CN113815491A - 一种结合太阳能主动均衡和被动式均衡的电池管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池管理系统。该系统可利用太阳能对串联电池组进行主动式均衡,或利用功率电阻进行被动式均衡。该系统包括有太阳能电池板、DC‑DC转换器、二极管阵列、功率电阻阵列、功率开关阵列和电池包。二极管阵列用于防止串联电池出现短路并阻止电流从电池向DC‑DC转换器流动。功率开关用于选择需要均衡的电池模组或电芯。当有太阳能输入时,通过功率开关选择可通过DC‑DC转换器向低SOC或电压的电池充电。当无太阳能输入时,通过功率开关选择对功率电阻对高SOC或电压的电池进行放电。若电池包均衡后仍有太阳能输入,该系统可为整个电池包进行太阳能充电。本发明在电池包充电、放电、静置时均能发挥作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用汽车车载太阳能电池板对电池模组或单体电芯进行主动式均衡,并可在无太阳能时对电池模组或单体电芯进行被动式均衡的电池管理系统。
背景技术
随着新能源汽车在我国的普及,以及电池在其他交通运输过程中的广泛应用(如货箱电动制冷等),锂离子电池和电池管理系统的需求量也与日俱增。锂离子电池包大多由一定数量的单体电芯及模组通过串联和并联而成。每个电芯(或模组)由各自的电池管理系统进行均衡以保证组成模块的各电芯在充放电过程中电量相同,从而避免过充和过放。目前常用的电池均衡方式可分为主动式和被动式。主动式均衡通过从电量高的电芯向电量低的电芯转移电能达到均衡的目的。被动式均衡通过对电量高的电芯进行负载放电达到均衡的目的。然而目前的主动式均衡系统由于成本过高、控制复杂、损耗仍然存在等原因并未获得广泛采用。被动式均衡系统可以以最低电量的电芯为标准对其他电芯进行放电从而实现模块间的均衡。然而这一均衡过程会导致有一部分电量会在负载上白白损耗,从而降低车辆的行驶里程。综上所述,目前尚无高效节能的动力电池模块均衡解决方案。
为解决上述问题,近年来有一些技术方案提出采用太阳能来进行主动式电池均衡。简而言之就是通过车载太阳能电池板产生电能对电量低的电池模组或电芯进行充电,从而同时达到补充电能和均衡电池的效果。然而,在夜晚或阴雨天等太阳能过低或无法使用的时候,电池便不能得到有效均衡。如果为电池包同时加装独立的被动式均衡系统,则会大大提高系统成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供了一种结合太阳能主动均衡和被动式均衡的电池管理系统,可在有太阳能时对电池进行主动式均衡和充电,在无太阳能时对电池进行被动式均衡,从而使电池在任何时候都可以得到保护。另一方面,该系统的太阳能主动均衡与被动式均衡工作模式可共享大部分元器件,从而最大程度地提高了系统的性价比和经济价值。
本发明是通过以下技术方案实现的,本发明包括太阳能电池板、DC-DC转换器、二极管阵列、功率开关阵列、功率电阻阵列和电池包。二极管阵列、功率开关阵列和功率电阻阵列可集成至DC-DC转换器内。
所述太阳能电池板也可以是其他直流电源。
所述DC-DC转换器输入电压范围涵盖太阳能电池板最低至最高电压,输出电压涵盖电池单个模组(电芯)最低电压至整个电池包最高电压。DC-DC转换器可自动识别连接到输出端的电池电压并自动调整输出电压,运用最大功率点追踪控制方法利用太阳能对输出端电池模块(电芯)或电池包进行充电。DC-DC转换器也可采用多路输出的隔离式转换器(如反激式转换器),当采用多路输出的隔离式转换器时,各副边输出电压应高于单个电池模组(电芯)电压,从而可对其进行充电。
所述二极管阵列内的二极管总数为电池模组(电芯)数的两倍,采用相反方向接于DC-DC转换器正负极输出的各支路(对于各正极输出支路,二极管阳极接于DC-DC转换器侧,阴极接于功率开关侧;对于各负极输出支路,二极管阴极接于DC-DC转换器侧,阳极接于功率开关侧),以阻止电池短路或电流从电池向DC-DC转换器流动。当采用多路输出的隔离式转换器时,二极管总数与电池模组(电芯)数相同,例如采用反激式转换器时,二极管仅连接于各正极输出支路(二极管阳极接于DC-DC转换器侧,阴极接于功率开关侧)。
所述功率开关阵列内的开关总数为电池模组(电芯)数的两倍,开关可为继电器、场效应管等电子信号控制的开关。当使用N-MOS做功率开关时,对于DC-DC转换器各正极输出支路,N-MOS的D极应接于二极管侧,S极应接于电池侧。对于DC-DC转换器各负极输出支路,N-MOS的D极应接于电池侧,S极应接于二极管侧。
所述功率电阻阵列内功率电阻数与电池模组(电芯)数相同,交错跨接于DC-DC转换器的各相邻正极与相邻负极输出支路间。每个电池模组(电芯)均有一个功率电阻在二极管与功率开关之间与之并联。
本发明相比现有技术具有以下优点:利用太阳能对电池模组(电芯)进行均衡,在增加电池包电量的同时完成对模块间的均衡保护,当所有电池模组(电芯)均衡时,利用太阳能对整个电池包进行充电。在保证电池模块均衡的同时增加行驶里程,在车辆充电时节约市电消耗并减少充电时间。当无太阳能可用时,通过共用器件,仅需通过切换开关的控制方式,便可进行被动均衡,使电池在任何工况下都能得到保护。
附图说明
图1是本发明采用单输出DC-DC转换器的工作原理图(以四个串联电池模组或电芯为例)。
图2是本发明采用反激式DC-DC转换器的工作原理图(以四个串联电池模组或电芯为例)。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示,本实施例包括太阳能电池板1、DC-DC转换器2、二极管阵列4(含二极管D1-D8)、功率电阻阵列5(含功率电阻R1-R4)、功率开关阵列6(含功率开关S1-S8)、电池包7(含串联电池模组或电芯B1-B4)。无论电池包在充电、放电或静置时,若电池包SOC低于100%且有太阳能输入,通过闭合一组相应功率开关利用太阳能对电压或SOC最低的电池模组(或电芯)进行充电,从而达到主动均衡的目的。例如当电池模组(或电芯)B2的SOC或电压最低时,功率开关S2和S5闭合,通过DC-DC转换器对B2进行充电。当所有电池模组(或电芯)的SOC或电压都均衡时,闭合功率开关S1和S8,此时DC-DC转换器通过自识别调整输出电压对整个电池包进行充电。当电池包SOC为100%时,断开所有功率开关以防止电池过充。若电池包中的某个电池模组(或电芯)达到100%SOC或设置的电压上限,则该电池模组(或电芯)不参与均衡且太阳能不应为整个电池包充电以避免该电池模组(或电芯)过充。
如图2所示,本实施例中DC-DC转换器为带有多个输出的反激式变换器3,二极管阵列4仅包含4个二极管(D1,D2,D4,D6),太阳能电池板1、功率电阻阵列5、功率开关阵列6和电池包7与图1中的实施例相同。本实施例中,由于DC-DC转换器的各输出端相互隔离,故可以同时对多个电池模组(或电芯)进行充电。无论电池包在充电、放电或静置时,若电池包SOC低于100%且有太阳能输入,通过闭合一组或多组相应功率开关利用太阳能对电压或SOC最低的单个或多个电池模组(或电芯)进行充电,从而达到主动均衡的目的。例如当电池模组(或电芯)B2和B3的SOC或电压低于其他电池模组(或电芯)时,功率开关S2、S5、S4和S7闭合,通过DC-DC转换器对B2和B3进行充电。当所有电池模组(或电芯)的SOC或电压都均衡时,闭合所有功率开关为整个电池包进行充电。当电池包SOC为100%时,断开所有功率开关以防止电池过充。若电池包中的某个电池模组(或电芯)达到100%SOC或设置的电压上限,则该电池模组(或电芯)不参与均衡且太阳能不应为整个电池包充电以避免该电池模组(或电芯)过充。
当采用主动均衡时,若各电池模组(或电芯)的SOC或电压均衡后,仍然有太阳能输入,根据用户的具体设置,也可不对整个电池包进行充电,而是选择其他电池状态参数进行二次均衡,例如对健康状态(S●H)最低的电池模组(或电芯)进行充电。各不同的二次均衡方式在此不做详述。
如图1所示,当电池包在充电过程中且无太阳能输入时,需闭合一组或多组相应功率开关对SOC或电压过高的电池模组(或电芯)通过功率电阻进行放电以达到被动均衡的目的。由于二极管的隔离作用,此时可同时对多个电池模组(或电芯)进行放电。例如当电池模组(或电芯)B1、B2和B4的SOC或电压高于B3时,闭合功率开关S1、S2、S3、S5、S7和S8对B1、B2和B4进行放电,从而达到被动均衡的目的。当所有电池模组(或电芯)的SOC或电压都均衡时,断开所有功率开关以避免能量损耗。
如图2所示,当电池包在充电过程中且无太阳能输入时,需闭合一组或多组相应功率开关对SOC或电压过高的电池模组(或电芯)通过功率电阻进行放电以达到被动均衡的目的。由于二极管和变压器的隔离作用,此时可同时对多个电池模组(或电芯)进行放电。例如当电池模组(或电芯)B1、B3和B4的SOC或电压高于B3时,闭合功率开关S1、S2、S4、S6、S7和S8对B1、B2和B3进行放电,从而达到均衡的目的。当所有电池模组(或电芯)的SOC或电压都均衡时,断开所有功率开关以避免能量损耗。
根据用户的具体设置,采用功率电阻放电的被动均衡也可以在电池包放电或静置时实施。
未详细描述的本发明电池均衡电路实施例中的各具体电路和控制程序,如门极驱动、电压采样、保护电路、SOC估算等采用本领域常规技术,在此不做详述。
以上仅为本发明的优选实施例,并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种结合太阳能主动均衡和被动式均衡的电池管理系统,其特征在于:包括太阳能电池板、DC-DC转换器、二极管阵列、功率开关阵列、功率电阻阵列和电池包。
2.根据权利要求1所述的一种结合太阳能主动均衡和被动式均衡的电池管理系统,其特征在于:DC-DC转换器输入电压范围涵盖太阳能电池板最低至最高电压,输出电压涵盖电池单个模组(电芯)最低电压至整个电池包最高电压。DC-DC转换器可自动识别连接到输出端的电池电压并自动调整输出电压,运用最大功率点追踪控制方法利用太阳能对输出端电池模块(电芯)或电池包进行充电。
3.根据权利要求1所述的一种结合太阳能主动均衡和被动式均衡的电池管理系统,其特征在于:DC-DC转换器也可采用多路输出的隔离式转换器(如反激式转换器),当采用多路输出的隔离式转换器时,各副边输出电压应高于单个电池模组(电芯)电压,从而可对其进行充电。
4.根据权利要求1和2所述一种结合太阳能主动均衡和被动式均衡的电池管理系统,其特征在于:当采用单输出DC-DC转换器时,二极管阵列所含二极管数为串联电池模组(或电芯)数的两倍;对于DC-DC转换器输出各支路,正极输出支路的二极管阳极应接于DC-DC转换器侧,阴极接于功率开关侧;负极输出支路的二极管阳极接于功率开关侧,阴极应接于DC-DC侧。
5.根据权利要求1和3所述一种结合太阳能主动均衡和被动式均衡的电池管理系统,其特征在于:当DC-DC转换器采用多路输出的隔离式转换器(如反激式转换器)时,二极管阵列所含二极管数等于串联电池模组(或电芯)数;二极管仅接于DC-DC转换器的各正极输出支路,各二极管的阳极接于DC-DC转换器侧,阴极接于功率开关侧。
6.根据权利要求1所述一种结合太阳能主动均衡和被动式均衡的电池管理系统,其特征在于:功率电阻阵列内功率电阻数与电池模组(电芯)数相同,交错跨接于DC-DC转换器的各相邻正极与相邻负极输出支路间。每个电池模组(电芯)均有一个功率电阻在二极管与功率开关之间与之并联。
7.根据权利要求1所述一种结合太阳能主动均衡和被动式均衡的电池管理系统,其特征在于:功率开关阵列内的开关总数为电池模组(电芯)数的两倍,开关可为继电器、场效应管等电子信号控制的开关。当使用N-MOS做功率开关时,对于DC-DC转换器各正极输出支路,N-MOS的D极应接于二极管侧,S极应接于电池侧。对于DC-DC转换器各负极输出支路,N-MOSD的D极应接于电池侧,S极应接于二极管侧。
8.根据权利要求1,2,4,6,7所述一种结合太阳能主动均衡和被动式均衡的电池管理系统,其特征在于:对于采用单输出的DC-DC转换器,当有太阳能输入且电池包SOC低于100%时,可通过闭合一组相应功率开关为SOC或电压最低的电池模组(或电芯)充电,当各电池模组(或电芯)均衡后,可闭合第一个和最后一个功率开关为整个电池包充电或选择其他电池状态(如SOH)进行二次均衡。
9.根据权利要求1,2,5,6,7所述一种结合太阳能主动均衡和被动式均衡的电池管理系统,其特征在于:对于采用多输出的隔离式DC-DC转换器,当有太阳能输入且电池包SOC低于100%时,可通过闭合一组或多组相应功率开关为SOC或电压最低的单个或多个电池模组(或电芯)同时充电,当各电池模组(或电芯)均衡后,可闭合所有功率开关为整个电池包充电或选择其他电池状态(如SOH)进行二次均衡。
10.根据权利要求1所述一种结合太阳能主动均衡和被动式均衡的电池管理系统,其特征在于:当无太阳能输入时,可通过闭合一组或多组相应功率开关对SOC或电压过高的电池模组(或电芯)进行放电以达到被动均衡的目的。无论采用何种DC-DC转换器,都可同时对多个电池模组(或电芯)进行放电。当所有电池模组(或电芯)的SOC或电压都均衡时,断开所有功率开关以避免能量损耗。
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