CN106356908A - 动力电池组及其构成的控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动力电池组，包括每个电池串的第一个电池单体通过第一串联开关接运算放大器，通过第二串联开关接第二电池单体并通过第一、第二并联开关分别接运算放大器，第一屏蔽开关并联在第一电池单体和第二串联组成串联结构两端；其他电池单体结构相同，每个电池单体均通过一串联开关连接下一个电池单体并通过两个并联开关分别接运算放大器，一屏蔽开关并联在该池单体和该电池单体的串联开关所组成串联结构的两端；一开关一端接该电池串主负极，另一端通过一超级电容接该电池串主正极，该超级电容负极接运算放大器负极。本发明还提供了一种动力电池组控制系统和一种控制方法。本发明能避免某一电池故障所造成的电池单体使用寿命降低。

Description

动力电池组及其构成的控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及汽车动力领域，特别是涉及一种动力电池组；本发明还涉及一种动力电池组控制系统和一种动力电池组控制方法。

背景技术

传统BMS(电池管理系统BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)系统中低层电池连接结构一般采用先并后串形式并加以主动/被动均衡系统保证整个电池系统运行的一致性。虽然传统电池组先并后串的结构均衡实现容易，一致性好，但同时产生以下缺陷：

1、并联单体电池之间的能量互相均衡实现导致电池充放电次数增多，电池寿命将下降。

2、某一电池单体故障短路将成为并联负载影响整组电池组。

3、某一电池单体出现故障时严重影响其余未故障电池的情况，能量流动过程中会造成极大的能源浪费。

针对上述缺陷，传统电池组保护方法中使用串联保险方案，但该保护方案还是存在以下缺陷，不利于电池组应用：

a、保险动作时间慢

b、保险动作后不可自恢复，必须由专业技术人员由专业仪器修复。

c、保险丝一致性很差，无法精确控制熔断时间。

SOC(全称是State of Charge，剩余电量或荷电状态)，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0～1，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1时表示电池完全充满。

SOC是通过本领域常用软件算法实现的，一般的做法是通过BMS采集电池的静态电压、动态电压/电流(计算内阻)，温度等参数使用安时积分法进行计算。

SOH(State Of Health，健康状态)，蓄电池容量、健康度、性能状态，即蓄电池满充容量相对额定容量的百分比，新出厂电池为100％，完全报废为0％，其为一种可测量化指标。

SOF(state of function蓄电池功能状态)蓄电池功能状态，为SOC和SOH的合集,主要表示对蓄电池SOC和寿命的概念，其为一种可测量化指标。

超级电容器(Supercapacitors，ultracapacitor)，又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors)，双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

过放电是指电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，还继续放电时就可能会造成电池内压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量产生明显减少。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能避免因某一电池故障造成电池组频繁启动负载均衡导致电池单体使用寿命降低的动力电池组。并且，本发明所提供的动力电池组无需保护装置即能实现电池组短路故障保护。本发明还提供了一种具有所述动力电池组的动力电池组控制系统和一种动力电池组控制方法。

为解决上述技术问题本发明提供的动力电池组有至少两个由多个单体电池串联组成的电池组串，其中：

每个电池串的第一个电池单体其负极作为该电池串的主负极连接该动力电池组的一电压母线，每个电池串的最后一个电池单体其正极作为该电池串的主正极连接该动力电池组的另一电压母线；

每个电池串的第一个电池单体，其负极通过第一串联开关接一运算放大器的正极，其正极通过第二串联开关连接第二电池单体的负极并通过第一、第二并联开关分别接运算放大器的负极和正极，第一屏蔽开关并联在第一电池单体和第二串联组成串联结构的两端；

其他电池单体结构相同，每个电池单体其正极均通过一串联开关连接下一个电池单体的负极并通过两个并联开关分别接运算放大器的负极和正极，一屏蔽开关并联在该池单体和该电池单体的串联开关所组成串联结构的两端；

一开关一端连接该电池串的主负极，另一端通过一超级电容连接该电池串的主正极，该超级电容的负极接运算放大器的负极。

一种具有上述动力电池组的动力电池组控制系统，包括：

正常工作模式，

该控制系统对电池单体一一进行的SOC、内阻和温度测量；SOC、内阻和温度测量通过软件算法实现的，业界常用的做法是通过BMS采集电池的静态电压、动态电压/电流(计算内阻)，温度等参数使用安时积分法进行计算。

若电池单体A出现以下任一情况，则判断该单体出现一般异常，系统进入差异分析工作模式；

1)该电池单体A的SOC与其所属电池组平均SOC相比较，SOC偏差范围为20％～40％；

2)该电池单体A内阻大于其所属电池组电池单体平均内阻的20％～40％；

3)该电池单体A温度高于其所属电池组电池单体平均温度的20％～40％；

若电池单体A出现以下任一情况，判断该电池单体A出现特殊异常，则屏蔽电池单体A并输出错误报告，并在其他电池串中都分别选出SOF值最小(即表示SOF的百分值最小的)的电池单体进行屏蔽；

4)该电池单体A的SOC与其所属电池组平均SOC相比较，SOC偏差范围为大于40％；

5)该电池单体A内阻大于其所属电池组电池单体平均内阻的40％；

6)该电池单体A温度高于其所属电池组电池单体平均温度的40％；

若电池单体A未出现一般异常和特殊异常，则对其他电池单体循环进行上述检测；

差异分析工作模式，

A、若动力电池组SOC大于其总电量的30％，并且动力电池组未处于最大功率输出状态，判断该电池单体A故障并屏蔽该故障单体，并在其他电池串中都分别选出SOF值最小(即表示SOF的百分值最小的)的单体进行屏蔽；

动力电池组未处于最大功率输出状态，在整车环境下一般是指整车运动模式；即在整车运动模式下需要电池组输出最大功率；在动力电池组未处于最大功率输出状态时若进入屏蔽模式，则每屏蔽一节单体，电池包整体电压会下降3～4V左右，输出功率随之下降。

若需求动力电池组处于最大功率输出状态，则控制系统会尽量采取辅助均衡的模式阻止电池单体过放电。

B、若动力电池组的SOC小于其总电量的30％或动力电池组未处于最大功率输出状态，则进行辅助均衡：

C、若任意电池串C的SOC小于其他电池串的SOC超过20％，则系统屏蔽该电池串C并输出错误报告；

D、若任意电池串C中一般异常电池单体＞该电池串总单体数量的10％，则系统直接屏蔽该电池串并输出错误报告。

其中，所述辅助均衡采用以下方式：

a、选择电池单体A所属电池串中SOC最高的电池单体B，使用该电池单体B为超级电容充电；

b、断开电池单体B与超级电容的连接；

c、使用超级电容为电池单体A充电。

其中，差异分析工作模式下，被屏蔽的电池串C只有处于跛行回家模式下才会被启动。跛行回家模式：最高车速限制20km/小时并限制车辆娱乐功能以在可能的情况下驶入维修站。

一种动力电池组控制方法，包括：

对动力电池组各电池单体进行SOC、内阻和温度测量；

若某电池单体A出现以下任一情况，判断该单体出现一般异常，对其他电池单体或电池组工作情况进行差异分析处理；

1)该电池单体A的SOC与其所属电池组平均SOC相比较，SOC偏差范围为20％～40％；

2)该电池单体A内阻大于其所属电池组电池单体平均内阻的20％～40％；

3)该电池单体A温度高于其所属电池组电池单体平均温度的20％～40％；

若电池单体A出现以下任一情况，则判断该单体出现特殊异常，屏蔽电池单体A并输出错误报告，并在其他电池串中都分别选出SOF值最小的电池单体进行屏蔽；

4)该电池单体A的SOC与其所属电池组平均SOC相比较，SOC偏差范围为大于40％；

5)该电池单体A内阻大于其所属电池组电池单体平均内阻的40％；

6)该电池单体A温度高于其所属电池组电池单体平均温度的40％；

若电池单体A未出现一般异常和特殊异常，则对其他电池单体循环进行上述检测；

所述差异分析处理如下：

若动力电池组SOC大于其总电量的30％，并且动力电池组未处于最大功率输出状态，判断该电池单体A故障并屏蔽该故障单体，并在其他电池串中都分别选出SOF值最小的电池单体进行屏蔽；

若动力电池组SOC小于其总电量的30％或动力电池组未处于最大功率输出状态，则进行辅助均衡：

若任意电池串C的SOC小于其他电池串的SOC超过20％，则系统屏蔽该电池串C并输出错误报告；

若任意电池串C中一般异常电池单体＞该电池串总单体数量的10％，则系统直接屏蔽该电池串并输出错误报告。

其中，所述辅助均衡采用以下方式：

a、选择电池单体A所属电池串中SOC最高的电池单体B，使用该电池单体B为超级电容充电；

b、断开电池单体B与超级电容的连接；

c、使用超级电容为电池单体A充电。

本发明工作原理及工作状态，说明如下：

一、从系统角度本发明工作原理：

a、主动屏蔽系统：

当某电池串的某单体出现过放电时，系统自动控制B，C，D…等电池组中SOC最低的电池体进行统一的屏蔽处理，从而保证各电池串之间的电位水平相等。并通知控制系统主电池包降压的情况。当SOC差异率大于一定值时可输出报警。如果某串电池组失效单体过多，将采取措施直接屏蔽该电池串，从而保证系统的最大SOC利用率。

b、备用均流系统：

当电池组各电池串整体老化严重或其某电池串的电池单体老化情况不平衡时，显然仅靠屏蔽工作将导致电池组可用健康电池单体变少，而大幅影响动力电池组的供电能力及续航时间；

本发明的备用均流将启用，屏蔽与备用均流联合工作，依照操作者意图在保证整体电池组安全的情况下，最大程度释放动力电池组电力。

二、从充放电过程角度本发明工作状态：

A、充电过程中状态：

a、主动屏蔽系统：

电池在使用过程中因工艺、制造等问题会产生寿命的偏差，造成容量的不均衡。而容量的不均衡导致电池在放电过程中SOC的不一致，与传统充电SOC利用放电电阻放电的方式不同，当本发明中检测到SOC较小的单体电池电量饱和后，采用断开串联开关，闭合并联开关的方式直接将该单体电池短路出整个系统，其余单体电池可继续充电直至全部电量达到饱和状态。

b、备用均流系统：

当动力电池组整体因老化而整体差异化较大时，备用均流系统开始工作，可辅助外部充电设备提高充电速度。

B、放电过程中均衡：

a、主动屏蔽系统：

与充电过程类似，电池由于其内阻等特性变化导致放电损耗、放电会出现过放电临界点等性能参数不一致的情况，本发明检测整个电池组每个单体电池的放电过程，在出现某单体过放电时断开与该单体串联的开关，从而达到屏蔽低容量电池的目的。

当某电池组某电池单体出现过放电时，本发明自动控制B，C，D…电池组电池中SOC最低的电池体进行统一的屏蔽处理，从而保证串间电池组的电位水平相等。并通知控制器主电池包降压情况。当SOC差异率大于一定值时报警。如果某串电池组失效单体过多，本发明将采取措施直接屏蔽该电池串，从而保证系统的最大SOC利用率。

b、备用均流系统：

当动力电池组整体因老化而整体差异化较大或者不希望因屏蔽电池而带来动力性损失时，备用均流系统开始工作，使电池组内电能利用中最大化的同时保证较差的单体不会因为过放电/过热等情况导致故障产生。

3、在任意电池单体出现短路、过流、过热、触电失效、内阻突变等等故障时，本发明采用屏蔽方式屏蔽该故障单体电池同时可输出报警，同时少量的故障单体出现对系统整体性能影响将被削弱。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明动力电池组一实施例的结构示意图。

图2是本发明控制方法应用于整车动力电池组控制实例的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明动力电池组一实施例，包括：N个由M个单体电池串联组成的电池组串，M≥3，N≥2；

每个电池串的第一个电池单体a1其负极作为该电池串的主负极连接该动力电池组的一电压母线A(HV+)，每个电池串的最后一个电池单体aM其正极作为该电池串的主正极连接该动力电池组的另一电压母线B(HV-)；

每个电池串的第一个电池单体a1，其负极通过第一串联开关s1接运算放大器U1-A(A为不同电池串运算放大器的编号)的正极，其正极通过第二串联开关s3连接第二电池单体a2的负极并通过第一并联开关s4、第二并联开关s5分别接运算放大器U1-A的负极和正极，第一屏蔽开关S2并联在第一电池单体a1和第二串联s3组成串联结构的两端；

其他电池单体结构相同，每个电池单体其正极均通过一串联开关连接下一个电池单体的负极并通过两个并联开关分别接运算放大器的负极和正极，一屏蔽开关并联在该池单体和该电池单体的串联开关所组成串联结构的两端；

一开关(图1中s9)一端连接该电池串的主负极，另一端通过一超级电容C连接该电池串的主正极，该超级电容C的负极接运算放大器的负极。

一种具有上述动力电池组的动力电池组控制系统，包括：

正常工作模式，

该控制系统对电池单体一一进行的SOC、内阻和温度测量；SOC、内阻和温度测量通过软件算法实现的，业界常用的做法是通过BMS采集电池的静态电压、动态电压/电流(计算内阻)，温度等参数使用安时积分法进行计算；

以a1为例，测量单体电池a1的SOC状态(系统闭合开关s5、s1)，其它单体电池SOC状态测量以此类推；

若电池单体a1出现以下任一情况，则判断该单体a1出现一般异常，系统进入差异分析工作模式；

1)该电池单体a1的SOC与其所属电池组平均SOC相比较，SOC偏差范围为20％～40％；

2)该电池单体a1内阻大于其所属电池组电池单体平均内阻的20％～40％；

3)该电池单体a1温度高于其所属电池组电池单体平均温度的20％～40％；

若电池单体a1出现以下任一情况，判断该单体出现特殊异常，则屏蔽电池单体a1(闭合开关s2、断开开关s3)并输出错误报告，并在其他电池串中都分别选出SOF值最低的一个电池单体进行屏蔽；

4)该电池单体a1的SOC与其所属电池组平均SOC相比较，SOC偏差范围为大于40％；

5)该电池单体a1内阻大于其所属电池组电池单体平均内阻的40％；

6)该电池单体a1温度高于其所属电池组电池单体平均温度的40％；

若电池单体a1未出现一般异常和特殊异常，则对其他电池单体循环进行上述检测；

差异分析工作模式，

A、若动力电池组SOC大于其总电量的30％，并且没有输入运动模式信号，判断该电池单体a1故障并屏蔽该故障电池单体a1(闭合开关S2、断开开关S3)，并在其他电池串中都分别选出SOF值最低的电池单体进行屏蔽；

B、若动力电池组SOC小于其总电量的30％或输入运动模式信号，则进行辅助均衡：

C、若任意电池串C的SOC小于其他电池串的SOC超过20％，则系统屏蔽该电池串C并输出错误报告；

D、若任意电池串C中一般异常电池单体＞该电池串总单体数量的10％，则系统直接屏蔽该电池串并输出错误报告。

其中，所述辅助均衡采用以下方式：

a、选择电池单体a1所属电池串中SOC最高的电池单体a2(假设单体a2的SOC状态为该电池串电池中最高)，使用该电池单体a2为超级电容C充电；即，闭合S6、S9、S7。

b、断开电池单体a2与超级电容C的连接；即，断开开关S6、S9、S7。

c、使用超级电容为电池单体a1充电；即，闭合开关S5、S1。

其中，差异分析工作模式下，被屏蔽的电池串C只有处于跛行回家模式下才会被启动。跛行回家模式：最高车速限制20km/小时并限制车辆娱乐功能以在可能的情况下驶入维修站。

一种动力电池组控制方法，包括：

对动力电池组各电池单体进行SOC、内阻和温度测量；

若某电池单体A出现以下任一情况，判断该单体出现一般异常，对其他电池单体或电池组工作情况进行差异分析处理；

1)该电池单体A的SOC与其所属电池组平均SOC相比较，SOC偏差范围为20％～40％；

2)该电池单体A内阻大于其所属电池组电池单体平均内阻的20％～40％；

3)该电池单体A温度高于其所属电池组电池单体平均温度的20％～40％；

若电池单体A出现以下任一情况，则判断该单体出现特殊异常，屏蔽电池单体A并输出错误报告，并在其他电池串中都分别选出SOF值最低的一电池单体进行屏蔽；

4)该电池单体A的SOC与其所属电池组平均SOC相比较，SOC偏差范围为大于40％；

5)该电池单体A内阻大于其所属电池组电池单体平均内阻的40％；

6)该电池单体A温度高于其所属电池组电池单体平均温度的40％；

若电池单体A未出现一般异常和特殊异常，则对其他电池单体循环进行上述检测；

所述差异分析处理如下：

若动力电池组SOC大于其总电量的30％，并且没有输入运动模式信号，判断该电池单体A故障并屏蔽该故障单体，并在其他电池串中都分别选出SOF值最低的单体进行屏蔽；

若动力电池组SOC小于其总电量的30％或输入运动模式信号，则进行辅助均衡：

若任意电池串C的SOC小于其他电池串的SOC超过20％，则系统屏蔽该电池串C并输出错误报告；

若任意电池串C中一般异常电池单体＞该电池串总单体数量的10％，则系统直接屏蔽该电池串并输出错误报告。

其中，所述辅助均衡采用以下方式：

a、选择电池单体a1所属电池串中SOC最高的电池单体a2(假设单体a2的SOC状态为该电池串电池中最高)，使用该电池单体a2为超级电容C充电；即，闭合S6、S9、S7。

b、断开电池单体a2与超级电容C的连接；即，断开开关S6、S9、S7。

c、使用超级电容为电池单体a1充电；即，闭合开关S5、S1。

以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种动力电池组具有至少两个由多个单体电池串联组成的电池组串，其特征是：

每个电池串的第一个电池单体其负极作为该电池串的主负极连接该动力电池组的一电压母线，每个电池串的最后一个电池单体其正极作为该电池串的主正极连接该动力电池组的另一电压母线；

每个电池串的第一个电池单体，其负极通过第一串联开关接一运算放大器的正极，其正极通过第二串联开关连接第二电池单体的负极并通过第一、第二并联开关分别接运算放大器的负极和正极，第一屏蔽开关并联在第一电池单体和第二串联组成串联结构的两端；

其他电池单体结构相同，每个电池单体其正极均通过一串联开关连接下一个电池单体的负极并通过两个并联开关分别接运算放大器的负极和正极，一屏蔽开关并联在该池单体和该电池单体的串联开关所组成串联结构的两端；

一开关一端连接该电池串的主负极，另一端通过一超级电容连接该电池串的主正极，该超级电容的负极接运算放大器的负极。

2.一种具有权利要求1所述动力电池组的动力电池组控制系统，其特征是：

正常工作模式：

该控制系统对电池单体一一进行SOC、内阻和温度测量，

若电池单体A出现以下任一情况，则判断该单体A出现一般异常，系统进入差异分析工作模式，

1)该电池单体A的SOC与其所属电池组平均SOC相比较，SOC偏差范围为20％～40％，

2)该电池单体A内阻大于其所属电池组电池单体平均内阻的20％～40％，

3)该电池单体A温度高于其所属电池组电池单体平均温度的20％～40％；

若电池单体A出现以下任一情况，判断该单体出现特殊异常，则屏蔽电池单体A并输出错误报告，并在其他电池串中都分别选出SOF值最小的电池单体进行屏蔽；

4)该电池单体A的SOC与其所属电池组平均SOC相比较，SOC偏差范围为大于40％；

5)该电池单体A内阻大于其所属电池组电池单体平均内阻的40％；

6)该电池单体A温度高于其所属电池组电池单体平均温度的40％；

若电池单体A未出现一般异常和特殊异常，则对其他电池单体循环进行上述检测；

差异分析工作模式，

A、若动力电池组SOC大于其总电量的30％，并且动力电池组未处于最大功率输出状态，判断该电池单体A故障并屏蔽该故障电池单体A，并在其他电池串中都分别选出SOF值最小的单体进行屏蔽；

B、若动力电池组SOC小于其总电量的30％或动力电池组未处于最大功率输出状态，则进行辅助均衡：

C、若任意电池串C的剩余电量小于其他电池串的剩余电量超过20％，则系统屏蔽该电池串C并输出错误报告

D、若任意电池串C中一般异常电池单体＞该电池串总单体数量的10％，则系统直接屏蔽该电池串并输出错误报告。

3.一种具有权利要求2所述动力电池组的动力电池组控制系统，其特征是：

所述辅助均衡采用以下方式：

a、选择电池单体A所属电池串中SOC最高的电池单体B，使用该电池单体B为超级电容充电；

b、断开电池单体B与超级电容的连接；

c、使用超级电容为电池单体A充电。

4.一种具有权利要求2或3所述动力电池组的动力电池组控制系统，其特征是：差异分析工作模式下，被屏蔽的电池串C只有处于跛行回家模式下才会被启动。

5.一种动力电池组控制方法，其特征是，包括：

对动力电池组各电池单体进行SOC、内阻和温度测量；

若某电池单体A出现以下任一情况，判断该单体出现一般异常，对其他电池单体或电池组工作情况进行差异分析处理；

1)该电池单体A的SOC与其所属电池组平均SOC相比较，SOC偏差范围为20％～40％；

2)该电池单体A内阻大于其所属电池组电池单体平均内阻的20％～40％；

3)该电池单体A温度高于其所属电池组电池单体平均温度的20％～40％；

若电池单体A出现以下任一情况，则判断该单体出现特殊异常，屏蔽电池单体A并输出错误报告，并在其他电池串中都分别选出SOF值最小的一电池单体进行屏蔽；

4)该电池单体A的SOC与其所属电池组平均SOC相比较，SOC偏差范围为大于40％；

5)该电池单体A内阻大于其所属电池组电池单体平均内阻的40％；

6)该电池单体A温度高于其所属电池组电池单体平均温度的40％；

若电池单体A未出现一般异常和特殊异常，则对其他电池单体循环进行上述检测；

所述差异分析处理如下：

若动力电池组SOC大于其总电量的30％，并且动力电池组未处于最大功率输出状态，判断该电池单体A故障并屏蔽该故障单体，并在其他电池串中都分别选出SOF值最小的电池单体进行屏蔽；。

若动力电池组SOC小于其总电量的30％或动力电池组未处于最大功率输出状态，则进行辅助均衡：

若任意电池串C的SOC小于其他电池串的SOC超过20％，则系统屏蔽该电池串C并输出错误报告；

若任意电池串C一般异常电池单体＞该电池串总单体数量的10％，则系统直接屏蔽该电池串并输出错误报告。

6.如权利要求5所述的动力电池组控制方法，其特征是：

所述辅助均衡采用以下方式：

a、选择电池单体A所属电池串中SOC最高的电池单体B，使用该电池单体B为超级电容充电；

b、断开电池单体B与超级电容的连接；

c、使用超级电容为电池单体A充电。