CN109560336B - 一种车载动力电池主动维护方法和系统 - Google Patents

一种车载动力电池主动维护方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种车载动力电池主动维护方法和系统，当满足动力电池的均衡条件时，以一充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，动力电池的SOC逐渐上升过程中，根据动力电池的SOC满足的范围以对应的充电功率对动力电池进行充电，当SOC到达设定的启动均衡电量阈值时，对动力电池进行主动均衡控制，以保养动力电池，直至动力电池的SOC到达设定的结束均衡电量阈值。由于只有动力电池的电量到达一定值时才能够保证进行有效的主动均衡，所以，先对动力电池进行充电，然后进行均衡控制能够有效实现动力电池的均衡，进而有效提升动力电池的使用寿命。而且，该方法能够对动力电池进行自动维护，用户不必寻找外接充电设备，简化操作。

Description

一种车载动力电池主动维护方法和系统
技术领域
本发明涉及一种车载动力电池主动维护方法和系统，属于动力电池的主动均衡技术领域。
背景技术
混合动力车型的一部分动力源来自于高压动力电池，动力电池因本身的固有属性，需要定期进行充放电维护，即BMS(电池管理系统)调控动力电池进行一个均衡充电的过程，均衡充电是指在动力电池的使用过程中，由于动力电池的个体差异、温度差异等原因造成动力电池端电压不平衡，为了避免这种不平衡趋势的恶化，需要提高动力电池的充电电压，对动力电池进行活化充电。但由于每个混合动力车型的车况不同，充电条件不同(用户一般不会主动向动力电池充电)，造成动力电池维护困难，长期使动力电池处于亏电状态，一定程度影响动力电池使用寿命。
图1为一种常见的混合动力混联系统，发动机输出连接ISG电机，通常情况下发动机与ISG电机之间设置有离合器，而ISG电机连接其他相关的动力机构。能源系统采用复合能源供电，包括超级电容和动力电池两种能够提供电能的储能系统，超级电容和动力电池之间通常设置有双向DC/DC或者其他的开关设备。整车行驶时，优先使用超级电容作为能量源，当超级电容欠压时，整车ECU令双向DC/DC进行升压充电，动力电池的电能输出给超级电容(一般动力电池的电压要小于超级电容电压)，当动力电池电量不足时，整车ECU控制发电机向超级电容充电。
目前所采用的均衡充电技术为被动均衡，即动力电池在静态放置时，BMS将单体电压离平均值较小的电池以小电流进行充电，将单体电压离平均值较大的电池主动放电，达到均衡的目的。但是这种方法在电池长期亏电的情况下是没有效果的，因为平均值计算误差较大，如何定期将电池处于充电状态甚至满电状态，来达到对电池维护的目的是该技术的关键。
并且，申请公布号为CN105939034A的中国专利申请公开了一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统及方法，系统主要包括均衡主控制器、双向DC/DC、超级电容和动力电池，动力电池与超级电容通过双向DC/DC连接，均衡主控制器实现均衡控制，通过双向DC/DC实现高电量电池向超级电容充电，超级电容储存电量后再通过双向DC/DC向低电量电池放电，直到均衡状态。该方法通过超级电容储存转移电量，实现对动力电池的主动均衡。虽然该方法能够在一定程度上实现动力电池组的均衡，但是，通过电量的转移无法实现动力电池的可靠均衡，尤其是当动力电池电量较少时，仅通过超级电容向低电量电池进行放电这一操作无法实现动力电池的有效均衡，进而提升动力电池寿命的程度较为有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种车载动力电池主动维护方法，用以解决传统的均衡方法无法有效实现动力电池的均衡，进而无法有效提升动力电池寿命的问题。本发明同时提供一种车载动力电池主动维护系统。
为实现上述目的，本发明的方案包括一种车载动力电池主动维护方法，包括以下步骤：
(1)当满足动力电池的均衡条件时，以第一设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，动力电池的SOC逐渐上升；
(2)在动力电池的SOC上升过程中，根据动力电池的SOC所满足的范围以对应的充电功率控制超级电容对动力电池进行充电；
(3)当动力电池的SOC到达设定的启动均衡电量阈值时，对动力电池进行主动均衡控制，以保养动力电池，直至动力电池的SOC到达设定的结束均衡电量阈值。
本发明提供的车载动力电池主动维护方法中，当满足动力电池的均衡条件时，以一定的充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，在动力电池的SOC逐渐上升过程中，根据动力电池的SOC所满足的范围以对应的充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，直至动力电池的SOC到达设定的启动均衡电量阈值，然后对动力电池进行主动均衡控制，以保养动力电池。因此，首先对动力电池进行充电，当动力电池的电量到达一定值时，对动力电池进行主动均衡控制，由于只有动力电池的电量到达一定值时才能够进行有效的主动均衡，所以，先对动力电池进行充电，然后进行均衡控制能够有效实现动力电池的主动均衡和维护，进而有效提升动力电池的使用寿命。而且，该方法能够对动力电池进行自动维护，用户不必寻找外接充电设备，简化操作。
实现所述步骤(2)中的根据动力电池的SOC所满足的范围以对应的充电功率控制超级电容对动力电池进行充电的具体过程为：1)当动力电池的SOC到达第一设定电量阈值时，以第二设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，动力电池的SOC继续上升；2)当动力电池的SOC到达所述启动均衡电量阈值时，以第三设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电；
所述第一设定充电功率大于所述第二设定充电功率，所述第二设定充电功率大于所述第三设定充电功率，所述第一设定电量阈值小于所述启动均衡电量阈值。
当超级电容的电压值小于欠压设定值时，控制发动机启动，发动机带动发电机发电，以第四设定充电功率为超级电容充电，直至超级电容的电压值大于过压设定值；
所述第四设定充电功率大于所述第一设定充电功率。
所述动力电池的均衡条件包括以下四个：动力电池的SOC小于设定的电量下限阈值，设定时间段内动力电池没有充放电，动力电池的最大单体电压超过当前单体电压平均值的设定限值，以及动力电池的电压小于设定的电压下限值，只要满足这四个条件中的任意一个即认定满足动力电池的均衡条件。
动力电池的主动均衡控制的实现过程为：调节动力电池中最大单体电压和最小单体电压的压差。
本发明还提供一种车载动力电池主动维护系统，包括动力电池、双向DC/DC、均衡主控制器和超级电容，所述均衡主控制器中执行有以下控制策略：
(1)当满足动力电池的均衡条件时，以第一设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，动力电池的SOC逐渐上升；
(2)在动力电池的SOC上升过程中，根据动力电池的SOC所满足的范围以对应的充电功率控制超级电容对动力电池进行充电；
(3)当动力电池的SOC到达设定的启动均衡电量阈值时，对动力电池进行主动均衡控制，以保养动力电池，直至动力电池的SOC到达设定的结束均衡电量阈值。
实现所述步骤(2)中的根据动力电池的SOC所满足的范围以对应的充电功率控制超级电容对动力电池进行充电的具体过程为：1)当动力电池的SOC到达第一设定电量阈值时，以第二设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，动力电池的SOC继续上升；2)当动力电池的SOC到达所述启动均衡电量阈值时，以第三设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电；
所述第一设定充电功率大于所述第二设定充电功率，所述第二设定充电功率大于所述第三设定充电功率，所述第一设定电量阈值小于所述启动均衡电量阈值。
当超级电容的电压值小于欠压设定值时，控制发动机启动，发动机带动发电机发电，以第四设定充电功率为超级电容充电，直至超级电容的电压值大于过压设定值；
所述第四设定充电功率大于所述第一设定充电功率。
所述动力电池的均衡条件包括以下四个：动力电池的SOC小于设定的电量下限阈值，设定时间段内动力电池没有充放电，动力电池的最大单体电压超过当前单体电压平均值的设定限值，以及动力电池的电压小于设定的电压下限值，只要满足这四个条件中的任意一个即认定满足动力电池的均衡条件。
动力电池的主动均衡控制的实现过程为：调节动力电池中最大单体电压和最小单体电压的压差。
附图说明
图1是现有的混合动力混联系统的结构简图；
图2是车载动力电池主动维护系统的结构简图；
图3是车载动力电池主动维护方法流程的一种具体的实施方式图。
具体实施方式
车载动力电池主动维护系统实施例
本实施例提供一种车载动力电池主动维护系统，包括动力电池、双向DC/DC、均衡主控制器和超级电容，动力电池和超级电容通过双向DC/DC实现电能的传输，均衡主控制器用于进行主动维护控制，即主控均衡控制。因此，均衡主控制器为系统的控制核心，内部加载有以软件程序存在的主动维护控制策略，因此，系统的发明点并非在于系统结构本身，而是在于均衡主控制器中的主动维护控制策略。
作为一个具体的实施方式，图2给出了基于车载动力电池主动维护系统的一种混合动力混联系统，发动机由常闭离合器连接至发电机(以下称为ISG电机)，两者保持相同转速，ISG电机和驱动电机之间由可分开式离合器相连，驱动电机连接传动系统。
本实施例中，均衡主控制器以整车ECU为例，如图2所示，整车ECU与发动机ECU、电机控制器和动力电池BMS通讯连接，能够获取各控制器的、与主动维护控制相关的数据，整车ECU控制连接双向DC/DC，以对其进行控制。
整车ECU中的主动维护控制策略具体如下：
(1)当满足动力电池的均衡条件时，以第一设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，动力电池的SOC逐渐上升。
其中，动力电池的均衡条件可以根据实际要求进行设定，本实施例给出一种实施方式，动力电池的均衡条件包括以下四种：动力电池的SOC小于设定的电量下限阈值、设定时间段内动力电池没有充放电(即在一定的时间内动力电池没有充放电记录)、动力电池中的最大单体电压超过当前单体电压平均值的设定限值、动力电池的电压小于设定的电压下限值，并且，只要满足这四个条件中的任意一个就认定满足动力电池的均衡条件。其中，动力电池中的最大单体电压超过当前单体电压平均值的设定限值的含义是指：动力电池中的最大单体电压与当前单体电压平均值的差值大于一个设定的数值，表示该最大单体电压数值过大，该条件说明电池由于不正常使用导致电池单体电压一致性差，最大单体电压超出最大阈值范围，造成内部环流电流增大，损耗增大。因此，需要均衡维护，上述设定限值可以根据厂家出厂参数进行设定。当然，如果不满足动力电池的均衡条件，那么，待机响应整车其他操作，进入行车模式。
在满足动力电池的均衡条件后，BMS上传动力电池的异常状态(即满足上述四个条件中的任意一个)，整车根据该信号进入均衡充电模式，使能双向DC/DC，以第一设定充电功率，设定为恒定功率P，控制超级电容向动力电池进行降压充电。
(2)根据动力电池的SOC所满足的范围以对应的充电功率控制超级电容对动力电池进行充电。
这一步骤过程为分层次充电过程，由于在充电过程中动力电池的SOC逐渐上升，那么，根据实际需要设置N个设定电量阈值，当动力电池的SOC到达某一个设定电量阈值时，以该设定电量阈值对应的充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，其中，N≥1，N的个数根据实际需要进行设定。不管N的个数是多少，整个充电过程基于以下充电原则：动力电池的SOC越大，对应的充电功率越小。以下给出一种具体的实施方式：动力电池的SOC在逐渐上升过程中，当动力电池的SOC到达第一设定电量阈值时，以第二设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，第一设定充电功率大于第二设定充电功率，动力电池的SOC继续上升；然后，当动力电池的SOC到达一个设定的启动均衡电量阈值时，以第三设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，第二设定充电功率大于第三设定充电功率。整个充电过程也就照应了上述充电原则。另外，第一设定电量阈值小于启动均衡电量阈值。
(3)当动力电池的SOC到达启动均衡电量阈值时，除了对动力电池进行充电之外，还对动力电池进行主动均衡控制，以保养动力电池。由于动力电池仍在充电，因此，动力电池的SOC仍在逐渐增大，那么，设定一个结束均衡电量阈值，动力电池的SOC在启动均衡电量阈值和结束均衡电量阈值之间的范围时，对动力电池进行主动均衡控制。当动力电池的SOC大于结束均衡电量阈值时，结束对动力电池的主动均衡控制。本实施例中，调节动力电池中最大单体电压和最小单体电压的压差来进行主动均衡控制，以下给出一种具体的实现过程：BMS可以总体电压值和SOC值作为输入，再结合相应的算法，估计出每个单体电池的电压值，一旦某个单体电池电压过小，上传需求充电电流报文至整车ECU，在充电状态下可进行自动调节，优先对电压过小的单体电池进行补电，从而提升整体电压一致性。
在退出均衡控制后，整车可根据需求进入行车模式。
另外，在整个过程中，还可以实时检测超级电容的电压值，当超级电容的电压值小于一个欠压设定值时，控制发动机启动，带动ISG电机发电，以第四设定充电功率为超级电容充电，直至超级电容的电压值大于过压设定值。为了能够实现对动力电池的可靠充电，第四设定充电功率要大于第一设定充电功率。
本实施例中的各设定参数均可以根据实际要求进行设定。
基于上述技术方案，以下给出一种具体的应用实例。
(1)如图3所示，整车上电后，初始化参数，设置超级电容均衡充电模式下的过压值和欠压值，同时BMS检测动力电池状态信息，包括四个条件：动力电池总容量SOC值低于15％、3个月动力电池没有充放电记录、动力电池最大单体电压超过当前电压平均值、动力电池电压低于设定值，上述条件满足任一条件即进入过程2，否则待机响应整车其它操作，进入行车模式。
(2)BMS上传动力电池异常状态，整车根据该信号进入均衡充电模式，使能双向DC/DC，以恒定功率P控制超级电容向动力电池进行降压充电。
(3)整车ECU通过电机控制器上传的超级电容电压值判断是否小于其欠压设定值，如果不是，则返回过程2继续充电，并开始过程4判断；如是，整车ECU强制发动机启动，带动ISG电机发电，以恒定功率P1(P1>P)强制发电，直至超级电容电压高于设定的过压值，停止发动机输出，返回过程2。
(4)整车ECU通过BMS检测动力电池SOC值是否在90％～95％，如是，控制双向DC/DC以功率10％*P进行降压充电，并进入过程5判断；如否，则继续以功率P进行降压充电。
(5)整车ECU检测电池SOC是否大于95％，如是，控制双向DC/DC以功率5％*P进行降压充电，如否，则返回过程2。
(6)当电池SOC大于95％时，同时整车ECU或者BMS开始进行主动均衡，调节最大单体电池电压和最小单体电池电压的压差，保养电池。然后，当检测电池SOC值达到100％时，退出均衡充电模式，进入整车行车模式；如未达到100％，则继续充电，并继续进行主动均衡。
另外，在执行均衡充电的过程中，整车ECU检测到任何有关驾驶方面操作信号，即退出均衡充电模式，优先响应驾驶操作。
因此，上述控制策略能够在整车运营的生命周期内，不需要用户定期对动力电池进行外接充电，而是通过BMS反馈的电池状态信息，自动切换进入一种模拟外接充电的均衡充电模式，令双向DC/DC充当模拟外接充电接口，令超级电容和ISG电机作为能量产生源，对动力电池的一种主动均衡维护手段。一旦驾驶员进行与驾驶内容有关的任何操作，整车ECU自动控制退出该均衡维护模式，通过整车行驶的“闲置时间”达到维护保养电池的目的，延长动力电池的使用寿命。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
车载动力电池主动维护方法实施例
本实施例提供一种车载动力电池主动维护方法，该方法为车载动力电池主动维护系统中的主动维护控制策略，由于在上述系统实施例中已给出了详细地描述，本实施例就不再赘述。

Claims (8)

1.一种车载动力电池主动维护方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)当满足动力电池的均衡条件时，整车进入均衡充电模式，以第一设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，动力电池的SOC逐渐上升；
(2)在动力电池的SOC上升过程中，根据动力电池的SOC所满足的范围以对应的充电功率控制超级电容对动力电池进行充电；
(3)当动力电池的SOC到达设定的启动均衡电量阈值时，除了对动力电池进行充电之外，还对动力电池进行主动均衡控制，以保养动力电池，直至动力电池的SOC到达设定的结束均衡电量阈值；所述启动均衡电量阈值为95％，所述结束均衡电量阈值为100％；
当整车ECU检测到任何有关驾驶方面的操作信号，即退出均衡充电模式；
实现所述步骤(2)中的根据动力电池的SOC所满足的范围以对应的充电功率控制超级电容对动力电池进行充电的具体过程为：1)当动力电池的SOC到达第一设定电量阈值时，以第二设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，动力电池的SOC继续上升；2)当动力电池的SOC到达所述启动均衡电量阈值时，以第三设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电；
所述第一设定充电功率大于所述第二设定充电功率，所述第二设定充电功率大于所述第三设定充电功率，所述第一设定电量阈值小于所述启动均衡电量阈值。
2.根据权利要求1所述的车载动力电池主动维护方法，其特征在于，当超级电容的电压值小于欠压设定值时，控制发动机启动，发动机带动发电机发电，以第四设定充电功率为超级电容充电，直至超级电容的电压值大于过压设定值；
所述第四设定充电功率大于所述第一设定充电功率。
3.根据权利要求1所述的车载动力电池主动维护方法，其特征在于，所述动力电池的均衡条件包括以下四个：动力电池的SOC小于设定的电量下限阈值，设定时间段内动力电池没有充放电，动力电池的最大单体电压超过当前单体电压平均值的设定限值，以及动力电池的电压小于设定的电压下限值，只要满足这四个条件中的任意一个即认定满足动力电池的均衡条件。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的车载动力电池主动维护方法，其特征在于，动力电池的主动均衡控制的实现过程为：调节动力电池中最大单体电压和最小单体电压的压差。
5.一种车载动力电池主动维护系统，包括动力电池、双向DC/DC、均衡主控制器和超级电容，其特征在于，所述均衡主控制器中执行有以下控制策略：
(1)当满足动力电池的均衡条件时，整车进入均衡充电模式，以第一设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，动力电池的SOC逐渐上升；
(2)在动力电池的SOC上升过程中，根据动力电池的SOC所满足的范围以对应的充电功率控制超级电容对动力电池进行充电；
(3)当动力电池的SOC到达设定的启动均衡电量阈值时，除了对动力电池进行充电之外，还对动力电池进行主动均衡控制，以保养动力电池，直至动力电池的SOC到达设定的结束均衡电量阈值；所述启动均衡电量阈值为95％，所述结束均衡电量阈值为100％；
当整车ECU检测到任何有关驾驶方面的操作信号，即退出均衡充电模式；
实现所述步骤(2)中的根据动力电池的SOC所满足的范围以对应的充电功率控制超级电容对动力电池进行充电的具体过程为：1)当动力电池的SOC到达第一设定电量阈值时，以第二设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电，动力电池的SOC继续上升；2)当动力电池的SOC到达所述启动均衡电量阈值时，以第三设定充电功率控制超级电容对动力电池进行充电；
所述第一设定充电功率大于所述第二设定充电功率，所述第二设定充电功率大于所述第三设定充电功率，所述第一设定电量阈值小于所述启动均衡电量阈值。
6.根据权利要求5所述的车载动力电池主动维护系统，其特征在于，当超级电容的电压值小于欠压设定值时，控制发动机启动，发动机带动发电机发电，以第四设定充电功率为超级电容充电，直至超级电容的电压值大于过压设定值；
所述第四设定充电功率大于所述第一设定充电功率。
7.根据权利要求5所述的车载动力电池主动维护系统，其特征在于，所述动力电池的均衡条件包括以下四个：动力电池的SOC小于设定的电量下限阈值，设定时间段内动力电池没有充放电，动力电池的最大单体电压超过当前单体电压平均值的设定限值，以及动力电池的电压小于设定的电压下限值，只要满足这四个条件中的任意一个即认定满足动力电池的均衡条件。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的车载动力电池主动维护系统，其特征在于，动力电池的主动均衡控制的实现过程为：调节动力电池中最大单体电压和最小单体电压的压差。
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