CN111572406A - 一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法和系统 - Google Patents

一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法和系统，属于汽车电池技术领域。针对现有动力电池均衡时间短或者计算不准确的问题，影响电池的使用寿命和安全，本发明提供一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法，基于满充的充电曲线，选取满充最低电压单体电池的充电曲线为基准充电曲线，逐个平移其他单体电池的充电曲线，直至与基准充电曲线相比得到的曲线相似度最大，得到充电曲线平移前后的时间差，再与这段时间的充电电流进行积分，得到各个单体电池满充状态下与最低单体电池的容量差，最后除以均衡电流，得到每个单体电池的均衡时间。本发明均衡时间计算精度高，提高电池均衡效率，保证电池的稳定性和安全性。

Description

一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法和系统
技术领域
本发明涉及汽车电池技术领域，更具体地说，涉及一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法和系统。
背景技术
在能源和环保的压力下，新能源汽车已成为未来汽车的发展方向。新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源的汽车，也被称为“代用燃料汽车”、“低公害汽车”。由于汽车产品的独特性，新能源汽车的可靠性与动力电池的稳定性密切相关。
动力电池即为汽车提供动力来源的电池，动力电池将化学能转化为电能，是一种环保绿色能源。动力电池组由若干单体电池组成，由于单体电池使用环境、制作工艺和材料一致性等原因，各个单体电池之间的电压在出厂时并非完全一致，并且在电池使用的过程中，单体电池的电压差还会继续变化，电压差达到一定阈值电池组容易产生木桶效应，造成车辆电池组过充或过放，产生较大的安全隐患。
针对电池组中单体电池不一致的问题，常见的处理措施包括两种，一种是主动均衡，即将容量高的单体电池电量转移给容量低的单体电池；另一种是被动均衡，即在充电末端将容量高的单体电池电量释放，在被动均衡中，由于均衡电流固定，对均衡时间准确度的要求很高，均衡时间计算不准确容易导致均衡过多或均衡不足，影响电池均衡效率。
申请号为201910824839.X的中国专利申请，公开日2019年11月29日，公开一种车辆及电池均衡的控制方法、装置，该发明采用在车辆静置后查询OCV表计算各个单体的容量差，进而计算电池组均衡时间。由于磷酸铁锂电池来说，电池曲线比较平坦，平台区很长，在SOC 为30％～80％左右的区间电压变化幅度很小，同一电压值对应的SOC可能不同。使用该专利方法进行电池均衡，电压测量误差最小单位为1mv，通过SOC查表得到的SOC误差最小单位在5％，会产生因为某个点的测量误差而影响整体的均衡时间的计算精度。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对磷酸铁锂电池均衡能力较差，现有电池均衡方法计算复杂或计算精度不高，影响电池使用寿命和安全等问题，本发明提供一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法和系统，根据电池的充电曲线计算得到均衡时间，实现车辆在行驶和充电过程的全程均衡，延长均衡时间，均衡效果更好，保证均衡计算精度。
2.技术方案
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法，包括以下步骤：
S1：电池管理系统获取电池组中各单体电池的充电曲线，并判断是否满充，若为满充状态则进入步骤S2，若不满充则退出电池均衡时间计算；
S2：选出基准单体电池A，确认基准充电曲线；
S3：平移除基准单体电池A外单体电池的充电曲线，与基准充电曲线计算曲线相似度，确认曲线相似度最大时的平移间隔t；
S4：将单体电池的平移时间间隔和充电电流相乘得到电池容量差，用所述电池容量差除以均衡电流得到均衡时间。
本发明获取电池组中每个单体电池的充电曲线，对满充时电压较高的充电曲线进行平移，直至与满充时电压最低的充电曲线的曲线相似度最大，得到各个单体电池相对于最低电压的单体电池的容量差异，再除以均衡电流得到均衡时间。电池组中每一个单体电池在充电时变化状态相似，本发明通过计算电池容量差进而计算电池组在被动均衡时的均衡时间，计算精度高，效果好。
更进一步的，步骤S3中平移除基准单体电池A外单体电池的充电曲线时，每次平移一个时间点就计算一次该充电曲线与基准充电曲线的曲线相似度，平移N个时间点得到N个曲线相似度，曲线相似度最大的时间间隔为t。充电曲线间隔固定时间点平移，每次平移后计算一次曲线相似度，选取曲线相似度最大的时间间隔进行计算。
更进一步的，所述曲线相似度使用余弦相似度计算方法计算。余弦相似度更加注重两个向量在方向上的差异。由于单体电池的充电曲线走势一致，余弦相似度计算方法更多在方向上的差异区分，更适合应用于充电曲线和基准曲线的相似度计算。
更进一步的，单体电池每次平移的时间点与电池管理系统BMS上传数据的时间间隔相同。电池管理系统BMS定期上传电池相关数据到后台，本发明实际应用中，电池管理系统 BMS回传数据的时间间隔与平移充电曲线间隔一致，便于系统计算间隔的统一。目前较常用的时间间隔有10秒或30秒。
更进一步的，步骤S2中选择基准单体电池A时，在电池满充前充电过程中选择若干个时间点，计算各单体电池在所有时间点电压平均值，选择平均值最低的作为基准单体电池A。根据不同的应用场景，时间点的数量可以选择任意值，一般来说，为了保证计算的准确性和精度，时间点的选择不少于十个。
更进一步的，电池组满充需满足：单体电池电压满足满充条件和/或电池组总压满足满充条件。本发明需在电池组满充情况下获取充电曲线并平移计算，若电池组处于非满充状态，获取的充电曲线趋势不完整，容易产生误差。
更进一步的，磷酸锂铁电池中，单体电池满充条件为电压高于3.65V。磷酸锂铁电池为常见的锂电池，一般来说，磷酸锂铁标称的充电截止电压为3.65V，根据材料的不同截止电压也会有变动。
更进一步的，电池管理系统BMS故障或告警时，不进行均衡时间计算。在均衡策略中，当电池管理系统产生故障或告警时，均衡关闭，所述故障或告警包括但不限于单体失效、充/ 放电过流保护、电池电路等。
本发明用平移曲线法计算电池容量，不会因为某个点的测量误差影响整体的均衡时间精度，造成过均衡或均衡不足。使用本发明计算电池均衡时间，减少单体电池之间的差异对电池性能的影响，提高电池的安全性。
一种电池均衡控制系统，包括获取模块、平移模块和均衡模块，获取模块获取电池组各单体电池的充电曲线，确认基准充电曲线；平移模块接收获取模块获取的充电曲线，平移基准充电曲线外其他的充电曲线，计算各充电曲线与基准充电曲线相似度；均衡模块根据平移模块计算的相似度，选择充电曲线与基准充电曲线相似度最大点计算均衡时间，控制电池均衡操作。
更进一步的，所述控制系统设在电池管理系统或远程后台系统。本发明电池均衡控制系统设在电池管理系统BMS中，在电池使用过程中实时接收电池传输数据，对电池进行均衡控制。也可以设置在远程后台系统，电池实时传输数据通过网络传输到远程后台系统，远程后台系统根据需求对电池进行均衡控制，发送对应均衡指令给动力电池进行均衡操作。
本发明电池均衡控制系统通过平移模块平移单体电池的充电曲线，使用均衡模块通过计算充电曲线的曲线相似度而计算电池组中各单体电池的计算时间，根据所得均衡时间控制均衡操作。本发明均衡控制系统提高均衡效率，提高均衡时间计算精度，保证电池的性能。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明提出利用充电曲线平移计算电池均衡时间，相对于现有方法通过查询OCV表计算各个单体的容量差计算电池组均衡时间，极大的提高均衡时间的计算精度，增大均衡效率，避免电池均衡过度或均衡不足，保证电池组的稳定性。
本发明采用的曲线平移算法，不用对所得数据进行其他复杂的变化，对于计算所需的资源消耗较小，均衡控制系统不仅可以设置在后台，也可以设置在电池管理系统BMS平台。使用本发明均衡系统均衡操作电池组一致性好，保证电池组的安全性。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明单体电池充电曲线示意图；
图3为本发明电池组中两个单体电池充电曲线示意图；
图4为本发明电池均衡前后的电池组的充放电曲线对比示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例公开一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法，电池管理系统根据电池组每个单体电池的充电曲线，将满充时电压较高的电压变化曲线进行平移，直至与满充时最低的电压变化曲线相似度最大，即可得到各个单体电池相对于最低电压的单体容量差异，再除以均衡电流，即可得到均衡时间。
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
S1：电池管理系统获取电池组中各单体电池的充电曲线，并判断当前是否为满充状态，若为满充状态则进入步骤S2，否则退出电池均衡时间计算；
电池管理系统在每次电池充电完毕均获取电池组各单体电池的充电曲线，所述充电曲线即电池充电的电压变化曲线，表示该电池在充电时间内电压的变化状态，也称为电压曲线。一般来说，如图2所示，单体电池的充电状态分为五段，分别为A段：充电刚开始的电压快速上升阶段；B段：第一个平台区；C段：充电中间阶段的电压快速上升阶段；D段：第二个平台区：E段：充电末端的电压快速上升阶段。
在充电过程中，假设单体电池一致性好的话，电池组的充电曲线变化应该也是一致的。但由于单体电池一致性的差异，会导致各单体电池的各个阶段并不是在同一时刻出现。
当电池组满足单体电池的电压达到满充条件，或者电池组总电压达到满充条件即认为电池组已满充。所述满充条件一般是电压达到一定阈值，则认为满足满充条件，本实施例中规定单体电池的最搞电压大于3.65V即为满充。若获取的为非满充条件下充电曲线，所得充电曲线可能会不完全包括充电过程中的五段，造成计算误差。
S2：系统选择满充时电压最低的单体电池作为基准单体电池；
将满充时电压最低的单体电池作为基准单体电池。电压最低单体电池的选取原则为，在电池满充前的电池充电过程中选择若干个时间点，计算对应时间各单体电池的电压，计算各单体电池在所有时间点电压的平均值，选择平均值最低的作为基准单体电池，所述基准单体电池对应的充电曲线即为基准充电曲线。
本实施例选取10个时间点数据，并计算每一个选择时间点各单体电池的平均电压，进而得到基准单体电池和基准充电曲线。根据不同的应用场景，时间点的数量可以选择任意值。
S3：系统平移其他单体电池的充电曲线，与基准单体电池计算曲线相似度，确认曲线相似度最大时平移间隔；
如图3所示，在电池组内，每个单体电池化学成分相同，相应的充电曲线走势一致，只是由于电池容量的差异导致电池一致性有差异。本实施例平移充电曲线，所述平移只是在时间轴上进行平移，平移至与基准电池单体的充电曲线相似度最高的时间点，可以理解为本步骤中平移充电曲线为只进行左右移动，不进行上下移动。
在平移时，充电曲线每次平移一个时间点就计算一次该充电曲线与基准充电曲线的相似度，在平移过程中，平移N个点即得到N个相似度数值，选取相似度最大的时间点，即该充电曲线与基准充电曲线最相近的点。平移充电曲线至曲线相似度最高处，计算得到的电池容量差异准确度高，均衡时间的计算更为准确。
本实施例中曲线相似度用余弦相似度计算方法计算，用向量空间中两个向量夹角的余弦值作为衡量两个个体间差异的大小，余弦相似度更加注重两个向量在方向上的差异。由于单体电池的充电曲线走势一致，余弦相似度计算方法更多在方向上的差异区分，更适合应用于充电曲线和基准曲线的相似度计算。
曲线平移时间间隔与电池管理系统BMS通过OTA上传数据到后台的时间间隔相同，一般来说有10秒和30秒两种周期。以10秒为例，电池管理系统每隔10秒传输一次数据至后台，充电曲线以10秒为间隔平移并计算曲线相似度。确认充电曲线与基准充电曲线相似度最大的点后，记录充电曲线平移前后的时间差dt。
S4：系统根据平移的时间差和充电电流相乘得到单体电池容量差，用所述电池容量差除以均衡电流即可得到均衡时间。
均衡时间根据以下公式计算：
Figure RE-GDA0002528102390000051
式中：T(i)表示第i节单体电池的均衡时间，i为电池组中单体电池的编号，dt表示充电曲线平移前后的时间差异；ChgCur表示在平移时间内的充电电流；BalanceCur表示均衡电流。均衡时间计算公式先根据充电曲线平移前后的时间差异和平移时间内的充电电流，计算单体电池容量差，然后除以均衡电流得到均衡时间。
电池组在每次充电完成后计算均进行一次均衡计算，然后下发均衡指令；由于需要间隔一段时间开启均衡，因此在均衡时会选取均衡时间最多的来先开启均衡，直至均衡时间为0。当电池再次充电完成时，会再进行一次计算，得到一个新的均衡时间，然后下发均衡指令，以此类推，完成整个均衡过程。本实施例中采用被动均衡方式对单体进行均衡，即将单体电池间差异的电量释放，均衡时基准单体电池不进行均衡操作。
本实施例均衡策略可以通过电池管理系统BMS控制，也可以通过远程后台进行控制，远程控制时，电池的充电数据及指标及时传输给后台便于后台计算。在均衡策略中，当电池管理系统产生故障或告警时，均衡关闭，所述故障或告警包括但不限于单体失效、充/放电过流保护、电池电路等。
图4所示为电池组均衡前后充放电曲线对比图，可见使用本实施例方法计算电池组均衡时间，均衡后电池一致性高，均衡效果好。本发明通过平移充电曲线，根据单体电池的电池容量差计算均衡时间，不会产生根据SOC曲线中某点的测量误差而影响整体的均衡时间计算精度，造成过均衡，均衡精度大幅提高。同时，本方法计算过程十分简单，不需要获取过多的参数构建信息矩阵，操作方便。
实施例2
本实施例公开一种电池均衡控制系统，包括获取模块、平移模块和均衡模块，获取模块获取电池组各单体电池的充电曲线，确认基准充电曲线；平移模块接收获取模块获取的充电曲线，平移基准充电曲线外其他的充电曲线，计算各充电曲线与基准充电曲线相似度；均衡模块根据平移模块计算的相似度，选择充电曲线与基准充电曲线相似度最大点计算均衡时间，控制电池均衡操作。
所述电池均衡控制系统设在电池管理系统BMS中，电池管理系统保护动力电池使用安全，在电池使用过程中实时接收电池传输数据，对电池进行控制。电池的均衡操作可以直接通过电池管理系统进行控制。同样的，本实施例电池均衡控制系统也可以设置在远程后台系统，电池实时传输数据通过网络传输到远程后台系统，远程后台系统根据需求对电池进行均衡控制，发送对应均衡指令给动力电池进行均衡操作。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：电池管理系统获取电池组中各单体电池的充电曲线，并判断是否满充，若为满充状态则进入步骤S2，若不满充则退出电池均衡时间计算；
S2：选出基准单体电池A，确认基准充电曲线；
S3：平移除基准单体电池A外单体电池的充电曲线，与基准充电曲线计算曲线相似度，确认曲线相似度最大时的平移间隔t；
S4：将单体电池的平移时间间隔和充电电流相乘得到电池容量差，用所述电池容量差除以均衡电流得到均衡时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法，其特征在于，步骤S3中平移除基准单体电池A外单体电池的充电曲线时，每次平移一个时间点就计算一次该充电曲线与基准充电曲线的曲线相似度，平移N个时间点得到N个曲线相似度，曲线相似度最大时的平移间隔为t。
3.根据权利要求2所述的一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法，其特征在于，所述曲线相似度使用余弦相似度计算方法计算。
4.根据权利要求3所述的一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法，其特征在于，单体电池每次平移的时间点与电池管理系统BMS上传数据的时间间隔相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法，其特征在于，步骤S2中选择基准单体电池A时，在电池满充前充电过程中选择若干个时间点，计算各单体电池在所有时间点电压平均值，选择平均值最低的作为基准单体电池A。
6.根据权利要求1所述的一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法，其特征在于，电池组满充需满足：单体电池电压满足满充条件和/或电池组总压满足满充条件。
7.根据权利要求6所述的一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法，其特征在于，磷酸锂铁电池中，单体电池满充条件为电压高于3.65V。
8.根据权利要求1所述的一种基于平移曲线计算电池均衡时间的方法，其特征在于，电池管理系统BMS故障或告警时，不进行均衡时间计算。
9.一种电池均衡控制系统，其特征在于，包括获取模块、平移模块和均衡模块，获取模块获取电池组各单体电池的充电曲线，确认基准充电曲线；平移模块接收获取模块获取的充电曲线，平移基准充电曲线外其他的充电曲线，计算各充电曲线与基准充电曲线相似度；均衡模块根据平移模块计算的相似度，选择充电曲线与基准充电曲线相似度最大点计算均衡时间，控制电池均衡操作。
10.根据权利要求9所述的一种电池均衡控制系统，其特征在于，所述控制系统设在电池管理系统或远程后台系统。
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