CN112086698A - 一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路及方法 - Google Patents

一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路，包括数据采集模块、主控单元MCU,所述数据采集模块用于分别采集动力电池中每一个电池单体的电压电流数据，其输出端连接主控单元MCU,所述电路还包括PWM驱动电路、双向DCDC均衡模块、电容均衡模块，开关阵列，所述主控单元MCU的输出端连接PWM驱动电路，所述PWM驱动电路的输出端连接至开关阵列，用于控制开关阵列的闭合与断开，每个所述电池单体正负极分别连接双向DCDC均衡模块两端和电容均衡模块，所述开关阵列用于分别控制电池单体与双向DCDC均衡模块之间的通断以及电池单体与电容均衡模块之间的通断。本发明的优点在于：电路结构简单，均衡可靠，而且对大容量级别、多串联的动力电池组可以做到快速均衡。

Description

一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路及方法
技术领域
本发明涉及动力电池回收利用领域，特别涉及一种退役动力电池题词利用的主动均衡电路及方法。
背景技术
新能源电动汽车用动力电池在使用一定时间或循环一定次数之后，其容量或功率特性衰退较为明显，无法满足车用要求，需要从汽车上退役。但是，退役的动力电池仍然潜藏巨大的剩余价值，其容量和功率仍然可以满足其他对动力性要求不高的储能场合的需求，即可进行梯次利用。
退役动力电池在梯次利用时产生安全问题的主要原因聚焦在充放电环节。退役动力电池在进行梯次利用的时候虽不像汽车上会用到上千节电池，但一般也有几十节或几百节，又由于生产技术和生产材料的制约，造成每节电池之间存在着一定的差异，而退役的电池之间这种差异性会更加明显。容量的差异很容易造成不均衡现象，从而导致出现过充、过放等问题，所以要想对退役动力电池进行梯次利用，必须先解决其安全问题，而解决其安全问题的核心首要在于解决其不均衡现象。
现有的均衡电路分为主动均衡和被动均衡，被动均衡主要应用在低串数、低容量的场景中，主要依靠能量消耗实现均衡，耗时较长；一般常用的主动均衡针对性较强，通常对某一种的不均衡状态的均衡效果非常好，但是在处理其他情形的不均衡现象上效果就不尽如人意了，而且现有技术的均衡电路无法适应多串联、大容量级别的回收利用的动力电池上，其均衡时间会很长使得现有技术的均衡电路无法更好的适应退役电池的回收利用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路，用于对大容量级别、多串联的动力电池组的回收利用过程中的均衡，可以做到快速均衡。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路，包括数据采集模块、主控单元MCU,所述数据采集模块用于分别采集动力电池中每一个电池单体的电压电流数据，其输出端连接主控单元MCU,所述电路还包括PWM驱动电路、双向DCDC均衡模块、电容均衡模块，开关阵列，所述主控单元MCU的输出端连接PWM驱动电路，所述PWM驱动电路的输出端连接至开关阵列，用于控制开关阵列的闭合与断开，每个所述电池单体正负极分别连接双向DCDC均衡模块两端和电容均衡模块，所述开关阵列用于分别控制电池单体与双向DCDC均衡模块之间的通断以及电池单体与电容均衡模块之间的通断。
所述开关阵列包括用于控制电池单体与双向DCDC均衡模块通断的开关管阵列，所述开关管阵列由若干个开关管组成，相邻两个电池单体分别连接一个双向DCDC均衡模块，用于通过该均衡模块对相邻的电池单体之间进行均衡，每个电池单体对应一个开关管，所述开关管串联在电池单体与双向DCDC均衡模块之间。
所述开关阵列还包括继电器阵列，所述继电器阵列用于控制电池单体与电容均衡模块之间的通断，所述继电器阵列包括若干个继电器，所述电容均衡模块两端分别通过继电器连接至每个电池单体的两端，每个所述继电器的控制端连接PWM驱动电路。
所述主控单元MCU通过数据采集模块分别采集每一个电池单体的电压电流数据，并计算出每个电池单体的SOC。
所述MCU根据计算出的每个电池单体的SOC对电池单体进行均衡操作。
一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路的均衡方法，包括如下步骤：
步骤1：主控单元MCU通过数据采集模块分别采集动力电池中每个电池单体的电压电流数据，并根据电压电流数据计算出每个电池单体的SOC；
步骤2：根据计算的每个电池单体的SOC判断出电量最高的电池单体和电量最低的电池单体；
步骤3：根据电池单体均衡的启动条件判断是否进入电池单体均衡；
步骤4：若是，控制双向DCDC均衡模块或电容均衡模块对电量最高和电量最低的电池单体之间进行均衡；
步骤5：均衡完成后，判断是否满足结束条件，若是均衡结束，若否，反馈步骤1。
在步骤4中，判断电量最高的电池单体和电量最低的电池单体之间是否为相邻的两个电池单体，若是控制双向DCDC均衡模块对该两个电池单体进行均衡，若否，控制电容均衡模块对该两个电池单体进行均衡。
电池单体的均衡启动条件判断方法为：求取电池单体的SOC的平均值，计算最大电量SOC与SOC平均值之间的差值、最低电量SOC与SOC平均值之间的差值是否大于预设的阈值，若任一差值大于预设的阈值，则判断进入电池单体均衡。
步骤5中结束条件判断为：均衡完成后，重新计算平均SOC，计算最大的SOC与平均SOC的差值以及最低SOC与平均SOC的差值，当差值均小于预设阈值时，判断均衡结束条件满足。
本发明的优点在于：电路结构简单，均衡可靠，而且对大容量级别、多串联的动力电池组的回收利用过程中的均衡，可以做到快速均衡；采用两种均衡模块分别实现均衡，均衡结构拓扑可靠且可以缩短均衡时间。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明均衡电路的原理框图；
图2为本发明均衡电路的具体电路图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明的主导思想是用采集模块对电池的电压、电流、温度等数据进行采集，然后传给控制芯片MCU，通过MCU进行电池SOC的估算，找出哪些节电池电量最高或者最低，如若电量偏高和偏低的电池相邻，就给出信号控制PWM驱动电路驱动开关阵列使得相应电池单体对应的的Buck-Boost均衡电路工作，实现均衡，如若电量偏高和偏低的电池不相邻，则驱动飞渡电容均衡模块工作，实现均衡。具体的原理框图1如下：
一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路，包括数据采集模块、主控单元MCU,数据采集模块用于分别采集动力电池中每一个电池单体的电压电流数据，其输出端连接主控单元MCU,电路还包括PWM驱动电路、双向DCDC均衡模块、电容均衡模块、开关阵列，主控单元MCU的输出端连接PWM驱动电路，PWM驱动电路的输出端连接至开关阵列，用于控制开关阵列的闭合与断开，每个所述电池单体正负极分别连接双向DCDC均衡模块两端和电容均衡模块，开关阵列用于分别控制电池单体与双向DCDC均衡模块之间的通断以及电池单体与电容均衡模块之间的通断。
数据采集模块包括电压电流传感器温度传感器等，用于采集电池包内每个电池单体的电压电流温度等数据，并传递至主控单元MCU中，主控单元MCU为核心，其主要实现数据的处理控制等，常见可以直接采用BMS来实现或常用控制器来实现，如51系列单片机等。PWM驱动电路用于控制开关阵列的导通与断开。
开关阵列包括用于控制电池单体与双向DCDC均衡模块通断的开关管阵列，开关管阵列由若干个开关管组成，相邻两个电池单体分别连接一个双向DCDC均衡模块，用于通过该均衡模块对相邻的电池单体之间进行均衡，每个电池单体对应一个开关管，所述开关管串联在电池单体与双向DCDC均衡模块之间。
开关阵列还包括继电器阵列，所述继电器阵列用于控制电池单体与电容均衡模块之间的通断，所述继电器阵列包括若干个继电器，所述电容均衡模块两端分别通过继电器连接至每个电池单体的两端，每个所述继电器的控制端连接PWM驱动电路。
主控单元MCU通过数据采集模块分别采集每一个电池单体的电压电流数据，并计算出每个电池单体的SOC。MCU根据计算出的每个电池单体的SOC对电池单体进行均衡操作。其具体均衡控制方法如下：
一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路的均衡方法，包括如下步骤：
步骤1：主控单元MCU通过数据采集模块分别采集动力电池中每个电池单体的电压电流数据，并根据电压电流数据计算出每个电池单体的SOC；
步骤2：根据计算的每个电池单体的SOC判断出电量最高的电池单体和电量最低的电池单体；
步骤3：根据电池单体均衡的启动条件判断是否进入电池单体均衡；
步骤4：若是，控制双向DCDC均衡模块或电容均衡模块对电量最高和电量最低的电池单体之间进行均衡；
步骤5：均衡完成后，判断是否满足结束条件，若是均衡结束，若否，反馈步骤1。
在步骤4中，判断电量最高的电池单体和电量最低的电池单体之间是否为相邻的两个电池单体，若是控制双向DCDC均衡模块对该两个电池单体进行均衡，若否，控制电容均衡模块对该两个电池单体进行均衡。
电池单体的均衡启动条件判断方法为：求取电池单体的SOC的平均值，计算最大电量SOC与SOC平均值之间的差值、最低电量SOC与SOC平均值之间的差值是否大于预设的阈值，若任一差值大于预设的阈值，则判断进入电池单体均衡。
步骤5中结束条件判断为：均衡完成后，重新计算平均SOC，计算最大的SOC与平均SOC的差值以及最低SOC与平均SOC的差值，当差值均小于预设阈值时，判断均衡结束条件满足。
如图2所示，以三节电池串联为例说明开关阵列的结构，开关阵列包括开关管MOS以及继电器K，在本申请中，双向DCDC均衡模块采用电感L来实现，电容均衡模块为电容C。电池单体V1、V2、V3相互串联形成电池包，电池单体V1的正极与MOS1的S极连接，MOS1的D极经L1连接至V1的负极，MOS1的D极与MOS2的D极连接，MOS2的S极连接V2的负极；V2的负极经电感L2连接MOS3的D极，MOS3的S极连接V2的正极；MOS3的D极连接MOS4的D极，MOS4的S极连接V3的负极。MOS1、MOS2、MOS3、MOS4的G极均通过PWM驱动电路连接MCU，用于接收驱动信号。V1的正极经K3的常开触点连接K1的常开触点，K1的常开触点连接电容C的一端，V1的负极经K6的常开触点连接K2的常开触点，K2的常开触点连接电容C的另一端；V2的负极经电容K4的常开触点连接至K1的常开触点，V3的负极经开关K5的常开触点连接K2的常开触点。
以上开关阵列的控制原理：当判断为相邻两节电池均衡，如图2所示，若电池组的不一致性超过限值，同时UV3>UV2,此时启动Buck-Boost均衡电路，使得V3放电和V2充电。V3放电阶段，PWM驱动电路发出控制信号，MOS4闭合，电能转换成磁能储存在电感L_2中；V2充电阶段，MOS3断开，L_2、B2、MOS3组成放电回路，一直到UL_2不足以克服UB2与MOS3寄生二极管的正向导通电压，充电结束。
当不相邻两节电池均衡，如图2所示，若电池组的不一致性超过限值，同时UV1>UV3,此时启动飞渡电容均衡模块，使得V1放电和V3充电。V1放电阶段，K1、K2、K3、K6继电器工作，其常开触点闭合为电容C充电；然后断开K3、K6，控制K1、K2、K4、K5继电器工作，此时电容C给V3充电。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路，包括数据采集模块、主控单元MCU,所述数据采集模块用于分别采集动力电池中每一个电池单体的电压电流数据，其输出端连接主控单元MCU,其特征在于：所述电路还包括PWM驱动电路、双向DCDC均衡模块、电容均衡模块，开关阵列，所述主控单元MCU的输出端连接PWM驱动电路，所述PWM驱动电路的输出端连接至开关阵列，用于控制开关阵列的闭合与断开，每个所述电池单体正负极分别连接双向DCDC均衡模块两端和电容均衡模块，所述开关阵列用于分别控制电池单体与双向DCDC均衡模块之间的通断以及电池单体与电容均衡模块之间的通断。
2.如权利要求1所述的一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路，其特征在于：所述开关阵列包括用于控制电池单体与双向DCDC均衡模块通断的开关管阵列，所述开关管阵列由若干个开关管组成，相邻两个电池单体分别连接一个双向DCDC均衡模块，用于通过该均衡模块对相邻的电池单体之间进行均衡，每个电池单体对应一个开关管，所述开关管串联在电池单体与双向DCDC均衡模块之间。
3.如权利要求1所述的一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路，其特征在于：所述开关阵列还包括继电器阵列，所述继电器阵列用于控制电池单体与电容均衡模块之间的通断，所述继电器阵列包括若干个继电器，所述电容均衡模块两端分别通过继电器连接至每个电池单体的两端，每个所述继电器的控制端连接PWM驱动电路。
4.如权利要求1所述的一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路，其特征在于：所述主控单元MCU通过数据采集模块分别采集每一个电池单体的电压电流数据，并计算出每个电池单体的SOC。
5.如权利要求1所述的一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路，其特征在于：所述MCU根据计算出的每个电池单体的SOC对电池单体进行均衡操作。
6.如权利要求1-5任一所述的一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路的均衡方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：主控单元MCU通过数据采集模块分别采集动力电池中每个电池单体的电压电流数据，并根据电压电流数据计算出每个电池单体的SOC；
步骤2：根据计算的每个电池单体的SOC判断出电量最高的电池单体和电量最低的电池单体；
步骤3：根据电池单体均衡的启动条件判断是否进入电池单体均衡；
步骤4：若是，控制双向DCDC均衡模块或电容均衡模块对电量最高和电量最低的电池单体之间进行均衡；
步骤5：均衡完成后，判断是否满足结束条件，若是均衡结束，若否，反馈步骤1。
7.如权利要求6所述的一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路的均衡方法，其特征在于：在步骤4中，判断电量最高的电池单体和电量最低的电池单体之间是否为相邻的两个电池单体，若是控制双向DCDC均衡模块对该两个电池单体进行均衡，若否，控制电容均衡模块对该两个电池单体进行均衡。
8.如权利要求6所述的一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路的均衡方法，其特征在于：电池单体的均衡启动条件判断方法为：求取电池单体的SOC的平均值，计算最大电量SOC与SOC平均值之间的差值、最低电量SOC与SOC平均值之间的差值是否大于预设的阈值，若任一差值大于预设的阈值，则判断进入电池单体均衡。
9.如权利要求6所述的一种退役动力电池梯次利用的主动均衡电路的均衡方法，其特征在于：步骤5中结束条件判断为：均衡完成后，重新计算平均SOC，计算最大的SOC与平均SOC的差值以及最低SOC与平均SOC的差值，当差值均小于预设阈值时，判断均衡结束条件满足。
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