基于功率电感的能量传递双向均衡系统及其控制方法

摘要

一种基于功率电感的能量传递双向均衡系统及其控制方法，包括数据采集、主控模块、通信模块、均衡模块和驱动模块，选取以功率电感作为能量传递的媒介的一种双向均衡电路拓扑结构。本发明总体的均衡思路为：首先数据采集模块对电池包内的单体电压、母线电流进行实时的检测，识别电池组工作状态，然后利用事先确定的均衡变量和均衡指标进行不一致性判定，满足均衡条件则按照制定的控制策略进行均衡，同时不断监测电池状态，满足停止条件后停止均衡。通过控制电压较高的电池所对应的MOSFET的开关，就可以将能量从电压较高的电池转移至邻近的电压较低的电池，均衡电流的大小与MOSFET闭合时间相关。上述所述的均衡系统可以进行搁置均衡、充电均衡、放电均衡，实现高效、全方位均衡，最终解决在使用过程中电池单体的不一致性问题。

权利要求

1.一种基于功率电感的能量传递双向均衡系统，其关键特征在于采用“主-从”式结构，整个系统由一个主控单元和多个从控单元组成，从控单元分布在不同的电池组内，每个从控单元包括数据采集模块、均衡模块、驱动模块三部分，负责一组电池单体电压的检测和均衡，能够通过内部CAN总线与主控单元进行通信；主控单元可以进行母线电流的检测和组间均衡，能够通过RS232与上位机进行通讯进行调试和状态显示，主控芯片位于数据采集及控制模块上，负责电压采集、信息传输和均衡控制，该模块电路为数字信号电路，通过隔离芯片将控制信号传至驱动模块，驱动模块将信号放大后驱动均衡模块，均衡模块的电路为功率电路，是均衡电路拓扑结构的具体实现，用于执行均衡。

2.根据权利要求1所述的基于功率电感的能量传递双向均衡系统，其特征在于：均衡模块是以Buck-Boost型结构为基础，每相邻两个电池单体之间均接有一个子均衡旁路，每个子均衡旁路都是由RC滤波电路、FDD8424型N&P沟道功率MOSFET、功率电感、一个消磁电阻和滤波电容组成，RC滤波电路接MOSFET端，可对驱动MOSFET管的PWM信号进行过滤，消除尖峰；FDD8424型N&P沟道功率MOSFET用于控制跨接在电池上的均衡旁路的开启和关闭，其内部的体二极管用于构成放电回路；功率电感用于存储能量；消磁电阻与电感并联可对其进行消磁；滤波电容并联在电池两端用于减少变压器到单体电池线路上的寄生电阻和电感电阻的影响，即减少均衡峰值电流的影响。

3.根据权利要求2所述的基于功率电感的能量传递双向均衡系统的控制方法，其特征在于：以开路电压、工作电压作为均衡变量，以极差作为不一致性评价指标，设定电压极差阈值rset作为均衡启动的判据，设定相邻两个单体电压差的绝对值阈值kset作为均衡终止的判据，根据以上参数制定了适用于搁置、充电、放电三种不同阶段的均衡控制策略，具体如下：首先识别电池组工作状态，然后利用事先确定的均衡变量和均衡指标进行不一致性判定，满足均衡条件则按照制定的控制策略进行均衡，同时不断监测电池状态，满足停止条件后停止均衡；针对锂离子电池组可能处于充电、放电以及搁置三种不同的工作阶段分别制定了相应的控制策略，以一组n节电池为例进行说明；

（1）搁置阶段：均衡原则：该阶段以快速达到整体一致性为目的，将电池进行A和B种分组，每组内包括多个两两构成的电池对，判断各个电池对电压之差是否大于设定的差值阈值，若满足则执行均衡，直至该分组下所有电池对均衡完成，转入另一分组，循环进行，最终整个电池组达到均衡，该过程称为“相等均衡”；特殊情况下，组内任意相邻两节电池电压差均小于设定差值阈值，但是总是同一侧电池电压较高，即出现 或者 这样的电压阶梯，以致于电池组并不满足，此时从电池组电压最高和最低的电池开始，以电池组平均电压为目标，判断单体电压与平均电压之差是否大于设定阈值，若大于则以平均电压为目标执行均衡，直至整个电池组一致性满足要求，该过程称为“均值均衡”，均值均衡是相等均衡的补充，一般情况下不会出现，只有在电池电压处于特定排列状态时才可能触发；

其中相等均衡下的分组如下：

A分组： 与 ， 与 ，…， 与 ，若n为奇数则最后一节留出；

B分组： ， 与 ， 与 ，…， 与 ， ，若n为奇数则

最后一个小组包含 ；

（2）充电阶段：均该阶段以最大化电池组容量利用率为目的，因此均衡的主要任务是“削峰”，即避免电压较高的电池提前截止，在电池组极差大于设定值时，首先找出电压最高的电池 ，然后分别计算 与 和 的电压差，选择差值较大的一节与进行相等均衡，均衡完成后重新判断是否满足停止条件 ，若不满足并且此时电压最高的电池与其相邻电池压差 ，则寻找电压次高节电池执行相同流程，以此类推，直至达到最终均衡；即按照电压由高到低顺序依次均衡，最终达到一致，此过程称为“顶部均衡”；

（3）放电阶段：与充电阶段类似，不过此时均衡系统的首要任务是“填谷”，即避免电压较低的电池提前截止，在电池组极差大于设定值时，首先找出电池组中电压最低的电池，然后同样分别计算 与 和 的电压差，选择差值较大的一节与 进行相等均衡，均衡完成后重新判断是否停止条件 ，若不满足并且此时电压最低的电池与其相邻电池压差 ，则寻找电压次低节电池执行相同流程，以此类推，直至达到最终均衡，即按照电压由低到高顺序依次均衡，最终达到一致，此过程称为“底部均衡”。

说明书

基于功率电感的能量传递双向均衡系统及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于功率电感的能量传递双向均衡系统及其控制方法，适合于纯电动汽车，属于锂离子动力电池组能量均衡技术领域。

背景技术

[0002] 动力电池是纯电动汽车能源载体，其相关技术是纯电动汽车最为核心的技术之一，目前动力电池存在着成本高昂且使用寿命短、安全性差等一系列问题，亟待解决。然而由于电池本身的复杂特性，其技术突破相比于整车控制技术和驱动电机技术更加困难，使得动力电池成为制约纯电动汽车大范围推广应用的瓶颈。

[0003] 动力电池通常采用的是多节单体电池以串联的方式为纯电动汽车供电，但是电池单体在制造过程中由于制造过程中原料的均一性、各个生产环节的环境及工艺水平的影响，会导致同批次同型号的电池单体在电池的电压、内阻以及工作温度、容量等方面存在一个出厂时的初始差异。而锂离子电池的寿命衰退源于电池内部电化学系统复杂的相互作用。这些相互作用彼此关联甚至相互激励，受某些外部条件触发或加速。电池组在实际使用过程中随着充放电次数的增多，温度、放电深度及自放电率的不同会激化电化学反应间的这种相互作用，从而将初始差异放大，使得单体电池之间的性能差异越来越大。同时可能由于电池管理系统对电池组的管理不当会出现过充过放的行为，这种行为会给电池造成不可恢复的损害。故由于不一致性的存在，锂离子电池组的可用容量和循环寿命远低于单体电池，电池效能得不到充分发挥，影响电动汽车的续驶里程，所以必须对动力电池组采取积极有效的均衡措施。

[0004] 目前，均衡技术研究主要集中在两个方面：均衡策略研究与均衡电路拓扑结构研究。均衡策略研究主要着眼于寻找合适的均衡变量，针对该均衡变量结合一定的统计学方法建立不一致性评价指标，并根据某种均衡电路寻找合适的均衡路径，确立最佳均衡阈值等。均衡电路拓扑结构则着重研究能够实现最佳均衡电路结构，在保证均衡效率的情况下尽可能的简化结构、降低成本。目前，认为以SOC作为均衡变量可以从根本上改善电池组不一致性问题，是研究的热点，但是该方法严重依赖于SOC在线估算精度，因此实际应用中大多均衡系统仍以电压作为均衡变量，在此基础上采取一定的策略以单体电压某种关系来反映SOC的一致性，相对而言是比较可行的一种方法。根据对所传递的能量的处理方式不同，均衡电路可以分为能量耗散式均衡和非能量耗散式（即无损均衡）。其中能量耗散式均衡主要通过令电池组中能量较高的电池利用其旁路电阻进行放电的方式损耗部分能量，以期达到电池组能量状态的一致。这种均衡基本上实现产业化，但该方法只适用于在充电模式下抑制最强电池单元的电压攀升且均衡结构以损耗电池组能量为代价，并且由于生热问题导致均衡电流不能过大，一般只允许以100mA左右的小电流放电，从而导致充电平衡耗时可高达几小时，只适用于小容量电池系统以及能量能够及时得到补充的系统，并不适用于纯电动汽车。相比之下，非能量耗散式均衡是利用储能元件和均衡旁路构建能量传递通道，将其从能量较高电池直接或间接转移至能量较低的电池，均衡效率高。非能量耗散式均衡的方案众多，但大多停留在实验室阶段，并没有一种方案能够完全满足纯电动汽车锂离子电池组均衡系统对安装空间、成本、效率、扩展性等方面的要求，离真正实现商业化还有一段距离。

发明内容

[0005] 本发明的一个目的在于提供一种基于功率电感的能量传递双向均衡系统，另一个目的在于提供该系统的控制方法，以解决锂离子电池组在使用过程中电池单体的不一致性问题，用于延长电池组的使用寿命，增加续驶里程。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供一种基于功率电感的能量传递双向均衡系统，其特征在于：采用“主-从”式结构，整个系统由一个主控单元和多个从控单元组成，从控单元分布在不同的电池组内，每个从控单元包括数据采集及控制模块、均衡模块、驱动模块三部分，负责一组电池单体电压的检测和均衡，能够通过内部CAN总线与主控单元进行通信；主控单元可以进行母线电流的检测和组间均衡，并能够通过RS232与上位机进行通讯进行调试和状态显示，主控芯片位于数据采集及控制模块上，负责电压采集、信息传输和均衡控制，该模块电路为数字信号电路，通过隔离芯片将控制信号传至驱动模块，驱动模块将信号放大后驱动均衡模块，均衡模块的电路为功率电路，是均衡电路拓扑结构的具体实现，用于执行均衡。

[0007] 本系统结构是以Buck-Boost型结构为基础，每相邻两个电池单体之间均接有一个子均衡旁路，每个子均衡旁路都是由RC滤波电路、FDD8424型N&P沟道功率MOSFET、功率电感、一个消磁电阻和滤波电容组成，RC滤波电路接MOSFET端，可对驱动MOSFET管的PWM信号进行过滤，消除尖峰；FDD8424型N&P沟道功率MOSFET用于控制跨接在电池上的均衡旁路的开启和关闭，其内部的体二极管用于构成放电回路；功率电感用于存储能量；消磁电阻与电感并联可对其进行消磁；滤波电容并联在电池两端用于减少变压器到单体电池线路上的寄生电阻和电感电阻的影响，即减少均衡峰值电流的影响。

[0008] 以开路电压、工作电压作为均衡变量，以极差作为不一致性评价指标，设定电压极差阈值rIdle_set作为均衡启动的判据，设定相邻两个单体电压差的绝对值阈值kIdle_set作为均衡终止的判据，根据以上参数制定适用于搁置、充电、放电三种不同阶段的均衡控制策略。

[0009] 均衡原则大体如下：首先识别电池组工作状态，然后利用事先确定的均衡变量和均衡指标进行不一致性判定，满足均衡条件则按照制定的控制策略进行均衡，同时不断监测电池状态，满足停止条件后停止均衡，针对锂离子电池组可能处于充电、放电以及搁置三种不同的工作阶段分别制定相应的控制策略，下面以一组n节电池为例进行说明。

[0010] （1）搁置阶段：该阶段以快速达到整体一致性为目的，将电池进行A和B种分组，每组内包括多个两两构成的电池对，判断各个电池对电压之差是否大于设定的差值阈值，若满足则执行均衡，直至该分组下所有电池对均衡完成，转入另一分组，循环进行，最终整个电池组达到均衡，该过程称为“相等均衡”；特殊情况下，组内任意相邻两节电池电压差均小于设定差值阈值，但是总是同一侧电池电压较高，即出现 或者 这样的电压阶梯，以致于电池组并不满足，此时从电池组电压最高和最低的电池开始，以电池组平均电压为目标，判断单体电压与平均电压之差是否大于设定阈值，若大于则以平均电压为目标执行均衡，直至整个电池组一致性满足要求，该过程称为“均值均衡”。均值均衡是相等均衡的补充，一般情况下不会出现，只有在电池电压处于特定排列状态时才可能触发。

[0011] 其中相等均衡下的分组如下：A分组： 与 ， 与 ，…， 与 ，若n为奇数则最后一节留出；
B分组： ， 与 ， 与 ，…， 与 ， ，若n为奇数则
最后一个小组包含 。

[0012] （2）充电阶段：该均衡阶段以最大化电池组容量利用率为目的，因此均衡的主要任务是“削峰”，即避免电压较高的电池提前截止，在电池组极差大于设定值时，首先找出电压最高的电池 ，然后分别计算 与 和 的电压差，选择差值较大的一节与进行相等均衡，均衡完成后重新判断是否满足停止条件 ，若不满足并且此时电压最高的电池与其相邻电池压差 ，则寻找电压次高节电池执行相同流程，以此类推，直至达到最终均衡。即按照电压由高到低顺序依次均衡，最终达到一致，此过程称为“顶部均衡”。

[0013] （3）放电阶段：与充电阶段类似，不过此时均衡系统的首要任务是“填谷”，即避免电压较低的电池提前截止，在电池组极差大于设定值时，首先找出电池组中电压最低的电池 ，然后同样分别计算 与 和 的电压差，选择差值较大的一节与进行相等均衡，均衡完成后重新判断是否停止条件 ，若不满足并且此时电压最低的电池与其相邻电池压差 ，则寻找电压次低节电池执行相同流程，以此类推，直至达到最终均衡，即按照电压由低到高顺序依次均衡，最终达到一致，此过程称为“底部均衡”。

[0014] 与现有的技术方案相比，本发明具有以下有益效果：（1）本发明采用模块化设计的设计方案，保证了系统具有良好的实时性。同时进行很多节电池单体电池状态的监控与均衡控制需要占用较多的资源，模块化设计可以保证每个从控单元不必分担过多的任务，使整个系统的实时性得到保证；
（2）本发明的模块化设计便于系统扩展。不同的纯电动车车型使用的电池数量不同，模块化设计似的从空单元的数量可以根据需要进行增减；
（3）本发明的模块设计提高了系统的可靠性。模块化设计使得在一个从控单元故障的情况下不会使整个系统立即瘫痪；
（4）本发明采用的是能量转移式均衡，结构以Buck-Boot电路为基础，所需元器件成本低，扩展也方便，在电池组中的电池单体节数发生改变是电路无须大的变动，若电池组串联节数过多导致均衡时间过长，可以将电池分组形成多个电池模块，既可以进行模块内的组内均衡，也可以将各个模块看作是一个电池单体进行组间均衡。

[0015] （5）本发明既能实现电池搁置时的静态均衡，又可以实现充放电动态均衡，并制定了相应的控制策略，保证无论电池处于何种状态都能使个电池单体的电压维持一致，最大限度的发挥整个电池组的效能。

[0016] （6）本发明采用的是FDD8424型功率MOSFET，此MOSFET集成了P、N沟道MOSFET，将MOSFET的数量减少一半，提高系统可靠性、减小线路板空间及降低系统总体成本。

[0017] （7）本发明在均衡过程中包含了电感消磁阶段，有效的解决了磁饱和问题。在均衡子模块充电阶段结束时，储能电感中可能存留部分能量，如果不进行消磁处理，随着均衡过程的进行，电感中的剩磁会越来越多，最终达到磁饱和，电感将失去作用。此外，均衡过程中电路参数的也会发生改变，同样可能导致电感充入能量增加的情况。在消磁阶段，电路中的元器件可以构成一个RLC谐振电路，能将电感中的剩磁即时耗散掉，保证电路参数基本稳定。

[0018] （8）电感式能量转移均衡是将能量从电压高的单体向电压第的单体进行转移，如果电压高的单体与电压低的单体相隔较远，则能量传递只能从电压高的单体一节一节的向电压低的单体进行传递，在此过程中很有可能电压最高的单体变成电压最低的单体，且均衡速度很慢，均衡时间长。本发明的控制方法有效的解决了上述问题，提高了均衡速度，缩短了均衡时间，尤其是在搁置均衡的过程中，多个均衡子旁路可以同时进行。

[0019] （9）本发明多方面的考虑了电池的实际使用情况，将搁置阶段控制方法分为两种，其中“相等均衡”对电池组内的电池单体进行了两种分组，有效的避免了单一分组成对均衡后电池对之间的无均衡现象；“均值均衡”作为“相等均衡”的补充，从电池组电压最高和最低的单体开始，以电池组电压均值为目标，从两端同时向中间进行均衡，大大缩短了均衡时间。

附图说明

[0020] 图1为动力电池组均衡系统总体结构框图；图2为基于功率电感的双向均衡电路拓扑结构；
图3（a）为均衡拓扑结构等效电路 放电阶段分析图；
图3（b）为均衡拓扑结构等效电路 充电阶段分析图；
图3（c）为均衡拓扑结构等效电路 消磁阶段分析图；
图4为相等均衡执行流程图；
图5为均值均衡执行流程图；
图6为顶部均衡执行流程图；
图7为底部均衡执行流程图；
图8为均衡系统总流程图。

具体实施方式

[0021] 如图1所示，本发明一种基于功率电感的能量传递双向均衡系统，采用“主-从”式结构，整个系统由一个主控单元和多个从控单元组成，从控单元分布在不同的电池组内，每个从控单元包括数据采集模块、均衡模块、驱动模块三部分，负责一组12节电池单体电压的检测和均衡，能够通过内部CAN总线与主控单元进行通信；主控单元可以进行母线电流的检测和组间均衡，并能够通过RS232与上位机进行通讯进行调试和状态显示。其中，主控芯片位于数据采集及控制模块上，负责电压采集、信息传输和均衡控制，该模块电路多为数字信号电路，通过隔离芯片将控制信号传至驱动模块，驱动模块将信号放大后驱动均衡模块，均衡模块的电路为功率电路，是均衡电路拓扑结构的具体实现，用于执行均衡。

[0022] 如图2所示，本系统结构是以Buck-Boost型结构为基础，每相邻两个电池单体之间均接有一个子均衡旁路。虚线框中电路为一个简化的子均衡旁路，可实现所连接的相邻两节电池的均衡。其中： 为功率电感，通过电磁转换实现能量传递； 为电感 的消磁电阻； 为N沟道MOSFET， 为P沟道MOSFET，两者用于控制跨接在电池上的均衡旁路的开启和关闭； 和 分别为两个MOSFET的体二极管，用于构成放电回路；和 、 和 为RC滤波电路，用于对MOSFET开关的驱动信号滤
波； 、 、 为滤波电容用于减少变压器到单体电池线路上的寄生电阻和电感电阻的影响，即减少均衡峰值电流的影响。 、 和 为相邻的三节电池， 节电池需要 个子均衡旁路。该拓扑结构均衡旁路的工作不受干路电流的影响，因此可应用于电池组充电、放电以及搁置等任意阶段，并且一组电池中多个相邻的电池对（比如 与， 与 ）可以同时进行，以提高均衡效率。

[0023] 如图3（a）、图3（b）、图3（c）分别表示了能量由电压高的单体向电压低的单体传递的三个阶段。下面举例说明这三个阶段，假设 的电压大于 。

[0024] 如图3（a）所示为 放电阶段，控制系统输出控制信号，令N沟道MOSFET闭合， 、 和 一起构成放电回路，电流方向如图箭头所示。由于电感 的存在，放电电流 从零开始逐渐增大，部分电能转化为磁能储存于电感中， 的闭合时间决定了 的最大值 的大小；如图3（b）所示为 充电阶段，当 断开后，电感中储存的能量需要释放，此时、 和 一起构成充电回路。由于电感 中的电流不能突变，故充电电流 从
开始逐渐减小，电流方向如图箭头所示。此时，电感两端的电压等于 电压、正向导通电压以及回路阻抗压降之和，随着电流减小，直至电感两端电压不足以克服电压与 正向导通电压时， 降到0，充电阶段结束。

[0025] 如图3（c）所示为 消磁阶段，充电阶段结束时，电感中仍有部分能量，此时已经截止，MOSFET 以电容C2的形式存在，其输出电容值为 ,同时电池也等效为一个大电容C1。 、 、 以及 构成一个RLC谐振电路，既可以将电感中剩磁及时耗散掉，又能保证电路参数基本稳定。

[0026] 均衡时相邻两节电池哪一节需要放电就控制相应的MOSFET启闭，充电回路由体二极管构成，无须控制。

[0027] 如图4所示，当电池组在搁置状态下时进行“相等均衡”，具体均衡过程如下：当系统检测到当前电池组极差 大于设定值 时，首先以A分组方式分组，然后判断每个小组电池电压差的绝对值 是否大于 ，对所有满足 的小组，选择电压较高的电池对应的MOSFET输出PWM信号，且每隔 时间停止输出控制信号重新计算 值，直至所有小组达到 状态后，以B分组方式重新分组并按照同样的方式进行均衡，待所有小组再次达到 状态后，再次转入A分组方式进行。如此往复，直至某一分组方式下均衡完成后转入另一分组方式检测发现不需要均衡时，说明电池组内任意相邻电池电压差均低于 ，均衡完成。

[0028] 如图5所示，在搁置状态下如果存在以下特殊情况，即 或时，启动“均值均衡”，具体的均衡过程如下：以均值电压为均衡目标，
从电池组两侧同时开始向中间均衡，且均衡时以偏离均值电压较远（也就是偏离电池组中心较远）的那节电池达到均值为目的，每进行完一组均衡后重新判断 以决定是否需要继续。假设当前电池组单体电压满足 ，则首先对 与 、
与 这两组电池进行均衡，并且 向 放电， 向 放电，直至满足
且 ，下一步重新判断此时电池组是否满足 ，
若仍不满足则重新选择包含当前电压最高电池的小组和电压最高电池的小组重复上述操作，直至最终满足 停止均衡。

[0029] 如图6所示，由于电池组不一致性的存在，在电池组充电过程中可能会出现某些单体出现过充或由于某一节电池单体提前达到充电截止电压而断开充电电流，使得电池组内其他电池处于为充满的状态的现象。为了避免以上情况的发生，就必须启动“顶部均衡”。该均衡阶段是以最大化电池组容量利用率为目的，因此均衡的主要任务是“削峰”，即避免电压较高的电池提前截止。具体的均衡过程如下：在电池组极差大于设定值时，首先找出电压最高的电池 ，然后分别计算 与 和 的电压差，选择差值较大的一节
与 进行相等均衡，均衡完成后重新判断是否满足停止条件 ，若不满足并且此时电压最高的电池与其相邻电池压差 ，则寻找电压次高节电池执行相同流程，以此类推，直至达到最终均衡。即按照电压由高到低顺序依次均衡，最终达到一致。

[0030] 如图7所示，同样由于电池组不一致性的存在，电池组在放电过程中，容量最低的电池单体首先达到放电截止电压，继续放电的话会因过放电而导致电压过低而丧失放电能力。此时，相对于其他容量较高的单体电池来讲，由于容量低的电池首先达到了放电截止电压，使得其容量未完全放出，进而减少了续驶里程；如果容量低的单体电池过放就会变成负载，由容量高的电池单体为其供电，使得电池单体的极性出现反转，进而造成整个电池组不能正常的工作，严重缩减了电池的使用寿命。为了避免上述情况的发生就必须进行“底部均衡”，与充电阶段类似，不过此时均衡系统的首要任务是“填谷”，即避免电压较低的电池提前截止。具体的均衡过程如下：在电池组极差大于设定值时，首先找出电池组中电压最低的电池 ，然后同样分别计算 与 和 的电压差，选择差值较大的一节与进行相等均衡，均衡完成后重新判断是否停止条件 ，若不满足并且此时电压最低的电池与其相邻电池压差 ，则寻找电压次低节电池执行相同流程，以此类推，直至达到最终均衡。即按照电压由低到高顺序依次均衡，最终达到一致。

[0031] 如图8所示，从控板的数据采集单元采集电池组的单体电压，根据主控板通过CAN总线发送来的电流信息，判断电池组此时的工作模式，计算极差判断是否需要均衡。如果需要均衡，则执行相应的工作模式下的均衡策略，如果不需要均衡则重新获取电压信息，再判断是否均衡。