一种基于电池并联的电动汽车模块化动力系统及控制方法
【专利摘要】本发明具体公开了一种基于电池并联的电动汽车模块化动力系统及控制方法，包括电池系统和电机控制系统，所述的电池系统包括供电电池组和电池管理系统，所述的电机控制系统包括逆变器和逆变控制模块，所述的电池管理系统对供电电池组进行管理采样及控制，所述的供电电池组与逆变器通过导线连接，逆变器将直流电逆变为可调电压、频率的三相交流电提供给牵引电动机，所述的逆变控制模块对逆变器进行控制，且通过总线与电池管理系统通讯。供电电池采用并联连接方式，供电电池包分成n组，n组电池分别采用逆变电路给牵引电机提供供电，电机控制结合电池管理系统，从而利于动力系统的标准化、模块化，便于电池的管理和更换。
【专利说明】一种基于电池并联的电动汽车模块化动力系统及控制方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种基于电池并联的电动汽车模块化动力系统及控制方法。
【背景技术】
[0003]现有电动汽车动力电池普遍采用多节电池串联的方式，牵引电机采用单个逆变单元执行控制。
[0004]为了提高电压目前普遍采用多节电池串联的方式，由于容量限制，供电电池串联的电池系统需要是大量电芯并联之后再串联组成的电池组，尽管这种方法比较容易实现，对管理系统要求不高，成本低，但维护比较麻烦，而且对各串联电池包的性能一致性要求较高，否则，多节电池串联的容量需按照电池最小的容量计算。因此，目前的电池串联方式对容量大的电池是一种浪费，而且如果一节电池出现问题，并联电池中的某节短路，会造成安全性问题，并将对整个电池组的工作造成致命的危害，整个电池组寿命和健康状态受到串联电芯寿命影响。
[0005]研究表明电池采用并联方式连接，并联充放电过程中各电池电压差异较小，单体间通过调整各自电流大小也实现自我均衡，并联时均能实现并联单体全部满充满放，不同SOC状态电池并联，最终放出的电量与电池整体所含电量相当。
[0006]对于并联电池的安全性与可靠性，多个小电池并联不比单个大电池差，甚至更安全可靠。如果综合考虑电池性能、生产成本、工艺成熟度、复杂度及安全性，采用多个小电池并联更具有实用性。
[0007]牵引电机采用单个逆变单元执行控制，逆变单元在电流较大时，设计困难，对执行部分元件如驱动电路、IGBT (MOSFET)开关管要求较高。同时，逆变单元传动装置规格不统一，各功率级别传动装置不能互换。
[0008]针对逆变单元模块并联中的线路级并联，能够提高系统总的容量，提高变流器工作的可靠性，因此在很多场合，尤其是大功率应用中，较为常见。
[0009]现实电池管理系统(BMS)—般都实时检测电池组的单体电压、总电压、总电流、温度等参数，并对电池组进行过压、过流、欠压、过温及短路等保护及控制，但基本数据测量仅限于系统自行测量监控，保护控制也多局限于电池管理系统的相应保护措施。
[0010]电池系统与电机牵引系统不能做到资源与信息共享，在电池系统健康状态不佳或电量不足时，电机牵引系统不能根据预警改变控制策略，在保证安全前提下高效运行。
【发明内容】
[0011]为了解决现有技术存在的缺点，本发明具体公开了一种基于电池并联的电动汽车模块化动力系统及控制方法。
[0012]本发明采用的技术方案如下: 一种基于电池并联的电动汽车模块化动力系统，包括电池系统和电机控制系统，所述的电池系统包括供电电池组和电池管理系统，所述的电机控制系统包括逆变器和逆变控制模块，所述的电池管理系统对供电电池组进行管理采样及控制，所述的供电电池组与逆变器通过导线连接，逆变器将直流电逆变为可调电压、频率的三相交流电提供给牵引电动机，所述的逆变控制模块对逆变器进行控制，且通过总线与电池管理系统通讯。
[0013]所述的供电电池组包括并联连接的若干电池组，每个电池组包括若干串联连接的电池单元，且每个电池组各自连接一个逆变模块，即所述的逆变器由与电池包相同数量的逆变模块并联组成，所述的每个逆变模块采用独立直流母线为牵引电动机供电。
[0014]所述的每组电池所采用的逆变模块可以为桥式逆变拓扑、三电平桥式逆变拓扑、多电平桥式逆变拓扑或软开关桥式逆变拓扑。
[0015]所述的每个逆变模块结构相同，每个逆变模块都输出三相交流电，每个逆变模块的三个桥臂中点与一个输出电抗器连接，各个电抗器并联连接至牵引电动机。
[0016]所述的电池管理系统负责监测充电情况、电机启动，同时对电池单元进行实时数据(包括电压、电流、温度)采集，对所采集的数据分析及计算，根据采集的数据进行SOC及SOH计算，进行均衡管理，根据电池状态选择控制策略，确定实施具体动作以利于电池的运行。
[0017]对电池单元进行实时数据采集，对所采集的数据分析及计算，根据采集的数据进行SOC及SOH计算，进行均衡管理，这部分算法采用的现有技术中的常规算法，在此不进行详细展开。
[0018]所述的电池管理系统控制策略如下:
电池温度过高时启动散热风机进行散热，电池充电之前温度过低时，先对电池包加热至设定温度，再进行充电；检测充电枪接入信号，充电时闭合充电回路，监测充电过程中充电电流、电池电压，实现过流保护、过压保护，完成充电后断开充电回路；检测电动汽车钥匙开关状态，检测启动信号，监测放电过程中放电电流、电池电压，完成过流保护，过放保护；针对电机控制系统大电容进行预充电，预充完成后闭合主继电器，断开预充继电器；显示电池组的详细信息包括:总电压、总电流、S0C、单体电压、电池温度；电池管理保护启动及电池运行条件差或继电器等执行元件未能正确执行控制命令(包括故障导致)时报警。
[0019]模块化动力系统的控制方法，如下:
针对新启用的电池组，其采用独立直流母线的并联逆变模块，逆变控制模块同时监测所有并联逆变模块的电流值，当电动汽车总驱动电流要求较小，即所有供电电池组的并联回路电流都小于单个回路所能够提供的总电流时，供电电池组放电电流通过自均衡功能，逆变控制模块不必进行均流控制；当电动汽车总驱动电流要求较大，即有并联回路电流大于单个回路所能够提供的总电流时，逆变控制模块进行均流控制将各模块电流限制在电池允许最大放电电流范围内；当电动汽车总驱动电流要求很大，即超过并联电池所能够提供的总电流时，逆变控制模块进行均流控制，当将各模块电流限制在电池允许最大放电电流范围内，同时与电池管理系统通信，要求发出报警信号并告知用户；
针对电池剩余容量(SOC)差或电池健康状况(SOH)差别超过设定值的电池组，所述的电池管理系统采集，根据每供电电池组的剩余容量及健康状态分配其输出电流，从而控制每组供电电池组的放电电流大小和放电深度，避免过放和过流；逆变控制模块根据电池管理系统分配的电流大小进行控制，这样不仅可使整个电池组中电池的放电时间同步，而且确保系统不因为某一组电池出现问题而导致系统故障，甚至损害电池组，提高了系统的稳定裕度；
当电池状态不正常时，亦即当供电电池组并联回路出现过放(电池电压低于允许值)、SOC过低、SOH过低情况时，电池管理系统通知逆变控制模块，通知电机控制系统调整控制策略，将相应出现过放、SOC过低、SOH过低情况的并联回路逆变模块控制信号锁死，亦即将相应并联回路从动力系统中切除，保证个别电池状态不佳时电动汽车能正常运行同时也能防止出现电池损坏，同时电池管理系统显示报警，通告电动汽车动力系统运行状态，提醒操作人员注意。
[0020]本发明产生的有益效果如下:
供电电池采用并联连接方式，供电电池包分成η组，η组电池分别采用逆变电路给牵引电机提供供电，电机控制结合电池管理系统，从而利于动力系统的标准化、模块化，便于电池的管理和更换。
[0021]本发明提出基于电池并联的逆变模块并联系统作为电动汽车牵引系统，该动力系统模块单元由电池组和逆变装置共同组成，系统供电电池采用η组电池并联连接方式组成供电电池包，η组电池分别采用逆变电路给牵引电机提供供电，各逆变模块通过电抗器连接，电机控制系统结合电池管理系统，实现资源共享，根据电池健康状态和电量状态实时调整控制策略，该方法能增大牵引系统输出电流，实现大功率输出，通过多模块并联分担负载，可使各个模块主开关器件电流应力大大减小，同时有利于电池的管理和更换。
[0022]进一步地，本发明意欲提供一种基于电池并联的电动汽车动力系统，其中电池包分成η组，η组电池并联连接，每组电池可以由m个电池采用串联连接方式组成。电池管理系统负责监测每节电池的放电电压、电流大小和放电深度，判断电池目前所处的状态，并根据该状态决定允许哪些操作，禁止哪些操作，并通过总线传输给电机控制系统，电池状态不正常时，它应该能够及时发现并提醒电机控制系统改变控制策略。
[0023]η组电池分别采用逆变模块并联给牵引电机提供供电，亦即N个逆变电路采用单独母线供电。逆变模块并联组成调速系统，解决大功率驱动问题。电机控制系统亦即调速控制系统根据电池管理系统所提供信息，分配负载电流，适当调整控制策略，保证电池安全运行同时实现并联输出。
[0024]该动力系统与传统动力系统相比较的优点:
1、该方法增大牵引系统输出电流，采用独立直流母线并联系统，其回路中不包含零序环流通路，因而能够抑制某些并联控制方式下存在的零序环流，从而能减小环流。
[0025]2、根据并联各电池组支路电流计算单体S0C，根据每组电池的剩余容量及健康状态分配其输出电流，从而控制每组电池的放电电流大小和放电深度，避免过放和过流，可使整个电池组中电池的放电时间同步，而且确保系统不因为某一组电池出现问题而导致系统故障，甚至损害电池组，提高了系统的稳定裕度。
[0026]3、逆变器模块可以移植，可以通用，同时可使布局灵活。
[0027]4、逆变器模块热源分散，热设计相对容易。
【专利附图】
【附图说明】[0028]图1传统动力系统示意图；
图2根据本发明一种实施方式的动力系统A相电路图示意图；
图3根据本发明一种实施方式的动力系统示意图 图4根据图2、3中的动力系统基本控制示意；
图中B供电电池组，Tr逆变器，ΒΒη电池组，TrfTrn逆变模块。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明作更进一步说明。
[0030]如图2所示，本发明的基于电池并联的电动汽车模块化动力系统包括电池系统和电机控制系统，所述的电池系统包括供电电池组B和电池管理系统，所述的电机控制系统包括逆变器Tr和逆变控制模块，所述的电池管理系统对供电电池组进行管理采样及控制，所述的供电电池组与逆变器通过导线连接，逆变器将直流电逆变为可调电压、频率的三相交流电提供给牵引电动机，所述的逆变控制模块对逆变器进行控制，且通过总线与电池管理系统通讯。
[0031]供电电池组共包括mXn节电池，由η组并联供电池组BfBn组成，其中每组电池由m个电池串联连接组成，供电电池组采用先串联后并联连接方式后，各组电池的一致性不需要完全一致，电池组输出的电流为多组电池的电流值总和。且每个电池组各自连接一个逆变模块，即所述的逆变器由与电池包相同数量的逆变模块TrfTrn并联组成，均为η个(η为自然数)，所述的每个逆变模块采用独立直流母线为牵引电动机供电。
[0032]每组电池所采用的逆变模块电路拓扑可以为桥式逆变拓扑、三电平桥式逆变拓扑、多电平桥式逆变拓扑或软开关桥式逆变拓扑。
[0033]所述的每个逆变模块结构相同，每个逆变模块都输出三相交流电，每个逆变模块的三个桥臂中点与一个输出电抗器连接，各个电抗器并联连接至牵引电动机。
[0034]所述的电池管理系统负责监测充电情况、电机启动，同时对电池单元进行实时数据(包括电压、温度)采集，对所采集的数据分析及计算，根据采集的数据进行SOC及SOH计算，进行均衡管理，根据电池状态选择控制策略，确定实施具体动作以利于电池的运行。
[0035]所述的电池管理系统控制策略如下:
电池温度过高时启动散热风机进行散热，电池充电之前温度过低时，先对电池包加热至某特定温度，再进行充电；检测充电枪接入信号，充电时闭合充电回路，监测充电过程中充电电流、电池电压，实现过流保护、过压保护，完成充电后断开充电回路；检测电动汽车钥匙开关状态，检测启动信号，监测放电过程中放电电流、电池电压，完成过流保护，过放保护；针对电机控制系统大电容进行预充电，预充完成后闭合主继电器，断开预充继电器；显示电池组的详细信息包括:总电压、总电流、S0C、单体电压、电池温度；电池管理保护启动及电池运行条件差或继电器等执行元件未能正确执行控制命令(包括故障导致)时报警。
[0036]模块化动力系统的控制方法，如下:
针对新启用的电池组，其采用独立直流母线的并联逆变模块，逆变控制模块同时监测所有并联逆变模块的电流值，当电动汽车总驱动电流要求较小，即所有供电电池组的并联回路电流都小于单个回路所能够提供的总电流时，供电电池组放电电流通过自均衡功能，逆变控制模块不必进行均流控制；当电动汽车总驱动电流要求较大，即有并联回路电流大于单个回路所能够提供的总电流时，逆变控制模块进行均流控制将各模块电流限制在电池允许最大放电电流范围内；当电动汽车总驱动电流要求很大，即超过并联电池所能够提供的总电流时，逆变控制模块进行均流控制，当将各模块电流限制在电池允许最大放电电流范围内，同时与电池管理系统通信，要求发出报警信号并告知用户；
针对电池容量差或电池健康状况差别超过设定值的电池组，所述的电池管理系统采集，根据每供电电池组的剩余容量及健康状态分配其输出电流，从而控制每组供电电池组的放电电流大小和放电深度，避免过放和过流；逆变控制模块根据电池管理系统分配的电流大小进行控制，这样不仅可使整个电池组中电池的放电时间同步，而且确保系统不因为某一组电池出现问题而导致系统故障，甚至损害电池组，提高了系统的稳定裕度；
当电池状态不正常时，亦即当供电电池组并联回路出现过放(电池电压低于允许值)、SOC过低、SOH过低情况时，电池管理系统通知逆变控制模块，通知电机控制系统调整控制策略，将相应出现过放、SOC过低、SOH过低等情况的并联回路逆变模块控制信号锁死，亦即将相应并联回路从动力系统中切除，保证个别电池状态不佳时电动汽车能正常运行同时也能防止出现电池损坏，同时电池管理系统显示报警，通告电动汽车动力系统运行状态，提醒操作人员注意。
[0037]电池管理系统采用以单片机为核心的电路构成智能管理系统，电池管理系统具有一般电池管理系统的电压采集、温度采集、通讯以及保护等功能的同时，根据并联各电池组支路电流计算单体S0C，根据每组电池的剩余容量及健康状态分配其输出电流，从而控制每组电池的放电电流大小和放电深度,避免过放和过流。不仅可使整个电池组中电池的放电时间同步，而且确保系统不因为某一组电池出现问题而导致系统故障，甚至损害电池组，提高了系统的稳定裕度。
[0038]在整个电池管理系统中，单片机能够根据电压、电流采样，判断电池目前所处的状态，并根据该状态分配供电电池组可以输出的电流大小，允许哪些操作，禁止哪些操作，并通过液晶显示告知用户；电池状态不正常时，它应该能够及时发现并通知电机控制系统调整控制策略的同时，通过报警手段提醒操作人员的注意。
[0039]并联的η组电池每组电池采用一个逆变器进行控制，各组电池的开通与关断、电池供电电流大小只要控制相应的逆变器即可。η个逆变器单元结构相同，每个逆变其单元都输出三相交流电，η个逆变器单元的三个桥臂中点都接输出电抗器，通过电抗器并联连接至交流电机。
[0040]并联电池之间由于电池两端的电压保持一致，具有自均衡的能力。
[0041]逆变器控制器通过总线接收电池管理系统传递的电压电流分配值并根据电流限制值控制逆变器装置单元。
[0042]特别地，当电池组中某并联支路电池SOC低于特定值或电池电压低于特定值时，BMS通知电机控制系统，将该组电池逆变电路控制信号锁死，亦即将该并联回路切除，调整控制策略，利用剩余供电电池组进行电机驱动，这样可在保证安全前提下实现高效运行。
[0043]因此，本发明是在考虑到现有技术中所存在的上述问题的情况下做出的，本发明欲提供一种基于电池并联的模块化电动汽车动力系统，解决了大功率电力传动装置设计困难且对器件要求高，装置使用不统一，不能互换等弊端。同时采用电池先串后并连接方式，解决了目前普遍采的先并后串的电池组，维护困难、对各串联电池包的性能一致性要求较闻等弊端。
[0044]所述的电池管理系统通过对电池组数据的实时采集分析，动态制定电池管理策略，通过热管理、均衡管理、充电管理、放电管理、边界管理等手段控制电池工作在合适的工况，将各种系统异常状态反馈并做出保护措施，同时对电池组进行绝缘监测和对电机控制系统进行预充电管理，与整车及充电机、电机控制系统进行信息交换。
【权利要求】
1.一种基于电池并联的电动汽车模块化动力系统，其特征在于:包括电池系统和电机控制系统，所述的电池系统包括供电电池组和电池管理系统，所述的电机控制系统包括逆变器和逆变控制模块，所述的电池管理系统对供电电池组进行管理采样及控制，所述的供电电池组与逆变器通过导线连接，逆变器将直流电逆变为可调电压、可调频率的三相交流电提供给牵引电动机，所述的逆变控制模块对逆变器进行控制，且通过总线与电池管理系统通讯。
2.如权利要求1所述的模块化动力系统，其特征在于:所述的供电电池组包括并联连接的若干电池组，每个电池组包括若干串联连接的电池单元，且每个电池组各自连接一个逆变模块，即所述的逆变器由与电池包相同数量的逆变模块并联组成，所述的每个逆变模块采用独立直流母线为牵引电动机供电。
3.如权利要求2所述的模块化动力系统，其特征在于:所述的每组电池所采用的逆变模块可以为桥式逆变拓扑、三电平桥式逆变拓扑、多电平桥式逆变拓扑或软开关桥式逆变拓扑。
4.如权利要求2所述的模块化动力系统，其特征在于:所述的每个逆变模块结构相同，每个逆变模块都输出三相交流电，每个逆变模块的三个桥臂中点与一个输出电抗器连接，各个电抗器并联连接至牵弓I电动机。
5.如权利要求1所述的模块化动力系统，其特征在于，所述的电池管理系统负责监测充电情况、电机启动，同时对电池单元进行实时数据采集，对所采集的数据分析及计算，根据采集的数据进行SOC及SOH计算，进行均衡管理，根据电池状态选择控制策略，确定实施具体动作以利于电池的运行。
6.如权利要求6所述的模块化动力系统，其特征在于，所述的电池管理系统控制策略如下: 电池温度过高时启动散热风机进`行散热，电池充电之前温度过低时，先对电池包加热至设定温度，再进行充电；检测充电枪接入信号，充电时闭合充电回路，监测充电过程中充电电流、电池电压，实现过流保护、过压保护，完成充电后断开充电回路；检测电动汽车钥匙开关状态，检测启动信号，监测放电过程中放电电流、电池电压，完成过流保护，过放保护；针对电机控制系统大电容进行预充电，预充完成后闭合主继电器，断开预充继电器；显示电池组的详细信息，包括:总电压、总电流、S0C、单体电压、电池温度；当电池管理保护启动、电池电压低于设定值、电池剩余容量SOC或电池健康状况SOH低于设定值、继电器未能正确执行控制命令时报警。
7.如权利要求1所述的模块化动力系统的控制方法，其特征在于: 针对新启用的电池组，其采用独立直流母线的并联逆变模块，逆变控制模块同时监测所有并联逆变模块的电流值，当电动汽车总驱动电流要求较小，即所有供电电池组的并联回路电流都小于单个回路所能够提供的总电流时，供电电池组放电电流通过自均衡功能，逆变控制模块不必进行均流控制；当电动汽车总驱动电流要求较大，即有并联回路电流大于单个回路所能够提供的总电流时，逆变控制模块进行均流控制将各模块电流限制在电池允许最大放电电流范围内；当电动汽车总驱动电流要求很大，即超过并联电池所能够提供的总电流时，逆变控制模块进行均流控制，当将各模块电流限制在电池允许最大放电电流范围内，同时与电池管理系统通信，要求发出报警信号并告知用户；针对电池剩余容量SOC或电池健康状况SOH差别超过设定值的并联电池组，所述的电池管理系统采集，根据每供电电池组的剩余容量及健康状态分配其输出电流，从而控制每组供电电池组的放电电流大小和放电深度，避免过放和过流；逆变控制模块根据电池管理系统分配的电流大小进行控制，这样不仅可使整个电池组中电池的放电时间同步，而且确保系统不因为某一组电池出现问题而导致系统故障，甚至损害电池组，提高了系统的稳定裕度； 当电池状态不正常时，亦即当供电电池组并联回路出现过放、SOC过低、SOH过低情况时，电池管理系统通知逆变控制模块，通知电机控制系统调整控制策略，将相应出现过放、SOC过低、SOH过低情况的并联回路逆变模块控制信号锁死，亦即将相应并联回路从动力系统中切除，保证个别电池状态不佳时电动汽车能正常运行同时也能防止出现电池损坏，同时电池管理系统显示报警 ，通告电动汽车动力系统运行状态，提醒操作人员注意。
【文档编号】H02P27/06GK103441553SQ201310410349
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2013年9月11日
【发明者】贺冬梅, 乔昕, 刘广敏, 侯恩广, 李杨, 崔立志, 张云, 栾朋, 宋春雷 申请人:山东省科学院自动化研究所