一种基于辅助电源的动力电池组主动均衡系统及使用方法

1.本发明涉及一种新能源电池技术，属于新能源车领域，尤其涉及一种基于辅助电源的动力电池组主动均衡系统及使用方法。


背景技术：

2.随着全球新能源汽车的飞速发展，能量密度高、循环使用寿命长、自然放电率低、无记忆效应的锂离子电池应用越来越广泛。由于锂电池单体电压低，容量小，因此在电动汽车中，锂电池都是通过多节单体串联和并联成动力电池组的方式工作，以满足输出电压和容量的要求。然而，锂电池在生产过程中受到生产工艺、原材料差异等因素的影响，即便是同一批次生产出来的电池，每个单体之间也会存在电压、容量、soc等指标的不一致性。此外，电池在使用过程中会遇到许多复杂的工作状态与工作环境，内部和外界对电池的影响会加剧电池单体之间的不一致性。电池单体的不一致性会造成实际可用容量降低，发生过充和过放现象，导致电池组寿命减少。长期如此，会对锂电池造成永久性损伤，甚至还会导致火灾的发生，严重威胁纯电动汽车的使用安全。
3.近年来，不少学者提出了各种针对电池组不一致性问题的均衡方法，主要包括被动均衡、主动均衡两大类。
4.被动均衡是指通过给电池并联耗能的均衡电阻来实现均衡，控制方式与结构简单，成本较低、操作简单，但由于以电阻耗能的形式来消耗电池中过多的能量，会造成能量的浪费，同时，均衡电阻散热导致电池组温度升高，容易造成电池单体性能的改变，进而电池单体间的差异又进一步加大。
5.主动均衡是指在均衡过程中运用电力电子技术，将电路中高电量单体的部分电量经由专门的零部件转移至低电量单体中，在实现各个单体电量均衡的同时大大减少了电池组能量的无端浪费，确保了电池组电量的充分利用。但往往因控制电路复杂而造成均衡系统庞大、成本较高。
6.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

7.本发明的目的是克服现有技术中存在的难以兼具保护电池与控制成本的缺陷与问题，提供一种对电池保护效果较佳、易于控制、控制成本较低的基于辅助电源的动力电池组主动均衡系统及使用方法。
8.为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种基于辅助电源的动力电池组主动均衡系统，包括辅助电源、电控单元与电池组，所述辅助电源的数量为一个，所述电控单元、电池组的数量均为至少两个，电控单元、电池组一一对应，单个电池组内包括依次串联的多个电池单体；所述电控单元包括mos场效应管、励磁电感、二极管、电容与变压器，该变压器包括
正对设置的原边线圈与副边线圈；所述辅助电源的正极依次经原边线圈、mos场效应管后与辅助电源的负极相连接，位于原边线圈、mos场效应管之间的线路与励磁电感的一端相连接，励磁电感的另一端与辅助电源的正极相连接；所述电池组的正极依次经二极管、副边线圈后与电池组的负极相连接，位于电池组、副边线圈之间的线路与电容的一端相连接，电容的另一端与位于二极管、电池组之间的线路相连接；相邻的电池组相互串联，所有的电池组依次串联连接为一个动力电池包。
9.所述电控单元的数量为四个，相邻的电控单元相互并联，每个电控单元与辅助电源之间的连接结构一致，所有电控单元中的电池组依次串联连接为一个动力电池包。
10.所述辅助电源为磷酸铁锂独立电源。
11.单个电控单元中，mos场效应管的源极s与辅助电源的负极相连接，mos场效应管的漏极d与原边线圈相连接。
12.所述辅助电源、电控单元的输出电流都为直流电。
13.一种上述基于辅助电源的动力电池组主动均衡系统的使用方法，包括以下步骤：第一步：先使动力电池包静置开路，再获取每个电池单体的soc值，然后计算每一个电池组的soc均值，再以最大的soc均值为目标值，然后计算每个电池组的soc均值与目标值相差的阈值，该阈值等于（目标值—soc均值）/目标值；第二步：若上述阈值小于均衡开启阈值，则无需充电操作；若阈值大于或等于均衡开启阈值，则对该soc均值对应的电池组进行充电操作，即对该电池组所对应的电控单元中的mos场效应管输入一定占空比的调制波以对该电池组进行充电，直至该电池组的soc均值与目标值相差的阈值等于均衡停止阈值时，停止充电。
14.所述第二步中，若阈值大于或等于均衡开启阈值的soc均值的数量不止一个时，则重复上述操作，对所有需要充电的电池组同时进行充电操作。
15.所述电池组中，每个电池单体的旁侧都并联有一个旁路开关；所述第二步中，在对电池组进行充电操作时，电池管理系统实时监测该电池组内每一个电池单体的soc值，当某一个电池单体的soc值达到目标值时，闭合该电池单体的旁路开关，
……
，直至该电池组内所有电池单体都达到目标值时，即可实现该电池组的soc均值与目标值相差的阈值等于均衡停止阈值。
16.所述均衡开启阈值为0.5%—2%，所述均衡停止阈值为0.01%—0.05%。
17.所述均衡开启阈值为1%，所述均衡停止阈值为0.03%。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、本发明一种基于辅助电源的动力电池组主动均衡系统及使用方法中，包括辅助电源、电控单元与电池组，其中，辅助电源的数量为一个，电控单元、电池组的数量均为至少两个，电控单元、电池组一一对应，单个电池组内包括依次串联的多个电池单体；所述电控单元包括mos场效应管、励磁电感、二极管、电容与变压器，该变压器包括正对设置的原边线圈与副边线圈，电控单元与电池组、辅助电阻之间存在专门的连接结构，应用时，先使动力电池包静置开路，再获取每个电池单体的soc值，然后计算每一个电池组的soc均值，再以最大的soc均值为目标值，然后计算每个电池组的soc均值与目标值相差的阈值，再根据阈值
的大小来判断是否需要对电池组进行充电，若需要充电，则对电控单元中的mos场效应管输入一定占空比的调制波以对该电池组进行充电，直至该电池组的soc均值与目标值相差的阈值等于均衡停止阈值时，停止充电，此外，若阈值大于或等于均衡开启阈值的soc均值的数量不止一个时，则重复上述操作，对所有需要充电的电池组同时进行充电操作，从而使得各个电池组的soc均值全部达到目标值，进而实现各电池组的soc均衡，从整体上看，本设计不仅能够解决电池个体不一致的缺陷，确保电池组安全、高效且长久的运行，而且结构清晰，易于控制，利于降低控制成本。因此，本发明不仅对电池保护效果较佳，而且易于控制、控制成本较低。
19.2、本发明一种基于辅助电源的动力电池组主动均衡系统及使用方法中，相邻的电池组相互串联，所有的电池组依次串联连接为一个动力电池包，应用时，该设计既不妨碍实现各电池组的soc均衡，又不影响动力电池包的正常充电，即当电动汽车使用充电桩充电时，本主动均衡系统不工作，辅助电源的正极开关断开，所有电控单元都处于断路状态，随后，各个电池组进行串联充电，当各个电池组都充满之后，再断开充电桩与电池组之间的连接，然后将充电桩与辅助电源导通连接，而后将辅助电源充满。因此，本发明能保证各电池组的soc均衡与常规充电都能正常进行，互不干扰。
20.3、本发明一种基于辅助电源的动力电池组主动均衡系统及使用方法中，电控单元包括mos场效应管、励磁电感、二极管、电容与变压器，该变压器包括正对设置的原边线圈与副边线圈，电控单元与电池组、辅助电阻之间存在专门的连接结构，装配时，辅助电源的正极依次经原边线圈、mos场效应管后与辅助电源的负极相连接，位于原边线圈、mos场效应管之间的线路与励磁电感的一端相连接，励磁电感的另一端与辅助电源的正极相连接；所述电池组的正极依次经二极管、副边线圈后与电池组的负极相连接，位于电池组、副边线圈之间的线路与电容的一端相连接，电容的另一端与位于二极管、电池组之间的线路相连接，应用时，当需要辅助电源对某个电池组进行充电以实现电池组的soc均衡时，本发明是对该电池组所对应的电控单元中的mos场效应管输入一定占空比的调制波以对该电池组进行充电，可见，本发明的变压范围由mos场效应管的占空比、变压器原/副边匝数比共同确定，相比较一成不变的的变压器原/副边匝数比，mos场效应管的占空比是可以通过控制电路来进行改变的，具备较强的可调性，能够实现更多、更好的充电效果。因此，本发明的可调性较强，应用范围较广。
21.4、本发明一种基于辅助电源的动力电池组主动均衡系统及使用方法中，在单个电池组中，每个电池单体的旁侧都并联有一个旁路开关，应用中，当对电池组进行充电操作时，电池管理系统实时监测该电池组内每一个电池单体的soc值，当某一个电池单体的soc值达到目标值时，闭合该电池单体的旁路开关，
……
，直至该电池组内所有电池单体都达到目标值时，即可实现该电池组的充电，可见，本发明在实现电池组的soc均衡之前，能够先实现电池组内电池单体之间的soc均衡，立足于每个电池单体，真正实现全面的各电池的soc均衡。因此，本发明能够实现电池的全面soc均衡，soc均衡效果较好。
附图说明
22.图1是本发明的结构简图。
23.图2是本发明的拓扑电路图。
24.图3是本发明中电控单元的结构示意图。
25.图4是图3中mos场效应管导通时的电流方向示意图。
26.图5是图3中mos场效应管断开时的电流方向示意图。
27.图6是本发明的使用流程图一部分。
28.图7是本发明的使用流程图二部分。
29.图中：辅助电源1、正极开关11、电控单元2、mos场效应管21、励磁电感22、二极管23、电容24、变压器25、原边线圈251、副边线圈252、电池组3、电池单体4、旁路开关41、动力电池包5。
具体实施方式
30.以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
31.参见图1—图7，一种基于辅助电源的动力电池组主动均衡系统，包括辅助电源1、电控单元2与电池组3，所述辅助电源1的数量为一个，所述电控单元2、电池组3的数量均为至少两个，电控单元2、电池组3一一对应，单个电池组3内包括依次串联的多个电池单体4；所述电控单元2包括mos场效应管21、励磁电感22、二极管23、电容24与变压器25，该变压器25包括正对设置的原边线圈251与副边线圈252；所述辅助电源1的正极依次经原边线圈251、mos场效应管21后与辅助电源1的负极相连接，位于原边线圈251、mos场效应管21之间的线路与励磁电感22的一端相连接，励磁电感22的另一端与辅助电源1的正极相连接；所述电池组3的正极依次经二极管23、副边线圈252后与电池组3的负极相连接，位于电池组3、副边线圈252之间的线路与电容24的一端相连接，电容24的另一端与位于二极管23、电池组3之间的线路相连接；相邻的电池组3相互串联，所有的电池组3依次串联连接为一个动力电池包5。
32.所述电控单元2的数量为四个，相邻的电控单元2相互并联，每个电控单元2与辅助电源1之间的连接结构一致，所有电控单元2中的电池组3依次串联连接为一个动力电池包5。
33.所述辅助电源1为磷酸铁锂独立电源。
34.单个电控单元2中，mos场效应管21的源极s与辅助电源1的负极相连接，mos场效应管21的漏极d与原边线圈251相连接。
35.所述辅助电源1、电控单元2的输出电流都为直流电。
36.一种上述基于辅助电源的动力电池组主动均衡系统的使用方法，包括以下步骤：第一步：先使动力电池包5静置开路，再获取每个电池单体4的soc值，然后计算每一个电池组3的soc均值，再以最大的soc均值为目标值，然后计算每个电池组3的soc均值与目标值相差的阈值，该阈值等于（目标值—soc均值）/目标值；第二步：若上述阈值小于均衡开启阈值，则无需充电操作；若阈值大于或等于均衡开启阈值，则对该soc均值对应的电池组3进行充电操作，即对该电池组3所对应的电控单元2中的mos场效应管21输入一定占空比的调制波以对该电池组3进行充电，直至该电池组3的soc均值与目标值相差的阈值等于均衡停止阈值时，停止充电。
37.所述第二步中，若阈值大于或等于均衡开启阈值的soc均值的数量不止一个时，则
重复上述操作，对所有需要充电的电池组3同时进行充电操作。实现对多个电池组3同时进行均衡，减少了能量传输的损耗，加快了主动均衡速度。
38.所述电池组3中，每个电池单体4的旁侧都并联有一个旁路开关41；所述第二步中，在对电池组3进行充电操作时，电池管理系统实时监测该电池组3内每一个电池单体4的soc值，当某一个电池单体4的soc值达到目标值时，闭合该电池单体4的旁路开关41，
……
，直至该电池组3内所有电池单体4都达到目标值时，即可实现该电池组3的soc均值与目标值相差的阈值等于均衡停止阈值。
39.所述均衡开启阈值为0.5%—2%，所述均衡停止阈值为0.01%—0.05%。
40.所述均衡开启阈值为1%，所述均衡停止阈值为0.03%。
41.本发明的原理说明如下：本发明中的mos场效应管是指：mosfet金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, mosfet），其中，mos是mosfet的缩写。
42.本发明中的电池管理系统优选为bms电池系统，该系统俗称之为电池保姆或电池管家，既能实现智能化管理，还能维护各个电池单元，并且能监控各个电池的状态。
43.本发明中输入的调制波的占空比与初始soc差值（即目标值—soc均值）正相关，以实现适应性均衡。当某一电池组soc均值与目标值相差较大时，其输入的占空比也较大，输出充电电流也较大，从而保证充电速度；当电池组soc均值与目标值相差较小时，输入较小占空比，输出较小充电电流，从而减少对电池的损耗，延长电池单体使用寿命。
44.本发明中的电控单元2不仅包括mos场效应管21、励磁电感22、二极管23、电容24与变压器25这些零部件，而且对这些零部件之间的连接关系进行了限定，在应用时，能够避免电池组3的漏电和自放电等现象的发生。同时，还具备电气隔离的特点，能够提高本系统的整体安全性。
45.实施例1：参见图1—图7，一种基于辅助电源的动力电池组主动均衡系统，包括辅助电源1、电控单元2与电池组3，所述辅助电源1的数量为一个，所述电控单元2、电池组3的数量均为至少两个，电控单元2、电池组3一一对应，单个电池组3内包括依次串联的多个电池单体4；所述电控单元2包括mos场效应管21、励磁电感22、二极管23、电容24与变压器25，该变压器25包括正对设置的原边线圈251与副边线圈252；所述辅助电源1的正极依次经原边线圈251、mos场效应管21后与辅助电源1的负极相连接，位于原边线圈251、mos场效应管21之间的线路与励磁电感22的一端相连接，励磁电感22的另一端与辅助电源1的正极相连接；所述电池组3的正极依次经二极管23、副边线圈252后与电池组3的负极相连接，位于电池组3、副边线圈252之间的线路与电容24的一端相连接，电容24的另一端与位于二极管23、电池组3之间的线路相连接；相邻的电池组3相互串联，所有的电池组3依次串联连接为一个动力电池包5。
46.一种上述基于辅助电源的动力电池组主动均衡系统的使用方法，包括以下步骤（图6 图7是本发明的使用流程图的全貌）：第一步：先使动力电池包5静置开路，再获取每个电池单体4的soc值，然后计算每一个电池组3的soc均值，再以最大的soc均值为目标值，然后计算每个电池组3的soc均值与
目标值相差的阈值，该阈值等于（目标值—soc均值）/目标值；第二步：若上述阈值小于均衡开启阈值（均衡开启阈值优选为0.5%—2%），则无需充电操作；若阈值大于或等于均衡开启阈值，则对该soc均值对应的电池组3进行充电操作，即对该电池组3所对应的电控单元2中的mos场效应管21输入一定占空比的调制波以对该电池组3进行充电，直至该电池组3的soc均值与目标值相差的阈值等于均衡停止阈值（均衡停止阈值优选为0.01%—0.05%）时，停止充电。此外，所述第二步中，若阈值大于或等于均衡开启阈值的soc均值的数量不止一个时，则重复上述操作，对所有需要充电的电池组3同时进行充电操作。
47.实施例2：基本内容同实施例1，不同之处在于：结构上：所述电池组3中，每个电池单体4的旁侧都并联有一个旁路开关41。
48.使用方法上：所述第二步中，在对电池组3进行充电操作时，电池管理系统实时监测该电池组3内每一个电池单体4的soc值，当某一个电池单体4的soc值达到目标值时，闭合该电池单体4的旁路开关41，
……
，直至该电池组3内所有电池单体4都达到目标值时，即可实现该电池组3的soc均值与目标值相差的阈值等于均衡停止阈值。
49.实施例3：基本内容同实施例1，不同之处在于：单个电控单元2中，mos场效应管21的源极s与辅助电源1的负极相连接，mos场效应管21的漏极d与原边线圈251相连接。所述辅助电源1、电控单元2的输出电流都为直流电。
50.实施例4：基本内容同实施例1，不同之处在于：当输入一定占空比的调制波以对该电池组3进行充电时，输入固定占空比以恒流充电。
51.实施例5：基本内容同实施例1，不同之处在于：所述第一步中，所述获取每个电池单体4的soc值是指：先由电池管理系统检测各电池单体4的开路电压，再通过计算得出其soc值。
52.实施例6：基本内容同实施例1，不同之处在于：一种上述基于辅助电源的动力电池组主动均衡系统的使用方法，还包括以下步骤：当本主动均衡系统所在的电动汽车使用充电桩充电时，本主动均衡系统不工作，先使辅助电源1的正极开关11断开，所有电控单元2都处于断路状态，再对各个电池组3进行串联充电，当各个电池组3充满之后，断开充电桩与电池组3之间的连接，然后将充电桩与辅助电源1导通连接，而后将辅助电源1充满。
53.以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。