CN108407651A - 一种双向分散式的动力电池均衡管理***及方法 - Google Patents

一种双向分散式的动力电池均衡管理***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双向分散式的动力电池均衡管理***,包括电池组、控制模块、均衡模块、数据采集模块和上位机;所述控制模块包括微处理器和绝缘监测单元,所述微处理器和绝缘监测单元电连接,所述均衡模块包括主动均衡电路。本发明还提供了一种双向分散式的动力电池均衡管理方法,包括步骤:微处理器设定单体动力电池之间电压压差的安全阈值Vs;绝缘监测单元检测电池组的母线或连接支路是否漏电;数据采集模块采集单体动力电池的充放电电流、电压信息;微处理器判断任意两个单体动力电池电压压差是否超出安全阈值及电池组是否有漏电信息;本发明实现了多个单体动力电池的均衡管理,该均衡***均衡误差小和均衡效率高。

Description

一种双向分散式的动力电池均衡管理***及方法
技术领域
本发明涉及管理***技术领域,尤其涉及一种双向分散式的动力电池均衡管理***及方法。
背景技术
以串并联方式构成的多模组动力电池是纯电动汽车和插电式混合动力汽车的重要动力来源;为了提高电动汽车能源***的实际可用容量及重复使用次数,应保证组成动力电池组;单体能量的一致性。对于使用多模组动力电池作为主要动力源的纯电动汽车,电池模组之间的不一致性问题会导致动力电池SOC(State of Charge)估算精度下降、行驶里程下降等问题;虽然有相应的充放电策略来保护动力电池,但是在复杂的城市路况下,汽车要不断的启停,仅仅依靠充放电策略来保护动力电池还远远不够;因此,通过电池均衡电路来解决电池不一致性问题效果会更好,均衡的目的就是在保证电池组;寿命的前提下使整个电池组;存储最多的电能。
对于目前解决电池一致性的方法中,存在以下问题,均衡效果尚佳,但是容易造成过度均衡的状况,不利于改善电池一致性问题,均衡算法复杂以及均衡控制***、均衡电路的实际工程实现困难等问题。为解决以上问题,本发明提供了一种双向分散式的动力电池均衡管理***及方法,实现了多个单体动力电池的均衡管理,该均衡***均衡误差小和均衡效率高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷,提供一种双向分散式的动力电池均衡管理***及方法,实现了多个单体动力电池的均衡管理。为实现所述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种双向分散式的动力电池均衡管理***,包括电池组、控制模块、均衡模块、数据采集模块和上位机;
所述控制模块包括微处理器和绝缘检测单元,所述微处理器和绝缘检测单元电连接,所述控制模块布设在主控板上;
所述均衡模块包括主动均衡电路;所述电池组分别与主动均衡电路和绝缘检测单元电连接;所述主动均衡电路连接至微处理器;
所述数据采集模块一端连接主动均衡电路,另一端连接至微处理器和上位机。
进一步地,还包括保护装置,所述保护装置包括散热器和灭火器,用于为电池组散热及防火保护。
进一步地,所述控制模块、均衡模块、数据采集模块和上位机之间均采用CAN总线连接。
进一步地,所述电池组包括N个单体动力电池,N为不小于2的正整数;所述单体动力电池之间串联连接。
进一步地,所述绝缘检测单元,用于检测电池组的母线或连接支路是否漏电,并将漏电信息传输至主控板上的微处理器;
所述数据采集模块,用于采集单体动力电池的充放电电流、电压信息,并将采集到的信息发送至上位机。
进一步地,所述主动均衡电路包括两组DC/DC 变换器A1、A 2和电感L1、L2,所述DC/DC 变换器A1一端与电感L1连接,DC/DC 变换器A1的另一端分别连接继电器SP1、SP2,所述继电器SP1、SP2分别连接继电器SK1、SK3、……SK(N-1);继电器SK1、SK3、……SK(N-1)的另一端分别连接至单体动力电池cell1、cell3、……cell(N-1)的正极,所述DC/DC 变换器A2一端与电感L2连接,DC/DC 变换器A2的另一端分别连接继电器SP3、SP4,所述继电器SP3、SP4分别连接继电器SK2、SK4、……SKN,继电器SK2、SK4、……SKN的另一端分别连接至单体动力电池cell2、cell4、……cell N的负极。
基于一种双向分散式的动力电池均衡管理***的一种双向分散式的动力电池均衡管理方法,包括以下步骤:包括以下步骤:
步骤1:微处理器设定单体动力电池之间电压压差的安全阈值Vs;
步骤2:绝缘检测单元检测电池组的母线或连接支路是否漏电,并将漏电信息传输至主控板上的微处理器;
步骤3:数据采集模块采集单体动力电池的充放电电流、电压信息,并将采集到的电压信息发送至微处理器;
步骤4:微处理器对接收到的信息进行处理,判断任意两个单体动力电池电压压差是否超出安全阈值及电池组是否有漏电信息;
同时满足两个单体动力电池电压压差超出安全阈值及电池组没有漏电信息,微处理器发出控制信号和通道信号,同时闭合两个单体动力电池负极连接的继电器,再闭合继电器SP1、SP2或继电器SP3、SP4;
步骤5:电压大单体动力电池输出电能经DC/DC变换器A1转换后给电感L1充电,之后电感L1将电能传送至电压小的单体动力电池,完成对单体动力电池之间的均衡管理。
进一步地,在所述步骤5之后,还包括:
数据采集模块将采集单体动力电池的充放电电流、电压信息传送至上位机,通过上位机实时观测电池组的电压及电流信息。
进一步地,所述安全阈值Vs的取值范围为8.75mV~17.5mV。
本发明的有益效果是:
本发明一种双向分散式的动力电池均衡管理***及方法,这种均衡方法实现了能量的双向转换,由于单独采用电阻或电容的传统被动均衡电路,从而使电池组中单体电池差异保持在合理范围内,只要均衡能力足够,并能使之最终完全消除,从而达到保护电池延长电池循环寿命的作用;由于采用了独立的DC/DC变换器和电感,当动力电池组中有多个电池单元电压压差多大时,都能同时的进行均衡管理,均衡电流大,***响应也快,多模组动力电池均衡效率大大的提高。该均衡管理方法能够有效的将动力电池压差控制在15mv以内,实现多模组动力电池的均衡管理,并且均衡时间短,与此同时,在以后更为复杂的工况下,所设计的双向分散式均衡电路能够为插电式混合动力汽车动力电池的安全性和续航能力提供保障。
附图说明
图1是本发明一种双向分散式的动力电池均衡管理***的结构示意图。
图2是本发明一种双向分散式的动力电池均衡管理***的主动均衡电路的电路图。
图3是本发明实施例中电池组母线电压变化的波形图。
图4是本发明未进行均衡管理之前的单体动力电池电压变化波形图。
图5是本发明经过均衡管理后单体动力电池电压变化波形图。
图中标号为:1为电池组,2为均衡模块,3为控制模块,4为保护装置,5为数据采集模块,6为上位机,201为主动均衡电路,301为绝缘检测单元,302为微处理器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细描述:
实施例1:如图1所示,一种双向分散式的动力电池均衡管理***,包括电池组1、控制模块3、均衡模块2、数据采集模块5和上位机6;
所述控制模块3包括微处理器302和绝缘检测单元301,所述微处理器302和绝缘检测单元301电连接,所述控制模块3布设在主控板上;
所述均衡模块2包括主动均衡电路201;所述电池组1分别与主动均衡电路201和绝缘检测单元301电连接;所述主动均衡电路201连接至微处理器302;
所述数据采集模块5一端连接主动均衡电路201,另一端连接至微处理器302和上位机6。
该***还包括保护装置4,所述保护装置4包括散热器和灭火器,用于为电池组1散热及防火保护。
所述控制模块3、均衡模块2、数据采集模块5和上位机6之间均采用CAN总线连接。
所述电池组1包括N个单体动力电池,N为不小于2的正整数;所述单体动力电池之间串联连接。
所述绝缘检测单元301,用于检测电池组1的母线或连接支路是否漏电,并将漏电信息传输至主控板上的微处理器302;
所述数据采集模块5,用于采集单体动力电池的充放电电流、电压信息,并将采集到的信息发送至上位机6。
如图2所示,所述主动均衡电路201包括两组DC/DC 变换器A1、A 2和电感L1、L2,所述DC/DC 变换器A1一端与电感L1连接,DC/DC 变换器A1的另一端分别连接继电器SP1、SP2,所述继电器SP1、SP2分别连接继电器SK1、SK3、……SK(N-1);继电器SK1、SK3、……SK(N-1)的另一端分别连接至单体动力电池cell1、cell3、……cell(N-1)的正极,所述DC/DC 变换器A2一端与电感L2连接,DC/DC 变换器A2的另一端分别连接继电器SP3、SP4,所述继电器SP3、SP4分别连接继电器SK2、SK4、……SKN,继电器SK2、SK4、……SKN的另一端分别连接至单体动力电池cell2、cell4、……cell N的负极。
实施例2:基于一种双向分散式的动力电池均衡管理***的一种双向分散式的动力电池均衡管理方法,包括以下步骤:
步骤S201:微处理器302设定单体动力电池之间电压压差的安全阈值Vs;
步骤S202:绝缘检测单元301检测电池组1的母线或连接支路是否漏电,并将漏电信息传输至主控板上的微处理器302;
步骤S203:数据采集模块5采集单体动力电池的充放电电流、电压信息,并将采集到的电压信息发送至微处理器302;
步骤S204:微处理器302对接收到的信息进行处理,判断任意两个单体动力电池电压压差是否超出安全阈值及电池组1是否有漏电信息,
同时满足两个单体动力电池电压压差超出安全阈值及电池组1没有漏电信息,微处理器302发出控制信号和通道信号,同时闭合两个单体动力电池负极连接的继电器,再闭合继电器SP1、SP2或继电器SP3、SP4;
步骤S205:电压大单体动力电池输出电能经DC/DC变换器A1转换后给电感L1充电,之后电感L1将电能传送至电压小的单体动力电池,完成对单体动力电池之间的均衡管理。
在所述步骤S205之后,还包括:
数据采集模块5将采集单体动力电池的充放电电流、电压信息传送至上位机6,通过上位机6实时观测电池组1的电压及电流信息。
其中,所述安全阈值Vs的取值范围为8.75mV~17.5mV。
作为一种可实施方式,在混合动力客车实时工况下搭建了多模组动力电池均衡实验环境,利用设计好的主动均衡电路201,其中,电感L1和L2的电感值设计为19.75μH,电池组1中的单体动力电池采用96个单体锂离子电池串联组成,在整车上对60Ah/365v的动力电池组1进行均衡测试实验,该电池组1最高单体和最低单体压差大于20mv。
实验中,数据采集模块5分别通过从板1和从板2采集了未均衡时的单体动力电池电压数据和均衡后的电压数据;其中,主动均衡电路201控制板通过判断单体动力电池之间的压差来给出控制信号;数据采集模块5负责采集单体动力电池的电压信息;将采集到的电池信息通过CAN总线及转换器汇总传送到上位机6,实车动力电池均衡实验环境为,车辆经过起步、加速、一般行驶、制动的循环全局行驶工况,在全局的行驶工况下,车辆频繁的启停,大电流对电池组1造成了很大的冲击,电池组1的单体动力电池之间出现了较大的压差。
实验结果如图3、图4、图5所示,图3为在实验过程中电池组1母线电压变化的波形图,图4为未进行均衡管理之前的单体动力电池电压变化波形图,图5为经过均衡管理后单体动力电池电压变化波形图,可以看出:均衡前单体动力电池电压压差大于20mv,微处理器302发出闭合信号,闭合与DC/DC变换器相连的继电器,同时相应的单体动力电池继电器闭合,电压高的单体动力电池与电压低的单体动力电池形成能量流动回路,对动力电池进行均衡管理,均衡后的电池压差小于15mv,而且均衡响应迅速。
验证该主动均衡电路201的均衡效率,选取均衡时间作为该主动均衡电路201的均衡性能高的表征参数,由式(1)可以看出基于升降压型DC/DC变换器和电感的主动均衡电路201摒弃了限流电阻,使得均电流增大,从而减少了均衡时间,提高了多模组动力电池的均衡性能。
(1)
式中,ΔSOC i 、SOC(k)、SOC(k-1)分别表示第i个电池单体的SOC百分比,K,K-1时刻第i个单体的SOC百分比;Q、Q v 分别表示电池单体的初始容量以及平均容量;N、I b 、T b 分别表示电池组1单体的个数,均衡电流以及均衡时间。
由于本发明中的主动均衡电路201不再采用限流电阻均衡,采用电感以及升降压型DC/DC变换器来均衡,均衡电流增大,时间减少,均衡效率更高,在应对复杂的行驶工况动力电池需要任意时刻均衡电池电压方面效果良好。
为解决动力电池压差偏大问题,本发明设计一种双向分散式的动力电池均衡管理***及方法,在混合动力客车实时工况下,搭建了多模组动力电池均衡实验环境,通过均衡测试实验验证,该均衡管理方法能够有效的将动力电池压差控制在15mv以内,实现多模组动力电池的均衡管理,并且均衡时间短;与此同时,在以后更为复杂的工况下,所设计的双向分散式主动均衡电路为插电式混合动力汽车动力电池的安全性和续航能力提供保障。
应当说明的是,以上所述之实施例,仅仅用于示例型说明或解释本发明的原理,并不用以限制本发明,因此,在不脱离本发明精神和范围内,还可以做出若干改进和修饰,这些改进和修饰均应视为本发明申请专利范围内。

Claims (9)

1.一种双向分散式的动力电池均衡管理***,其特征在于,包括电池组(1)、控制模块(3)、均衡模块(2)、数据采集模块(5)和上位机(6),
所述控制模块(3)包括微处理器(302)和绝缘检测单元(301),所述微处理器(302)和绝缘检测单元(301)电连接,所述控制模块(3)布设在主控板上;
所述均衡模块(2)包括主动均衡电路(201);所述电池组(1)分别与主动均衡电路(201)和绝缘检测单元(301)电连接;所述主动均衡电路(201)连接至微处理器(302);
所述数据采集模块(5)一端连接主动均衡电路(201),另一端连接至微处理器(302)和上位机(6)。
2.根据权利要求1所述的一种双向分散式的动力电池均衡管理***,其特征在于,还包括保护装置(4),所述保护装置(4)包括散热器和灭火器,用于为电池组(1)散热及防火保护。
3.根据权利要求1所述的一种双向分散式的动力电池均衡管理***,其特征在于,所述控制模块(3)、均衡模块(2)、数据采集模块(5)和上位机(6)之间均采用CAN总线连接。
4.根据权利要求1所述的一种双向分散式的动力电池均衡管理***,其特征在于,所述电池组(1)包括N个单体动力电池,N为不小于2的正整数;所述单体动力电池之间串联连接。
5.根据权利要求1所述的一种双向分散式的动力电池均衡管理***,其特征在于,所述绝缘检测单元(301),用于检测电池组(1)的母线或连接支路是否漏电,并将漏电信息传输至主控板上的微处理器(302);
所述数据采集模块(5),用于采集单体动力电池的充放电电流、电压信息,并将采集到的信息发送至上位机(6)。
6.根据权利要求1所述的一种双向分散式的动力电池均衡管理***,其特征在于,所述主动均衡电路(201)包括两组DC/DC 变换器A1、A 2和电感L1、L2,所述DC/DC 变换器A1一端与电感L1连接,DC/DC 变换器A1的另一端分别连接继电器SP1、SP2,所述继电器SP1、SP2分别连接继电器SK1、SK3、……SK(N-1);继电器SK1、SK3、……SK(N-1)的另一端分别连接至单体动力电池cell1、cell3、……cell(N-1)的正极,所述DC/DC 变换器A2一端与电感L2连接,DC/DC 变换器A2的另一端分别连接继电器SP3、SP4,所述继电器SP3、SP4分别连接继电器SK2、SK4、……SKN,继电器SK2、SK4、……SKN的另一端分别连接至单体动力电池cell2、cell4、……cell N的负极。
7.基于权利要求1-6所述的任一种双向分散式的动力电池均衡管理***的一种双向分散式的动力电池均衡管理方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:微处理器(302)设定单体动力电池之间电压压差的安全阈值Vs;
步骤2:绝缘检测单元(301)检测电池组(1)的母线或连接支路是否漏电,并将漏电信息传输至主控板上的微处理器(302);
步骤3:数据采集模块(5)采集单体动力电池的充放电电流、电压信息,并将采集到的电压信息发送至微处理器(302);
步骤4:微处理器(302)对接收到的信息进行处理,判断任意两个单体动力电池电压压差是否超出安全阈值及电池组(1)是否有漏电信息,
同时满足两个单体动力电池电压压差超出安全阈值及电池组(1)没有漏电信息,微处理器(302)发出控制信号和通道信号,同时闭合两个单体动力电池负极连接的继电器,再闭合继电器SP1、SP2或继电器SP3、SP4;
步骤5:电压大单体动力电池输出电能经DC/DC变换器A1转换后给电感L1充电,之后电感L1将电能传送至电压小的单体动力电池,完成对单体动力电池之间的均衡管理。
8.根据权利要求7所述的一种双向分散式的动力电池均衡管理方法,其特征在于,在所述步骤5之后,还包括:
数据采集模块(5)将采集单体动力电池的充放电电流、电压信息传送至上位机(6),通过上位机(6)实时观测电池组(1)的电压及电流信息。
9.根据权利要求7所述的一种双向分散式的动力电池均衡管理方法,其特征在于,所述安全阈值Vs的取值范围为8.75mV~17.5mV。
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