CN101174710B - 电池管理系统及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种设定电池的OCV设置的电池管理系统及其驱动方法。所述电池管理系统包括检测单元及主控制单元(MCU)。所述检测单元测量电池的电压。所述MCU控制该电池的电压的充/放电，生成充/放电脉冲图案波形，测量和存储所述充/放电脉冲图案波形中至少一个脉冲图案的最大电压值和最小电压值，将所测量电压的平均值设定为据其可确定SOC的OCV设置。电池管理系统在车辆运行时估计该SOC。
Description
技术领域
本发明的方案涉及电池管理系统。更具体地说，本发明的方案涉及可用在使用电能的车辆中的电池管理系统。
背景技术
具有柴油机或使用汽油的内燃机的车辆已经引起严重的空气污染。因此，近年来进行了各种发展电动车或混合动力车的尝试，以减少这种空气污染。
电动车使用由电池输出的电能来带动的电动机。由于电动车通常使用由至少一个电池组构成的电池，这些电池组又包括多个可再充/放电(或二次)单电池，所以电动车具有无气体排放和噪音较小的优点。
“混合动力车”通常是指汽油-电混合动力车，其使用汽油给内燃机提供动力，使用电池给电动机提供动力。最近，使用内燃机和燃料电池的混合动力车及使用电池和燃料电池的混合动力车已得到了发展。燃料电池通过持续供给的氢和氧之间的化学反应直接发电。
由于电池的性能直接影响使用电能的车辆的性能，所以需要每个单电池都具有极高的性能。此外，必需电池管理系统(BMS)来测量全部电池的电压和电流，以高效管理其中每个单电池的充/放电操作。
通常，电池管理系统需要测量准确的开路电压(OCV)，以测量准确的SOC。当车辆以恒定的速度行驶或停止、且电池的充电和放电操作没有执行时，由于电池中产生的极化和内阻，OCV可能不能准确测量。需要有一段时间来校正极化以便准确测量OCV。然而，当混合动力车行驶时，很难保证有这样的时段。因此，于极化校正后的很短时间内或于极化校正之前测量的OCV的测量误差，可能会引起SOC的计算误差。
以上在背景一节批露的信息仅用于加深对本发明背景的理解，因此可能包含对于本领域普通技术人员来说并未构成在该国家已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的方案致力于提供一种电池管理系统，该系统具有通过准确测量开路电压(OCV)来估计准确的电量状态(SOC)的优点，本发明的方案还提供了该系统的驱动方法。
依据本发明实施例的电池管理系统包括检测单元和主控制单元(MCU)。该检测单元测量电池的电压。该MCU控制该电池的电压的充/放电以生成充/放电脉冲图案波形，测量所述充/放电脉冲图案波形中的至少一个脉冲图案的电压值，并将所测量电压的平均值设置成开路电压(OCV)。该MCU在该电池被完全充电或被完全放电之后，于该电池的SOC变为预定水平时，通过控制所述电池的电压的充/放电来生成电池充/放电脉冲图案波形。在此，所述电池充/放电脉冲图案波形由多个脉冲图案构成，其中每个脉冲图案都通过重复对该电池充电并放电一次来形成。
另外，该MCU包括脉冲图案控制器和OCV设置单元。该脉冲图案控制器对所述多个电池脉冲图案进行计数，并存储至少包括所述多个被计数的脉冲图案中的最后一个脉冲在内的被测脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压。该OCV设置单元计算所述被测脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压的平均值，并将所述平均值设置为OCV。
依据本发明另一实施例的驱动方法提供给电池管理系统，以设置电池的OCV。该驱动方法包括：确定电池是被完全充电还是被完全放电，将电池的电量状态(SOC)保持在一恒定水平上，控制该电池的充/放电，生成多个电池充/放电脉冲图案，对所述脉冲图案进行计数；计算至少包括最后一个脉冲在内的被测脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压的平均值，并将该平均值设置为OCV。
另外，电池充/放电脉冲图案波形由多个通过重复对电池进行一次放电和放电生成的脉冲图案构成。
本发明的另外方案和/或优点，将在接下来的说明书中部分地阐明，且它们可通过说明书而部分地变得显而易见，或可通过实践本发明的而领会。
附图说明
从以下结合附图对实施例的描述，本发明的这些和/或其它方案和优点将变得显而易见，且更容易理解，附图中：
图1为描述电池、电池管理系统(BMS)及BMS的外围器件的图；
图2为图1中BMS的MCU的示意图；
图3为描述依据本发明方案的BMS的驱动方法的流程图。
具体实施方式
现在对本发明的当前实施例进行详细介绍，其示例在附图中举例说明，其中，同一附图标记始终指代同一元件。为了解释本发明，以下通过参考附图来描述实施例。
图1为描述依据本发明的方案的电池、电池管理系统(BMS)及BMS的外围器件的图。如图1所示，依据本发明的方案的混合电动车系统包括电池管理系统1、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9。
电池2包括具有串联连接的多个单电池的多个子组2a-2h、第一输出端子2_OUT1、第二输出端子2_OUT2以及安全开关2_SW。子组2a-2h是串联连接的，但并不限于此。子组2a-2h可以与设置于子组之间的其它元件或器件串联连接。安全开关2_SW设置于子组2d与子组2e之间。依据本发明的方案，8个子组2a-2h是示例性的，且每个子组都是一组多个单电池，但并不限于此。电池2可以包括更多或更少个子组及单电池，这些子组和单电池可以串联排列也可以并联排列。安全开关2_SW手动接通或关断，以保证工作人员执行电池操作或更换电池时的安全。安全开关2_SW在子组2d与子组2e之间，但不限于此。第一输出端子2_OUT1通过电流传感器3连接到转换器8，第二输出端子2_OUT2通过保险丝5和主开关6连接到转换器8。
电流传感器3测量电池2的输出电流，并向BMS1的检测单元10输出测量的输出电流。进一步详细地说，电流传感器3可以是利用霍尔效应通过霍尔元件测量电流、并输出与测量的电流值相应的模拟电流信号的霍尔电流互感器(Hall CT)。电流传感器3也可以是分流电阻器或设置在负载线中的安培表，其通过插入在负载线中的电阻器来输出与电流值相应的电压信号。
散热风扇4响应来自BMS1的控制信号，对电池2充电和放电所产生的热量进行冷却。散热风扇4防止由于温度升高导致电池2损害和其充/放电效率劣化。
保险丝5防止因电池2短路引起的过电流传输到电池2。也就是说，当产生过电流时，保险丝5切断或中断电路，以防止该电流过流并损伤电池2。
主开关6响应BMS1的控制信号或MTCU7的控制信号，接通和关断电池2。主开关6进一步保护电池2免受例如过电压、过电流及高温等异常现象。
BMS1包括检测单元10、微控制单元(MCU)20、内部电源30、单电池平衡单元40、存储单元50、通信单元60、保护电路单元70、加电复位单元80及外部接口90。
检测单元10测量电池的电压，并向MCU20传输测量的电压。下文中，电池输出端子处的电压称作电池电压。检测单元10也可以测量电池2的电流，并向MCU20传输测量的电流。
MCU20基于从检测单元10传输的电池电压，确定电池2的电量状态(SOC)，并生成表示电池2的SOC的信息。然后，MCU 20向车辆的MTCU7传输生成的信息。另外，MCU20以使电池2的电压具有预定数量的电池充/放电脉冲图案波形的方式来控制电池2的充电或放电，从而测量准确的OCV。在此，所述预定数目的脉冲图案波形中的一部分脉冲图案波形是从中消除了电池2的内阻和极化(或极化电阻)的脉冲图案波形，MCU20通过使用这部分脉冲图案波形计算准确的OCV。
所以，MCU20可在车辆运行时，通过测量和计算所产生的电池充/放电脉冲图案波形中预定数目的脉冲图案的电压，来设定据其可确定电池的准确SOC的OCV设置。
内部电源30通过使用备份电池(未示出)来为BMS1供电。电池平衡单元40平衡电池2中各个单电池的SOC。也就是说，对充电相对较多的电池进行放电，对放电相对较多的电池进行充电。存储单元50存储当BMS1的电源关断时当前SOC和电流良好状态(SOH)的数据。
通信单元60与车辆的MTCU7通信。保护电路单元70使用稳定元件(firmware elements)保护电池2不受振动、过电流和低电压。加电复位单元80在BMS1的电源接通时复位整个系统。外部接口90将BMS1的辅助器件，例如散热风扇4和主开关6，连接到MCU20。尽管散热风扇4和主开关被示为BMS1的辅助器件，但BMS1不限于此。例如，可以包括其它辅助器件，也可以不包括当前的辅助器件。
MTCU7基于来自加速器、减速器及车辆速度计的信息确定扭矩状态，并控制电动发电机9的输出，以使得该输出与扭矩信息对应。也就是说，MTCU7控制转换器8的转换操作，并控制电动发电机9的输出，以使得该输出与扭矩信息对应。另外，MTCU7经通信单元60接收来自于MCU20的电池2的SOC，并将电池2的SOC水平控制在一个接近目标水平(例如55％)的水平上。例如，当从MCU20传输的SOC水平低于55％时，MTCU7控制开关来控制转换器8，以便向电池2输出功率，给电池2充电。在这种情况下，电流流向电池2，以给电池2充电。当SOC水平高于55％时，MTCU7控制转换器8的开关，以向电动发电机9输出功率，并使电池2放电。在这种情况下，电流从电池2流出，以供给车辆动力。
转换器8响应来自MTCU7的控制信号，控制电池2充电或放电。电动发电机9基于从MTCU7传输的扭矩信息，使用电池的电能驱动车辆。
图2为图1中BMS1的MCU20的示意图。如图2所示，MCU20包括脉冲图案控制器210和OCV设置单元220。
脉冲图案控制器210确定电池2是被完全充电还是被完全放电，当电池2被完全充电时，以1C速率(C-rate)将电池2放电到当前SOC或先前估计的SOC的60％，当电池2被完全放电时，以1C速率将电池2充电到当前SOC或先前估计的SOC的60％。在此，电池的充电电流和放电电流是以C速率为单位测量的，表示使电池在一个小时内完全充/放电所需的充/放电电流的量。脉冲图案控制器210以1C速率将电池2充电或放电到当前SOC或先前估计的SOC的60％，并控制电池2的充/放电操作以控制电池2的电压，使其具有多个脉冲图案波形。
在这种情况下，所述多个脉冲图案波形中的每一脉冲图案波形分别由多个通过电池2充电并放电一次产生的脉冲图案构成。另外，脉冲图案控制器210通过使用充/放电脉冲图案波形，来消除电池2中的极化和内阻。
脉冲图案控制器210在电池2被完全充电或被完全放电时，将电池2的SOC控制到接近一恒定水平，并控制电池2的充/放电操作以生成多个电池脉冲图案。更详细地说，脉冲图案控制器210确定电池2是被完全充电还是被完全放电，当电池2被完全充电时，以1C速率将电池2放电到当前SOC或先前估计的SOC的60％，当电池2被完全放电时，以1C速率将电池2充电到当前或先前估计的SOC的60％。
另外，在电池2充电或放电之后，脉冲图案控制器210控制电池充/放电脉冲图案波形。在这种情况下，所述多个电池充/放电脉冲图案波形中的每一脉冲图案波形都由10个脉冲图案构成，且各个脉冲图案分别重复一次电池2的充电和放电。脉冲图案控制器210对由10个脉冲构成的波形按照从第1脉冲到第10脉冲进行计数，并在脉冲图案控制器210计数到10次后停止计数。在此，当脉冲波形的数量大于或等于8时，该脉冲图案控制器存储被检测脉冲图案的电池电压中的最大峰值电压及最小峰值电压。所检测脉冲图案可至少包括所述多个脉冲图案中的最后一个脉冲。
OCV设置单元220将从脉冲图案控制器210传输的从第8被检测脉冲图案至第10被检测脉冲图案中，脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压相加，并计算这些最大峰值电压和最小峰值电压的平均值。然后，OCV设置单元220将所计算的平均值设定为OCV设置。
依据BMS1的OCV设置方法，OCV设置单元220对可至少包括最后一个脉冲在内的被检测脉冲图形的电压求积分，并将积分结果对时间求微分，然后将微分结果设定为OCV设置。
也就是说，依据本发明方案的OCV设置单元220可以设置所述多个脉冲图案中三个被检测脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压的平均值，但是并不限于此。OCV设置单元220可以使用最后一个脉冲，也可以平均多个先前的脉冲，以设定OCV设置。另外，所述描述的实施例可以各种不同的方式进行修改。
图3为描述依据本发明方案的电池管理系统(BMS1)的驱动方法的流程图。在操作(S100)中，BMS1的MCU20确定电池2是被完全充电还是被完全放电。当在操作(S100)中确定电池2被完全充电时，在操作(S200)中，MCU20以1C速率将完全充电的电池放电至当前SOC或先前估计的SOC的60％这一预定水平。当在(S100)中确定电池2被完全放电时，在操作(S300)中，MCU20以1C速率将完全放电的电池2充电至当前SOC或先前估计的SOC的60％。在此，电池的充电电流和放电电流以C-rate为单位来测量，其表示使电池在一个小时内完全充/放电所需的充/放电电流的量。然而，预定水平不一定必须是SOC的60％。
在将电池2充电或放电到预定水平(当前SOC或先前SOC的60％)之后，在操作(S400)中，MCU20控制电池2的电压使用电池充/放电脉冲图案波形。在这种情况下，电池充/放电脉冲图案波形由10个脉冲图案构成，其中这10个脉冲图案中的每一脉冲图案对电池2充电并放电一次。在操作(S500)中，MCU20对电池充/放电脉冲图案进行计数。然后，在操作(S600)中，MCU20确定脉冲图案的计数是否已超过8次。当在操作(S600)中MCU20确定脉冲图案的计数小于8次时，在操作(S700)中，MCU20将计数加1。然后，MCU20返回到操作(S400)。
当在操作(S600)中MCU20确定对脉冲图案计数至少8次时，在操作(S800)中，MCU20设置第8脉冲图案至第10脉冲图案作为被检测的脉冲图案，并存储所述被检测的脉冲图案中各个脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压。然后，在操作(S900)中确定脉冲图案的计数是否已执行10次。当操作(S900)的确定结果表明已经执行的脉冲图案的计数小于10次时，在操作(S700)中再一次执行脉冲图案的计数，并递增脉冲图案的计数。然后，处理返回到操作(S400)。
当操作(S900)的确定结果表明脉冲图案的计数已经执行10次，则在操作(S1000)中，MCU20计算在操作(S800)中存储的被检测脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压的平均值，并将该平均值(最大峰值电压和最小峰值电压的平均值)设定为OCV设置。然后，该OCV设置用于估计电池2的SOC。
尽管驱动方法被描述为对第8脉冲图案到第10脉冲图案的最大和最小峰值电压进行平均，但MCU20并不限于此。例如，OCV设置可通过仅对第8脉冲图案至第10脉冲图案的最小峰值电压进行平均来确定。或者，仅对第10脉冲图案的最大和最小峰值电压进行平均来确定OCV设置，根据该设置确定电池2的SOC。
如上所述，依据本发明方案的电池管理系统和驱动方法使用被检测的脉冲图案来设定OCV设置，根据该设置可估计更准确的SOC。电池管理系统确定电池是处于完全充电状态还是完全放电状态，并依据确定的结果，以1C速率将电池充电或放电到当前SOC或先前估计的SOC的60％。然后，电池管理系统控制电池的充/放电脉冲图案波形，并对脉冲图案计数。存储每个被计数的脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压，并计算第8个计数的脉冲图案至第10个计数的脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压的平均值。将所计算的平均值设定为OCV设置。
依据本发明的方案，可在车辆运行和/或加速时或在电池携带负载时，设定准确的OCV。因此，电池管理系统和驱动电池管理系统的方法可以测量准确的SOC。
另外，通过减小在设定OCV设置时可能产生的误差，可减小SOC的估计误差，从而防止电池被过充电或过放电。
尽管示出并描述了本发明的少数几个实施例，但是本领域技术人员应该理解，可以在本发明的原则和精神之内，对该实施例进行改变，该发明的范围在权利要求书及其等同物中加以限定。
Claims (28)
1.一种电池管理系统，包括：
检测单元，用于测量电池的电压；以及
主控制单元MCU，用于控制所述电池的电压的充/放电来生成包括多个脉冲图案的充/放电脉冲图案波形，测量所述多个脉冲图案中包括最后一个脉冲图案在内的至少一个脉冲图案的至少一个电压值，并将所述至少一个被测电压值的平均值设定为据之来估计电量状态SOC的开路电压OCV设置，
其中，所述检测单元传输所述至少一个被测电压值给所述MCU。
2.如权利要求1所述的电池管理系统，其中，所述MCU在所述电池已经被完全充电或被完全放电之后，于所述电池的SOC被充/放电到预定水平时，通过控制所述电池的电压的充/放电来生成所述电池充/放电脉冲图案波形。
3.如权利要求2所述的电池管理系统，其中所述多个脉冲图案中的每一脉冲图案都对所述电池充电并放电一次。
4.如权利要求3所述的电池管理系统，其中所述MCU包括：
脉冲图案控制器，用于对所述脉冲图案的数目进行计数，并存储至少包括被计数的脉冲图案中最后一个脉冲图案在内的被测脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压；以及
OCV设置单元，用于计算所计数的脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压的平均值，并将所述平均值设定为OCV设置。
5.如权利要求2所述的电池管理系统，其中所述预定水平为先前估计的SOC的60％。
6.如权利要求1所述的电池管理系统，其中所述MCU测量所述至少一个脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压。
7.如权利要求6所述的电池管理系统，其中所述平均值包括所述至少一个脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压的平均值。
8.如权利要求1所述的电池管理系统，其中所述多个脉冲图案包括10个脉冲图案。
9.如权利要求8所述的电池管理系统，其中所述至少一个电压值包括所述至少一个脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压，并且所述平均值包括第10脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压的平均值。
10.如权利要求8所述的电池管理系统，其中所述至少一个电压值包括所述至少一个脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压，并且所述平均值包括第8脉冲图案、第9脉冲图案以及第10脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压的平均值。
11.一种驱动电池管理系统来控制电池的充/放电的方法，所述驱动方法包括：
确定所述电池是被完全充电还是被完全放电；
将所述电池充/放电到一预定水平的电量状态(SOC)；
生成包括多个脉冲图案的电池充/放电脉冲图案波形；
对所述脉冲图案进行计数；
计算包括最后一个脉冲图案在内的至少一个被测脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压的平均值；以及
将所述平均值设定为OCV设置。
12.如权利要求11所述的驱动电池管理系统来控制电池的充/放电的方法，其中所述多个脉冲图案中的每个脉冲图案都对所述电池充电并放电一次。
13.如权利要求11所述的驱动电池管理系统来控制电池的充/放电的方法，进一步包括步骤：根据所述OCV设置来估计所述电池的SOC。
14.如权利要求11所述的驱动电池管理系统来控制电池的充/放电的方法，其中所述多个脉冲图案包括10个脉冲。
15.如权利要求14所述的驱动电池管理系统来控制电池的充/放电的方法，其中所述至少一个被测脉冲图案包括第8脉冲图案、第9脉冲图案及所述最后一个脉冲图案。
16.如权利要求14所述的驱动电池管理系统来控制电池的充/放电的方法，其中所述平均值包括所述第8脉冲图案、所述第9脉冲图案及所述最后一个脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压的平均值。
17.如权利要求11所述的驱动电池管理系统来控制电池的充/放电的方法，进一步包括步骤：存储所述至少一个被测脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压。
18.如权利要求11所述的驱动电池管理系统来控制电池的充/放电的方法，其中所述平均值包括所述多个脉冲图案的所有最大峰值电压和最小峰值电压的平均值。
19.一种用于车辆的电池管理系统，包括：
检测单元，用于确定所述电池是被完全充电还是被完全放电；
主控制单元MCU，用于生成包括多个脉冲图案的充/放电脉冲图案波形，测量所述多个脉冲图案中包括最后一个脉冲图案在内的至少一个脉冲图案的最大峰值电压值和最小峰值电压值，将所测量的最大峰值电压和所测量的最小峰值电压的平均值设定为开路电压OCV设置，并根据所述OCV设置来估计电量状态SOC。
20.如权利要求19所述的电池管理系统，其中所述MCU在所述电池被完全放电时将所述电池充电到一预定水平，并且所述MCU在所述电池被完全充电时将所述电池放电到该预定水平。
21.如权利要求20所述的电池管理系统，其中所述预定水平为先前估计的SOC的60％。
22.如权利要求20所述的电池管理系统，其中所述MCU在所述电池被充/放电到该预定水平后，生成所述充/放电脉冲图案波形。
23.如权利要求19所述的电池管理系统，其中所述多个脉冲图案包括10个脉冲图案。
24.如权利要求23所述的电池管理系统，其中所述平均值包括第10脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压的平均值。
25.如权利要求23所述的电池管理系统，其中所述平均值包括第8脉冲图案、第9脉冲图案以及第10脉冲图案的最大峰值电压和最小峰值电压的平均值。
26.如权利要求19所述的电池管理系统，其中所述MCU在所述车辆运行时生成所述充/放电脉冲图案波形。
27.如权利要求26所述的电池管理系统，其中所述MCU在所述车辆加速时生成所述充/放电脉冲图案波形。
28.如权利要求19所述的电池管理系统，其中所述MCU在所述电池携带负载时生成所述充/放电脉冲图案波形。
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