一種多路徑能量傳輸電池組主動均衡系統的製作方法

2023-07-17 13:33:12 2

本發明涉及電池組均衡技術領域，具體地說，涉及一種多路徑能量傳輸電池組主動均衡系統。

背景技術：

為解決能源和排放的問題，電動汽車(ev)受到越來越多的關注。作為ev的車用電源，通常需要幾十組甚至上百組電池連接起來同時使用，因此，電池組的控制與管理是保障清潔汽車良好運行的關鍵技術。由於製造工藝會造成各個單體電池性能不一致，當許多組電池反覆同時使用時，會引起不同程度的老化和損害，因此每一塊電池的性能和參數不可能長期保持一致，這種不一致反過來又會影響整體充放電過程的正常進行，不僅會造成問題電池的過充和過放，嚴重時會使整個電池組產生不可恢復的故障。因此，電池的充放電過程需要通過電池均衡系統來解決不一致電池對整個電池組的影響問題，以實現均衡的充放電過程。現有的各種拓撲結構的均衡系統存在結構複雜、轉移過程中能量損耗嚴重和能量轉移效率低等問題，以至於通過選擇不同能量傳輸器件和改變電路結構也不能從根本上提高其性能。因此，本課題從均衡系統拓撲結構入手，研究電池均衡系統更有效的方案，通過搭建仿真與實驗平臺，對多路徑能量均衡拓撲結構及其控制策略進行研究與實現。

隨著消費水平的提高，汽車作為一種交通工具已經成為了人們的普通消費品，汽車的人均保有量也正在迅速增加。截至2014年年底，我國汽車保有量達1.54億輛。然而傳統的燃油汽車不僅在能源上嚴重依賴不可再生的石油資源，而且排放的尾氣帶來了嚴重的環境汙染問題。據統計，全球大氣汙染的42％來自於交通汙染，在我國大城市，汽車的排放貢獻量也在60-65％。2014年我國進口原油3.1億噸，原油對外依存度為59.6％；當前中國汽車耗油約佔整個石油消費量的1/3，預計到2020年這個比例將上升到57％。傳統燃油汽車的大量消費已經給環境和國家能源安全造成巨大壓力，然而電動汽車具有排放低、能源多樣化、噪聲低、效率高和結構簡單等諸多優點。

以電動汽車為代表的節能與新能源汽車產業已經成為各汽車製造大國爭相發展的重點。近年來，全球電動汽車市場成長迅速，電動汽車的產銷量也明顯增加，數據顯示2014年全球市場共銷售35萬輛電動汽車，同比增長56.78％。當今世界主要國家都制定了電動汽車中長期發展戰略規劃，預計未來十年全球電動汽車市場會繼續擴大。為了搶佔電動汽車相關技術制高點和市場份額，美國、德國、日本等出臺了一系列政策措施全面推動電動汽車產業的發展，並投入了大量資金用於其相關技術的研究。我國對電動汽車的研究始於20世紀90年代，先後啟動了「863」計劃、「電動汽車重大科技專項」、「節能與電動汽車重大項目」等，投入了近20億經費用於電動汽車及其相關技術的研究。

電動汽車的關鍵技術是電池、電機和電控三部分。長期以來，電池技術是制約電動汽車大規模產業化的關鍵因素之一。特別是對於純電動汽車，電池是其唯一動力來源，其性能的優劣很大程度上取決於電池。若要滿足電動汽車續航裡程的要求，必須要保證汽車動力電池能夠儲存較高的能量並且長時間的持續穩定工作。

電池管理系統(batterymanagementsystem，bms)是汽車動力電池必不可少的核心組成部分，其功能是在各種複雜的行駛工況下監控電池的狀態，精確採集有關電池性能和安全方面的信息，估算電池的荷電狀態(stateofcharge，soc)和健康狀態(stateofhealth，soh)，預估電動汽車的續航裡程，還包括能量均衡、電池熱管理、安全預警與故障提示，以及與整車控制器的通信和液晶顯示等方面。通過電池管理系統對整車動力電池的監控管理，極大地提高了蓄電池的使用壽命和工作效率，對動力電池安全可靠的運行起到了關鍵作用。鋰電池因其具有能量密度高、自放電率低、循環壽命長、安全穩定性較好等優點而被廣泛應用於電動汽車領域。由於目前電池單體的電壓和容量還比較小，需要成百上千節電池單體串並聯組合成電池包才能滿足電動汽車的功率輸出要求。而電池單體在生產時就存在性能差異，在使用過程中整個電池組的不一致性會進一步擴大，從而引發「短板效應」。電池組充電截止電壓由組內充電截止電壓最低的那節電池決定，電池組放電截止電壓由組內放電截止電壓最高的那節電池決定，因此電池組的最大可用容量完全由組內單體電池決定，這不僅造成電池組容量的極大浪費，而且某節電池單體的過充過放會直接影響到整個電池組的老化速度和使用壽命。因此在電池管理系統中必須要設計電池均衡部分，根據實時檢測到的電池狀態信息，當電池不一致性滿足啟動均衡條件時，運用合理的均衡控制策略和均衡電路使得電池組中各電池單體的能量狀態達到均衡。因此開展電池均衡技術的研究不僅可以改善電池組的不一致性，延長電動汽車動力電池的使用壽命；還對增加電動汽車的續航裡程，降低電動汽車的生產使用成本，促進電動汽車產業的發展具有重要意義。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種結構設計簡單、合理，使用穩定、可靠，可有效改善電池組的不一致性，延長電動汽車動力電池的使用壽命，增加電動汽車的續航裡程，降低電動汽車生產使用成本的多路徑能量傳輸電池組主動均衡系統。

為實現上述技術目的，達到上述技術效果，其技術方案具體為：

一種多路徑能量傳輸電池組主動均衡系統，包括總電池組、均衡電源單元、電池均衡模塊、能量緩衝器模塊和均衡系統主機；所述總電池組是由一個以上的電池塊串接而成且與所述電池均衡模塊電連接；

所述均衡電源單元一端分別電連接均衡系統主機和電池均衡模塊，另一端與所述總電池組電連接，以將所述總電池組的高壓電轉換成低壓電；

所述電池均衡模塊是所述均衡系統進行均衡的主體，其由一個以上的電池均衡模塊組成，每個電池均衡模塊與能量緩衝器模塊電連接，每個所述電池均衡模塊均通過can總線與所述均衡系統主機雙向電連接；

所述能量緩衝器模塊是本發明特有的一個結構，該單元將所述的各個電池均衡模塊電連接起來，以將各個電池均衡模塊的能量互相傳遞；

所述均衡系統主機對各個所述電池均衡模塊通過can總線傳送過來的信息進行分析處理與顯示，並對各個所述電池均衡模塊的控制策略進行控制。

進一步，所述電池均衡模塊包括控制器、逆變均衡模塊、矩陣開關、電壓監測模塊、溫度監測模塊、電源模塊及can接口電路。

再進一步，所述控制器通過所述can接口電路雙向電連接所述均衡系統主機；

所述can接口電路具體是通過can總線與所述均衡系統主機電連接。

再進一步，所述逆變均衡模塊一端雙向電連接所述控制器，另一端電連接所述電源模塊並通過所述電源模塊連接至所述均衡電源單元；所述逆變均衡模塊還與所述總電池組電連接。

再進一步，所述矩陣開關一端電連接所述控制器，另一端電連接所述電源模塊並通過所述電源模塊連接至所述均衡電源單元；所述矩陣開關還與所述總電池組電連接。

再進一步，所述電壓監測模塊一端雙向電連接所述控制器，另一端電連接所述電源模塊並通過所述電源模塊連接至所述均衡電源單元；所述電壓監測模塊還與所述總電池組電連接。

再進一步，所述溫度監測模塊一端電連接所述控制器，另一端電連接所述電源模塊並通過所述電源模塊連接至所述均衡電源單元；所述溫度監測模塊還與所述總電池組電連接。

本發明具有以下有益效果：

本發明所述電池均衡模塊實現了能量的多徑傳輸，其電連接結構相比當前的各種均衡系統，結構更簡單，能量傳遞效率更高，電池均衡速度更快，既節能又縮短了均衡時間；所述均衡系統主機對各個所述電池均衡模塊通過can總線傳送過來的信息進行分析處理與顯示，傳輸效率高，具有高可靠性和良好的錯誤檢測能力，適用於汽車複雜的幹擾環境，可與汽車已有can總線對接，節省成本，減小了均衡系統的體積與重量；採用多目標優化選擇均衡控制策略，解決多個失衡單體之間如何連通最短能量傳遞通道以及各層均衡器動作協調的問題；整體上採用先進的模塊化設計，對市場上電池均衡數量不同的各種場合具有更靈活的適用性。

本發明電池組主動均衡系統結構設計簡單、合理，使用穩定、可靠，可有效改善電池組的不一致性，延長電動汽車動力電池的使用壽命，增加電動汽車的續航裡程，降低電動汽車生產使用成本，對促進電動汽車產業的發展具有重要意義。

附圖說明

圖1為本發明電池組主動均衡系統的結構示意圖；

圖2為本發明電池組主動均衡系統的多路徑能量均衡電路拓撲結構圖；

圖3為本發明電池組主動均衡系統的組內單體電池與電池塊之間的均衡示意圖；

圖4為本發明電池組主動均衡系統的電池塊內單體電池之間的均衡示意圖；

圖5為本發明電池組主動均衡系統的電池塊間某電池塊與另一電池塊及其內部單體之間的均衡示意圖；

圖6為本發明電池組主動均衡系統的電池塊間某電池塊中的單體與另一電池塊及其內部單體之間的均衡示意圖。

圖7為本發明電池組主動均衡系統均衡電源單元的結構示意圖；

圖8為本發明電池組主動均衡系統均衡系統主機的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。

如圖1所示，本發明電池組主動均衡系統，適用於多路徑能量均衡且主要由總電池組、均衡電源單元、電池均衡模塊、能量緩衝器模塊和均衡系統主機組成。

該總電池組是由若干電池塊串接而成，其與電池均衡模塊電連接。

該均衡電源單元一端電連接均衡系統主機，另一端與總電池組電連接，用於給均衡系統各個模塊提供電源，以將總電池組的高壓電轉換成低壓電；該均衡電源單元在電動汽車的應用非常廣泛，可以直接用成熟的車載dc/dc電源。

該電池均衡模塊是均衡系統進行均衡的主體且是由若干電池均衡模塊組成，每個電池均衡模塊與能量緩衝器模塊電連接，每個電池均衡模塊均通過can總線與均衡系統主機雙向電連接，使用can總線，can總線傳輸效率高，具有高可靠性和良好的錯誤檢測能力，被廣泛應用於汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境。該電池均衡模塊由控制器、逆變均衡模塊、矩陣開關、電壓監測模塊、溫度監測模塊、電源模塊及can接口電路組成。

該控制器採用具有浮點運算的高性能cotex-m4處理器，其通過can接口電路雙向電連接均衡系統主機，以方便數據的高速收發；該can接口電路具體是通過can總線與均衡系統主機電連接；同時，該控制器還電連接電源模塊並通過電源模塊連接至均衡電源單元。

該逆變均衡模塊、矩陣開關、電壓監測模塊和溫度監測模塊集成為一體。該逆變均衡模塊一端雙向電連接控制器，另一端電連接電源模塊並通過電源模塊連接至均衡電源單元，該逆變均衡模塊同時還與總電池組和能量緩衝器模塊電連接。

該矩陣開關主要負責將單體電池與逆變均衡模塊連接起來，這樣可以在一個電池均衡模塊中使用一個逆變均衡模塊就可以了，由於逆變均衡模塊體積大，成本高，通過矩陣開關可以極大的減小體積，降低成本，該矩陣開關可以使用大電流的功率mosfet管，體積小，成本低。該矩陣開關一端電連接控制器，另一端電連接電源模塊並通過電源模塊連接至均衡電源單元，該矩陣開關同時還與總電池組電連接。

該電壓監測模塊一端雙向電連接控制器，另一端電連接電源模塊並通過電源模塊連接至均衡電源單元，該電壓監測模塊同時還與總電池組電連接。

該溫度監測模塊一端電連接控制器，另一端電連接電源模塊並通過電源模塊連接至均衡電源單元，該溫度監測模塊同時還與總電池組電連接。

該能量緩衝器模塊將各個電池均衡模塊電連接起來，利用能量緩衝器模塊進行能量傳遞。該均衡系統主機對各個電池均衡模塊通過can總線傳送過來的信息進行分析處理與顯示，並對各個電池均衡模塊的控制策略進行控制。

本發明電池組主動均衡系統的工作流程如下：

首先，各電池均衡模塊將監測其對應的電池塊的電池電壓、電極溫度、電池塊溫度等信息通過can接口電路發送給均衡系統主機；接著，均衡系統主機對接收到的各電池均衡模塊的信息進行匯總，得到總電池組各單體電池的電壓、各電池塊的電極溫度、各電池塊的電壓和系統主迴路電流等信息，結合各單體電池和總電池組自身的信息，通過判斷後均衡系統主機結合電池充放電狀態和工況來制定控制策略，並向各電池均衡模塊發送均衡命令，控制電池均衡模塊的均衡路徑、均衡電流和均衡時間。最後，當電池均衡模塊接收到均衡系統主機發送過來的均衡指令後，按照一定的控制算法控制均衡電路開始均衡，同時繼續監測本模塊對應的單體電池和電池塊的信息，有異常隨時中斷，並上報給均衡系統主機；周而復始，直到總電池組達到完全均衡狀態或者達到均衡系統主機設定狀態。

下面結合本發明電池組主動均衡系統的多路徑能量均衡電路拓撲結構，對本發明作進一步說明：

(一)、電池組多路徑能量均衡電路拓撲結構模型的建立

多路徑能量均衡電路拓撲結構如圖2所示。該結構中通過多繞組高頻變壓器來實現單體電池與電池塊之間的能量相互傳輸、單體電池與能量緩衝器之間的能量相互傳輸、電池塊與能量緩衝器之間的能量相互傳輸。通過該結構解決了電池塊內的均衡問題。同時，由於利用了能量緩衝器，可以將各個均衡單元中的能量進行緩存，實現各個單體之間、電池塊之間的組內和組間的能量互相流動。

(二)電池均衡路徑說明電池在不同均衡狀態下能量均衡可能路徑分析如下：

a、電池塊內能量多路徑均衡分析

開展組內均衡具有路線短，損耗小，相應快等特點，在外部其他均衡模塊出現問題時，仍然可以保證本電池塊內電池的保護，是均衡電路結構中最基本的保障。單體電池與電池塊之間的均衡：當某電池塊中單體電池電壓過高時，可以釋放給電池塊；當電池塊中某單體電池電壓過低時，可以將電池塊的能量釋放給該單體電池。其均衡示意圖如圖3所示。

單體電池之間的均衡：當電池塊中某單體電池電壓過高，而同時，該電池塊中另一個單體電池電壓過低，此時可以將電壓過高的單體能量通過能量緩衝器釋放給電壓過低的電池，實現單體之間的均衡。其均衡示意圖如圖4所示。

b、電池塊間能量多路徑均衡分析

電池塊間的均衡可以保證整個電池組工作在最大的容量和使用壽命，對電池組整體的一致性是一個直接的保障。電池塊之間的均衡包括四種情況。某電池塊與另一電池塊及其內部單體之間的均衡：當接受能量的電池塊中某單體電池電壓過低時，可以將能量直接通過電池塊間傳送到該電池。當接受能量的電池塊整體電壓過低時，可以將能量通過電池塊間傳送到該電池塊。其均衡示意圖如圖5所示。

某電池塊中的單體與另一電池塊及其內部單體之間的均衡：當某電池塊中的單體電池電壓過高，而該電池所在的電池塊能量不需要補充，可以將該單體電池的能量通過能量緩衝器傳送給另一電池塊中電壓過低的單體電池或者傳送給電池塊。其均衡示意圖如圖6所示。

圖7為本發明電池組主動均衡系統均衡電源單元的結構示意圖；圖8為本發明電池組主動均衡系統均衡系統主機的結構示意圖；電池均衡模塊是均衡系統進行均衡的主體且是由若干電池均衡模塊組成，包括圖2中的多繞組高頻變壓器，高頻開關，能量緩衝模塊，pwm波控制等。

本發明結構設計簡單、合理，使用穩定、可靠，可有效改善電池組的不一致性，延長電動汽車動力電池的使用壽命，增加電動汽車的續航裡程，降低電動汽車生產使用成本。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，本發明的保護範圍不限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可顯而易見地得到的技術方案的簡單變化或等效替換均落入本發明的保護範圍內。