能源管理设备、电控系统和电控方法、电动汽车的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子技术，尤其是一种能源管理设备、电控系统和电控方法、电动汽 车。
【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。
[0003] 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，例如，磷酸铁锂电池的电压通常为3. 2V-3. 3V，三元材料锂电池的电压通常为 3. 6V，需要电池大规模的串联来达到驱动电机所需的电压等级。因此，电动汽车的供电电源 通常为由上百只电池大规模串联的电池组。如图1所示，为现有电动汽车电池组的一个示 意图，电动公交车供电电源的电压通常为384V，由116只单体电压为3. 3V的锂电池串联而 成。如图2所示，为现有电动汽车中电控系统的一个结构示意图。
[0004] 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。电池这种变化在整个寿命周期内是必然存在的，并且成组后电池组 内各个电池的衰减规律是不同的，这主要是因为生产加工的一致性、以及电池组内电池的 工作温度特性等原因造成的。在制造过程中，由于工艺问题和材质的不均匀，会导致电池在 内部结构和材质上的不完全一致性，这就会使同一批次出场的同一型号电池的容量、内阻 和电压等参数值不可能完全一致；在装车使用时，由于电池组中各电池的温度、通风条件、 自放电程度、电解液密度等差别的影响，在一定程度上增加了电池容量、内阻和电压等参数 的不一致。由于上述电池间的个体差异，导致电池组充电时，容量最小的电池容易过充，放 电时容量最小的电池又容易过放，由于容量最小的电池受损，容量变得更小，进入恶性循 环，因此，电池组的可靠性、安全性、电气特性取决于串联各单体中性能最差的一个，此即木 桶效应。
[0005] 针对上述电池组的木桶效应问题，现有技术提出通过电池管理系统（BMS)管理电 池组内的各电池单体，解决电池组内各电池单体之间的不均衡，将容量多的电池上多余的 能量消耗掉或者转移给容量少的电池。
[0006] 在实现本发明的过程中，发明人发现，现有电动汽车的储能系统至少存在以下问 题：
[0007] 由于锂电池的特性受生产条件、使用周期、工作环境等因数的影响，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，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、物理、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，如果电池组中某个电池单体发生故障，替换又非常困难，很难 找到与其衰减特性一致的电池用于替换，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（例如，锂电与铅酸电池之间）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；
[0008] 如果电池组内电池单体之间出现了较大的差异，在大电流输出下会加速电池单体 之间的不均衡。而现有BMS产品的均衡电流通常为5A左右，电机的最大输出电流通常接近 100A甚至更高，BMS的均衡能力比电机输出小一个量级（即：10倍），因此现有BMS只能满 足静态均衡的需求，即：只能实现电池组充电状态下的均衡控制，无法实现大规模串联后电 池组在大功率放电情况下的动态均压，这就使得电池组在长期使用时，由于电池单体的特 性不均导致充放电电压不一致，严重时导致电池损毁；
[0009] 目前BMS-般已占储能系统成本的15~25%，而储能系统又占了整车成本的 50-60%左右，若要实现电池组的动态均压，需提高BMS的均衡能力，则BMS的成本又需进一 步提尚。
【发明内容】
[0010] 本发明实施例提供一种能源管理设备、电控系统和电控方法、电动汽车，以解决现 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均衡能力不足以满足大规模串联后电池组的动态均压的技术问题。
[0011] 本发明实施例提供的一种能源管理设备，包括：
[0012] H桥单元；
[0013] 与所述H桥单元并联、作为所述H桥单元的输入电源的电池组，所述电池组包括串 联在一起的由M个电池，其中，M为大于1的整数；和
[0014] 分别与所述电池组中的各电池连接、对所述电池组进行能量均衡控制的电池管理 系统BMS。
[0015] 在上述能源管理设备的另一个实施例中，所述BMS包括能量转移型BMS或能量消 耗型BMS。
[0016] 在上述能源管理设备的另一个实施例中，能量转移型BMS包括共享变压器均衡型 BMS、开关电容式BMS或开关变压器均衡型BMS。
[0017] 本发明实施例提供的一种电控系统，包括主控制器、3N个分控制器和3N个能源管 理设备；其中，所述能源管理设备包括H桥单元，与所述H桥单元并联、作为所述H桥单元的 输入电源的电池组，和分别与所述电池组中的各电池连接、对所述电池组进行能量均衡控 制的BMS，所述电池组包括串联在一起的由M个电池，M、N分别为大于1的整数；3N个能源 管理设备构成第一相组、第二相组和第三相组共三个相组，每个相组包括N个能源管理设 备，每个相组中的N个能源管理设备通过能源管理设备中的H桥单元级联；第一相组、第二 相组和第三相组分别包括两个端口，所述两个端口包括输入端口和输出端口，第一相组的 两个端口中的一个端口连接至电机的U相端子，第一相组的两个端口中的另一个端口分别 与第二相组和第三相组的两个端口中的一个端口连接，第二相组和第三相组的两个端口中 的另一个端口分别连接至电机的V相端子和W相端子；其中：
[0018] BMS，用于采集电池组的电压、充放电电流和温度参数，和电池组中各电池的电压、 温度、充放电电流参数；以及根据信号采集模块采集的参数估测电池组的荷电状态SOC和 电池组内各电池的SOC，并进行电池组内电池间的均衡充电和放电，使组中各电池达到均衡 一致的状态；
[0019] 3N个分控制器中的各分控制器，分别与一个能源管理设备连接，用于采集所连接 能源管理设备中电池组的电压、充放电电流和温度参数，电池组中各电池的电压、温度、充 放电电流参数，电池组和电池组内各电池的SOC参数，以及分控制器自身的电流、电压和温 度参数，并上传给主控制器；以及根据主控制器下发的脉冲宽度调制PWM占空比信息对PWM 进行处理后输出给连接的能源管理设备中的H桥单元以驱动该H桥单元动作，从而控制能 源管理设备的工作状态、和工作状态下的工作时长；
[0020] 主控制器，分别与各分控制器通信连接，根据各分控制器上传的参数信息，获取每 个输出相组中各能源管理设备的电量和/或电压；并依据输出相组中各能源管理设备的电 量和/或电压信息，结合电机的速度、电流和温度参数信息，计算各能源管理设备的PWM占 空比并分别下发给各能源管理设备连接的分控制器。
[0021] 在上述电控系统的另一个实施例中，所述能源管理设备包括权利要求2至4任意 一项所述的能源管理设备。
[0022] 在上述电控系统的另一个实施例中，还包括所述电机。
[0023] 在上述电控系统的另一个实施例中，还包括交流电源，连接至电机的U、V、W相端 子，向能源管理设备输入三相电。
[0024] 在上述电控系统的另一个实施例中，还包括电机信息采集单元，用于根据主控制 器发送的电机参数采集指示采集电机的速度、电流和温度参数并上报给主控制器；
[0025] 所述主控制器还用于向电机信息采集单元发送电机参数采集指示。
[0026] 在上述电控系统的另一个实施例中，所述分控制器，还用于在检测到自身或所连 接能源管理设备故障时，切断故障的自身或所连接能源管理设备输出并向主控制上报故障 信息；或者在检测到自身或所连接能源管理设备工作状态不佳但仍处于许可工作状态范围 内时，向主控制上报工作状态不佳的报警信息。
[0027] 在上述电控系统的另一个实施例中，所述主控制器，还用于在检测到自身、分控制 器或能源管理设备故障时，切断故障的自身、分控制器输出，或指示相应的分控制器切断故 障的能源管理设备输出并向相应分控制器发送故障信息；或者在检测到自身工作状态不佳 但仍处于许可工作状态范围内时，向所有分控制器控制下发工作状态不佳的报警信息，或 在检测到分控制器或能源管理设备工作状态不佳但仍处于许可工作状态范围内时，向相应 分控制器控制下发工作状态不佳的报警信息。
[0028] 本发明实施例提供的一种电动汽车，包括上层控制器和上述任一实施例的电控系 统，所述上层控制器与所述电控系统中的主控制器通信连接，进行相应的工作信息交互。
[0029] 本发明实施例提供的一种基于上述电控系统实施例的电控方法，包括：
[0030] BMS对相应能源管理设备中的电池组进行能量均衡控制；和
[0031] 分控制器采集所连接能源管理设备中电池