一种动力电池系统组间均衡电路及均衡方法与流程

本发明属于电动汽车动力电池领域，具体为构成新能源汽车电池系统的各电池组间容量主动均衡的方法。

背景技术：

动力电池随着电动汽车的日益普及应用越发广泛，由于单体电池无论从电压还是能量均无法满足电动汽车的使用要求，这就需要采用多节单体电池经过串、并联组成高电压、大容量的电动汽车用动力电池系统，而单体电池容量、内阻等内在参数的不一致将导致动力电池系统不能有效利用其全部可用容量，且随着电池的使用，这种不一致会越发明显，使得动力电池系统寿命远远低于单体电池寿命。

为了解决以上问题，应用于电动汽车的动力电池系统大多数采用了均衡技术，主流的均衡技术分为被动均衡和主动均衡两种，被动均衡由于能量损失、效率低等问题势必被主动均衡取代，目前主动均衡技术主要通过电容、电感、变压器、冗余电池等作为能量转存器件，实现能量从可用容量高的电池向可用容量低的电池转移，实现各单体电池的均衡。

然而，由于电动汽车尤其是客车、货车等所需电池能量较大，从体积、重量及电池管理等方面考虑其动力电池系统一般由多个物理上相对独立的电池组进行串并联后构成，每个电池组再由若干单体电池串并联组成，电池组内部集成电池管理单元，实现组内电池的管理和均衡。

目前多数电池均衡方法均针对电池组内的电池进行均衡，由于电池组物理上相对独立、电池组间电压差较大、电池组间串并联结构复杂多样，组间均衡实现难度较大，尚无较成熟的组间均衡方案。

技术实现要素：

本发明提出的目的在于提供一种动力电池系统组间均衡的方法，旨在解决以上电动汽车动力电池系统中各电池组间可用容量均衡的问题，所述电池系统包含i×j个电池组，每个电池组内部包含P个单体电池及1个用于电池组内均衡及各电池组进行组间均衡的冗余电池；所述电池组内部集成本地电池管理单元，通过CAN总线与中央管理单元通信，由本地电池管理单元直接控制其所在电池组内的冗余电池与组间均衡电路或组内其他电池的通断。

所述电池组，其特征在于，电池组采用i串j并的方式连接在一起，每个电池组均具有外部均衡电路接口，串、并联在一起的电池组外部均衡电路接口全部可通过外部均衡电路连接在一起。

所述冗余电池，其特征在于，位于电池组内部的冗余电池可通过继电器分别与电池组外部均衡线路连接或与电池组内部其他电池连接。

所述冗余电池，其特征在于，位于电池组内部的冗余电池作为动力电池系统能量均衡的储能元件，在外部均衡电路及内部均衡电路间进行切换，实现动力电池系统内全部单体电池之间的能量转移过程。

一种动力电池系统组间均衡方法，其特征在于，所述均衡方法包括以下步骤。

步骤一：中央管理单元根据存储于其内部的各电池组总容量及当前电量、本地电池管理单元传送的各单体电池容量及当前电量、当前动力电池系统工况，通过CAN总线向各本地电池管理单元发送组间均衡准备指令。

步骤二：各本地电池管理单元根据中央管理单元发送的指令，通过控制其组内冗余电池与组内其余单体电池的连接方式使冗余电池电量达到中央管理单元发送的指令的要求，并不断向中央管理单元发送冗余电池电量状态。

步骤三：中央管理单元根据各本地电池管理单元发送的电量状态信息进行判断，并以计算的均衡线路电流为依据，当均衡线路均衡电流I大于均衡电流下限I_min且小于均衡电流上限I_max，即满足I_min〈I〈I_max 时，向各本地电池管理单元发送均衡指令。

步骤四：各本地电池管理单元接收到均衡指令后，根据指令要求将冗余电池与外部均衡线路接通，各冗余电池间开始进行能量转移。

步骤五：各本地电池管理单元实时采集均衡线路电流，计算冗余电池电量状态，并发送给中央管理单元。

步骤六：当均衡电流不满足I_min〈I〈I_max 条件或中央管理单元根据动力电池工况、冗余电池状态及其他单体电池状态判定需结束组间均衡时，向本地电池管理单元发送停止组间均衡指令。

步骤七：本地电池管理单元接收到停止组间均衡指令后，立即切断用于电池与外部均衡线路的连接，进入到组内均衡模式。

步骤八：不断重复步骤一到步骤七，实现能量在各电池组间进行转移，直至动力电池系统停止运行。

所述的均衡电流为中央管理单元根据各冗余电池内阻及开路电压计算得出，下限I_min不小于0.05C，上限I_max不大于冗余电池允许的最大充放电电流。

本发明的优点包括以下三点。

1.本发明在原有冗余电池组内均衡的基础上每组电池只增加了一个的开关元件，系统成本低。

2.本发明无需考虑电池组间电路串并联拓扑结构，动力电池系统布线工艺简单。

3.本发明充分利用电池本身电压、内阻等特性，可节省大量的隔离、过流等保护措施。

附图说明

图1是本发明一实施例的动力电池系统主动均衡系统架构图。

图2是本发明一实施例的电池组内部电路结构示意图。

图3是本发明一实施例的主动均衡控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

附图2所示为单个电池组内部结构示意图，每个电池组均由n个串联的单体电池（B1-Bn）、本地管理单元（LMU）、冗余均衡电池（BB）、组内均衡开关元件（K1-Kn）及组间均衡开关元件（KB）所构成，单个单体电池电压为V_cell，容量为C_cell，1C充放电电流为I_cell。

每个电池组内部均衡的方法及控制策略不属于本发明的部分，不进行详细论述，但组内均衡与组间均衡共用冗余电池BB作为能量存储和转移的元件，因此，对与冗余电池与组内电池能量转移过程进行简单描述如下。

在单个电池组充放电过程中，冗余电池在LMU的控制下通过K1-Kn的切换，分别与B1-Bn并接，一般情况下充电时并接在B1-Bn中SOC值最小的电池上，放电时并接在SOC值最大的电池上，单体电池不均衡较严重情况下根据均衡策略冗余电池在SOC大的电池和SOC小的电池之间切换，从而实现各单体电池的均衡，在这一过程中，冗余电池BB的可用容量基本与组内单体平均容量相当，且可根据需要通过与其他单体电池B1-Bn的不同并接方式在一定范围内调整其可用容量，为组间均衡时进行有效能量转移做准备。

附图1所示为电动汽车动力电池系统串并联架构，构成该电动汽车电池系统共包含i×j个物理上独立且基本封闭的电池组，这些电池组采用j串i并的连接方式，整个动力电池系统总输出电压为：HV = j×n×V_cell，总容量C_v = i×j×n×C_cell。

每个电池组均具有动力电输出接口BP+、BP-，CAN总线接口CAN+、CAN-，供电电源输入接口12/24V、GND，组间均衡接口BL+、BL-。

其中，动力电输出接口按照整车电池系统的要求进行串并联，供电电源接口接在整车低压供电回路中，CAN总线接口将全部LMU和MMU连接在一起，各电池组组间均衡接口BL+、BL-按照极性全部并接在一个回路中，简化了均衡布线的工艺，且由于不需要电气上进行隔离，其成本、可靠性、工艺性指标具有一定的比较优势。

参照附图3，均衡过程具体描述如下。

步骤一，MMU中的非易失存储单元，本实例采用大容量的SD卡作为非易失存储器，存储整个电池系统的全部数据，其中包括：总剩余容量、总容量、各电池组剩余容量、各电池组总容量、各冗余电池剩余容量、各冗余电池总容量的数据信息。

系统上电后，MMU根据上述信息及充放电状态判断是否启动组间均衡准备或直接进行组间均衡。

当电池组平均剩余容量小于50%，最大电池组容量与最小电池组容量之差超过10%或各电池组容量均方差大于5%，电池未充电，系统进入组间均衡准备状态。

当电池进入充电状态，最大电池组容量与最小电池组容量之差超过10%或各电池组容量均方差大于5%，系统进入组间均衡准备状态。

当系统进入组间均衡准备状态，MMU根据各冗余电池剩余电量进行判断，如各冗余电池BB与其组内其他电池B1-Bn平均容量差小于2%，直接进入组间均衡状态并通过CAN总线发送组间均衡指令，否则MMU发送组间均衡准备命令。

MMU通过CAN总线向各LMU发送的组间均衡准备命令包括组间均衡准备时间及冗余电池目标剩余容量信息。

步骤二，各LMU接收到来自MMU的组间均衡准备指令后，根据当前组内各单体电池B1-Bn的剩余容量、冗余电池剩余容量、电池组工作电流及MMU发送的组间均衡准备时间和冗余电池目标剩余容量指令开始通过组内均衡工作，对冗余电池的剩余容量进行相应调整，并不断通过CAN总线向MMU上报冗余电池剩余容量数据。

步骤三，MMU通过CAN总线发来的各电池组冗余电池剩余容量信息结合存储在非易失存储器中各冗余电池开路电压（OCV）、直流内阻、交流内阻、极化电容等参数，按照不同的冗余电池并联模型，计算均衡电流。

对于i×j个电池组中的冗余电池进行并联均衡，可连接在均衡线路上的冗余电池数量为2，3，4…i×j个，因此可选择的连接共计2^（i×j）－i×j－1种方式，MMU在这些均衡方式中选取最优均衡方式，确定需要接在均衡线路上的冗余电池的数量及对应的编号，并通过CAN总线向相应的LMU发出组间均衡指令。

步骤四，LMU在接收到由MMU发来的组间均衡指令后，确定本电池组是否参与组间均衡，对于需要参与组间均衡的电池组，LMU切断其控制的冗余电池与组内其他电池之间的均衡电路，并接通各自电池组内组间均衡继电器KB（i，j），相应的冗余电池通过组间均衡线路并联在一起，开始组间均衡。

步骤五，无论是否参与组间均衡的LMU都实时通过CAN总线向MMU上传本电池组内的信息，包括各单体电池（B1-Bn）状态及冗余电池剩余容量。

步骤六，MMU实时计算均衡条件的满足性，并不断将不需进行组间均衡的冗余电池通知相应LMU，LMU在组间均衡线路上切除相应冗余电池，并开始进行组内均衡。

与此同时，MMU将具备组间均衡条件的冗余电池信息发送给相应LMU，LMU切断相应冗余电池组内均衡电路，接通组间均衡电路，参与到组间均衡。

步骤七，当组间均衡电流小于0.05C时，认定为组间均衡结束，全部电池组退出组间均衡状态。

步骤八，重复步骤一到步骤七，直至整个动力电池系统退出使用。

在本发明实例中，可以发现，动力电池系统在进行均衡的过程是动态的过程，不断有冗余电池退出组间均衡状态后进入组内均衡状态，同时又不断有其他冗余电池退出组内均衡状态进入组间均衡状态，因此具有较高的均衡效率。

在本发明中采用的冗余电池在容量、内阻等参数不要求与各单体电池完全一致，但其生产工艺、原材料应尽量与其他各单体电池保持一致或相近，以确保在开路电压（OCV）及极化电容方面的一致性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。