CN205160159U - 一种能量主动利用型双层式电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型的能量主动利用型双层式电池管理系统，采用两层结构的主动均衡方案。第一层为级联电机控制器，对电池包能量的差异化利用从而实现了电池包之间的能量动态均衡；第二层为对电池包内的电池单体进行管理的电池管理模块，采用双向DC-DC结构实现了电池包内电池单体的能量均衡。利用该系统，均衡过程简单，能量利用率更高，而且均衡速度较快。本实用新型还能对损坏的电池包进行有效屏蔽，避免了因电池包中个别电池单体故障造成的系统不能运行，提高了系统的安全性。

Description

一种能量主动利用型双层式电池管理系统

技术领域

本实用新型涉及一种能量主动利用型双层式电池管理系统，属于电动汽车技术领域。

背景技术

电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。电动汽车是使用存储在电池中的电能来发动，相对于传统的燃油汽车对环境影响较小，电动汽车的前景被广泛看好。

由于每节电池单元的参数在出厂时的细微差别，以及使用过程中不同的内阻、不同的环境温度等，都可能会导致电池单元充电与放电速率的不同。当它们串联在一起组成电池组时，就有可能在充电时有部分电池提前充满电，而放电时部分电池提前放完电的情况出现。如果不进行均衡的话，就使得电池的实际容量与标定容量有差别，日积月累，可能就会明显地降低整个电池组的性能。同时，车用环境的严酷，以及锂离子电池的自然老化，还会导致电池单元容量发生变化，在经过一段时间的使用后，将会有一小部分电池单元的有效容量接近于零，导致失效。因此，为了提高整个电池组的寿命，如何均衡这些老化较快的电池单元也是电池管理系统设计者需要考虑的一个重要课题。

目前电池管理系统的方案主要分为被动均衡方案和主动均衡方案两大类，都是为了解决电池模块内部不均衡问题提出的。所谓被动均衡方案，是指使用电阻等被动消耗电池多余能量的方式来实现电池间的均衡。与被动均衡不同的是主动均衡进行的是能量转移的策略即将电量最多的电池电量转移到其他的电池单体。

但目前电池管理系统存在的问题主要有以下几点：

（1）均衡电流比较小，最大均衡电流为5A；

（2）均衡过程中存在能量的多次交换，使得均衡过程复杂，效率不高；

（3）无法对受损的电池模块进行输出屏蔽。

实用新型内容

本实用新型为了克服以上技术的不足，提供了一种能量主动利用型双层式电池管理系统，该系统实现了电池包之间的能量均衡和电池包内电池单体的能量均衡，均衡过程简单，能量利用率更高，而且均衡速度较快；还能对损坏的电池包进行有效屏蔽，避免了因电池包中个别电池单体故障造成的系统不能运行，提高了系统的安全性。

术语解释：

1、BMS：BATTERYMANAGEMENTSYSTEM，电池管理系统。

2、H桥：H-Bridge,即全桥（因外形与H相似故得名），常用于逆变器（DC-AC转换，即直流变交流）。通过开关的开合，将直流电（来自电池等）逆变为某个频率或可变频率的交流电，用于驱动交流电机（异步电机等）。H桥是一个典型的直流电机控制电路，因为它的电路形状酷似字母H，故得名与“H桥”。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。

本实用新型克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种能量主动利用型双层式电池管理系统，包括第一层级电池均衡系统即级联电机控制器，所述级联电机控制器可以对3N个电池包进行管理，N为≥1的整数，所述3N个电池包分为U相组、V相组和W相组共3个相组，每个相组包括N个电池包，每个电池包连接有一个级联控制其的功率电路，所述功率电路为H桥电路，每个相组中的N个电池包通过H桥级联；每个相组与级联电机控制器组合后均包括两个端口，U相组的一个端口与V相组的一个端口和W相组的一个端口相连接，U相组的另一端口、V相组的另一端口和W相组的另一端口分别连接电机的U、V和W接线端以驱动电机运转。

所述每个功率电路能实现电池的三种输出状态：正向输出状态、负向输出状态和旁路输出状态，所述正向输出状态是电池放电即能量输出，负向输出状态是电池充电即能量输入，旁路输出状态是电池零电压输出即能量屏蔽。

根据本实用新型优选的，还包括3N个第二层级的电池管理模块，所述每个电池包内设置有一个电池管理模块，每个电池管理模块管理M个串联的电池单体，M为＞1的整数，每个电池单体的正极和负极均通过均衡开关与电池管理模块上的DC-DC变换器的一组端口相连接，DC-DC变换器的另一组端口与汽车的启动电瓶相连接。

根据本实用新型优选的，所述DC-DC变换器为双向反激式DC-DC变换器。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型采用双层BMS，第一层为级联电机控制器，对电池包能量的差异化利用从而实现了电池包之间的能量动态均衡；第二层为对电池包内的电池单体进行管理的电池管理模块，采用双向DC-DC结构实现了电池包内电池单体的能量均衡。利用该系统，均衡过程简单，能量利用率更高，而且均衡速度较快。

2、本实用新型还能对损坏的电池包进行有效屏蔽，避免了因电池包中个别电池单体故障造成的系统不能运行，提高了系统的安全性。

附图说明

图1为本实用新型的级联电机控制器结构示意图。

图2为本实用新型的正向输出状态的功率电路结构示意图。

图3为本实用新型的负向输出状态的功率电路结构示意图。

图4为本实用新型的一种旁路输出状态的功率电路结构示意图。

图5为本实用新型的另一种旁路输出状态的功率电路结构示意图。

图6为本实用新型通过电池的正向输出和负向输出实现几个电池包之间零电压输出的功率电路结构示意图。

图7为本实用新型通过电池的旁路输出实现几个电池包之间零电压输出的功率电路结构示意图。

图8为本实用新型的电池管理模块单体结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本实用新型的保护范围。

本实用新型的能量主动利用型双层式电池管理系统，采用两层结构的主动均衡方案，第一层为级联电机控制器，第二层为电池管理模块。

如图1所示，本实用新型能量主动利用型双层式电池管理系统的第一层，即所述级联电机控制器，此控制器可以对3N个电池包进行管理，N为≥1的整数，所述3N个电池包分为U相组、V相组和W相组共3个相组，每个相组包括N个电池包，每个电池包连接有一个级联控制其的功率电路，所述功率电路为H桥电路，每个相组中的N个电池包通过H桥级联；每个相组与级联电机控制器组合后均包括两个端口，U相组的一个端口与V相组的一个端口和W相组的一个端口相连接，U相组的另一端口、V相组的另一端口和W相组的另一端口分别连接电机的U、V和W接线端以驱动电机运转。

以下描述中，图2-7中表示的电池均是上面为正极、下面为负极。图2-7中表示的功率电路的结构示意图与图1中功率电路实质是相同的，图2-7中的4个开关器件分别对应于图1中的4个三极管，图2-7中的并联于4个开关器件中间的电池E对应于图1中的最左侧的电池。

所述每个功率电路能实现电池的三种输出状态：正向输出状态、负向输出状态和旁路输出状态。正向输出状态是电池放电即能量输出，如图2所示；负向输出状态是电池充电即能量输入，如图3所示；旁路输出状态是电池零电压输出即能量屏蔽，如图4、5所示，为旁路输出状态的两种形式。

该级联电机控制器可以控制与每个电池包相连接的功率电路实现上述三种输出状态，并且通过三种状态的配合实现电量高的电池包多输出，电量少的电池包少输出，从而主动调节电池包的输出量来达到电池包之间的均衡，级联控制器的输出功率较大，可以快速实现电池包与电池包之间的均衡。如图6所示，为本实用新型的一个实施例中四个电池包之间零电压输出的功率电路图，下面两个功率电路为正向输出状态即电池放电，上面两个功率电路为负向输出状态即电池充电，正向输出的电池包给负向输出的电池包进行充电，四个电池包作为一个整体实现了零电压输出；当有电池包受损时，通过本实用新型的级联电机控制器可以对其进行屏蔽，如图7所示，控制四个电池包均处于旁路输出状态，即实现了整体零电压输出的状态，这样就避免了因电池包中个别电池单体故障造成的系统不能运行，提高了系统的安全性。

本实用新型能量主动利用型双层式电池管理系统的第二层，即电池管理模块，所述电池管理模块为3N个，每个电池包内均设置有一个电池管理模块。如图8所示，每个电池管理模块管理M个串联的电池单体，M为＞1的整数，本实施例中以M=6，即6个电池单体为例说明，每个电池单体的正极和负极均通过均衡开关与电池管理模块上的双向反激式DC-DC变换器的一组端口相连接，双向反激式DC-DC变换器的另一组端口与汽车的启动电瓶相连接。该电池管理模块通过汽车的启动电瓶与电池包内能量的传递实现了电池包内电池单体间的能量均衡，当电池包内有电池单体电压高于设定电压或高于设定电量时，此电池单体通过均衡开关与双向反激式DC-DC变换器接通，通过双向反激式DC-DC变换器将能量由传递到外部启动电瓶；当有电池单体电压低于设定电压或低于设定电量时，同理，此电池单体通过也通过均衡开关与双向反激式DC-DC变换器接通，通过双向反激式DC-DC变换器将能量从外部启动电瓶传递到此电压较低的电池单体，通过此过程实现了电池包内部的能量均衡。

本实用新型采用双层BMS，第一层为级联电机控制器，对电池包能量的差异化利用从而实现了电池包之间的能量动态均衡；第二层为对电池包内的电池单体进行管理的电池管理模块，采用双向DC-DC结构实现了电池包内电池单体的能量均衡。利用该系统，均衡过程简单，能量利用率更高，而且均衡速度较快。本实用新型还能对损坏的电池包进行有效屏蔽，避免了因电池包中个别电池单体故障造成的系统不能运行，提高了系统的安全性。

以上仅描述了本实用新型的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述作出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种能量主动利用型双层式电池管理系统，其特征在于，包括第一层级电池均衡系统即级联电机控制器，所述级联电机控制器可以对3N个电池包进行管理，N为≥1的整数，所述3N个电池包分为U相组、V相组和W相组共3个相组，每个相组包括N个电池包，每个电池包连接有一个级联控制其的功率电路，所述功率电路为H桥电路，每个相组中的N个电池包通过H桥级联；每个相组与级联电机控制器组合后均包括两个端口，U相组的一个端口与V相组的一个端口和W相组的一个端口相连接，U相组的另一端口、V相组的另一端口和W相组的另一端口分别连接电机的U、V和W接线端以驱动电机运转。

2.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，每个功率电路能实现电池的三种输出状态：正向输出状态、负向输出状态和旁路输出状态，所述正向输出状态是电池放电即能量输出，负向输出状态是电池充电即能量输入，旁路输出状态是电池零电压输出即能量屏蔽。

3.根据权利要求1或2所述的电池管理系统，其特征在于：还包括3N个第二层级的电池管理模块，所述每个电池包内设置有一个第二层级的电池管理模块，每个电池管理模块管理M个串联的电池单体，M为＞1的整数，每个电池单体的正极和负极均通过均衡开关与电池管理模块上的DC-DC变换器的一组端口相连接，DC-DC变换器的另一组端口与汽车的启动电瓶相连接。

4.根据权利要求3所述的电池管理系统，其特征在于，所述DC-DC变换器为双向反激式DC-DC变换器。