CN111327088B - 一种电池系统、均衡方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池系统、均衡方法及装置，本发明的电池均衡方法在定量计算均衡容量和均衡时间时，以平均电压为参考，在主动均衡时，分别计算被均衡的对象的单体电池电压达到平均电压时的容量，再分别以容量除以主动均衡电流，计算出被均衡对象的均衡时间；在被动均衡时，分别计算平均电压达到被均衡的对象的单体电池电压时的容量，再分别以容量除以主动均衡电流，计算出被均衡对象的均衡时间。最后均衡过程中，按对应均衡时间对各单体电池进行充电主动均衡或放电被动均衡。本发明能够确保均衡的有效性，提高均衡效率。延长电池寿命，降低系统生命周期成本。

Description

一种电池系统、均衡方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电池系统、均衡方法及装置，属于二次电池技术领域。

背景技术

从世界范围来看，电动汽车已经成为各国汽车产业发展的战略方向，主要汽车国家及企业纷纷加快创新驱动和融合发展，产业形势正在发生着深刻变化。其中，动力电池的进步成就了今天的电动汽车，也决定着未来电动汽车市场化的步伐。下一代电池新技术的成熟可能随时引发电池产业革命，实现行业颠覆。技术创新、成本控制和投资规模成为了发展的关键因素。在新能源电池行业迅猛发展的进程中，电池系统的有效应用也成为各方关注的焦点。

在新能源汽车领域，电动客车与乘用车相比，主要体现在装载动力电池包多，电芯数量多等特点。电池包是由多个电池单体串并联组成，由于电池单体制造过程或使用环境存在差异性，导致了电池单体容量的不平衡性。通常的规律性是性能越弱的电池，在多次充放电以后，性能变得更弱，以至于在充放电循环中因过充或过放而提前损坏，由于木桶的“短板效应”，电池系统的有效容量取决于能量最小的单体，由于电池单体一致性差异过大，会影响整车动力性能和续驶里程，提前结束电源系统寿命。

目前，市场应用电池管理系统均衡类型包括主动均衡和被动均衡，主动均衡是对系统中电池电压较高的单体放电，对电池电压较低的单体充电，实现能量的双向转移；被动均衡只是对系统中电池电压较高的单体放电。无论是主动均衡还是被动均衡，只是能量转移的方式。均衡策略制定决定均衡的效率和均衡的结果。目前市场车辆电池系统的均衡，大部分采用电压平衡法制定均衡策略，由于受动态电流等因素的影响，通过电压来制定均衡策略，很难实现良好的均衡效果，还有可能导致均衡的误开启，适得其反，甚至导致电池的过充与过放等严重事件。

申请公布号为CN 104505550A的中国发明专利申请文件公开了一种磷酸铁理电池组的被动均衡方法及系统。该方法中各个电芯的均衡容量为各个电芯(即各个单体电池)的当前容量与所有电芯容量中最小值的差值；每个电芯的容量为电芯的额定容量与电芯的剩余电量的乘积。也即，使用额定容量来计算单体电池的均衡容量。但是，随着电池的使用，电池的最大容量会衰减，不再是标定的额定容量，此时若再使用电池的额定容量来计算电池的均衡容量，使得计算出来的均衡容量不准确，最终得到的均衡时间也不准确，通过该方法对电池均衡的均衡效果不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种电池系统、均衡方法及装置，用以解决现有电池均衡方法均衡效果不佳的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种电池系统均衡方法，包括如下步骤：

在为电池系统进行充电的过程中，检测各个单体电池的端电压，找出端电压最低的一个或多个单体电池和/或端电压最高的一个或多个单体电池；

对端电压最低的一个或多个单体电池采用第一均衡策略进行电池均衡，对端电压最高的一个或多个单体电池采用第二均衡策略进行电池均衡；

所述第一均衡策略包括：检测端电压最低的一个或多个单体电池从对应的当前电压值充电升压至第一设定均衡电压值时的充电电流和充电时间，根据该充电电流和充电时间得到各个单体电池对应的充电均衡容量差；对于端电压最低的一个或多个单体电池中的任意一个单体电池，根据对应的充电均衡容量差和设定充电均衡电流，计算得到充电均衡时间，根据该充电均衡时间，对对应的单体电池进行充电；

所述第二均衡策略包括：检测端电压最高的一个或多个单体电池从第二设定均衡电压值充电升压至对应的当前电压值时的充电电流和充电时间，根据该充电电流和充电时间得到各个单体电池对应的放电均衡容量差；对于端电压最高的一个或多个单体电池中的任意一个单体电池，根据对应的放电均衡容量差和设定放电均衡电流，计算得到放电均衡时间；根据该放电均衡时间，对对应的单体电池进行放电。

本方案中的电池系统均衡方法不以电池的额定容量为标准，而是基于一个设定水平找出每个单体电池与设定水平的差距，基于这个差距对电池进行均衡，本发明避免了各单体电池在使用一段时间后由于实际容量与额定容量存在误差而导致均衡效果差的问题。通过此发明，能够大大提高均衡效果，确保电池一致性，延长整车续驶里程和电池寿命，降低系统生命周期成本。

同时本发明适用于主动均衡、被动均衡以及主被动均衡方式，适应性强，应用前景广阔。

进一步的，所述充电均衡容量差ΔAh(bi)为ΔAh(bi)＝I×T_i，其中，ΔAh(bi)为第i个端电压最低的单体电池对应的充电均衡容量差，I为为电池系统进行充电的充电电流，T_i为第i个端电压最低的单体电池从当前电压值充电升压至设定均衡电压值时的充电时间；

放电均衡容量差ΔAh(ai)为：ΔAh(ai)＝I×T′_i，其中，ΔAh(ai)为第i个端电压最高的单体电池对应的充电均衡容量差，I为为电池系统进行充电的充电电流，T′_i为第i个端电压最高的单体电池从设定均衡电压值充电升压至当前电压值时的充电时间。

进一步的，充电均衡时间T(bi)为：

其中，T(bi)为第i个端电压最低的单体电池对应的充电均衡时间，I(balance1)为设定充电均衡电流；

放电均衡时间T(ai)为：

其中，T(ai)为第i个端电压最高的单体电池对应的放电均衡时间，I(balance2)为设定放电均衡电流。

进一步的，所述第一设定均衡电压值为所有单体电池电压值的均值；所述第二设定均衡电压值为所有单体电池电压值的均值。

在选择均衡参考对象时，以外接恒流充电过程中所有单体电池端电压平均值为参考标准，依据均衡方式和系统均衡能力选择需要均衡的对象。准确选择均衡参考对象和均衡对象，确保均衡的有效性，同时尽可能平衡每个电池待均衡的容量，提高均衡效率。

本发明的一种电池系统均衡装置，包括处理器和存储器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述方法。

本发明的一种电池系统，包括至少两个单体电池，还包括控制装置，所述控制装置包括处理器和存储器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述方法。

附图说明

图1是本发明一种电池系统均衡方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

方法实施例：

本实施例的一种电池系统均衡方法，在特定条件下确定均衡对象，采用定量计算的方法，对电池系统进行有效持续均衡，提高均衡效率和均衡效果，延长整车续驶里程和电池寿命，降低系统生命周期成本。具体均衡策略如图1所示。

电池管理系统采用主动均衡方式时：

第一步，选择特定环境条件，电池各项参数受温度影响很大，比如磷酸铁锂电池理想的工作温度在-20℃～45℃之间。

第二步，选择特定的工况条件，在行车时，工况复杂，电池系统频繁充放电，不利于寻找电池单体差异条件，因此限定为在对电池系统进行恒流充电的条件下。

本发明在选择均衡参考对象、确定均衡对象和确定均衡容量时，选择在电池特定的环境温度下、特定的工况条件下执行，能够确保计算的准确性。

第三步，选择均衡参考对象，电池管理系统针对整个电池系统，即所有电池包的单体电池电压求平均值m，目的是确保整个电池系统的一致性。

第四步，确定均衡对象，依据电池管理系统设计均衡功率和均衡能力，确定单个电池管理系统采集板均衡能力范围内的单体电池数x，电池管理系统求出单个板内小于平均电压差值最大的最多y只单体电池和其对应的编号，且y小于等于x。

第五步，对均衡对象排序，逐一将电池管理系统每个采集板的x只单体电池依据电压值从高到低依次排序，b1，b2，b3，…，bx。

第六步，定量计算均衡容量，外接恒流充电过程中，分别计算每个采集板内y只单体电池电压充电至设定均衡电压值(本实施例中设定均衡电压值为所有电池包的单体电池电压平均值m)的安时积分值，即：ΔAh(b1)＝I×T₁，ΔAh(b2)＝I×T₂，ΔAh(b3)＝I×T₃，…，ΔAh(by)＝I×T_y，上述ΔAh为每个采集板内最低的单体电池电压与平均电压的容量差，I为为电池系统进行充电的恒流充电电流，T_i(i＝1，2，…，y)为第i个端电压最低的单体电池从当前电压值充电升压至设定均衡电压值(本实施例中设定均衡电压值为所有电池包的单体电池电压平均值m)时的充电时间。

第七步，定量计算均衡开启时间；依据单个采集板最低的电压与平均电压的容量差，计算单个单体电池电压需要开启的均衡时间；电池管理系统均衡电流是恒定的，设定主动均衡电流为I(balance1)，则单个从板需要均衡单体电池的均衡时间为：

第八步，开启均衡，依据第七步计算的均衡时间，分别对单个采集板的y只单体电池开启均衡补电；无论是行车中的充电还是外接恒流充电，均按照计算的均衡时间开启计时均衡，若本次下电关机，没有完成均衡，电池管理系统需要做存储记忆，下次上电，继续开启计时均衡，直至完成计算的均衡时间。

第九步，关闭均衡，所有电池管理系统采集板在各自时间内，完成对y只单体电池均衡后，分别关闭均衡功能；在需要时，重复上述步骤，进行下一轮均衡。

电池管理系统采用被动均衡方式时:

第一步，第二步及第三步与主动均衡策略相同；即采用相同的方法在相同的前提条件下，选择均衡参考对象。

第四步，确定均衡对象，依据电池管理系统设计均衡功率和均衡能力，确定单个电池管理系统采集板可以均衡的单体电池数x，电池管理系统求出单个板内高于平均电压差值最大的最多z只单体电池和其对应的编号，且z小于等于x。

第五步，对均衡对象排序，逐一将电池管理系统每个采集板的x只单体电池依据电压值从低到高依次排序，a1，a2，a3，…，ax。

第六步，定量计算均衡容量，外接恒流充电过程中，分别计算每个采集板内z只单体电池电压从设定均衡电压值(本实施例中设定均衡电压值为所有电池包的单体电池电压平均值m)充至各自求单体电池电压平均值m时的单体电池电压值(即第四步中确定z只单体电池时对应的单体电池电压值)的安时积分值，即：ΔAh(a1)＝I×T′₁，ΔAh(a2)＝I×T′₂，ΔAh(a3)＝I×T′₃，…，ΔAh(az)＝I×T′_z，上述ΔAh为每个采集板内最低的单体电池电压与平均电压的容量差，I为为电池系统进行充电的恒流充电电流，T′_i(i＝1，2，…，z)为第i个端电压最高的单体电池从设定均衡电压值(本实施例中设定均衡电压值为所有电池包的单体电池电压平均值m)充电升压至当前电压值时的充电时间。计算充电时间T′_i的具体方法可以采用调取查阅充电记录的方式，充电记录可以为系统自动获取并记录于缓存等存储介质的电子表格，记录有每一时刻的时间和各单体电池对应电压值。

第七步，定量计算均衡开启时间；依据单个采集板最低的电压与平均电压的容量差，计算单个单体电池电压需要开启的均衡时间；电池管理系统均衡电流是恒定的，设定被动均衡电流为I(balance2)，则单个从板需要均衡单体电池的均衡时间为：

第八步，开启均衡，依据第七步计算的均衡时间，分别对单个采集板的z只单体电池开启均衡放电；无论是行车中的耗电还是接入放电电阻，均按照计算的均衡时间开启计时均衡，若本次下电关机，没有完成均衡，电池管理系统需要做存储记忆，下次上电，继续开启计时均衡，直至完成计算的均衡时间。

第九步，关闭均衡，所有电池管理系统采集板在各自时间内，完成对z只单体电池均衡后，分别关闭均衡功能；在需要时，重复上述步骤，进行下一轮均衡。

同理，如果电池管理系统同时具备主动和被动均衡能力，可以同时采取上述主动、被动均衡策略进行电池均衡。即系统在满足第一步、第二步的条件下，按照第三步的标准，同时找出单体电池电压最低的数个(可以仅为一个或没有)单体电池，再找出单体电池电压最高的数个(可以仅为一个或没有)单体电池，对电压低于第三步条件的单体电池按照主动均衡步骤进行均衡，同时对电压高于第三步条件的单体电池按照被动均衡步骤进行均衡。

通过具体例子对上述方法进行进一步的说明：一套电池系统配套电池管理系统，具备被动均衡方式。共2个采集板，每个采集板可以采集12个单体电池电压，单个采集板可以同时开启3路均衡通道，均衡电流为I(balance2)＝200mA。按照如下步骤实施：

1)当车辆外接充电，且电池温度处于20℃-45℃之间时；

2)电池管理系统求出所有电池单体电压的平均值为3.25V；

3)分别求出2个采集板内大于平均电压3.25V的最高三个单体电池：a1＝3.30V，a2＝3.28V，a3＝3.26V；a4＝3.33V，a5＝3.30V，a6＝3.28V。

4)外接充电过程中，恒流充电电流为20A，分别计算3)步中各单体电池从平均电压3.25V充电至3)步中对应单体电池电压的安时量。其中，单体电池电压及对应时间通过查阅充电记录获得，具体为：

5)计算采集板1和采集板2需要开启均衡单体电池的均衡时间，分别为：

6)电池管理系统按照均衡时间开启均衡，达到均衡时间后，均衡关闭。本次下电时，未达到均衡时间的，对剩余均衡时间和均衡对象进行存储，下次开机上电，继续进行均衡，直至本轮单体电池全部均衡完毕。当再次达到1)中的条件时，重复对应的均衡步骤，继续下一轮均衡。

本发明的电池均衡方法在定量计算均衡容量和均衡时间时，以平均电压为参考，在主动均衡时，分别计算被均衡的对象的单体电池电压达到平均电压时的容量，再分别以容量除以主动均衡电流，计算出被均衡对象的均衡时间；在被动均衡时，分别计算平均电压达到被均衡的对象的单体电池电压时的容量，再分别以容量除以主动均衡电流，计算出被均衡对象的均衡时间。最后均衡过程中，按对应均衡时间对各单体电池进行充电主动均衡或放电被动均衡。

电池均衡系统实施例：

电池均衡系统包括处理器和存储器，处理器执行储存在存储器中的程序，实现本发明的电池系统均衡方法。本发明的电池系统均衡方法已在前面介绍的足够清楚，因此本实施例不再赘述。

电池系统实施例：

电池系统包括至少两个单体电池、处理器和存储器，处理器执行储存在存储器中的程序，利用本发明的电池系统均衡方法对本实施例中电池系统的单体电池进行均衡。本发明的电池系统均衡方法已在前面介绍的足够清楚，因此本实施例不再赘述。

Claims (5)

1.一种电池系统均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：

在为电池系统进行充电的过程中，检测各个单体电池的端电压，找出端电压最低的一个或多个单体电池和/或端电压最高的一个或多个单体电池；

对端电压最低的一个或多个单体电池采用第一均衡策略进行电池均衡，对端电压最高的一个或多个单体电池采用第二均衡策略进行电池均衡；

所述第一均衡策略包括：检测端电压最低的一个或多个单体电池从对应的当前电压值充电升压至第一设定均衡电压值时的充电电流和充电时间，根据该充电电流和充电时间得到各个单体电池对应的充电均衡容量差；对于端电压最低的一个或多个单体电池中的任意一个单体电池，根据对应的充电均衡容量差和设定充电均衡电流，计算得到充电均衡时间，根据该充电均衡时间，对对应的单体电池进行充电；

所述充电均衡容量差ΔAh(bi)为ΔAh(bi)＝I×T_i，其中，ΔAh(bi)为第i个端电压最低的单体电池对应的充电均衡容量差，I为为电池系统进行充电的充电电流，T_i为第i个端电压最低的单体电池从当前电压值充电升压至所述第一设定均衡电压值时的充电时间；

所述第二均衡策略包括：检测端电压最高的一个或多个单体电池从第二设定均衡电压值充电升压至对应的当前电压值时的充电电流和充电时间，根据该充电电流和充电时间得到各个单体电池对应的放电均衡容量差；对于端电压最高的一个或多个单体电池中的任意一个单体电池，根据对应的放电均衡容量差和设定放电均衡电流，计算得到放电均衡时间；根据该放电均衡时间，对对应的单体电池进行放电；

放电均衡容量差ΔAh(ai)为：ΔAh(ai)＝I×T_i′，其中，ΔAh(ai)为第i个端电压最高的单体电池对应的充电均衡容量差，I为为电池系统进行充电的充电电流，T_i′为第i个端电压最高的单体电池从所述第二设定均衡电压值充电升压至当前电压值时的充电时间。

2.根据权利要求1所述的电池系统均衡方法，其特征在于，充电均衡时间T(bi)为：

其中，T(bi)为第i个端电压最低的单体电池对应的充电均衡时间，I(balance1)为设定充电均衡电流；

放电均衡时间T(ai)为：

其中，T(ai)为第i个端电压最高的单体电池对应的放电均衡时间，I(balance2)为设定放电均衡电流。

3.根据权利要求2所述的电池系统均衡方法，其特征在于，所述第一设定均衡电压值为所有单体电池电压值的均值；所述第二设定均衡电压值为所有单体电池电压值的均值。

4.一种电池系统均衡装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1～3任一项所述的电池系统均衡方法。

5.一种电池系统，其特征在于，包括至少两个单体电池，还包括控制装置，所述控制装置包括处理器和存储器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1～3任一项所述的电池系统均衡方法。

Images