一種用於電動汽車電池組的均衡設備的製作方法
2023-09-22 14:05:15 2
專利名稱：一種用於電動汽車電池組的均衡設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於電動汽車串聯電池組充放電均衡設備。
背景技術：
近幾年來，隨著節能和環保問題被世界各國廣泛關注，具有清潔環保節能等優點的電動汽車的研究進入了一個嶄新的發展時期。在純電動車不能完全市場化的情況下，作為過渡產品的混合動力汽車正在形成新一輪的技術開發熱點。蓄電池將作為動力源而成為混合動力汽車發展的關鍵。混合動力汽車車用電池，一般由多個單體電池串聯組成一個模塊。由於單體電池製造過程中性能的分散性和使用過程中電池組內部環境的非均勻性等原因，單體電池存在不一致性。這種電池的不一致性不僅會降低電池組的使用水平，影響混合動力汽車的性能，而且還可能產生大量的熱量引起電池燃燒或爆炸。因此研究先進的電池均衡控制技術，以減輕單體電池在使用過程中出現的差異，既能夠最大限度地發揮電池的效率、延長使用壽命，還能增加電動汽車的安全性，極大的促進電動汽車相關技術的發展。
目前由均衡過程中電路對能量的消耗情況，電池組均衡控制方案可分為耗能型和饋能型兩大類。耗能型電路一般通過電阻分流實現均衡，結構簡單，但是均衡效果受分流電阻的限制，電阻選取過大，分流電流小，均衡效率低，電阻選取過小，分流電流增大，電阻發熱會引起電路的熱處理問題，如專利1667909中，公開了一種用於均衡鋰電池組能量的電池均衡方法，其均衡方法是以偶數個串聯電池為一組進行均衡，獲得該偶數個串聯電池的正端與負端電壓差的中間值，與該偶數個串聯電池的中間點電壓進行比較，當中間值電壓高於中間端點電壓時，對中間端點以上的電池進行放電，當中間值電壓低於中間端點電壓時，對中間端點以下的電池進行放電，該方法雖然不需要測量電池的電壓就能夠實現電池能量均勻分布的目的，但是均衡所用的分流電阻會消耗能量，如果均衡的時間過長還會產生大量熱量。
饋能型電路大多採用電容、電感、變壓器等換能器件實現均衡，該類電路設計方案，雖然在理論上能夠實現無損均衡，但是實際應用中控制結構複雜，體積較大，成本較高，不易級連。如專利10149455A，公開了一種電池系統的電壓平衡裝置及電壓平衡方法，該裝置包括變壓器，由初級繞組、多個次級繞組和磁性芯體構成；第一開關，與初級繞組串聯，並聯於電池系統；多個第二開關，分別於次級繞組串聯，並聯於各個電芯。該電路可以通過控制開關的導通和關斷，達到使電池組總能量向單體能量流動的目的，從而實現了電池組的能量均衡分配。該方法雖然從理論上不消耗能量，但是由於變壓器的結構複雜，初次級線圈的工藝有很高的要求，若是有漏磁等問題，同樣會導致能量的損失。而且該裝置的整體結構與控制方法比較複雜，應用於電動車輛比較困難。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的結構複雜、控制難度大、能量損耗高並且均衡的效率較低等問題，尤其對於混合動力汽車車用電池，工作電流波動大，充放電轉換頻繁，一般的均衡方法不能滿足均衡要求，提出一種簡單、高效、可靠的適合混合動力車用的電池組的均衡設備，解決因充放電對電池性能、壽命影響造成的電池間差異、失配，提高電池組的有效使用壽命。
本發明可以保證在電動汽車串聯電池組充放電使用過程中的使用安全和對電池組進行實時能量調整，保證所有電池組的能量總量保持一致，同時在單體間進行能量流動的微調，實現電池組均衡。
本發明均衡裝置主要由逆變分壓電池組均衡系統和電容切換單體均衡系統兩部分組成成。其中逆變分壓系統由開關管MOSFET，電容，二極體和變壓器構成，電容切換單體均衡系統由開關管MOSFET和電容構成。本發明通過逆變分壓電池組均衡系統對串接的多個電池組之間進行均衡，通過電容切換單體均衡系統對每個電池組內的單體電池進行均衡。
所述的逆變分壓電池組均衡系統中，串接的兩個大電容和串接的第一和第二兩個開關管MOSFET並聯後，跨接在多個電池組串接組成的電池包的正負極兩端，開關管MOSFET的串接方式是第一開關管MOSFET的源極連接第二開關管MOSFET的柵極。逆變分壓系統中變壓器原邊的同名端接串接大電容的中點，變壓器異名端接第一開關管MOSFET的源極。變壓器採用多副邊結構，變壓器的每一個副邊的中心抽頭接所述每一電池組的負極，變壓器的副邊接有保護二極體和濾波電容。
所述的電容切換單體均衡主要採用電容切換方式，將4個開關管MOSFET兩兩串聯。分別接在每一電池組中相鄰兩節單體電池的正負極，開關管MOSFET的串聯方式採用源極接柵極的方式，電容則跨接在串聯開關管MOSFET的中點。
本發明的具體工作過程本發明通過逆變分壓均衡與電容切換均衡組合使用，使電池組中單體電池達到均衡的目的。該均衡系統對串聯電池中的每一組電池採用逆變分壓均衡，逆變分壓結構採用變壓器多副邊結構，每個逆變副邊等效於一個具有相同特性的均衡單元，給每一組電池進行均衡。逆變分壓均衡既可以利用外電源向電池組充電，也可以利用動力電池組自身的總電壓作為均衡充電的電源。然後利用開關電容切換均衡可以使串聯電池組中相鄰的電池間進行電荷交換，當電容器重複進行前後開關切換時，通過利用各蓄電池間的電壓差對電容進行充放電，可以在相鄰蓄電池間將能量從電壓高的蓄電池轉移到電壓低的蓄電池中去。這一能量轉移過程具有傳遞性。
圖1.電池均衡系統原理圖； 圖2.電容切換電池均衡原理圖。
具體實施例方式 本發明均衡裝置由逆變分壓電池組均衡系統和電容切換單體均衡系統兩部分組成。其中逆變分壓電池組均衡系統由開關管MOSFET，電容，二極體和變壓器構成，電容切換單體均衡系統由開關管MOSFET和電容構成。
如圖1所示，串聯的n個電池組E1～En組成電池包，其中n為大於0的整數，當電池包放電時US為負載電壓，當電池包充電時US為電源電壓。圖1的電路原理圖主要包括兩部分，一部分是逆變分壓電池組均衡系統，由電容Ca、Cb，開關管MOSFET G1、G2，變壓器T，保護二極體D1......D2n以及濾波電容C1......Cn構成。另一部分是串聯電池組單體均衡系統，由電容切換單體均衡1，電容切換單體均衡2.....電容切換單體均衡n構成。
如圖1所示，逆變分壓電池組均衡系統中第一電容Ca和第二電容Cb串聯，第一開關管MOSFET G1和第二開關管MOSFET G2串聯，第一電容Ca、第二電容Cb的串聯支路和第一開關管MOSFET G1、第二開關管MOSFET G2的串聯支路並聯，並聯的兩個串聯支路跨接在電池包的正負極兩端。第一開關管MOSFET G1和第二開關管MOSFET G2的串聯方式採用源極接柵極的方式，即第一開關管MOSFET G1的源極接第二開關管MOSFET G2的柵極，第一開關管MOSFET G1的柵極接電池包正極，第二開關管MOSFET G2的源極接電池包的負極。逆變分壓系統中變壓器T原邊的同名端接在串聯的第一電容Ca和第二電容Cb的中點，變壓器T原邊的異名端接串聯的第一開關管MOSFET G1和第二開關管MOSFET G2的中點。開關管MOSFET G1、G2的門極由PWM波形控制器控制。電池包分成n個電池組。變壓器T採用多副邊結構，每一個副邊的中心抽頭接電池組負極，副邊接有保護二極體D1......D2n和濾波電容C1......C2n。如對於電池組E1，變壓器T副邊U1的同名端經第一保護二極體D1連接電池組E1正極，同時變壓器T副邊U1的異名端也經第一保護二極體連接電池組E1正極，變壓器T副邊U1的中心抽頭接電池組E1負極，在電池組E1的正負極間跨接濾波電容C1。其餘變壓器副邊和保護二極體和濾波電容的連接方式和變壓器T的副邊U1與保護二極體和濾波電容的連接方式相同。
如圖1所示，電容切換單體均衡1跨接在電池組E1的單體電池上，電容切換單體均衡2跨接在電池組E2的單體電池上，電容切換單體均衡3……電容切換單體均衡n分別跨接在電池組E3......En的單體電池上。
逆變分壓均衡系統的工作原理逆變分壓均衡系統既可以利用外電源向電池包充電，也可以利用電池包自身總電壓作為均衡充電的電源。
利用電池包自身總電壓作為均衡充電的電源時，設第n個電池端電壓為UEn，其中n為大於0的整數。PWM的開關控制信號佔空比為θ，變壓器的變比為NP∶NS。以第一電池組E1電壓UE1和第二電池組E2電壓UE2較其餘電池組電壓低的情況為例說明，其中Uav為電池組的平均電壓，UEn和ΔUEn分別表示第n個子電池組的端電壓及其與電池組總平均電壓的差值，UUn表示經過逆變分壓後施加在第n個子電池組兩端的電壓，IEn表示第個子電池組的充放電電流。很容易得到 第1個子電池組電壓UE1＝Uav-ΔUE1 (1) 第2個子電池組電壓UE2＝Uav-ΔUE2 (2) 副邊均衡電壓 當
時，UUn＝Uav，此時只有以第一電池組E1和第二電池組E2進行充電，其餘電池組都在進行放電，而且計算可知 以上公式中，R1-第一電池組E1常溫內阻；R2-第二電池組E2常溫內阻。由式(5)、式(6)可知，容量較低的電池組的均衡充電電流與其偏離電池組平均電壓值ΔUEn的程度成線性關係，ΔUEn越大，則該電池組的均衡充電電流也越大，其容量上升也越快，當各電池組電壓趨於一致時，系統自動進入平衡狀態。
由外電源向電池包充電時，每個電池組可以有兩個充電電流，即is(外加電源充電電流)和im(m＝1，2，…，n，均衡器對電池組的充電電流)。im的大小和流過時間的長短由各電池組的具體狀況而定。因此，各電池組所接受的充電電流大小是不同的，它與其偏離電池組平均電壓值的程度是成線性關係的。當第m個電池組電壓UEm＜Us/n時，保護二極體D2m-1和D2m正嚮導通，均衡器向第m電池組Em補充充電，即is和im共同對電池組Em充電；反之，當UEm≥Us/n時，保護二極體D2m-1和D2m反向截止，im＝0，只有is對該子電池組充電。這樣端電壓低的電池組充電電流大，其容量上升得更快，反之亦然。該過程持續到各電池組間電壓相同且等於Us/n為止，從而達到均衡控制的目的。
圖2為電容切換單體均衡的電路原理圖。圖2所示的串聯電池組單體均衡系統主要採用電容切換方式，圖中B1......Bj為單體電電池，即為圖1中的第n個電池組En。首先將開關管MOSFET分組，每4個開關管MOSFET為一組，即開關管MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4為第一組，開關管MOSFET Q3、Q4、Q5、Q6為第二組，依次類推。以下以第一組開關管MOSFET為例說明其結構。如圖2所示，4個開關管MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4兩兩串聯分別跨接在相鄰兩節單體電池B1、B2的正負極，4個開關管MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4兩兩串聯分別跨接的方式即第一開關管MOSFET Q1的源極連接第二開關管MOSFET Q2的柵極，第三開關管MOSFET Q3的源極連接第四開關管MOSFET Q4的柵極。同時第一開關管MOSFET Q1的柵極接第一電池B1的負極，第二開關管MOSFET Q2的源極接第一電池B1的正極，第三開關管MOSFET Q3的柵極接第二電池B2的負極，第四開關管MOSFET Q4的源極接第二電池B2的正極。第一電容C1的一端接第一開關管MOSFETQ1的源極，第一電容C1的另一端接第三開關管MOSFET Q3源極。其餘各組的開關管MOSFET連接方式和第一組相同。
如圖2所示，串聯電池組單體均衡系統對開關管MOSFET的控制是採用分組控制、分時控制的方式。分組控制是指以每四個開關MOSFET為一組，對同一組內的四個開關MOSFET同時控制，如對第一組的4個開關管MOSFET Q1～Q4要同時控制。分時控制是指按照時間順序依次對每一組進行控制，如對開關管MOSFET Q1～Q4組成的第一組，開關MOSFETQ3～Q6......組成的第二組等開關組按照時間順序進行控制。控制器實時監測B1，B2，B3......Bj單體電池的電壓值VB1，VB2，VB3......VBj，同時計算相鄰單體電池的壓差值，如ΔV1＝VB1-VB2，ΔV2＝VB2-VB3......，當ΔV1＞10mv時，則開啟第一組的4個開關管MOSFET Q1～Q4的控制電路，如果Q1、Q3導通，則Q2、Q4關斷，如果Q1、Q3關斷，則Q2、Q4導通。控制採用PWM方式，開關頻率f為5kHZ，佔空比D為0.5。對每一組採用分時操作，對每一組開關的均衡時間不超過10秒鐘，然後進入對下一組監測、均衡，如此重複上述均衡過程。
採用開關電容切換均衡可以使串聯電池組中相鄰的電池間進行電荷交換，當電容器重複進行前後開關切換時，通過利用各電池間的電壓差對電容進行充放電，可以在相鄰電池間將能量從電壓高的電池轉移到電壓低的電池中去。這一能量轉移過程具有傳遞性。不論各電池組初始狀態如何，只要操作時間足夠長，就可以精確實現任意數量的串聯電池端電壓的完全相等。
其中電容的選擇依據下面的公式，Req電容迴路等效電阻如(1)所示。
Req＝1/(fsw×Ceq)+Rmin (7) 其中fsw為開關頻率，Ceq為電容容量，而Rmin與器件接觸電路、串聯電容的ESR和開關電阻有關。根據現有電池的標準，一般均衡器單體均衡電流Imin應該控制在0.05C～0.1C之間，電壓差ΔV範圍在20mv～50mv之間較適宜。因此可以由此計算得到最小Req＝ΔU/Imin。Rmin一般為器件經驗值；fsw不應太高，在100Hz＜fsw＜1000Hz範圍內，由式(1)式計算即可得到所需電容值。
對兩個電池單體在靜止狀態下採用一個開關電容器切換進行電量均衡的情況進行分析，設電池電壓差為ΔU＝Ub1-Ub2，則可以計算出在時間t內電池間轉移的電量為ΔQ＝ΔU×Ceq×fsw×t。
針對混合動力汽車的實際應用情況進行具體分析，通過逆變分壓系統對電池組充放電進行實時能量調整，保證所有電池組的能量總量保持一致，因此全部電池單體間的能量差異狀態會被限制在很小的範圍內，不均衡現象只可能在子組內的蓄電池單體間微弱出現。在此基礎上對應用開關電容均衡技術，只要持續在單體間進行能量流動的微調，就可以累積均衡效果，最終實現均衡。
權利要求
1.一種用於電動汽車電池組的均衡設備，其特徵在於，所述的均衡設備包括逆變分壓電池組均衡系統和電容切換單體均衡系統；所述的逆變分壓電池組均衡系統中，串接的兩個大電容和串接的第一、第二開關管MOSFET並聯後，跨接在多個電池組串接組成的電池包的正負極兩端；逆變分壓系統中變壓器原邊的同名端接串接大電容的中點，變壓器異名端接第一開關管MOSFET的源極；變壓器採用多副邊結構，變壓器每一個副邊的中心抽頭接每一個電池組的負極，變壓器的副邊接有保護二極體和濾波電容；所述的電容切換單體均衡系統中，4個開關管MOSFET兩兩串聯，每個串聯支路分別接在每一電池組中相鄰兩節單體電池的正負極，濾波電容跨接在串聯開關管MOSFET的中點；所述的逆變分壓電池組均衡系統對串接的多個電池組之間進行均衡，所述的電容切換單體均衡系統對每個電池組內的單體電池進行均衡。
2.按照權利要求1所述的電池組均衡設備，其特徵在於所述的逆變分壓電池組均衡系統中，第一電容(Ca)和第二電容(Cb)串聯，第一開關管MOSFET(G1)和第二開關管MOSFET(G2)串聯，串聯的第一電容(Ca)、第二電容(Cb)和串聯的第一開關管MOSFET(G1)、第二開關管MOSFET(G2)並聯，並聯的兩個串聯支路跨接在所述電池包的正負極兩端；第一開關管MOSFET(G1)的源極接第二開關管MOSFET(G2)的柵極，第一開關管MOSFET(G1)的柵極接電池包正極，第二開關管MOSFET(G2)的源極接所述電池包的負極；逆變分壓系統中變壓器(T)原邊的同名端接在串聯的第一電容(Ca)和第二電容(Cb)的中點，變壓器(T)原邊的異名端接串聯的第一開關管MOSFET(G1)和第二開關管MOSFET(G2)的中點；開關管MOSFET(G1)和開關管MOSFET(G2)的門極由控制器控制。
3.按照權利要求1所述的電池組均衡設備，其特徵在於逆變分壓電池組均衡系統中，對於第一電池組(E1)，變壓器(T)第一副邊(U1)的同名端經保護第一二極體(D1)連接第一電池組(E1)正極，同時變壓器(T)第一副邊(U1)的異名端也經第二保護二極體(D2)連接第一電池組(E1)正極，變壓器(T)第一副邊(U1)的中心抽頭接第一電池組(E1)負極，在第一電池組(E1)的正負極間跨接第一濾波電容(C1)；其餘變壓器副邊(U2)......(Un)與電池組保護二極體(D3)......(D2n)以及濾波電容(C1)......(Cn)的連接方式與所述的副邊U1與保護二極體和濾波電容的連接方式相同。
4.按照權利要求1所述的電池組均衡設備，其特徵在於所述的電容切換單體均衡系統的第一組開關管MOSFET中，第一開關管MOSFET(Q1)的源極連接第二開關管MOSFET(Q2)的柵極，第三開關管MOSFET(Q3)的源極連接第四開關管MOSFET(Q4)的柵極；第一開關管MOSFET(Q1)的柵極接第一電池(B1)的負極，第二開關管MOSFET(Q2)的源極接第一電池(B1)的正極，第三開關管MOSFET(Q3)的柵極接第二電池(B2)的負極，第四開關管MOSFET(Q4)的源極接第二電池(B2)的正極；第一電容(C1)的一端接第一開關管MOSFET(Q1)的源極，第一電容(C1)的另一端接第三開關管MOSFET(Q3)的源極；其餘開關管MOSFET的連接方式和第一組開關管MOSFET相同。
5.按照權利要求4所述的電池組均衡設備，其特徵在於電容切換單體均衡系統開關管MOSFET的控制是採用分組和分時控制方式分組控制是以每四個開關MOSFET為一組，對每一組內的四個開關管MOSFET同時控制；分時控制是按照時間順序依次對每一組進行控制；控制器實時監測串接電池組中各單體電池(B1，B2，B3……Bj)的電壓值VB1，VB2，VB3......，同時計算相鄰單體電池的壓差值，如ΔV1＝VB1-VB2，ΔV2＝VB2-VB3......，當ΔV1＞10mv時，開啟第一組的第一至第四MOSFET開關(Q1～Q4)的控制電路，如果第一組開關中的第一開關管MOSFET(Q1)、第三開關管MOSFET(Q3)導通，則第二開關管MOSFET(Q2)、第四開關管MOSFET(Q4)關斷，如果第一開關管MOSFET(Q1)、第三開關管MOSFET(Q3)關斷，則第二開關管MOSFET(Q2)、第四開關管MOSFET(Q4)導通，控制採用PWM方式；對每一組的均衡時間不超過10秒鐘，然後進入下一開關組的控制；其餘各組開關管MOSFET的控制方式與第一組開關管MOSFET的控制方式相同。
全文摘要
一種用於電動汽車電池組的均衡設備，包括逆變分壓電池組均衡系統和電容切換單體均衡系統；逆變分壓電池組均衡系統中，串接的兩個大電容和串接的第一、第二開關管MOSFET並聯後，跨接在多個電池組串接組成的電池包的正負極兩端，變壓器原邊的同名端接串接大電容的中點，變壓器異名端接第一開關管MOSFET的源極。變壓器採用多副邊結構，變壓器副邊的中心抽頭接電池組的負極。電容切換單體均衡系統中，4個開關管MOSFET兩兩串聯，每個串聯支路分別接在每一電池組中相鄰兩節單體電池的正負極，濾波電容跨接在串聯開關管MOSFET的中點。所述的逆變分壓電池組均衡系統對串接的多個電池組之間進行均衡，所述的電容切換單體均衡系統對每個電池組內的單體電池進行均衡。
文檔編號H02J7/00GK101764421SQ201010034138
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月15日 優先權日2010年1月15日
發明者王立業, 王麗芳, 佘沛亮, 孫權, 楊健, 徐冬平 申請人:中國科學院電工研究所, 江蘇雙登集團有限公司