CN105939034A

CN105939034A - 基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统及方法

Info

Publication number: CN105939034A
Application number: CN201610185892.6A
Authority: CN
Inventors: 谢长君; 程哲; 全书海; 江逸洵; 石嵩; 别业伟; 石英; 黄亮; 陈启宏; 张立炎
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: CN105939034B

Abstract

本发明提出了一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统及方法，包括：均衡主控制器、开关阵列、双向DC/DC、超级电容、电流检测电量计算装置、16位译码器及驱动电路。均衡主控制器获得单电池电压巡检值作为均衡状态依据，利用开关阵列选通任意待均衡电池接入均衡总线。全桥型可调变比双向DC/DC前级连接均衡总线，后级接超级电容，并通过电流检测电量计算装置计算均衡损失的电量。均衡主控制器通过双向DC/DC实现高电量电池向超级电容充电，超级电容储存电量后再通过双向DC/DC向低电量电池放电，直到均衡状态。本发明通过超级电容储存转移电量，实现对锂电池组的主动均衡，对延长锂电池组寿命具有重要意义。

Description

基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统及方法

技术领域

本发明属于电池能量均衡技术领域，特别是一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统及方法。

背景技术

当前，新能源汽车正在成为全球趋势，纯电动汽车和混合电动汽车等市场份额正以逐步增加，而石化燃油汽车逐渐减少。动力能源是新能源汽车上核心的组成部分，将电能运用在汽车上的新能源汽车，具有传统石化能源汽车无法比拟的众多优点。

锂电池是目前最好的储电装置，具有高能量密度、高电压、无污染、循环寿命高、无记忆效应等优点，锂电技术目前使用广泛、技术成熟，应用在电动汽车动力系统很合适。超级电容具有充电速度快、循环使用寿命长、瞬间功率大等优点，很适合在电量转移过程中作为电能暂存装置。

锂电池组由多块单体电池串联而成，由于单电池个体之间存在差异，如自放电率不同、内阻不同、端电压不同等，这就导致了电池组的不一致性。电池组的不一致性造成的后果就是电池使用效率的降低，这会直接影响电动汽车的功率性能。通过电池均衡技术可以减小这种不一致性。

电池均衡是电池管理系统一项重要的功能，为了实现对电池的均衡控制又不浪费能量，当电池组中电池的容量差异达到影响电池组整体状态或者说达到预先设定的阈值时，电池管理系统就通过开启均衡电路使电池容量趋于均衡，这个过程就是所谓的电池均衡管理。电池均衡分为耗散型和主动均衡型，耗散型是将电池组高电量单电池释放，主动均衡型是利用电力电子技术使电能在电池组内部转移的均衡控制。相比而言，后者具有电量损失少，能量效率高的优点，更适合在对电能容量要求高的汽车上使用。

目前的均衡系统大多忽略了均衡中电量的损失。但实时上，均衡转移能量效率不可能为100％，因此为了使电池组SOC更加准确，理应考虑到这点。电量转移仅用单纯的电感或电容，均衡效果并不好。

总体来讲，在近些年来，电池管理系统技术有了很大的提高，许多方面已经进入实际应用阶段，但电池均衡仍然不够完善，还需要进一步研究。

发明内容

本发明提供了一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统及方法，本发明能够在动态或静态条件下实时均衡多节串联大功率电池，使用MOSFET开关阵列能选择任意单节或相邻多节电池可以高效地同时均衡，利用全桥双向可调变比DC/DC具有更大的调压范围，闭环反馈恒流控制，精确计算损失电量，以克服现有技术的不足。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，包括均衡主控制器、MOSFET开关阵列、双向DC/DC、超级电容、电流检测电量计算装置、译码器及驱动电路。

本发明在开关选通上采用每节电池独立引线，每节电池分别由两个独立的MOSFET开关控制，分别记为K+、K-，且所有与单节电池负极相连的开关由一个译码器选通，且所有与单节电池正极相连的开关由另一个译码器选通。

此方案可以选通任意单节或者相邻多节电池，假如检测到电池组多相邻单节电池参数相近，则可把它们作为整体进行均衡，大大提高了系统效率；两译码器同时只能选通某一路K-和一路K+接入均衡电路，大大减小了开关管误导通发生的短路危险，另外也可以减少控制MOSFET开关阵列需求的主控芯片I/O端口数。例如本发明16节电池32控制开关，理论上需32个主控芯片的控制I/O端口，但有了选通译码器后可将I/O口需求减小到8个，有利减轻了主控芯片负担。

在均衡转移电量方案上采用高电量电池通过双向DC/DC正向变压对超级电容放电，然后超级电容通过此DC/DC逆向对低电量电池充电，不断检测不断循环，最终达到电量均衡的目的。由于选取均衡电池的电压范围比较大，在全桥双向DC/DC上改进是中间变压器采用可调变比的方案，通过不同的变比来适应每一级电压转换需求。

此方案有了中间级DC/DC，可以实现不同电压电池组与超级电容间充放电，多节相邻电池同时均衡，对超级电容的电压等级要求降低。对比与双向BUCK/BOOST电路，采用全桥双向DC/DC带负载能力强。

在与电池相连的DC/DC前级回路上，加入输入输出电量计算装置，通过电流霍尔传感器实时检测线路电流，进而计算个电池组在均衡过程中得到和付出的电量，其差值即为能量损耗。通过这校准电池管理系统电池SOC值，使其更加精确。

此方案使电池组实际剩余电量更准确。电池管理系统一个很重要的因素就是剩余电量，目前的均衡系统大多忽略了均衡中电量的损失。但实时上，均衡转移能量效率不可能为100％，因此为了使SOC更加准确，理应考虑到这点。通过这个方法，电池组的总消耗电量等于负载输出电量加上均衡损失电量。

本发明与现有的电池均衡系统相比具有以下优点：

(1)采用MOSFET开关管控制单电池开断，保证了电池组大功率大电流的需求。利用两个译码器控制选通这些开关管，不仅节省了很多主控制器I/O端口，而且实现硬件互锁，进一步保证了系统安全稳定性。

(2)采用全桥双向可调变比DC/DC，实现了能量双向流动，带负载能力更强，在电压转换上具有更大范围，满足上述任何情境下的转换要求。电流检测闭环反馈控制DC/DC占空比，控制回路恒流输出，可以进一步提高电池组能量流动的安全性。

(3)考虑了电池组在均衡过程中的能量损失，加入电流检测电量计算模块，精确计算均衡系统中电池组的电量损失。回馈给电池管理系统，校正剩余电量值。

附图说明

图1为本发明均衡系统总体结构示意图。

图2为本发明电池组总开关阵列选通示意图。

图3为本发明译码器单极选通电路图。

图4为本发明宽范围全桥双向DC/DC模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

本发明以16节串联的大容量磷酸铁锂电池为研究对象，单节容量为40AH，标称电压为3.2V，充电截止电压为3.4V，放电截止电压为2.7V。总体结构框图如图1所示。

如图2所示，总电池组对外供电端正负极保持独立输出。均衡引线端分别从每个单节电池的两极引出，每根均衡引出线的通断均由MOSFET导通或截至，组成的开关阵列排列如图2。所有与单电池负极相连的MOSFET另一端连接在一起组成选通总线V-，与单电池正极相连的MOSFET另一端连接在一起组成选通总线V+，该V+、V-作为电池组的放电输出充电输入端口，连接DC/DC的前级。

如每一个MOSFET都由一个主控输出I/O口控制，则会对主控芯片引脚要求比较高，但由于在开关阵列选通时，任何时刻只有一个连接V-和一个连接V+的MOSFET导通，例如下表：

加入74LS154译码器，分别控制两组MOSFET开关，如图3，也实现了每个时刻分别只导通一路的要求，避免了因多路导通造成的短路危险，实现硬件互锁。可知选通V-的译码器输出永远比选通V+的译码器输出小，加入比较程序同时亦可实现软件互锁。

理论上控制32个MOSFET需要32路主控I/O端口，加入这两个译码器，现在只需8路控制I/O端口，大大节省了主控芯片资源。

每节电池的正常工作电压范围是2.7～3.4V，则选通1～16节电池的电压范围为2.7～54V。选取的双向DC/DC结构如图4所示，均衡电量转移装置选取2.7V超级电容，中间级变压器选则可调变比型，并计算其可行性。

全桥DC/DC每个开关各自的占空比不能超过50％，保有余量假定控制的PWM占空比为10％.～50％，有

\frac{U_{O}}{U_{I}} = \frac{N_{2}}{N_{1}} \frac{2 t_{o n}}{T}

U_{I} = \frac{N_{1}}{(0.2 - 1) N_{2}} U_{O}

当变压器变比n＝N2/N1＝1时，可均衡电压范围Ui＝2.7～13.5V。

当变压器变比n＝N2/N1＝1/2时，可均衡电压范围Ui＝5.4～27V。

当变压器变比n＝N2/N1＝1/3时，可均衡电压范围Ui＝8.1～40.5V。

当变压器变比n＝N2/N1＝1/4时，可均衡电压范围Ui＝10.8～54V。

由此选用两级变比变压器即可实现，变比分别为1和1/4。

双向DC/DC的前后两级分别有电流霍尔传感器采集回路电流，一方面提供反馈回路信号，通过PI调节使DC/DC电流恒定。

DC/DC前级电流霍尔传感器实时采集电池组均衡输出输入回路电流，通过安时电量计算

S O C = {SOC}_{0} - \frac{1}{C_{N}} {&Integral;}_{0}^{t} η I d τ

电流霍尔传感器可以采集的电流可正可负，通过电量计量装置可准确区分并计算电池组在均衡电路中输入和输出的电量。例如四节电池，均衡前的电量为Q1、Q2、Q3、Q4，检测到Q1电量最高并分别对其他电池放电，最终平衡电量Q5、Q6、Q7、Q8，则计量得电池组总放出电量为Q1-Q5，总得到电量为Q6+Q7+Q8-Q1-Q2-Q3，均衡效率和均衡损失电量可以得出。

整个电池均衡系统的流程是通过CAN网络协议调用BMS电压巡检系统单电池电压值，经过算法滤波作为均衡状态依据。串联电池组的每极单独引线由MOSFET控制组成开关阵列，由主控芯片控制译码器选通两路引线导通，此时选通接入均衡回路的单电池或相邻多节电池是需要放电或充电的待均衡电池，并入电池均衡总线V+、V-。选通后的电池经过选用的全桥双向DC/DC，在选通高电量电池放电时，DC/DC正向工作，向超级电容储能，前级驱动开关管工作，后级截至，中间级变压器根据前级输入电压选择变比；在选通低电量电池充电时，DC/DC反向工作，超级电容释放能量，后级驱动开关管工作，前级截至，中间级变压器根据待充电电池电压选择变比。整个 DC/DC电量转移回路，均由电流闭环PI调节控制回路电量恒流转移。均衡DC/DC回路电池是电池组能量转移的表现形式，以此通过电量安时计量法，计算均衡过程中电池组转移出和转移进的电量，其差值为均衡系统转移损失电量，再由主控制器通过CAN网络总线回馈给BMS，校正总电池组剩余电量。

基于锂电池组电池状态的均衡控制方法，将电池组按照电压值分类组合，计算电池组平均电压Vref，最高电压与平均电压差V1，最低电压与平均电压差V2。控制方法为：

(1)当电池组电压差V1>0.15V时，将电压超过基准电压的电池按电压分为两组，电压区间分别为[Vref+0.05,Vref+0.15]、[Vref+0.15,Vref+V1]，判断在后一个区间里、相邻电池节数最多的电池单元对超级电容放电；

(2)当电池组电压差0.05<V1<0.15V时，将电压超过基准电压的电池按电压分为一组，电压区间为[Vref+0.05,Vref+V1]，判断在这个区间里、相邻电池节数最多电池单元对超级电容放电；

(3)当电池组电压差V2>0.15V时，将电压超过基准电压的电池按电压分为两组，电压区间分别为[Vref-0.05,Vref-0.15]、[Vref-0.15,Vref-V1]，判断在后一个区间里、相邻电池节数最多的电池单元用超级电容充电；

(4)当电池组电压差0.05<V2<0.15V时，将电压超过基准电压的电池按电压分为一组，电压区间为[Vref-0.05,Vref-V1]，判断在这个区间里、相邻电池节数最多电池单元用超级电容充电；

电池为16节单节容量X Ah(例40Ah)磷酸铁锂电池、内阻r，超级电容选用2.7V电容值Y F(例3000F)，其中X,Y分别代表电池容量数值和电容容量数值，控制方法为：

(1)当电池组电压差V1>0.15V时，控制双向DC/DC能量正向流动，闭环反馈控制恒流I＝X/5、正向流动对超级电容放电时间T1<min(r*Y，1800)。(1800为单节电池以I＝X/5放电10％所需时间)

(2)当电池组电压差0.05<V1<0.15V时，控制双向DC/DC能量正向流动，闭环反馈控制恒流I＝X/10、正向流动对超级电容放电时间T1<min(r*Y，360)。(360为单节电池以I＝X/10放电1％所需时间)

(3)当电池组电压差V2>0.15V时，控制双向DC/DC能量反向流动，闭环反馈控制恒流I＝X/5、反向流动用超级电容充电时间T2<min(r*Y，1800)。(1800为单节电池以I＝X/5充电10％所需时间)

(4)当电池组电压差0.05<V2<0.15V时，控制双向DC/DC能量反向流动，闭环反馈控制恒流I＝X/10、反向流动用超级电容充电时间T2<min(r*Y，360)。(360为单节电池以I＝X/10充电1％所需时间)

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，包括均衡主控制器、MOSFET开关阵列、双向DC/DC、超级电容、电流检测电量计算装置、译码器及驱动电路，其特征在于：

均衡主控制器:通过CAN总线获得BMS传来的单电池电压巡检值，并作为均衡状态依据，利用MOSFET开关阵列选通任意单节或相邻多节待均衡电池接入均衡总线V+、V-。

双向DC/DC:由全桥电路正反构成全桥双向DC/DC，经过直流-交流-直流的变化，实现电压等级的变化，正向时左侧开关管工作右侧开关管关断，二极管做整流，反向时则反之；中间级变压器采用可调变比型，由主控芯片检测到均衡电池电压时，判断所属电压范围并选择对应的变比；DC/DC前后两级都由霍尔电流传感器采集电流，回路中的电流值即作为恒流反馈、也作为电量计算依据；

若DC/DC前级为1～16内任选节数电池电压2.7～51.2V时，DC/DC后级为2.7V超级电容时，开关管导通占空比10％～50％，计算其在n＝1的可变电压为2.7～13.5V，其在n＝1/4的可变电压为10.8～54V.因此在上述宽范围选择变比为1/4两级变比可调变压器；

电流检测电量计算装置：均衡中考虑到电量转移的电量损失，加入电流检测电量计算装置，DC/DC的前级加入霍尔电流传感器电流检测模块，根据安时法计算电量，以电池组在均衡过程中输入输出的电量差精确计算电池组均衡损耗电量，通过校准电池管理系统电池SOC值，使其更加精确；在均衡电池组选通输出V+、V-回路检测正向反向电流，正向为电池组输出电流反向为输入电流，根据安时计量法计算电池组在此均衡中输入输出的电量，其差值为转移损失电量。通过电池管理系统CAN总线送入SOC计算主控器矫正误差，解决了目前因忽略电量转移电量损失造成SOC不精确的问题；

MOSFET开关阵列：每节电池单独引线，每节电池都有相应的正极和负极引线，分别由MOSFET开关管控制，所有与单电池负极相连的MOSFET为一组，与正极相连的为另一组。在选择目标电池的时候，每组同时值只通一个，可以任意选取单节电池或相邻的多节电池，并且任意情况下，输入DC/DC前级的直流电压极性不变；

译码器：通过两个译码器分别选通两组MOSFET开关，不仅大大节省了主控芯片的输出引脚，而且在电路上实现了硬件互锁。16节串联电池，理论上需要32个芯片输出口控制MOSFET开关，但将所有单节电池V+相连的MOSFET由第一个74LS154译码器控制，将所有单节电池V-相连的MOSFET由第二个74LS154译码器控制，只需要8个芯片输出口控制两个译码器。另外每个译码器同时只能导通一路，也就是每时刻只有一个V+和V-与DC/DC相连。

2.利用权利要求1所述的基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统的主动均衡控制方法是：

调用电池管理系统电压巡检的电压值，经过算法滤波，以电压作为均衡的依据，均衡与电压巡检通过CAN总线协议传输数据，将每节电池的电压参数作为状态依据，通过电池组内电池单元电压差值情况，制定不同的均衡方法，具体为：

将电池组按照电压值分类组合，计算电池组平均电压Vref，最高电压与平均电压差V1，最低电压与平均电压差V2。其控制方法为：

(4)当电池组电压差0.05<V2<0.15V时，将电压超过基准电压的电池按电压分为一组，电压区间为[Vref-0.05,Vref-V1]，判断在这个区间里、相邻电池节数最多电池单元用超级电容充电。

3.根据权利要求2所述的一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统的主动均衡控制方法，其特征在于：计算电池组平均电压Vref，最高电压与平均电压差V1，最低电压与平均电压差V2。电池为16节单节容量X Ah磷酸铁锂电池、内阻r，超级电容选用2.7V电容值Y F，其中X,Y分别代表电池容量数值和电容容量数值，其控制方法为：

(1)当电池组电压差V1>0.15V时，控制双向DC/DC能量正向流动，闭环反馈控制恒流I＝X/5、正向流动对超级电容放电时间T1<min(r*Y，1800)；

(2)当电池组电压差0.05<V<0.15V时，控制双向DC/DC能量正向流动，闭环反馈控制恒流I＝X/10、正向流动对超级电容放电时间T1<min(r*Y，360)；

(3)当电池组电压差V2>0.15V时，控制双向DC/DC能量反向流动，闭环反馈控制恒流I＝X/5、反向流动用超级电容充电时间T2<min(r*Y，1800)；

(4)当电池组电压差0.05<V2<0.15V时，控制双向DC/DC能量反向流动，闭环反馈控制恒流I＝X/10、反向流动用超级电容充电时间T2<min(r*Y，360)。