專(zhuān)利名稱(chēng)：純電動(dòng)公交客車(chē)動(dòng)力電源的soc檢測(cè)及能量均衡系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于純電動(dòng)公交客車(chē)車(chē)載動(dòng)力電源的SOC (S0C:電池荷電狀態(tài)) 精確檢測(cè)及能量均衡系統(tǒng)，尤其是涉及多組動(dòng)力電池單體的電壓采樣、SOC檢測(cè)電路、檢測(cè)方法、電池單體之間的能量均衡以及基于CAN總線技術(shù)的數(shù)據(jù)通訊的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
城市公交客車(chē)大多采用石油作為燃料，一方面帶來(lái)了對(duì)全球不可再生能源石油的需求加大，造成了石油資源的日趨匱乏，另一方面來(lái)帶來(lái)的日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，使得低碳高效新型替代能源的使用成為了必然。純電動(dòng)公交客車(chē)使用蓄電池作為動(dòng)力，具有無(wú)污染、高效率等特點(diǎn)，日益受到重視。純電動(dòng)公交客車(chē)?yán)密?chē)載電池驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，由于受蓄電池性能的制約，其行駛里程有限；且在城市工況下，由于地形結(jié)構(gòu)、交通擁堵等因素，車(chē)輛加減速頻繁，容易造成電池的過(guò)放電現(xiàn)象，影響其使用壽命。同時(shí)，在車(chē)輛行駛過(guò)程中，如發(fā)生電池電量耗盡的情況，將導(dǎo)致車(chē)輛在遠(yuǎn)離充電站外停車(chē)，給人們出行帶來(lái)不便，也容易造成交通堵塞。因此，實(shí)時(shí)精確地監(jiān)控電池組的荷電狀態(tài)S0C，顯得十分重要。
目前，純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電源管理系統(tǒng)對(duì)電池SOC值的檢測(cè)大多采用開(kāi)路電壓法， 這種方法采用整個(gè)電池組的開(kāi)路電壓來(lái)估算電池SOC值。由于在電池的使用過(guò)程中，電池單體間的放電狀況不可能完全一致，因此采用整個(gè)電池組的開(kāi)路電壓來(lái)估算實(shí)際的SOC值并不準(zhǔn)確。另外，車(chē)載電源一般都采用數(shù)量龐大的電池單體通過(guò)復(fù)雜的串、并聯(lián)方式組合成電源系統(tǒng)，由于生產(chǎn)制造過(guò)程中電池單體之間存在工藝上的差異性，造成電池單體之間的容量并不完全相同，由此帶來(lái)車(chē)輛行駛過(guò)程中存在部分電池的單體能量提前消耗殆盡，而另外部分電池單體能量盈余的現(xiàn)象，因而將該部分電池單體的能量適時(shí)地向能量較低的電池單體之間轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)電池單體之間的能量均衡，不但可以延長(zhǎng)車(chē)輛行駛里程，還可防止局部電池單體的過(guò)放電現(xiàn)象，從而大大延長(zhǎng)電池的使用壽命。
目前常用的電池能量均衡方法，一般可以歸結(jié)為以下三類(lèi)1、根據(jù)電池單體之間容量的差異，在給電池組充電的過(guò)程中通過(guò)有針對(duì)性的對(duì)電池充入不同的電量來(lái)保證能量的均衡；2、在電池使用過(guò)程中，通過(guò)復(fù)雜的振蕩電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電池單體之間能量的流動(dòng)，達(dá)到能量均衡的目的；3、在電池使用過(guò)程中，對(duì)電量盈余部分電池單體采用消耗能量的放電方法，釋放多余的電量，以保證各個(gè)電池單體之間能量的均衡。這三種常用的電池能量均衡方法，要么無(wú)法實(shí)現(xiàn)電池使用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)能量均衡，要么采用復(fù)雜的震蕩電路實(shí)現(xiàn)能量均衡，從而不可避免地帶來(lái)交流成分對(duì)電池的沖擊，或者采用能量消耗法來(lái)實(shí)現(xiàn)能量均衡， 因此這些方法都存在一定的局限性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于純電動(dòng)公交客車(chē)動(dòng)力電源的SOC精確檢測(cè)及能量均衡系統(tǒng)及方法，實(shí)現(xiàn)SOC較高的電池單體的能量向SOC較低的電池單體流動(dòng)，達(dá)到能量均衡的目的。
本發(fā)明純電動(dòng)公交客車(chē)動(dòng)力電源的SOC檢測(cè)及能量均衡系統(tǒng)采用的技術(shù)方案是 動(dòng)力電源由兩個(gè)電池組模塊Batl、Bat2并聯(lián)而成，電池組模塊Batl、Bat2各由4個(gè)電池單體 Celll Cell4、Cell5 Cell8 依次串聯(lián)，電池單體 Celll Cell4、Cell5 Cell8 分別與由電阻R6 R9與電容Cl C4、電阻R20 R23與電容C5 C8組成的積分電路構(gòu)成回路；電容Cl C4、C5 C8正極端分別通過(guò)B5、B8總線分別連接單片機(jī)Ul、U5，電容 Cl C4負(fù)極端及電池單體Celll的正極端、電容C5 C8負(fù)極端及電池單體Cell5正極端分別通過(guò)B2、B3總線分別連接多路開(kāi)關(guān)U6、U9 ；雙向可控硅Ql Q4、Q15 Q18、Q5 Q8、 QlO Q13的Tl端分別通過(guò)電阻Rl R4、R24 R27、RlO R13、R15 R18分別與電池單體Celll Cell4、Cell5 Cell8的正極相連，雙向可控硅Ql Q4、Q15 Q18的G端分別通過(guò)B1、B4總線連接單片機(jī)U3，雙向可控硅Ql Q4和Q15 Q18的各T2端相連；雙向可控硅Q9、Q14的Tl端分別通過(guò)電阻R14、R19分別與電池單體Cell 4、Cell8的負(fù)極相連，雙向可控硅Q9、Q14、Q5 Q8、QlO Q13的各T2端相連，雙向可控硅Q5 Q9、QlO Q14的G端分別通過(guò)B6、B7總線連接單片機(jī)U3 ；單片機(jī)Ul、U5分別連接多路開(kāi)關(guān)U6、U9 且分別通過(guò)光電隔離器U2、U4連接單片機(jī)U3，單片機(jī)U3分別連接單片機(jī)Ul、TO且3通過(guò)光電隔離器U7連接CAN總線控制器US0
本發(fā)明純電動(dòng)公交客車(chē)動(dòng)力電源的SOC檢測(cè)及能量均衡系統(tǒng)的SOC檢測(cè)方法采用的技術(shù)方案包括如下步驟1)對(duì)單片機(jī)U1、TO賦予不同的編碼值分別控制多路開(kāi)關(guān)TO、U9 的選通狀態(tài)，將電池單體Celll CellS的電壓輸入至單片機(jī)U1、TO的內(nèi)部，計(jì)算出各個(gè)電池單體Celll CellS的SOC值；2)單片機(jī)U3由高電平置為低電平，單片機(jī)U1、TO分別將電池組模塊Batl、Bat2中當(dāng)前的電池單體的電壓、SOC值發(fā)送到單片機(jī)U3，單片機(jī)U3根據(jù)這些數(shù)據(jù)加權(quán)計(jì)算出電源總的SOC值。
本發(fā)明純電動(dòng)公交客車(chē)動(dòng)力電源的SOC檢測(cè)及能量均衡系統(tǒng)的SOC能量均衡方法采用的技術(shù)方案是由單片機(jī)U3根據(jù)單片機(jī)Ul、U5發(fā)送的電池組模塊Batl、Bat2中電池單體Celll CellS的SOC值進(jìn)行比較，找出SOC值最大和最小的電池單體，發(fā)出觸發(fā)信號(hào)使相應(yīng)的雙向可控硅導(dǎo)通，將最大和最小的兩個(gè)電池單體的正極與正極、負(fù)極與負(fù)極相連， 實(shí)現(xiàn)能量均衡。
本發(fā)明采用雙電池組并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電源系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)每個(gè)電池組單體開(kāi)路電壓， 來(lái)綜合計(jì)算雙電池組電源系統(tǒng)的SOC值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行電池單體之間能量的均衡。根據(jù)各個(gè)電池組電池單體的SOC檢測(cè)結(jié)果，控制剩余電量較高的電池單體的能量向剩余電量較低的電池單體流動(dòng)，通過(guò)雙向可控硅構(gòu)成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)可快速將不同電量的電池單體聯(lián)接起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)電池能量的快速均衡。每個(gè)電池組的電池單體SOC值，電壓等信息都可以傳輸?shù)街骺谻PU，主控CPU可將這些信息通過(guò)CAN總線傳輸?shù)诫娫垂芾硐到y(tǒng)，通過(guò)顯示終端實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并可對(duì)電池電量不足、電壓欠壓等信息進(jìn)行報(bào)警提示。其有益效果是1、本發(fā)明通過(guò)檢測(cè)雙電池組并聯(lián)結(jié)構(gòu)電源系統(tǒng)的每個(gè)電池組單體開(kāi)路電壓來(lái)綜合估算雙電池組電源系統(tǒng)的SOC值，實(shí)時(shí)監(jiān)控SOC狀態(tài)，檢測(cè)精度高；每個(gè)電池分組中的電池單體與由電阻和電容組成的積分電路構(gòu)成回路，以電容端電壓作為輸入信號(hào)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 且可有效消除電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中由于突然加、減速所造成的電池單體電壓瞬時(shí)變化帶來(lái)的對(duì)SOC檢測(cè)的影響，穩(wěn)定性好，成本低廉、便于日后維護(hù)。
2、具有兩個(gè)SOC檢測(cè)模塊，每個(gè)模塊都可將相應(yīng)的電池組中所有電池單體的開(kāi)路電壓、SOC等信息通過(guò)光電隔離器傳遞給主控CPU，主控CPU可根據(jù)這些信息進(jìn)行電源系統(tǒng)能量均衡的控制，因此各模塊之間的任務(wù)分配較為均衡，使得整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)快速、實(shí)時(shí)性高；電池均衡過(guò)程中無(wú)能量損失，不但節(jié)約了寶貴的電能，而且能量轉(zhuǎn)換效率高，大大延長(zhǎng)電池的使用壽命。
3、雙電池組電池單體之間通過(guò)由雙向可控硅構(gòu)成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)相連，主控CPU可以觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的雙向可控硅，從而將不同電量的電池單體聯(lián)接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)電池單體之間能量的快速均衡，此過(guò)程結(jié)束后，雙向可控硅自動(dòng)截止，無(wú)需人工干預(yù)。
4、主控CPU可將電源系統(tǒng)、電池單體的S0C、開(kāi)路電壓等信息通過(guò)CAN總線傳輸?shù)诫娫垂芾硐到y(tǒng)，以便其通過(guò)顯示終端實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并可對(duì)電池電量不足、電壓欠壓等信息進(jìn)行報(bào)警提示。
5、融合了計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)、濾波算法和CAN總線通訊技術(shù)，可對(duì)純電動(dòng)公交客車(chē)車(chē)載動(dòng)力電源的SOC精確檢測(cè)，從而可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)車(chē)輛的續(xù)航里程，以便為駕車(chē)人員的行車(chē)決策提供有效的參考。


圖1是車(chē)載動(dòng)力電源系統(tǒng)、開(kāi)路電壓積分采樣電路及電池單體間通過(guò)雙向可控硅聯(lián)接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖；圖2是車(chē)載動(dòng)力電源系統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)及控制電路原理圖； 圖3是Celll對(duì)Cell5進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖4是Celll對(duì)Cell6進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖5是Celll對(duì)Cell7進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖6是Celll對(duì)CellS進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖7是Cell2對(duì)Cell5進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖8是Cell2對(duì)Cell6進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖9是Cell2對(duì)Cell7進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖10是Cell2對(duì)Cell8進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖11是Cell3對(duì)Cell5進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖12是Cell3對(duì)Cell6進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖13是Cell3對(duì)Cell7進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖14是Cell3對(duì)Cell8進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖15是Cell4對(duì)Cell5進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖16是Cell4對(duì)Cell6進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖17是Cell4對(duì)Cell7進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖； 圖18是Cell4對(duì)Cell8進(jìn)行充電時(shí)的能量均衡原理圖。
具體實(shí)施方式
如圖1-2所示，純電動(dòng)公交客車(chē)動(dòng)力電源由兩個(gè)電池組模塊Batl和Bat2并聯(lián)而成，每個(gè)電池組模塊均由4個(gè)電池單體依次串聯(lián)，其中，電池組模塊Batl由4個(gè)電池單體Celll Cell4依次串聯(lián)，電池組模塊Bat2由4個(gè)電池單體Cell5 Cell8依次串聯(lián)。
每個(gè)電池單體分別由電阻和電容組成的積分電路構(gòu)成回路，電池單體Celll Cell4分別由電阻R6與電容Cl、電阻R7與電容C2、電阻R8與電容C3、電阻R9與電容C4 組成的積分電路構(gòu)成回路，電池單體Cell5 Cell8分別由電阻R20與電容C5、電阻R21與電容C6、電阻R22與電容C7、電阻R23與電容C8組成的積分電路構(gòu)成回路。
電容Cl C8上的端電壓作為采樣信號(hào)輸入。電容Cl C4正極端通過(guò)B5總線連接型號(hào)為P87/C591的單片機(jī)Ul的Pl. 2 Pl. 5端口，電容Cl C4的負(fù)極端以及電池單體Celll的正極端通過(guò)B2總線連接到多路開(kāi)關(guān)U6的YO W端口；電容C5 C8正極端通過(guò)B8總線連接到型號(hào)為P87/C59的單片機(jī)U5的Pl. 2 Pl. 5端，電容C5 C8負(fù)極端以及電池單體Cell5的正極端通過(guò)B3總線連接到多路開(kāi)關(guān)U9的YO W端口。
雙向可控硅Ql Q4的4個(gè)Tl端分別通過(guò)電阻Rl R4分別與電池單體Celll Cell4的4個(gè)正極相連，雙向可控硅Ql Q4的4個(gè)G端通過(guò)Bl總線分別與型號(hào)為P87/ C591的單片機(jī)U3的P0. 3 P0. 6相連；雙向可控硅Q15 Q18的4個(gè)Tl端分別通過(guò)電阻 R24 R27分別與電池單體Cel 15 Cel 18的4個(gè)正極相連，雙向可控硅Q15 Q18的4個(gè) G端分別通過(guò)B4總線分別與單片機(jī)U3的P2. 3 P2. 6相連，最后將雙向可控硅Ql Q4和雙向可控硅Q15 Q18的T2端全部連接在一起。
雙向可控硅Q5 Q8以及雙向可控硅QlO Q13的Tl端分別通過(guò)電阻RlO R13 以及電阻R15 R18分別與電池單體Celll Cel 14以及電池單體Cel 15 Cel 18的正極相連，最后將雙向可控硅Q5 Q8以及雙向可控硅QlO Q13的T2端全部連接在一起。
雙向可控硅Q9、雙向可控硅Q14的Tl端分別通過(guò)電阻R14、電阻R19分別與電池單體Cell 4、電池單體Cel 18的負(fù)極相連，雙向可控硅Q9和雙向可控硅Q14的T2端與雙向可控硅Q5 Q8及雙向可控硅QlO Q13的T2端相連，雙向可控硅Q5 Q9的G端通過(guò)B6 總線連接到單片機(jī)U3的Pl. 2,Pl. 3及P0. 0 P0. 2端口，雙向可控硅QlO Q14的G端通過(guò)B7總線連接到單片機(jī)U3的Pl. 6、Pl. 7及P2. 0 P2. 2。
單片機(jī)Ul的P0. 0、P0. 1、P0. 2端連接多路開(kāi)關(guān)U6的SO、Si、S2端，單片機(jī)U5 的P0.0、P0. 1、P0. 2端與多路開(kāi)關(guān)U9的SO、Si、S2端相連。單片機(jī)Ul的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收端P3. 0/RX、P3. 1/TX通過(guò)光電隔離器U2與單片機(jī)U3的數(shù)據(jù)接收、發(fā)送端TX、RX端相連，單片機(jī)U5的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收端P3. 0/RX、P3. 1/TX通過(guò)光電隔離器U4與單片機(jī)U3的數(shù)據(jù)接收、發(fā)送端TX、RX相連。單片機(jī)U3的Pl. 4、Pl. 5端分別與單片機(jī)Ul、U5的外部中斷輸入端P3. 2相連；單片機(jī)Ul、U5的P0. 3分別連接到單片機(jī)U3的外部中斷輸入端P3. 2、P3. 3 ； 單片機(jī)U3的CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送接、收端Pl. 1、Pl. 0通過(guò)光電隔離器U7與CAN總線控制器 U8的數(shù)據(jù)接收、發(fā)送端RXD、TXD相連；最后CAN總線控制器U8將數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線上。
以下將結(jié)合附圖1-2詳細(xì)闡述車(chē)載動(dòng)力電源的SOC精確檢測(cè)及能量均衡系統(tǒng)的工作方法，SOC精確檢測(cè)及能量均衡系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式為先經(jīng)積分電路電壓采樣，再計(jì)算S0C， 輸入主控制單元，進(jìn)行能量均衡，將結(jié)果通過(guò)CAN總線發(fā)送給電源管理系統(tǒng)，并通過(guò)顯示裝置實(shí)時(shí)顯示。首先將每個(gè)電池組單體開(kāi)路電壓逐個(gè)檢測(cè)，并送入相應(yīng)的檢測(cè)處理單元，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)雙二次動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波，濾除干擾信號(hào)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算每個(gè)電池單體的SOC值。 該結(jié)果發(fā)送給主控CPU進(jìn)行綜合計(jì)算分析，得出雙電池組電源系統(tǒng)的SOC值，然后通過(guò)CAN 總線通訊技術(shù)發(fā)送給電源管理系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控。其次，主控CPU根據(jù)各個(gè)電池組電池單體之間SOC的差異，啟動(dòng)能量均衡控制策略，實(shí)現(xiàn)SOC較高的電池單體的能量向SOC 較低的電池單體流動(dòng)，達(dá)到能量均衡的目的。該方案，電源系統(tǒng)SOC值檢測(cè)精確，電池均衡過(guò)程中無(wú)能量損失，不但節(jié)約了寶貴的電能，而且能量轉(zhuǎn)換效率高。
1、電源系統(tǒng)SOC檢測(cè)方法電容Cl C4正極端通過(guò)B5總線連接單片機(jī)U1、電容C5 C8正極端通過(guò)B8總線連接單片機(jī)U5，電容Cl C8上的端電壓信號(hào)即雙電池組模塊Batl、Bat2的采樣信號(hào)，將雙電池組Batl、Bat2的采樣信號(hào)的正極端分別接入到單片機(jī)Ul和單片機(jī)U5的Pl. 2 Pl. 5 端口。由于端口內(nèi)部帶有ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，因此通過(guò)對(duì)單片機(jī)Ul和單片機(jī)TO的P0. 0、 P0. 1、P0. 2端口賦予不同的編碼值分別控制多路開(kāi)關(guān)TO和多路開(kāi)關(guān)U9的選通狀態(tài)，經(jīng)過(guò) 1個(gè)采樣循環(huán)(為下文描述方便，5個(gè)采樣周期定義為1個(gè)采樣循環(huán)，其中第1個(gè)采樣周期是為了將雙向可控硅Ql和雙向可控硅Q15的Tl端接地)，可保證將所有電池單體Celll CellS的電壓輸入至單片機(jī)Ul和單片機(jī)TO的內(nèi)部，然后經(jīng)過(guò)雙二次動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波，濾除干擾信號(hào)可計(jì)算出各個(gè)電池單體Celll CellS的SOC值。
單片機(jī)U3的Pl. 4、Pl. 5由高電平置為低電平時(shí)，單片機(jī)Ul和單片機(jī)U5的P3. 2 端接收到外部中斷請(qǐng)求信號(hào)，觸發(fā)中斷服務(wù)程序，單片機(jī)Ul和單片機(jī)TO分別將電池組模塊 Batl和Bat2中當(dāng)前的電池單體的電壓、SOC值通過(guò)數(shù)據(jù)通訊端口 TX、RX發(fā)送到單片機(jī)U3 的數(shù)據(jù)通訊端口 RX、TX，單片機(jī)U3根據(jù)這些數(shù)據(jù)加權(quán)計(jì)算出雙電池組電源系統(tǒng)總的SOC值， 該結(jié)果通過(guò)CAN總線發(fā)送給電源管理系統(tǒng)，并通過(guò)顯示裝置實(shí)時(shí)顯示。
2、電源系統(tǒng)能量均衡方法單片機(jī)U3根據(jù)單片機(jī)Ul和單片機(jī)U5發(fā)送過(guò)來(lái)的電池組模塊Batl和Bat2中電池單體的SOC值，進(jìn)行比較，找出SOC值最大和最小的電池單體，然后發(fā)出觸發(fā)信號(hào)使相應(yīng)的雙向可控硅導(dǎo)通，將這最大和最小的兩個(gè)電池單體的正極與正極、負(fù)極與負(fù)極相連，實(shí)現(xiàn)能量的均衡。SOC值最大和最小的電池單體可能分別落在電池組模塊Batl或者Bat2中，也可能同時(shí)落在Batl或者Bat2中，以下就這三種情形進(jìn)行分析。
第一種情況，當(dāng)SOC值最大的電池單體落在電池組模塊Batl中，SOC值最小的電池單體落在電池組模塊Bat2中時(shí)(1)當(dāng)電池單體Cell 1的SOC值最大，電池單體Cell 5的SOC值最小，單片機(jī)U3的 P0. 3、P2. 3、P1. 3、P1. 7端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平，脈沖寬度保持兩個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Ql、Q15、Q6、Ql 1觸發(fā)導(dǎo)通，電池單體Cell 1上多余的電量轉(zhuǎn)移至電池單體Cell 5中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅 Q1、Q15、Q6、Q11的Tl端和T2端之間的電流下降為零，Tl端和G端也無(wú)維持導(dǎo)通所需電壓， 因此進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖3為此過(guò)程的工作原理電路圖，為更清晰地描述此過(guò)程，圖3中處于截止?fàn)顟B(tài)的雙向可控硅及其它連線略去，處于導(dǎo)通狀態(tài)的雙向可控硅直接以導(dǎo)線代替，箭頭方向?yàn)殡娏髁鲃?dòng)方向，下同。
(2)當(dāng)電池單體Cell 1的SOC值最大，電池單體Cell 6的SOC值最小，單片機(jī)U3 的P0. 3、P2. 4、Pl. 3、P2. 0端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平， 脈沖寬度保持三個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Ql、Q16、Q6、Q12觸發(fā)導(dǎo)通，電池單體Cell 1上多余的電量轉(zhuǎn)移至電池單體Cell 6中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅Ql、Q16、Q6、Q12進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖4為此過(guò)程的工作原理電路圖。
(3)當(dāng)電池單體Cell 1的SOC值最大，電池單體Cell 7的SOC值最小，單片機(jī)U3 的P0. 3、P2. 5、P1. 3、P2. 1端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平， 脈沖寬度保持四個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控Q1、Q17、Q6、Q13觸發(fā)導(dǎo)通， Cell 1上多余的電量轉(zhuǎn)移至Cell 7中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，Q1、Q17、Q6、Q13進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖5為此過(guò)程的工作原理電路圖。
(4)當(dāng)電池單體Cell 1的SOC值最大，電池單體Cell 8的SOC值最小，單片機(jī)U3 的P0. 3、P2. 6、Pl. 3、P2. 2端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平， 脈沖寬度保持五個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Ql、Q18、Q6、Q13觸發(fā)導(dǎo)通，Celll上多余的電量轉(zhuǎn)移至Cell 8中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅Ql、Q18、Q6、 Q13進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖6為此過(guò)程的工作原理電路圖。
(5)當(dāng)電池單體Cell 2的SOC值最大，電池單體Cell 5的SOC值最小，單片機(jī)U3 的P0. 4、P2. 3、P0. 0、Pl. 7端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平， 脈沖寬度保持兩個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Q2、Q15、Q7、Qll觸發(fā)導(dǎo)通，電池單體Cell 2上多余的電量轉(zhuǎn)移至電池單體Cell 5中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅Q2、Q15、Q7、Q11進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖7為此過(guò)程的工作原理電路圖。
(6)當(dāng)電池單體Cell 2的SOC值最大，電池單體Cell 6的SOC值最小，單片機(jī)U3 的P0. 4、P2. 4、P0. 0、P2. 0端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平， 脈沖寬度保持三個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Q2、Q16、Q7、Q12觸發(fā)導(dǎo)通，電池單體Cell 2上多余的電量轉(zhuǎn)移至電池單體Cell 6中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅Q2、Q16、Q7、Q12進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖8為此過(guò)程的工作原理電路圖。
(7)當(dāng)電池單體Cell 2的SOC值最大，電池單體Cell 7的SOC值最小，單片機(jī)U3 的P0. 4、P2. 5、P0. 0、P2. 1端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平， 脈沖寬度保持四個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Q2、Q17、Q7、Q13觸發(fā)導(dǎo)通，電池單體Cell 2上多余的電量轉(zhuǎn)移至電池單體Cell 7中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅Q2、Q17、Q7、Q13進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖9為此過(guò)程的工作原理電路圖。
(8)當(dāng)電池單體Cell 2的SOC值最大，電池單體Cell 8的SOC值最小，單片機(jī)U3 的P0. 4、P2. 6、P0. 0、P2. 2端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平， 脈沖寬度保持五個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Q2、Q18、Q7、Q14觸發(fā)導(dǎo)通，單片機(jī)Cell 2上多余的電量轉(zhuǎn)移至電池單體Cell 8中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅Q2、Q18、Q7、Q14進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖10為此過(guò)程的工作原理電路圖。
(9)當(dāng)電池單體Cell 3的SOC值最大，電池單體Cell 5的SOC值最小，單片機(jī)U3 的P0. 5、P2. 3、P0. 1、Pl. 7端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平， 脈沖寬度保持三個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Q3、Q15、Q8、Qll觸發(fā)導(dǎo)通，單片機(jī)Cell 3上多余的電量轉(zhuǎn)移至單片機(jī)Cell 5中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅Q3、Q15、Q8、Q11進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖11為此過(guò)程的工作原理電路圖。
(10)當(dāng)電池單體Cell 3的SOC值最大，電池單體Cell 6的SOC值最小，單片機(jī) U3的P0. 5、P2. 4、P0. 1、P2. 0端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平，脈沖寬度保持三個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Q3、Q16、Q8、Q12觸發(fā)導(dǎo)通，電池單體Cell 3上多余的電量轉(zhuǎn)移至電池單體Cell 6中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅Q3、Q16、Q8、Q12進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖12為此過(guò)程的工作原理電路圖。
(11)當(dāng)電池單體Cell 3的SOC值最大，電池單體Cell 7的SOC值最小，單片機(jī) U3的P0. 5、P2. 5、P0. 1、P2. 1端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平，脈沖寬度保持四個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Q3、Q17、Q8、Q13觸發(fā)導(dǎo)通，電池單體Cell 3上多余的電量轉(zhuǎn)移至電池單體Cell 7中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅Q3、Q17、Q8、Q13進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖13為此過(guò)程的工作原理電路圖。
(12)當(dāng)電池單體Cell 3的SOC值最大，電池單體Cell 8的SOC值最小，單片機(jī) U3的P0. 5、P2. 6、P0. 1、P2. 2端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平，脈沖寬度保持五個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Q3、Q18、Q8、Q14觸發(fā)導(dǎo)通，電池單體Cell 3上多余的電量轉(zhuǎn)移至電池單體Cell 8中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅Q3、Q18、Q8、Q14進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖14為此過(guò)程的工作原理電路圖。
(13)當(dāng)電池單體Cell 4的SOC值最大，電池單體Cell 5的SOC值最小，單片機(jī) U3的P0. 6、P2. 3、P0. 2、Pl. 7端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平，脈沖寬度保持五個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Q4、Q15、Q9、Q11觸發(fā)導(dǎo)通，電池單體Cell4上多余的電量轉(zhuǎn)移至電池單體Cell 5中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅Q4、Q15、Q9、Q11進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖15為此過(guò)程的工作原理電路圖。
(14)當(dāng)電池單體Cell 4的SOC值最大，電池單體Cell 6的SOC值最小，單片機(jī) U3的P0. 6、P2. 4、P0. 2、P2. 0端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平，脈沖寬度保持五個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Q4、Q16、Q9、Q12觸發(fā)導(dǎo)通，電池單體Cell4上多余的電量轉(zhuǎn)移至電池單體Cell 6中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅Q4、Q16、Q9、Q12進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖16為此過(guò)程的工作原理電路圖。
(15)當(dāng)電池單體Cell 4的SOC值最大，電池單體Cell 7的SOC值最小，單片機(jī) U3的P0. 6、P2. 5、P0. 2、P2. 1端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平，脈沖寬度保持五個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Q4、Q17、Q9、Q13觸發(fā)導(dǎo)通，電池單體Cell4上多余的電量轉(zhuǎn)移至電池單體Cell 7中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅Q4、Q17、Q9、Q13進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖17為此過(guò)程的工作原理電路圖。
(16)當(dāng)電池單體Cell 4的SOC值最大，Cell 8的SOC值最小，單片機(jī)U3的P0. 6、 P2. 6、P0. 2、P2. 2端口從采樣循環(huán)的第一個(gè)采樣周期開(kāi)始，由低電平置為高電平，脈沖寬度保持五個(gè)采樣周期的時(shí)長(zhǎng)，然后置為低電平，雙向可控硅Q4、Q18、Q9、Q14觸發(fā)導(dǎo)通，電池單體Cell4上多余的電量轉(zhuǎn)移至電池單體Cell 8中，當(dāng)兩者電量達(dá)到平衡，雙向可控硅Q4、 Q18、Q9、Q14進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，能量均衡結(jié)束。圖18為此過(guò)程的工作原理電路圖。
第二種情況，當(dāng)SOC值最大的電池單體落在電池組模塊Bat2中，SOC值最小的電池單體落在電池組模塊Batl中由于電源系統(tǒng)能量均衡電路采用完全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模式，因此當(dāng)SOC值最大的電池單體落在電池組模塊Bat2中，SOC值最小的電池單體落在電池組模塊Batl中時(shí)，其原理、 分析方法及雙向可控硅的觸發(fā)導(dǎo)通控制策略和上述第一種情況下所述完全類(lèi)似。
第三種情況，當(dāng)SOC值最大和最小的電池單體同時(shí)在電池組模塊Batl或者Bat2 中當(dāng)SOC值最大和最小的電池單體同時(shí)在電池組模塊Bat 1中，首先找出電池組模塊Bat2 中電池單體SOC值最小者，讓電池組模塊Batl中SOC值最大者對(duì)其進(jìn)行能量均衡，然后再找出電池組模塊Batl和電池組模塊Bat2中SOC值最大者，如果SOC值最大者仍然落在電池組模塊Batl中，則繼續(xù)按上述策略進(jìn)行能量均衡。如果SOC值最大者此時(shí)已經(jīng)落在電池組模塊Bat2中，則將其對(duì)電池組模塊Batl中SOC值最小者進(jìn)行能量均衡。因此，采用此種能量均衡策略，經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)周期，最終整個(gè)電源系統(tǒng)的能量達(dá)到均衡狀態(tài)。類(lèi)似地，當(dāng) SOC值最大和最小的電池單體同時(shí)在電池組模塊Bat2中時(shí)也用同樣的分析方法。
權(quán)利要求
1.一種純電動(dòng)公交客車(chē)動(dòng)力電源的SOC檢測(cè)及能量均衡系統(tǒng)，動(dòng)力電源由兩個(gè)電池組模塊Batl、Bat2并聯(lián)而成，電池組模塊Batl、Bat2各由4個(gè)電池單體Celll Cell4、 Cell5 Cell8依次串聯(lián)，其特征是電池單體Celll Cell4、Cell5 Cell8分別與由電阻R6 R9與電容Cl C4、電阻R20 R23與電容C5 C8組成的積分電路構(gòu)成回路；電容Cl C4、C5 C8正極端分別通過(guò)B5、B8總線分別連接單片機(jī)U1、U5，電容Cl C4負(fù)極端及電池單體Celll的正極端、電容C5 C8負(fù)極端及電池單體Cell5正極端分別通過(guò)B2、 B3總線分別連接多路開(kāi)關(guān)U6、U9 ；雙向可控硅Ql Q4、Q15 Q18、Q5 Q8、Q10 Q13的 Tl端分別通過(guò)電阻Rl R4、R24 R27、RlO R13、R15 R18分別與電池單體Celll Cell4、Cell5 Cell8的正極相連，雙向可控硅Ql Q4、Q15 Q18的G端分別通過(guò)Bi、 B4總線連接單片機(jī)U3，雙向可控硅Ql Q4和Q15 Q18的各T2端相連；雙向可控硅Q9、 Q14的Tl端分別通過(guò)電阻R14、R19分別與電池單體Cell 4、Cell8的負(fù)極相連，雙向可控硅Q9、Q14、Q5 Q8、Q10 Q13的各T2端相連，雙向可控硅Q5 Q9、Q10 Q14的G端分別通過(guò)B6、B7總線連接單片機(jī)U3 ；單片機(jī)Ul、U5分別連接多路開(kāi)關(guān)U6、U9且分別通過(guò)光電隔離器U2、U4連接單片機(jī)U3，單片機(jī)U3分別連接單片機(jī)Ul、TO且3通過(guò)光電隔離器U7 連接CAN總線控制器US0
2.—種權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的SOC檢測(cè)方法，其特征是包括如下步驟1)對(duì)單片機(jī)U1、TO賦予不同的編碼值分別控制多路開(kāi)關(guān)TO、U9的選通狀態(tài)，將電池單體Celll Cell8的電壓輸入至單片機(jī)U1、TO的內(nèi)部，計(jì)算出各個(gè)電池單體Celll Cell8 的SOC值；2)單片機(jī)U3由高電平置為低電平，單片機(jī)Ul、U5分別將電池組模塊Batl、Bat2中當(dāng)前的電池單體的電壓、SOC值發(fā)送到單片機(jī)U3，單片機(jī)U3根據(jù)這些數(shù)據(jù)加權(quán)計(jì)算出電源總的SOC值。
3.—種權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的SOC能量均衡方法，其特征是由單片機(jī)U3根據(jù)單片機(jī) UU U5發(fā)送的電池組模塊Batl、Bat2中電池單體Celll Cell8的SOC值進(jìn)行比較，找出 SOC值最大和最小的電池單體，發(fā)出觸發(fā)信號(hào)使相應(yīng)的雙向可控硅導(dǎo)通，將最大和最小的兩個(gè)電池單體的正極與正極、負(fù)極與負(fù)極相連，實(shí)現(xiàn)能量均衡。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種純電動(dòng)公交客車(chē)動(dòng)力電源的SOC檢測(cè)及能量均衡系統(tǒng)與方法，采用雙電池組并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電源系統(tǒng)，每個(gè)電池分組中的電池單體與由電阻和電容組成的積分電路構(gòu)成回路，以電容端電壓作為輸入信號(hào)，綜合計(jì)算雙電池組電源系統(tǒng)的SOC值，根據(jù)各個(gè)電池組電池單體的SOC檢測(cè)結(jié)果，控制剩余電量較高的電池單體的能量向剩余電量較低的電池單體流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電池能量的快速均衡，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)精度高，電池均衡過(guò)程中無(wú)能量損失，可有效消除電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中由于突然加、減速所造成的電池單體電壓瞬時(shí)變化帶來(lái)的對(duì)SOC檢測(cè)的影響。
文檔編號(hào)H02J7/00GK102496970SQ201110356529
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者何仁, 李金忠 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)