模塊智能檢測和識別方法、多路校驗(yàn)容錯(cuò)通訊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種模塊智能檢測和識別方法、多路校驗(yàn)容錯(cuò)通訊方法，屬于電動汽車技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]電動汽車是指以車載電源為動力，用電機(jī)驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。由于電動汽車使用存儲在電池中的電能來發(fā)動，相對于傳統(tǒng)的燃油汽車對環(huán)境影響較小，電動汽車的前景被廣泛看好。動力電池是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)，決定了它的續(xù)行里程和成本。由于電池單體的電壓不高(磷酸鐵鋰電池通常為3.2-3.3V，三元材料鋰電池通常為3.6V)，需要電池大規(guī)模的串并聯(lián)達(dá)到驅(qū)動電機(jī)所需的電壓等級。因此，成組后通常存在上百只電池的大規(guī)模串聯(lián)。如圖1所示，為現(xiàn)有電動汽車中電池組串聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，為現(xiàn)有電動汽車中電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0003]電池的特性與其它電子器件不同，它會隨著使用逐漸老化和衰減。在電特性上主要體現(xiàn)為內(nèi)阻的變化，這種變化一方面在整個(gè)壽命周期內(nèi)是必然存在的，另一方面成組后組內(nèi)各個(gè)電池的衰減規(guī)律又是不同的，這主要是因?yàn)榻M內(nèi)電池的工作溫度(電池發(fā)熱后由于熱積聚，中心位置溫度高于周邊位置)、生產(chǎn)加工的一致性等原因造成的。大規(guī)模成組的電池，如果不加以管理其結(jié)果就是整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、安全性、電氣特性取決于串聯(lián)各單體中性能最差的一個(gè)，即木桶效應(yīng)。為此，現(xiàn)有技術(shù)提出通過電池管理系統(tǒng)(BMS)管理電池內(nèi)的各電池單體，解決電池組內(nèi)各電池單體之間的不均衡，簡而言之就是將容量多的電池上多余的能量消耗掉或轉(zhuǎn)移給容量少的電池。但除此之外，電動汽車還有一個(gè)重要的工作是驅(qū)動電機(jī)行走，滿足駕駛需求，這部分是由另一個(gè)主要部件電機(jī)控制器完成的，與電池和BMS在功能上相互獨(dú)立，可見，現(xiàn)有的技術(shù)體系中電機(jī)驅(qū)動的功能和能量管理(電池+BMS)是獨(dú)立的。
[0004]通過分析，不難發(fā)現(xiàn)目前的技術(shù)路線存在如下技術(shù)問題需要解決:
(1)儲能部分:
a)大規(guī)模串聯(lián)后電池的動態(tài)均壓困難。長期使用，電池單體的特性不均導(dǎo)致充放電電壓不一致，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電池?fù)p毀。
[0005]b)為了實(shí)現(xiàn)動態(tài)均壓，需要復(fù)雜、昂貴的電池管理系統(tǒng)(BMS)，電池管理系統(tǒng)一般占電池成本的15-25%，而電池又占了整車成本的50-60%左右。
[0006]c)鋰電池的特性受生產(chǎn)條件、使用周期、工作環(huán)境等因素的影響，即使同一品牌的電池在長時(shí)間使用后也很難做到良好的一致性。因此，不同廠家、不同批次、不同時(shí)間生產(chǎn)的電池，往往不能混用。從而，導(dǎo)致在新能源汽車推廣的過程中，出現(xiàn)了如下問題:儲能系統(tǒng)在出廠時(shí)，需要浪費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力對電池單體進(jìn)行多項(xiàng)指標(biāo)的檢測，以保證各批次的一致性;在使用一段時(shí)間后，如果某個(gè)電池單體發(fā)生故障，替換又非常困難(很難找到衰減特性一致的電池去替換)，造成售后服務(wù)成本的提高;各個(gè)廠家生產(chǎn)的鋰電池特性很難做到一致，彼此替換困難;不同類型的電池(如鋰電池與鉛酸電池之間)更是無法相互替換，從而嚴(yán)重影響新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
[0007](2)電控系統(tǒng):
a)系統(tǒng)安全性差:而作為車載控制系統(tǒng)，其控制方式和控制需求有別于傳統(tǒng)工業(yè)變換器系統(tǒng)。采用兩電平拓?fù)?即現(xiàn)有技術(shù)路線的驅(qū)動控制器)，一旦某個(gè)電力電子器件或電容器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)即停止工作。在車載系統(tǒng)中，這無疑將導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患(如高速路上車輛突然失控)。
[0008]b)DC_DC變換器和兩電平變換器的諧波成分依然較大，會造成對車輛儀表、車載電器和通訊設(shè)備的干擾。
[0009]c)BMS現(xiàn)有的產(chǎn)品通常其均衡電流僅為5A左右，均衡能力有限，而電機(jī)的輸出電流通常接近100A，甚至更高。如果電池單體出現(xiàn)了較大的差異，在大電流輸出時(shí)會加速不均衡，而現(xiàn)有BMS的均衡能力比電機(jī)輸出小一個(gè)量級(10倍)，它只能滿足靜態(tài)均衡(即充電狀態(tài)下進(jìn)行均衡控制)的需求。而如果加大均衡電流，提高均衡速度，成本又要進(jìn)一步提高。
[0010]中國專利CN104953675A提出了能源管理設(shè)備、電控系統(tǒng)和電控方法、電動汽車的申請，其解決了上述現(xiàn)有電動汽車電池組中電池大規(guī)模的串聯(lián)所導(dǎo)致的電池一致性要求高、檢測成本高、電池替換困難、BMS均衡能力不足從而沒法滿足大規(guī)模串聯(lián)后電池組的動態(tài)均壓的技術(shù)問題。如圖3所示，為專利CN104953675A中能源管理設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示，為專利CN104953675A中電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011 ] 專利CN104953675A的電控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):
(1)各儲能單元通過級聯(lián)橋單元可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，無大規(guī)模電池串聯(lián)，可兼容不同電氣特性的電池組，各級聯(lián)單元電氣特性不必完全一致，因此可兼容不同廠家、不同生產(chǎn)年限甚至是不同類型的電池。
[0012](2)由于串聯(lián)單體數(shù)量少，如以12只單體作為一個(gè)單元，僅要求這12個(gè)單體特性盡量一致即可，而不需要單元之間非常一致。因此生產(chǎn)、維護(hù)、更換時(shí)都比較方便。
[0013](3)單體的體積小、重量輕、散熱容易設(shè)計(jì)，不易產(chǎn)生熱積聚，不會再出現(xiàn)中心單體溫度與周圍單體差異很大的情況，有利于減緩因電池衰減帶來的不一致。
[0014](4)系統(tǒng)兼容充電與換電兩種運(yùn)營模式。換電模式下，只需依據(jù)剩余電量將各級聯(lián)單元電池全部或部分更換，操作靈活，不再像現(xiàn)有的換電系統(tǒng)需要整個(gè)電池組更換。充電模式下，可以直接接入交流電源，通過級聯(lián)變換器對系統(tǒng)各儲能單元進(jìn)行充電。
[0015](5)儲能單元為模塊級聯(lián)，可通過電力電子器件進(jìn)行旁路。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)可通過控制切出故障單元，系統(tǒng)降額運(yùn)行，可靠性和安全性得到提高。旁路結(jié)構(gòu)如圖5所示，當(dāng)處于旁路狀態(tài)時(shí)，可以選擇上管旁路(圖的上部分)或下管旁路(圖的下部分)。無論哪種旁路形式，也無論電流是從A端流入、B端流出，還是從B端流入、A端流出，此時(shí)電流都不經(jīng)過電池，也就意味著電池不參與放電或充電，等效于被旁路。
[0016](6)級聯(lián)變換器的基本特點(diǎn)是多電平階梯波輸出，這種多電平輸出使得系統(tǒng)的諧波特性更優(yōu)，減少了其他車載設(shè)備和通訊設(shè)備的干擾。
[0017](7)各儲能單元為低壓，控制器關(guān)閉后對每個(gè)模塊對人體都是相對安全的，因此在出現(xiàn)極端情況(如交通事故導(dǎo)致車體受損等情況)時(shí)可以大大降低人體觸電傷亡的幾率。
[0018]上述電控系統(tǒng)(也稱“級聯(lián)系統(tǒng)”)采用兩級控制結(jié)構(gòu)，第一級(也稱“外級”)能源管理由能源管理設(shè)備(在本申請中也稱作“模塊”，如圖8所示)中的Η橋?qū)崿F(xiàn)，通過控制各能源管理設(shè)備中的Η橋的占空比，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)能源管理設(shè)備不同的導(dǎo)通時(shí)間，而由于同一個(gè)輸出相位的電流是相同的，因此同樣的電流作用不同的時(shí)間就可以產(chǎn)生不同的放電電量或充電電量。而且，通過改變開關(guān)對的導(dǎo)通規(guī)則，還可以實(shí)現(xiàn)同樣輸出電流的情況下，能源管理設(shè)備既可以工作在充電狀態(tài)又可以工作在放電狀態(tài);第二級(也稱“內(nèi)級”)的能源管理指的是能源管理設(shè)備內(nèi)部的串聯(lián)單體之間的能量均衡控制。如圖6中，電池包由12只單體組成，單體之間串聯(lián)，同時(shí)每個(gè)單體的正極和負(fù)極均通過均衡開關(guān)與BMS開關(guān)變壓器原邊的兩端相連接。當(dāng)某個(gè)單體電壓高于設(shè)定電壓或電量高于設(shè)定電量時(shí)，均衡開關(guān)接通，均衡變壓器原副邊的開關(guān)器件動作，將能量由被均衡單體傳遞給均衡電池；當(dāng)某個(gè)電池電壓低于設(shè)定電壓或電量低于設(shè)定電量時(shí)，同樣接通均衡開關(guān)，此時(shí)均衡電池將能量傳遞給被均衡單體。
[0019]綜上所述，上述專利CN104953675A提出的電控系統(tǒng)，在物理結(jié)構(gòu)和功能上集成了“電機(jī)驅(qū)動”、“電池管理”、“充電”三大功能，具備良好的兼容性(不同特性和類型的電池)和可靠性(故障切出、容錯(cuò))。
[0020]如圖7為專利CN104953675A電控系統(tǒng)的仿真輸出波形圖。仿真時(shí)采用了每相6個(gè)能源管理設(shè)備的結(jié)構(gòu)。仿真條件設(shè)定6個(gè)能源管理設(shè)備的初始電量差分別為(80%、70%、60