于采集蓄电池组温度。
6.一种蓄电池组双矩阵采集、均衡控制方法，其特征在于，电压采集模块通过第一矩阵阵列开关轮序循环采集每个单体电池的电压值并传输至中央控制模块，中央控制模块经运算，以蓄电池组中每个单体电池电压一致性结合单体电池电压变化率系数修正后的压差阈值作为判定是否启动均衡的执行条件；当满足启动均衡的执行条件，均衡启动，包括充电均衡状态和放电均衡状态。
7.根据权利要求6所述的蓄电池组双矩阵采集、均衡控制方法，其特征在于，
当单体电池需要充电均衡时，第二矩阵阵列开关选择需要均衡的单体电池，充电模块被选通，低压电源为充电模块提供电源，组成充电回路，充电均衡执行，当满足均衡关闭的条件，中央控制模块发出禁用充电模块的命令，同时关闭第二矩阵阵列的通道，回路断开，充电均衡结束；
当单体电池需要放电均衡时，中央控制模块通过第二矩阵阵列开关选择需要均衡的单体电池和电阻放电模块，电阻放电模块被选通，此时，电阻放电模块、第二矩阵阵列被选择的通道和需均衡的单体电池成了放电回路，放电均衡执行，当满足均衡关闭的条件，中央控制模块发出禁用放电模块的命令，关闭第二矩阵阵列，回路断开，放电均衡结束。
8.根据权利要求6所述的蓄电池组双矩阵采集、均衡控制方法，其特征在于，电压采集状态为第一优先级，均衡执行条件为第二优先级，在检测每通道单体电池的电压前，必须关闭均衡状态，若不满足均衡关闭条件，则继续执行均衡状态。
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