一种电池组的两级均衡装置及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电池均衡管理技术领域，具体设及一种基于类Buck-Boost的电池组 两级均衡装置。
【背景技术】
[0002] 电动汽车拥有节能环保、低排放等方面的优势，现已成为汽车行业中最有发展前 景的一个领域。作为电动汽车的关键组成部分，动力电池组的性能决定了电动汽车众多方 面的表现。然而由于现有的电池单体电压低、容量小，无法满足电动汽车的驱动功率要求， 因而一般先将一定数量的电池单体串并联组成一个模组，然后再将多个模组串联起来进行 使用。但是，在电池单体的制作过程中，由于电池厂的制作工艺等方面的原因，造成了即使 是同一批次的电池单体都会出现明显的容量、内阻等方面的差异。同时在电池的使用过程 中，电池单体自放电率的不同、使用环境的差异等，也都会导致电池单体的容量等出现不平 衡。在充电过程中，电池容量小的电池会被率先充满，若此时电池组仍在充电，则容量小的 电池会被过充，产生析气或发生不可逆的结构性损坏，电池容量进一步减小。在放电过程 中，电池容量小的电池电压下降最快，当电池能量耗尽时，电池两端甚至会出现反极性，相 当于被其它电池反充电，导致整组电池的放电能力减弱，同时过放也会使电池内部发生不 可逆的化学反应，减小电池容量。因而在使用过程中必须对电池组进行均衡管理。
[0003] 现有的均衡技术主要有能量耗散型和非能量耗散型。能量耗散型是通过并联电阻 来实现的，此方法结构简单对控制系统要求低，但是能量浪费严重，且耗能电阻发热会对电 池造成不利影响，均衡电流大小也会受到限制。非能量耗散型方法中主要包括开关电容型， 变压器型，转换器型。电容型开关阵列复杂，均衡速度慢。变压器型，成本高、体积大、效率 低、系统变更困难。传统的变换器型WBuck、Boost、Buck-Boost或者CCik变换器等成熟的 变换器电路为基础构建均衡电路，能量只能在相邻电池间传递，且元器件数量众多，成本高 昂。
【发明内容】
[0004] 本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种电池组的两级均衡 装置。
[0005] 本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种控制电池组的两级 均衡装置的控制方法。
[0006] 本发明的首要目的通过W下技术方案实现；一种电池组的两级均衡装置，包括： 电压采集模块、控制模块、均衡模块和电源模块；还包括通信模块，所述通信模块用于与 CAN总线进行通讯；所述均衡模块包括第一级均衡单元和第二级均衡单元，所述第一级均 衡单元采用无源均衡电路，所述第二级均衡单元采用类Buck-Boost均衡电路；所述无源均 衡电路用于模组内均衡，所述类Buck-Boost均衡电路用于模组间均衡；所述电压采集模 块、控制模块和均衡模块依次连接，电源模块用于控制模块供电；
[0007] 所述无源均衡电路包括电池单体、电力电子开关和电阻，所述电力电子开关与电 阻串联后的电路再与电池单体并联；
[0008] 所述类Buck-Boost均衡电路具有开关管、二极管和一个储能电感，每个模组两端 均装有二极管和开关管W行成均衡电流的单向通路，模组的一端与储能电感的一侧相连， 模组的另一端与储能电感的另一侧相连，模组两端的均衡支路均只有一个开关管和一个二 极管；所述类Buck-Boost均衡电路中的每一个开关既是一个模组的放电回路的同时又是 另一个模组的充电回路。
[0009] 所述电压采集模块包括；电压传感器、A/D转换器，所述电压传感器对各模组内的 电池单体并联组电压进行采集，所述A/D转换器将采集到的模拟信号转化为数字信号并传 送到控制模块。
[0010] 所述控制模块包括；驱动电路、MCU和其外围电路，所述驱动电路用于驱动电力电 子开关的通断。
[0011] 本发明的另一目的通过W下技术方案实现：一种控制电池组的两级均衡装置的控 制方法，包括W下步骤：
[0012] 步骤1、电压采集模块采集电池单体并联成的并联组电压值；
[0013] 步骤2、判断步骤1中采集到的并联组电压值是否在设定的工作电压范围内；如果 是，则执行步骤3,否则，报警退出；
[0014] 步骤3、第一级均衡单元进行模组内均衡，然后第二级均衡单元进行模组间均衡， 最后返回步骤1。
[0015] 在步骤3中，所述模组内均衡包括W下步骤：
[0016] 步骤A、控制模块根据测量所得的并联组电压值，设置每个模组的均衡阔值；
[0017] 步骤B、根据模组内的均衡阔值判断当前模组内的每个并联组电压是否在阔值范 围内，如果全部落在阔值范围内则跳过当前模组，并转向下一模组去进行判断，否则，确定 需要均衡的模组内的并联组的编号，并打开需要均衡的模组内的并联组的电力电子开关W 进行放电降压，当前模组的模组内均衡完成后转向下一模组；
[0018] 步骤C、返回步骤A，直到当完成所有模组内的均衡为止。
[001引在步骤3中，所述模组间均衡包括W下步骤：
[0020] 步骤①、控制模块根据测得的并联组电压值，计算各模组电压，再计算所有模组的 平均电压，然后在模组平均电压的基础上W1. 5%的均衡平衡度设置均衡阔值；
[0021] 步骤②、控制模块判断各个模组电压是否都在阔值范围内，如果是则退出模组间 均衡，否则执行下一步骤；
[0022] 步骤⑨、利用第二级均衡单元将能量从电压最高的模块转移到电压最低的模块， 判断当前均衡是否完成，是则执行下一步骤，否则持续执行当前步骤；
[002引步骤④、刷新均衡过的模组的电压值，返回步骤②。
[0024] 本发明所采用的技术方案也可W是：一种电池组的两级均衡装置及其控制方法， 包括电压采集模块，控制模块、通信模块、均衡模块、电源模块W及相应的控制方法。一般 情况下先把一定数量的电池单体串并联组成一个模组，然后再将多个模组串联起来进行使 用，所述电压采集模块对各模组内电池单体并联组进行电压采集，并把采集得到的电压信 号变换W后传给控制模块，所述控制模块根据所述电压信号进行计算、判断后控制均衡模 块的均衡电路实现所需的均衡。
[0025] 所述无源均衡电路包括电池单体、电力电子开关和电阻，所述电力电子开关与电 阻串联后的电路再与电池单体并联；
[0026] 所述类Buck-Boost均衡电路，包括开关管、二极管和储能电感以每个模组两端均 装有二极管和开关管，构成均衡电流的单向通路，模组的一端与储能电感一侧的A点相连， 模组的另一端与储能电感另一侧的B点相连，为了减少开关器件，模组中处于最两端位置 的均衡支路只有一个开关管和一个二极管。该电路中每一个开关可W同时是一个模组的 放电回路和另一个模组的充电回路。本发明电路原理类似buck-boost电路，但本发明的类 Buck-Boost均衡电路只使用了一个储能电感L。
[0027] 所述电压采集模块包含电压传感器、A/D转换器。所述电压传感器针对各模组内 的各电池单体并联组电压进行采集。所述A/D转换器将采集到的模拟信号转化为数字信号 并传送到控制模块。
[002引所述控制模块包括驱动电路、MCU及其必备的外围电路。所述控制模块接收电压 采集模块传过来的数字信号，处理W后依据控制策略通过驱动电路控制均衡模块完成均衡 任务。
[0029] 所述控制模块中MCU所使用的控制程序包括主程序部分，子程序部分和中断服务 程序部分。
[0030] 所述主程序部分控制程序整体进程，程序初始化后，先调用电压采集子程序，依据 采集来的电池单体并联组电压是否都在设定的工作范围内来决定是否退出报警，如果超出 范围则退出报警，否则开始调用模组内均衡子程序，模组间均衡子程序，然后程序返回，开 始新一轮的电压采集与电池均衡，如此循环执行，同时使用看口狗避免程序陷入某个局部 循环而导致整个系统崩溃。
[0031] 所述中断服务程序部分完成通信等任务。
[0032] 所述子程序部分包括电压采集子程序、模组内均衡子程序、模组间均衡子程序。
[0033] 所述子程序部分的电压采集子程序配合电压采集模块的需要完成数据采集任务。
[0034] 所述子程序部分的模组内均衡子程序，用来控制第一级均衡单元利用其无源均衡 电路完成模组内均衡的任务，调用该子程序后，首先根据测量所得的电压值设置相应模组 的均衡阔值，然后根据该模组内的均衡阔值判断模组内的每个并联组电压是否在阔值范围 内，如果全部落在阔值范围内则跳过该模组转向下一模组去进行判断，如果有并联组电压 不在阔值范围内，则确定需要进行均衡的并联组编号，再打开相应的电力电子开关进行放 电降压，完成该模组的均衡后，转向下一模组去进行判断，当完成所有模组的模组内均衡W 后，退出该子程序。
[00巧]所述子程序部分的模组间均衡子程序，用来控制第二级均衡单元利用其类Buck-Boost均衡电路来完成模组间均衡的任务，调用该子程序后，首先由测得的数据计算 出各模组电压，模组平均电压，再在模组平均电压的基础上W1. 5%的均衡平衡度设置均衡 阔值，判断各模组电压是否都落在阔值范围内，如果是则不进行模组间均衡，直接退出该子 程序，如果否，则按一定时序开通和关断相应的开关管，把能量从电压最高的模组向电压最 低的模组转移，判断本次均衡是否完成，如果没有则等待完成，如果完成则程序继续向下， 然后刷新均衡过的模组的电压值，返回判断环节重新判断各模组电压是否都落在阔值范围 内。
[0036] 所述均衡模块包括第一级均衡单元和第二级均衡单元，所述第一级均衡单元采用 无源均衡电路，所述第二级均衡单元采用类Buck-Boost均衡电路；所述无源均衡电路用于 模组内均衡，所述类Buck-Boost均衡电路用于模组间均衡；
[0037] 所述无源均衡电路的电路由电池单体并联组通过电力电子开关与耗能电阻并联 而成，用于模组内均衡。
[0038] 所述类Buck-Boost均衡电路，包括开关管、二极管、储能电感，每个模组两端都分 别装有二极管和开关管，构成均衡电流的单向通路，模组的一端与储能电感一侧的A点相 连，另一端与电感另一侧的B点相连，为了减少开关器件，处于最两端的均衡支路只有一个 开关管和一个二极管。该电路中每一个开关可W同时是一个模组的放电回路和另一个模组 的充电回路。本电路原理类似buck-boost电路，但只