CN101141013A - 电池管理系统及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于管理包括多个电池单元的电池的电池管理系统及其驱动方法。该系统包括传感器和主控单元(MCU)。所述传感器检测电池的电压和电流。所述MCU接收电池的电压和电流，使用电池电压来测量接通态开路电压(OCV)，并根据接通态OCV来估计初始SOC。所述MCU将OCV分为第一OCV区域和第二OCV区域，并且当接通态OCV处于第一OCV区域中时，使用线性方程来估计初始SOC。

Description

电池管理系统及其驱动方法
技术领域
本发明涉及电池管理系统。更具体地说，本发明涉及一种用在使用电能的车辆中的电池管理系统及其驱动方法。
背景技术
使用以汽油或重油作为主燃料的内燃机的车辆，已经造成严重的诸如空气污染之类的环境污染。为减少环境污染，近来已进行许多努力来发展电动车辆或混合动力车辆。
电动车辆指的是使用由电池输出的电能来运转的电池发动机的车辆。电动车辆使用其中提供了多个可再充电二次电池来作为一电池组的电池，作为主要功率源。因此，电动车辆的优点在于无气体排放并且噪音很小。
混合动力车辆指的是介于使用内燃机的车辆与电动车辆之间的中间型车辆。混合动力车辆使用两种或更多种动力源，例如，内燃机和电池发动机。目前，已开发出以使用内燃机和燃料电池或者以使用电池和燃料电池的混合动力类型为基础的混合动力车辆，其中燃料电池可用于在引起化学反应的同时连续供给氢气和氧气，从而直接获取电能。
在使用电池发动机的车辆中，二次电池的数量逐渐增加，而且电池管理系统(BMS)需要一种用来有效管理多个相连电池的电池平衡控制方法，以改进功率源。
具体地说，在接通之时，如果基准时间大于切断之后的未查看时间，则测量开路电压(OCV)，并使用电量状态(SOC)与OCV的表来估计初始SOC。利用将测得的电流增加到与估计的初始SOC相关联的电流上的方法，来估计电池的SOC。
OCV与SOC的表包括通过在电池的不同温度、电流、电压和疲劳状态条件下进行实验所测得的实验数据，并且该表存储于BMS的主控单元(MCU)中。不过，MCU具有有限的存储量，这样由于存储了通过在不同环境条件下进行测量所获得的OCV与SOC的表，MCU可能会应付不了。因此，需要基于OCV与SOC的关系对区域进行区分，并且对应于所区分的区域区别性地设置初始SOC的估计方法。
在此背景技术部分中所公开的上述信息，仅用于增加对本发明背景的了解，因此，其包含的一些信息可能并不形成对于本领域普通技术人员而言在本国中已知的现有技术。
发明内容
本发明已经致力于提供一种电池管理系统及其驱动方法，其具有使用线性方程来估计初始SOC的优点。
本发明提供一种电池管理系统及其驱动方法，以用于使用线性方程来估计初始SOC。
一种包含有多个电池单元的电池管理系统，其包括电压和电流传感器以及主控制器。
电池电压和电流传感器产生与电池相关的电压和电流信号。
主控制器接收来自所述传感器的电压和电流信号，并被设置为：(a)使用所述电池电压信号测量接通态的开路电压OCV，(b)确定所述接通态OCV是否属于第一OCV区域，以及(c)当所述接通态OCV属于第一OCV区域时，使用线性方程来估计电池的初始电量状态SOC。
主控制器可被进一步设置为基于最近的两次接通态时间来计算切断态时间，并将所述切断态时间与基准时间比较。当所述切断态时间长于所述基准时间时，所述主控制器确定所述接通态OCV是否属于第一OCV区域。所述线性方程可通过实验获得。
当所述接通态OCV属于第二OCV区域时，所述主控制器可使用OCV与SOC的表来估计所述初始SOC。所述表可包括通过在多种条件下进行实验所获得的实验数据。该多种条件可包括电池的温度、电流、电压和疲劳状态。所述表可存储于主控制器中，而主控制器进一步包括存储单元。该存储单元可包括非易失性存储器，而该非易失性存储器可包括电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。
当所述切断态时间短于所述基准时间时，所述主控制器可估计电池的所述初始SOC为大致等于一切断态SOC。所述基准时间包括所述接通态OCV达到稳定态所用的时间。
所述传感器可被进一步设置为检测电池的温度和端子电压。所述传感器包括霍尔电流变压器和分流电阻器。
所述主控制器可包括：计时器；控制器；和存储单元。所述计时器可被设置为测量接通态时间和切断态时间，并且将测量到的接通态时间和切断态时间传送到所述存储单元。所述控制器可接收来自传感器的所述电池电压和电流，测量所述接通态OCV，控制所述计时器和存储单元，并估计所述初始SOC。
一种用于估计电池的初始电量状态(SOC)的方法，包括：(a)检测电池的电压和电流以获取电压和电流信号；(b)使用所述电压信号来测量接通态开路电压OCV；(c)确定所述接通态OCV是否属于第一OCV区域；以及(d)当所述接通态OCV属于第一OCV区域时，使用线性方程来估计所述初始SOC。
步骤(c)可包括：将电池的切断态时间与基准时间比较；并且当所述切断态时间长于所述基准时间时，确定所述接通态OCV是否处于第一OCV区域中。
当所述切断态时间长于所述基准时间，且所述接通态OCV处于第二OCV区域中时，使用OCV与SOC的表来估计所述初始SOC。当所述切断态时间短于所述基准时间时，估计所述初始SOC为大致等于切断态SOC。所述基准时间可包括所述接通态OCV达到稳定态所用的时间。
本发明的示范性实施例提供一种用于管理包含有多个电池单元的电池的电池管理系统。所述系统包括传感器和主控单元(MCU)。所述传感器检测电池的电压和电流。
MCU接收电池的电压和电流信号，使用电池电压来测量接通态开路电压(OCV)，并根据接通态OCV来估计初始SOC。
MCU将OCV分为第一OCV区域和第二OCV区域，并当接通态OCV处于第一OCV区域中时，使用线性方程来估计初始SOC。
线性方程可对应于OCV与SOC具有线性关系的第一OCV区域获得。
当接通态OCV处于第二OCV区域中时，MCU可使用OCV与SOC的表来估计初始SOC。
本发明的另一实施例提供一种电池管理系统的驱动方法，该电池管理系统用于管理包含有多个电池单元的电池。
该方法包括：将电池的切断态时间与基准时间比较；当比较的结果为所述切断态时间长于所述基准时间时，测量接通态OCV；确定所述接通态OCV是否处于第一OCV区域中；并且当确定的结果为所述接通态OCV处于第一OCV区域时，使用线性方程来估计所述初始SOC。
该方法可进一步包括：在测量所述OCV的步骤中，当比较的结果为所述切断态时间短于所述基准时间时，估计恰在接通态之前的切断态的SOC作为所述初始SOC。
该方法可进一步包括：在估计所述初始SOC的步骤中，当确定的结果为所述接通态OCV未处于第一OCV区域时，使用OCV与SOC的表来估计所述初始SOC。
所述线性方程可对应于OCV与SOC具有线性关系的第一OCV区域获得。所述基准时间可为所述接通态OCV达到稳定态所用的时间。
附图说明
图1为示出根据本发明示范性实施例的电池、电池管理系统(BMS)和BMS外围装置的示意图；
图2为示出根据本发明示范性实施例的主控单元(MCU)20的示意图；
图3为示出根据本发明示范性实施例的开路电压(OCV)与电量状态(SOC)的关系的图线；和
图4为示出根据本发明示范性实施例的用于估计电池的初始SOC的方法的流程图。
具体实施方式
在下文中的详细描述中，仅简单地通过图示来显示和描述本发明的特定示范性实施例。对于本领域技术人员而言应认识到的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可对所描述的实施例进行各种不同的修改。因此，附图和说明书将被认为本质上是说明性的而非限制性的。在申请文件的全文中，相同的附图标记表示相同的元件。
在整个申请文件中，将任何部件与另一部件“连接”，不仅包括“直接连接”，还包括利用置于其间的不同组成元件的“电连接”。而且，在部件中“包括”组成元件，是指进一步包括、而非排除另一组成元件，除非存在具体的相反说明。
图1为图示了根据本发明示范性实施例的电池、电池管理系统(BMS)和BMS外围装置的示意图。
如图1所示，车辆系统包括BMS1、电池2、电流传感器3、散热风扇4、保险丝5、主开关6、马达控制单元(MTCU)7、转换器8，和电动发电机(motor generator)9。
电池2包括：多个子组2a一2h，在子组中多个电池单元串联连接；输出端子(2_out1和2_out2)；和设置在子组2d与子组2e之间的安全开关(2_sw)。子组2a-2h示例性地设置为8个，而所述子组仅表示多个电池单元为一组，这并不意在限制本发明的范围。安全开关2_sw是指被设置在子组2d与子组2e之间的开关。当更换电池或对电池执行操作时，安全开关2_sw可被人工接通或关断(on/off)，从而保证工人的安全。在本发明的示范性实施例中，安全开关2_sw被设置在子组2d与子组2e之间，不过，这并不意在限制本发明的范围。输出端子(2_out1和2_out2)被连接到转换器8。
电流传感器3测量从电池2输出的电流量，并将测得的电流量输出到BMS 1的传感器10。电流传感器3可为霍尔变流器(Hall CT)，用于使用霍尔器件来测量电流并且输出与所测得的电流相关联的模拟电流信号，或者电流传感器3可为分流电阻器，用于输出与流过被插入负载线路的电阻器的电流相对应的电压信号。
散热风扇4基于BMS 1的控制信号来驱散由于电池2的充电和放电而产生的热量，从而防止电池2由于温度升高而受损，并防止充电或放电效率的降低。
保险丝5使电池2断开或短路，以防止过电流传送到电池2。换句话说，当产生过电流时，保险丝5断开连接，从而防止过电流传送到电池2。
当产生异常的过电压、过电流或高温时，主开关6基于车辆的BMS 1或MTCU 7的控制信号，来接通或关断电池2。
BMS 1包括传感器10、主控单元(MCU)20、内部功率供给单元30、电池平衡单元40、存储单元50、通信单元60、保护电路单元70、启动重置单元80和外部接口90。
传感器10检测并将电池组总电流(下文中称为“组电流”)、电池组总电压(下文中称为“组电压”)、组温度、电池端子电压(Vt)和电池温度(T)传送至MCU 20。
MCU 20根据OCV与SOC的关系而将OCV区域分为第一OCV区域和第二OCV区域(I和II)。根据本发明的示范性实施例，第一OCV区域是指其中OCV与SOC具有线性关系的OCV区域，并通过线性方程来估计初始SOC。第二OCV区域(I和II)是指OCV与SOC具有非线性关系的OCV区域，并使用OCV与SOC的表来估计初始SOC。当检测到接通态时，MCU20计算切断态时间，直到切断态之后再次进行接通态。MCU 20将切断态时间与基准时间比较。根据本发明的示范性实施例，基准时间是指接通态OCV达到稳定态所用的时间。当比较的结果为切断态时间小于基准时间时，MCU20采用恰在接通态之前的切断态的SOC，并将所采用的SOC估计为初始SOC。不过，当比较的结果为切断态时间大于基准时间时，MCU 20使用接收自传感器10的电池电压来测量接通态OCV，并确定接通态OCV是否处于第一OCV区域中。如果确定接通态OCV处于第一OCV区域中，则MCU20使用线性方程来估计初始SOC。如果确定接通态OCV未处于第一OCV区域中，即处于第二OCV区域(I和II)中，则MCU 20使用OCV与SOC的表来估计初始SOC。
内部功率供给单元30使用子电池来向BMS 1供给功率源。电池平衡单元40对每个电池的电量状态进行平衡。也就是说，电池平衡单元40可以使处于相对较高电量状态的电池放电，并可以使处于相对较低电量状态的电池充电。存储单元50当BMS 1处于电源关断状态时存储SOC和良好状态(SOH)的数据。存储单元50可为非易失性存储单元，例如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。通信单元60与车辆的MTCU 7进行通信。通信单元60将有关SOC和SOH的信息从BMS 1传送到MTCU 7，或者从MTCU 7接收有关车辆状态的信息并将接收到的信息传送到MCU 20。保护电路单元70是指另外添加的电路，其使用硬件来保护电池2免于遭受过电流和过电压。在此之前，保护电路单元70主要使用设置在MCU 20之内的固件来保护电池2。启动重置单元80当BMS 1处于电源接通状态时重置整个系统。外部接口90将BMS 1的外围装置，例如散热风扇4和主开关6，连接到MCU 20。在本发明的示范性实施例中，所显示的外围装置仅有散热风扇4和主开关6，不过这并非意在限制本发明的范围。
MTCU 7基于诸如加速器、制动器以及车辆速度之类的信息来检测车辆的运行状态，并确定诸如转矩大小的必要信息。车辆的运行状态是指用于启动发动机的接通态、用于停止发动机的切断态、相应的运行状态以及加速运行状态。MTCU 7将有关车辆状态的信息传送到BMS 1的通信单元60。MTCU 7控制电动发电机9，以获得以转矩信息为基础的输出。换句话说，MTCU 7控制转换器8的开关操作，从而控制电动发电机9以获得以转矩信息为基础的输出。MTCU 7通过BMS 1的通信单元60接收来自MCU 20的电池2的SOC，并控制电池2的SOC以达到目标值(例如55％)。例如，当接收自MCU 20的SOC等于或小于55％时，MTCU 7控制转换器8的开关，以向电池2输出功率，从而对电池2充电。此时，组电流(Ip)具有负值(-)。而当接收的SOC等于或大于55％时，MTCU 7控制转换器8的开关，以向电动发电机9输出功率，从而使电池2放电。此时，组电流(Ip)具有正值(+)。
转换器8基于MTCU 7的控制信号使电池2可被充电或放电。
电动发电机9基于接收自MTCU 7的转矩信息而使用电池2的电池电能来驱动车辆。
其结果是，MTCU 7基于SOC使电池2充电和放电至可再充电的功率，从而防止电池2被过充电或过放电，并使得电池2可以被长时间地有效使用。不过，当电池2被安装在车辆中时，难以测量到电池2的实际SOC。因此，BMS 1应使用传感器10中检测到的组电流(Ip)、组电压(Vp)和电池温度，来精确估计SOC，并将所估计的SOC传送到MCTU 7。
下文中将参照图2-图4，对根据本发明示范性实施例的用于估计电池的初始SOC的方法进行详细描述。
图2为图示了根据本发明示范性实施例的MCU 20的示意图。
如图2所示，MCU 20包括计时器210、控制器220、SOC估计器230和数据存储单元240。
计时器210测量并将接通态和切断态时间传送到数据存储单元240。
控制器220从传感器10接收电池的电压和电流，并使用接收到的电池电压来测量接通态OCV。控制器220控制计时器210、SOC估计器230和数据存储单元240，并估计对应于第一OCV区域和第二OCV区域(I和II)的初始SOC，上述两个区域依据OCV与SOC的关系划分。
下文中将详细描述在控制器220中估计电池初始SOC的方法。当检测到启动发动机的接通态时，控制器220从数据存储单元240接收接通态和切断态时间。然后，控制器220计算切断态时间，直到在切断态之后再次执行接通态。控制器220将所计算的切断态时间与基准时间比较。当比较结果为切断态时间小于基准时间时，控制器220采用恰在接通态之前的切断态的SOC，并将所采用的SOC估计为初始SOC。不过，当比较的结果为切断态时间大于基准时间时，控制器220使用所接收到的电池电压来测量接通态OCV。控制器220确定接通态OCV是否处于第一OCV区域中。如果确定接通态OCV处于第一OCV区域中，则控制器220使用线性方程来估计初始SOC。根据本发明的示范性实施例，线性方程可为对应于OCV与SOC的关系表中的第一OCV区域而获得的简单方程，其中第一OCV区域中的OCV和SOC具有线性关系，而且该OCV与SOC的关系表通过不同实验获得。线性方程用于估计对应于第一OCV区域的初始SOC。不过，当确定接通态OCV未处于第一OCV区域中，即处于第二OCV区域(I和II)中时，控制器220使用OCV与SOC的表来估计初始SOC。控制器220将在第一和第二OCV区域中估计的初始SOC传送到SOC估计器230。
SOC估计器230将电池的电流(i)增加到与接收自控制器220的初始SOC相关的电流上，从而估计SOC。
数据存储单元240存储接通态和切断态的电池状态信息。换句话说，数据存储单元240存储接通态和切断态时间，并存储恰在接通态之前的切断态的SOC。数据存储单元240存储OCV与SOC的表，该表是通过在电池的不同温度、电流、电压和疲劳状态条件下进行实验测得的。
图3为显示了根据本发明示范性实施例的OCV与SOC的关系的图线。
如图3所示，在显示了OCV与SOC的关系的图线中，OCV区域分为第一OCV区域和第二OCV区域(I和II)。区分第一OCV区域与第二OCV区域的基准是根据OCV与SOC保持线性关系的部分来确定的。根据本发明的示范性实施例，第一OCV区域被设置为OCV与SOC具有线性关系的部分，而第二OCV区域(I和II)被设置为OCV与SOC具有非线性关系的部分。当整个SOC部分被设置为0％-100％时，整个SOC分为并设置为部分B(0％-20％)、部分A(20％-80％)和部分B′(80％-100％)。第一OCV区域作为部分A(20％-80％)而具有线性关系。与第一OCV区域的OCV相关的SOC可使用线性方程来估计。具体而言，当接通态OCV处于第一OCV区域时，与接通态OCV相关的初始SOC可使用线性方程来估计。第二OCV区域(I和II)分别作为部分B(0％-20％)和部分B′(80％-100％)而具有非线性关系。对应于第二OCV区域(I和II)的SOC可使用OCV与SOC的表来估计。
图4为显示了根据本发明示范性实施例的用于估计电池的初始SOC的方法的流程图。
MCU 20确定是否处于接通态(步骤S100)。
当确定未处于接通态时，重复步骤S100。当确定处于接通态时，MCU 20接收来自数据存储单元240的接通态和切断态时间，计算切断态时间，并将计算出的切断态时间与基准时间比较(步骤S200)。
当比较结果为切断态时间小于基准时间时，MCU 20将恰在接通态之前的切断态的SOC估计为初始SOC(步骤S600)。当比较结果为切断态时间大于基准时间时，MCU 20使用电池电压来测量接通态OCV(步骤S300)。MCU 20确定接通态OCV是否处于第一OCV区域中(步骤S400)。
当步骤400的结果确定为接通态OCV处于第一OCV区域中时，MCU 20使用线性方程来估计初始SOC(步骤S500)。当步骤400的结果确定为接通态OCV未处于第一OCV区域中时，即处于第二OCV区域(I和II)中时，MCU 20使用OCV与SOC的表来估计初始SOC(步骤S700)。
如上所述，根据本发明的示范性实施例，可以在OCV与SOC具有线性关系的部分中使用线性方程来估计初始SOC。因此，由于使用线性方程来估计初始SOC，在MCU 20中由于保存OCV与SOC的表所需的存储量可减少，从而MCU 20可以得到更有效的使用。
虽然本发明已经结合目前被认为是实用的示范性实施例进行了描述，但应理解的是，本发明并不仅限于所公开的实施例，而是与此相反，本发明旨在涵盖包含于所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等同设置。
在根据本发明示范性实施例的电池管理系统及其驱动方法中，可在OCV与SOC具有线性关系的部分中使用线性方程来估计初始SOC。

Claims (16)

1.一种包含有多个电池单元的电池管理系统，包括：
电池电压和电流传感器，用于产生与电池有关的电压和电流信号；和
主控制器，用于接收来自所述传感器的电压和电流信号，并被设置为：(a)使用所述电池电压信号来测量接通态的开路电压OCV，(b)确定所述接通态OCV是否属于第一OCV区域，以及(c)当所述接通态OCV属于第一OCV区域时，使用线性方程来估计电池的初始电量状态SOC。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述主控制器被进一步设置为计算切断态时间段，并将所述切断态时间与基准时间比较，而且所述切断态时间段为从一切断态时间点至当前接通态开始的时间点电池已处于切断态的时间量。
3.根据权利要求2所述的系统，其中当所述切断态时间长于所述基准时间时，所述主控制器确定所述接通态OCV是否属于第一OCV区域。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述线性方程通过实验获得。
5.根据权利要求3所述的系统，其中当所述接通态OCV属于第二OCV区域时，所述主控制器使用OCV与SOC的表来估计所述初始SOC。
6.根据权利要求2所述的系统，其中当所述切断态时间短于所述基准时间时，所述主控制器估计电池的所述初始SOC为大致等于一切断态SOC。
7.根据权利要求2所述的系统，其中所述基准时间包括所述接通态OCV达到稳定态所用的时间。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器被进一步设置为检测电池的温度和端子电压。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述主控制器包括：
计时器；
控制器；和
存储单元。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述计时器被设置为测量接通态时间和切断态时间，并且将测量到的接通态时间和切断态时间传送到所述存储单元。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述控制器接收来自传感器的所述电池电压和电流，测量所述接通态OCV，控制所述计时器和存储单元，并估计所述初始SOC。
12.一种用于估计电池的初始电量状态SOC的方法，包括：
(a)检测电池的电压和电流以获取电压和电流信号；
(b)使用所述电压信号来测量接通态开路电压OCV；
(c)确定所述接通态OCV是否属于第一OCV区域；并且
(d)当所述接通态OCV属于第一OCV区域时，使用线性方程来估计所述初始SOC。
13.根据权利要求12所述的方法，其中步骤(c)包括：
将电池的切断态时间与基准时间比较；并且
当所述切断态时间长于所述基准时间时，确定所述接通态OCV是否处于第一OCV区域中。
14.根据权利要求13所述的方法，其中当所述切断态时间长于所述基准时间，且所述接通态OCV处于第二OCV区域中时，使用OCV与SOC的表来估计所述初始SOC。
15.根据权利要求13所述的方法，其中当所述切断态时间短于所述基准时间时，估计所述初始SOC大致等于一切断态SOC。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述基准时间包括所述接通态OCV达到稳定态所用的时间。
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