模块智能检测和识别方法、多路校验容错通讯方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种模块智能检测和识别方法、多路校验容错通讯方法，属于电动汽车技术领域。
【背景技术】
[0002]电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于电动汽车使用存储在电池中的电能来发动，相对于传统的燃油汽车对环境影响较小，电动汽车的前景被广泛看好。动力电池是电动汽车的关键技术，决定了它的续行里程和成本。由于电池单体的电压不高(磷酸铁锂电池通常为3.2-3.3V，三元材料锂电池通常为3.6V)，需要电池大规模的串并联达到驱动电机所需的电压等级。因此，成组后通常存在上百只电池的大规模串联。如图1所示，为现有电动汽车中电池组串联的结构示意图。如图2所示，为现有电动汽车中电控系统的结构示意图。
[0003]电池的特性与其它电子器件不同，它会随着使用逐渐老化和衰减。在电特性上主要体现为内阻的变化，这种变化一方面在整个寿命周期内是必然存在的，另一方面成组后组内各个电池的衰减规律又是不同的，这主要是因为组内电池的工作温度(电池发热后由于热积聚，中心位置温度高于周边位置)、生产加工的一致性等原因造成的。大规模成组的电池，如果不加以管理其结果就是整个系统的可靠性、安全性、电气特性取决于串联各单体中性能最差的一个，即木桶效应。为此，现有技术提出通过电池管理系统(BMS)管理电池内的各电池单体，解决电池组内各电池单体之间的不均衡，简而言之就是将容量多的电池上多余的能量消耗掉或转移给容量少的电池。但除此之外，电动汽车还有一个重要的工作是驱动电机行走，满足驾驶需求，这部分是由另一个主要部件电机控制器完成的，与电池和BMS在功能上相互独立，可见，现有的技术体系中电机驱动的功能和能量管理(电池+BMS)是独立的。
[0004]通过分析，不难发现目前的技术路线存在如下技术问题需要解决:
(1)储能部分:
a)大规模串联后电池的动态均压困难。长期使用，电池单体的特性不均导致充放电电压不一致，严重时导致电池损毁。
[0005]b)为了实现动态均压，需要复杂、昂贵的电池管理系统(BMS)，电池管理系统一般占电池成本的15-25%，而电池又占了整车成本的50-60%左右。
[0006]c)锂电池的特性受生产条件、使用周期、工作环境等因素的影响，即使同一品牌的电池在长时间使用后也很难做到良好的一致性。因此，不同厂家、不同批次、不同时间生产的电池，往往不能混用。从而，导致在新能源汽车推广的过程中，出现了如下问题:储能系统在出厂时，需要浪费大量的人力、物力、财力对电池单体进行多项指标的检测，以保证各批次的一致性;在使用一段时间后，如果某个电池单体发生故障，替换又非常困难(很难找到衰减特性一致的电池去替换)，造成售后服务成本的提高;各个厂家生产的锂电池特性很难做到一致，彼此替换困难;不同类型的电池(如锂电池与铅酸电池之间)更是无法相互替换，从而严重影响新能源汽车的产业化进程。
[0007](2)电控系统:
a)系统安全性差:而作为车载控制系统，其控制方式和控制需求有别于传统工业变换器系统。采用两电平拓扑(即现有技术路线的驱动控制器)，一旦某个电力电子器件或电容器出现故障，系统即停止工作。在车载系统中，这无疑将导致严重的安全隐患(如高速路上车辆突然失控)。
[0008]b)DC_DC变换器和两电平变换器的谐波成分依然较大，会造成对车辆仪表、车载电器和通讯设备的干扰。
[0009]c)BMS现有的产品通常其均衡电流仅为5A左右，均衡能力有限，而电机的输出电流通常接近100A，甚至更高。如果电池单体出现了较大的差异，在大电流输出时会加速不均衡，而现有BMS的均衡能力比电机输出小一个量级(10倍)，它只能满足静态均衡(即充电状态下进行均衡控制)的需求。而如果加大均衡电流，提高均衡速度，成本又要进一步提高。
[0010]中国专利CN104953675A提出了能源管理设备、电控系统和电控方法、电动汽车的申请，其解决了上述现有电动汽车电池组中电池大规模的串联所导致的电池一致性要求高、检测成本高、电池替换困难、BMS均衡能力不足从而没法满足大规模串联后电池组的动态均压的技术问题。如图3所示，为专利CN104953675A中能源管理设备的结构示意图，如图4所示，为专利CN104953675A中电控系统的结构示意图。
[0011 ] 专利CN104953675A的电控系统具有以下特点:
(1)各储能单元通过级联桥单元可实现独立控制，无大规模电池串联，可兼容不同电气特性的电池组，各级联单元电气特性不必完全一致，因此可兼容不同厂家、不同生产年限甚至是不同类型的电池。
[0012](2)由于串联单体数量少，如以12只单体作为一个单元，仅要求这12个单体特性尽量一致即可，而不需要单元之间非常一致。因此生产、维护、更换时都比较方便。
[0013](3)单体的体积小、重量轻、散热容易设计，不易产生热积聚，不会再出现中心单体温度与周围单体差异很大的情况，有利于减缓因电池衰减带来的不一致。
[0014](4)系统兼容充电与换电两种运营模式。换电模式下，只需依据剩余电量将各级联单元电池全部或部分更换，操作灵活，不再像现有的换电系统需要整个电池组更换。充电模式下，可以直接接入交流电源，通过级联变换器对系统各储能单元进行充电。
[0015](5)储能单元为模块级联，可通过电力电子器件进行旁路。当出现故障时可通过控制切出故障单元，系统降额运行，可靠性和安全性得到提高。旁路结构如图5所示，当处于旁路状态时，可以选择上管旁路(图的上部分)或下管旁路(图的下部分)。无论哪种旁路形式，也无论电流是从A端流入、B端流出，还是从B端流入、A端流出，此时电流都不经过电池，也就意味着电池不参与放电或充电，等效于被旁路。
[0016](6)级联变换器的基本特点是多电平阶梯波输出，这种多电平输出使得系统的谐波特性更优，减少了其他车载设备和通讯设备的干扰。
[0017](7)各储能单元为低压，控制器关闭后对每个模块对人体都是相对安全的，因此在出现极端情况(如交通事故导致车体受损等情况)时可以大大降低人体触电伤亡的几率。
[0018]上述电控系统(也称“级联系统”)采用两级控制结构，第一级(也称“外级”)能源管理由能源管理设备(在本申请中也称作“模块”，如图8所示)中的Η桥实现，通过控制各能源管理设备中的Η桥的占空比，可以实现各个能源管理设备不同的导通时间，而由于同一个输出相位的电流是相同的，因此同样的电流作用不同的时间就可以产生不同的放电电量或充电电量。而且，通过改变开关对的导通规则，还可以实现同样输出电流的情况下，能源管理设备既可以工作在充电状态又可以工作在放电状态;第二级(也称“内级”)的能源管理指的是能源管理设备内部的串联单体之间的能量均衡控制。如图6中，电池包由12只单体组成，单体之间串联，同时每个单体的正极和负极均通过均衡开关与BMS开关变压器原边的两端相连接。当某个单体电压高于设定电压或电量高于设定电量时，均衡开关接通，均衡变压器原副边的开关器件动作，将能量由被均衡单体传递给均衡电池；当某个电池电压低于设定电压或电量低于设定电量时，同样接通均衡开关，此时均衡电池将能量传递给被均衡单体。
[0019]综上所述，上述专利CN104953675A提出的电控系统，在物理结构和功能上集成了“电机驱动”、“电池管理”、“充电”三大功能，具备良好的兼容性(不同特性和类型的电池)和可靠性(故障切出、容错)。
[0020]如图7为专利CN104953675A电控系统的仿真输出波形图。仿真时采用了每相6个能源管理设备的结构。仿真条件设定6个能源管理设备的初始电量差分别为(80%、70%、60