一种动力电池的主动均衡充电装置及方法

1.本发明涉及电动汽车、电力电子、自动化技术领域，具体为一种用于电动汽车电池组充电维护的均衡充电装置及方法。


背景技术：

2.串联电池组的可用容量受每个电池的荷电状态(soc)变化的影响，这是因为锂离子电池在生产制造过程中会因设备、工艺和用料的各个环节不同而造成电池的不一致性，电池的不一致性问题严重影响电池组的工作性能，在电池充放电过程中会产生木桶效应，这需要进行电池均衡，但现在的挑战转移到电池主动均衡装置的电气结构设计与均衡方法上。
3.现有的均衡装置都不能同时满足同时进行双向均衡充电、分组均衡充电、电池相邻和非相邻均衡充电。虽然存在某些均衡装置，仅包括相邻的和非相邻两种电池均衡结构，但它们并不能一起同时执行相邻和非相邻均衡，大大地降低了均衡的速度与效率。公开号为cn111564880a的发明专利提出的均衡结构虽然可以分组并行均衡，但是分组是固定的，缺少了灵活性。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种动力电池的主动均衡充电装置及方法，其目的在于解决主动均衡装置不能同时进行双向均衡充电、分组均衡充电、电池相邻和非相邻均衡充电的问题。
5.为了实现上述目的本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
6.本发明的一方面提供了一种动力电池组的主动均衡充电装置，它包括一个主控制器，一个电池管理系统(bms)，n个均衡充电模块，n个电池单体，n个传输总线隔离开关，两条电荷传输总线b+和b
‑
。
7.所述的主控制器用于接收电池管理系统估算出对应电池单体的soc值，通过均衡控制策略计算出所需要均衡的电池单体，并向均衡模块和传输总线隔离开关q发送驱动信号。
8.所述的电池管理系统通过采样获得电池单体的电压和电流，电池管理系统中内置不同充电次数的电池soc
‑
电压曲线，并且记录有电池单体的充电次数，通过当前每个电池单体的电压以及充电次数得到对应每个电池单体的soc初始值，再次通过安时积分法估算均衡过程中电池单体的soc值。
9.所述的均衡充电模块包括一个反激式变换器t、两个mos管(p和s)、一个电池隔离开关m。
10.反激式变换器t中使用的变压器通常称为电感变压器。与理想变压器不同的是，由于一次绕组和二次绕组的反极性连接，电感变压器中的电流不会同时在两个绕组中流动。通过分别用非重叠高频pwm控制信号来驱动反激变压器t中的一次侧和二次侧的mos管p和s来实现的。电感变压器一次侧对应电池单体，二次侧对应电荷传输总线，一次侧第一引脚与
电池单体正极连接，一次侧第二引脚与mos管p的漏极相连，mos管p的源极与电池单体负极连接，变压器二次侧第一引脚与电荷传输总线b+连接，二次侧第二引脚与mos管s的漏极相连，mos管p的源极与电荷传输总线b
‑
连接。
11.电池隔离开关m由两个带有信号控制的开关组成，其连接方式是第一个带有信号控制的开关的一端与电池单体的正极相连接，另一端与电荷传输总线b+相连接；第二个带有信号控制的开关的一端与电池单体的负极相连接，另一端与电荷传输总线b
‑
相连接，并且这两个带有信号控制的开关同时闭合，同时断开，受一个驱动信号控制，从而在电池单体和电荷传输总线之间提供完全隔离。
12.其中mos管p、mos管s的允许最大通过的电流不小于10a，导通电阻小于50mω，mos管p、mos管s的栅极以及电池隔离开关的控制端通过总线与主控制器相连接。
13.传输总线隔离开关q由两个带有信号控制的开关组成，其连接方式是这两个带有信号控制的开关分别串联到电荷传输总线b+和b
‑
上，控制端与主控制器相连接，并且这两个带有信号控制的开关同时闭合，同时断开，受同一个驱动信号控制，传输总线隔离开关q用于通过电荷传输总线将过量电荷从源电池转移到目标电池。它们还用于隔离均衡充电模块，从而允许执行并发电荷转移。
14.主动均衡充电装置的安全性可通过以下方式确保：反激变换器提供电池与电荷传输总线的固有隔离。电池单体和电荷传输总线之间的唯一直接连接是通过电池隔离开关开关m，电荷传输总线之间的唯一直接连接是通过总线隔离开关开关q。这些开关可通过静态信号(开或关)进行驱动，不需要任何高频控制即可达到精确控制。
15.均衡充电模块中的所有开关在没有被驱动信号控制时，它们常开，在发生故障时将均衡充电模块与电池单体隔离，实现电池保护。
16.例如电荷转移过程：源电池cell
n
‑1将其多余的电荷转移到目标电池cell
n
。隔离开关q
n
、m
n
‑1保持关断，q
n
‑1、m
n
保持闭合，以帮助电池之间的均衡电流流动，通过不重叠的高频pwm信号分别驱动mos管p
n
‑1和s
n
‑1实现电荷转移。
17.均衡装置的分组策略可以按照以下方法进行：当存在多个电池单体的soc相同时，这些相同的soc所对应的电池单体可以作为一组，如果组内每个电池单体的soc高于soc
avg
，则该组作为源电池组；如果组内每个电池单体的soc低于soc
avg
，则该组作为目标电池组。源电池通过均衡充电模块和电荷传输总线将电荷转移到目标电池组内的每一个电池单体；源电池组内每个电池单体同时通过均衡充电模块和电荷传输总线将电荷转移到目标电池或目标电池组内的每一个电池单体。
18.当电池组的两个不相邻的电池单体(如cell1和cell4)失去均衡时，直接在电池之间转移电荷是节能的，而不是将多余的电荷通过中间电池(即从cell1到cell2，再从cell2到cell3，再从cell3到cell4)进行转移。
19.本发明另一方面还提供了一种动力电池组的主动均衡充电方法，采用上述电池组均衡装置，具体可以分为以下几个步骤：
20.s1、主控制器从bms中获取每个电池单体的soc值记为soc
i
以及电池的编号i，并计算电池的平均soc记为soc
avg
。其中i＝1,2,3
…
n。
21.s2、找到该电池组中最大soc对应的电池单体编号，最小soc对应的电池单体编号，次最大soc对应的电池单体编号，次最小soc对应的电池单体编号，第三最大soc对应的电池
单体编号，第三最小soc对应的电池单体编号，若n为偶数，一直到第n/2最大soc对应电池单体编号和第n/2最小soc对应电池单体编号，若n为奇数，一直找到第(n
‑
1)/2最大soc对应电池单体编号和第(n
‑
1)/2最小soc对应电池单体编号。
22.s3、判断每个电池单体的soc
i
与soc
avg
之差的绝对值是否小于设置的阈值δ，如果是，则该电池单体需要均衡，否则电池单体不需要均衡。
23.s4、如果满足均衡条件，soc大于soc
avg
所对应的电池单体放电，soc小于soc
avg
所对应的电池单体充电。主控制器发送驱动信号驱动对应的开关进行均衡。
24.s5、依次判断第j最大soc所对应的电池单体和第j最小soc所对应的电池单体之间所有的电荷传输总线隔离开关q是否全部关断，如果关断，第j最大soc所对应的电池单体和第j最小soc所对应的电池单体相互均衡，否则第j最大电池单体和第j最小电池单体不能相互均衡。当n为偶数时，j＝1，2，3，...n/2；当n为奇数时j＝1，2，3，...(n
‑
1)/2。
25.s6、再次判断每个电池单体与平均soc之差的绝对值是否小于设定阈值δ，若满足条件，则均衡结束，否则返回s1继续均衡。
26.与现有的方法相比，本发明可实现电池单体分组并行均衡，电荷双向、相邻和非相邻传输，能量跨越式传递、无均衡重叠问题、均衡效果良好、易于扩展且电路易于实现。此外，直接非相邻电荷转移通过减少中间电池的充放电周期和最小化电荷转移步骤的数量所带来的损耗来维持中间电池的寿命，还提高了均衡过程的能量转移效率。除了通过执行非相邻均衡来提高电池组的能量效率外，还可以通过执行电池的多个分组同时进行电荷转移，提高了电池组均衡的并行率，使得均衡整个电池组所需的均衡时间减少。
附图说明
27.图1是动力电池组主动均衡装置图；
28.图2是均衡模块的内部结构图；
29.图3是电池单体间均衡方法流程示意图。
具体实施方式
30.以下结合附图对本发明作进一步说明。
31.本发明包括一个主控制器，一个电池管理系统(bms)，n个均衡充电模块，n个传输总线隔离开关，两条电荷传输总线b+和b
‑
。主控制器用于接收bms估算出对应电池单体的soc值，通过均衡控制策略计算出所需要均衡的电池单体，并向均衡充电模块和传输总线隔离开关q发送驱动信号。
32.电池管理系统通过采样获得电池单体的电压和电流，电池管理系统中内置不同充电次数的电池soc
‑
电压曲线，并且记录有电池单体的充电次数，通过当前每个电池单体的电压以及充电次数得到对应每个电池单体的soc初始值，再次通过安时积分法估算均衡过程中每个电池单体的soc值。
33.均衡充电模块包括一个反激式变压器t、两个mos管(p和s)、一个电池隔离开关m；均衡模块一侧分别连接到电池单体的正极和负极，另一侧分别连接到总线的b+和b
‑
上。
34.传输总线隔离开关q由两个带有信号控制的开关组成，其连接方式是这两个带有信号控制的开关分别串联到电荷传输总线b+和b
‑
上，控制端与主控制器相连接，并且这两
个带有信号控制的开关同时闭合，同时断开，受同一个驱动信号控制，传输总线隔离开关q用于通过电荷传输总线将过量电荷从源电池转移到目标电池。它们还用于隔离均衡充电模块，从而允许执行并发电荷转移。
35.基于均衡充电装置的设计，本发明提供了一种动力电池的模块化的主动均衡充电装置，如图1和图2所示，均衡模块与串联电池组的每个电池单体相并联。
36.通过本发明提供的均衡控制方法控制相应的开关管状态即可对电池单体进行均衡充电，图3是一种电池单体间的均衡方法的控制流程示意图。
37.具体实施时，一个电池组由n个串联连接的电池单体组成，分别为cell1、cell2、cell3...cell
n
。bms通过采样获得n个电池单体电压、电流信息，bms中内置不同充电次数的电池soc
‑
电压曲线，并且记录有电池的充电次数，通过当前每个电池单体的电压以及充电次数得到对应每个电池单体的soc初始值，再根据安时积分法从而估算出均衡过程中电池单体对应的soc值，bms将电池单体的soc信息发送至主控制器中。
38.s1、主控制器获取每个电池单体的soc值记为soc
i
以及电池的编号i，并计算电池的平均soc记为soc
avg
，其中i＝1,2,3
…
n。
39.s2、主控制器找到该电池组中最大soc对应的电池单体编号，最小soc对应的电池单体编号，次最大soc对应的电池单体编号，次最小soc对应的电池单体编号，第三最大soc对应的电池单体编号，第三最小soc对应的电池单体编号，若n为偶数，一直到第n/2最大soc对应电池单体编号和第n/2最小soc对应电池单体编号，若n为奇数，一直找到第(n
‑
1)/2最大soc对应电池单体编号和第(n
‑
1)/2最小soc对应电池单体编号。
40.s3、主控制器判断每个电池单体的soc
i
与soc
avg
之差的绝对值是否小于设置的阈值δ，如果是，则该电池单体需要均衡，否则电池单体不需要均衡。
41.s4、依次判断第j最大soc所对应的电池单体和第j最小soc所对应的电池单体之间两个电荷传输总线隔离开关q是否关断；如果关断，第j最大soc所对应的电池单体和第j最小soc所对应的电池单体进行相互均衡，否则这两个电池单体不均衡。当n为偶数时，j＝1，2，3，...n/2，当n为奇数时j＝1，2，3，...(n
‑
1)/2。
42.s5、如果第j最大soc对应的电池单体编号为a，第j最小soc对应的电池单体编号为b，且未达到平均值阈值范围内，则电荷从电池a转移到电池b。
43.如果a<b，主控制器发送驱动信号使得电池隔离开关m
b
、总线隔离开关q
a
、q
a+1
、...q
b
‑1导通，发送两个不重叠的高频pwm信号驱动均衡模块a中反激变换器两侧的mos管p
a
和s
a
；如果a>b，主控制器发送驱动信号使得电池隔离开关m
b
、总线隔离开关q
b
、q
b+1
、...q
a
‑1导通，发送两个不重叠的高频pwm信号驱动均衡模块a中反激变换器两侧的mos管p
a
和s
a
，这样电池单体a和电池单体b之间均衡就产生了。
44.特别的，当第j最大soc对应的电池单体个数和/或第j最小soc对应的电池单体个数大于1时，将对编号第j最大soc电池单体和第j最小soc电池单体分别分成一组，再进行均衡。
45.s6、再次判断每个电池单体与平均值之差的绝对值是否小于设定阈值δ，若满足条件，则均衡结束，否则返回s1继续均衡。
46.该结构实现了电池之间的双向、相邻、非相邻、分组来转移电荷提高电池组的电荷转移效率，增加了控制的灵活性，多个组同时均衡增加了并行百分比，通过控制策略能够使
得双向均衡充电、分组均衡充电、电池相邻和非相邻均衡多种均衡方式充电同时进行，缩短了均衡时间。