电动汽车动力电池均衡管理系统的均衡管理方法

摘要

本发明电动汽车动力电池均衡管理系统和均衡管理方法，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。本均衡管理方法，微控制器先获取电池组额定参数，确定控制参数。再获取当前运行变量，计算电池模块间电压的最大偏差和电压分散度。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。本发明多种均衡电路优势互补，提高了均衡速度和效率。

主权项

电动汽车动力电池均衡管理系统的均衡管理方法，所述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；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；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；其特征在于：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电池个数m；微处理器根据以上从电池管理系统接收到的电池相关参数，按如下方式确定以下电池组的控制参数的具体值：单体电池电压上限值v_上限为单体电池额定电压的115％～125％，单体电池电压下限值v_下限为单体电池额定电压的80％～90％，电池组剩余电量的下限SOC_下限为电池组额定电量的20％，充电状态下电池电压分散度的上限值ε_CH为7％～9％，放电状态下电池电压分散度的上限值ε_DH为4％～6％，静置状态下的电池电压分散度的上限值ε_SH为2％～4％，电池模块间最大电压差的下限值ΔU_下限为400mV～800mV，各电池模块内的单体电池电压最大偏差的下限值Δv_下限为30mV～50mV，电池组电流变化的下限值ΔI_下限为‑20A～‑10A；均衡系数n与电池额定容量成正比，当电池额定容量为XAH，则取n＝X；具体步骤如下：I、微控制器计算电池组电压分散度ε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各运行变量的当前值电压V、电流I、单体电池电压最小值v_min、单体电池电压最大值v_max、电池组剩余电量SOC；计算电池模块间的电压的最大偏差ΔU；计算各电池模块内单体电池电压最大偏差Δv_j，j为电池模块编号；计算单体电池电压的平均值计算电池组中单体电池电压的最大值v_max；计算电池组中单体电池电压的最小值v_min；计算出当前电池组电压分散度，式中：v_i为单体电池i的电压，为所有单体电池电压的平均值，Mm为本动力电池组单体电池的总个数；当ε＜2％，表示电池组一致性很好，无需均衡操作；重复本步骤I，监控动力电池组当前的电压分散度ε；II、微控制器计算均衡次数N微控制器根据步骤I的结果计算均衡次数NN＝(v_max‑v_min)×ε×n，式中n为均衡系数；III、微控制器根据电池组工作状态选择均衡操作当电池电流I＞0，为充电状态，转入步骤IV；当电池电流I＝0，为静置状态，转入步骤V；当电池电流T＜0，为放电状态，转入步骤VI；IV、充电状态的均衡操作IV‑1、若v_max＞v_上限，微控制器提示过充，发出警报，暂停充电；否则转入步骤IV‑2；IV‑2、若ε＞ε_CH且SOC≥SOC_下限/2进入步骤IV‑3，否则返回步骤I；IV‑3、开启同轴多绕组DC‑DC变换器，进行电池模块之间的能量转移，模块间的电压差自动均衡；至ΔU＜ΔU_下限，进入步骤IV‑4；IV‑4、关闭同轴多绕组DC‑DC变换器；按各电池模块单体电池电压偏差的大小，电子开关阵列中各开关的切换，使各开关对应的均衡电容与相邻的两个单体电池的轮流并联，通过各电池模块的电容均衡电路，在各电池模块内进行单体电池之间的均衡操作，均衡次数为步骤II所得的N，之后，关闭各电池模块的电容均衡电路；转入步骤IV‑5；IV‑5、用电子开关阵列接通各电池模块的电阻均衡电路；如果某电池模块内单体电池之间的电压差大于Δv_下限，微控制器控制该电池模块内电压最高的单体电池对应的场效应管导通，至该单体电池电压与该电池模块内电压最低的单体电池之间的电压差小于Δv_下限，微控制器控制该单体电池对应的场效应管关断，然后重复上面的判断与操作，至各个电池模块内单体电池间的电压差小于或等于Δv_下限，本轮均衡操作结束，返回步骤I；V、静置过程的均衡操作V‑1、若v_min＜v_下限，提示过放，发出警报，提示充电；否则转入步骤V‑2；V‑2、若ε＞ε_SH且SOC≥SOC_下限/2进入步骤V‑3，否则返回步骤I；V‑3、开启同轴多绕组DC‑DC变换器，电池模块之间的能量进行自动均衡，至ΔU＜ΔU_下限，转入步骤V‑4；V‑4、关闭同轴多绕组DC‑DC变换器，按各电池模块的单体电池电压偏差的大小，电子开关阵列中各开关的切换，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，通过各电池模块的电容均衡电路，在各电池模块内进行单体电池之间的均衡操作，均衡次数为步骤II所得的N；之后，关闭各电池模块的电容均衡电路，转入步骤V‑5；V‑5、用电子开关阵列接通各电池模块的电阻均衡电路；如果某电池模块内单体电池之间的电压差大于Δv_下限，微控制器控制该电池模块内电压最高的单体电池对应的场效应管导通，至该单体电池电压与该电池模块内电压最低的单体电池之间的电压差小于Δv_下限，微控制器控制该单体电池对应的场效应管关断，然后重复上面的判断与操作，至各个模块内单体电池间的电压差小于或等于Δv_下限，本轮均衡操作结束，返回步骤I；VI、放电过程的均衡操作VI‑1、若v_min＜v_下限，提示过放，发出警报，提示充电；否则转入步骤VI‑2；VI‑2、当电动车为匀速行驶状态，若ε＞ε_DH且SOC＞2SOC_下限进入步骤VI‑3，否则返回步骤I；当电动车为加速行驶状态，若ε＞ε_DH/2且SOC＞2SOC_下限，进入步骤VI‑3，否则返回步骤I；当电动车为减速行驶状态，若为急刹车情况，暂停均衡操作，返回步骤I；否则为普通减速行驶，若ε＞2ε_DH且SOC≥2SOC_下限，进入步骤IV‑3，否则返回步骤I；VI‑3、开启同轴多绕组DC‑DC变换器，电池模块之间的能量进行自动均衡，至ΔU＜ΔU_下限，转入步骤VI‑4；VI‑4、关闭同轴多绕组DC‑DC变换器电路，按各电池模块单体电池电压偏差的大小，电子开关阵列中各开关的切换，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，通过各电池模块的电容均衡电路，在各电池模块内进行单体电池之间均衡操作，均衡次数为步骤II所得的N；之后，计算各模块内单体电池之间最大电压差Δv，若Δv＞Δv_下限，重新进行电容均衡电路的均衡操作；否则，关闭各电池模块的电容均衡电路，返回步骤I。