CN205178565U - 一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统，该系统包括：包括动力电池组、用于采集动力电池组内单体电池电压的电池监控单元、用于改变动力电池组中单体电池连接结构的开关矩阵、低压蓄电池、第一电压转换模块，第二电压转换模块、换向开关模块和均衡管理单元。还包括第一恒流控制模块、第二恒流控制模块和限流限压保护模块。当电动汽车动力电池组中同时出现某节单体能量过高而另外一节电池能量过低的情况时，该系统可同时实现两节电池的充放电，防止因处理一种情况时另外一种情况的电池出现恶化现象，在均衡的效果、时效性和灵活性方面会有较大的提升，延长了电池的使用寿命，提升电动汽车的续航里程。

Description

一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统

技术领域

本实用新型涉及一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统，属于电动汽车锂电池控制领域。

背景技术

电动汽车的动力电池一般是由多个单体电池串联而成的电池组。由于单体电池的内阻和自放电差异，以及在使用过程中电池组内部环境的非均匀性等原因,随着使用时间的增加,单体电池之间的性能差异将逐渐拉大,若不采取措施将造成某些单体电池过充电,某些单体电池过放电,过充和过放不仅影响电池寿命,损坏电池,而且还可能产生大量的热量引起电池燃烧或爆炸,因此采取均衡技术来补偿电池性能的差异是非常必要的。目前电动汽车动力电池的均衡技术主要采取主动均衡技术，主动均衡技术方案主要分为两大类，即单向主动均衡和双向主动均衡方案。在单向主动均衡方案中，当系统中某节电池容量过低时，系统会对其进行充电，其电源来自于汽车的低压蓄电池或者动力电池组，这种方案可以实现对电池容量过低的单体进行充电，但是不能对电池容量过高的单体进行均衡，即只有“填谷”作用，没有“削峰”作用，这样会造成电池组在充电时不能充满电，从而缩短了电动汽车的续航里程。目前双向主动均衡主要利于双向DC/DC电源模块把能量在低压蓄电池和单节电池之间进行相互转移，这种方法可以实现对高的单体电池放电，对低的单体电池充电，即“削峰填谷”的作用。但是这种方法是依赖于一个单独的双向DC/DC电源模块及开关切换模块，其缺点是在一个动力电池模组里面在同一时刻只能进行单体的充电均衡或者放电均衡，当动力电池组中出现某节单体能量过低，同时另一节单体能量过高时，只能分别依次处理其中一种情况，其风险是在处理一种情况的时间内，另外一种情况的单体电池可能会更加恶化，从而缩短单体电池的寿命、降低整组电池的容量和缩短电动汽车的续航里程。此外双向DC/DC电源模块结构复杂，稳定性不如普通的单向DC/DC电源模块。

实用新型内容

针对现有技术不能同时处理充电和放电的问题，本实用新型的技术方案提供了一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统，包括用于为电动汽车提供动力的动力电池组，用于采集动力电池组内单体电池电压的电池监控单元和用于改变动力电池组中单体电池连接结构的开关矩阵，该系统还包括：低压蓄电池，第一电压转换模块、第二电压转换模块、均衡管理单元和换向开关模块，其中所述均衡管理单元连接所述电池监控单元，从而利用所述电池监控单元获取的电池组内单体电池的电压，并连接所述换向开关模块，从而控制所述换向开关模块的工作状态；所述换向开关模块连接所述低压蓄电池，所述第一电压转换模块分别连接所述换向开关模块和所述开关矩阵，所述第二电压转换模块分别连接所述换向开关模块和所述开关矩阵。

优选地，所述所述第一电压转换模块和所述第二电压转换模块为单向DCDC电源转换器。

优选地，所述第一电压转换模块为降压型DCDC电源转换器，和所述第二电压转换模块为升压型DCDC电源转换器。

优选地，所述换向开关模块包括三个换向开关。

优选地，所述换向开关模块的换向开关为固态继电器开关。

优选地，所述换向开关模块与所述开关矩阵之间设有第一电压转换模块的线路上还设有第一恒流控制模块。

优选地，所述换向开关模块与所述开关矩阵之间设有第二电压转换模块的线路上还设有第二恒流控制模块。

优选地，所述换向开关模块与所述开关矩阵之间设有第二电压转换模块的线路上还设有限流限压保护模块。

本实用新型通过设置两个独立的电压转换模块，从而使动力电池组内高电压的单体电池和低电压的单体电池实现同时处理充电和放电的功能。通过设置换向开关模块，从而使主动均衡系统根据选择分别切换实现只“削峰”，只“填谷”或者同时实现“削峰填谷”这三种工作模式。设置第一恒流控制模块和第二恒流控制模块，能够提高系统的安全性和转换效率。设置限流限压保护模块，从而防止电池在放电时出现过放。设置固态继电器开关作为换向开关可以提高系统的抗电磁干扰能力、可靠性和反应速度。本方案相比目前的主动均衡方案，在均衡的效果、时效性和灵活性方面会有较大的提升，延长了电池的使用寿命，提升电动汽车的续航里程。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。

图1所示为根据本实用新型实施方式的一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统的总体连接图；

图2所示为根据本实用新型实施方式的一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统的充电均衡模式示意图；

图3所示为根据本实用新型实施方式的一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统的放电模式示意图；

图4所示为根据本实用新型实施方式的一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统的同时充放电模式示意图。

具体实施方式

根据图1所述，本实用新型一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统的实施例，包括用于为电动汽车提供动力的动力电池组，用于采集动力电池组内单体电池电压的电池监控单元，用于改变动力电池组中单体电池连接结构的开关矩阵，低压蓄电池，第一电压转换模块，第二电压转换模块，换向开关模块，均衡管理单元和电池监控单元。其中所述均衡管理单元连接电池监控单元，从而利用所述电池监控单元获取的电池组内单体电池的电压，连接所述换向开关模块，从而控制所述换向开关模块的工作状态；所述换向开关模块连接所述低压蓄电池，所述第一电压转换模块分别连接所述换向开关模块和所述开关矩阵，所述第二电压转换模块分别连接所述换向开关模块和所述开关矩阵。该系统还包括设置在开关模块与所述开关矩阵之间设有第一电压转换模块的线路上的第一恒流控制模块；设置在所述换向开关模块与所述开关矩阵之间设有第二电压转换模块的线路上的第二恒流控制模块和限流限压保护模块。另外本实用新型声明的动力电池组内的单体电池，也包含了以串联方式连接在一起的少于总电池组内电池数量的多个电池的组合。

示例性的，均衡管理单元可以采用飞思卡尔公司的内置CAN总线控制器的低功率高稳定性16位单片机MC9S12XEP100，均衡管理单元采集换向开关模块和利用电池监控单元采集动力电池组内各单体电池电压数据。换向开关模块采用三个固态继电器开关作为换向开关。通过控制换向开关模块内的三个换向开关S1-S3的通断组合可支持关断均衡或选择三种均衡方式，即分别是充电均衡模式、放电均衡模式和充放电同时均衡模式。接收电池监控单元发出的动力电池组中各单体电池的电压数据，判断采取哪种均衡模式的功能，可以利用均衡管理单元实现，也可以利用电池监控单元实现。电池监控单元还用于将上述电压数据和采取哪种均衡模式的信息发送至该电动汽车的人机界面以便提示用户。

本系统的工作过程如下：首先采集各单体电池的电压数据，通过对电压数据的分析比较，判断是否开启或关断均衡，以及对均衡模式的选择和对均衡的安全保护等。具体方法是通过电池监控单元采集动力电池组中各单体电池的电压数据，并发送至均衡管理单元，均衡管理单元将各单体电池的电压与阈值进行比较，从而判断是否开启或关断均衡及对均衡方式的选择。阈值可以根据部分或全部的单体电池电压进行计算。示例性的，阈值可以根据所有的单体电池电压的算术平均值乘以预设系数算出。阈值可以包括用于区分电压过高的单体电池的高压阈值和用于区分电压过低的单体电池的一个低压阈值。当有单体电池的电压高于高压阈值或低于低压阈值时，开启均衡系统；当有单体电池的电压低于低压阈值，并且无单体电池的电压高于阈值时，进入充电均衡模式；当有单体电池的电压高于高压阈值，并且无单体电池的电压低于低压阈值时，进入放电均衡模式；当有单体电池的电压高于高压阈值并且同时有单体电池的电压低于低压阈值时，则进入充放电同时均衡模式。

如图2所示，当该系统进入充电均衡模式时，均衡管理单元控制换向开关模块(图未示)内的换向开关S1和S2闭合，S3断开；矩阵开关与被选中的低电压的单体电池对应的充电开关闭合，在该模式下低压蓄电池与第一电压转换模块之间的电路导通，通过换向开关S3连接电路被隔离(此处省略换向开关S3及与其连接电路)。低压蓄电池、第一电压转换模块和该单体电池之间形成通路，电流从低压蓄电池流向了动力电池组内被选中的低电压的单体电池。其中，第一电压转换模块为降压型DCDC电源转换器，将低压蓄电池输入的电压转换成第一恒流控制模块所需要的一个稳定电压，从而为被选中的低电压的单体电池充电，同时还起到了高低压隔离作用。第一恒流控制模块的作用是向被选中的低电压的单体电池提供一个恒定的充电电流，并具有限压功能，将充电电压限制在单体电池允许的范围内，其具体大小与电池型号相关。充电电流的大小与换向开关模块、矩阵开关和第一电压转换模块功率大小都有关系，可根据设计要求进行具体选型。

如图3所示，当该系统进入放电均衡模式时，均衡管理单元控制换向开关模块(图未示)内的换向开关S1和S3闭合，S2断开；矩阵开关与被选中的高电压的单体电池对应的放电开关闭合。低压蓄电池与第二电压转换模块之间的电路导通，而通过换向开关S2连接的电路被隔离(此处省略换向开关S2及与其连接电路)。在该单体电池、第一电压转换模块和低压蓄电池之间形成通路，电流从动力电池组内被选中的高电压的单体电池流向了低压蓄电池。其中，回路中第二电压转换模块的作用是将单体电池的电压转换成第二恒流模块所需的稳定电压，同时起到高低压隔离作用，第二电压转换模块为升压型DC/DC电源转换器,恒流模块会对低压蓄电池放出一个恒定的电流，由于在放电回路中单体电池放电电流是变化的，所以需要增加限流限压保护模块，使放电电流和电池电压在单体电池正常范围之内。放电电流的大小与换向开关、矩阵开关和DC/DC功率大小都有关系，可根据设计要求进行具体选型。

如图4所示，当该系统进入充放电同时均衡模式时，均衡管理单元控制换向开关模块(图未示)内的换向开关S2和S3闭合，S1断开；矩阵开关与被选中的低电压的单体电池对应的充电开关闭合，与被选中的高电压的单体电池对应的放电开关闭合；在该高电压的单体电池、第二电压转换模块、第一电压转换模块和该低电压的单体电池之间形成通路，电流从该高电压的单体电池流向该低电压的单体电池，从而实现对高电压的单体电池放电的同时对低电压的单体电池进行充电。该模式下低压蓄电池与第一电压转换模块、第二电压转换模块之间的电路被隔离。其中，上述高电压的单体和上述低电压的单体电池可以是电池电池组中任意两节电池。由于对该低电压的单体电池的充电电流是恒流的，随着其能量的回升，需要的充电功率也会增大，导致该高电压的单体电池在放电时的放电电流会升高，所以这里需要一个限流限压保护模块，防止该高电压的单体电池过放。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统，包括用于为电动汽车提供动力的动力电池组，用于采集动力电池组内单体电池电压的电池监控单元和用于改变动力电池组中单体电池连接结构的开关矩阵，其特征在于，该系统包括：低压蓄电池，第一电压转换模块、第二电压转换模块、均衡管理单元和换向开关模块，其中所述均衡管理单元连接所述电池监控单元，从而利用所述电池监控单元获取的电池组内单体电池的电压，并连接所述换向开关模块，从而控制所述换向开关模块的工作状态；所述换向开关模块连接所述低压蓄电池，所述第一电压转换模块分别连接所述换向开关模块和所述开关矩阵，所述第二电压转换模块分别连接所述换向开关模块和所述开关矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统，其特征在于所述第一电压转换模块和所述第二电压转换模块为单向DCDC电源转换器。

3.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统，其特征在于所述第一电压转换模块为降压型DCDC电源转换器，第二电压转换模块为升压型DCDC电源转换器。

4.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统，其特征在于所述换向开关模块包括三个换向开关。

5.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统，其特征在于所述换向开关模块内的换向开关为固态继电器开关。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统，其特征在于所述换向开关模块与所述开关矩阵之间设有第一电压转换模块的线路上还设有第一恒流控制模块。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统，其特征在于所述换向开关模块与所述开关矩阵之间设有第二电压转换模块的线路上还设有第二恒流控制模块。

8.根据权利要求1-5任一项所述的一种电动汽车动力电池系统的主动均衡系统，其特征在于所述换向开关模块与所述开关矩阵之间设有第二电压转换模块的线路上还设有限流限压保护模块。