CN103178581B - 电动汽车低压大电流电池组组合装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种电动汽车低压大电流锂电池组组合装置及控制方法。在本发明中设计的锂电池组，由多个单芯锂电池并联再串联组成一定电压一定容量的电池包，再由若干个集成了电池监测装置的电池包串联形成低电压一定容量的电池包支路，最后由电池包支路再并联组成低压大电流的锂电池组。组合方式灵活，能满足各种电压和容量的锂电池要求。配备的锂电池组组合装置的控制装置，能根据各电池包支路的当前状态，控制IGBT开关采取不同的充放电方式，可以最大限度地使各电池包支路工作于最优工作区，尽可能地延长了电池寿命，保证了电池组工作于安全工作区，同时又满足了电动汽车的供电要求。

Description

电动汽车低压大电流电池组组合装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，特别涉及一种电动汽车低压大电流电池组组合装置及控制方法。

背景技术

中国目前已成为世界最大的汽车市场，据估计，到2020年中国汽车保有量将达到两亿辆左右，其间车用燃料消费将达到约3亿吨，中国汽车业必须寻求新的替代能源。而锂电池具有储能密度高、使用寿命长、温度适应性强、使用安全、绿色环保等优势，汽车行业开始采用锂电池作为电动汽车的电池解决方案。通常，小型/中型混合动力汽车所需的电池电压在60V至200V之间。电动汽车的电机驱动系统要求电池的容量大，过载能力强，同时从安全角度考虑，电压不能过高。

目前，电动汽车锂电池组有2种组合方式，一种组合方式是高压小电流电池组，由多个单芯锂电池串联堆叠形成，这样形成的电池组电压可以高压三百伏、四百伏。但是由于单芯电池的容量有限，需要直接并联单芯电池来扩大电池组容量。由于电池组的电压很高，电池组安装到电动汽车上安全性很难保证。另外一种组合方式是低压大电流电池组，由多个单芯电池并联后再串联组成。由于这种电池组电压比较低，安装到电动汽车上安全性很好。但是由于单芯电池的一致性很难保证，因此并联的电池数量不能太多，这就导致电池组的容量不大，不能满足电动汽车的要求。

发明内容

针对目前电动汽车锂电池组高压小电流电池组安全性能差，低压大电流电池组容量不足的问题，本发明设计了一种电流容量可灵活调整、多电池包支路并联的低压大电流锂电池组的组合装置及控制方法。

电动汽车低压大电流锂电池组组合装置，包括若干个电池包支路；所述的若干个电池包支路并联且每个电池包支路与电池管理系统主机相连；所述的每个电池包支路包括若干电池包、一个充电IGBT开关、一个放电IGBT开关、一个电流采样模块；所述的电池包由若干电池单元串联而成，所述的电池单元由若干节单芯锂电池并联组成，多个电池包再串联成电池包支路，多个电池包支路并联形成电池组；所述的充电IGBT开关、放电IGBT开关、电流采样模块分别与电池包串联；所述的若干个电池包支路中，电池包、充电IGBT开关、电流采样模块构成了充电回路，充电IGBT开关作为充电开关；电池包、放电IGBT开关、电流采样模块构成了放电回路，放电IGBT开关作为放电开关。

电动汽车低压大电流锂电池组的组合装置的控制装置，如下：

所述的电动汽车低压大电流锂电池组的控制装置包括电池管理系统主机、充电IGBT开关、放电IGBT开关、电流采样模块和电池监控装置；电池监控装置集成在电池包内部，检测电池包内部单芯电池的电压、温度及估算SOC及电池健康状态，电池监控装置通过总线把单芯电池的信号发到电池管理系统主机；电池管理系统主机负责检测各电池包支路的电流、SOC状态及健康状态，并根据各电池包支路的当前状态控制电池包支路的充放电方式；由充电IGBT模块接收电池管理系统主机的控制命令，控制IGBT开关来实现充电；由放电IGBT模块接收来自电池管理系统主机的控制命令，控制IGBT开关来实现放电；电流采样模块采集电池的充放电电流并以模拟量的方式传送到电池管理系统主机。

控制装置的控制方法，如下：

所述的电动汽车低压大电流电池组的各个电池包支路的充电回路和放电回路分开，分别由充电IGBT开关和放电IGBT开关控制充电回路和放电回路开关，由电流采样模块采样充电回路电流和放电回路电流；电池组由集成在电池包内部的电池管理系统电池监测装置来检测各电芯电池的电压和温度，由电流采样模块采集电流，由电池管理系统主机根据各个电池包支路中单芯锂电池的电压、电流和温度对整个电池组状态进行监控并计算各电池包支路SOC及健康状态，并根据电池包支路的SOC及健康状态通过充电IGBT控制模块和放电IGBT控制模块来控制各电池包支路的充电、放电方式。

所述的充电方式如下：充电时，由电池管理系统主机根据当前电池组各个电池包支路的SOC状态和健康状态来决定充电方式；当电池管理系统主机检测到电池包支路需要充电并且健康状态良好时，打开相应电池包支路的充电IGBT开关，各个支路内的电芯串行充电，所述的电池管理系统主机通过检测单芯锂电池的电压、充电电流、温度来监测电池的SOC状态，当监测到某一支路充满后关断相应的IGBT开关，其他支路继续充电，直到所有支路都充满；

所述的放电方式如下：放电时，电池管理系统主机根据当前电池组的各个电池包支路的SOC状态和健康状态来决定这个支路的放电方式；当电池管理系统主机接到放电请求后，根据各个电池包支路的当前状态来控制相应支路的输出能量多少；电池管理系统主机按照各个电池包支路SOC由高到低，健康状态由好到坏的排列顺利，决定各个电池包支路的放电输出能量多少。SOC容量大、健康状态良好的电池包支路正常输出，SOC容量小、健康状态不好的电池包支路降级输出。由电池管理系统主机输出PWM信号控制放电IGBT开关，分析当前电池包支路的SOC状态和健康状况，当需要降级输出时，调整PWM信号的占空比来调整IGBT开关的实际开关时间，以达到调整电池包支路的输出的目的。各个电池包支路的开关是并联控制的，同步控制电池包支路的IGBT开关动作。

本发明的有益效果是：

在本发明中设计的电池组，由多个独立的带有电池监测装置、IGBT开关和电流采样模块的电池包支路并联组成，组合方式灵活多样，能满足各种电压和容量的低电压大电流锂电池组要求；同时，由电池管理系统主机根据各电池包支路的当前状态控制相应的IGBT开关，采取不同的充放电控制方式，在满足了电动汽车供电要求的前提下，可以最大限度地使各电池包支路工作于最优工作区，尽可能地延长了电池寿命，保证了电池组工作于安全工作区。

1）、电池组电压低、容量大，能满足电动汽车驱动电机系统要求；

2）、工作电压低安全性能高；

3）、电池组由多个电池包组成，整车配重方便，更换维修简单；

4）、每个电池包支路单独的充电、放电IGBT控制，电池工作于安全工作区；

5）、组合方式灵活，能满足各种电压和容量的低电压大电流锂电池组要求。

附图说明

图1电动汽车低压大电流锂电池组结构图；

图2电动汽车低压大电流锂电池组控制装置结构图；

图3放电PWM同步控制时序图。

图中：1、电池包支路，2、电池管理系统主机，3、电池包，4、放电IGBT开关，5、充电IGBT开关，6、电流采样模块。

具体实施方案

下面结合附图对本发明进行详细说明；

由于单芯锂电池的容量、电压有限，所以要形成大容量，具有一定电压的电池组，必须有单芯电池的串、并操作。但是由于单芯电池的一致性问题，单芯电池不能并联太多，否则电池组内的电池一致性差别很大，电池的性能会受到很大影响。

电动汽车低压大电流锂电池组所述的电池包由若干电池单元串联而成，所述的电池单元由若干节单芯锂电池并联组成，多个电池包再串联成电池包支路，多个电池包支路并联形成电池组；结构图如图1所示。具体来说：若干单芯电池并联，形成具有一定电流容量的小电池组，一般会把电流容量限制在30A到60A之间，之后再把具有一定容量的小电池组串联，形成具有一定电压一定电流容量的电池包3，电池包3内部集成了电池监控装置；若干组电池包3再串联，其串联电压就可以达到标称要求，形成电压达到标称电压（例如60V，72V），一定电流容量的电池包支路1，在电池包支路1中串联了放电IGBT开关4和充电IGBT开关5，电流采样模块6；若干个电池包支路1并联，形成达到标称电流要求和电压要求的低电压大电流锂电池组。

例如，如果采用标称电压3.2V容量为1A的磷酸铁里单芯电池，组成电压60V电流500A的锂电池组，先采用50节并联形成50A容量的小电池包，10个小电池包再串联，形成电压32V电流50A容量的电池包，2个电压32V电流30A容量的电池包串联，形成电压64V电流50A的电池包支路1。最后采用10个电池包支路1并联，组成电压60V电流500A的电池组。

组成低电压大电流的电池组必须给电池组配备控制装置。控制装置包括电池管理系统主机2、放电IGBT开关4、充电IGBT开关5、电流采样模块6这几个部分。整个电池管理系统有一个电池管理系统主机2，负责管理整个电池组的状态监控，充放电开关管理，整个系统的管理及信息整理记录。每个电池包支路1串联一个充电IGBT开关4、一个放电IGBT开关5、一个电流采样模块6。电池组的充电回路和放电回路各有一个单独的回路。电池包3、充电IGBT开关4、电流采样模块6构成了充电回路；电池包3、放电IGBT开关5、电流采样模块6构成了放电回路。充电IGBT开关4和放电IGBT开关5采用智能模块控制；智能模块实现同步控制，同步打开，不同步关断；每个支路都有一个电流采样模块。

多个单芯锂电池并联后串联形成一个一定容量一定电压的电池包3，并在内部集成了一个电池监控装置，监控单芯电池的电压和温度，估算单芯电池的SOC及健康状态。多个电池包3串联，形成达到额定要求电压的一个支路，多个支路并联形成满足电流容量要求的电池组；

电动汽车低压大电流电池组的各个电池包支路1的充电回路和放电回路分开，分别由充电IGBT开关4和放电IGBT开关5控制充电回路和放电回路开关，由电流采样模块6采样充电回路电流和放电回路电流；电池组由集成在电池包内部的电池管理系统电池监测装置来检测各电芯电池的电压和温度，由电流采样模块采集电流，由电池管理系统主机2根据各个电池包支路1中单芯锂电池的电压、电流和温度对整个电池组状态进行监控并计算各电池包支路1SOC及健康状态，并根据电池包支路1的SOC及健康状态通过充电IGBT控制模块4和放电IGBT控制模块5来控制各电池包支路1的充电、放电方式。

所述的充电方式如下：充电时，由电池管理系统主机2根据当前电池组各个电池包支路1的SOC状态和健康状态来决定充电方式；当电池管理系统主机2检测到电池包支路1需要充电并且健康状态良好时，打开相应电池包支路1的充电IGBT开关5，各个支路内的电芯串行充电，所述的电池管理系统主机2通过检测单芯锂电池的电压、充电电流、温度来监测电池的SOC状态，当监测到某一支路充满后关断相应的IGBT开关，其他支路继续充电，直到所有支路都充满；

所述的放电方式如下：放电时，电池管理系统主机2根据当前电池组的各个电池包支路1的SOC状态和健康状态来决定这个支路的放电方式；当电池管理系统主机2接到放电请求后，根据各个电池包支路1的当前状态来控制相应支路的输出能量多少；电池管理系统主机2按照各个电池包支路1SOC由高到低，健康状态由好到坏的排列顺利，决定各个电池包支路1的放电输出能量多少。SOC容量大、健康状态良好的电池包支路1正常输出，SOC容量小、健康状态不好的电池包支路1降级输出。由电池管理系统主机2输出PWM信号控制放电IGBT开关4，分析当前电池包支路1的SOC状态和健康状况，当需要降级输出时，调整PWM信号的占空比来调整IGBT开关的实际开关时间，以达到调整电池包支路1的输出的目的。各个电池包支路1的开关是并联控制的，同步控制电池包支路1的IGBT开关动作。

放电时，电池管理系统主机2根据当前每个电池包支路1的SOC状态及健康状态来决定这个支路的放电方式。当电池管理系统主机2接到放电请求后，根据每个电池包支路1的当前状态来控制相应支路的输出能量多少。电池管理系统主机2按照各个电池包支路1SOC由高到低，健康状态由好到坏的排列顺利，决定各个电池包支路1的放电输出能量多少，那些SOC容量小、健康状态不好的电池包支路1降级输出。在实际操作中，通过控制放电IGBT开关5的占空比来实现。由于各个支路的开关是并联控制的，因此这些支路的IGBT控制需要同步，电池管理系统主机2根据目前每个电池包支路1的SOC状态来决定每个支路的占空比。

Claims (4)

1.电动汽车低压大电流锂电池组组合装置的控制装置的控制方法，其特征在于：包括若干个电池包支路；所述的若干个电池包支路并联且每个电池包支路与电池管理系统主机相连；所述的每个电池包支路包括若干电池包、一个充电IGBT开关、一个放电IGBT开关、一个电流采样模块；所述的电池包由若干电池单元串联而成，所述的电池单元由若干节单芯锂电池并联组成，多个电池包支路并联形成电池组；所述的充电IGBT开关、放电IGBT开关、电流采样模块分别与电池包串联；所述的若干个电池包支路中，电池包、充电IGBT开关、电流采样模块构成了充电回路，充电IGBT开关作为充电开关；电池包、放电IGBT开关、电流采样模块构成了放电回路，放电IGBT开关作为放电开关；

所述的组合装置的控制装置，包括电池管理系统主机、充电IGBT开关、放电IGBT开关、电流采样模块和电池监控装置；电池监控装置集成在电池包内部，检测电池包内部单芯电池的电压、温度及估算SOC及电池健康状态，电池监控装置通过总线把单芯电池的信号发到电池管理系统主机；电池管理系统主机负责检测各电池包支路的电流、SOC状态及健康状态，并根据各电池包支路的当前状态控制电池包支路的充放电方式；由充电IGBT模块接收电池管理系统主机的控制命令，控制充电IGBT开关来实现充电；由放电IGBT模块接收来自电池管理系统主机的控制命令，控制放电IGBT开关来实现放电；电流采样模块采集电池的充放电电流并以模拟量的方式传送到电池管理系统主机；

所述的控制装置的控制方法是指，所述的电动汽车低压大电流锂电池组的各个电池包支路的充电回路和放电回路分开，分别由充电IGBT开关和放电IGBT开关控制充电回路和放电回路开关，由电流采样模块采样充电回路电流和放电回路电流；电池组由集成在电池包内部的电池监控装置来检测各电芯电池的电压和温度，由电流采样模块采集电流，由电池管理系统主机根据各个电池包支路中单芯锂电池的电压、电流和温度对整个电池组状态进行监控并计算各电池包支路SOC及健康状态，并根据电池包支路的SOC及健康状态通过充电IGBT模块和放电IGBT模块来控制各电池包支路的充电、放电方式。

2.如权利要求1所述的电动汽车低压大电流锂电池组组合装置的控制装置的控制方法，其特征在于：所述的充电方式如下：充电时，由电池管理系统主机根据当前电池组各个电池包支路的SOC状态和健康状态来决定充电方式；当电池管理系统主机检测到电池包支路需要充电并且健康状态良好时，打开相应电池包支路的充电IGBT开关，各个支路内的电芯串行充电，所述的电池管理系统主机通过检测单芯锂电池的电压、充电电流、温度来监测电池的SOC状态，当监测到某一支路充满后关断相应的IGBT开关，其他支路继续充电，直到所有支路都充满。

3.如权利要求1所述的电动汽车低压大电流锂电池组组合装置的控制装置的控制方法，其特征在于：所述的放电方式如下：放电时，电池管理系统主机根据当前电池组的各个电池包支路的SOC状态和健康状态来决定这个支路的放电方式；当电池管理系统主机接到放电请求后，根据各个电池包支路的当前状态来控制相应支路的输出能量多少；电池管理系统主机按照各个电池包支路SOC由高到低，健康状态由好到坏的顺序排列，决定各个电池包支路的放电输出能量多少；SOC容量大、健康状态良好的电池包支路正常输出，SOC容量小、健康状态不好的电池包支路降级输出；由电池管理系统主机输出PWM信号控制放电IGBT开关，分析当前电池包支路的SOC状态和健康状况，当需要降级输出时，调整PWM信号的占空比来调整放电IGBT开关的实际开关时间，以达到调整电池包支路的输出的目的；各个电池包支路的开关是并联控制的，同步控制电池包支路的放电IGBT开关动作。

4.如权利要求1所述的电动汽车低压大电流锂电池组组合装置的控制装置的控制方法，其特征在于：所述的放电方式，在实际操作中，通过控制放电IGBT开关的占空比来实现；电池管理系统主机根据目前每个电池包支路的SOC状态来决定每个支路的占空比。