一種兩級分布式電池組主動均衡控制系統及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋰離子電池組和鋰離子電堆的電池主動均衡控制系統。特別涉及高壓大容量的電池組和電池堆的主動均衡管理系統及其方法。
【背景技術】
[0002]離子電池，特別是鋰離子動力電池，單體電芯容量大，所以每個電芯的差異性也是相差很大。電池的一致性的問題是制約電池組壽命的主要原因，電池在使用一段時間后電池組中每一單體電池容量出現差異，容量偏小的電池在長時間使用中會經常出現過充電及過放電，使其內阻增大，充放電產生的熱量增多，加速了電池的損壞，最終由于電池組中某一單體電芯損壞而造成整組電池的報廢。為了解決這個問題，通常是通過各個電芯之間的均衡操作來彌補電池一致性的問題。
[0003]在目前市場上所見的電池管理系統中，被動均衡是最常見的方法。其基本原理為每節電池都通過一個開關(一般是M0SFET)與一個功率電阻并聯。同時電池單元的電壓信息再經過差分測量，多路開關等電路被單片機或者專用芯片測得。被動均衡方式的優點是電路結構簡單，成本較低。但是其缺點也很明顯，它只能做充電均衡。同時，在充電均衡過程中，多余的能量是作為熱量釋放掉的，當整個電池組僅有幾節電池電壓很低時則將非常低效而且費時。使得整個系統的效率低、功耗高。目前，國際上主要的1C供應商所提供的方案基本上是采用這種均衡方案。被動均衡模式已經不能代表動力鋰電池均衡技術的主流發展方向。
[0004]主動均衡是近年來發展迅速地一種電池均衡技術，主動均衡采用了進行了能量的轉移的策略，即將電量最多的電池的電量轉移到其它電池，或者是將其它電池的電量轉移給電量最少的電池。主要原理是將高電壓電池的一部分電量通過轉換裝置回送到電池電路或直接轉送到低電壓電池中，用到的儲能元件主要為電容或電感，通過電容或電感的反復充放電實現電池組內各電池電壓的基本平衡。與被動均衡方案相比，主動均衡方案的電池能量利用率更高。所謂雙向主動均衡模式是指當個別電池電壓過高或者過低時，過高電池的電壓可以把能量轉移給整組電池，整組電池的電壓又可以給個別電壓很低的電池充電。這樣整個電池組的能量沒有被消耗掉，它只是能量轉移。在
[0005]綜上所述，現有的技術大多基于低電壓平臺的被動均衡設計，由于電芯的數量不是很多，而且所需的均衡電流不需要很大，所以通常采用的是集中式電池被動均衡管理，一個微處理器(μ C)收集所有電池電芯信息，然后根據均衡策略發出均衡指令，讓所有電芯進行電壓比較，讓其中過高電壓的電芯把能量在電阻上消耗掉。這種電池均衡的控制方法，適用在電池的數量相對比較少，所需要的均衡電流不是很大的系統中。但當電池堆電壓比較高的時候，所需要的電池組比較多，而每個電池組里面串聯的電芯的數量比較多。這就需要收集大量的電池電芯信息，然后通過通訊總線，對每個電芯進行均衡操作。這樣的一對多的操作，會導致由于電芯數量信息過多，主控軟件的負擔過重，增加程序的復雜性以及減少了系統可靠性。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種兩級分布式電池組主動均衡控制系統，用來解決成百上千甚至上萬的電芯主動均衡管理可靠性的問題。
[0007]為解決上述問題，本發明提供一種兩級分布式電池組主動均衡控制系統，包括:
[0008]一種兩級分布式電池組主動均衡控制系統，包括:
[0009]電池主控單元，用于收集各電池管理單元的相關數據，對所有掛在總線上的電池管理單元進行比較，發出均衡命令；
[0010]電池管理單元，用于采集電芯電壓信息，與電池主控單元進行通訊，接收本組組內各個電芯的主動均衡策略和均衡控制命令；
[0011]主動均衡單元，用于執行電池管理單元的微處理器通過串行通訊發出的充放電均衡命令。
[0012]優選地，所述主動均衡單元包括多個主動均衡子單元，用于分散管理多個電池模塊。
[0013]優選地，所述主動均衡子單元包括雙向同步反激式控制器及雙繞組變壓器，通過雙繞組變壓器，每個芯片包括6個獨立的同步反激式控制器，能夠對個別電池直接進行充電和放電。
[0014]優選地，所述主動均衡單元由3個主動均衡子單元級聯而成。
[0015]優選地，所述電池管理單元包括一微處理器，用于獨立采樣電池的電壓，控制電芯的均衡。
[0016]優選地，所述電池管理單位和所述主動均衡單位均為復數個，其中所述電池組的電壓大于等于100伏特。
[0017]優選地，所述多個主動均衡單元之間通過電池組和組之間的接口端子將相鄰兩電池組之間的能量進行傳遞。這樣可以讓能量在整個電池堆中進行交換。。
[0018]本發明的另一個目的在于提供一種兩級分布式電池組主動均衡控制方法，包括如下步驟:
[0019]A.電池管理單元采集電芯電壓信息，反饋給電池主控單元；
[0020]B.電池主控單元收集各電池管理單元的相關數據，對所有掛在總線上的電池管理單元進行比較，發出均衡命令；
[0021]C.電池管理單元接收電池管理單元發出的本組組內各個電芯的主動均衡策略和均衡控制命令，并將均衡控制命令發送給主動均衡單元；
[0022]D.主動均衡單元執行電池管理單元發出的充放電均衡命令。
[0023]優選地，所述步驟D包括多個主動均衡單元之間根據充放電均衡命令進行能量傳輸。
[0024]優選地，所述步驟A還包括電池管理單元采集電芯電壓信息后，獨立執行均衡策略，直接向本組內電池均衡單元發出均衡控制命令。
[0025]與現有技術相比，通過電池主控單元統一管理，各電池管理單元分模塊采集并與主控單元通信，并由均衡單元執行充放電均衡命令，實現高電壓大容量電池組的均衡控制，減少系統復雜性，增強系統設計性并提高了系統可靠性。另外，本發明是將主動均衡技術模塊化，分成兩級進行組內和組間的均衡操作。電池模塊可以根據實際的需求靈活擴展，設計簡單。兩級分布式的均衡管理可以不受一級主控資源所限制，一級主控的可以調度電池組與組之間的能量均衡轉移。二級電池管理單元可以獨立完成組內電芯的的均衡操作。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明兩級分布式電池組主動均衡控制系統的架構圖。
[0027]圖2是本發明兩級分布式電池組主動均衡控制系統的功能圖。
[0028]圖3是本發明各主動均衡單元間的能量轉移圖。
[0029]其中，10-電池主控單元；11?1N-電池管理單元；21?2N-主動均衡單元；1?N-電池模塊。
【具體實施方式】
[0030]為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0031]如圖1所示，兩級分布式電池組主動均衡控制系統，即包括一級電池主控單元10，二級電池管理單元11和主動均衡單元21。一級的電池主控單元與各個電池管理單元之間可用CAN總線或者是其它的通訊總線進行通訊。各電池模塊的監控系統包括二級電池管理單元和主動均衡單元。具體為:
[0032]電池主控單元10，用于收集各電池管理單元的相關數據，對所有掛在總線上的電池管理單元進行比較，發出均衡命令；所述電池管理單元包括一微處理器，用于獨立采樣電池的電壓，控制電芯的均衡。
[0033]電池管理單元11，用于采集電芯電壓信息，與電池主控單元10進行通訊，接收本組組內各個電芯的主動均衡策略和均衡控制命令；
[0034]主動均衡單元21，用于執行電池管理單元11的微處理器通過串行通訊發出的充放電均衡命令。
[0035]進一步地，如圖2所示，所述主動均衡單元21包括多個主動均衡子單元，用于分散管理多個電池模塊1?N。