基于功率電感的能量傳遞雙向均衡系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】一種基于功率電感的能量傳遞雙向均衡系統(tǒng)及其控制方法，包括數(shù)據(jù)采集、主控模塊、通信模塊、均衡模塊和驅(qū)動模塊，選取以功率電感作為能量傳遞的媒介的一種雙向均衡電路拓撲結(jié)構(gòu)。本發(fā)明總體的均衡思路為：首先數(shù)據(jù)采集模塊對電池包內(nèi)的單體電壓、母線電流進行實時的檢測，識別電池組工作狀態(tài)，然后利用事先確定的均衡變量和均衡指標(biāo)進行不一致性判定，滿足均衡條件則按照制定的控制策略進行均衡，同時不斷監(jiān)測電池狀態(tài)，滿足停止條件后停止均衡。通過控制電壓較高的電池所對應(yīng)的MOSFET的開關(guān)，就可以將能量從電壓較高的電池轉(zhuǎn)移至鄰近的電壓較低的電池，均衡電流的大小與MOSFET閉合時間相關(guān)。上述所述的均衡系統(tǒng)可以進行擱置均衡、充電均衡、放電均衡，實現(xiàn)高效、全方位均衡，最終解決在使用過程中電池單體的不一致性問題。
【專利說明】基于功率電感的能量傳遞雙向均衡系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于功率電感的能量傳遞雙向均衡系統(tǒng)及其控制方法，適合于純 電動汽車，屬于鋰離子動力電池組能量均衡【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]動力電池是純電動汽車能源載體，其相關(guān)技術(shù)是純電動汽車最為核心的技術(shù)之 一，目前動力電池存在著成本高昂且使用壽命短、安全性差等一系列問題，亟待解決。然而 由于電池本身的復(fù)雜特性，其技術(shù)突破相比于整車控制技術(shù)和驅(qū)動電機技術(shù)更加困難，使 得動力電池成為制約純電動汽車大范圍推廣應(yīng)用的瓶頸。
[0003]動力電池通常采用的是多節(jié)單體電池以串聯(lián)的方式為純電動汽車供電，但是電池 單體在制造過程中由于制造過程中原料的均一性、各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的環(huán)境及工藝水平的影 響，會導(dǎo)致同批次同型號的電池單體在電池的電壓、內(nèi)阻以及工作溫度、容量等方面存在一 個出廠時的初始差異。而鋰離子電池的壽命衰退源于電池內(nèi)部電化學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜的相互作 用。這些相互作用彼此關(guān)聯(lián)甚至相互激勵，受某些外部條件觸發(fā)或加速。電池組在實際使 用過程中隨著充放電次數(shù)的增多，溫度、放電深度及自放電率的不同會激化電化學(xué)反應(yīng)間 的這種相互作用，從而將初始差異放大，使得單體電池之間的性能差異越來越大。同時可能 由于電池管理系統(tǒng)對電池組的管理不當(dāng)會出現(xiàn)過充過放的行為，這種行為會給電池造成不 可恢復(fù)的損害。故由于不一致性的存在，鋰離子電池組的可用容量和循環(huán)壽命遠低于單體 電池，電池效能得不到充分發(fā)揮，影響電動汽車的續(xù)駛里程，所以必須對動力電池組采取積 極有效的均衡措施。
[0004]目前，均衡技術(shù)研究主要集中在兩個方面:均衡策略研究與均衡電路拓撲結(jié)構(gòu)研 究。均衡策略研究主要著眼于尋找合適的均衡變量，針對該均衡變量結(jié)合一定的統(tǒng)計學(xué)方 法建立不一致性評價指標(biāo)，并根據(jù)某種均衡電路尋找合適的均衡路徑，確立最佳均衡閾值 等。均衡電路拓撲結(jié)構(gòu)則著重研究能夠?qū)崿F(xiàn)最佳均衡電路結(jié)構(gòu)，在保證均衡效率的情況下 盡可能的簡化結(jié)構(gòu)、降低成本。目前，認(rèn)為以SOC作為均衡變量可以從根本上改善電池組不 一致性問題，是研究的熱點，但是該方法嚴(yán)重依賴于SOC在線估算精度，因此實際應(yīng)用中大 多均衡系統(tǒng)仍以電壓作為均衡變量，在此基礎(chǔ)上采取一定的策略以單體電壓某種關(guān)系來反 映SOC的一致性，相對而言是比較可行的一種方法。根據(jù)對所傳遞的能量的處理方式不同， 均衡電路可以分為能量耗散式均衡和非能量耗散式(即無損均衡)。其中能量耗散式均衡主 要通過令電池組中能量較高的電池利用其旁路電阻進行放電的方式損耗部分能量，以期達 到電池組能量狀態(tài)的一致。這種均衡基本上實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但該方法只適用于在充電模式下 抑制最強電池單元的電壓攀升且均衡結(jié)構(gòu)以損耗電池組能量為代價，并且由于生熱問題導(dǎo) 致均衡電流不能過大，一般只允許以IOOmA左右的小電流放電，從而導(dǎo)致充電平衡耗時可 高達幾小時，只適用于小容量電池系統(tǒng)以及能量能夠及時得到補充的系統(tǒng)，并不適用于純 電動汽車。相比之下，非能量耗散式均衡是利用儲能元件和均衡旁路構(gòu)建能量傳遞通道，將 其從能量較高電池直接或間接轉(zhuǎn)移至能量較低的電池，均衡效率高。非能量耗散式均衡的方案眾多，但大多停留在實驗室階段，并沒有一種方案能夠完全滿足純電動汽車鋰離子電 池組均衡系統(tǒng)對安裝空間、成本、效率、擴展性等方面的要求，離真正實現(xiàn)商業(yè)化還有一段 距離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個目的在于提供一種基于功率電感的能量傳遞雙向均衡系統(tǒng)，另一個 目的在于提供該系統(tǒng)的控制方法，以解決鋰離子電池組在使用過程中電池單體的不一致性 問題，用于延長電池組的使用壽命，增加續(xù)駛里程。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于功率電感的能量傳遞雙向均衡系統(tǒng)，其特 征在于:采用“主-從”式結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)由一個主控單元和多個從控單元組成，從控單元 分布在不同的電池組內(nèi)，每個從控單元包括數(shù)據(jù)采集及控制模塊、均衡模塊、驅(qū)動模塊三部 分，負責(zé)一組電池單體電壓的檢測和均衡，能夠通過內(nèi)部CAN總線與主控單元進行通信；主 控單元可以進行母線電流的檢測和組間均衡，并能夠通過RS232與上位機進行通訊進行調(diào) 試和狀態(tài)顯示，主控芯片位于數(shù)據(jù)采集及控制模塊上，負責(zé)電壓采集、信息傳輸和均衡控 制，該模塊電路為數(shù)字信號電路，通過隔離芯片將控制信號傳至驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊將信號 放大后驅(qū)動均衡模塊，均衡模塊的電路為功率電路，是均衡電路拓撲結(jié)構(gòu)的具體實現(xiàn)，用于 執(zhí)行均衡。
[0007]本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是以Buck-Boost型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，每相鄰兩個電池單體之間均接有一 個子均衡旁路，每個子均衡旁路都是由RC濾波電路、FDD8424型N&P溝道功率M0SFET、功率 電感、一個消磁電阻和濾波電容組成，RC濾波電路接MOSFET端，可對驅(qū)動MOSFET管的PWM 信號進行過濾，消除尖峰；FDD8424型N&P溝道功率MOSFET用于控制跨接在電池上的均衡 旁路的開啟和關(guān)閉，其內(nèi)部的體二極管用于構(gòu)成放電回路；功率電感用于存儲能量；消磁 電阻與電感并聯(lián)可對其進行消磁；濾波電容并聯(lián)在電池兩端用于減少變壓器到單體電池線 路上的寄生電阻和電感電阻的影響，即減少均衡峰值電流的影響。
[0008]以開路電壓、工作電壓作為均衡變量，以極差作為不一致性評價指標(biāo)，設(shè)定電壓極 差閾值rIdle—srt作為均衡啟動的判據(jù)，設(shè)定相鄰兩個單體電壓差的絕對值閾值kIdle—作為均 衡終止的判據(jù)，根據(jù)以上參數(shù)制定適用于擱置、充電、放電三種不同階段的均衡控制策略。
[0009]均衡原則大體如下:
首先識別電池組工作狀態(tài)，然后利用事先確定的均衡變量和均衡指標(biāo)進行不一致性判 定，滿足均衡條件則按照制定的控制策略進行均衡，同時不斷監(jiān)測電池狀態(tài)，滿足停止條件 后停止均衡，針對鋰離子電池組可能處于充電、放電以及擱置三種不同的工作階段分別制 定相應(yīng)的控制策略，下面以一組n節(jié)電池為例進行說明。
[0010](I)擱置階段:該階段以快速達到整體一致性為目的，將電池進行A和B種 分組，每組內(nèi)包括多個兩兩構(gòu)成的電池對，判斷各個電池對電壓之差是否大于設(shè)定的 差值閾值，若滿足則執(zhí)行均衡，直至該分組下所有電池對均衡完成，轉(zhuǎn)入另一分組，循 環(huán)進行，最終整個電池組達到均衡，該過程稱為“相等均衡”；特殊情況下，組內(nèi)任意 相鄰兩節(jié)電池電壓差均小于設(shè)定差值閾值，但是總是同一側(cè)電池電壓較高，即出現(xiàn) V1 > V2 > V3 >...> Vle或者V1 <v2 <v3 <...<va這樣的電壓階梯，以致于電池組并不滿足,此時從電池組電壓最高和最低的電池開始，以電池組平均電壓為目標(biāo)，判斷單
體電壓與平均電壓之差是否大于設(shè)定閾值，若大于則以平均電壓為目標(biāo)執(zhí)行均衡，直至整個電池組一致性滿足要求，該過程稱為“均值均衡”。均值均衡是相等均衡的補充，一般情況下不會出現(xiàn)，只有在電池電壓處于特定排列狀態(tài)時才可能觸發(fā)。
[0011]其中相等均衡下的分組如下:
A分組:CeHl與Cell2, CelLs與CeII^ ,…，Cellrs^與Celln,若n為奇數(shù)則最后一節(jié)留出； B 分組:CeUl, Cell2 與 Cdli , CfeH4 與 CeMs ,…，CeI^2 與 Cellj^ , CeUn ,若 n 為奇數(shù)則最后一個小組包含
[0012](2)充電階段:該均衡階段以最大化電池組容量利用率為目的，因此均衡的主要任務(wù)是“削峰”，即避免電壓較高的電池提前截止，在電池組極差大于設(shè)定值時，首先找出電壓最高的電池Cdii，然后分別計算Cdli與Cdll和的電壓差，選擇差值較大的一節(jié)與
Celii進行相等均衡，均衡完成后重新判斷是否滿足停止條件若不滿足并且此時電
壓最高的電池與其相鄰電池壓差* <&?_#，則尋找電壓次高節(jié)電池執(zhí)行相同流程，以此類
推，直至達到最終均衡。即按照電壓由高到低順序依次均衡，最終達到一致，此過程稱為“頂部均衡”。
[0013](3)放電階段:與充電階段類似，不過此時均衡系統(tǒng)的首要任務(wù)是“填谷”，即避免電壓較低的電池提前截止，在電池組極差大于設(shè)定值時，首先找出電池組中 電壓最低的電池CWZi，然后同樣分別計算Cdi與CfeWp1和CWfw的電壓差，選擇差值較大的一節(jié)與
進行相等均衡，均衡完成后重新判斷是否停止條件〃夂?#,若不滿足并且此時電壓最低的電
池與其相鄰電池壓差t，則尋找電壓次低節(jié)電池執(zhí)行相同流程，以此類推，直至達
到最終均衡，即按照電壓由低到高順序依次均衡，最終達到一致，此過程稱為“底部均衡”。
[0014]與現(xiàn)有的技術(shù)方案相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
(1)本發(fā)明采用模塊化設(shè)計的設(shè)計方案，保證了系統(tǒng)具有良好的實時性。同時進行很多節(jié)電池單體電池狀態(tài)的監(jiān)控與均衡控制需要占用較多的資源，模塊化設(shè)計可以保證每個從控單元不必分擔(dān)過多的任務(wù)，使整個系統(tǒng)的實時性得到保證；
(2)本發(fā)明的模塊化設(shè)計便于系統(tǒng)擴展。不同的純電動車車型使用的電池數(shù)量不同，模塊化設(shè)計似的從空單元的數(shù)量可以根據(jù)需要進行增減；
(3)本發(fā)明的模塊設(shè)計提高了系統(tǒng)的可靠性。模塊化設(shè)計使得在一個從控單元故障的情況下不會使整個系統(tǒng)立即癱瘓；
(4)本發(fā)明采用的是能量轉(zhuǎn)移式均衡，結(jié)構(gòu)以Buck-Boot電路為基礎(chǔ)，所需元器件成本低，擴展也方便，在電池組中的電池單體節(jié)數(shù)發(fā)生改變是電路無須大的變動，若電池組串聯(lián)節(jié)數(shù)過多導(dǎo)致均衡時間過長，可以將電池分組形成多個電池模塊，既可以進行模塊內(nèi)的組內(nèi)均衡，也可以將各個模塊看作是一個電池單體進行組間均衡。
[0015](5)本發(fā)明既能實現(xiàn)電池擱置時的靜態(tài)均衡，又可以實現(xiàn)充放電動態(tài)均衡，并制定了相應(yīng)的控制策略，保證無論電池處于何種狀態(tài)都能使個電池單體的電壓維持一致，最大限度的發(fā)揮整個電池組的效能。
[0016](6)本發(fā)明采用的是FDD8424型功率M0SFET，此MOSFET集成了 P、N溝道M0SFET， 將MOSFET的數(shù)量減少一半，提高系統(tǒng)可靠性、減小線路板空間及降低系統(tǒng)總體成本。
[0017](7)本發(fā)明在均衡過程中包含了電感消磁階段，有效的解決了磁飽和問題。在均衡 子模塊充電階段結(jié)束時，儲能電感中可能存留部分能量，如果不進行消磁處理，隨著均衡過 程的進行，電感中的剩磁會越來越多，最終達到磁飽和，電感將失去作用。此外，均衡過程中 電路參數(shù)的也會發(fā)生改變，同樣可能導(dǎo)致電感充入能量增加的情況。在消磁階段，電路中的 元器件可以構(gòu)成一個RLC諧振電路，能將電感中的剩磁即時耗散掉，保證電路參數(shù)基本穩(wěn) 定。
[0018](8)電感式能量轉(zhuǎn)移均衡是將能量從電壓高的單體向電壓第的單體進行轉(zhuǎn)移，如 果電壓高的單體與電壓低的單體相隔較遠，則能量傳遞只能從電壓高的單體一節(jié)一節(jié)的向 電壓低的單體進行傳遞，在此過程中很有可能電壓最高的單體變成電壓最低的單體，且均 衡速度很慢，均衡時間長。本發(fā)明的控制方法有效的解決了上述問題，提高了均衡速度，縮 短了均衡時間，尤其是在擱置均衡的過程中，多個均衡子旁路可以同時進行。
[0019](9)本發(fā)明多方面的考慮了電池的實際使用情況，將擱置階段控制方法分為兩種， 其中“相等均衡”對電池組內(nèi)的電池單體進行了兩種分組，有效的避免了單一分組成對均衡 后電池對之間的無均衡現(xiàn)象；“均值均衡”作為“相等均衡”的補充，從電池組電壓最高和最 低的單體開始，以電池組電壓均值為目標(biāo)，從兩端同時向中間進行均衡，大大縮短了均衡時 間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為動力電池組均衡系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為基于功率電感的雙向均衡電路拓撲結(jié)構(gòu)；
圖3 Ca)為均衡拓撲結(jié)構(gòu)等效電路Cdi2放電階段分析圖；
圖3 (b)為均衡拓撲結(jié)構(gòu)等效電路CM1充電階段分析圖；
圖3 (c)為均衡拓撲結(jié)構(gòu)等效電路Il消磁階段分析圖；
圖4為相等均衡執(zhí)行流程圖；
圖5為均值均衡執(zhí)行流程圖；
圖6為頂部均衡執(zhí)行流程圖；
圖7為底部均衡執(zhí)行流程圖；
圖8為均衡系統(tǒng)總流程圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖1所示，本發(fā)明一種基于功率電感的能量傳遞雙向均衡系統(tǒng)，采用“主-從”式 結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)由一個主控單元和多個從控單元組成，從控單元分布在不同的電池組內(nèi)，每 個從控單元包括數(shù)據(jù)采集模塊、均衡模塊、驅(qū)動模塊三部分，負責(zé)一組12節(jié)電池單體電壓 的檢測和均衡，能夠通過內(nèi)部CAN總線與主控單元進行通信；主控單元可以進行母線電流 的檢測和組間均衡，并能夠通過RS232與上位機進行通訊進行調(diào)試和狀態(tài)顯示。其中，主控芯片位于數(shù)據(jù)采集及控制模塊上，負責(zé)電壓采集、信息傳輸和均衡控制，該模塊電路多為數(shù)字信號電路，通過隔離芯片將控制信號傳至驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊將信號放大后驅(qū)動均衡模塊，均衡模塊的電路為功率電路，是均衡電路拓撲結(jié)構(gòu)的具體實現(xiàn)，用于執(zhí)行均衡。
[0022]如圖2所示，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是以Buck-Boost型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，每相鄰兩個電池單體之間均接有一個子均衡旁路。虛線框中電路為一個簡化的子均衡旁路，可實現(xiàn)所連接的相鄰兩節(jié)電池的均衡。其中:￡1為功率電感，通過電磁轉(zhuǎn)換實現(xiàn)能量傳遞；i?l為電感￡1的消磁電阻；Afl_s為N溝道MOSFET, Ml_b為P溝道M0SFET，兩者用于控制跨接在電池上的均衡旁路的開啟和關(guān)閉和分別為兩個MOSFET的體二極管，用于構(gòu)成放電回路； Rl_a和Cl_a、i?2_￡Z和為RC濾波電路，用于對MOSFET開關(guān)的驅(qū)動信號濾波；Cl、Cl、C3為濾波電容用于減少變壓器到單體電池線路上的寄生電阻和電感電阻的影響，即減少均衡峰值電流的影響。Cdll、Cell2和(--為相鄰的三節(jié)電池，況節(jié)電池需要F-1個子均衡旁路。該拓撲結(jié)構(gòu)均衡旁路的工作不受干路電流的影響，因此可應(yīng)用于電池組充電、放電以及擱置等任意階段,并且一組電池中多個相鄰的電池對(比如Cdli與 Celi2 , Csll^與CeU^ )可以問時進彳丁，以提聞均衡效率。
[0023]如圖3 (a)、圖3 (b)、圖3 (C)分別表示了能量由電壓高的單體向電壓低的單體傳遞的三個階段。下面舉例說明這三個階段，假設(shè)CWZ2的電壓大于CMZ1。
[0024]如圖3(a)所示為&//2放電階段，控制系統(tǒng)輸出控制信號，令N溝道MOSFET Ml_a 閉合，CWZ2、￡1和Mlj —起構(gòu)成放電回路，電流方向如圖箭頭所示。由于電感￡1的存在， 放電電流4從零開始逐漸增大，部分電能轉(zhuǎn)化為磁能儲存于電感中，M\_a的閉合時間決定了 4的最大值的大??； 如圖3 (b)所示為CWZ1充電階段，當(dāng)— a斷開后，電感中儲存的能量需要釋放，此時 Cdn、￡1和*01 一起構(gòu)成充電回路。由于電感ii中的電流不能突變，故充電電流4從 !腿開始逐漸減小，電流方向如圖箭頭所示。此時，電感兩端的電壓等于Cd1電壓、
正向?qū)妷阂约盎芈纷杩箟航抵?，隨著電流減小，直至電感兩端電壓不足以克服CW//1 電壓與Dl J3正向?qū)妷簳r，Ic降到0，充電階段結(jié)束。
[0025]如圖3 (C)所示為￡1消磁階段，充電階段結(jié)束時，電感中仍有部分能量，此時 D\J>已經(jīng)截止，MOSFET M\_b以電容C2的形式存在，其輸出電容值為C^3，同時電池也
等效為一個大電容Cl。￡1、巧、以及(^巧構(gòu)成一個RLC諧振電路，既可以將電感中剩磁及時耗散掉，又能保證電路參數(shù)基本穩(wěn)定。
[0026]均衡時相鄰兩節(jié)電池哪一節(jié)需要放電就控制相應(yīng)的MOSFET啟閉，充電回路由體二極管構(gòu)成，無須控制。
[0027]如圖4所示，當(dāng)電池組在擱置狀態(tài)下時進行“相等均衡”，具體均衡過程如下:當(dāng)系統(tǒng)檢測到當(dāng)前電池組極差P大于設(shè)定值化&」-時，首先以A分組方式分組，然后判斷每個小組電池電壓差的絕對值是否大于七- ,對所有滿足* > 的小組，選擇電壓較高的電池對應(yīng)的MOSFET輸出PWM信號，且每隔Al時間停止輸出控制信號重新計算I:值，直至所有小組達到狀態(tài)后，以B分組方式重新分組并按照同樣的方式進行均衡，待所有小組
再次達到^ 狀態(tài)后，再次轉(zhuǎn)入A分組方式進行。如此往復(fù)，直至某一分組方式下均衡完成后轉(zhuǎn)入另一分組方式檢測發(fā)現(xiàn)不需要均衡時，說明電池組內(nèi)任意相鄰電池電壓差均低于kMk__xt，均衡完成。[0028]如圖5所示，在擱置狀態(tài)下如果存在以下特殊情況，即n>v2 >v3>...>vs或 V1 <v2 <v3 <...<va時，啟動“均值均衡”，具體的均衡過程如下:以均值電壓為均衡目標(biāo)， 從電池組兩側(cè)同時開始向中間均衡，且均衡時以偏離均值電壓較遠(也就是偏離電池組中心較遠)的那節(jié)電池達到均值為目的，每進行完一組均衡后重新判斷〃以決定是否需要繼續(xù)。假設(shè)當(dāng)前電池組單體電壓滿足V1 >V2 >'>...> Vx ,則首先對Cd1與Cdl2、 Csil^1與Cdls這兩組電池進行均衡，并且Ceili向Cdl2放電，CWia-1向Cdln放電，直至滿足
O1-)且(vx -v勝嚷)^kMk_set，下一步重新判斷此時電池組是否滿足,
若仍不滿足則重新選擇包含當(dāng)前電壓最高電池的小組和電壓最高電池的小組重復(fù)上述操作，直至最終滿足停止均衡。
[0029]如圖6所示，由于電池組不一致性的存在，在電池組充電過程中可能會出現(xiàn)某些單體出現(xiàn)過充或由于某一節(jié)電池單體提前達到充電截止電壓而斷開充電電流，使得電池組內(nèi)其他電池處于為充滿的狀態(tài)的現(xiàn)象。為了避免以上情況的發(fā)生，就必須啟動“頂部均衡”。 該均衡階段是以最大化電池組容量利用率為目的，因此均衡的主要任務(wù)是“削峰”，即避免電壓較高的電池提前截止。具體的均衡過程如下:在電池組極差大于設(shè)定值時，首先找出電壓最高的電池,然后分別計算CWIi與CWk1和CfeWi+1的電壓差，選擇差值較大的一節(jié)
與CWii進行相等均衡，均衡完成后重新判斷是否滿足停止條件,若不滿足并且此時
電壓最高的電池與其相鄰電池壓差i <&/!)_?，則尋找電壓次高節(jié)電池執(zhí)行相同流程，以此
類推，直至達到最終均衡。即按照電壓由高到低順序依次均衡，最終達到一致。
[0030]如圖7所示，同樣由于電池組不一致性的存在，電池組在放電過程中，容量最低的電池單體首先達到放電截止電壓，繼續(xù)放電的話會因過放電而導(dǎo)致電壓過低而喪失放電能力。此時，相對于其他容量較高的單體電池來講，由于容量低的電池首先達到了放電截止電壓，使得其容量未完全放出，進而減少了續(xù)駛里程；如果容量低的單體電池過放就會變成負載，由容量高的電池單體為其供電，使得電池單體的極性出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，進而造成整個電池組不能正常的工作，嚴(yán)重縮減了電池的使用壽命。為了避免上述情況的發(fā)生就必須進行“底部均衡”，與充電階段類似，不過此時均衡系統(tǒng)的首要任務(wù)是“填谷”，即避免電壓較低的電池提前截止。具體的均衡過程如下:在電池組極差大于設(shè)定值時，首先找出電池組中電壓最低的電池0-- ,然后同樣分別計算與^/匕和的電壓差，選擇差值較大的一節(jié)與進行相等均衡，均衡完成后重新判斷是否停止條件,若不滿足并且此時電壓最
低的電池與其相鄰電池壓差A(yù),則尋找電壓次低節(jié)電池執(zhí)行相同流程，以此類推，
直至達到最終均衡。即按照電壓由低到高順序依次均衡，最終達到一致。
[0031]如圖8所示，從控板的數(shù)據(jù)采集單元采集電池組的單體電壓，根據(jù)主控板通過CAN 總線發(fā)送來的電流信息，判斷電池組此時的工作模式，計算極差判斷是否需要均衡。如果需要均衡，則執(zhí)行相應(yīng)的工作模式下的均衡策略，如果不需要均衡則重新獲取電壓信息，再判斷是否均衡。·
【權(quán)利要求】
1.一種基于功率電感的能量傳遞雙向均衡系統(tǒng)，其關(guān)鍵特征在于采用“主-從”式結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)由一個主控單元和多個從控單元組成，從控單元分布在不同的電池組內(nèi)，每個從控單元包括數(shù)據(jù)采集模塊、均衡模塊、驅(qū)動模塊三部分，負責(zé)一組電池單體電壓的檢測和均衡，能夠通過內(nèi)部CAN總線與主控單元進行通信；主控單元可以進行母線電流的檢測和組間均衡，能夠通過RS232與上位機進行通訊進行調(diào)試和狀態(tài)顯示，主控芯片位于數(shù)據(jù)采集及控制模塊上，負責(zé)電壓采集、信息傳輸和均衡控制，該模塊電路為數(shù)字信號電路，通過隔離芯片將控制信號傳至驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊將信號放大后驅(qū)動均衡模塊，均衡模塊的電路為功率電路，是均衡電路拓撲結(jié)構(gòu)的具體實現(xiàn)，用于執(zhí)行均衡。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于功率電感的能量傳遞雙向均衡系統(tǒng)，其特征在于:均衡模塊是以Buck-Boost型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，每相鄰兩個電池單體之間均接有一個子均衡旁路，每個子均衡旁路都是由RC濾波電路、FDD8424型N&P溝道功率M0SFET、功率電感、一個消磁電阻和濾波電容組成，RC濾波電路接MOSFET端，可對驅(qū)動MOSFET管的PWM信號進行過濾， 消除尖峰；FDD8424型N&P溝道功率MOSFET用于控制跨接在電池上的均衡旁路的開啟和關(guān)閉，其內(nèi)部的體二極管用于構(gòu)成放電回路；功率電感用于存儲能量；消磁電阻與電感并聯(lián)可對其進行消磁；濾波電容并聯(lián)在電池兩端用于減少變壓器到單體電池線路上的寄生電阻和電感電阻的影響，即減少均衡峰值電流的影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于功率電感的能量傳遞雙向均衡系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:以開路電壓、工作電壓作為均衡變量，以極差作為不一致性評價指標(biāo)，設(shè)定電壓極差閾值rsrt作為均衡啟動的判據(jù)，設(shè)定相鄰兩個單體電壓差的絕對值閾值ksrt作為均衡終止的判據(jù)，根據(jù)以上參數(shù)制定了適用于擱置、充電、放電三種不同階段的均衡控制策略，具體如下:首先識別電池組工作狀態(tài)，然后利用事先確定的均衡變量和均衡指標(biāo)進行不一致性判定，滿足均衡條件則按照制定的控制策略進行均衡，同時不斷監(jiān)測電池狀態(tài)，滿足停止條件后停止均衡；針對鋰離子電池組可能處于充電、放電以及擱置三種不同的工作階段分別制定了相應(yīng)的控制策略，以一組n節(jié)電池為例進行說明；(I)擱置階段:均衡原則:該階段以快速達到整體一致性為目的，將電池進行A和 B種分組，每組內(nèi)包括多個兩兩構(gòu)成的電池對，判斷各個電池對電壓之差是否大于設(shè)定的差值閾值，若滿足則執(zhí)行均衡，直至該分組下所有電池對均衡完成，轉(zhuǎn)入另一分組，循環(huán)進行，最終整個電池組達到均衡，該過程稱為“相等均衡”；特殊情況下，組內(nèi)任意相鄰兩節(jié)電池電壓差均小于設(shè)定差值閾值，但是總是同一側(cè)電池電壓較高，即出現(xiàn) V1 >v2 >v3 >...> vH或者V1 <v2 <v3 <...<vK這樣的電壓階梯，以致于電池組并不滿足
【文檔編號】H02J7/00GK103580247SQ201310489889
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月18日
【發(fā)明者】劉鳳華, 賀虹, 劉宏偉, 初亮, 郝曉偉 申請人:吉林省高新電動汽車有限公司