CN103645444A - 基于众数原理的电池一致性在线评价方法及检测电路 - Google Patents

Abstract

一种基于众数原理的电池一致性在线评价方法及检测电路，其步骤为：采集每个单体电池的电压；依据众数原理将最大值和最小值之间的数据区间平均分成N等分，计算所有单体电压数据落在每个等分中的个数，个数最多的等分中的单体电压数据称之为众数，该等分所代表的数据区间称为众数空间；众数空间内的电池确定为一致性好，不一致性程度定义为零点，非众数空间与众数空间之间越远则表示其空间内包含的电池一致性越差，不一致性程度用实数分别定义，实数数值的绝对值越大表示对应电池的一致性越差，将众数空间内的电压平均值作为被均衡电池的均衡目标值，确定为均衡对象。本发明检测电路可以快速分析电池组的不一致状态，确定需要更换或维护的单体电池。

Description

基于众数原理的电池一致性在线评价方法及检测电路

技术领域

本发明涉及一种评价电池一致性的方法及装置。

技术背景

电池组一般由多只单体电池通过串并联的方式组成，与只使用单只电池的场合不同，整组电池的性能不仅仅取决于电池组内每一只单体电池的性能，还取决于电池组内所有单体电池之间的一致性，电池组的性能包括最大充放电电流、最高储能上限、使用寿命、安全性等主要指标并不取决于性能状态最好的单体电池，而是取决于性能状态最差的单体电池。因此电池组的性能具有“木桶效应”，一致性差的单体电池是电池组的“短板”，成为电池组的性能“瓶颈”，构成电池组的单体电池越多，保持一致性的难度越大，不一致性的恶劣影响越大。

对于电动汽车、电网储能等大规模电池应用场合，电池组基本上都是由上百只甚至几百只单体电池串并联组成，电池的不一致性问题已经成为制约其应用和发展的核心问题之一。准确评价电池的一致性既是分析电池组性能状态和安全状态的客观要求，也是确定哪些电池需要进行均衡维护或者更换的依据。

常规的电池一致性评价方法主要包括以下两种：

1.容量法：测量电池组中所有的单体电池的容量，以容量一致性作为电池的一致性。容量相同或相近的电池则一致性好，反之则差。该方法结果比较准确，但是需要将所有电池都进行测试，工作量大，测试时间长，同时需要将电池从系统中拆分下来单独测试，即所谓的“离线评价”，必须中断电池系统正常工作，不适用于大型电池系统；

2.内阻法：测量电池组中所有单体电池的内阻，以内阻的一致性来表示电池的一致性，容量相同或相近的电池则一致性好，反之则差。该方法的误差比容量法大，同样需要将进行“离线评价”。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种电池一致性的在线评价方法及检测电路。与现有技术的容量法和内阻法不同，本发明以电池电压的一致性作为电池的一致性的评价标准，即“电压法”。通过测量所有电池的电压，并依据众数原理对单体电池电压的分布特点进行统计和分析，计算出所有电池的一致性评价结果。

一种基于众数原理的电池一致性在线评价方法，包括下列步骤：

1）采集电池组每个单体电池的电压；

2）找出所有单体电池电压数据中的最大值和最小值；

3）依据众数原理将最大值和最小值之间的数据区间平均分成N等分数据空间，N用实整数定义，数值大小与电池组中的电池数量有关，一般取5～10。计算所有单体电压数据落在每个等分数据空间中的个数，个数最多的等分数据空间中的单体电压数据称之为众数，该等分数据区间称为众数空间；

4）用“不一致程度”来量化地表示众数空间和非众数空间内电池一致性的好坏，取值范围定义为-1.0～+1.0，不一致性程度用实数分别定义，实数数值的绝对值越大表示对应电池的一致性越差。众数空间的电池不一致程度定义为“0.0”，确定为一致性好，表示电池的电压差异小、一致性高。不一致性程度为负数，表示所对应的非众数空间的单体电池电压数据小于众数空间对应的单体电池电压数据，不一致性程度为正数，表示所对应的非众数空间的单体电池电压数据大于众数空间对应的单体电池电压数据。以众数空间为中点，距离众数空间之间越远的非众数空间内包含的电池的一致性越差；

5）将众数空间内的单体电池电压的平均值作为待均衡电池的均衡目标值，将需要更换的电池的不一致程度的限值定义为“更换设定值”，不一致性程度超过更换设定值的电池确定为更换对象。将需要均衡的电池的不一致程度的限值定义为“均衡设定值”，低于更换设定值但是大于均衡设定值的电池则确定为待均衡电池。

本发明基于众数原理的电池一致性的评价方法的实质性特点是：通过测量所有电池的电压，并依据众数原理对单体电池电压进行统计和分析，计算出众数空间，将众数空间内电池作为一致性评价的基准，而非众数空间内的电池则依据其在此空间内的分布特点，与基准作比较，计算其不一致的程度，由此得出所有电池的一致性评价结果。

为了简单实现基于众数原理的电池一致性在线评价方法，本发明提出了一种继电器阵列切换检测单体电池电压电路，该电路结构如下：

1）继电器阵列切换检测单体电池电压电路包括继电器阵列电路、隔离电路、差分放大电路和控制电路；所述继电器阵列电路包括一组继电器，电压测量直流母线正极和负极；待检测的单体电池与继电器阵列电路中的继电器的一端连接，继电器阵列电路中的继电器的另一端与电压测量直流母线正极和负极连接；电压测量直流母线正极和负极与隔离电路的输入端连接，隔离电路的输出端与差分放大电路的输入端连接。差分放大电路的输出端与控制电路连接；

2）所述单体电池是继电器阵列切换检测单体电池电压电路的工作对象，所述继电器阵列切换检测单体电池电压电路受控制电路控制；

3）继电器阵列电路包括一组继电器，电压测量直流母线正极和负极。继电器的数量与待评价电池组中的单体电池数量相同，且一一对应，每个继电器包含两组同时受控的常开触点。多个单体电池的正负极一一对应地连接到继电器的一端，所述继电器的另一端分别与电压测量直流母线正极和负极相联，继电器受所述控制电路控制，在同一时刻只允许其中任何一个继电器工作，将对应的单体电池电压接入电压测量直流母线正极和负极；

4）直流母线正极和负极与隔离电路的输入端连接，单体电池电压通过电压测量直流母线正极和负极进入隔离电路，隔离电路的输出端输出隔离后的电压；

5）隔离电路的输出端与差分放大电路的输入端连接，隔离后的电压经差分放大电路的输入端进入差分放大电路，经差分放大后的电压信号在差分放大电路的输出端输出给控制电路，用于数据采样和后续处理。

本发明通过继电器阵列切换检测单体电池电压电路即可简单实现，与容量法和内阻法不同，不需要将电池一一从系统中拆卸下来单独测试，即使电池在工作过程中也能使用，具备“在线评价”的特点。同时由于采用了基于众数的数据分析和计算方法，电池一致性评价误差小。分析计算过程依托高性能中央处理器，评价过程迅速且高度自动化，摆脱了常规方法对测试人员的依赖。

附图说明

图1是继电器阵列切换检测单体电池电压电路原理框图；

图2是继电器阵列切换检测单体电池电压电路原理图；

图3是基于众数原理的电池一致性评价算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1是继电器阵列切换检测单体电池电压电路的原理框图。如图1所示，继电器阵列切换检测单体电池电压电路包括继电器阵列电路1、隔离电路2、差分放大电路3、控制电路4。电池是继电器阵列切换检测单体电池电压电路的工作对象，电池和继电器阵列电路1相联，继电器阵列电路1分别与隔离电路2、控制电路4相联，隔离电路2和差分放大电路3相联，差分放大电路3和控制电路4相联。

继电器阵列电路1中的继电器数量与待评价电池组中的单体电池数量相同且一一对应。每个继电器包含两组同时受控的常开触点，分别与对应的单体电池的正负极连接。控制电路4包含有中央处理器芯片，通过控制继电器的开通与关断，将每一只单体电池的电压按控制时序轮流接通到隔离电路2进行隔离，隔离后的电压信号进入差分放大电路3进行放大处理后，进入中央处理器将电压模拟量转换成数字量后进行分析和计算。

控制电路4将所有电池的电压进行排列和统计，首先计算出所有单体电池电压数据的最大值和最小值，然后依据众数原理将最大值和最小值之间的数据区间平均分成N等分数据空间，并计算数据落在每个等分数据空间中的单体电池电压数据的个数，个数最多的等分数据空间中的数据称之为众数，该等分数据空间所代表的数据区间称为众数空间。用“不一致程度”来量化地表示众数空间和非众数空间内电池一致性的好坏，取值范围定义为-1.0～+1.0，如为±0.1、±0.2、……±0.9、±1.0……，不一致性程度用实数分别定义，实数数值的绝对值越大表示对应电池的一致性越差。众数空间的电池不一致程度定义为“0.0”，确定为一致性好，表示电池的电压差异小、一致性高。不一致性程度为负数，表示所对应的非众数空间的单体电池电压数据小于众数空间对应的单体电池电压数据，不一致性程度为正数，表示所对应的非众数空间的单体电池电压数据大于众数空间对应的单体电池电压数据。以众数空间为中点，距离众数空间之间越远的非众数空间内包含的电池的一致性越差。

将众数空间内的单体电池电压的平均值作为待均衡电池的均衡目标值，将需要更换的电池的不一致程度的限值定义为“更换设定值”，不一致性程度超过更换设定值的电池确定为更换对象。将需要均衡的电池的不一致程度的限值定义为“均衡设定值”，低于更换设定值但是大于均衡设定值的电池则确定为待均衡电池，可以通过后续的均衡处理来改善其不一致程度。

图2是继电器阵列切换检测单体电池电压电路原理图。图2中的电路根据图1的原理框图设计。

如图2所示，一组继电器S1、S2……Sn-1、Sn和电压测量直流母线正极BUS+和负极BUS-构成图1中的继电器阵列电路1。单体电池B1、B2……Bn-1、Bn的正负极一一对应地连接到所述继电器S1、S2……Sn-1、Sn的一端，所述继电器S1、S2……Sn-1、Sn的另一端分别与电压测量直流母线正极BUS+和负极BUS-相联。继电器S1、S2……Sn-1、Sn受控制电路4控制，在同一时刻只允许其中任何一个继电器工作，将对应的单体电池电压接入电压测量直流母线正极BUS+和负极BUS-。

如图2所示，第一电阻R1～第三电阻R3，第一电容C1～第四电容C4，隔离IC芯片U1构成图1中的隔离电路2。所述电压测量直流母线正极BUS+和第一电阻R1连接，电压测量直流母线负极BUS-与第二电阻R2连接，第一电阻R1和第二电阻R2串联。第一电容C1和第二电阻R2并联。第三电阻R3的一端和第一电容C1相连，第三电阻R3的另一端和隔离芯片U1的输入端2引脚相连。第二电容C2和隔离芯片U1的输入端2引脚及3引脚并联。

如图2所示，第四电阻R4～第八电阻R8，第五电容C5～第七电容C7，运算放大器芯片U2A，第一二极管D1，第二二极管D2构成图1中的差分放大电路3。

隔离芯片U1的输出7引脚通过第五电阻R5和运算放大器芯片U2A的输入端5引脚相连，隔离芯片U1的输出6引脚通过第四电阻R4和运算放大器芯片U2A的输入端6引脚相连。第六电阻R6的一端和运算放大器芯片U2A的输入端5引脚相连，第六电阻R6的另一端和电源地相连。第五电容C5和第六电阻R6并联。第七电阻R7和连接运算放大器芯片U2A的输入端6引脚，以及输出端7引脚相连，第六电容C6和第七电阻R7并联。第八电阻R8的一端和运算放大器芯片U2A的输出端7引脚相连，第八电阻R8的另一端和第七电容C7、第一二极管D1，以及第二二极管D2连接。

单体电池电压经过直流母线BUS+和BUS-后，被第一电阻R1和第二电阻R2分压，分压后的电压再经过第一电容C1、第三电阻R3和第二电容C2的滤波后，进入隔离芯片U1的输入端2引脚和3引脚，经隔离芯片U1隔离后的电压信号在隔离芯片U1的输出6引脚、7引脚输出后，通过第四电阻R4和第五电阻R5进入运算放大芯片U2A进行差分运算和比例放大，差分放大后的电压信号在运算放大芯片U2A的输出7引脚输出，再经过第八电阻R8）和第七电容C7滤波后进入控制电路4进行电压采样和后续数据处理。第三电容C3和第四电容C4是隔离芯片U1的电源旁路电容，第一二极管D1和第二二极管D2是用于防止运算放大芯片U2A的输出电压过高的钳位二极管。

Claims (6)

1.一种基于众数原理的电池一致性在线评价方法，其特征在于，所述的评价方法包括下列步骤：

1）采集每个单体电池的电压；

2）找出所有单体电池电压数据中的最大值和最小值；

3）依据众数原理将最大值和最小值之间的数据区间平均分成N等分数据空间，N用实整数定义，数值大小与电池组中的电池数量有关，一般取5～10；计算所有单体电压数据落在每个等分数据空间中的个数，个数最多的等分数据空间中的单体电压数据称之为众数，该等分数据区间称为众数空间；

4）用“不一致程度”来量化地表示众数空间和非众数空间内电池一致性的好坏，取值范围定义为-1.0～+1.0，不一致性程度用实数分别定义，实数数值的绝对值越大表示对应电池的一致性越差；众数空间的电池不一致程度定义为“0.0”，确定为一致性好，表示电池的电压差异小、一致性高。不一致性程度为负数，表示所对应的非众数空间的单体电池电压数据小于众数空间对应的单体电池电压数据，不一致性程度为正数，表示所对应的非众数空间的单体电池电压数据大于众数空间对应的单体电池电压数据；以众数空间为中点，距离众数空间之间越远的非众数空间内包含的电池的一致性越差；

5）将众数空间内的单体电池电压的平均值作为待均衡电池的均衡目标值，将需要更换的电池的不一致程度的限值定义为“更换设定值”，不一致性程度超过更换设定值的电池确定为更换对象；将需要均衡的电池的不一致程度的限值定义为“均衡设定值”，低于更换设定值但是大于均衡设定值的电池则确定为待均衡电池。

2.应用权利要求1所述基于众数原理的电池一致性在线评价方法的检测电路，其特征在于，所述的检测电路为继电器阵列切换检测单体电池电压电路，所述的电路包括继电器阵列电路（1）、隔离电路（2）、差分放大电路（3）、控制电路（4）；电池和继电器阵列电路（1）相联，继电器阵列电路（1）分别与隔离电路（2）和控制电路（4）相联，隔离电路（2）和差分放大电路（3）相联，差分放大电路（3）和控制电路（4）相联。

3.按照权利要求2所述的检测电路，其特征在于，所述的继电器阵列电路（1）由一组继电器（S1、S2……Sn-1、Sn）和电压测量直流母线正极（BUS+）和负极（BUS-）构成；单体电池（B1、B2……Bn-1、Bn）的正负极一一对应地连接到所述继电器（S1、S2……Sn-1、Sn）的一端，所述继电器（S1、S2……Sn-1、Sn）的另一端分别与电压测量直流母线正极（BUS+）和负极（BUS-）相联；继电器（S1、S2……Sn-1、Sn）受控制电路（4）控制，在同一时刻只允许其中任何一个继电器工作，将对应的单体电池电压接入电压测量直流母线正极（BUS+）和负极（BUS-）。

4.按照权利要求2所述的检测电路，其特征在于，所述的隔离电路（2）中，电压测量直流母线正极（BUS+）和第一电阻（R1）连接，电压测量直流母线负极（BUS-）与第二电阻（R2）连接，第一电阻（R1）和第二电阻（R2）串联；第一电容（C1）和第二电阻（R2）并联；第三电阻（R3）的一端和第一电容（C1）相连，第三电阻（R3）的另一端和隔离芯片（U1）的输入端2引脚相连；第二电容（C2）和隔离芯片（U1）的输入端2引脚及3引脚并联。

5.按照权利要求2所述的检测电路，其特征在于，所述的差分放大电路（3）中，隔离芯片（U1）的输出7引脚通过第五电阻（R5）和运算放大器芯片（U2A）的输入端5引脚相连，隔离芯片（U1）的输出6引脚通过第四电阻（R4）和运算放大器芯片（U2A）的输入端6引脚相连；第六电阻（R6）的一端和运算放大器芯片（U2A）的输入端5引脚相连，第六电阻（R6）的另一端和电源地相连；第五电容（C5）和第六电阻（R6）并联；第七电阻（R7）和连接运算放大器芯片（U2A）的输入端6引脚，以及输出端7引脚相连，第六电容（C6）和第七电阻（R7）并联；第八电阻（R8）的一端和运算放大器芯片（U2A）的输出端7引脚相连，第八电阻（R8）的另一端和第七电容（C7）、第一二极管（D1），以及第二二极管（D2）连接。

6.按照权利要求2所述的检测电路，其特征在于，所述的控制电路（4）控制继电器阵列电路（1）将单体电池的电压轮流接入隔离电路（2）和差分放大电路（3），同时接收经隔离电路（2）隔离和差分放大电路（3）差分放大后的电池电压；再将所有电池的电压进行排列和统计，计算出所有单体电池电压数据的最大值和最小值，然后依据众数原理将单体电池电压数据最大值和最小值之间的数据区间平均分成N等分数据空间，计算单体电池电压数据落在每个等分数据空间中的单体电池电压数据的个数，确定众数空间和非众数空间；之后确定电池“不一致程度”的量化数值以及待均衡电池的均衡目标值，确定待均衡电池。

Images