CN203660604U - 电动汽车动力电池均衡管理系统 - Google Patents

电动汽车动力电池均衡管理系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型电动汽车动力电池均衡管理系统,本系统电池组的单体电池按串联顺序分成M个相同的电池模块,各电池模块分别连接各电阻、电容均衡电路,及同轴多绕组DC-DC变换器。微控制器与电池管理系统连接获取动力电池组状态数据,微控制器的信号连接各电容、电阻均衡电路,并接脉冲驱动单元和变换器。微控制器先获取电池组额定参数,确定控制参数,按电池组的充电、静置和放电的不同状态,选择开始均衡操作的不同判断标准,用同轴多绕组DC-DC变换器进行模块间的均衡,电容、电阻均衡电路进行单体间的均衡。本实用新型多种均衡电路优势互补,提高了均衡速度和效率。

Description

电动汽车动力电池均衡管理系统技术领域
[0001] 本实用新型涉及新能源汽车的电力控制技术领域,具体为一种电动汽车动力电池均衡管理系统。
背景技术
[0002]目前,新能源汽车是汽车发展研究的热点,电动汽车更为其中的重点。动力电池组是制约电动汽车产业化进程的关键部件。动力电池组存在“木桶效应”,即电池组和性能由其中最差的电池决定,因此电池组中电池的一致性是判断电池组性能优劣的关键指标之一。研究电池均衡管理系统成为解决电池组中电池不一致性的必要手段。然而,国内外电池均衡管理技术主要集中在对电池组整体的管理上,根据电池组截止电压来判断其电池充放电完成与否,只能满足电动汽车的基本要求,并不能有效解决电池不一致性所造成的不良影响。
[0003] 现已出现动力电池均衡管理方法的报道,如2011年,李平和何明华在2011年第35期《电源技术》第1214-1217页上发表文章“一种锂电池组均衡电路及其控制策略设计”,该文章设计了一种能量转移型均衡电路,实现能量的双向转移,在控制策略方面,使用启发式搜索算法对能量转移路径进行规划,但是这种均衡方法实现比较复杂。其设计的能量转移型均衡电路利用电容、电感等储能元件作为能量过渡,将能量从能量高的单体转移到能量低的单体,实现电池组内能量的均衡。但是在实际的电路中匹配难度大,且电磁干扰严重,电池组内能量转移均衡难以实现。虽然通过复杂的算法查找能量均衡路径在一定程度上可以提高均衡速度和均衡效率,但是当单体数目比较多的时候,显然这种算法计算量非常大,加重MCU的负担,均衡速度会显著下降。
[0004] 为了克服上述均衡方法实现比较复杂的问题,公告号为CN202127255、名称为“一种电动汽车用动力电池全均衡控制器”的实用新型专利提出的方案是依据电池的剩余电量情况,自动切换均衡模式,当剩余电量小于等于30%的时候,MCU外接主动均衡控制电路为电量最低的单体电池充电;当剩余电量大于等于70%的时候,MCU利用外接被动均衡电路选通MOS管,为电量最高的单体电池放电;当剩余电量在30%-70%之间时,MCU同时打开主动均衡电路和被动均衡电路。该专利的方案在不增加太多硬件成本的基础上,既完成了动力电池一致性的操作,也减少电能消耗。此专利虽然一定程度上降低了均衡方法的复杂性,但是实施时是以被动均衡电路为主,降低了均衡速度和均衡效率,并且采用单一变量——电池剩余电量作为均衡操作的判断条件,忽略了电池工作状态和电动汽车行驶状态对均衡操作的影响,不能充分切实地反映电池均衡情况。
实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的是设计一种电动汽车动力电池均衡管理系统,将电动汽车动力电池组中串联的单体电池分成多个相同的模块,各电池模块分别连接与之对应的电阻均衡模块和电容均衡模块进行单体电池之间的均衡,同轴多绕组DC-DC变换器连接各电池模块进行电池模块之间的均衡。微控制器连接电阻均衡模块和电容均衡模块,同轴多绕组DC-DC变换器连接电压采集比较电路,电压采集比较电路的输出端连接微控制器。微控制器经现场控制网络总线连接电池管理系统。
[0006] 本实用新型设计的电动汽车动力电池均衡管理系统,包括微控制器,本电池均衡管理系统和电池管理系统连接,电池管理系统配有获取动力电池组的当前的运行参数的检测电路。本系统电动汽车动力电池组中的单体电池按串联顺序分成M个相同的电池模块,
2 < M < 40,每个电池模块中包含m个单体电池2 < m < 8。各电池模块分别连接与之对应的电阻均衡电路和电容均衡电路,同轴多绕组DC-DC变换器与各电池模块连接。
[0007] 所述微控制器经现场控制网络总线(Controller Area Network, CAN)与电池管理系统连接,获取动力电池组的额定参数和当前运行参数的电池状态数据,并存储。微控制器的信号输出端经电子开关阵列分别连接各电容均衡电路和电阻均衡电路的控制端,即微控制器经电子开关阵列接通或关闭与某个电池模块对应的电容均衡电路或电阻均衡电路。微控制器的一路信号接入脉冲驱动单元,脉冲驱动单元输出的脉宽调制信号和微控制器输出的控制信号连接同轴多绕组DC-DC变换器的各控制端。
[0008] 电阻均衡电路和电容均衡电路用于实现底层均衡,即电池模块内单体电池之间的均衡;同轴多绕组DC-DC变换器用于实现顶层均衡,即模块与模块之间的均衡。
[0009] 所述同轴多绕组DC-DC变换器包括变压器、功率开关单元、整流二极管和滤波电容。变换器为反激式结构;变压器副边的个数为电池模块的个数M,M个副边的匝数相同;原边的输入端一端连接电池组的正极,另一端经一个功率开关与地连接,每路副边输出端口分别经一个功率开关单元和一个整流二极管连接滤波电容的两端,各副边的滤波电容与对应的一个电池模块并联,微控制器的控制信号连接脉冲驱动单元,控制其输出的脉宽调制信号的占空比,脉冲驱动单元信号输出端连接原边的功率开关单元。微控制器的信号端还连接各副边连接的功率开关单元,控制其导通与关断。
[0010] 同轴多绕组DC-DC变换器的原边输入电压(即电池组的输出电压)和某一路副边输出电压分别和电压采集比较电路的同相端和反相端相连,电压采集比较电路的输出和微控制器相连。微控制器通过电压采集比较电路的输出信号,判断同轴多绕组DC-DC变换器输入电压和输出电压的关系,进而调节控制信号使同轴多绕组DC-DC变换器输入和各路副边输出呈严格的线性关系,实现各电池模块之间电压达到一致。
[0011 ] 所述电阻均衡电路包括放电电阻和场效应管,所述放电电阻个数和场效应管个数等于电池模块中单体电池个数m,即每个单体电池对应一个放电电阻和一个场效应管,各单体电池经对应的场效应管连接其对应的放电电阻。当微控制器经电子开关阵列接通控制某个电池模块的电阻均衡电路,微控制器有选择地控制该电池模块内的各场效应管的关断和导通,当某个场效应管导通时,其对应的单体电池与其放电电阻并联。
[0012] 所述电容均衡电路包括均衡电容和开关阵列,每个电容均衡电路内均衡电容的个数为m-1,开关阵列的开关个数为m,即每个单体电池对应一个开关阵列的开关。开关阵列的各开关均有一个固定接点和2个活动接点,各开关的固定接点分别连接各个均衡电容的一端,各个开关的2个活动接点分别对应单体电池的2端。当微控制器经电子开关阵列接通某个电池模块的电容均衡电路,微控制器控制该电池模块内开关阵列内各开关的固定接点轮流连接不同的活动接点,使各开关对应的均衡电容与相邻的两个单体电池轮流并联。[0013] 本系统的微控制器连接报警装置和/或显示装置。
[0014] 本实用新型设计的电动汽车动力电池均衡管理系统使用时,微控制器通过现场控制网络总线从电池管理系统获取电池组额定参数:电池组额定容量、单体电池额定电压V、电池组额定电压U、电池模块个数M和每个电池模块内单体个数m。微处理器电池相关参数,根据电动汽车运动性能和均衡程度的关系,结合电池组的工作状态确定以下电池组充电、静置或放电状态电池电压分散度的上限值,微控制器根据电池组不同工作状态,当到达此状态下的电池电压分散度的上限值,即先接通同轴多绕组DC-DC变换器进行电池模块之间的电压差自动均衡;再接通各电池模块的电容均衡电路、电阻均衡电路进行各电池模块内的单体电池单体电池之间的均衡操作。
[0015] 与现有技术相比,本实用新型电动汽车动力电池均衡管理系统的优点为:1、综合同轴多绕组DC-DC变换器、电容均衡电路和电阻均衡电路,分别进行顶层(电池模块之间)和底层(模块内的单体之间)的均衡,多种均衡电路优势互补,不仅提高了均衡速度,也显著提高了均衡效率,同时还避免了单一均衡方式可能带来的不利影响;2、微控制器连接报警装置和显示装置,显示装置实时显示电池组各个相关参数状态,报警装置及时对过充、过放、过流、过压等情况报警,以保护电池组。
附图说明
[0016] 图1为本电动汽车动力电池均衡管理系统实施例的整体结构示意图;
[0017] 图2为图1中同轴多绕组DC-DC变换器的结构示意图;
[0018] 图3为图1中电池模块I与其电阻均衡电路I的连接示意图;
[0019] 图4为图1中电池模块I与其电容均衡电路I的连接示意图。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细说明
[0021] 本电动汽车动力电池均衡管理系统实施例整体结构如图1所示,包括微控制器,本例电池均衡管理系统和电池管理系统连接,电池管理系统配有获取动力电池组当前的运行参数的检测电路。本例电动汽车动力电池组中的单体电池共为12个,按串联顺序分成3个相同的电池模块,每个电池模块中包含4个单体电池,即Bll〜B14、B21〜B24、B31〜B34、B41〜B44。各电池模块分别连接与之对应的电阻均衡电路和电容均衡电路,同轴多绕组DC-DC变换器与各电池模块连接。
[0022] 所述微控制器经现场控制网络总线与电池管理系统连接,微控制器的信号输出端经电子开关阵列分别连接各电容均衡电路和电阻均衡电路的控制端,即微控制器可经电子开关阵列接通或关闭与某个电池模块对应的电容均衡电路或电阻均衡电路。微控制器的一路信号Cpbci接入脉冲驱动单元,脉冲驱动单元输出的脉宽调制信号PWM和微控制器的输出信号CPB1、CPB2、Cpb3连接同轴多绕组DC-DC变换器的各控制端。
[0023] 所述同轴多绕组DC-DC变换器的结构如图2所示,包括变压器Tl、功率开关单元、整流二极管和滤波电容,变换器为反激式结构,3个副边的匝数相同;原边的输入端一端和电池组的正极连接,原边的另一端经一个功率开关单元Ql与地连接,每路副边输出端口分别经一个功率开关单元(Q2、Q3、Q4)和一个整流二极管(D2、D3、D4)连接滤波电容的两端,各副边的滤波电容与对应的一个电池模块并联。本例为达到较好的滤波效果,各滤波电容为一大一小两个电容并联,如图2所示,Cl和C4并联为第一路副边的滤波电容,C2和C5并联为第二路副边的滤波电容,C3和C6并联为第三路副边的滤波电容。微控制器的控制信号Cpbci连接脉冲驱动单元Ul,控制其输出的脉宽调制信号PWM的占空比,脉冲驱动单元信号输出端连接原边连接的功率开关单元Q1,微控制器的信号CPB1、CPB2、Cpb3连接各副边的功率开关单元Q2、Q3、Q4,控制它们的导通与关断。
[0024] 本例同轴多绕组DC-DC变换器的原边输入电压和第一路副边输出电压分别和电压采集比较电路Ul的同相端和反相端相连,电压采集比较电路Ul的输出Pui和微控制器相连。微控制器通过电压采集比较电路Ul的输出信号Pui判断同轴多绕组DC-DC变换器输入电压和输出电压的关系,进而调节各控制信号,使同轴多绕组DC-DC变换器输入和各副边输出呈严格的线性关系。
[0025] 本例电池模块I的电阻均衡电路I的结构如图3所示,包括4个放电电阻RlI〜R14和4个场效应管Qll〜Q14,各单体电池经对应的场效应管连接其对应的放电电阻。如单体电池Bll对应场效应管Qll和放电电阻RU。当微控制器经电子开关阵列接通第一电池模块的电阻均衡电路,微控制器控制各单体电池对应的场效应管的关断导通。当微控制器向某个场效应管发送一个高电平,该场效应管导通,其对应的单体电池与其放电电阻并联;当微控制器向某个场效应管发送一个低电平,则该场效应管关断,其对应的单体电池与其放电电阻断开。其它电池模块的电阻均衡电路的结构与此相同。
[0026] 本例电池模块I的对应电容均衡电路I的结构如图4所示,包括3个均衡电容Cll〜C13和有4个开关Sll〜S14的电子开关阵列,即每个单体电池对应一个开关阵列的开关。开关Sll〜S14均有一个固定接点和2个活动接点,4个开关的固定接点分别连接
3个均衡电容Cll〜C13的一端,每个开关的2个活动接点分别对应I个单体电池的2端。如图4所示,开关Sll的固定接点接于均衡电容Cll的外端,其2个活动接点分别接单体电池Bll的两端。以此类推。当开关阵列的各开关Sll〜S14固定接点均与左侧的活动接点连接,Bll和Cll并联、B12和C12并联、B13和C13并联,当开关阵列的各开关Sll至S14固定接点均与右侧的活动接点连接,B12和Cll并联、B13和C12并联、B14和C13并联。其它电池模块的电容均衡电路的结构与此相同。
[0027] 本例的微控制器连接报警装置和显示装置。
[0028] 上述实施例,仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例,本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.电动汽车动力电池均衡管理系统,包括微控制器,微控制器经现场控制网络总线连接电池管理系统,电池管理系统配有获取动力电池组当前运行参数的检测电路;其特征在于: 电动汽车动力电池组中的单体电池按串联顺序分成M个相同的电池模块,2 40,每个电池模块中包含m个单体电池2 < m < 8 ;各电池模块分别连接与之对应的电阻均衡电路和电容均衡电路,同轴多绕组DC-DC变换器与各电池模块连接; 所述微控制器通过电池管理系统获取动力电池组的额定参数和当前运行参数,并存储;微控制器的信号输出端经电子开关阵列分别连接各电容均衡电路和电阻均衡电路的控制端,微控制器的一路信号接入脉冲驱动单元,脉冲驱动单元输出的脉宽调制信号和微控制器输出的控制信号连接同轴多绕组DC-DC变换器的各控制端; 所述同轴多绕组DC-DC变换器包括变压器、功率开关单元、整流二极管和滤波电容,变换器为反激式结构;变压器副边的个数为电池模块的个数M,M个副边的匝数相同;原边的输入端一端连接电池组正极,原边的另一端经一个功率开关单元与地连接,每路副边输出端口分别经一个功率开关单元和一个整流二极管连接滤波电容的两端,各副边的滤波电容与对应的一个电池模块并联,微控制器的控制信号连接脉冲驱动单元,脉冲驱动单元信号输出端连接原边的功率开关单元;微控制器的信号端还连接各副边连接的功率开关单元;同轴多绕组DC-DC变换器的原边输入电压和某一路副边输出电压分别和电压采集比较电路的同相端和反相端相连,电压采集比较电路的输出和微控制器相连; 所述电阻均衡电路包括放电电阻和场效应管,所述放电电阻个数和场效应管个数等于电池模块中单体电池个数m,各电阻均衡电路中各单体电池经对应的场效应管连接其对应的放电电阻;当微控制器经电子开关阵列接通某个电池模块的电阻均衡电路,微控制器选择控制某个场效应管导通时,其对应的单体电池与其放电电阻并联; 所述电容均衡电路包括均衡电容和开关阵列,每个电容均衡电路内均衡电容的个数为m-1,开关阵列的开关个数为m,开关阵列的各开关均有一个固定接点和2个活动接点,各开关的固定接点分别连接各个均衡电容的一端,各个开关的2个活动接点分别对应单体电池的2端;当微控制器经电子开关阵列接通某个电池模块的电容均衡电路,微控制器控制该电池模块内开关阵列内各开关的固定接点依次连接不同的活动接点,使各开关对应的均衡电容与其相邻的两个单体电池轮流并联。
2.根据权利要求1所述的电动汽车动力电池均衡管理系统,其特征在于: 所述微控制器连接报警装置和/或显示装置。
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