CN101860056A - 一种基于Map模型的动力锂电池组均衡管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Map模型的动力锂电池组均衡管理系统，包括中央处理器、充电模块、均衡模块、数据采集模块、电量计算模块、数据显示模块和存储通信模块，中央处理器分别与充电模块、均衡模块、数据采集模块、电量计算模块、数据显示模块和存储通信模块连接，数据采集模块分别连接有电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块，其优点在于使各电池之间能够充电更均衡，实现了对单体电池的保护并延长了使用寿命，也能够减少能耗。同时采用寿命加速因子结合循环寿命预测，通过各种加速条件下的测试数据来更准确预测电池的使用寿命。

Description

一种基于Map模型的动力锂电池组均衡管理系统

技术领域

本发明及一种电池管理系统，尤其是涉及一种基于Map模型的动力锂电池组均衡管理系统。

背景技术

动力锂电池的充电过程是一个复杂的电化学变化过程，其复杂性表现为：多变量、非线性、复杂的电化学性。电池管理系统直接检测及管理储能电池工作的全过程，包括电池充放电过程管理、电池温度检测、电池电压电流检测、电量估计、单体电池间的均衡、电池故障诊断等几个方面。目前，电池管理的难点和关键在于：电池的SOC(即电池剩余电量)估算和SOH(电池寿命)评估还不能满足车辆和电池实际需求是电池管理系统最大的缺陷，这极大的限制了电池容量有效发挥，降低了电池均衡效果，使得电池过充电和过放电控制缺乏充足的依据，电池使用的安全性和可靠性随之降低。这直接影响到电池的性能和电池寿命以及电动汽车的驾驶性能和电动车事业的推广。

电池的过充电和过放电是电池容量衰退的根本原因，所以先进的电池管理系统应当具备电池的过充电和过放电的判断和控制能力。当前电池的充放电多单纯基于电池的电压进行控制，并不能有效地避免电池的过充电和过放电，基于此的电池的均衡控制效果也不理想。特别是通过控制电池组端电压的充电模式使得电池的过充电现象非常严重，对电池的使用寿命构成严重威胁。另外，电动汽车用电池需要进行大量的串并联，而无论在电池的生产过程中还是在电池的使用过程中均不能保证电池的一致性。而使用过程中容量低的电池更容易出现发热、过充电、过放电以及自放电大等现象，使得其容量衰退加速，形成正反馈，电池的一致性会变得更差。电池组的放电容量呈现“木桶效应”，这使得电池的有效容量降低，续驶里程下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种对动力锂电池组剩余电量(SOC)更准确估算的基于Map模型的动力锂电池组均衡管理系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于Map模型的动力锂电池组均衡管理系统，其特征在于包括中央处理器、充电模块、均衡模块、数据采集模块、电量计算模块、数据显示模块和存储通信模块，所述的中央处理器分别与充电模块、均衡模块、数据采集模块、电量计算模块、数据显示模块和存储通信模块连接，所述的数据采集模块分别连接有电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块。

所述的电量计算模块包括Map模型算法模块、剩余电量估计模块、剩余电量测算结果模块、剩余电量初始化模块、充电率补偿模块、放电率补偿模块、温度补偿模块和开路电压模块，所述的Map模型算法模块与所述的剩余电量估计模块连接，所述的充电率补偿模块、所述的放电率补偿模块和所述的温度补偿模块相互连接，所述的充电率补偿模块、所述的放电率补偿模块和所述的温度补偿模块分别与所述的剩余电量估计模块连接，所述的开路电压模块与所述的剩余电量估计模块连接，所述的剩余电量初始化模块与所述的剩余电量估计模块连接，所述的剩余电量测算结果模块与所述的剩余电量估计模块连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于从电池的内部机理和外部特性出发，综合考虑电池的电化学、热学以及电学等各种复杂特性，深入研究了锂离子电池的稳态特性，国内首次在电池SOC估算方面采用Map方法建立了动力锂电池的稳态特性参数Map模型，对电池的SOC进行准确估算。对电池的SOC进行准确估算。并将模型嵌入电池组管理系统单片机内置程序根据系统分析计算的结果，优化充放电控制。采用基于自适应电容平衡法的动态均衡模块对锂电池组充电管理，使得从高电量的电池单元向低电量电池单元转移电能的依据更准确，均衡效率更高，从而充电的时间也大为缩短。而且本方法不需消耗动力锂离子电池组的电能，从而使各电池之间能够充电更均衡。实现了对单体电池的保护并延长了使用寿命，也能够减少能耗。同时采用寿命加速因子结合循环寿命预测，通过各种加速条件下的测试数据来更准确预测电池的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的电量计算模块的结构框图；

图3为本发明的充电模块的结构图；

图4为本发明的均衡模块的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种基于Map(脉谱图)模型的动力锂电池组均衡管理系统，包括中央处理器1、充电模块2、均衡模块3、数据采集模块4、电量计算模块5、数据显示模块6和存储通信模块7，中央处理器1分别与充电模块2、均衡模块3、数据采集模块4、电量计算模块5、数据显示模块6和存储通信模块7连接，数据采集模块7分别连接有电压采集模块8、电流采集模块9和温度采集模块10。

如图2所示，电量计算模块5包括Map模型算法模块11、剩余电量估计模块13、剩余电量测算结果模块14、剩余电量初始化模块15、充电率补偿模块16、放电率补偿模块17、温度补偿模块18和开路电压模块19，Map模型算法模11与剩余电量估计模块13连接，充电率补偿模块16、放电率补偿模块17和温度补偿模块18相互连接，充电率补偿模块16、放电率补偿模块17和温度补偿模块18分别与剩余电量估计模块13连接，开路电压模块19与剩余电量估计模块13连接，剩余电量初始化模块15与剩余电量估计模块13连接，剩余电量测算结果模块14与剩余电量估计模块13连接。

电量计算模块5指对单元电池剩余容量SOC估测。动力锂电池组电池SOC主要通过采用Map方法建立了动力锂电池的稳态特性参数Map模型，充分考虑动力锂电池的复杂特性和充电过程中各种动态因素对电池充电的影响，引入充电率补偿、放电率补偿和温度补偿，根据采集到的电流、电压和温度参数，对电池的SOC进行准确估算。并根据电池组管理系统单片机内置自适应电池模型系统分析计算的结果，优化充放电控制。

整个充电过程分以预充、恒流充和恒压充。每个阶段都不间断的进行电压、电流及温度值的检测。根据电压、电流及温度值的检测值，电量计算模块5通过单片机的内置的基于Map模型的模型和方程，对各单元电池的SOC进行估算，并运行“冒泡排序″的程序对所有的电池电量进行排序，标记最低、最高电池，控制模拟开关，为均衡模块服务。除此之外，电流值和温度值的大小还关系到整个系统的安全性。

图3所示，对充电模块工作模块进行描述：

a.初始化

虽然初始化阶段并未开始对电池充电，但却是整个充电过程很重要的一步。智能能源管理模块在此阶段对自身进行初始化和自检，以确定自身是否工作正常，同时检测充电条件是否符合充电要求：

(1)外接充电电源极性是否正确；

(2)外接充电电压是否在规定范围内；

(3)当时温度是否在允许范围内；

(4)锂离子电池端电压(各单体)是否在允许的最低充电电压以上；

(5)锂离子电池端电压(各单元)是否高于过充电检测电压；

b.预充

预充电不是每次都要进行，其目的是当电池过度放电、存放时间太长或电池已经损坏，电池端电压已经低于锂离子电池允许的最低充电压以下时，必须以小的电流(约为正常充电电流的1/10)进行预充，使锂离子电池端电压上升到最低允许充电电压以上，才能转为下一个充电程序——恒流充电。

预充原理是电源适配器通过MCU控制向电池施加一个比较小的充电电流(约为正常充电电流的1/10)，使得低于允许的最低充电压以下的电池在固定的时间内达到最低允许充电电压值，避免将深度放电的电池认为是不可充的电池。本模块的预充是电源适配器通过预充开关管S1、电阻R4、S3向电池预充的，这时MCU通过程序控制放电开关管S3全导通，预充开关管S1做间歇式导通，采用较短的导通时间及间隔较长的关断时间(等效平均电流较小)向电池预充，直至电池的端电压上升到锂离子电池允许的最低充电电压(2.5--2.7V之间，与温度有关)，然后进人下一充电阶段——恒流充电；若长时间预充电池端电压都不能到达最低允许充电电压，则说明电池已损坏，程序进入充电禁止状态。

c.恒流充电

本电池管理系统对锂电池恒流充电要求外置充电电源是恒流的，其恒流值应小于锂离子电池的最大允许充电电流，本系统定为0.3C。MCU通过程序控制充电开关管S2、放电开关管S3全导通，电源适配器通过充电开关管S2、放电开关管S3向电池组恒流充电。电池电量将缓慢上升，一般充电时间为2-3小时，当单片机通过基于Map模型算法的内嵌程序测算到单元电池电量达到了所设定的终值即满电量的80％时，恒流充电终止，充电电流快速递减，充电进入保持充电过程。

d.保持充电

本电池管理系统在保持充电阶段采用脉冲充电方式，在这一阶段中，脉冲充电方式以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行恒流充电一段固定的时间t，当内置了Map模型算法模块的电量计算模块测算到动力锂电池组中的单元电池电量已满时，关闭充电回路，并动态均衡模块进行均衡充电。

本发明中采用基于电池电量的自适应电容平衡法，其原理图如图4所示。

B1、B2……Bn为组成锂离子电池组的各单元电池，K1、K2…’…Kn为MCU控制的多路开关，C为平衡电容。当电池组充电时，若某节(例如：B2)电池电量高于其他电池超过某值、而B3最低，MCU控制的多路开关K2，K3合上，KA、KB都切换在a点，B2通过K2、K3、KA、KB向C充电，在C充满电后，MCU控制的多路开关K3、K4合上，KA、1(B切换都在b点，电容C通过K4、K3、KA、KB向B3释放电能，使B2电量减少，B3电量增加，如此反复循环n次使得锂离子电池组各单元电池能平衡充电。此方案最大的优点是根据电池的实际电量来进行充放电控制，由电量高的电池单元对电量低的电池单元进行电能转移，达到均衡充电的目的，实现各单元电池电量的平衡。本均衡模块根据Map模型的SOC估算值进行均衡充电，使得从高电量的电池单元向低电量电池单元转移电能的依据更准确，均衡效率更高，从而充电的时间也大为缩短。而且本方法不需消耗动力锂离子电池组的电能。

本发明从电池的内部机理和外部特性出发，综合考虑电池的电化学、热学以及电学等各种复杂特性，深入研究了锂离子电池的稳态特性，国内首次在电池SOC估算方面采用Map方法建立了动力锂电池的稳态特性参数Map模型，对电池的SOC进行准确估算。并将模型嵌入电池组管理系统单片机内置程序，根据系统分析计算的结果，优化充放电控制。充电时先采用大电流进行恒流充电，当单片机根据内置模型估算到电池组中某些单元电池电量充满时，停止恒流充电阶段，进入保持充电阶段。在此阶段根据SOC估算结果进行间歇式脉冲充电，并启动均衡模块进行均衡充电。本项目均衡充电主要通过采用基于自适应电容平衡法的均衡模块对锂电池组均衡充电，当某一单元电池SOC充满时，通过平衡电容来对各电池之间进行电能电量转移，使各单元电池之间充电更均衡，实现了对单体电池的保护并延长了使用寿命，也能够减少能耗，使得能量转换率更高。同时采用寿命加速因子结合循环寿命预测，通过各种加速条件下的测试数据来更准确预测电池的使用寿命。

Claims (2)

1.一种基于Map模型的动力锂电池组均衡管理系统，其特征在于包括中央处理器、充电模块、均衡模块、数据采集模块、电量计算模块、数据显示模块和存储通信模块，所述的中央处理器分别与充电模块、均衡模块、数据采集模块、电量计算模块、数据显示模块和存储通信模块连接，所述的数据采集模块分别连接有电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于Map模型的动力锂电池组均衡管理系统，其特征在于所述的电量计算模块包括Map模型算法模块、剩余电量估计模块、剩余电量测算结果模块、剩余电量初始化模块、充电率补偿模块、放电率补偿模块、温度补偿模块和开路电压模块，所述的Map模型算法模块与所述的剩余电量估计模块连接，所述的充电率补偿模块、所述的放电率补偿模块和所述的温度补偿模块相互连接，所述的充电率补偿模块、所述的放电率补偿模块和所述的温度补偿模块分别与所述的剩余电量估计模块连接，所述的开路电压模块与所述的剩余电量估计模块连接，所述的剩余电量初始化模块与所述的剩余电量估计模块连接，所述的剩余电量测算结果模块与所述的剩余电量估计模块连接。

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