蓄电池主动均衡系统及其供电平衡方法与流程

本发明涉及电池管理，尤其涉及一种蓄电池主动均衡系统及其供电平衡方法。

背景技术：

1、蓄电池、超级电容等蓄电装置，光伏系统等发电装置(为了说明方便，以下都用电池、电池组代替)的单体电压和容量都较低，在大系统里难以直接使用，实际应用中往往需要多节电池串联以提高电压，多节电池并联以提高容量。由于生产环境、工艺参数、原材料以及使用环境的差别，单体电池存在着一致性问题，需要主动均衡来进行能量管理。

2、主动均衡功能通常不独立存在，与电池电压、电流、温度采集等功能集成在一起，参见如图1，所示为现有技术bms系统供电示意图，主动均衡功能集成在各个从控单元中，其中，电源用于给从控单元提供能量，可以为蓄电池、充电桩、开关电源等，视bms的具体应用场合需求而定；k为电源控制开关，由整个系统供电逻辑控制；其他ecu为系统中所有由电源控制开关k控制供电的其他电气设备的总称；vs为电源提供的电压，vbus为电源控制开关后所有电气设备的供电母线电压。

3、由图1的系统可知，bmu和其他ecu同步工作和同步关闭。同步工作时，动力电池处于动态充放电状态，参见图2，所示为动力电池主回路电流对电压采样的影响示意图，动力电池上有电流i流过，其中vb1、vbn为实际电池电压，vb1、vbn为模拟前端看到的电压，vs为mcu采样到的电压，r1、rn为各单串电池的等效串联电阻，由动力电池欧姆内阻、极化内阻、连接条电阻和接触电阻组成，各串电池差异很大。由此可知，图1的技术方案至少存在如下缺陷：

4、(1)afe看到的电压vbn＝vbn+i*rn，不是实际电池电压vbn，而各等效串联电阻rn差异很大，并且主回路电流i是实时变化的，用vbn表示电池电压vbn误差很大。

5、(2)磷酸铁锂电池soc在15％与85％之间有一个很大的电压平台，参见图3，所示为磷酸铁锂电池soc、ocv曲线示意图，在va和vb之间，电池电压变化很小，但是soc差异可以很大，也即微小的电压采样误差会引起很大的soc计算错误。

6、(3)电池充放电状态，即动态时，由于采样的电压不准，均衡算法容易误判，引起均衡方向错误，降低实际均衡效果，甚至起反作用，这是限制主动均衡应用推广的重要因素。

7、为了克服上述技术缺陷，现有技术提出了一种改进方案，参见图4，所示为现有改进方案中主动均衡与低压供电连接示意图，在供电开关k和各主动均衡bmu之间增加一个二极管，主动均衡bmu连接在二极管d之后的vbus_in母线上，并在此母线上并联一个储能电池，或者大电容等存储能量的部件；系统上其他ecu连接在二极管前端的vbus母线上。

8、由于设置了储能电池，供电开关k断开后，电源vs不再给bmu提供能量，在主动均衡开起来前，储能电池给bmu提供供电，方便主动均衡顺利开启；主动均衡的瞬时均衡充电和均衡放电能量不平衡由储能电池消纳，支撑vbus_in母线，提供一个稳定的电压。

9、因此，电源控制开关k闭合时，其他ecu和bmu除了主动均衡功能外的其他功能都工作；开关k断开时，其他ecu掉电关闭，bmu中的mcu检测到vbus掉电，开启主动均衡功能，从动力电池向vbus_in母线传输能量(均衡放电)，并给bms系统供电，由于二极管d的存在，均衡放电的能量不会给其他ecu供电。均衡工作时，其他ecu不工作，动力电池处于静置状态没有主回路大电流经过，bmu中的afe采样到的电池电压是准确的。

10、然而，图4所示的现有改进方案仍存在以下缺陷：

11、(1)、各bmu上的主动均衡功率都通过储能电池支持，需要严格匹配充放电功率，否则会引起储能电池过放，或者过充，进而损坏储能电池，使主动均衡功能失效；

12、(2)、严格匹配充放电功率会增加均衡算法复杂性，对主动均衡硬件电路的功率精度也提出了更高要求；

13、(3)、同时储能电池也需要过充、过放、过流、短路等保护，进一步增加了系统复杂程度，降低系统可靠性；

14、(4)、系统额外增加一个储能电池，增加了成本和体积，给现场安装也带来困难；

15、(5)、储能电池寿命是有限的，主动均衡高频率的充放，是系统寿命的瓶颈。

16、故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，确有必要提供一种蓄电池主动均衡系统及其供电平衡方法，从而无需设置储能电池，降低系统成本，同时提高系统可靠性。

2、为了解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案如下：

3、一种蓄电池主动均衡系统，该系统设置bms主控以及多个主动均衡bmu，其中，每个主动均衡bmu设置至少一个均衡模块，均采用双向均衡，每个均衡模块的一端与相对应的电池箱连接，其另一端接入内部供电母线vbus_in，用于根据bms主控的控制指令执行均衡动作；bms主控通过通信总线与各个主动均衡bmu相连接，用于获取各个主动均衡bmu采集的电池信息并以此计算均衡算法以控制均衡模块执行充电均衡、放电均衡或者关闭等操作，其中，充电均衡操为内部供电母线vbus_in给电池箱中的单体电池充电，放电均衡为将电池箱中的单体电池放电到内部供电母线vbus_in；

4、还设置与电源相连接的外部供电母线vbus，外部供电母线vbus与内部供电母线vbus_in之间设置单向导电元件使内部供电母线vbus_in的电流无法回流至外部供电母线vbus，其他ecu与外部供电母线vbus相连接，bms主控与内部供电母线vbus_in和外部供电母线vbus相连接，用于检测外部供电母线vbus是否有电，并当外部供电母线vbus掉电时，能够利用至少一个电池箱放电至内部供电母线vbus_in为系统提供供电。

5、作为进一步的改进方案，电源开关k闭合时，电源供电至外部供电母线vbus，其他ecu正常工作，bms系统正常工作但不执行主动均衡功能；电源开关k断开时，外部供电母线vbus无供电，其他ecu不工作，bms主控检测到vbus掉电后执行均衡算法，并将均衡控制命令发送给各个bmu以此执行均衡动作；其中，均衡算法未工作时，利用至少一个电池箱放电至内部供电母线vbus_in为系统提供供电。

6、作为进一步的改进方案，均衡算法不工作时，bms主控控制电压最高的单体电池进行放电均衡。

7、作为进一步的改进方案，所有电池箱都满足一致性要求时，bms主控向各个bmu发送控制指令以关闭均衡功能。

8、作为进一步的改进方案，单向导电元件采用二极管，二极管的阳极与外部供电母线vbus相连接，其阴极与内部供电母线vbus_in相连接。

9、作为进一步的改进方案，通信总线采用can总线。

10、本发明还公开了一种蓄电池主动均衡系统供电平衡方法，采用上述的主动均衡系统架构，至少包括如下步骤：

11、bms主控检测外部供电母线vbus电压；

12、当外部供电母线vbus正常供电时，由电源为整个系统供电，其他ecu正常工作，bms系统正常工作但不执行主动均衡算法；

13、当外部供电母线vbus不供电时，其他ecu不工作，bms主控检测到vbus掉电，开始执行均衡算法并下发各个均衡模块的控制指令，各个主动均衡bmu根据bms主控的控制指令执行均衡动作；

14、其中，每个主动均衡模块均采用双向均衡，能够执行充电均衡、放电均衡或者关闭操作；均衡算法不工作时，bms主控控制至少一个电池箱放电至内部供电母线vbus_in为系统提供供电。

15、作为进一步的改进方案，bms主控控制电压最高的单体电池进行放电均衡。

16、作为进一步的改进方案，均衡算法工作时，放电均衡输出功率大于充电均衡输入功率。

17、作为进一步的改进方案，主动均衡bmu充电均衡为输出恒流限压，其放电均衡为输入恒流、输出限压，或者输出恒流限压。

18、作为进一步的改进方案，配置主动均衡bmu功率原则如下：

19、pdsg_o≥pchg_in，且kdsg≥kchg，或者pdsg_o＜pchg_in，但pdsg_o*kdsg≥pchg_in*kchg；

20、其中，pdsg_o为单个均衡模块的均衡放电输出功率，pchg_in为单个主动均衡模块的均衡充电输入功率，kdsg为同一个均衡算法周期内放电均衡通道数，kchg为同一个均衡算法周期内充电均衡通道数。

21、作为进一步的改进方案，均衡算法设置分时机制，其中，均衡算法周期t为包括均衡工作期tb和电池恢复期tr，均衡工作期tb中，各个主动均衡bmu的均衡状态保持不变；电池恢复期tr中，均衡不工作，以电池恢复期tr中采样的单体电池电压为基础计算下一周期所要执行的均衡算法。

22、作为进一步的改进方案，每个均衡算法周期t在电池恢复期tr最后一次电压采样之后，bms主控以此为基础计算下一周期所要执行的均衡动作。

23、作为进一步的改进方案，每个均衡算法周期t设置多个采样周期ts，其中，均衡工作期tb中采样周期ts的个数和电池恢复期tr中采样周期ts的个数由实际电池的特性决定。

24、作为进一步的改进方案，采样周期ts中设置采样间歇期tgap，在采样间歇期tgap中进行电压采样，该采样得到的电压值用于各种保护，不用于均衡算法。

25、作为进一步的改进方案，每个均衡工作期tb中，充电均衡和放电均衡均同步执行，如果执行放电均衡，采样间歇期tgap之后为放电均衡工作期tdsg；如果执行充电均衡，采样间歇期tgap之后依次为时间差tclear、充电均衡工作期tchg和时间差tclear，其中，tclear为充电均衡与放电均衡之间的时间差，充电均衡工作期tchg的前后各设置一段tclear以确保内部供电母线vbus_in不掉电。

26、与现有技术相比较，本发明具有以下技术效果：

27、(1)能够避免储能电池的应用，降低成本，提高系统可靠性；同时简化现场安装，提高效率；

28、(2)本发明均衡算法周期中引进电池恢复期，使得均衡算法使用的单体电压值更加精确，soc计算更准确，提升均衡效果；

29、(3)只要保证整个系统均衡放电输出功率大于均衡充电输入功率即可，无需严格匹配充电均衡功率和放电均衡功率，简化硬件功率精度要求和均衡算法。当出现异常，比如均衡模块损坏，或者均衡算法出错时，pdsg_o*kdsg≥pchg_in*kchg的供电平衡破坏，系统掉电不工作，均衡系统固有安全。