能源管理設(shè)備、電控系統(tǒng)和電控方法、電動(dòng)汽車的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子技術(shù)，尤其是一種能源管理設(shè)備、電控系統(tǒng)和電控方法、電動(dòng)汽 車。
【背景技術(shù)】
[0002] 電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)汽車使用存儲(chǔ)在電池中的電能來(lái)發(fā)動(dòng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的燃油汽車 對(duì)環(huán)境影響較小，電動(dòng)汽車的前景被廣泛看好。
[0003] 動(dòng)力電池是電動(dòng)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，例如，磷酸鐵鋰電池的電壓通常為3. 2V-3. 3V，三元材料鋰電池的電壓通常為 3. 6V，需要電池大規(guī)模的串聯(lián)來(lái)達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的電壓等級(jí)。因此，電動(dòng)汽車的供電電源 通常為由上百只電池大規(guī)模串聯(lián)的電池組。如圖1所示，為現(xiàn)有電動(dòng)汽車電池組的一個(gè)示 意圖，電動(dòng)公交車供電電源的電壓通常為384V，由116只單體電壓為3. 3V的鋰電池串聯(lián)而 成。如圖2所示，為現(xiàn)有電動(dòng)汽車中電控系統(tǒng)的一個(gè)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0004] 電池的特性與其它電子器件不同，它會(huì)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。電池這種變化在整個(gè)壽命周期內(nèi)是必然存在的，并且成組后電池組 內(nèi)各個(gè)電池的衰減規(guī)律是不同的，這主要是因?yàn)樯a(chǎn)加工的一致性、以及電池組內(nèi)電池的 工作溫度特性等原因造成的。在制造過(guò)程中，由于工藝問(wèn)題和材質(zhì)的不均勻，會(huì)導(dǎo)致電池在 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的不完全一致性，這就會(huì)使同一批次出場(chǎng)的同一型號(hào)電池的容量、內(nèi)阻 和電壓等參數(shù)值不可能完全一致；在裝車使用時(shí)，由于電池組中各電池的溫度、通風(fēng)條件、 自放電程度、電解液密度等差別的影響，在一定程度上增加了電池容量、內(nèi)阻和電壓等參數(shù) 的不一致。由于上述電池間的個(gè)體差異，導(dǎo)致電池組充電時(shí)，容量最小的電池容易過(guò)充，放 電時(shí)容量最小的電池又容易過(guò)放，由于容量最小的電池受損，容量變得更小，進(jìn)入惡性循 環(huán)，因此，電池組的可靠性、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)，此即木 桶效應(yīng)。
[0005] 針對(duì)上述電池組的木桶效應(yīng)問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)提出通過(guò)電池管理系統(tǒng)（BMS)管理電 池組內(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，將容量多的電池上多余的 能量消耗掉或者轉(zhuǎn)移給容量少的電池。
[0006] 在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能系統(tǒng)至少存在以下問(wèn) 題：
[0007] 由于鋰電池的特性受生產(chǎn)條件、使用周期、工作環(huán)境等因數(shù)的影響，即使同一品牌 的電池在長(zhǎng)時(shí)間使用后也很難做到良好的一致性，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(guò)程中，出現(xiàn)了如下問(wèn)題：儲(chǔ)能系統(tǒng)在出 廠時(shí)，需要浪費(fèi)大量的人力、物理、財(cái)力對(duì)電池單體進(jìn)行多項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)，以保證各批次的 一致性；在使用一段時(shí)間后，如果電池組中某個(gè)電池單體發(fā)生故障，替換又非常困難，很難 找到與其衰減特性一致的電池用于替換，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（例如，鋰電與鉛酸電池之間）更是 無(wú)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；
[0008] 如果電池組內(nèi)電池單體之間出現(xiàn)了較大的差異，在大電流輸出下會(huì)加速電池單體 之間的不均衡。而現(xiàn)有BMS產(chǎn)品的均衡電流通常為5A左右，電機(jī)的最大輸出電流通常接近 100A甚至更高，BMS的均衡能力比電機(jī)輸出小一個(gè)量級(jí)（即：10倍），因此現(xiàn)有BMS只能滿 足靜態(tài)均衡的需求，即：只能實(shí)現(xiàn)電池組充電狀態(tài)下的均衡控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模串聯(lián)后電 池組在大功率放電情況下的動(dòng)態(tài)均壓，這就使得電池組在長(zhǎng)期使用時(shí)，由于電池單體的特 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；
[0009] 目前BMS-般已占儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的15~25%，而儲(chǔ)能系統(tǒng)又占了整車成本的 50-60%左右，若要實(shí)現(xiàn)電池組的動(dòng)態(tài)均壓，需提高BMS的均衡能力，則BMS的成本又需進(jìn)一 步提尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明實(shí)施例提供一種能源管理設(shè)備、電控系統(tǒng)和電控方法、電動(dòng)汽車，以解決現(xiàn) 有電動(dòng)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(cè)成本高、電池替 換困難、BMS均衡能力不足以滿足大規(guī)模串聯(lián)后電池組的動(dòng)態(tài)均壓的技術(shù)問(wèn)題。
[0011] 本發(fā)明實(shí)施例提供的一種能源管理設(shè)備，包括：
[0012] H橋單元；
[0013] 與所述H橋單元并聯(lián)、作為所述H橋單元的輸入電源的電池組，所述電池組包括串 聯(lián)在一起的由M個(gè)電池，其中，M為大于1的整數(shù)；和
[0014] 分別與所述電池組中的各電池連接、對(duì)所述電池組進(jìn)行能量均衡控制的電池管理 系統(tǒng)BMS。
[0015] 在上述能源管理設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例中，所述BMS包括能量轉(zhuǎn)移型BMS或能量消 耗型BMS。
[0016] 在上述能源管理設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例中，能量轉(zhuǎn)移型BMS包括共享變壓器均衡型 BMS、開(kāi)關(guān)電容式BMS或開(kāi)關(guān)變壓器均衡型BMS。
[0017] 本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電控系統(tǒng)，包括主控制器、3N個(gè)分控制器和3N個(gè)能源管 理設(shè)備；其中，所述能源管理設(shè)備包括H橋單元，與所述H橋單元并聯(lián)、作為所述H橋單元的 輸入電源的電池組，和分別與所述電池組中的各電池連接、對(duì)所述電池組進(jìn)行能量均衡控 制的BMS，所述電池組包括串聯(lián)在一起的由M個(gè)電池，M、N分別為大于1的整數(shù)；3N個(gè)能源 管理設(shè)備構(gòu)成第一相組、第二相組和第三相組共三個(gè)相組，每個(gè)相組包括N個(gè)能源管理設(shè) 備，每個(gè)相組中的N個(gè)能源管理設(shè)備通過(guò)能源管理設(shè)備中的H橋單元級(jí)聯(lián)；第一相組、第二 相組和第三相組分別包括兩個(gè)端口，所述兩個(gè)端口包括輸入端口和輸出端口，第一相組的 兩個(gè)端口中的一個(gè)端口連接至電機(jī)的U相端子，第一相組的兩個(gè)端口中的另一個(gè)端口分別 與第二相組和第三相組的兩個(gè)端口中的一個(gè)端口連接，第二相組和第三相組的兩個(gè)端口中 的另一個(gè)端口分別連接至電機(jī)的V相端子和W相端子；其中：
[0018] BMS，用于采集電池組的電壓、充放電電流和溫度參數(shù)，和電池組中各電池的電壓、 溫度、充放電電流參數(shù)；以及根據(jù)信號(hào)采集模塊采集的參數(shù)估測(cè)電池組的荷電狀態(tài)SOC和 電池組內(nèi)各電池的SOC，并進(jìn)行電池組內(nèi)電池間的均衡充電和放電，使組中各電池達(dá)到均衡 一致的狀態(tài)；
[0019] 3N個(gè)分控制器中的各分控制器，分別與一個(gè)能源管理設(shè)備連接，用于采集所連接 能源管理設(shè)備中電池組的電壓、充放電電流和溫度參數(shù)，電池組中各電池的電壓、溫度、充 放電電流參數(shù)，電池組和電池組內(nèi)各電池的SOC參數(shù)，以及分控制器自身的電流、電壓和溫 度參數(shù)，并上傳給主控制器；以及根據(jù)主控制器下發(fā)的脈沖寬度調(diào)制PWM占空比信息對(duì)PWM 進(jìn)行處理后輸出給連接的能源管理設(shè)備中的H橋單元以驅(qū)動(dòng)該H橋單元?jiǎng)幼?，從而控制?源管理設(shè)備的工作狀態(tài)、和工作狀態(tài)下的工作時(shí)長(zhǎng)；
[0020] 主控制器，分別與各分控制器通信連接，根據(jù)各分控制器上傳的參數(shù)信息，獲取每 個(gè)輸出相組中各能源管理設(shè)備的電量和/或電壓；并依據(jù)輸出相組中各能源管理設(shè)備的電 量和/或電壓信息，結(jié)合電機(jī)的速度、電流和溫度參數(shù)信息，計(jì)算各能源管理設(shè)備的PWM占 空比并分別下發(fā)給各能源管理設(shè)備連接的分控制器。
[0021] 在上述電控系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，所述能源管理設(shè)備包括權(quán)利要求2至4任意 一項(xiàng)所述的能源管理設(shè)備。
[0022] 在上述電控系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，還包括所述電機(jī)。
[0023] 在上述電控系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，還包括交流電源，連接至電機(jī)的U、V、W相端 子，向能源管理設(shè)備輸入三相電。
[0024] 在上述電控系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，還包括電機(jī)信息采集單元，用于根據(jù)主控制 器發(fā)送的電機(jī)參數(shù)采集指示采集電機(jī)的速度、電流和溫度參數(shù)并上報(bào)給主控制器；
[0025] 所述主控制器還用于向電機(jī)信息采集單元發(fā)送電機(jī)參數(shù)采集指示。
[0026] 在上述電控系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，所述分控制器，還用于在檢測(cè)到自身或所連 接能源管理設(shè)備故障時(shí)，切斷故障的自身或所連接能源管理設(shè)備輸出并向主控制上報(bào)故障 信息；或者在檢測(cè)到自身或所連接能源管理設(shè)備工作狀態(tài)不佳但仍處于許可工作狀態(tài)范圍 內(nèi)時(shí)，向主控制上報(bào)工作狀態(tài)不佳的報(bào)警信息。
[0027] 在上述電控系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，所述主控制器，還用于在檢測(cè)到自身、分控制 器或能源管理設(shè)備故障時(shí)，切斷故障的自身、分控制器輸出，或指示相應(yīng)的分控制器切斷故 障的能源管理設(shè)備輸出并向相應(yīng)分控制器發(fā)送故障信息；或者在檢測(cè)到自身工作狀態(tài)不佳 但仍處于許可工作狀態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，向所有分控制器控制下發(fā)工作狀態(tài)不佳的報(bào)警信息，或 在檢測(cè)到分控制器或能源管理設(shè)備工作狀態(tài)不佳但仍處于許可工作狀態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，向相應(yīng) 分控制器控制下發(fā)工作狀態(tài)不佳的報(bào)警信息。
[0028] 本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電動(dòng)汽車，包括上層控制器和上述任一實(shí)施例的電控系 統(tǒng)，所述上層控制器與所述電控系統(tǒng)中的主控制器通信連接，進(jìn)行相應(yīng)的工作信息交互。
[0029] 本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于上述電控系統(tǒng)實(shí)施例的電控方法，包括：
[0030] BMS對(duì)相應(yīng)能源管理設(shè)備中的電池組進(jìn)行能量均衡控制；和
[0031] 分控制器采集所連接能源管理設(shè)備中電池