基于超級電容儲能轉移的鋰電池組主動均衡系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于超級電容儲能轉移的鋰電池組主動均衡系統(tǒng)及方法，包括：均衡主控制器、開關陣列、雙向DC/DC、超級電容、電流檢測電量計算裝置、16位譯碼器及驅動電路。均衡主控制器獲得單電池電壓巡檢值作為均衡狀態(tài)依據(jù)，利用開關陣列選通任意待均衡電池接入均衡總線。全橋型可調變比雙向DC/DC前級連接均衡總線，后級接超級電容，并通過電流檢測電量計算裝置計算均衡損失的電量。均衡主控制器通過雙向DC/DC實現(xiàn)高電量電池向超級電容充電，超級電容儲存電量后再通過雙向DC/DC向低電量電池放電，直到均衡狀態(tài)。本發(fā)明通過超級電容儲存轉移電量，實現(xiàn)對鋰電池組的主動均衡，對延長鋰電池組壽命具有重要意義。
【專利說明】
基于超級電容儲能轉移的裡電池組主動均衡系統(tǒng)及方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于電池能量均衡技術領域，特別是一種基于超級電容儲能轉移的裡電池 組主動均衡系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002] 當前，新能源汽車正在成為全球趨勢，純電動汽車和混合電動汽車等市場份額正 W逐步增加，而石化燃油汽車逐漸減少。動力能源是新能源汽車上核屯、的組成部分，將電能 運用在汽車上的新能源汽車，具有傳統(tǒng)石化能源汽車無法比擬的眾多優(yōu)點。
[0003] 裡電池是目前最好的儲電裝置，具有高能量密度、高電壓、無污染、循環(huán)壽命高、無 記憶效應等優(yōu)點，裡電技術目前使用廣泛、技術成熟，應用在電動汽車動力系統(tǒng)很合適。超 級電容具有充電速度快、循環(huán)使用壽命長、瞬間功率大等優(yōu)點，很適合在電量轉移過程中作 為電能暫存裝置。
[0004] 裡電池組由多塊單體電池串聯(lián)而成，由于單電池個體之間存在差異，如自放電率 不同、內阻不同、端電壓不同等，運就導致了電池組的不一致性。電池組的不一致性造成的 后果就是電池使用效率的降低，運會直接影響電動汽車的功率性能。通過電池均衡技術可 W減小運種不一致性。
[0005] 電池均衡是電池管理系統(tǒng)一項重要的功能，為了實現(xiàn)對電池的均衡控制又不浪費 能量，當電池組中電池的容量差異達到影響電池組整體狀態(tài)或者說達到預先設定的闊值 時，電池管理系統(tǒng)就通過開啟均衡電路使電池容量趨于均衡，運個過程就是所謂的電池均 衡管理。電池均衡分為耗散型和主動均衡型，耗散型是將電池組高電量單電池釋放，主動均 衡型是利用電力電子技術使電能在電池組內部轉移的均衡控制。相比而言，后者具有電量 損失少，能量效率高的優(yōu)點，更適合在對電能容量要求高的汽車上使用。
[0006] 目前的均衡系統(tǒng)大多忽略了均衡中電量的損失。但實時上，均衡轉移能量效率不 可能為100%，因此為了使電池組SOC更加準確，理應考慮到運點。電量轉移僅用單純的電感 或電容，均衡效果并不好。
[0007] 總體來講，在近些年來，電池管理系統(tǒng)技術有了很大的提高，許多方面已經(jīng)進入實 際應用階段，但電池均衡仍然不夠完善，還需要進一步研究。

【發(fā)明內容】

[000引本發(fā)明提供了一種基于超級電容儲能轉移的裡電池組主動均衡系統(tǒng)及方法，本發(fā) 明能夠在動態(tài)或靜態(tài)條件下實時均衡多節(jié)串聯(lián)大功率電池，使用MOSFET開關陣列能選擇任 意單節(jié)或相鄰多節(jié)電池可W高效地同時均衡，利用全橋雙向可調變比DC/DC具有更大的調 壓范圍，閉環(huán)反饋恒流控制，精確計算損失電量，W克服現(xiàn)有技術的不足。
[0009] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是：
[0010] -種基于超級電容儲能轉移的裡電池組主動均衡系統(tǒng)，包括均衡主控制器、 MOSFET開關陣列、雙向DC/DC、超級電容、電流檢測電量計算裝置、譯碼器及驅動電路。
[00川本發(fā)明在開關選通上采用每節(jié)電池獨立引線，每節(jié)電池分別由兩個獨立的MOS陽T 開關控制，分別記為K+、K-，且所有與單節(jié)電池負極相連的開關由一個譯碼器選通，且所有 與單節(jié)電池正極相連的開關由另一個譯碼器選通。
[0012] 此方案可W選通任意單節(jié)或者相鄰多節(jié)電池，假如檢測到電池組多相鄰單節(jié)電池 參數(shù)相近，則可把它們作為整體進行均衡，大大提高了系統(tǒng)效率;兩譯碼器同時只能選通某 一路K-和一路K+接入均衡電路，大大減小了開關管誤導通發(fā)生的短路危險，另外也可W減 少控制MOSFET開關陣列需求的主控忍片I/O端口數(shù)。例如本發(fā)明16節(jié)電池32控制開關，理論 上需32個主控忍片的控制I/O端口，但有了選通譯碼器后可將I/O口需求減小到8個，有利減 輕了主控忍片負擔。
[0013] 在均衡轉移電量方案上采用高電量電池通過雙向DC/DC正向變壓對超級電容放 電，然后超級電容通過此DC/DC逆向對低電量電池充電，不斷檢測不斷循環(huán)，最終達到電量 均衡的目的。由于選取均衡電池的電壓范圍比較大，在全橋雙向DC/DC上改進是中間變壓器 采用可調變比的方案，通過不同的變比來適應每一級電壓轉換需求。
[0014] 此方案有了中間級DC/DC，可W實現(xiàn)不同電壓電池組與超級電容間充放電，多節(jié)相 鄰電池同時均衡，對超級電容的電壓等級要求降低。對比與雙向BUCK/B00ST電路，采用全橋 雙向DC/DC帶負載能力強。
[0015] 在與電池相連的DC/DC前級回路上，加入輸入輸出電量計算裝置，通過電流霍爾傳 感器實時檢測線路電流，進而計算個電池組在均衡過程中得到和付出的電量，其差值即為 能量損耗。通過運校準電池管理系統(tǒng)電池SOC值，使其更加精確。
[0016] 此方案使電池組實際剩余電量更準確。電池管理系統(tǒng)一個很重要的因素就是剩余 電量，目前的均衡系統(tǒng)大多忽略了均衡中電量的損失。但實時上，均衡轉移能量效率不可能 為100 %，因此為了使SOC更加準確，理應考慮到運點。通過運個方法，電池組的總消耗電量 等于負載輸出電量加上均衡損失電量。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有的電池均衡系統(tǒng)相比具有W下優(yōu)點：
[001引（1)采用MOSFET開關管控制單電池開斷，保證了電池組大功率大電流的需求。利用 兩個譯碼器控制選通運些開關管，不僅節(jié)省了很多主控制器I/O端口，而且實現(xiàn)硬件互鎖， 進一步保證了系統(tǒng)安全穩(wěn)定性。
[0019] (2)采用全橋雙向可調變比DC/DC，實現(xiàn)了能量雙向流動，帶負載能力更強，在電壓 轉換上具有更大范圍，滿足上述任何情境下的轉換要求。電流檢測閉環(huán)反饋控制DC/DC占空 比，控制回路恒流輸出，可W進一步提高電池組能量流動的安全性。
[0020] (3)考慮了電池組在均衡過程中的能量損失，加入電流檢測電量計算模塊，精確計 算均衡系統(tǒng)中電池組的電量損失。回饋給電池管理系統(tǒng)，校正剩余電量值。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明均衡系統(tǒng)總體結構示意圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明電池組總開關陣列選通示意圖。
[0023] 圖3為本發(fā)明譯碼器單極選通電路圖。
[0024] 圖4為本發(fā)明寬范圍全橋雙向DC/DC模塊電路圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0026] 本發(fā)明W16節(jié)串聯(lián)的大容量憐酸鐵裡電池為研究對象，單節(jié)容量為40AH，標稱電 壓為3.2V，充電截止電壓為3.4V，放電截止電壓為2.7V?？傮w結構框圖如圖1所示。
[0027] 如圖2所示，總電池組對外供電端正負極保持獨立輸出。均衡引線端分別從每個單 節(jié)電池的兩極引出，每根均衡引出線的通斷均由MOSFET導通或截至，組成的開關陣列排列 如圖2。所有與單電池負極相連的MOSFET另一端連接在一起組成選通總線V-，與單電池正極 相連的MOSFET另一端連接在一起組成選通總線V+，該V+、V-作為電池組的放電輸出充電輸 入端口，連接DC/DC的前級。
[002引如每一個MOSFET都由一個主控輸出I/O 口控制，則會對主控忍片引腳要求比較高， 但由于在開關陣列選通時，任何時刻只有一個連接V-和一個連接V+的MOSFET導通，例如下 表：
[00291
[0
[0031] 加入74LS154譯碼器，分別控制兩組MOSFET開關，如圖3，也實現(xiàn)了每個時刻分別只 導通一路的要求，避免了因多路導通造成的短路危險，實現(xiàn)硬件互鎖?？芍x通V-的譯碼器 輸出永遠比選通V+的譯碼器輸出小，加入比較程序同時亦可實現(xiàn)軟件互鎖。
[0032] 理論上控制32個MOSFET需要32路主控I/O端口，加入運兩個譯碼器，現(xiàn)在只需8路 控制I/O端口，大大節(jié)省了主控忍片資源。
[0033] 每節(jié)電池的正常工作電壓范圍是2.7~3.4V，則選通1~16節(jié)電池的電壓范圍為 2.7~54V。選取的雙向DC/DC結構如圖4所示，均衡電量轉移裝置選取2.7V超級電容，中間級 變壓器選則可調變比型，并計算其可行性。
[0034] 全橋DC/DC每個開關各自的占空比不能超過50%，保有余量假定控制的PWM占空比 為10%.~50%，有
[0035]
[0036]
[0037] 當變壓器變比n = N2/Nl = l時，可均衡電壓范圍化= 2.7~13.5V。
[003引當變壓器變比n = N2/Nl = 1/2時，可均衡電壓范圍化=5.4~27V。
[0039] 當變壓器變比n = N2/Nl = 1/3時，可均衡電壓范圍化=8.1~40.5V。
[0040] 當變壓器變比n = N2/Nl = 1/4時，可均衡電壓范圍化=10.8~54V。
[0041] 由此選用兩級變比變壓器即可實現(xiàn)，變比分別為1和1/4。
[0042] 雙向DC/DC的前后兩級分別有電流霍爾傳感器采集回路電流，一方面提供反饋回 路信號，通過PI調節(jié)使DC/DC電流恒定。
[0043] DC/DC前級電流霍爾傳感器實時采集電池組均衡輸出輸入回路電流，通過安時電 量計算
[0044]
[0045] 電流霍爾傳感器可W采集的電流可正可負，通過電量計量裝置可準確區(qū)分并計算 電池組在均衡電路中輸入和輸出的電量。例如四節(jié)電池，均衡前的電量為Ql、Q2、Q3、Q4，檢 測到Ql電量最高并分別對其他電池放電，最終平衡電量95、96、97、98，則計量得電池組總放 出電量為Q1-Q5,總得到電量為Q6+Q7+Q8-Q1-Q2-Q3,均衡效率和均衡損失電量可W得出。
[0046] 整個電池均衡系統(tǒng)的流程是通過CAN網(wǎng)絡協(xié)議調用BMS電壓巡檢系統(tǒng)單電池電壓 值，經(jīng)過算法濾波作為均衡狀態(tài)依據(jù)。串聯(lián)電池組的每極單獨引線由MOSFET控制組成開關 陣列，由主控忍片控制譯碼器選通兩路引線導通，此時選通接入均衡回路的單電池或相鄰 多節(jié)電池是需要放電或充電的待均衡電池，并入電池均衡總線V+、V-。選通后的電池經(jīng)過選 用的全橋雙向DC/DC，在選通高電量電池放電時，DC/DC正向工作，向超級電容儲能，前級驅 動開關管工作，后級截至，中間級變壓器根據(jù)前級輸入電壓選擇變比；在選通低電量電池充 電時，DC/DC反向工作，超級電容釋放能量，后級驅動開關管工作，前級截至，中間級變壓器 根據(jù)待充電電池電壓選擇變比。整個DC/DC電量轉移回路，均由電流閉環(huán)PI調節(jié)控制回路 電量恒流轉移。均衡DC/DC回路電池是電池組能量轉移的表現(xiàn)形式，W此通過電量安時計量 法，計算均衡過程中電池組轉移出和轉移進的電量，其差值為均衡系統(tǒng)轉移損失電量，再由 主控制器通過CAN網(wǎng)絡總線回饋給BMS，校正總電池組剩余電量。
[0047] 基于裡電池組電池狀態(tài)的均衡控制方法，將電池組按照電壓值分類組合，計算電 池組平均電壓化ef，最高電壓與平均電壓差VI，最低電壓與平均電壓差V2?？刂品椒椋?br>[004引 （1)當電池組電壓差Vl〉0. 15V時，將電壓超過基準電壓的電池按電壓分為兩組，電 壓區(qū)間分別為[Vref+0.05,化ef+0.15]、[化ef+0.15,化ef+Vl]，判斷在后一個區(qū)間里、相鄰 電池節(jié)數(shù)最多的電池單元對超級電容放電；
[0049 ] (2)當電池組電壓差0.05<V1 <0.15V時，將電壓超過基準電壓的電池按電壓分為一 組，電壓區(qū)間為[Vref+0.05，Vref+Vl]，判斷在運個區(qū)間里、相鄰電池節(jié)數(shù)最多電池單元對 超級電容放電；
[0050] (3)當電池組電壓差V2〉0.15V時，將電壓超過基準電壓的電池按電壓分為兩組，電 壓區(qū)間分別為[Vref-0.05,化ef-0.15]、[化ef-0.15,化ef-Vl]，判斷在后一個區(qū)間里、相鄰 電池節(jié)數(shù)最多的電池單元用超級電容充電；
[0051] (4)當電池組電壓差0.05<V2<0.15V時，將電壓超過基準電壓的電池按電壓分為一 組，電壓區(qū)間為[Vref-0.05 ,Vref-VlL判斷在運個區(qū)間里、相鄰電池節(jié)數(shù)最多電池單元用 超級電容充電；
[0化2] 電池為16節(jié)單節(jié)容量X Ah(例40Ah)憐酸鐵裡電池、內阻r，超級電容選用2.7V電容 值Y F(例3000巧，其中X，Y分別代表電池容量數(shù)值和電容容量數(shù)值，控制方法為：
[0化3] (I)當電池組電壓差V1〉0.15V時，控制雙向DC/DC能量正向流動，閉環(huán)反饋控制恒 流I=X/5、正向流動對超級電容放電時間TKmin(巧Y，1800)。（1800為單節(jié)電池WI=X/5放 電10%所需時間）
[0054] (2)當電池組電壓差0.05<VK0.15V時，控制雙向DC/DC能量正向流動，閉環(huán)反饋控 制恒流I = X/10、正向流動對超級電容放電時間T1 <min (巧Y，360)。（ 360為單節(jié)電池WI = X/ 10放電1%所需時間）
[0055] (3)當電池組電壓差V2〉0.15V時，控制雙向DC/DC能量反向流動，閉環(huán)反饋控制恒 流I=X/5、反向流動用超級電容充電時間T2<min(巧￥，1800)。（1800為單節(jié)電池^1=乂/5充 電10%所需時間）
[0056] (4)當電池組電壓差0.05<V2<0.15V時，控制雙向DC/DC能量反向流動，閉環(huán)反饋控 制恒流I=X/10、反向流動用超級電容充電時間T2<min(巧Y，360)d(360為單節(jié)電池Wl=X/ 10充電1 %所需時間）
[0057] 本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。
【主權項】
1. 一種基于超級電容儲能轉移的鋰電池組主動均衡系統(tǒng)，包括均衡主控制器、MOSFET 開關陣列、雙向DC/DC、超級電容、電流檢測電量計算裝置、譯碼器及驅動電路，其特征在于： 均衡主控制器:通過CAN總線獲得BMS傳來的單電池電壓巡檢值，并作為均衡狀態(tài)依據(jù)， 利用MOSFET開關陣列選通任意單節(jié)或相鄰多節(jié)待均衡電池接入均衡總線V+、V-。 雙向DC/DC:由全橋電路正反構成全橋雙向DC/DC，經(jīng)過直流-交流-直流的變化，實現(xiàn)電 壓等級的變化，正向時左側開關管工作右側開關管關斷，二極管做整流，反向時則反之；中 間級變壓器采用可調變比型，由主控芯片檢測到均衡電池電壓時，判斷所屬電壓范圍并選 擇對應的變比;DC/DC前后兩級都由霍爾電流傳感器采集電流，回路中的電流值即作為恒流 反饋、也作為電量計算依據(jù)； 若DC/DC前級為1~16內任選節(jié)數(shù)電池電壓2.7~51.2￥時，0(：/0(：后級為2.7￥超級電容 時，開關管導通占空比10%~50%，計算其在n=l的可變電壓為2.7~13.5V，其在n = 1/4的 可變電壓為10.8~54V.因此在上述寬范圍選擇變比為1/4兩級變比可調變壓器； 電流檢測電量計算裝置:均衡中考慮到電量轉移的電量損失，加入電流檢測電量計算 裝置，DC/DC的前級加入霍爾電流傳感器電流檢測模塊，根據(jù)安時法計算電量，以電池組在 均衡過程中輸入輸出的電量差精確計算電池組均衡損耗電量，通過校準電池管理系統(tǒng)電池 S0C值，使其更加精確;在均衡電池組選通輸出V+、V-回路檢測正向反向電流，正向為電池 組輸出電流反向為輸入電流，根據(jù)安時計量法計算電池組在此均衡中輸入輸出的電量，其 差值為轉移損失電量。通過電池管理系統(tǒng)CAN總線送入S0C計算主控器矯正誤差，解決了目 前因忽略電量轉移電量損失造成S0C不精確的問題； MOSFET開關陣列：每節(jié)電池單獨引線，每節(jié)電池都有相應的正極和負極引線，分別由 MOSFET開關管控制，所有與單電池負極相連的MOSFET為一組，與正極相連的為另一組。在選 擇目標電池的時候，每組同時值只通一個，可以任意選取單節(jié)電池或相鄰的多節(jié)電池，并且 任意情況下，輸入DC/DC前級的直流電壓極性不變； 譯碼器:通過兩個譯碼器分別選通兩組MOSFET開關，不僅大大節(jié)省了主控芯片的輸出 引腳，而且在電路上實現(xiàn)了硬件互鎖。16節(jié)串聯(lián)電池，理論上需要32個芯片輸出口控制 MOSFET開關，但將所有單節(jié)電池 V+相連的MOSFET由第一個74LS154譯碼器控制，將所有單節(jié) 電池 V-相連的MOSFET由第二個74LS154譯碼器控制，只需要8個芯片輸出口控制兩個譯碼 器。另外每個譯碼器同時只能導通一路，也就是每時刻只有一個V+和V-與DC/DC相連。2. 利用權利要求1所述的基于超級電容儲能轉移的鋰電池組主動均衡系統(tǒng)的主動均衡 控制方法是： 調用電池管理系統(tǒng)電壓巡檢的電壓值，經(jīng)過算法濾波，以電壓作為均衡的依據(jù)，均衡與 電壓巡檢通過CAN總線協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，將每節(jié)電池的電壓參數(shù)作為狀態(tài)依據(jù)，通過電池組內 電池單元電壓差值情況，制定不同的均衡方法，具體為： 將電池組按照電壓值分類組合，計算電池組平均電壓Vref，最高電壓與平均電壓差VI， 最低電壓與平均電壓差V2。其控制方法為： (1) 當電池組電壓差VI>0.15V時，將電壓超過基準電壓的電池按電壓分為兩組，電壓區(qū) 間分別為[￥代€+0.05，￥代€+0.15]、[￥代€+0.15，代€+￥1]，判斷在后一個區(qū)間里、相鄰電池 節(jié)數(shù)最多的電池單元對超級電容放電； (2) 當電池組電壓差0.05〈V1〈0.15V時，將電壓超過基準電壓的電池按電壓分為一組， 電壓區(qū)間為[￥^€+0.05，'\^6€+￥1]，判斷在這個區(qū)間里、相鄰電池節(jié)數(shù)最多電池單元對超級 電容放電； (3) 當電池組電壓差V2>0.15V時，將電壓超過基準電壓的電池按電壓分為兩組，電壓區(qū) 間分別為[#6卜0.05，￥^卜0.15]、[￥代卜0.15，代卜￥1]，判斷在后一個區(qū)間里、相鄰電池 節(jié)數(shù)最多的電池單元用超級電容充電； (4) 當電池組電壓差0.05〈￥2〈0.15￥時，將電壓超過基準電壓的電池按電壓分為一組， 電壓區(qū)間為[Vref-0.05，Vref-Vl]，判斷在這個區(qū)間里、相鄰電池節(jié)數(shù)最多電池單元用超級 電容充電。3.根據(jù)權利要求2所述的一種基于超級電容儲能轉移的鋰電池組主動均衡系統(tǒng)的主動 均衡控制方法，其特征在于:計算電池組平均電壓Vref，最高電壓與平均電壓差VI，最低電 壓與平均電壓差V2。電池為16節(jié)單節(jié)容量X Ah磷酸鐵鋰電池、內阻r，超級電容選用2.7V電 容值Y F，其中X，Y分別代表電池容量數(shù)值和電容容量數(shù)值，其控制方法為： (1) 當電池組電壓差V1>0.15V時，控制雙向DC/DC能量正向流動，閉環(huán)反饋控制恒流I = X/5、正向流動對超級電容放電時間T1〈min(r*Y，1800); (2) 當電池組電壓差0.05〈V〈0.15V時，控制雙向DC/DC能量正向流動，閉環(huán)反饋控制恒 流I=X/10、正向流動對超級電容放電時間Tl〈min(r*Y，360); (3) 當電池組電壓差V2>0.15V時，控制雙向DC/DC能量反向流動，閉環(huán)反饋控制恒流I = X/5、反向流動用超級電容充電時間T2〈min(r*Y，1800); (4) 當電池組電壓差0.05〈V2〈0.15V時，控制雙向DC/DC能量反向流動，閉環(huán)反饋控制恒 流I=X/10、反向流動用超級電容充電時間T2〈min(r*Y，360)。
【文檔編號】H01M10/44GK105939034SQ201610185892
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】謝長君, 程哲, 全書海, 江逸洵, 石嵩, 別業(yè)偉, 石英, 黃亮, 陳啟宏, 張立炎
【申請人】武漢理工大學