CN106100022A - 主动均衡电池管理系统 - Google Patents

Abstract

主动均衡电池管理系统，包括上位机、CAN通讯模块；所述的上位机通过CAN通讯模块，向电池管理系统发送控制指令；电池管理系统通过CAN通讯模块，向上位机传输数据，通过CAN通讯模块与车载控制系统、充电机连接；所述的电池管理系统还通过RS232与电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块连接，获取电池电压、电流、温度的AD采样数据。本发明提供了新型的SOC计算方式，解决了现有技术计算电池容量精度不准确的问题。通过上位机设置电池容量的上下限，充放电电流设定，电池温度等参数，有效的对电池进行保护，本发明提出一种新型的充电模式标准，能够更加有效的进行电池充电。

Description

主动均衡电池管理系统

技术领域

本发明涉及到新能源电动汽车锂电池领域，特别涉及到主动均衡电池管理系统，适用于对锂电池均衡处理。

背景技术

越来越多的电动汽车采用锂离子电池做为主要电源，主要是由于锂离子电池具有体积小，能量密度高，无记忆效应，循环寿命高，自放电率低等优点。

锂电池的性能和安全问题由BMS电池管理系统来进行控制。BMS电池管理系统是电动汽车与电池组之间的纽带，主要用于电池参数设置、电池充放电管理、电池均衡以及电池状态的显示。

做电池ＰＡＣＫ的企业电池组配对时会考虑锂电池的容量、平台、内阻、自放电等参数；电池在初期配组时相关参数可控制在一定区间内（尽量让参数接近相同），但电池组使用一段时间后各单体电池间一致性就发生变化(尤其经过大电流充放电后单体参数不一致的问题无限放大，电池组各种参数后期变化更大，水桶短板效应更为突出，导致电池组充放电容量越用越少)；电池容量的不匹配包括充电状态失配和容量/能量失配。在两种情况下，电池包的总容量都只能达到最弱电池的容量。

为了打破电池组水桶短板效应，现有技术一般采取被动电池均衡的方式，但被动电池均衡存在如下缺点：

1、被动电池均衡效率比较低，电池均衡速度慢，得反复电池均衡才能达到效果。

2、电池均衡时高压电池模块放电，损失能量，电阻发热，电池发热，对电池造成损坏，影响电池寿命。

现有技术 采用的电池均衡方式主要采用电容，电感，电阻，包括隔离DC-DC方式做电池均衡。

电容电池均衡；是把高电压的单体给电容充电，再通过电容给低电压的单体，可以电池均衡，但效果太差，因为每次电容充放电容量太低，而且还要做极性转换。

电感电池均衡；是相邻两个单体做比较电压高给电感放电，再通过电感给低电压的充电，如果第一个单体高要转移到最后一个单体就效果不好，原因是虽然相邻之间的单体差异不大，但累积下来，第一个单体和最后一个单体的电压差异非常大。

电阻电池均衡，是把电池组里的最高电压通过电阻放电来平衡单体电压，缺点是必须等电池组里有一个或者几个单体充电到保护电压才能放电，低电压的单体没有办法提高电压，温度高，效果也不行。

隔离DC-DC电池均衡；是把最高电压的单体通过隔离DC-DC模块升压至高电压公共母线，通过公共母线提供给隔离DC-DC模块做降压，再输入给最低电压的单体充电，这个方式可以将电流范围放大，但第2，3,4,5等次高压无法与第2,3,4,5等次低压电池均衡，等把最高与最低的电池均衡好了，再电池均衡其他最高与最低的单体后，可能发现原来最高的和最低还需要电池均衡，这样会在电池组里不停的转移能量，效果也不是很好，即使每一串都安装升压和降压隔离DC-DC模块，尺寸大，成本高，温度很高需要做散热处理。

根据单体电池的循环次数一般都可以达到2000-3000次左右（还有80%以上的容量），如果一年考虑200次的循环一组电池寿命应该在10-15年左右，循环一次200-400公里，一组电池应该40-60万公里以上，而即便采用上述电池电池均衡方式的电池管理系统，电动汽车厂家只承诺5年10万公里，使用年限越长，容量仍然会大幅下降。也就是说采用上述电池电池均衡方式的电池管理系统，距离理论数值差距很大，系统电池均衡仍然达不到理想效果，而且需要客户使用锂电池一段时间后再返回厂家做手动电池均衡处理。

发明内容：

本发明的目的就是要克服现有技术存在的以上问题，本发明的目的是这样实现的，主动均衡电池管理系统，包括上位机、CAN通讯模块、电池管理系统，其特征在于：所述的电池管理系统是在电池组每组上连接一条电子自由通道，监测每组电池组上的所有单体的电压，监测到大于平均电压15mV的所有单体时，控制单体会自动放出电量，并会留15mV的余量；监测到小于平均电压１５mV的单体，会控制单体吸收电量，并不多余充电，会留15mV的余量，而且电压差越大吸收和放出的电流越大，能量转移电池均衡至电压差小于15mV自动休眠。

本发明与现有技术相比的优点如下：

1.电池均衡效率高；通过本发明主动均衡电池管理系统电池均衡之后，电池电量可以达到满电量的90%，而现有技术的均衡电池管理系统只能达到60-70%，而且本发明工作过程几乎没有温升。让电池组里的单体与单体之间的参数自我协调平衡。实现了真正意义上的主动能量无损同步转移电池均衡。主动均衡电池管理系统对电池进行监控时，对电池单体容量、平台、内阻、自放电等参数允许偏差值的范围放宽，包括电池组使用后期各种参数有了变化还能最大限度发挥电池组的潜在容量，与当前现有技术相比，电池单体容量的偏差范围，由1%放宽到3%-5%，平台由20-50毫伏放宽到100毫伏，内阻由0.1-0.5毫欧放宽到1-2毫欧，自放电由28天10-20毫安时放宽到28天1安时，经过主动能量转移电池均衡作用后，各单体都可以最大限度的充满电（电池均衡后电池组检测容量与实际容量误差不大于5% ，与平均电压差不大于0.015V），最大限度发挥电池组的容量和循环次数，解决了电池组因为某一个单体的参数变化大而影响电池整组工作的问题。

2.现有技术BMS管理系统的电池组，使用2年以后，充放电容量就不能达到规定要求，采用本发明主动电池均衡系统后可以提高10--50%或更高充放电容量，而且电池组容量恢复是越用越好。

3.本发明采用主动电池均衡电流的方式，监测电池电压时，当发现电池组中任何一组电池开路失效（低于平均电压１５mV的单体）时，控制该失效电池通过能量转移电池均衡从电池组里其他高电压单体（与平均电压差大于15mV）能够获得的最大补偿电流。当发现当电池组中任何一串电池电压大于平均电压时（与平均电压差大于15mV）通过能量转移放出部分电量给其他低于平均电压的单体（电压差大于１５mV）最大电流。

4.本发明电池均衡能力强：经测试，当控制电池组中某一组电池的电压与电池组的平均电压的差值达到100mV时，该组电池能够获得或输出1A电池均衡电流。电压差值越大，电池均衡电流就越大，最大为3A（控制最大值，不能为无限大电流），瞬间限流6A。

5.本发明采用数字化方式，实时监控电池状态，不采用现有技术电池电压等模拟器，不需要将实际采集到的数据与模拟器进行对比，实时监控可以保持数据的准确性。

6. 本发明的上位机可以对保护电流、电池均衡电流、电池均衡时间、充放电电流、温度报警、充放电的保护电压、充电时的过充报警电压、放电时的放电预警电压等进行设置。

7.本发明的上位机可以对电池类型、电池常数、循环次数、实时电压等进行显示。

8.现有技术常用的SOC计算方法，是根据电池单体的电压曲线变化，来比较计算出电池单体的容量，但电池单体的电压曲线并不是固定的，随着电压和电流的值，曲线图也会变化，所以以该电压曲线计算出的电池容量不精确；本发明采用的SOC计算方法，是系统根据检测到的电池组中每个测点的充放电的具体容量，来计算得到每个单体电池的电压，可以精确到0.1mV。

9.本发明主动均衡电池管理系统通过GPS通讯，可以 实现无线传输，将系统检测到的电池数据同步到服务器中进行保存，并在上位机中进行显示。

10.电池组可以跨箱进行连接，现有技术BMS管理系统比如12通道，必须12通道全部连接，而本发明可以随意接4个以上的通道即可，不用考虑顺序。

本发明有效地对BMS电池管理系统进行控制，实时灵活有效地进行电池均衡，延长电池的使用寿命，本发明可以保证单体电池的循环次数达到理论循环次数的80%，而现有技术只能保证达到理论循环次数的50%。性能可靠，成本低，效率高，采用锂电池主动电池均衡的方式，在行业内开辟了并达到了能量无损同步转移以大电流电池均衡提高电池组平衡效果的目的。能够恢复当前电池组潜在的容量，正常充放电。完全优于现有技术中的所有电池管理系统，不需在让客户使用锂电池一段时间后再返回厂家做手动电池均衡处理。同时出具电池系统管理报告，针对所监测的每个电池以及整个电池组的状况，提供系统分析，使用户能够更加方便的了解当前电动汽车的续航状态。本发明提出的一种新型的充电模式标准，能够更加有效的进行电池充电，该标准已经提议给国家电源协会和低速电动汽车标委会，修改制定技术草案。

附图说明：

以下结合附图对本发明技术方案做进一步说明。

图1是本发明与现有技术电池均衡方案效果对比图；

图2 是本发明的结构示意图；

图3是本发明的电池管理系统步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明；

如附图1所示，相同容量的新电池采用被动电池均衡后，电池单体容量差异比较明显，因为电池短板效应，可用容量减少。采用主动电池均衡之后，高容量的电池主动补偿给低容量的电池，充电后电池组的总容量比全新的电池组的总容量，减少有限，而且一个电池组中的电池容量差异很小，真正达到了电池均衡效果。

本发明通过显示器，主动下发控制命令，控制电池进行主动电池均衡。

本发明具体功能如下：

1.能自由设定系统密码。

2.设置电池单体休眠条件，如单体与平均电压差范围，当单体与平均电压差范围达到休眠条件时，系统电池均衡停止。

3.自由设定电池均衡时间。根据设定的电池均衡时间，来进行电池均衡。

4.设置电池均衡电流，限流值，根据设置的条件进行断电保护,根据设定的电池均衡电流来进行系统电池均衡。

5.设置电池保护温度，当系统检测到某个电池单体温度或者电池组温度超过该温度时，系统启动电池保护。

6.设置过充报警值，当电池单体电压 超过报警值时，系统给出预警提示。

7.设置充电保护电压值，当电池单体电压达到该保护电压值时，系统主动进行电池均衡，将该单体电压下降，补偿到其他电池上去。

8.设置恢复充电电压，当被电池均衡的单体电池电压下降到该恢复充电电压时，对该电池继续充电。

9.充电过程中，边充电边进行电池均衡，直到所有电池电压接近保护电压。

10.设置过放预警值，当电池单体电压低于预警值时，系统给出预警提示。

11.设置过放保护电压值，当电池单体电压达到该保护电压值时，系统主动进行电池均衡，将电池组中其他电池容量下降，补偿到该单体上。

12.设置恢复放电电压，当被电池均衡的单体电池电压上升到该恢复充电电压时，对该电池继续放电。

13.放电过程中边放电边进行电池均衡，直到所有电池电压接近保护电压。

14. 电池管理系统实时精确计算，并显示电池组的当前剩余容量（不采用SOC模糊计算法）。

15.电池管理系统智能计算并保存电池组充放电循环次数；电池管理系统显示电池组的最高电压，最低电压，平均电压，单体电池温度。

16.电池管理系统自由设定充放电保护电流。

17.电池管理系统显示电池组当前工作状态；同时可以查看每一组的电压。

18.电池管理系统自由设定电池组组数，只需要4通道电池，即可启动系统。12通道时，不需要将12通道全部连接，任意连接4个以上通道即可。

19. 电池管理系统可以同时检测多组电池组中电池的工作状态，对每组电池组状态分屏显示。

20. 电池管理系统在上位机中设置了主动电池均衡按钮，当用户需要对电池均衡时，主动对电池均衡，而不局限于只有充放电时才进行电池均衡。

21.电池管理系统采用国标CAN通讯模式，与充电机，仪表盘进行通讯。

22. 电池管理系统设计为静态功耗为零功耗，工作时要求充电时提供12V、800mA的电源，放电工作也需要12V、800mA的电源（不包括控制继电器闭合驱动电流），本发明监测到客户不能提供12V、800mA的电源时，控制系统将以最低功耗进入半休眠状态。

下面结合附图2对本发明的结构示意图作进一步的说明；

主动均衡电池管理系统，包含上位机、CAN通讯模块、电池管理系统、电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块。

上位机通过CAN通讯模块 向电池管理系统发送控制指令。

电池管理系统通过CAN通讯模块，向上位机传输数据，通过CAN通讯模块 与车载控制系统、充电机连接。

电池管理系统通过RS232接口与电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块连接，获取电池电压、电流、温度的AD采样数据。

下面结合附图3对本发明的电池管理系统作进一步说明；

本发明电池管理系统包含如下操作步骤：

步骤1：启动系统；

步骤2：进入系统初始化模块，分别对寄存器解锁、I/0初始化模块、外设初始化模块、掉电存储芯片初始化模块、串口初始化模块 、AD采样初始化模块、定时器初始化进行操作；

步骤3：读取上次保存电池信息,如电池类型，温度，已充电容量，放电容量，循环次数，电池电压系数，可以查看历史充放电、电池均衡 记录并保存为文件；

步骤4：AD基准值获取模块:读取AD基准值获取模块上的采样数据，系统校正时录入；

步骤5：电池保护模块：监测每个电池单体的电池容量，以及电池单体上的温度；根据电池温度信息，判断是否需要进行电池保护；

步骤6：根据电池组每个单体当前电压，如果某个单体电压过大，就进入步骤7 电池均衡模块进行放电电池均衡处理；如果没有电压过大，则进入步骤8；

步骤7：电池均衡模块：通过数字电路控制，自动将高于平均电压的电池的容量分流到低于平均电压的电池中；同时可以对某个电池单独进行充放电设置，电池组中的其他电池不受影响。除了通过监测电池的当前情况自动进行电池均衡之外，还可以手动设置电池均衡。电池均衡过程中，BMS电池管理系统实时监控当前所有电池的状态，并在屏幕显示模块进行显示；

步骤8：当某个单体电压过低，则进入步骤7，进行充电的电池均衡处理；否则进入步骤9；

步骤9：采用计算剩余容量，计算电池组每个电池单体的剩余容量以及当前电池组总的电池容量；

步骤10：用户根据步骤9中主动均衡电池管理系统监控到的实时电池状态情况，手动的决定是否进行电池均衡，使电池组的每个电池容量趋向于一致；进行电池均衡则进入步骤7，不进行电池均衡则进入步骤5；每个电池单体的当前容量均在屏幕显示模块实时进行显示。

本发明主动均衡电池管理系统采用步进电流充电，从而避免充电机或充电桩启动瞬间大电流对电池的冲击。

1） 第一阶段设置充电时间15秒，充电电流为5A。

2）第二阶段设置充电时间5秒，充电电流为10A。

3）第二阶段以后每5秒增加5A，以此类推最后阶段电流升至设定的充电电流。

4)充电至设定保护电压前0.05V时，每升0.01V降1/5的电流，充电至保护电压电流为零。

5) 电池均衡恢复充电电压，开始充电电流为1/5（设定电池均衡电流的1/5）每步 进一次，时间为5秒。

下面通过实施例，来详细说明本发明电池均衡的实验效果。

本实例1：

选择8节电池，组成电池组，经过万用表测量，8节电池容量从1-8号电池分别为2.50V,2.92V，3.30V,3.29V,3.13V,3.53V,3.75V,3.28V。设定的充电保护电压为3.75V，放电保护电压为2.50V，电池均衡电流为6A，保护电流25A，充电电流6A，恢复充电电压3.65V，恢复放电电压2.8V，电池均衡时间1小时。

未使用本发明电池管理系统进行电池均衡时，通过充放电设备设置充电保护电压为3.75V，对电池组进行充电，通过万用表测量，电池组每个单体电池未发生变化，因为第7号电池，本身已充满，导致串联的电池无法充电。

未使用本发明电池管理系统进行电池电池均衡时，通过充放电设备设置放电保护电压为2.5V，对电池组进行放电，通过万用表测量，电池组每个单体电池未发生变化，因为第1号电池，本身已到最低放电，导致串联的电池无法放电。

使用本发明电池管理系统充电同时进行电池均衡，7号满电池电压下降，其余7个电池电压上升，其中1号电池，因为电池最少，从7号电池上得到的补偿最大，电压升的最快。当7号电池电压降至3.65V时，7号电池开始充电，充满后电池管理系统继续进行电池均衡。此时，因为其他七个电池已经经过较长时间充电，和 7号电池的电压差缩小，电池均衡效果已经不明显，8个电池在连续的充电、电池均衡过充中，彼此电压差进一步缩小，经过半小时的电池均衡之后，8节电池容量，从1-8号依次为3.74V，3.74V,3.73V,3.75V,3.74V,3.75V,3.75V,3.75V。8节电池接近充满。同时电池管理系统统计该充电过程中电池组所获得的所有容量，显示到上位机中。

接着，对电池组进行放电，1号电池先接近2.50V放电保护电压，电池管理系统电池均衡启动，当前平均电压为3.01V，1号电池电压上升，而低于3.01V的电池电压下降减缓，因为高于3.01V的电池容量补充给力低于平均电压的电池，但电池仍进行放电。当1号电池达到2.8V的恢复放电电压时，1号电池开始放电，电压下降。经过20分钟电池均衡时间，8节电池电压均趋于2.5V。放电过程结束后，电池管理系统记录电池循环次数为1，在上位机上显示。打开上位机里的保存文件，文件记录充放电前后的电池组总容量、电池电流、单体电池容量等信息。

Claims (8)

1.主动均衡电池管理系统，包括上位机、CAN通讯模块，其特征在于：所述的上位机通过CAN通讯模块，向电池管理系统发送控制指令；所述的电池管理系统通过CAN通讯模块，向上位机传输数据，通过CAN通讯模块 与车载控制系统、充电机连接；所述的电池管理系统还通过RS232接口与电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块连接，获取电池电压、电流、温度的AD采样数据；采用数字化方式，实时监控电池状态，实时监控保持数据的准确性，使电池单体容量、平台、内阻、自放电参数允许偏差值的范围放宽，包括电池组使用后期各种参数有了变化还能最大限度发挥电池组的潜在容量，电池单体容量的偏差范围为3%-5%，平台为100毫伏，内阻为1-2毫欧，自放电为28天1安时；采用的SOC计算方法，主动均衡电池管理系统根据检测到的电池组中每个测点的充放电的具体容量，来计算得到每个单体电池的电压，能精确到0.1mV。

2.根据权利要求1所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于：所述的上位机设置有保护电流值、电池均衡电流值、电池均衡时间、充放电电流、报警温度、充放电的保护电压、充电时的过充预警电压、放电时的放电预警电压系统；通过GPS进行通讯，实时的把所有数据传送到服务器中进行保存，采集电池的当前状态数据，在上位机上显示，并且根据电池的当前状态，判断是否需要进行电池均衡，并把电池均衡结果动态在上位机上呈现出来；所述的保护电流值，是指电池组充放电电流，达到在上位机设定的保护电流值时，即进行电池保护，停止充放电；所述的充电的保护电压、过充预警电压，是指当主动均衡电池管理系统检测到电池组的某一电池的当前电压达到过充预警电压时，进行预警提示；如果超过过充预警电压，仍进行充电时，则当达到充电保护电压时，系统自动进行充电保护，停止该单一电池的充电，进行电池均衡，将该电池电压下降，均匀的分配到电池组其他电池上，电池均衡过后继续充电直到全部电池到达充电保护电压；所述的放电保护电压，以及放电预警电压；是指当系统检测到电池组的某一电池的当前电压低至放电预警电压时，进行预警提示；如果低于放电预警电压，仍进行放电时，是指当低至放电保护电压时，主动均衡电池管理系统自动进行放电保护，停止该单一电池的放电，进行电池均衡，将该电池电压上升，均衡过后继续放电直到全部电池充至放电保护电压；所述的报警温度，是指当主动均衡电池管理系统检测到的电池组中某一电池的温度达到报警温度值时，会自动停止电池组的充放电工作。

3.根据权利要求1或2所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于：所述的上位机能对电池类型、电池常数、循环次数、实时电压进行显示；所述的循环次数，能使单体电池的循环次数达到理论循环次数的80%，用户根据电池的当前使用状况及需要，在上位机上进行手动操作，对电池组进行均衡。

4.根据权利要求1所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于：所述的电池管理系统是在电池组每组上连接一条电子自由通道，监测每组电池组上的所有单体的电压，监测到大于平均电压15mV的所有单体时，控制单体会自动放出电量，并会留15mV的余量；监测到小于平均电压１５mV的单体，会控制单体吸收电量，并不多余充电，会留15mV的余量，而且电压差越大吸收和放出的电流越大，能量转移电池均衡至电压差小于15mV自动休眠；当控制电池组中某一组电池的电压与电池组的平均电压的差值达到100mV时，该组电池能够获得或输出1A电池均衡电流；电压差值越大，电池均衡电流就越大，最大为3A，瞬间限流6A；所述的电池均衡之后，电池电量可以达到满电量的90%。

5.根据权利要求1所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于：所述的电池管理系统包含如下操作步骤：

步骤1：启动系统；

步骤2：进入系统初始化模块，分别对寄存器解锁、I/0初始化模块、外设初始化模块、掉电存储芯片初始化模块、串口初始化模块 、AD采样初始化模块、定时器初始化进行操作；

步骤3：读取上次保存电池信息,如电池类型，温度，已充电容量，放电容量，循环次数，电池电压系数，可以查看历史充放电、电池均衡 记录并保存为文件；

步骤4：AD基准值获取模块:读取AD基准值获取模块上的采样数据，系统校正时录入；

步骤5：电池保护模块：监测每个电池单体的电池容量，以及电池单体上的温度；根据电池温度信息，判断是否需要进行电池保护；

步骤6：根据电池组每个单体当前电压，如果某个单体电压过大，就进入步骤7 电池均衡模块进行放电电池均衡处理；如果没有电压过大，则进入步骤8；

步骤7：电池均衡模块：通过数字电路控制，自动将高于平均电压的电池的容量分流到低于平均电压的电池中；同时可以对某个电池单独进行充放电设置，电池组中的其他电池不受影响，除了通过监测电池的当前情况自动进行电池均衡之外，还可以手动设置电池均衡，电池均衡过程中，BMS电池管理系统实时监控当前所有电池的状态，并在屏幕显示模块进行显示；

步骤8：当某个单体电压过低，则进入步骤7，进行充电的电池均衡处理；否则进入步骤9；

步骤9：采用计算剩余容量，计算电池组每个电池单体的剩余容量以及当前电池组总的电池容量；

步骤10：用户根据步骤9中主动均衡电池管理系统监控到的实时电池状态情况，手动的决定是否进行电池均衡，使电池组的每个电池容量趋向于一致；进行电池均衡则进入步骤7，不进行电池均衡则进入步骤5；每个电池单体的当前容量均在屏幕显示模块实时进行显示。

6.根据权利要求1所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于：所述的电压采集模块，监测电池电压时，当发现电池组中任何一组电池开路失效时，低于平均电压１５mV的电池单体，控制该失效电池通过能量转移电池均衡从电池组里其他大于平均电压差15mV的高电压电池单体，获得最大补偿电流；当发现电池组中任何一组电池电压大于平均电压时，通过能量转移放出部分电量给其他低于平均电压的单体。

7.根据权利要求1所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于：所述的充电机的充电模式，采用步进电流的方法进行充电，从而避免充电机或充电桩启动瞬间大电流对电池的冲击。

8.根据权利要求1所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于：电池组可以跨箱进行连接，只需任意接4个以上的通道即可，不用考虑顺序。