CN204651425U - 电池组均衡装置及电动汽车 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种电池组均衡装置，包括至少两个电池箱、辅助电源和电池管理模块；每个电池箱均包括选通开关、电源变换器组和至少两个并联设置的单体电池，每个单体电池串联选通开关后连接在第一母线和第二母线之间，第一母线和第二母线连接至电源变换器组；辅助电源通过第三母线和第四母线连接至电源变换器组，使得辅助电源与第一母线和第二母线隔离；电池管理模块与各个单体电池电连接，适用于根据各个单体电池的电压值相对于平均电压值的误差启动或停止单体电池与辅助电源之间的能量均衡。本实用新型还涉及一种电动汽车。本实用新型的电池组均衡装置及电动汽车，均衡效率较高，且布线简单，提高了该电池组均衡装置的可靠性和安全性。
Description
技术领域
本实用新型涉及电动汽车技术领域，特别是涉及一种电池组均衡装置及电动汽车。
背景技术
一般的电动汽车锂离子电池管理***的均衡方法有主动均衡与被动均衡两个主要分类。在主动均衡中，利用隔离开关电源实现单体电池和整组电池之间的能量传输，使得平均值较高的电芯能量转移到串联的电池组而降低该节电池的电压，或者由电池组向电压较低的电芯充电达到单体间的平衡。***硬件上一般含有用于切换开关电源输入与输出的通路选择开关，DC-DC变换器及控制电路。当电池组的结构为集中式时，即电池组的总电压较低、串联数量较少时，单节电池和整组电池的节点都处于一个电池箱体内，以上方法容易实现。
但当电池组电压较高、串联数量较多时，或***由多个独立的电池箱构成分布式***时，箱体之间往往需要串联，每一个箱体内部的不平衡的电芯只能在该箱体内部实现能量转换，很难跨越电池箱达到单节电池和整组电池之间的能量传递。虽然均衡可以将每箱内的电池调节平衡，但最终会造成箱体见电压不平衡并且不能修复。当电池箱的数量较多时，最终的不平衡程度较大。
在实际应用中，例如电动乘用车的电池***往往会采用100串或更多的锂离子电池串联，即使能够在统一的区域或电池壳体内布置，如果采用上述的均衡方法，则需要将每串电池和高压电池母线间进行不限连接，往往较为繁琐，数量庞大的布线和连接件使***的可靠性和安全性降低。
实用新型内容
鉴于现有技术的现状，本实用新型的目的在于提供一种电池组均衡装置及电动汽车，各个单体电池可控的与辅助电源连接，即可以电池箱内单体电池之间的能量均衡，也便于实现电池箱之间的能量均衡，且布线简单，提高了电池***的可靠性和安全性。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种电池组均衡装置，包括：
至少两个电池箱，每个所述电池箱均包括选通开关、电源变换器组和至少两个并联设置的单体电池，每个所述单体电池串联所述选通开关后连接在第一母线和第二母线之间，所述第一母线和所述第二母线连接至所述电源变换器组；
辅助电源，所述辅助电源通过第三母线和第四母线连接至所述电源变换器组，使得所述辅助电源与所述第一母线和所述第二母线隔离；以及
电池管理模块，所述电池管理模块与各个所述单体电池电连接，适用于根据各个所述单体电池的电压值相对于平均电压值的误差控制所述单体电池对应的选通开关和电源变换器组启动或关闭，以启动或停止所述单体电池与所述辅助电源之间的能量均衡；其中，所述平均电压值为所有的所述单体电池的电压值的平均值。
在其中一个实施例中，每个所述电池箱中的至少两个并联的单体电池形成电池组，所述电源变换器组与所述电池组一一对应设置。
在其中一个实施例中，所述选通开关包括第一选通开关和第二选通开关，每个所述电源变换器组包括第一电源变换器和第二电源变换器，所述第一电源变换器和所述第二电源变换器均包括第一端子、第二端子、第三端子和第四端子；
每个所述电池组中的所述单体电池的正极串联所述第一选通开关后连接至所述第一母线，每个所述电池组中的所述单体电池的负极串联所述第二选通开关后连接至所述第二母线，所述第一电源变换器和所述第二电源变换器的第一端子分别连接至所述第一母线，所述第一电源变换器和所述第二电源变换器的第二端子分别连接至所述第二母线；
所述第一电源变换器和所述第二电源变换器的第三端子分别连接至所述第三母线，所述第一电源变换器和所述第二电源变换器的第四端子分别连接至所述第四母线；所述辅助电源的一端连接至所述第三母线，所述辅助电源的另一端连接至所述第四母线。
在其中一个实施例中，所述第一电源变换器和所述第二电源变换器均为双向DC-DC变换器。
在其中一个实施例中，所述辅助电源为12V的稳压源。
在其中一个实施例中，所述电池管理模块还包括采样单元、第一运算单元和第二运算单元；
所述采样单元分别与所述单体电池电连接，适用于实时采集所有的所述单体电池的电压值；
所述第一运算单元与所述采样单元电连接，适用于计算所有的所述单体电池的电压值的平均值以得到所述平均电压值；
所述第二运算单元与所述采样单元和所述第一运算单元电连接，适用于计算各个所述单体电池的电压值相对于所述平均电压值的误差。
在其中一个实施例中，所述电池管理模块还包括比较判断单元，所述比较判断单元与所述第二运算单元电连接；
所述比较判断单元适用于当各个所述单体电池的电压值相对于所述平均电压值的误差均大于或等于预设误差时启动能量均衡，将电压值大于所述平均电压值的单体电池的能量转移至所述辅助电源，同时将所述辅助电源的能量转移至电压值小于所述平均电压值的单体电池。
在其中一个实施例中，所述电池管理模块还包括配对选择单元，所述配对选择单元与所述比较判断单元电连接，所述配对选择单元适用于将多个所述电压值高于平均电压值的单体电池与多个所述电压值低于平均电压值的单体电池进行配对，选通每对中两个所述单体电池对应的所述选通开关和所述电源变换器，其中每对中两个所述单体电池对应的两个所述电源变换器的能量传输方向相反。
在其中一个实施例中，所述电压值高于平均值的单体电池与所述电压值低于平均值的单体电池配对形成的对数小于或等于所述电源变换器组的数量。
本实用新型还涉及一种电动汽车，包括上述任一项所述的电池组均衡装置。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型的电池组均衡装置及电动汽车，通过与各个单体电池电连接电池管理模块根据各个单体电池的电压值相对于平均电压值的误差控制单体电池对应的选通开关和电源变换器组启动或关闭，以启动或停止单体电池与辅助电源之间的能量均衡，这样使得各个单体电池通过电源变换器组可控的连接辅助电源，既可以实现电池箱内部单体电池之间的能量均衡，也能够实现不同电池箱中单体电池之间的能量均衡，均衡效率较高，且布线简单，易于实现，提高了该电池组均衡装置的可靠性和安全性。
附图说明
图1为本实用新型的电池组均衡装置一实施例的***框图；
图2为本实用新型的电池组均衡装置中电池箱与辅助电源一实施例的电路连接图。
具体实施方式
为了使本实用新型的技术方案更加清楚，以下结合附图，对本实用新型的电池组均衡装置及电动汽车作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型并不用于限定本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1和图2，如图1所示，本实用新型的电池组均衡装置包括至少两个电池箱100、辅助电源200和电池管理模块300。其中，至少两个电池箱100之间相互独立设置，至少两个电池箱100构成分布式电池***。每个电池箱100均包括选通开关、电源变换器组和至少两个并联设置的单体电池，每个单体电池串联选通开关后连接在第一母线400和第二母线500之间，第一母线400和第二母线500连接至电源变换器组。较优地，每个电池箱100中的至少两个并联设置的单体电池形成电池组，电池组的数量至少为一个，电源变换器组与电池组一一对应设置，每个电池组通过电源变换器组与辅助电源200电连接。
辅助电源200通过第三母线600和第四母线700连接至电源变换器组，使得辅助电源200与电池的第一母线400和第二母线500隔离开，辅助电源200适用于为该电池组均衡装置提供能量缓冲。本实施例中，辅助电源200与第一母线400和第二母线500隔离，并具有一定的容量，这样使得该电池均衡器的布线和节点连接简化，提高了安全性和可靠性。较优地，该辅助电源200采用12V的稳压源，由车载电源产生，这样既不影响辅助电源对其他电路***的供电，也不会占用很大的电池容量。
电池管理模块300适用于根据各个单体电池的电压值相对于平均电压值的误差控制单体电池对应的选通开关和电源变换器组的启动或关闭，以启动或停止单体电池与辅助电源200之间的能量均衡；其中，平均电压值为所有的单体电池的电压值的平均值。这样通过将每个单体电池与所有单体电池建立联系，既可以实现电池组内单体电池之间的能量均衡，也能够实现电池组之间及电池箱之间的能量均衡，即实现了整个电池组均衡装置的能量均衡，且布线简单，提高了电池***的安全性和可靠性。
作为一种可实施方式，如图2所示，选通开关包括第一选通开关S1和第二选通开关S2，每个电源变换器组包括第一电源变换器T1和第二电源变换器T2，较优地，第一电源变换器T1和第二电源变换器T2均为双向DC-DC变换器。第一电源变换器T1和第二电源变换器T2均包括第一端子、第二端子、第三端子和第四端子，其中第一端子和第二端子为DC-DC变换器的副边绕组的两端，第三端子和第四端子为DC-DC变换器的原边绕组的两端。本实施例中，由于DC-DC变换器的原边绕组和副边绕组两端的电压均为低压，因此使得设计实现更加简单可靠。
每个电池组中的单体电池的正极串联第一选通开关S1后连接至第一母线400，每个电池组中的单体电池的负极串联第二选通开关S2后连接至第二母线500，第一电源变换器T1和第二电源变换器T2的第一端子分别连接至第一母线400，第一电源变换器T1和第二电源变换器T2的第二端子分别连接至第二母线500。第一电源变换器T1和第二电源变换器T2的第三端子分别连接至第三母线600，第一电源变换器T1和第二电源变换器T2的第四端子分别连接至第四母线700。辅助电源200的一端连接至第三母线600，辅助电源200的另一端连接至第四母线700。通过电源变换器将辅助电源200与单体电池对应的第一母线400与第二母线500隔离开，简化了该电池组均衡装置的布线及节点连接，提高了该电池组均衡装置的可靠性及安全性。
作为一种可实施方式，电池管理模块300包括采样单元310、第一运算单元320和第二运算单元330。其中，采样单元310分别与各个单体电池电连接，适用于实时采集所有的单体电池的电压值，并将采集到的所有单体电池的电压值传送至第一运算单元320，即第一运算单元320与采样单元310电连接，第一运算单元320适用于计算所有的单体电池的电压值的平均值以得到平均电压值。第二运算单元330与采样单元310和第一运算单元320电连接，适用于计算各个单体电池的电压值相对于平均电压值的误差。
本实施例中，电池管理模块300优选为单片机、DSP、FPGA或PLC等微控制器，电池管理模块300也可直接采用电池管理***(BMS，BatteryManagement System)。当然，电池管理模块300也可以采用硬件电路搭接而成，其中采样单元310可以采用采样电阻或电压传感器等，第一运算单元320和第二运算单元330可以采用运算放大器或其他具有运算功能的元件。
较优地，电池管理模块300还包括比较判断单元340，比较判断单元340与第二运算单元330电连接。其中，比较判断单元340可以采用比较器或运算放大器等实现。比较判断单元340适用于当各个单体电池的电压值相对于平均电压值的误差均大于或等于预设误差时启动能量均衡，将电压值大于平均电压值的单体电池的能量转移至辅助电源，同时将辅助电源的能量转移至电压值小于平均电压值的单体电池。这样，同时启动电压值大于平均电压值的单体电池对辅助电源的充电，与辅助电源向电压值小于平均值的单体电池的放电，保持辅助电源的电压稳定，提高了能量均衡的效率。
作为进一步的改进，电池管理模块300还包括配对选择单元350，配对选择单元350与比较判断单元340电连接，配对选择单元350适用于将多个电压值高于平均电压值的单体电池与多个电压值低于平均电压值的单体电池进行配对，选通每对中两个单体电池对应的选通开关和电源变换器，其中，每对中两个单体电池对应的两个电源变换器的能量传输方向相反。较优地，电压值高于平均值的单体电池与电压值低于平均值的单体电池配对形成的对数小于或等于电源变换器组的数量。
下面举例说明该电池组均衡装置的工作过程及工作原理：
如图2所示，该电池组均衡装置包括两个电池箱100，每个电池箱100中均包括14个单体电池，其中，每7个单体电池形成一个电池组，每个电池箱包括两个电池组。每个电池组配备一个电源变换器组，四个电池组共计对应四个电源变换器组，每一个单体电池通过电源变换器可控的与辅助电源200电连接。
电池管理模块300适用于通过控制选通开关和电源变换器以启动或停止单体电池与辅助电源之间的能量均衡。首先，电池管理模块对28个单体电池进行排序，分别将28个单体电池标记为1#～28#。采样单元310分别采集28个单体电池的电压值，并将采集到的各个单体电池的电压值V1～V28传送给第一运算单元320，第一运算单元320计算28个单体电池的平均电压值第二运算单元330根据各个单体电池的电压值V1～V28以及平均电压值计算各个单体电池的电压值相对于平均电压值的误差δ1～δ28。例如，δ1～δ28的值如下表所示：
| δ1 | δ2 | δ3 | δ4 | δ5 | δ6 | δ7 | δ8 | δ9 | δ10 | δ11 | δ12 | δ13 | δ14 |
| 1 | 0.9 | 0.8 | 0.5 | 0.4 | 0.2 | 0.4 | 0.9 | 0.7 | 0.2 | 0.2 | 0.3 | 0.5 | 0.5 |
| δ15 | δ16 | δ17 | δ18 | δ19 | δ20 | δ21 | δ22 | δ23 | δ24 | δ25 | δ26 | δ27 | δ28 |
| 0.8 | 0.7 | 1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 1 | 0.6 | 0.5 | 0.7 | 0.8 | 0.5 | 0.6 |
然后，比较判断单元340判断δ1～δ28的值是否均大于或等于预设误差0.2，若是，则启动能量均衡，将电压值大于平均电压值的单体电池的能量转移至辅助电源200，将辅助电源200的能量转移至电压值小于平均值的单体电池。此处，δ1～δ28的值以及预设误差0.2均只用于说明，并不一定是该电池组均衡装置的运行过程的处理数据。
为确保能量均衡有序高效的进行，电池管理模块300的配对选择单元340对各个单体电池进行配对，由于本实施例中电源变换器组的数量为4个，即包括4个第一电源变换器T1和4个第二电源变换器T2，因此最多同时选出4对单体电池同时进行能量均衡。这样使得该电池组均衡装置能够同时进行一对甚至多对单体电池与辅助电源之间的能量均衡，提高了能量均衡效率。为便于表述，将四个第一电源变换器T1分别标记为T1-1#、T1-2#、T1-3#和T1-4#，将四个第二电源变换器T2分别标记为T2-1#、T2-2#、T2-3#和T2-4#。
其中，配对的原则根据具体情况进行设定，例如，按照各个单体电池的电压值相对于平均电压值的误差的大小进行配对，将电压值大于平均电压值最多的单体电池与电压值低于平均电压值最多的单体电池进行配对。例如，将单体电池1#与单体电池6#进行配对，将单体电池17#与单体电池10#进行配对，将单体电池22#与单体电池11#进行配对，将单体电池2#与单体电池18#进行配对。
然后选通每对中两个单体电池对应的选通开关和电源变换器，例如，控制单体电池1#对应的第一选通开关S1和第二选通开关S2闭合，控制第一电源变换器T1-1#开启，同时控制单体电池6#对应的第一选通开关S1和第二选通开关S2闭合，控制第二电源变换器T2-1#开启，且第一电源变换器T1-1#和第二电源变换器T2-1#的能量传输方向相反。如，第一电源变换器T1-1#的能量传输方向为单体电池1#向辅助电源200传输的方向，第二电源变换器T2-1#的能量传输方向为辅助电源200向单体电池6#传输的方向，以实现同一电池箱100不同单体电池之间的能量均衡。
同时，控制单体电池17#对应的第一选通开关S1和第二选通开关S2闭合，控制第一电源变换器T1-3#或第二电源变换器T2-3#开启，控制单体电池10#对应的第一选通开关S1和第二选通开关S2闭合，控制第一电源变换器T1-2#或第二电源变换器T2-2#开启，其中，第一电源变换器T1-2#或第二电源变换器T2-3#的能量传输方向为辅助电源200向单体电池10#传输，第一电源变换器T1-3#或第二电源变换器T2-2#的能量传输方向为单体电池17#向辅助电源200传输，即单体电池17#对应的电源变换器与单体电池10#对应的电源变换器的能量传输方向相反，以实现不同电池箱中单体电池的能量均衡。其余两对单体电池的能量均衡过程与上述过程类似，此处不再赘述。
作为进一步的改进，电池管理模块还包括循环控制单元360，当每对中的两个单体电池对应的电源变换器启动后，电池管理模块300的循环控制单元360根据电池不一致性程度保持一个或多个均衡周期，在均衡周期内，电池管理模块300以一定时间间隔对平均电压值和各个单体电池相对于平均电压值的误差进行实时判断，计算下一均衡周期内启动的电池位置，循环以上过程直到所有的单体电池(本实施例中为28个单体电池)相对于平均电压值的误差均小于预设误差，均衡停止。这样保证了能量均衡的准确性，提高了该电池组均衡装置的性能。
本实用新型还提供了一种电动汽车，包括上述任一实施例的电池组均衡装置。
本实用新型的电池组均衡装置及电动汽车，通过与各个单体电池电连接电池管理模块根据各个单体电池的电压值相对于平均电压值的误差控制单体电池对应的选通开关和电源变换器组启动或关闭，以启动或停止单体电池与辅助电源之间的能量均衡，这样使得各个单体电池通过电源变换器组可控的连接辅助电源，既可以实现电池箱内部单体电池之间的能量均衡，也能够实现不同电池箱中单体电池之间的能量均衡，均衡效率较高，且布线简单，易于实现，提高了该电池组均衡装置的可靠性和安全性。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种电池组均衡装置，其特征在于，包括：
至少两个电池箱，每个所述电池箱均包括选通开关、电源变换器组和至少两个并联设置的单体电池，每个所述单体电池串联所述选通开关后连接在第一母线和第二母线之间，所述第一母线和所述第二母线连接至所述电源变换器组；
辅助电源，所述辅助电源通过第三母线和第四母线连接至所述电源变换器组，使得所述辅助电源与所述第一母线和所述第二母线隔离；以及
电池管理模块，所述电池管理模块与各个所述单体电池电连接，适用于根据各个所述单体电池的电压值相对于平均电压值的误差控制所述单体电池对应的选通开关和电源变换器组启动或关闭，以启动或停止所述单体电池与所述辅助电源之间的能量均衡；其中，所述平均电压值为所有的所述单体电池的电压值的平均值。
2.根据权利要求1所述的电池组均衡装置，其特征在于，每个所述电池箱中的至少两个并联的单体电池形成电池组，所述电源变换器组与所述电池组一一对应设置。
3.根据权利要求1所述的电池组均衡装置，其特征在于，所述选通开关包括第一选通开关和第二选通开关，每个所述电源变换器组包括第一电源变换器和第二电源变换器，所述第一电源变换器和所述第二电源变换器均包括第一端子、第二端子、第三端子和第四端子；
每个所述电池组中的所述单体电池的正极串联所述第一选通开关后连接至所述第一母线，每个所述电池组中的所述单体电池的负极串联所述第二选通开关后连接至所述第二母线，所述第一电源变换器和所述第二电源变换器的第一端子分别连接至所述第一母线，所述第一电源变换器和所述第二电源变换器的第二端子分别连接至所述第二母线；
所述第一电源变换器和所述第二电源变换器的第三端子分别连接至所述第三母线，所述第一电源变换器和所述第二电源变换器的第四端子分别连接至所述第四母线；所述辅助电源的一端连接至所述第三母线，所述辅助电源的另一端连接至所述第四母线。
4.根据权利要求3所述的电池组均衡装置，其特征在于，所述第一电源变换器和所述第二电源变换器均为双向DC-DC变换器。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电池组均衡装置，其特征在于，所述辅助电源为12V的稳压源。
6.根据权利要求1-4任一项所述的电池组均衡装置，其特征在于，所述电池管理模块还包括采样单元、第一运算单元和第二运算单元；
所述采样单元分别与所述单体电池电连接，适用于实时采集所有的所述单体电池的电压值；
所述第一运算单元与所述采样单元电连接，适用于计算所有的所述单体电池的电压值的平均值以得到所述平均电压值；
所述第二运算单元与所述采样单元和所述第一运算单元电连接，适用于计算各个所述单体电池的电压值相对于所述平均电压值的误差。
7.根据权利要求6所述的电池组均衡装置，其特征在于，所述电池管理模块还包括比较判断单元，所述比较判断单元与所述第二运算单元电连接；
所述比较判断单元适用于当各个所述单体电池的电压值相对于所述平均电压值的误差均大于或等于预设误差时启动能量均衡，将电压值大于所述平均电压值的单体电池的能量转移至所述辅助电源，同时将所述辅助电源的能量转移至电压值小于所述平均电压值的单体电池。
8.根据权利要求7所述的电池组均衡装置，其特征在于，所述电池管理模块还包括配对选择单元，所述配对选择单元与所述比较判断单元电连接，所述配对选择单元适用于将所述电压值高于平均电压值的单体电池与所述电压值低于平均电压值的单体电池进行配对，选通每对中两个所述单体电池对应的所述选通开关和所述电源变换器，其中每对中两个所述单体电池对应的两个所述电源变换器的能量传输方向相反。
9.根据权利要求8所述的电池组均衡装置，其特征在于，所述电压值高于平均值的单体电池与所述电压值低于平均值的单体电池配对形成的对数小于或等于所述电源变换器组的数量。
10.一种电动汽车，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的电池组均衡装置。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20150916 Termination date: 20170529 |