CN110901465A - Bms均衡开启时提升单体电压采集精度的方法 - Google Patents

Bms均衡开启时提升单体电压采集精度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法，包括以下步骤：上电初始化，计算每串电芯仅有相邻的上串电芯均衡状态开启时对该串电芯的采集补偿系数Kr0；计算每串电芯仅有相邻的下串电芯均衡状态开启时，对该串电芯的采集补偿系数Kr1；计算每串电芯仅有自身均衡状态开启时对自身的采集补偿系数Kr2；采集指定电芯电压时，识别指定电芯的上串电芯、自身以及下串电芯的均衡开启状态；根据开启均衡的电芯的补偿系数分别对指定电芯的采集电压进行补偿，得出指定电芯的真实单体电压值。本发明的保证了单体信息采集的实时性，同时避免了开均衡和采集动作的交替执行，降低了控制的复杂度，提升了均衡执行的时间效率。

Description

BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法
技术领域
本发明涉及新能源行业的电池管理系统技术领域，具体涉及一种BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法。
背景技术
随着新能源行业的发展，纯电动车型也在不断的推陈出新。其中，动力电池作为重要的零部件，如何使电池保证优秀动力输出的同时并且拥有较长的使用年限，一直是生产者和消费者关注的焦点。电池来说，放电时，可以放出电量取决于当前最小的单体电压；充电时，可以充进的电量则取决于最大的单体电压。电池在装包初期，单体一致性优异。但随着使用时间的累加，受电芯老化等因素的影响，单体一致性越来越差。所以，保持电芯的一致性对其充放电性能以及整车续航里程具有非常大的作用。目前保持一致性的主要方法为被动均衡。此外，车辆在运行时，BMS需实时监控电池包内电芯数据，包括采集电芯电压、温度。在发生异常情况时，比如单体电压过高、过低，能够及时上报故障，使整车或BMS采取响应措施，避免电芯出现过放或过充的情况，起到保护电芯的作用。但被动均衡存在的缺陷是，电芯在执行均衡动作的时候，因为均衡电流在均衡电阻上压降的干扰，不能同时进行数据采集。为了保证数据的精确性，只能在电压采集时关闭均衡，牺牲采集的实时性。动均衡作为保持电芯一致性的方法，也存在一定的缺陷，即开启均衡时，采集回路存在均衡电流，在耗散电阻上产生压降，会影响到电芯当前真实电压的采集。通常的做法是，电芯需要进行均衡时，为不影响电压采集的即时性，采集动作和均衡动作只能分开间隔执行。查看以往专利，并没有针对均衡开启时，同时可以进行单体电压采集的方案。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法，保证了单体信息采集的实时性，同时避免了开均衡和采集动作的交替执行，降低了控制的复杂度，提升了均衡执行的时间效率。
本发明提供了一种BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法，其特征在于包括以下步骤：
上电初始化，计算每串电芯仅有相邻的上串电芯均衡状态开启时对该串电芯的采集补偿系数Kr0；
计算每串电芯仅有相邻的下串电芯均衡状态开启时，对该串电芯的采集补偿系数Kr1；
计算每串电芯仅有自身均衡状态开启时对自身的采集补偿系数Kr2；
采集指定电芯电压时，识别指定电芯的上串电芯、自身以及下串电芯的均衡开启状态；
根据开启均衡的电芯的补偿系数分别对指定电芯的采集电压进行补偿，即叠加各个开启均衡的电芯对指定电芯的采集电压的补偿效应，得出指定电芯的真实单体电压值。本发明仅考虑相邻电芯的补偿效应。
上述技术方案中，对于顶端电芯和底端电芯，根据实际经验，在计算补偿电压时会考虑一个由电池给采集芯片供电所产生的采集误差。
上述技术方案中，指定电芯的相邻的上串电芯开启均衡状态时，指定电芯的采集电压减去由相邻的上串电芯产生的补偿系数Kr0带来的补偿电压；
指定电芯自身开启均衡状态时，指定电芯的采集电压加上由自身产生的补偿系数Kr2带来的补偿电压；
指定电芯的相邻的下串电芯开启均衡状态时，指定电芯的采集电压减去由相邻的下串电芯产生的补偿系数Kr1带来的补偿电压；
其中，电池单体电压为U1、U2...Um，其中n，m为自然数；均衡后单个电芯的BMS测量电压为Ub(n)；MOS管上均衡压降为Umos；均衡电阻为Rb(n)；其它串电芯开均衡对本串有影响后采集电压为Uy(n)，n为1-m之间的整数。
上述技术方案中，采集补偿系数Kr0的计算步骤如下：
未开启均衡状态时，指定电芯的采集电压的测量值记为U(n)；
仅有指定电芯相邻的上串电芯开启均衡状态时，指定电芯的相邻的上串电芯测量电压为记为Uy(n+1)1；
指定电芯相邻的上串电芯的BMS测量电压为Ub(n+1)；指定电芯相邻的上串电芯电连接的MOS管上均衡压降为Umos；
指定电芯仅有相邻的上串电芯均衡状态开启时对该串电芯的采集补偿系数Kr(n)0＝(Uy(n+1)1-U(n))/(Ub(n+1)-Umos)。
上述技术方案中，采集补偿系数Kr1的计算步骤如下：
未开启均衡状态时，指定电芯的采集电压的测量值记为U(n)；
仅有指定电芯相邻的下串电芯开启均衡状态时，指定电芯采集电压的测量值记为Uy(n)0；
指定电芯相邻的下串电芯的BMS测量电压记为Ub(n-1)；指定电芯相邻的下串电芯电连接的MOS管上均衡压降记为Umos；
指定电芯仅有相邻的下串电芯均衡状态开启时对该串电芯的采集补偿系数Kr(n)1＝(Uy(n)0-U(n))/(Ub(n-1)-Umos)。
上述技术方案中，采集补偿系数Kr2的计算步骤如下：
未开启均衡状态时，指定电芯的采集电压的测量值记为U(n)；
仅有指定电芯开启均衡状态时，指定电芯的BMS测量电压记为Ub(n)；
指定电芯相电连接的MOS管上均衡压降记为Umos；
指定电芯均衡状态开启时对该串电芯的采集补偿系数Kr(n)2＝(U(n)-Ub(n))/(Ub(n)-Umos)。
上述技术方案中，指定电芯相邻的上串电芯开启均衡状态时，电压补偿为(Ub(n+1)-Umos)*Kr(n)0。
上述技术方案中，指定电芯相邻的下串电芯开启均衡状态时，电压补偿为(Ub(n-1)-Umos)*Kr(n)1。
上述技术方案中，指定电芯自身开启均衡状态时，电压补偿为Ub(n)+(Ub(n)-Umos)*Kr(n)2。
上述技术方案中，对于顶端和底端电芯而言，采用经验电流值I对均衡采样影响的消除；此经验值由电池给顶端和底端芯片供电产生的，底端电芯的电压补偿为U1+(Kr(1)0*Rb(1)-Kr(1)1*Rb(1)*I；
顶端电芯的电压补偿为Um+(Kr(m)2*Rb(m)-Kr(m)0*Rb(m)*I；
其中，均衡电阻的电阻值为测量所得，电流I为选取的经验值。
本发明根据单体电压采集的电气原理和均衡开启的不同位置算出不同的电压补偿系数Kr。在均衡开启的情况下，利用补偿系数对采集电压进行补偿，得出真实单体电压值。而对处于特殊位置的低端电芯和高端电芯根据实际经验，考虑一个比其他串电压低固定值的补偿。此外，补偿系数的获取必须在完成上电初始化后阶段，避免行车放电或充电对系数计算带来的误差。本发明专利所述的电池开启被动均衡过程中同时采集电池电压的方法，通过开启均衡前后的单体电压采集值，精确估算开启均衡过程中电池电压。有以下明显的益处：提升被动均衡效率；有效提高均衡时单体电压采集的实时性和精度；降低常规均衡和采集的控制复杂度。
附图说明
图1为本发明的应用示意图；
图2为均衡系数计算和采集结果补偿的流程示意图；
图3为中间串电芯计算的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明应用的电池管理系统，共采集12路电压，从下至上分别为电芯BAT1、BAT2......BAT12，采集回路上的电阻分布从下至上分别为R0、R1......R12，中间与MOS相连的是均衡电阻Rb1、Rb2......Rb12，均衡开启时，即通过此均衡电阻耗散电芯多余的电量。由于采集板采用相同规格参数的MOS管，所以均衡电流在MOS管产生的压降可认为相同。
均衡补偿的方案为，根据单体电压采集的电气原理图(如图1)和均衡开启的不同位置算出不同的电压补偿系数Kr。在均衡开启的情况下，利用补偿系数对采集电压进行补偿，得出真实单体电压值。不同的补偿系数可根据均衡实际开启情况有叠加效果。而对处于特殊位置的低端电芯BAT1和高端电芯BAT12，根据实际经验，在计算补偿电压时会考虑一个测量电流产生的压降的补偿。此外，补偿系数的获取必须在完成上电初始化后阶段，避免行车放电或充电对系数计算带来的误差。
本发明提供了一种BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法，包括以下步骤：
上电初始化，计算每串电芯仅有相邻的上串电芯均衡状态开启时对该串电芯的采集补偿系数Kr0；
计算每串电芯仅有相邻的下串电芯均衡状态开启时，对该串电芯的采集补偿系数Kr1；
计算每串电芯仅有自身均衡状态开启时对自身的采集补偿系数Kr2；
采集指定电芯电压时，识别指定电芯的上串电芯、自身以及下串电芯的均衡开启状态；
根据开启均衡的电芯的补偿系数分别对指定电芯的采集电压进行补偿，得出指定电芯的真实单体电压值。
本发明具体实施例采用的电芯单体电压采集电路如图2所示，从下至上分为电芯BAT1、BAT2......BAT12，采集回路上的电阻分布从下至上分别为R0、R1......R12，中间与MOS相连的是均衡电阻Rb1、Rb2......Rb12，均衡开启时，即通过此均衡电阻耗散电芯多余的电量。
假设仅BAT(n)串电芯均衡开启时，其均衡电流流过电阻R(n)和R(n-1)产生压降，会对上串BAT(n+1)和下串BAT(n-1)的电压采集会造成影响。故根据不同的情况，做以下区分：
(1)上串电芯BAT(n)开均衡对下串BAT(n-1)的采集补偿系数为Kr0；
(2)下串电芯BAT(n-1)开均衡对上串BAT(n)采集补偿系数为Kr1；
(3)本串电芯BAT(n)开均衡对本身造成的电压采集补偿系数为Kr2；
相应的，在进行最终的采集电压补偿时，也需按这三种情况区分:
(1)上串BAT(n+1)开均衡时，下串BAT(n)的采集电压减去由Kr0带来的补偿电压；
(2)本串BAT(n)开均衡时，BAT(n)的采集电压加上由Kr2带来的补偿电压；
(3)下串BAT(n-1)开均衡时，上串BAT(n)的采集电压减去由Kr1带来的补偿电压。
中间串电芯计算的电路示意图如图3所示，
电池单体电压为U1、U2…...U12；均衡后BMS测量电压为Ub1、Ub2......Ub12；MOS管上均衡压降为Umos；均衡电阻为Rb1、Rb2......Rb12；本串开均衡后采集电压为Ub；其它串开均衡对本串有影响后采集电压为Uy，其中Ubn、Uyn指代不同时刻采集的电压值；上串对下串的均衡补偿系数为Kr0；下串对上串的均衡补偿系数为Kr1；本串对本串的均衡补偿系数为Kr2
(1)上串开均衡时对本串电压采集的影响：
a.未开均衡时，第n串电芯的测量电压U(n)；
b.开BAT(n+1)即第n+1串处开启均衡状态时，第n+1串测量电压为Uy(n+1)1；
R(n)上压降为Uy(n)1-U(n)；
R(n)上电流为((Ub(n+1)-Umos)/Rb(n+1))；
R(n+1)＝(Uy(n+1)1-U(n))/(((Ub(n+1)-Umos)/Rb(n+1)))；
表示为R(n)＝Kr(n)0*Rb(n+1)；
Kr(n)0＝(Uy(n+1)1- U(n))/(Ub(n+1)-Umos) (1)；
(2)下串开均衡时对本串的影响：
a.未开均衡时，第n串测量电压U(n)；
b.开BAT(n-1)即第n-1串处开启均衡状态时，第n串测量电压为Uy(n)0；
R(n-1)上压降为Uy(n)0-U(n)；
R(n-1)上电流为((Ub(n-1)-Umos)/Rb(n-1))；
R(n-1)＝(Uy(n)0-U(n))/((Ub(n-1)-Umos)/Rb(n-1))；
表示为R(n-1)＝Kr(n)1*Rb(n-1)；
Kr(n)1＝(Uy(n)0- U(n))/(Ub(n-1)-Umos) (2)；
(3)本串开均衡对本串的影响：
a.未开均衡时，第n串测量电压U(n)；
b.开BAT(n)处均衡时，第n串测量电压为Ub(n)；
R(n)+R(n-1)上压降为U(n)-Ub(n)；
R(n)上电流为((Ub(n)-Umos)/Rb(n))；
R(n)+R(n-1)＝(U(n)-Ub(n))/((Ub(n)-Umos)/Rb(n))；
表示为R(n)+R(n-1)＝Kr(n)2*Rb(n)；
Kr(n)2＝( U(n)- Ub(n))/(Ub(n)-Umos)； (3)
(4)R0的计算：
根据公式(2)可得：R1＝Kr(1)1*Rb(1)；
根据公式(3)可得：R1+R0＝Kr(1)2*Rb(1)；
R0＝Kr(1)2*Rb(1)-R1；
R0＝Kr(1)2*Rb(1)-Kr(1)1*Rb(1) (4)；
(5)R12的计算
根据公式(1)可得：R11＝Kr(12)0*Rb(12)；
根据公式(3)可得：R12+R11＝Kr(12)2*Rb(12)；
R12＝Kr(12)2*Rb(12)-R11；
R12＝Kr(12)2*Rb(12)-Kr(12)0*Rb(12) (5)；
(6)电压补偿的计算
a.开BAT(n+1)即第n+1串处开启均衡状态时，对第n串电池电压的影响。(可计算1～11串电芯开启均衡状态时对于上串电芯的影响)
R(n)上电流为((Ub(n+1)-Umos)/Rb(n+1))；
R(n)上压降为(Ub(n+1)-Umos)/Rb(n+1)*R(n)；
即：(Ub(n+1)-Umos)*Kr(n+1)0；
电压补偿为Uy(n)1-(Ub(n+1)-Umos)*Kr(n+1)0；
b.开BAT(n-1)即第n-1串处开启均衡状态时，对第n串电池电压的影响。(可计算2～12串电芯开启均衡状态时对于下串电芯的影响)
R(n-1)上电流为((Ub(n-1)-Umos)/Rb(n-1))；
R(n-1)上压降为((Ub(n-1)-Umos)/Rb(n-1))*R(n-1)；
即：(Ub(n-1)-Umos)*Kr(n-1)1；
电压补偿为Uy(n)1-(Ub(n-1)-Umos)*Kr(n-1)1；
c.开BAT(n)均衡，对第n串电池电压的影响。(能计算1～12串，本串影响)
R(n)上电流为((Ub(n)-Umos)/Rb(n))；
R(n)上压降为((Ub(n)-Umos)/Rb(n))*(R(n-1)+R(n))；
根据公式(3)可得：R(n)+R(n-1)＝Kr(n)2*Rb(n)；
(Ub(n)-Umos)*Kr(n)2；
电压补偿为Ub(n)+(Ub(n)-Umos)*Kr(n)2
d.对高低端电芯而言，采用经验值I对均衡采样影响的消除；此经验值由电池高端和低端给采集芯片供电产生的，测试得到为I＝2.5mA。
由计算公式(4)：R(0)＝Kr(1)2*Rb(1)-Kr(1)1*Rb(1)；
R(0)上压降为(Kr(1)2*Rb(1)-Kr(1)1*Rb(1))*I；
底端电芯的电压补偿为U1+(Kr(1)2*Rb(1)-Kr(1)1*Rb(1))*I；
由计算公式(5)：R(12)＝Kr(12)2*Rb(12)-Kr(12)0*Rb(12)；
R(12)上压降为(Kr(12)2*Rb(12)-Kr(12)0*Rb(12))*I；
顶端电芯的电压补偿为U12+(Kr(12)2*Rb(12)-Kr(12)0*Rb(12))*I。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法，其特征在于包括以下步骤：
上电初始化，计算每串电芯仅有相邻的上串电芯均衡状态开启时对该串电芯的采集补偿系数Kr0；
计算每串电芯仅有相邻的下串电芯均衡状态开启时，对该串电芯的采集补偿系数Kr1；
计算每串电芯仅有自身均衡状态开启时对自身的采集补偿系数Kr2；
采集指定电芯电压时，识别指定电芯的上串电芯、自身以及下串电芯的均衡开启状态；
根据开启均衡的电芯的补偿系数分别对指定电芯的采集电压进行补偿，得出指定电芯的真实单体电压值。
2.根据权利要求1所述的BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法，其特征在于：
对于顶端电芯和底端电芯，根据实际经验，在计算补偿电压时会考虑一个由电池给采集芯片供电所产生的采集误差。
3.根据权利要求2所述的BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法，其特征在于：
指定电芯的相邻的上串电芯开启均衡状态时，指定电芯的采集电压减去由相邻的上串电芯产生的补偿系数Kr0带来的补偿电压；
指定电芯自身开启均衡状态时，指定电芯的采集电压加上由自身产生的补偿系数Kr2带来的补偿电压；
指定电芯的相邻的下串电芯开启均衡状态时，指定电芯的采集电压减去由相邻的下串电芯产生的补偿系数Kr1带来的补偿电压；
其中，电池单体电压为U1、U2…Un...Um，其中n，m为自然数；均衡后单个电芯的BMS测量电压为Ub(n)；MOS管上均衡压降为Umos；均衡电阻为Rb(n)；其它串电芯开均衡对本串有影响后采集电压为Uy(n)，n为1-m之间的整数。
4.根据权利要求3所述的BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法，其特征在于采集补偿系数Kr0的计算步骤如下：
未开启均衡状态时，指定电芯的采集电压的测量值记为U(n)；
仅有指定电芯相邻的上串电芯开启均衡状态时，指定电芯的相邻的上串电芯测量电压为记为Uy(n+1)1；
指定电芯相邻的上串电芯的BMS测量电压为Ub(n+1)；指定电芯相邻的上串电芯电连接的MOS管上均衡压降为Umos；
指定电芯仅有相邻的上串电芯均衡状态开启时对该串电芯的采集补偿系数Kr(n)0＝(Uy(n+1)1-U(n))/(Ub(n+1)-Umos)。
5.根据权利要求4所述的BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法，其特征在于采集补偿系数Kr1的计算步骤如下：
未开启均衡状态时，指定电芯的采集电压的测量值记为U(n)；
仅有指定电芯相邻的下串电芯开启均衡状态时，指定电芯采集电压的测量值记为Uy(n)0；
指定电芯相邻的下串电芯的BMS测量电压记为Ub(n-1)；指定电芯相邻的下串电芯电连接的MOS管上均衡压降记为Umos；
指定电芯仅有相邻的下串电芯均衡状态开启时对该串电芯的采集补偿系数Kr(n)1＝(Uy(n)0-U(n))/(Ub(n-1)-Umos)。
6.根据权利要求5所述的BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法，其特征在于采集补偿系数Kr2的计算步骤如下：
未开启均衡状态时，指定电芯的采集电压的测量值记为U(n)；
仅有指定电芯开启均衡状态时，指定电芯的BMS测量电压记为Ub(n)；
指定电芯相电连接的MOS管上均衡压降记为Umos；
指定电芯均衡状态开启时对该串电芯的采集补偿系数Kr(n)2＝(U(n)-Ub(n))/(Ub(n)-Umos)。
7.根据权利要求6所述的BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法，其特征在于指定电芯相邻的上串电芯开启均衡状态时，其对指定电芯产生的电压补偿值为(Ub(n+1)-Umos)*Kr(n)0。
8.根据权利要求7所述的BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法，其特征在于指定电芯相邻的下串电芯开启均衡状态时，其对指定电芯产生的电压补偿值为(Ub(n-1)-Umos)*Kr(n)1。
9.根据权利要求8所述的BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法，其特征在于指定电芯自身开启均衡状态时，其对指定电芯产生的电压补偿值为Ub(n)+(Ub(n)-Umos)*Kr(n)2。
10.根据权利要求9所述的BMS均衡开启时提升单体电压采集精度的方法，其特征在于对于顶端和底端电芯而言，采用经验电流值I对均衡采样影响的消除；此经验值由电池给顶端和底端芯片供电产生的；
底端电芯的电压补偿值为U1+(Kr(1)2*Rb(1)-Kr(1)1*Rb(1))*I；
顶端电芯的电压补偿值为Um+(Kr(m)2*Rb(m)-Kr(m)0*Rb(m)*I；
其中，均衡电阻的电阻值为测量所得，电流I为选取的经验值，此经验值由电池给顶端和底端采集芯片供电产生的。
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