CN113263957A - 一种动力电池系统能量优化装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动力电池系统能量优化装置及方法，属于电动汽车动力电池系统能量优化技术领域，包括由n个动力电池串联，以及和动力电池系统连接的充电设备，每个动力电池的正极输出均串联有控制开关，每个动力电池并联有备用回路，所述备用回路上设有备用开关；所述动力电池充电设备正极通过充电开关Kg与动力电池系统正极连接，动力电池充电设备负极通过充电开关Kn与动力电池系统负极连接；还包括与动力电池系统连接的整车驱动系统及负载，还包括电池管理和控制装置，用于采集所有动力电池的电压值和容量值，并对控制开关、备用开关进行控制。本发明延长系统使用寿命和整车续驶里程，避免动力电池过充电和过放电风险，保障系统安全。

Description

一种动力电池系统能量优化装置和方法
技术领域
本发明属于电动汽车动力电池系统能量优化技术领域，涉及一种动力电池系统能量优化装置和方法。
背景技术
当前道路交通排放已经占到全球碳排放总量的18％，是温室气体排放的重要组成部分。加快推广节能与新能源汽车，将有效推进实现汽车领域低碳化和绿色发展，扭转温室气体排放快速增长的局面。电动化是汽车行业发展的大趋势，动力电池是新能源汽车行业链条中的重要一环。
目前，为提高新能源汽车电池系统电量，行业内普遍采用电池串联的方式进行集成。新能源汽车的电池系统由多个电池包串联组成，一个电池包又有多个电池单体串联组成，所以一辆新能源汽车由上百个电池串联组成，由于电池系统的“木桶短板”效应，整个系统的充电时有效电量取决于系统中电压最大单体，而放电有效电量取决于系统中电压最小单体。在充电过程中，只要有一个单体达到电压上限值，就要立即停止充电，以防止出现电池过压，引起安全事故；在行车放电过程中，只要有一个单体达到电压下限值，就要立即停车，以防止出现电池欠压，引起安全事故。在实际应用中，由于电芯制造工艺、使用环境、自放电等多方面因素的影响，电芯的一致性差异是客观存在的，而整个系统的充电和放电的有效电量会因电池一致性影响而大打折扣，一致性越差，有效电量就会越低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种动力电池系统能量优化装置和方法，实现电动汽车能量最优化和最大化配置，避免电池过充电和过放电风险。消除动力电池系统一致性影响，实现能量重组配置，增加整车有效电量，延长系统使用寿命和整车续驶里程，同时避免动力电池过充电和过放电风险，保障系统安全。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供一种动力电池系统能量优化装置，包括由n个动力电池和动力电池充电设备串联成的回路，每个动力电池的正极输出均串联有控制开关，每个动力电池并联有备用回路，所述备用回路上设有备用开关；所述动力电池充电设备正极通过充电开关Kg与动力电池正极连接，动力电池充电设备负极通过充电开关Kn与动力电池负极连接；还包括与动力电池充电设备并联的整车驱动系统及负载，还包括电池管理和控制装置，用于采集所有动力电池的单体电压值和容量值，计算总电容量，并对控制开关、备用开关进行控制。
进一步，所述整车驱动系统及负载包含电机、高压用电设备和低压用电设备。
进一步，所述动力电池为单体电池或多个电池串联而成的电池包。
另一方面，本发明提供一种动力电池系统能量优化方法，包括以下步骤：
S1：当动力电池系统需要充电时，电池管理和控制装置闭合充电开关Kn和Kg，闭合所有动力电池的控制开关，保持所有备用开关断开；
S2：充电过程中，电池管理和控制装置采集所有动力电池单体的电压值和容量值；
S3：当动力电池系统中出现某个动力电池B-M1的电压值达到预设上限电压值时，计算所有动力电池的电压值与容量值乘积的总和E1，同时断开动力电池B-M1的控制开关，闭合动力电池B-M1的备用开关；
S4：充电过程中，当出现某个动力电池B-M2的电压值达到预设上限电压值时，计算除B-M1以外的所有动力电池的电压值与容量值乘积的总和E2；
S5：比较E1与E2的大小，若E1＜E2，则断开动力电池B-M2的控制开关，闭合动力电池B-M2的备用开关；若E1≥E2，则车辆停止充电，系统维持计算E1时连接装置中的开关闭合和断开状态，E1为系统充电电量最大值；
S6：重复步骤S3-S5，循环计算直至En-1≥En时，停止充电，系统维持计算En-1时连接装置中的开关闭合和断开状态，En-1为系统充电电量最大值；
S7：当汽车行车时，动力电池系统开始放电，电池管理和控制装置闭合所有动力电池的控制开关，保持所有备用开关断开；
S8：行车放电过程中，电池管理和控制装置采集所有动力电池单体的电压值和容量值；
S9：当动力电池系统中出现某个动力电池B-M3的电压值达到预设下限电压值时，计算所有动力电池的电压值与容量值乘积的总和E3，同时断开动力电池B-M3的控制开关，闭合动力电池B-M3的备用开关；
S10：行车放电过程中，当出现某个动力电池B-M4的电压值达到预设下限电压值时，计算除B-M3以外的所有动力电池的电压值与容量值乘积的总和E4；
S11：比较E3与E4的大小，若E3＜E4，则断开动力电池B-M4的控制开关，闭合动力电池B-M4的备用开关；若E3≥E4，则车辆停止放电，系统维持计算E3时连接装置中的开关闭合和断开状态，E3为系统充电电量最大值；
S12：重复步骤S9-S11，循环计算直至En-1≥En时，停止放电，系统维持计算En-1时连接装置中的开关闭合和断开状态，En-1为系统放电电量最大值。
本发明的有益效果在于：本发明利用系统不断迭代循环计算方法，实现动力电池能量重组配置，达到能量最优化和最大化配置，增加系统有效电量，同时系统单体电压达到最大值和最小值时立即从系统中隔离，有效避免电池过充电和过放电风险，保障系统安全。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为动力电池系统能量优化装置结构示意图；
图2为动力电池系统充电能量优化控制流程图；
图3为动力电池系统放电能量优化控制流程图；
图4为具体实施例所述动力电池系统能量优化装置具体实施连接示意图；
图5为动力电池系统能量优化具体实施控制流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图5，为本发明涉及的一种电池系统能量优化装置和方法，包括受控连接装置部分和控制部分。其中受控连接装置包括：动力电池单体或电池包、开关、备用回路及备用开关、电池管理和控制装置、整车驱动系统及负载和动力电池充电设备。
在连接装置中电池单体或电池包，分别为：B-1、B-2、B-3、B-4、B-5、B-6、B-7、B-8…B-n；每个电池单体或电池包正极输出时串联控制开关，包括开关K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8…Kn；每个电池单体或电池包并联备用回路，在备用回路中安装备用开关，包括备用开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8…Sn；电池管理和控制装置为系统控制部分，主要负责电池管理、信息采集、容量计算和开关控制；动力电池充电设备主要负责为动力电池充电，动力电池总正和总负输出回路分别串联充电开关Kg和Kn；整车驱动系统及其负载包含电机、高压用电设备和低压用电设备及其附件，如图1。
本发明主要通过如下控制方式，首先判定车辆状态，当动力电池系统开始充电，电池管理和控制装置闭合充电开关Kn和Kg，闭合开关K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8…Kn，同时保持备用开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8…Sn断开。充电过程中，电池管理和控制装置采集系统中所有单体电压值、容量值，实时电压值为V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8…V1n；实时充电容量值为C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8…Cn。当系统中最高单体或电池包B-M1电压达到电压上限值Vmax时，此时计算：
E1＝V11*C11+V21*C21+V31*C31+V41*C41+V51*C51+V61*C61+V71*C71+V81*C81+…Vn1*Cn1；同时断开单体或电池包B-M1正极输出开关Km1，然后闭合单体或电池包M1并联备用回路中开关Sm1。充电机继续充电，当系统中最高单体或电池包B-M2电压达到电压上限值Vmax时，此时计算：
E2＝V12*C12+V22*C22+V32*C32+V42*C42+V52*C52+V62*C62+V72*C72+V82*C82+…Vn2*Cn2-VM1*CM1；
并比较E1与E2的大小，若E1＜E2，则断开单体或电池包B-M2正极输出开关Km2，然后闭合单体或电池包B-M2并联备用回路中开关Sm2。充电机继续充电，当系统中最高单体或电池包B-M3电压达到电压上限值Vmax时，此时计算：
E3＝V13*C13+V23*C23+V33*C33+V43*C43+V53*C53+V63*C63+V73*C73+V83*C83+…Vn3*Cn3-VM1*CM1-VM2*CM2；
并比较E2与E3的大小，若E2＜E3，则继续充电，并动态持续执行上述循环，单个电池或电池包电压和容量实时更新，循环计算，直至En-1≥En时，停止充电，系统维持计算En-1时连接装置中的开关闭合和断开状态，En-1为系统充电电量最大值，控制流程图如附图2。
同理，当新能源汽车行车时，动力电池系统开始放电，电池管理和控制装置闭合开关K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8…Kn，同时保持备用开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8…Sn断开。
车辆行驶放电过程中，电池管理和控制装置采集系统中所有单体电压值、容量值，实时电压值为V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8…V1n，实时放电容量值为C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8…Cn。当系统中最低单体或电池包B-M1电压达到电压下限值Vmin时，此时计算：
E1＝V11*C11+V21*C21+V31*C31+V41*C41+V51*C51+V61*C61+V71*C71+V81*C81+…Vn1*Cn1；
同时断开单体或电池包B-M1正极输出开关Km1，然后闭合单体或电池包M1并联备用回路中开关Sm1。
车辆继续行车放电，当系统中最低单体或电池包B-M2电压达到电压下限值Vmin时，此时计算：
E2＝V12*C12+V22*C22+V32*C32+V42*C42+V52*C52+V62*C62+V72*C72+V82*C82+…Vn2*Cn2-VM1*CM1；
并比较E1与E2的大小，若E1＜E2，则断开单体或电池包B-M2正极输出开关Km2，然后闭合单体或电池包B-M2并联备用回路中开关Sm2，车辆继续行车放电，当系统中最低单体或电池包B-M3电压达到电压下限值Vmin时，此时计算：
E3＝V13*C13+V23*C23+V33*C33+V43*C43+V53*C53+V63*C63+V73*C73+V83*C83+…Vn3*Cn3-VM1*CM1-VM2*CM2；
并比较E2与E3的大小，若E2＜E3，则继续放电，并动态持续执行上述循环，单个电池或电池包电压和容量实时更新，循环计算，直至En-1≥En时，车辆停止放电，系统维持计算En-1时连接装置中的开关闭合和断开状态，En-1为系统放电电量最大值，控制流程图如附图3。
具体实施方式如下：电动汽车由9个电池串联组成动力电池系统，分别为B-1、B-2、B-3、B-4、B-5、B-6、B-7、B-8、B-9，每个电池的额定电压为3.2V，额定容量为100Ah，上限充电电压为3.65V，下限放电电压为2.5V。每个电池正极输出时串联控制开关，包括开关K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9；每个电池单体并联备用回路，在备用回路中安装备用开关，包括备用开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9；动力电池总正和总负输出回路分别串联充电开关Kg和Kn，如图4：
动力电池系统开始充电，电池管理和控制装置闭合充电开关Kn和Kg，闭合开关K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8…Kn，同时保持备用开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8…Sn断开。充电过程中，电池管理和控制装置采集系统中所有单体电压值、容量值，实时电压值为V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9，实时充电容量值为C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9。当系统中最高电池B-3电压达到上限值V3＝Vmax＝3.65V时，电池管理和控制装置采集实时电压值为V11＝3.35V、V21＝3.36V、V31＝3.65V，V41＝3.40V、V51＝3.41V、V61＝3.42V、V71＝3.43V、V81＝3.40V、V91＝3.39V；因电池串联，实时充电容量值为C11＝C21＝C31＝C41＝C51＝C61＝C71＝C81＝C91＝50Ah。此时计算:
E1＝V11*C11+V21*C21+V31*C31+V41*C41+V51*C51+V61*C61+V71*C71+V81*C81+V91*C91
＝(3.35+3.36+3.65+3.40+3.41+3.42+3.43+3.40+3.39)*50＝1540.5Wh；
断开电池B-3正极输出开关K3，然后闭合电池B-3并联备用回路中开关S3。充电机继续充电，当系统中电池B-7最高电压达到电压上限值V7＝Vmax＝3.65V时，电池管理和控制装置采集实时电压值为V12＝3.55V、V22＝3.53V、V31＝V32＝3.65V，V42＝3.57V、V52＝3.55V、V62＝3.58V、V72＝3.65V、V82＝3.50V、V92＝3.55V；实时充电容量值为C12＝C22＝C42＝C52＝C62＝C72＝C82＝C92＝90Ah，C31＝C32＝50Ah。此时计算:
E2＝V12*C12+V22*C22+V42*C42+V52*C52+V62*C62+V72*C72+V82*C82+V92*C92-V31*C31
＝(3.55+3.53+3.57+3.55+3.58+3.65+3.50+3.55)*90-3.65*50
＝2380.7Wh；
因为E1＜E2，断开单体或电池包B-7正极输出开关K3，然后闭合电池B-7并联备用回路中开关S7。充电机继续充电，当系统中电池B-4最高电压达到电压上限值V4＝Vmax＝3.65V时，电池管理和控制装置采集实时电压值为V13＝3.60V、V22＝3.62V、V31＝V32＝V33＝3.65V，V43＝3.65V、V53＝3.57V、V63＝3.60V、V72＝V73＝3.65V、V83＝3.55V、V93＝3.57V；实时充电容量值为C13＝C23＝C43＝C53＝C63＝C83＝C93＝95Ah，C31＝C32＝C32＝50Ah，C72＝C73＝90Ah。此时计算:
E3＝V13*C13+V23*C23+V43*C43+V53*C53+V63*C63+V83*C83+V93*C93-V31*C31-V72*C72
＝(3.6+3.62+3.65+3.57+3.6+3.55+3.57)*99-3.65*50-3.65*90
＝1979.84Wh；
因为E2＞E3，系统停止充电，维持电池B-3正极输出开关K3断开，电池B-3并联备用回路中开关S3闭合，同时闭合电池B-7正极输出开关K3，断开电池B-7并联备用回路中开关S7。系统充电电量通过不断迭代循环计算方，实现系统重组，电量达到最大化和最优化配置。控制流程图如附图5。
同理车辆行驶放电时，利用如上装置，通过上述不断迭代循环计算方控制方法，达到最大化和最优化配置。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种动力电池系统能量优化装置，其特征在于：包括由n个动力电池和动力电池充电设备连接的回路，每个动力电池的正极输出均串联有控制开关，每个动力电池并联有备用回路，所述备用回路上设有备用开关；所述动力电池充电设备正极通过充电开关Kg与动力电池正极连接，动力电池充电设备负极通过充电开关Kn与动力电池负极连接；还包括与动力电池连接的整车驱动系统及负载，还包括电池管理和控制装置，用于采集所有动力电池的电压值和容量值，计算系统总电量，并对控制开关、备用开关进行控制。
2.根据权利要求1所述的动力电池系统能量优化装置，其特征在于：所述整车驱动系统及负载包含电机、高压用电设备和低压用电设备。
3.根据权利要求1所述的动力电池系统能量优化装置，其特征在于：所述动力电池为单体电池或多个电池串联而成的电池包。
4.一种动力电池系统能量优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：当动力电池系统需要充电时，电池管理和控制装置闭合充电开关Kn和Kg，闭合所有动力电池的控制开关，保持所有备用开关断开；
S2：充电过程中，电池管理和控制装置采集所有动力电池单体的电压值和容量值；
S3：当动力电池系统中出现某个动力电池B-M1的电压值达到预设上限电压值时，计算所有动力电池的电压值与容量值乘积的总和E1，同时断开动力电池B-M1的控制开关，闭合动力电池B-M1的备用开关；
S4：充电过程中，当出现某个动力电池B-M2的电压值达到预设上限电压值时，计算除B-M1以外的所有动力电池的电压值与容量值乘积的总和E2；
S5：比较E1与E2的大小，若E1＜E2，则断开动力电池B-M2的控制开关，闭合动力电池B-M2的备用开关；若E1≥E2，则车辆停止充电，系统维持计算E1时连接装置中的开关闭合和断开状态，E1为系统充电电量最大值；
S6：重复步骤S3-S5，循环计算直至En-1≥En时，停止充电，系统维持计算En-1时连接装置中的开关闭合和断开状态，En-1为系统充电电量最大值；
S7：当汽车行车时，动力电池系统开始放电，电池管理和控制装置闭合所有动力电池的控制开关，保持所有备用开关断开；
S8：行车放电过程中，电池管理和控制装置采集所有动力电池单体的电压值和容量值；
S9：当动力电池系统中出现某个动力电池B-M3的电压值达到预设下限电压值时，计算所有动力电池的电压值与容量值乘积的总和E3，同时断开动力电池B-M3的控制开关，闭合动力电池B-M3的备用开关；
S10：行车放电过程中，当出现某个动力电池B-M4的电压值达到预设下限电压值时，计算除B-M3以外的所有动力电池的电压值与容量值乘积的总和E4；
S11：比较E3与E4的大小，若E3＜E4，则断开动力电池B-M4的控制开关，闭合动力电池B-M4的备用开关；若E3≥E4，则车辆停止放电，系统维持计算E3时连接装置中的开关闭合和断开状态，E3为系统充电电量最大值；
S12：重复步骤S9-S11，循环计算直至En-1≥En时，停止放电，系统维持计算En-1时连接装置中的开关闭合和断开状态，En-1为系统放电电量最大值。
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