一种车载复合电源系统的均衡结构及其均衡方法与流程

本发明属于新能源汽车以及电池管理系统领域，尤其涉及一种车载复合电源系统的均衡结构及其均衡方法。

背景技术：

在电动汽车领域中，动力电池中单体电池的差异性严重影响电池寿命及整车的续驶里程；由于电池组中各个单体电池之间存在不一致，经过连续的充放电循环后，各个单体电池的荷电状态会出现严重的不平衡，这将会对电池造成永久性的损坏。

现有主流电动汽车电池均衡管理采用被动均衡技术，在电池组中每个单体电池并联一个均衡电阻进行放电分流，实现单体能量的均衡。在电池组中，某单体电池bi电压与单体电池平均电压相差到一定阈值时，连通均衡电阻将单体电池bi部分电量以热能的形式消耗掉，将其电压值降到平均水平；被动均衡结构简单成本低，对电池寿命的影响较小，但由于采用电阻耗能，会产生热量，从而降低系统能量效率；主动均衡则是将单体能量稍高的电池通过控制电路转移到能量稍低的电池上去，实现主动分配的效果；主动均衡提升电动汽车整体的运营效果，但均衡结构较为复杂，大量dc-dc转换器、复杂电路结构方案以及开关矩阵的设计使成本增加。

无论是主动均衡还是被动均衡，都有其应用价值，如何提供一种高效的动力电池均衡系统及控制方法，实现动力电池组内各电池单体的均衡管理是亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种车载复合电源系统的均衡结构及其均衡方法，结构中动力电池均衡能量用超级电容储存，降低均衡过程中电池组中的能量损耗；根据动力电池状态参数制定均衡模式，实现多状态均衡功能，简化均衡结构，提高均衡速度，降低均衡成本，既保护电池寿命又提高能源利用率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种车载复合电源系统的均衡结构主要包括动力锂电池模块、超级电容模块、双向高压dc-dc转换器、双向低压dc-dc转换器、锂电池开关矩阵、超级电容开关矩阵和均衡控制器；动力锂电池模块与超级电容模块并联构成复合电源系统，锂电池开关矩阵输入端与动力电池单体连接，输出端与dc-dc转换器连接，搭建均衡电路以控制待均衡单体的开闭；超级电容开关矩阵输入端与dc-dc转换器连接，输出端与超级电容连接，控制动力电池均衡放电能量的储存并动态调整超级电容单体模块的容量；两个双向dc-dc转换器的两端与锂电池开关矩阵及超级电容开关矩阵连接，实现动力锂电池模块与超级电容模块之间功率与能量的转换，均衡控制器根据待均衡电池特征选择高压或者低压dc-dc转换器并入均衡电路中，实现复合电源系统能量的转移；均衡控制器与所有模块连接，实时监控动力电池与超级电容工作状态，控制均衡开关矩阵的开启与双向dc-dc转换器的工作模式，通过采集到的信号参数，决策均衡模式，控制均衡过程。

一种车载复合电源系统的均衡方法，其步骤如下：

s1：均衡控制器采集复合电源系统工况数据，实时监控复合电源系统，读取动力电池温度、电压、电流、soc等相关参数；

s2：根据均衡控制器采集的数据优先判断动力电池工作温度是否超过其设计最佳工作温度范围，防止由于温度偏差造成均衡不平衡现象，同时综合考虑动力电池静置时间，以消除电池滞回效应；

s3：均衡控制器读取电池管理系统数据，若动力电池静置时间超过0.5h（消除滞回效应），选择单体电压差作为均衡判据，进入s4；若静置时间低于0.5h，为了保持均衡效果，选择单体soc差值作为均衡判据，进入s5；当车辆处于运动状态时，动力电池在充放电过程时进行动态均衡，进入s6；

s4：选择静态电压均衡模式工作，以单体电压差作为均衡判据；均衡控制器计算单体电池平均电压值uavg，若某低压单体电池电压ui与平均电压差值δu=uavg-ui＞0.800mv时，单体电池压差过大，均衡系统不工作，均衡控制器发出故障报警，由专业人员诊断电池内部是否出现故障并决策是否继续进行均衡；单体电池压差正常，设置均衡阈值umax-umin=50mv，若单体电池之间最大压差超过阈值，均衡系统工作，均衡过程中以单体最低电压值umin为均衡指标，各单体电池需要均衡放电电压差值为ui-umin：

（1）将单体电池电压值进行排序，统计出与umin差的绝对值大于δu（δu取20mv）的单体电池ni，即ni=countif{∣ui-umin∣＞δu(i≧1)}，ni为待均衡单体；

（2）待均衡单体电池通过锂电池开关矩阵控制均衡的启闭，均衡开始时，待均衡单体电池组成电池组驱动高压dc/dc控制器进行高压均衡，各单体电池放电到umin时，单体均衡结束，控制开关矩阵将该单体隔离，均衡放电能量全部由超级电容储存；

（3）当待均衡电池电压总和降至高压dc/dc控制器工作电压临界值，高压均衡结束，通过低压dc/dc控制器进行低压均衡；均衡控制器通过控制超级电容开关矩阵将剩余待均衡单体电池能量转移到超级电容系统单元模块较低soc值模块中；

s5：选择静态soc值均衡模式工作，以单体soc差值作为均衡判据；均衡控制器计算动力电池单体平均荷电状态值socavg，若某单体电池荷电状态soci较低且与平均荷电状态差值δsoc=socavg-soci＞0.1时，单体电池荷电状态差太大，均衡系统不工作，均衡控制器发出故障报警，由专业人员诊断电池内部是否出现故障并决策是否继续进行均衡；当系统中单体电池荷电状态正常，设置均衡阈值socmax-socmin=0.02，若单体电池之间最大荷电状态差值超过阈值，均衡系统工作，均衡过程中以单体最低荷电状态值socmin为均衡指标，各单体电池需要均衡荷电状态差值为soci-socmin：

（1）单体电池最低soc值为socmin，并将单体soc值进行排序，统计出与socmin差的绝对值大于δsoc（δsoc取0.01）的单体电池soci，即ni=countif{∣soci-socmin∣＞δsoc(i≧1)}，ni为待均衡单体；

（2）待均衡单体电池通过锂电池开关矩阵控制均衡的启闭，均衡开始时，待均衡单体电池组成电池组驱动高压dc/dc控制器进行高压均衡，各单体电池放电到socmin时，单体均衡结束，控制开关矩阵将该单体隔离，均衡放电能量全部由超级电容储存；

（3）当均衡电池电压总和降至高压dc/dc控制器工作电压临界值，高压均衡结束，通过低压dc/dc控制器进行低压均衡，均衡控制器通过控制超级电容开关矩阵将剩余待均衡单体电池能量转移到超级电容系统单元模块较低soc值模块中；

s6：首先判断电池处于充电状态或者是放电状态，当处于大电流放电状态时，停止均衡，优先满足当前工况的能量需求；当动力电池处于充电状态时，车辆处于制动能量回收状态，动力电池处于动态充电过程，此时亦不适宜均衡；当动力电池处于其他状态时，均衡控制器处于动态均衡模式，以单体soc差作为均衡判据：

（1）动力电池组中soc值最低与最高的单体电池为socl和soch；单体电池最大差值为δsoc=soch–socl；若δsoc≥0.01时，均衡系统开始工作，当均衡到δsoc≤0.005时，均衡停止；

（2）为了防止由于动力电池放电导致均衡单体误诊断，进行两次信号采集并统计分辨筛选出要均衡的单体电池，具体方案是：系统第i次采集到动力电池参数后，进行统计决策出需要均衡的单体电池[n(i)1、n(i)2、n(i)3…n(i)m]（i≥1，m为第i次需要均衡的单体电池个数），此时不进行均衡处理；当系统第i+1次采集动力电池参数后，同样进行统计决策出第i+1次需要均衡的单体电池[n(i+1)1、n(i+1)2、n(i+1)3…n(i+1)n]（i≥1，n为第i+1次需要均衡的单体电池个数）；通过数据统计决策出待均衡的单体电池ni=[n(i)1、n(i)2、n(i)3…n(i)m]∩[n(i+1)1、n(i+1)2、n(i+1)3…n(i+1)n]，即两次同时被筛选出需要均衡的单体电池为最终均衡的对象；后续第i+2次采集到的数据再与i+1次进行交集处理决策均衡的对象；

（3）设定超级电容soc工作范围[0.4，0.9]，当超级电容工作点超出最大工作范围或均衡释放能量超过超级电容吸收极限能量时，超级电容停止吸收能量，不进行均衡操作，驱动负载工作时优先释放超级电容的能量，为均衡做准备；当超级电容soc＜0.4时，超级电容不驱动负载系统工作；

s7：动力电池均衡结束后，所有单体电池soc或电压值离散程度很小，电池组的soc值更准确，提高动力电池组性能与寿命，同时对整车续驶里程、荷电状态等相关参数进行矫正；

s8：若电池组内某单体电池bj多次处于异常状态，且多次均衡之后该单体电池bj依旧处于异常状态，则均衡控制器发生警报，提示单体电池异常。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果，采用高低压dc-dc转换器同时对整个电池组进行放电均衡，均衡速度非常快，可以进行动态与静态均衡，超级电容只吸收单体电池能量而不给单体电池充电，没有进行二次能量转移，效率较高；利用被动均衡的优点，均衡控制器实时采集电池信号，当计算发现需要均衡，结合电源工作状态决策均衡模式，将动力电池高压单体通过放电电路直接释放能量到超级电容中，均衡电路简单，成本低，均衡速度很快，而且均衡能量没有损耗掉，直接将放电能量储存到超级电容中超级电容储存，属于非能耗性均衡模式，提高了系统能源利用率；超级电容代替能耗均衡中电阻吸收均衡过程中电池的均衡电量，均衡后的电量储存于超级电容，当电动汽车起步、加速或上坡时辅助电池组工作，避免电池组大电流放电，提高动力电池组寿命；该均衡结构在动力电池充放电全过程中均可均衡，且均衡速度较快，避免电阻均衡造成的热管理问题，同时简化了均衡结构降低了均衡成本。

附图说明

图1是简化的均衡结构示意图；

图2是本发明锂电池/超级电容开关矩阵电路连接图；

图3是本发明均衡系统能量流向及拓扑图；

图4是本发明总体均衡控制策略流程图；

图5是本发明处于静态均衡状态时以电池电压为均衡判据时控制策略流程图；

图6是本发明处于静态均衡状态时以电池soc为均衡判据时控制策略流程图；

图7为本发明动态均衡控制策略流程图。

1、动力锂电池模块；2、超级电容模块；3、双向高压dc-dc转换器；4、双向低压dc-dc转换器；5、锂电池开关矩阵；6、超级电容开关矩阵；7、均衡控制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案和方法做进一步描述。

一种车载复合电源系统的均衡结构主要包括动力锂电池模块1、超级电容模块2、双向高压dc-dc转换器3、双向低压dc-dc转换器4、锂电池开关矩阵5、超级电容开关矩阵6和均衡控制器7；动力锂电池模块1与超级电容模块2并联构成复合电源系统，锂电池开关矩阵5输入端与动力电池单体连接，输出端与dc-dc转换器连接，搭建均衡电路以控制待均衡单体的开闭；超级电容开关矩阵6输入端与dc-dc转换器连接，输出端与超级电容连接，控制动力电池均衡放电能量的储存并动态调整超级电容单体模块的容量；两个双向dc-dc转换器的两端与锂电池开关矩阵5及超级电容开关矩阵6连接，实现动力锂电池模块1与超级电容模块2之间功率与能量的转换，均衡控制器7根据待均衡电池特征选择高压dc-dc转换器3或者低压dc-dc转换器4并入均衡电路中，实现复合电源系统能量的转移。均衡控制器7与所有模块连接，实时监测复合电源系统工作状态，控制均衡开关矩阵的开启与双向dc-dc转换器的工作模式，根据采集到的信号参数决策均衡模式，控制均衡过程，如图1所示。

对于锂电池开关矩阵：例如当均衡系统检测到单体电池bm需要均衡，均衡控制器将开关km打开，电池单元bm并入均衡放电电路中，若单体电池bm+1不需要均衡，将开关km+1关闭，这样单体电池bm+1通过二极管电路将其隔离；对于超级电容开关矩阵6：设置双向触电开关，假设电容cp要吸收均衡放电能量，均衡控制器操纵双向开关kp接触左触点，假设电容cp+1容量较大不需要吸收均衡放电能量，均衡控制器操纵双向开关kp+1接触右触点，电容cp+1被隔离，如图2所示。

一种车载复合电源系统的均衡方法，如图3-7所示，其步骤如下：

s1：均衡控制器7采集复合电源系统工况数据，实时监控复合电源系统，读取动力电池温度、电压、电流、soc等相关参数；

s2：根据均衡控制器采集的数据优先判断动力电池工作温度是否超过其设计最佳工作温度范围，防止由于温度偏差造成均衡不平衡现象，同时综合考虑动力电池静置时间，以消除电池滞回效应；

s3：均衡控制器7读取电池管理系统数据，若动力电池静置时间超过0.5h（消除滞回效应），选择单体电压差作为均衡判据，进入s4；若静置时间低于0.5h，为了保持均衡效果，选择单体soc差值作为均衡判据，进入s5；当车辆处于运动状态时，动力电池在充放电过程时进行动态均衡，进入s6；

s4：选择静态电压均衡模式工作，以单体电压差作为均衡判据，如图5，均衡控制器计算单体电池平均电压值uavg，若某低压单体电池电压ui与平均电压差值δu=uavg-ui＞0.800mv时，单体电池压差过大，均衡系统不工作，均衡控制器发出故障报警，由专业人员诊断电池内部是否出现故障并决策是否继续进行均衡；单体电池压差正常，设置均衡阈值umax-umin=50mv，若单体电池之间最大压差超过阈值，均衡系统工作，均衡过程中以单体最低电压值umin为均衡指标，各单体电池需要均衡电压差值为ui-umin：

（1）将单体电池电压值进行排序，统计出与umin差的绝对值大于δu（δu取20mv）的单体电池ni，即ni=countif{∣ui-umin∣＞δu(i≧1)}，ni为待均衡单体；

（2）待均衡单体电池通过锂电池开关矩阵控制均衡的启闭，均衡开始时，待均衡单体电池组成电池组驱动高压dc/dc控制器进行高压均衡，各单体电池放电到umin时，单体均衡结束，控制开关矩阵将该单体隔离，均衡放电能量全部由超级电容储存；

（3）当待均衡电池电压总和降至高压dc/dc控制器工作电压临界值，高压均衡结束，通过低压dc/dc控制器进行低压均衡；均衡控制器通过控制超级电容开关矩阵6将剩余待均衡单体电池能量转移到超级电容系统单元模块较低soc值模块中；

s5：选择静态电池soc均衡模式工作，以单体soc差值作为均衡判据，如图6，均衡控制器计算动力电池单体平均荷电状态值socavg，若某单体电池荷电状态soci较低且与平均荷电状态差值δsoc=socavg-soci＞0.1时，单体电池荷电状态差太大，均衡系统不工作，均衡控制器发出故障报警，由专业人员诊断电池内部是否出现故障并决策是否继续进行均衡；当系统中单体电池荷电状态正常，设置均衡阈值socmax-socmin=0.02，若单体电池之间最大荷电状态差值超过阈值，均衡系统工作，均衡过程中以单体最低荷电状态值socmin为均衡指标，各单体电池需要均衡荷电状态差值δsoc=soci-socmin：

（1）单体电池最低soc值为socmin，并将单体soc值进行排序，统计出与socmin差的绝对值大于δsoc的单体电池soci，即ni=countif{∣soci-socmin∣＞δsoc(i≧1)}，ni为待均衡单体；

（2）待均衡单体电池通过锂电池开关矩阵控制均衡的启闭，均衡开始时，待均衡单体电池组成电池组驱动高压dc/dc控制器进行高压均衡，各单体电池放电到socmin时，单体均衡结束，控制开关矩阵将该单体隔离，均衡放电能量全部由超级电容储存；

（3）当均衡电池电压总和降至高压dc/dc控制器工作电压临界值，高压均衡结束，通过低压dc/dc控制器进行低压均衡，均衡控制器通过控制超级电容开关矩阵6将剩余待均衡单体电池能量转移到超级电容系统单元模块较低soc值模块中；

s6：首先判断电池处于充电状态或者是放电状态，当处于大电流放电状态时，停止均衡，优先满足当前工况的能量需求；当动力电池处于充电状态时，车辆处于制动能量回收状态，动力电池处于动态充电过程，此时亦不适宜均衡；当动力电池处于其他状态时，均衡控制器处于动态均衡模式，以单体soc差作为均衡判据，如图7：

（1）为了防止由于动力电池放电导致均衡单体误诊断，进行两次信号采集并统计分辨筛选出要均衡的单体电池，选取soc值最低与最高的单体电池为socl和soch；单体电池最大差值为δsoc=soch–socl；若δsoc≥0.01时，均衡系统开始工作，当均衡到δsoc≤0.005时，均衡停止；

（2）两次信号采集并统计分辨筛选出要均衡的单体电池时，具体控制方案是：系统第i次采集到动力电池参数后，进行统计决策出需要均衡的单体电池[n(i)1、n(i)2、n(i)3…n(i)m]（i≥1，m为第i次需要均衡的单体电池个数），此时不进行均衡处理；当系统第i+1次采集动力电池参数后，同样进行统计决策出第i+1次需要均衡的单体电池[n(i+1)1、n(i+1)2、n(i+1)3…n(i+1)n]（i≥1，n为第i+1次需要均衡的单体电池个数）；通过数据统计决策出待均衡的单体电池ni=[n(i)1、n(i)2、n(i)3…n(i)m]∩[n(i+1)1、n(i+1)2、n(i+1)3…n(i+1)n]，即两次同时被筛选出需要均衡的单体电池为最终均衡的对象；后续第i+2次采集到的数据再与i+1次进行交集处理决策均衡的对象；

（3）设定超级电容soc工作范围[0.4，0.9]，当超级电容工作点超出最大工作范围或均衡释放能量超过超级电容吸收极限能量时，超级电容停止吸收能量，不进行均衡操作，驱动负载工作时优先释放超级电容的能量；当超级电容soc＜0.4时，超级电容不驱动负载系统工作；

s7：动力电池静态均衡结束后，所有单体电池soc或电压值离散程度很小，电池组的soc值更准确，提高动力电池组性能与寿命同时对soc值进行矫正；

s8：若电池组内单体电池bi多次处于异常状态，且多次均衡之后单体电池bi依旧处于异常状态，则均衡控制器发生警报，提示单体电池异常。

以上实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。