CN102664291A

CN102664291A - 一种提升动力电池性能的方法和系统

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Publication number: CN102664291A
Application number: CN2012101764028A
Authority: CN
Inventors: 韩尔樑; 王宏宇; 张守中
Original assignee: Weichai Power Co Ltd
Current assignee: Weichai Power Co Ltd
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: CN102664291B

Abstract

本发明提供了一种实现动力电池性能提升的方法，动力电池系统共有M个电池模块，正常工作时需要的电池模块数目为N个，M不小于N，所述方法包括：测试一个与其它M-1个电池模块未连接的电池模块的性能指标，重复上述步骤直至测出M个电池模块的性能指标；根据电池模块性能指标的测试结果选择出N个性能最优的电池模块；将N个性能最优的电池模块组成电池模组。本发明中通过对电池模块的性能进行测试，选择出性能较好的电池模块组成电池模组，可以有效的提升整个电池模组的性能，避免性能较差的模块对整个系统的整体性能造成影响，从而避免可能会出现的安全事故。本发明还提供了一种实现动力电池性能提升的系统。

Description

一种提升动力电池性能的方法和系统

技术领域

本发明涉及新能源动力领域，尤其是涉及一种提升动力电池性能的方法和系统。

背景技术

传统汽车以石油为燃料，但随着能源危机及环境污染的加剧，新型的环保汽车--新能源汽车开始走向市场。目前的新能源汽车多是采用动力电池作为主要或者辅助动力。动力电池是指为工具提供动力来源的电池，多指为电动汽车、电动列车、电动自行车提供动力的蓄电池。车用动力电池结构上主要包括三部分：单体、电池模块、电池模组。其中电池模块由若干单体串联而成，若干个电池模块串并联组成电池模组。

而失效是指由于电池自身特性及使用条件的影响，与正常状态相比，过早出现内阻增大或者容量降低的现象。

目前的电池技术在电池单体本身的材料及工艺方面，无法做到结构和性能上的完全一样，特别是在实际使用过程中，各电池单体工作条件存在差异，其性能的差异会逐渐表现出来，性能较差的模块会对整个系统的整体性能造成很大的影响。尤其是在某个单体或模块失效的情况下，会造成整个系统无法正常工作，如果不及时发现和处理，会进一步造成安全事故。因此，对电池模块的性能进行测试，选择出性能较好的电池模块组成电池模组，可以有效的提升整个电池模组的性能。避免可能会出现的安全事故。

目前的现有技术中，主要是通过均衡电路对电池模块之间进行能量转移的方式来实现电池模组整体性能的均衡，进而实现对动力电池性能的提升。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种提升动力电池性能的方法和系统，以实现通过选择出性能较优的电池模块组成电池模组的方式来实现对动力电池整体性能的提升。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种提升动力电池性能的方法，动力电池系统共有M个电池模块，正常工作时需要的电池模块数目为N个，其中，M不小于N，所述方法包括以下步骤：

A、测试一个与其它M-1个电池模块未连接的电池模块的性能指标，重复上述步骤直至测出M个电池模块的性能指标。

B、根据步骤A的测试结果选择N个性能最优的电池模块。

C、将步骤B中选择的N个性能最优的电池模块组成电池模组。

优选地，在步骤A和步骤B之间进一步包括：

根据预先设置的失效标准对M个电池模块进行失效判定，如果失效模块个数大于(M-N)时，则结束流程。

优选地，在步骤B和步骤C之间进一步包括：

根据预先设置的失效标准对步骤B中选择的N个性能最优的电池模块进行失效判定，如果存在至少一个失效模块，则结束流程。

优选地，步骤A中电池模块的性能指标为电池模块在同一条件下测得的内阻；

所述步骤B包括：根据步骤A的测试结果选择N个内阻最小的电池模块。

所述失效判定包括：比较电池模块的内阻和预先设置的内阻最大值，如果该电池模块的内阻大于所述内阻最大值，则该模块判定为失效。

优选地，结束流程时进一步包括，输出报警信息。

本发明还提供了一种提升动力电池性能的系统，动力电池正常工作时需要的电池模块数目为N个，所述系统包括，性能测试模块(501)、M个电池模块(502)以及控制模块(503)，其中，M不小于N。

性能测试模块(501)用于对未连入系统的电池模块的性能指标进行测试，重复上述过程直至测出M个电池模块(502)的性能指标，根据测试结果选择出N个性能最优的电池模块。

控制模块(503)用于在性能测试模块(501)测试模块的性能时将该模块与其它M-1个模块断开，和将所述性能最优的N个模块连入系统中组成电池模组。

优选地，所述系统进一步包括失效判定模块，所述失效判定模块用于通过预先设置的失效标准对M个电池模块进行失效判定，如果失效模块个数大于(M-N)时，则系统停止工作。

优选地，所述系统进一步包括失效判定模块，所述失效判定模块用于通过预先设置的失效标准对所述性能测试模块选择的N个性能最优的电池模块进行失效判定，如果存在至少一个失效模块，则系统停止工作。

优选地，所述系统进一步包括报警模块，所述报警模块用于当系统停止工作时，输出报警信息。

优选地，电池模块的性能指标为电池模块在同一条件下内测得的内阻；

所述性能测试模块根据测试结果选择出N个性能最优的电池模块包括：

所述性能测试模块根据测试结果选择出N个内阻最小的电池模块；

所述失效判定模块进行失效判定包括：

所述失效判定模块比较电池模块的内阻和预先设置的内阻最大值，如果该电池模块的内阻大于所述内阻最大值，则该模块判定为失效。

优选地，该系统进一步包括保险器，所述保险器与M个电池模块相连。

由技术方案可知，本发明通过对M个电池模块性能指标的测试，选择出性能最优的N个模块组成动力电池模组，保证了电池系统的最优使用性能，实现了对动力电池性能的提升。

附图说明

图1为实现本发明方法的流程示意图；

图2为电池内阻与使用时间的关系曲线图；

图3为实现本发明的在择优之前判断失效模块的方法流程示意图；

图4为实现本发明的在择优之后判断失效模块的方法流程示意图；

图5为实现本发明的系统结构示意图；

图6为加入报警模块的实现本发明的系统结构示意图；

图7为实现本发明系统的具体实施例的结构示意图；

图8为具体实施例的工作流程图。

具体实施方式

动力电池系统正常工作时需要的电池模块数目为N个，模块总数目为M个，M不小于N。参见图3所示，本发明提供了一种提升动力电池性能的方法，该方法的具体步骤如下：

步骤101：测试一个与其它M-1个电池模块未连接的电池模块的性能指标，重复上述步骤直至测出M个电池模块的性能指标。

步骤102：根据步骤101的测试结果选择N个性能最优的电池模块。

步骤103：将步骤102中选择的N个性能最优的电池模块组成电池模组。

电池内部存在着阻抗(包括欧姆阻抗和极化阻抗)且无法消除，这些阻抗不仅取决于电池材料本身的特性和制造工艺，更与工作条件和实际工作环境有关。如图2所示，动力电池在使用过程中的一个重要特征是：电池的内阻不是常数，在充放电使用过程中随时间逐渐变大，在电池寿命末期，内阻变化更加明显。因此，内阻的变化与电池健康状态有相对稳定的关系。如果电池的内阻超过最大允许值，在大电流充放电时，会使电池温度快速升高，许多能量以热能的形式散失，可用容量大量降低。

因此，内阻是表征电池电性能的一个关键指标。可以根据电池的内阻来表征电池模块的性能。对内阻的测试可以在线进行，具有耗时少的特点。

本发明可采用在同一条件下测得的内阻作为电池模块的性能指标，内阻越小，性能越优，同一条件指的是电池的工作条件和实际工作环境条件相同。此外还可用电池模块的容量等其它参数作为电池模块的性能指标。

由于目前的电池技术在电池单体本身的材料及工艺方面，很难做到结构和性能上的完全一样，尤其是随着电池单体的使用过程，环境的差异导致各个单体或模块性能的不同，某些单体或模块会首先失效，对整个电池模组的性能会造成很大的影响，甚至会带来安全隐患，因此对电池模块进行失效判定，及时的发现和处理过早失效的模块，保证了整个电池模组的性能得到有效并且安全的发挥。

因此本发明的方案还可以包括通过预先设置的失效标准对电池模块进行失效判定，并根据失效模块个数判断是否结束流程，从而能够及时发现和处理过早失效的模块，保证整个电池模组的性能得到有效的发挥。如果选择内阻作为电池模块的性能指标，这时对电池模块的失效判定的具体过程是比较测得的模块的内阻和预设的内阻最大值Z_max的值，如果测得的内阻值大于内阻最大值Z_max，则该模块已失效。通过对电池模块的失效判定，既保证了各模块的性能得到良好发挥，也避免了潜在的安全隐患，提高了电池模组的可靠性。

本发明还可以设置预设周期t_m，以所述周期循环执行所述方法。例如：第一次执行时系统中共有M个未失效电池模块，正常工作时需要N个电池模块，M不小于N；第二次执行时发现有k个失效模块，且k不大于(M-N)，未失效的电池模块数目为(M-k)，且(M-k)不小于N，能够保证有系统正常工作时所需的N个电池模块。

对失效模块的判定可以在步骤102之前或之后进行。图3为在步骤102之前判断失效模块，其中选择了内阻作为电池模块的性能指标，并对所有模块进行编号。动力电池系统正常工作时需要的电池模块数目为N个，模块总数目为M个，M不小于N。具体过程如下：

步骤301：测试编号为1的电池模块的内阻值，此时该电池模块与其它M-1个电池模块未连接，重复上述过程，直至测得在同一条件下的M个电池模块的内阻，该内阻表征了电池模块的性能。

步骤302：根据预设的内阻值Z_max对电池模块进行失效判定，判断失效模块的个数是否大于(M-N)个，如果是，进入步骤303，此时未失效模块的个数小于N个，不能够正常组成模块数目为N个的电池模组，如果否，进入步骤304，此时未失效模块的个数大于或等于N个，能够正常组成模块数目为N个的电池模组。其中失效判定的具体过程是，比较电池模块在步骤301测得的内阻与预设的内阻值Z_max，如果测得的内阻大于Z_max，则该电池模块为失效模块。

步骤303：输出失效模块过多的报警信息，并结束流程。这里也可以输出失效模块的编号。

步骤304：根据步骤301的测试结果，从最初的M个电池模块中或者是经过步骤302进行失效判定后未失效的模块中选择N个内阻最小的电池模块。具体方法可以通过对内阻的阻值进行排序，选择前N个阻抗值最小的模块。

步骤305：将步骤304中得出的N个内阻最小的电池模块组成电池模组。具体过程可以为通过控制信号将N个内阻最小的电池模块连接在一起，组成电池模组，并将剩余的(M-N)个模块从电池模组中断开。这里还可以输出N个内阻最小的电池模块的编号。

图4为在步骤102之后判断失效模块，其中选择了内阻作为电池模块的性能指标，对所有模块进行编号。动力电池系统正常工作时需要的电池模块数目为N个，模块总数目为M个，M不小于N。具体过程如下：

步骤401：测试编号为1的电池模块的内阻，此时该电池模块与其它M-1个电池模块未连接，重复上述过程，直至测得在同一条件下M个电池模块的内阻，该内阻表征了电池模块的性能。

步骤402：根据步骤401的测试结果选择N个内阻最小的电池模块。

步骤403：根据预设的内阻值Z_max和步骤401测得的内阻值对步骤402得出的N个内阻最小的电池模块进行失效判定，判断这N个模块中是否存在至少一个失效模块。如果是，进入步骤405，如果否，进入步骤404。

步骤404：将步骤402得出的N个内阻最小的模块组成电池模组。具体过程为通过输出控制信号对功率开关器件进行控制，将N个内阻最小的电池模块连接在一起，组成电池模组，并将剩余的(M-N)个模块从电池模组中断开，这里还可以输出N个内阻最小的电池模块的编号。

步骤405：输出失效模块过多的报警信息，并结束流程。这里也可以输出失效模块的编号。

这里对失效模块的判定不一定是测试完所有的电池模块的内阻后再进行，也可以是测出某一模块的内阻后就对该模块进行失效判定。

本发明还提供了一种提升动力电池性能的系统，如图5所示，该系统包括，性能测试模块501、M个电池模块502以及控制模块503。其中动力电池正常工作时需要的电池模块数目为N个，M不小于N。

性能测试模块501用于对未连入系统的电池模块的性能指标进行测试，重复上述过程直至测出M个电池模块502的性能指标，根据测试结果选择出N个性能最优的电池模块。

控制模块503用于在性能测试模块501测试模块的性能时将该模块与其它M-1个模块断开，和将所述性能最优的N个模块连入系统中组成电池模组。

请参阅图6，除包含图5所示系统的结构外，图6所示的系统还包括失效判定模块605、报警模块606以及保险器607。并且，控制模块503包括功率开关器件603以及开关控制单元604。

所述开关控制单元604用于在性能测试模块501测试某一模块的性能时发送包括该被测试模块的模块信息的第一控制信号给功率开关器件603，将该被测试的模块与其它M-1个模块断开，直至性能测试模块501测试完所有模块的性能后，将包括性能测试模块501选择的性能最优的N个模块的模块信息的第二控制信号发送至功率开关器件603。所述第一控制信号控制功率开关器件603将被测试的模块与其它M-1个模块断开，所述第二控制信号控制功率开关器件603将所述性能最优的N个模块连入系统组成电池模组。

所述功率开关器件603接收包括被测试模块的模块信息的第一控制信号后将该被测试模块与其它M-1个模块断开，接收到包括性能最优的N个模块的模块信息的第二控制信号后将所述性能最优的N个模块连入系统组成电池模组。

所述失效判定模块605可以用于通过预先设置的失效标准对M个电池模块进行失效判定，如果失效模块个数大于(M-N)时，则系统停止工作。

所述失效判定模块605还可以用于根据预先设置的失效标准，对所述性能测试模块选择的N个性能最优的电池模块进行失效判定，如果存在至少一个失效模块，则系统停止工作。

所述报警模块606用于当系统停止工作时，输出报警信息。

所述保险器607与M个电池模块502相连，用于防止系统中出现过大的电流而造成的安全隐患。

电池模块的性能指标可以为电池模块在同一条件下测得的内阻。

所述性能测试模块501根据测试结果选择出N个性能最优的电池模块包括：

所述性能测试模块501根据测试结果选择出N个内阻最小的电池模块。

所述失效判定模块605进行失效判定包括：

所述失效判定模块605比较电池模块的内阻和预先设置的内阻最大值，如果该电池模块的内阻大于所述内阻最大值，则该模块判定为失效。

图7为实现本发明系统的一优选实施例，由M个电池模块T(1)、T(2)、…、T(N)、T(N+1)、…、T(M)，2M个功率开关器件Q(1，1)、Q(1，2)、…、Q(N，1)、Q(N，2)、…、Q(M，1)、Q(M，2)，M个保险器F(1)、F(2)、…、F(N)、F(N+1)、…、F(M)、开关控制单元、性能测试模块、失效判定模块以及报警模块组成。S(1，1)、S(1，2)、…、S(N，1)、S(N，2)、…、S(M，1)、S(M，2)是相应功率开关器件的控制信号。控制信号控制功率开关器件的关闭和导通，实现不同电池模块的连接和隔离。

开关控制单元用于当性能测试模块测试电池模块T(1)的内阻值时，发送第一电池模块控制信号至功率开关器件，第一电池模块控制信号控制功率开关器件选择电池模块T(1)连入系统中，其它模块从系统中断开，重复上述步骤直至测得电池模块T(2)、...、T(N)、T(N+1)、...、T(M)的在同一条件下的内阻，输出选择控制信号至功率开关器件，该选择控制信号控制功率开关器件选择性能测试模块选择的N个阻值最小的模块连入系统中组成电池模组。

例如，要将电池模块T(1)从系统中隔离，则开关控制单元发送控制信号S(1，2)使Q(1，2)截止，S(1，1)使Q(1，1)导通，这时T(1)从系统中隔离。如果发送控制信号S(1，2)使Q(1，2)导通，S(1，1)使Q(1，1)截止则能实现将模块T(1)连接在系统中。

功率开关器件根据开关控制单元发送的相应的控制信号实现导通或关闭。从而控制了电池模块从系统中的连入或断开。

性能测试模块用于测量未连入系统的电池模块的内阻。例如，性能测试模块测量电池模块T(1)的内阻时，功率开关器件选择T(1)与其它M-1个电池模块断开，之后依次测得电池模块T(2)、...、T(N)、T(N+1)、...、T(M)在同样条件下的内阻。并且根据测得的阻值选择出N个内阻值最小的电池模块。

失效判定模块通过预先设置的内阻最大值Z_max对M个失效模块进行失效判定，如果模块的阻值大于Z_max，该模块为失效模块，判断失效模块个数是否大于(M-N)个，如果是，输出报警通知至报警模块，并且系统停止工作。

报警模块用于收到失效判定模块的报警通知时，输出报警信息。

M个保险器F(1)、F(2)、…、F(N)、F(N+1)、…、F(M)分别与M个电池模块相连。

可以对系统设置一预设周期t_m，使系统自动循环工作。循环工作时，系统进行性能测试的电池模块不包括前一次工作过程中已被判定为失效的模块。

其中，性能测试模块、失效判定模块和报警模块集成在电池管理系统(BMS)中，这些模块和BMS中的其它功能模块一起对电池系统进行管理。

图8为图7所示的系统工作的逻辑过程，具体过程如下：

步骤801：设定预设周期t_m，阻抗限制Z_max，令变量k＝0。

步骤802：对系统进行初始化，具体包括令时间t＝0。

步骤803：计时并检测时间t。

步骤804：判断时间t是否大于或等于周期t_m，如果是，执行步骤805，如果否，返回步骤803。

步骤805：对系统中的(M-k)个电池模块依次标记，并控制各模块从系统中断开。

步骤806：令变量i＝1。

步骤807：测量T(i)模块内阻Z_i。

步骤808：判断Z_i是否小于或等于阻抗限制Z_max，如果否，执行步骤809，如果是，执行步骤811。

步骤809：输出模块失效信息，并将T(i)模块从系统中断开。

步骤810：令k＝k+1，并进入步骤812。

步骤811：输出T(i)模块正常信息。

步骤812：令i＝i+1。

步骤813：判断i是否小于或等于M，如果是，返回步骤807，如果否，执行步骤814。

步骤814：判断k是否小于或等于(M-N)，如果是，执行步骤816，如果否，执行步骤815。

步骤815：输出失效模块过多，系统无法正常连接，发出警告，结束流程。

步骤816：将连接的M-k个模块按内阻Z_i从小到大的顺序排序，并重新标记为：R(1)、R(2)、...、R(M-k)。

步骤817：将其中前N个模块R(1)、R(2)、...、R(N)连接到系统中，将剩余的(M-N-k)个模块从系统中断开，并输出R(1)、R(2)、...、R(N)相应的模块代号。返回到步骤802，然后重新计时，以t_m为周期循环执行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种提升动力电池性能的方法，其特征在于，动力电池系统共有M个电池模块，正常工作时需要的电池模块数目为N个，其中，M不小于N，所述方法包括以下步骤：

A、测试一个与其它M-1个电池模块未连接的电池模块的性能指标，重复上述步骤直至测出M个电池模块的性能指标；

B、根据步骤A的测试结果选择N个性能最优的电池模块；

C、将步骤B中选择的N个性能最优的电池模块组成电池模组。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤A和步骤B之间进一步包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤B和步骤C之间进一步包括：

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤A中电池模块的性能指标为电池模块在同一条件下测得的内阻；

所述步骤B包括：根据步骤A的测试结果选择N个内阻最小的电池模块；

5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，结束流程时进一步包括，输出报警信息。

6.一种提升动力电池性能的系统，其特征在于，动力电池正常工作时需要的电池模块数目为N个，所述系统包括，性能测试模块(501)、M个电池模块(502)以及控制模块(503)；其中，M不小于N；

性能测试模块(501)用于对未连入系统的电池模块的性能指标进行测试，重复上述过程直至测出M个电池模块(502)的性能指标，根据测试结果选择出N个性能最优的电池模块；

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括失效判定模块，所述失效判定模块用于通过预先设置的失效标准对M个电池模块进行失效判定，如果失效模块个数大于(M-N)时，则系统停止工作。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括失效判定模块，所述失效判定模块用于通过预先设置的失效标准对所述性能测试模块选择的N个性能最优的电池模块进行失效判定，如果存在至少一个失效模块，则系统停止工作。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括报警模块，所述报警模块用于当系统停止工作时，输出报警信息。

10.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，

电池模块的性能指标为电池模块在同一条件下内测得的内阻；

所述失效判定模块进行失效判定包括：

11.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，该系统进一步包括保险器，所述保险器与M个电池模块相连。