[发明专利]新能源汽车电力驱动系统及其电池电量主动均衡方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新能源汽车电力系统，特别是一种新能源汽车电力驱动系统及其电池电量主动均衡方法。

背景技术

新能源汽车可以划分为纯电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV），由电力驱动系统为汽车运行提供全部或者部分动力。新能源汽车的电力驱动系统包括动力电池组、电池管理系统（BMS）、车载充电器、电机驱动逆变器、电机等高压部件，除此以外一般还有低压电子系统包括整车控制器VCU/HCU、辅助电源DC/DC等。

现有的高压电池组采用大数量的电池单体串并联成组，其输出为单一端口的高直流电压。高压电池组必须附带电池组管理系统（BMS），用于对电池单体的电压电流、剩余电量、运行温度、电池健康度等参数进行监测和保护，必要时还要对电池单体的剩余电量进行主动或被动均衡。由于高压电池组的电池单体数量很多，故其成组电路结构和BMS系统的结构非常复杂，往往采用并-串-并三层以上的架构，必须要数十个电路板组成。

高压电池组的高压直流输出电压连接到电机驱动逆变器，将直流电源变换为新能源汽车运行所需要的交流电源供给电机。交流电源的电压、电流、频率等由整车控制系统的驾驶指令决定。新能源汽车一般都配有车载充电电源，用来将市电变换成高压直流电源给高压电池组充电。

高压电池组、BMS、电机驱动逆变器、车载充电器从电气结构上来说是独立的部件，相互之间通过高压直流母线连接。除了高压电池组以外，所有部件又通过车载的CAN总线等信息总线相互连接，与整车控制器连接并受其控制。

当前的新能源汽车电机驱动系统存在如下困难或者问题：

1）电池成组困难，电池组整体寿命降低

由于工艺、安全、经济性等方面的限制，锂离子电池的单体容量都有限，新能源车车载电池均采用单体电池串并联成组使用。并联使用时不同支路由于参数不一致会导致充放电不均衡，即使能够精密检测每条支路的电流，由于端电压一致，无法对各条支路进行有效的电流均衡控制。无论先串后并还是先并后串，由于电机工作电压高达5百伏特以上，而电池单体电压较低都在4伏特以下，因此电池组中的串联级数都很高，基本都在100级以上。巨大的串联级数对电池管理系统（BMS）的要求很高，所以在串联级数较高时，BMS往往采用分段管理的方式，系统架构也分为数层，电路单元数量可能达到数十个，结构极其复杂。电池组的串联支路在串联充放电电流相同的条件下，其内部电池单体间由于参数不一致，会出现容量不均衡，如果不能有效均衡会大大降低电池寿命。另外电池单体的动态劣化是随机的，单凭BMS的主、被动均衡，也很难解决复杂电池组的有效管理。以上都大大增加了BMS系统的复杂度。从现实来看，大容量的串并联成组使用时，电池包的寿命和容量会大大低于电池单体，对于电池来说造成了巨大的浪费。

2）电池组中电池单体间剩余电量均衡需要额外电路且效果不理想

传统串并联成组电池包中电池单元之间的均衡都是采用外置电路完成，包括被动均衡与主动均衡两种方式。被动均衡就是将电池组中剩余电量高的电池单元接通耗能电阻，将多余电量转换成热量消耗掉，其平衡电路较为简单，但仍需要每个电池单元均配置有一个开关器件加一个耗能电阻。主动均衡就是将剩余电量高的电池单元的电量转移到剩余电量较低的单元中去，实现均衡，或者在充电过程中通过电流旁路的方法少给某些电池单元充电，实现均衡。电池组的均衡电路都需要附加的电路板，均衡控制功能往往包含在BMS系统电路中，大大提高了BMS的功能和电路复杂程度，增加了电能浪费，且效果并不理想。

3）充电速度慢且库伦效率降低

基于电池单元串并联成组的高压电池组必须作为整体进行充电，充电器会根据电池组状态采用涓流、恒流、恒压等方式对电池组充电，这种充电方式无法最大化充电速度和充电效率，对电池单体的寿命也不是最优的。单纯提高恒流充电的电流数值情况下，由于电池内部极化效应的影响，电池组的库伦效率会大幅下降，可利用的电池最大容量会减少，因此充电电流值不能无限提高，充电速度也就无法达到电池单体的理论最高水平。

4）电机驱动逆变器整机效率较低

传统新能源汽车中电池组与电机驱动器是分离的，由于电池组直流电压较高所以只能选择高耐压开关器件如IGBT，IGBT有2～5V固定的压降，形成较大的导通损耗，并且IGBT工作在较高频率（5kHz以上），其开关损耗比导通损耗大得多。现有方案中仅电机驱动逆变器部分的效率损失都在3%以上。较高开关频率导致逆变器的EMI问题突出，需要复杂的滤波电路，对电机寿命也有非常严重的不利影响。