CN116404727A - 二次电池的管理方法和管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种二次电池的管理方法和管理系统，所述二次电池包括串联的N个电池单体，N是大于等于2的正整数。该管理方法包括：在充电过程和放电过程的至少一个过程中，实时获取所述二次电池两端的电压和电池容量参数；判断所述电压在变化过程中的特征点，包括：当所述电压到达一预设范围时，实时计算所述电压的变化量相对于所述电池容量参数的变化量的比值，当所述比值大于特征阈值时，判断所述电压的变化过程中出现一特征点；以及根据所述特征点的数量判断所述二次电池的一致性。本申请的管理方法和管理系统减少了采样线的数量、不依赖于使用AFE芯片，实用性强，并且降低了产品成本。
Description
技术领域
本发明主要涉及二次电池领域，尤其涉及一种二次电池的管理方法和管理系统。
背景技术
二次电池通常由一串或多串电芯经串联、并联或混联组成。由于二次电池采用高活泼型材料，具有高能量密度，在其充放电过程中需要对电池进行监控以防止过充和过放。然而，由于多个电芯存在不同的自放电率，会导致每颗电芯的SOC（State of Charge，荷电状态）存在不一致的情况，因此，需要对二次电池的均衡状态进行判断，若不均衡，则需要采取措施控制所有电芯保持基本一致的SOC。目前所采取的方案是采用模拟前端（AFE,Analog Front End）芯片对电池进行采样、一致性判断及均衡，然而，AFE基本由国外芯片企业垄断，价格较高，同时每个电池单体都需要通过线束连接至AFE，线束连接复杂，容易短路，需要更多的成本投入到安全设计中，进一步提升成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种方便检测一致性、有效防止过充过放、成本低的二次电池的管理方法和控制系统。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种二次电池的管理方法，所述二次电池包括串联的N个电池单体，N是大于等于2的正整数，包括：在充电过程和放电过程的至少一个过程中，实时获取所述二次电池两端的电压和电池容量参数；判断所述电压在变化过程中的特征点，包括：当所述电压到达一预设范围时，实时计算所述电压的变化量相对于所述电池容量参数的变化量的比值，当所述比值大于特征阈值时，判断所述电压的变化过程中出现一特征点；以及根据所述特征点的数量判断所述二次电池的一致性。
在本申请的一实施例中，在所述充电过程中，实时获取所述二次电池两端的电压和电池容量参数的步骤包括：实时获取所述二次电池两端的充电电压和充电电池容量参数；判断所述电压在变化过程中的特征点的步骤包括：当所述充电电压超过总充电初始值时，实时计算所述充电电压的变化量相对于所述充电电池容量参数的变化量的第一比值，当所述第一比值大于第一阈值时，判断所述充电过程中出现一充电特征点；根据所述特征点的数量判断所述二次电池的一致性的步骤包括：当所述充电电压大于等于充电总截止电压时，获取所述充电特征点的充电特征点数量，若所述充电特征点数量等于N，判断所述二次电池的一致性好。
在本申请的一实施例中，所述充电总截止电压等于所述电池单体的最高充电电压的N倍。
在本申请的一实施例中，还包括：为所述第一比值设置一第一上限，当所述第一比值超过所述第一上限时，判断所述充电过程中出现至少两个相互重合的充电特征点，将所述重合的充电特征点的实际数量计入所述充电特征点数量。
在本申请的一实施例中，根据所述特征点的数量判断所述二次电池的一致性的步骤还包括：若所述充电特征点数量小于N，确定所述二次电池的一致性差；当判断所述二次电池的一致性差时，将充电模式设置为均衡充电模式，在所述均衡充电模式下，当所述充电特征点数量等于N时，继续充入第一预设电量后停止所述充电过程。
在本申请的一实施例中，所述均衡充电模式包括：采用恒压充电，所述恒压的范围在充电总截止电压和总钳位电压之间，所述总钳位电压等于所述电池单体的穿梭剂钳位电压的N倍。
在本申请的一实施例中，所述均衡充电模式包括：采用恒流充电，所述恒流小于等于所述电池单体的穿梭剂允许电流。
在本申请的一实施例中，所述第一预设电量等于将所述电池单体的电压从所述电池单体的最高充电电压充电至所述电池单体的穿梭剂钳位电压所需增加的电池容量。
在本申请的一实施例中，在所述均衡充电模式下，记录相邻的充电特征点之间的时间间隔，根据所述时间间隔获得不同所述电池单体的容量差异。
在本申请的一实施例中，在所述放电过程中，实时获取所述二次电池两端的电压和电池容量参数的步骤包括：实时获取所述二次电池两端的放电电压和放电电池容量参数；判断所述电压在变化过程中的特征点的步骤包括：当所述放电电压小于总放电初始值时，实时计算所述放电电压的变化量相对于所述放电电池容量参数的变化量的第二比值，当所述第二比值大于第二阈值时，判断所述放电过程中出现一放电特征点；根据所述特征点的数量判断所述二次电池的一致性的步骤包括：当所述二次电池放电结束时，获取所述放电特征点的放电特征点数量，若所述放电特征点数量等于N，判断所述二次电池的一致性好。
在本申请的一实施例中，当所述放电电压小于等于放电总截止电压时，所述二次电池放电结束。
在本申请的一实施例中，还包括：在所述放电电压到达放电总截止电压之前时，当所述放电电压小于总放电门限值时，并且当所述放电特征点数量增加1时，继续释放第二预设电量后，所述二次电池放电结束，其中，所述总放电门限值小于所述总放电初始值，并且所述总放电门限值大于所述放电总截止电压。
在本申请的一实施例中，还包括：为所述第二比值设置一第二上限，当所述第二比值超过所述第二上限时，判断所述放电曲线出现至少两个相互重合的放电特征点，将所述重合的放电特征点的实际数量计入所述放电特征点数量。
在本申请的一实施例中，根据所述特征点的数量判断所述二次电池的一致性的步骤还包括：若所述放电特征点数量小于N，判断所述二次电池的一致性差；当判断所述二次电池的一致性差时，将下一次充电过程的充电模式设置为均衡充电模式。
在本申请的一实施例中，所述电池单体包括锂电池、钠电池和钾电池中的一种或任意种的组合。
在本申请的一实施例中，所述电池容量参数包括当前电池容量、荷电状态和电池使用时长中的任一个或多个的组合。
本申请为解决上述技术问题还提出一种二次电池的管理系统，所述二次电池包括串联的N个电池单体，N是大于等于2的正整数，其特征在于，包括控制器和至少一个采样电路，所述至少一个采样电路连接至所述二次电池的两端，用于采集所述二次电池的电压，并将所述电压发送至所述控制器，所述控制器配置为：执行如上所述的管理方法。
本申请的二次电池的管理方法可以在充电过程和/或放电过程中判断二次电池的一致性，进而控制电池的充电过程和放电过程，能够有效防止过充和过放。本申请的二次电池的管理系统减少了采样线的数量，实用性强，不依赖于使用AFE芯片，能够减少AFE通道数量，甚至无需使用AFE芯片，大幅降低了产品成本。
附图说明
包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：
图1A是本申请一实施例的二次电池的控制系统的框图；
图1B是本申请另一实施例的二次电池的控制系统的框图；
图2是本申请一实施例的二次电池的管理方法的示例性流程图；
图3是本申请一实施例的二次电池中的电池单体的充电曲线的示意图；
图4是本申请一实施例的二次电池中的电池单体的放电曲线的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。
本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
本申请的二次电池的管理方法和管理系统适用于所有类型的锂电池、钠电池和钾电池等。尤其是具有过充或过放风险的二次电池。锂电池包括锂离子电池和锂金属电池，以锂离子电池为例，其电池单体可以通过添加穿梭剂（shuttle）来设置钳位电压。锂离子电池的电池单体包括但不限于磷酸铁锂电池、三元锂离子电池。锂金属电池包括但不限于锂硫电池、锂空电池等。钠电池包括钠离子电池、钠金属电池等。钾电池包括钾离子电池、钾金属电池等。
图1A是本申请一实施例的二次电池的管理系统的框图。本申请的二次电池包括串联的N个电池单体，N是大于等于2的正整数，该N个电池单体形成了2个电池组111、112。电池单体（Cell）也被称为电芯，具体的电池单体根据型号、厂家不同而具有不同的充放电特性。需要说明，不同电池组中的电池单体120的数量可以相等或不等。
本申请的管理系统还包括控制器和至少一个采样电路，该至少一个采样电路连接至二次电池的两端，用于采集二次电池的电压和电池容量参数。如图1A所示，该实施例的管理系统101包括一个控制器130和一个采样电路140。该采样电路140分别连接至电池组111的一端和电池组112的另一端，也就是连接在二次电池110的两端，即总正极和总负极，只需两根采样线。采样电路140还与控制器130电连接，用于将所采集到的二次电池110的电压发送至控制器130。
图1B是本申请另一实施例的二次电池的管理系统的框图。该实施例的管理系统102中包括2个采样电路141、142，采样电路和电池组一一对应。其中，采样电路141连接在电池组111的两端，并且能够将电池组111两端的电压发送至控制器130，采样电路142连接在电池组112的两端，并且能够将电池组112两端的电压发送至控制器130，相当于将二次电池110两端的电压发送至控制器130。在一些实施例中，控制器130是MCU。
本申请中所采集的电池容量参数指可以用来表征电池容量的任意参数，例如包括当前电池容量或荷电状态SOC中的一个。SOC表示电池剩余容量与其完全充电状态的总容量的比值，SOC与总容量的乘积为当前电池容量，即电池剩余容量，二者可以等价对待。在一实施例中，电池容量随着电池使用时长的推移具有一定的变化趋势，因此，也可以将电池使用时长作为考量电池容量的一种电池容量参数。其中，在充电过程中，电池使用时长可指电池充电时长，在放电过程中，电池使用时长可指电池放电时长。
根据本申请的管理系统101，通过采样电路140即可获得二次电池110的电压，控制器130可以获得二次电池110在充电过程和放电过程的至少一个过程中的二次电池两端的电压和电池容量参数，并且执行本申请的管理方法，对二次电池的一致性做出判断，从而可以进一步防止二次电池110发生过充或过放的风险。该管理系统相比于采用AFE芯片的解决方案来说，具有结构简单，采样线数量少的优点，可以减少AFE通道的数量，也即减少价格昂贵的AFE芯片的数量，甚至无需使用AFE芯片，大大降低了产品成本。
对于管理系统102来说，采样电路141、142分别与控制器130连接，从而分别对电池组111、112中的多个电池单体的一致性进行判断。也可以由控制器130获得来自采样电路141、142的所有信号，对整个二次电池110的2个电池组111、112中的多个电池单体的一致性进行判断。
需要说明，本申请的管理系统可以用来执行本申请所公开的管理方法，然而，本申请的管理方法也可以由其他的管理系统来执行。本说明书结合图1A所示的管理系统101来说明本申请的管理方法，不用于限制该管理方法的具体执行主体。
图2是本申请一实施例的二次电池的管理方法的示例性流程图。参考图2所示，该实施例的管理方法包括以下步骤：
步骤S210：在充电过程和放电过程的至少一个过程中，实时获取二次电池两端的电压和电池容量参数；
步骤S220：判断电压在变化过程中的特征点，包括：当电压到达一预设范围时，实时计算电压的变化量相对于电池容量参数的变化量的比值，当比值大于特征阈值时，判断电压的变化过程中出现一特征点；
步骤S230：根据特征点的数量判断二次电池的一致性。
根据步骤S210，该方法适合仅应用在充电过程中，仅应用在放电过程中，以及同时应用在充电过程和放电过程中。以下按照充电过程和放电过程两个过程来分别说明。
图3是本申请一实施例的二次电池中的电池单体的充电曲线的示意图。参考图3所示，其横轴为SOC，单位是%，纵轴为电压，单位是V（伏）。在图3中，从原点起，SOC沿横轴从左至右逐渐增大，电压沿纵轴从下至上逐渐增大。需说明，当前电池容量和电压的关系与SOC和电压的关系是相似的，其所对应的充电曲线的趋势是一致的，因此，在一些实施例中，横轴还可以是当前电池容量。并且，电压随着电池使用时长的变化趋势也与其随着SOC的变化趋势相似，因此，在一些实施例中，横轴可以是电池使用时长，即电池充电时长。
在一些实施例中，还可以综合考虑电压与当前电池容量、SOC和电池使用时长来判断特征点，例如通过电压分别和当前电池容量、SOC、电池使用时长中的任意两个或三个之间的关系，对所获得的特征点进行校验等。本领域技术人员可以基于实际情况做出任意种变化，都属于本申请所要保护的范围之内。
如图3所示，在初始时，电池单体的电压较低，位于2.8~2.9 V之间，需要充电。该充电曲线的斜率具有两边大、中间小的特点。在初始阶段，充电曲线的斜率较大，电压以较快的速度到达一个较高的电压值，如图3中的拐点P1处，之后充电曲线的斜率变小，电压增大的速度变缓，直到到达拐点P2之后，充电曲线的斜率再次增大，电压增大的速度再次加大。在图3中，拐点P1对应的SOC较小，电压在3.2~3.3V之间，拐点P2对应的SOC较大，电压在3.4~3.5V之间。图3用于表示电池单体的充电规律，对于图1A中所示的包括N个电池单体120的二次电池110来说，由于N个电池单体120是串联的关系，则整个二次电池110的充电曲线也具有类似的趋势。然而，由于每颗电池单体的SOC存在不一致的情况，因此，整个二次电池110的充电曲线并不相当于N个电池单体的充电曲线的简单叠加，而是会出现一些波动，从而在总的充电曲线中形成多个拐点。
图3所示仅为示意，不用于限制电池单体120的实际充电曲线和电压数值。以下参考图1A和图3说明实施例一的步骤S210~S230。
在实施例一中，在步骤S210中，在充电过程中，实时获取二次电池两端的电压和电池容量参数。
在一些实施例中，步骤S210包括：
步骤S211：实时获取二次电池两端的充电电压和充电电池容量参数。其中，充电电池容量参数是在充电过程中二次电池两端的实时电池容量参数。
相应地，步骤S220包括：
步骤S221：当充电电压超过总充电初始值时，实时计算充电电压的变化量相对于充电电池容量参数的变化量的第一比值，当第一比值大于第一阈值时，判断充电过程中出现一充电特征点。
步骤S230包括：
步骤S231：当充电电压大于等于充电总截止电压时，获取充电特征点的充电特征点数量，若充电特征点数量等于N，判断二次电池的一致性好。
参考图1A，在步骤S211的充电过程中，可以通过采样电路140实时获取二次电池110两端的充电电压U1，并将该充电电压U1实时发送至控制器130，充电电流是已知的或者是可以由控制器130获取的，控制器130根据充电电流计算出当前的充电电池容量Q1。例如将该充电电流对时间进行积分来获得充电电池容量Q1。如此可以形成以Q1为横轴，U1为纵轴的充电曲线。同理，可以获得当前的SOC，从而获得与图3所示具有相似的变化规律的曲线。
在一些实施例中，也可以由采样电路140直接根据充电电流计算出当前的充电电池容量Q1，再将充电电压U1和充电电池容量Q1一起发送至控制器130。
需要说明，如果获得充电曲线的话，该充电特征点即为充电曲线上的拐点。在其他的实施例中，无需获得充电曲线，通过步骤S221可以直接计算充电特征点。以下以获得了充电曲线为例进行说明，不用于限制本申请的管理方法必须获得充电曲线。
在步骤S221，首先设置一总充电初始值Uc0，当U1超过Uc0时，才开始实时计算该第一比值R1，从而记录充电曲线的充电拐点数量。结合图3所示，由于在充电的初始阶段，二次电池的初始电压较低，这时的充电速度较快，并且之后会到达缓充阶段，发生过充的风险也较小，因此在此阶段无需检测其过充风险。同时，由于电压升高速度较快，此时若加以判断可能会得到不正确的结果，因此通过设置总充电初始值Uc0也可以避免误判断的发生。
在一些实施例中，总充电初始值Uc0是根据电池单体的特性来确定，是电池单体的充电曲线的斜率第一次由快变慢时所达到的电压值的N倍。例如图3所示，假设该电池单体在拐点P1处的电压值为3.3V，则设置总充电初始值Uc0=3.3*N V。在实际应用中，总充电初始值可以是一个范围，例如以3.3*N V为中心点前后浮动20%。
在一些实施例中，可以采用以下算式（1）计算第一比值R1：
R1=dU1/dQ1 （1）
当满足R1>Th1时，认为此时充电曲线上出现了一个充电拐点，Th1表示第一阈值。
该第一阈值Th1是根据所采用的电池单体的性能来设置，本申请对此不做具体限制。例如可以通过实验来获得第一阈值Th1。
在步骤S231还设置了充电总截止电压Ucc。在一些实施例中，该充电总截止电压Ucc等于电池单体的最高充电电压Ucmax的N倍。电池单体的最高充电电压Ucmax是该电池单体在安全范围内可以充到的最大电压值。例如设Ucmax=3.6 V，则Ucc=3.6*N V。在其他的实施例中，充电总截止电压Ucc可以不等于N*Ucmax，而是在N*Ucmax附近的一定的范围内。也就是说，充电总截止电压Ucc可以大于或小于电池单体的最高充电电压Ucmax的N倍。
对于电池单体来说，其可以包括预设的最高充电电压Ucmax、危险高电压Ux、最低放电电压Udmin和穿梭剂钳位电压Uclamp，其大小关系为：Udmin<Ucmax<Uclamp<Ux。示例性地，设Udmin=2.5 V，Ucmax=3.6 V，Uclamp=3.65 V，Ux=3.8 V。其中，不同的穿梭剂可以具有不同的穿梭剂钳位电压Uclamp，可以通过调整穿梭剂的成分来设置Uclamp。
在步骤S231，当U1≥Ucc并且充电特征点数量等于N时，判断该二次电池110的一致性好，此时可以停止充电。
在一些实施例中，如果在步骤S231中，当U1≥Ucc并且充电拐点数量小于N时，判断该二次电池110的一致性差，均衡性低，因此触发均衡充电模式。
可以理解，在均衡充电模式被触发之前，二次电池110可以由控制器130控制采用普通的充电方式进行充电，包括采用恒流方式充电，该充电电流的大小根据电池单体的充放电能力而定，通常比均衡充电模式下的电流要大的多。
在一些实施例中，均衡充电模式包括：采用恒压充电，该恒压的范围在充电总截止电压Ucc和总钳位电压Uclamp1之间，总钳位电压Uclamp1等于电池单体的穿梭剂钳位电压Uclamp的N倍。即，Uclamp1= Uclamp*N。根据上面的示例，该恒压的范围是：（3.6*N V，3.65*N V）。在均衡充电模式下，进入高SOC的电池单体的电子使穿梭剂得以消耗，高SOC的电池单体的电量没有明显变化。
在一些实施例中，均衡充电模式包括：采用恒流充电，恒流小于等于电池单体的穿梭剂允许电流。该穿梭剂允许电流由穿梭剂而定，具体地，该恒流的电流值明显小于普通充电模式下的充电电流。
在均衡充电模式下，使一些具有低SOC的电池单体可以继续充电，同时高SOC的电池单体的电量不会增加，从而从整体上使二次电池110中的各个电池单体的SOC趋于一致，提高了二次电池110的一致性和均衡性，防止电池的过充现象发生。
在均衡充电模式下继续记录充电特征点数量，当该数量达到N时，表示N个电池单体的电压都已经达到一定的数值，此时继续向二次电池110充入第一预设电量Q11后停止该充电过程，从而有效地防止过充。需说明，出现拐点并不表示电池单体已充满，继续充入Q11的目的是使电池单体充满。
在一些实施例中，该第一预设电量Q11等于将电池单体的电压从最高充电电压Ucmax充电至电池单体的穿梭剂钳位电压Uclamp所需增加的电池容量。由于最高充电电压Ucmax和穿梭剂钳位电压Uclamp是可以预先获知的，因此第一预设电量Q11是一个常量。
在一些情况下，当电池一致性特别高时，例如某2个电池单体在同一时刻出现拐点，则充电电压U1的充电曲线会出现拐点重合的现象，使记录到的充电拐点数量小于实际的拐点数量。在这种情况下，在步骤S221中，所记录的充电拐点数量小于N并不表示电池的一致性不好。为了区分这种情况，本申请的管理方法还包括：为第一比值R1设置一第一上限R1_up，当第一比值R1超过第一上限R1_up时，判断充电过程中出现至少两个相互重合的充电特征点，将重合的充电特征点的实际数量计入充电特征点数量。例如，当监测到第一比值R1超过第一上限R1_up时，判断有大于2个相互重合的充电特征点。进一步的，第一比值R1在超过第一上限R1_up的第一区间内，判断其有2个重合点；第一比值R1在超过第一上限R1_up的第二区间内，判断其有3个重合点，第二区间的数值大于第一区间；以此类推，可以判断出重合点的数量，并将实际数量计入充电特征点数量。
本申请对第一上限R1_up的具体数值不做限制。可以通过实验获得较优的第一上限R1_up、第一区间、第二区间等，以提高对重合特征点检测的敏感性。
通过上述的步骤S211、S221、S231，有效地防止了充电过程中的过充现象。
在一些实施例中，在均衡充电模式下，记录相邻的充电拐点之间的时间间隔，根据该时间间隔获得不同电池单体的容量差异。根据这些实施例，当二次电池进入均衡充电模式时，可以继续记录新检测到的充电拐点的发生时刻，在时间差区间内，充电电流对时间的积分就是容量差异，因此，相邻充电拐点之间的时间间隔可以反映不同电池单体之间的容量差异，也就是一致性差异，用户获得该容量差异之后可以对电池的一致性情况进行判断。该容量差异信息可以由控制器130获得并上传至上级控制器或者用户。例如，某个电池单体的容量差异较大，则可以定位该电池单体，在后续过程中可以去除或替换该电池单体。此外，获得了容量差异可以对根据特征点的数量所判断的电池一致性做出验证。
图4是本申请一实施例的二次电池中的电池单体的放电曲线的示意图。与图3类似地，图4中的横轴为SOC，单位是%，纵轴为电压，单位是V。放电是充电的反过程。在图4中，从原点起，SOC沿横轴从左至右逐渐减小，电压沿纵轴从下至上逐渐增大。当横轴是当前电池容量时，当前电池容量沿横轴从左至右逐渐减小。当横轴是电池放电时长时，电池放电时长沿横轴从左至右逐渐增大。如图4所示，在初始时，电池单体的电压较高，位于3.4 V~3.5 V之间，在某些情况下需要进行放电操作。该放电曲线的斜率的绝对值也具有两边大、中间小的特点。在初始阶段，放电曲线的斜率的绝对值较大，电压以较快的速度下降到一个电压值，如图4中的拐点P3处，之后放电曲线的斜率的绝对值变小，电压下降的速度变缓，直到达到拐点P4之后，放电曲线的斜率的绝对值再次增大，电压迅速下降。在图4中，拐点P3对应的SOC较大，电压略大于3.3V，拐点P4对应的SOC较小，电压在3.1~3.2V之间。图4用于表示电池单体的放电规律，对于图1A中所示的整个二次电池110的放电曲线也具有类似的趋势。然而，由于每颗电池单体的SOC存在不一致的情况，因此，整个二次电池110的放电曲线并不相当于N个电池单体的放电曲线的简单叠加，而是会出现一些波动，从而在总的放电曲线中形成多个拐点。
图4所示仅为示意，不用于限制电池单体120的实际放电曲线和电压数值。以下参考图1A和图4说明实施例二的步骤S210~S230。
在实施例二中，在步骤S210中，在放电过程中，实时获取二次电池两端的电压和电池容量参数。
在一些实施例中，步骤S210包括：
步骤S212：实时获取二次电池两端的放电电压和放电电池容量参数。其中，放电电池容量参数是在放电过程中二次电池两端的实时电池容量参数。
相应地，步骤S220包括：
步骤S222：当放电电压小于总放电初始值时，实时计算放电电压的变化量相对于放电电池容量参数的变化量的第二比值，当第二比值大于第二阈值时，判断放电过程中出现一放电特征点。
步骤S230包括：
步骤S232：当二次电池放电结束时，获取放电特征点的放电特征点数量，若放电特征点数量等于N，判断二次电池的一致性好。
结合图1A和图4，在步骤S212的放电过程中，可以采用图1A中所示采样电路140来实时获取二次电池110两端的放电电压U2，并将该放电电压U2实时发送至控制器130，放电电流是已知的，控制器130根据放电电流计算出当前的放电电池容量Q2。例如将该放电电流对时间进行积分来获得放电电池容量Q2。如此可以形成以Q2为横轴，U2为纵轴的放电曲线。同理，可以获得当前的SOC，从而获得与图4所示具有相似的变化规律的曲线。
在一些实施例中，也可以由采样电路140直接根据放电电流计算出当前的放电电池容量Q2，再将放电电压U2和放电电池容量Q2一起发送至控制器130。
需要说明，如果获得放电曲线的话，该放电特征点即为放电曲线上的拐点。在其他的实施例中，无需获得放电曲线，通过步骤S222可以直接计算放电特征点。以下以获得了放电曲线为例进行说明，不用于限制本申请的管理方法必须获得放电曲线。
在步骤S222中，首先设置一总放电初始值Ud0，当U2小于Ud0时才开始记录放电曲线的放电拐点数量。参考图4所示，由于在放电的初始阶段发生过放的风险较小，因此在拐点P3之前的放电阶段无需检测过放风险。所设置的总放电初始值Ud0是一个小于拐点P3处电压值的数值与N的乘积。例如，令Ud0=3.3*N V。参考图4，当电池单体的电压等于3.3V时，其开始进入稳定的放电阶段。
在一些实施例中，采用以下算式（2）计算第二比值R2：
R2=dU2/dQ2 （2）
当满足R2>Th2时，认为此时放电曲线上出现了一个放电拐点，Th2表示第二阈值。本申请对第二阈值Th2的具体数值不做限制，可以通过实验获得。
在步骤S232中，可以根据放电电压的大小判断何时停止放电，即使该二次电池放电结束。
在一些实施例中，放电总截止电压Udc等于电池单体的最低放电电压Udmin的N倍。当电池单体的放电电压达到最低放电电压Udmin时，表示该电池单体已经放完电。则当包括N个电池单体的二次电池的放电电压U2小于等于放电总截止电压Udc时，表示该二次电池已放完电，不需要再继续放电了，则停止放电。此时，若检测到的放电特征点数量等于N，则表示二次电池的一致性好。
在一些实施例中，为了防止过放，在放电过程中，在二次电池的放电电压尚未达到Udc之前，对放电电压U2进行判断，当放电电压U2小于总放电门限值Ud1时，继续判断放电特征点，当放电特征点数量增加1时，继续释放第二预设电量Q21后停止放电过程，其中，Udc<Ud1<Ud0。根据该实施例，当放电电压U2小于总放电门限值Ud1时，表示大部分电池单体都进入放电过程的尾声，检测放电曲线中的拐点，当检测到一个拐点发生时，表示可能有一个电池单体将要达到最低放电电压，此时继续释放第二预设电量Q21之后停止放电，可以避免该电池单体发生过放。此时，虽然放电电压U2还没有降低到Udc，但是为了避免电池单体发生过放，就不继续放电。此时，若检测到的放电特征点数量等于N，则表示二次电池的一致性好。
在一些实施例中，总放电门限值Ud1是靠近拐点P4处的电压值与N的乘积。靠近拐点P4处的电压值表示从该电压值的两边分别靠近，也就是包括该电压值在内的一个小范围。例如令Ud1=3.2*N V。参考图4，当电压等于3.2V时，接近拐点P4，此时一个电池单体的放电过程已进入尾声。
在一些实施例中，该第二预设电量Q21等于将电池单体的电压从拐点发生时的电压释放到最低放电电压Udmin时所需释放的电池容量。
在一些实施例中，可以预先设置第二预设电量Q21为一个常量。
在一些实施例中，可以通过实验来确定较优的Ud0、Ud1，以更加敏感地反应拐点和电池单体放电状态之间的关系。需指出，在实际应用中，Ud0、Ud1的数值都可以在一个范围内浮动，而不限定为一个点。
在一些情况下，当电池一致性特别高时，放电曲线会出现拐点重合的现象，使记录到的放电拐点数量小于实际的拐点数量。针对这种情况，在一些实施例中，本申请的管理方法还包括：为第二比值R2设置一第二上限R2_up，当第二比值R2超过第二上限R2_up时，判断放电曲线出现至少两个相互重合的放电特征点，将重合的放电特征点的实际数量计入放电特征点数量。例如，当监测到第二比值R2超过第二上限R2_up时，判断有大于2个相互重合的放电特征点。进一步的，第二比值R2在超过第二上限R2_up的第三区间内，判断其有2个重合点；第二比值R2在超过第二上限R2_up的第四区间内，判断其有3个重合点，第四区间的数值大于第三区间；以此类推，可以判断出重合点的数量，并将实际数量计入放电特征点数量。
本申请对第二上限R2_up的具体数值不做限制。可以通过实验获得较优的第二上限R2_up、第三区间、第四区间等，以提高对重合特征点检测的敏感性。
在放电过程中记录放电拐点的数量，当放电拐点数量等于N，表示该二次电池110的一致性好，当放电拐点数量小于N并且没有重合拐点时，表示该二次电池110的一致性差。在这些实施例中，本申请的管理方法还包括：当电池中的电池单体的一致性差时，将下一次的充电过程的充电模式设置为均衡充电模式。根据这些实施例，可以在放电过程中发现电池的不一致性，从而提示用户在下一次充电过程中直接采用均衡充电模式。在一些情况下，二次电池被设置为具有一定的充电上限，并且该充电上限小于充电总截止电压，会导致无法触发均衡充电模式。因此，可以在放电过程中检测到一致性差时即自动设置在下一次充电过程采用强制均衡充电模式，在防止过充的同时还改善电池的不一致性。
本申请的管理方法还包括一实施例三，在实施例三的步骤S210中，分别在充电过程和放电过程中，都实时获取二次电池两端的电压和电池容量参数。其充电过程可以参考实施例一的步骤S211、S221、S231，其放电过程可以参考实施例二的步骤S212、S222、S232，前文的说明内容都可以用于说明实施例三，不再展开。
需要说明，本管理方法中所涉及的一些参数，例如总充电初始值Uc0、第一阈值Th1、第二阈值Th2、充电总截止电压Ucc、最高充电电压Ucmax、危险高电压Ux、最低放电电压Udmin、穿梭剂钳位电压Uclamp、总放电初始值Ud0、放电总截止电压Udc、总放电门限值Ud1、第一预设电量Q11、第二预设电量Q21等，其具体数据的设置可能依赖其他的参考数值，例如电池温度、充放电流、电池老化程度等，因此可以建立针对不同参考数值下的参数取值，采用例如查表的方法实时调整本申请管理方法中的参数，以提高控制精度。
采用本申请的电池的管理方法和管理系统，通过特征点检测来判断电池的一致性，进而控制电池的充电过程和放电过程，能够有效防止过充和过放，同时减少了采样线的数量，实用性强，减少或无需使用价格昂贵的AFE芯片，大幅降低了产品成本。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。
同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20%的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
Claims (17)
1.一种二次电池的管理方法，所述二次电池包括串联的N个电池单体，N是大于等于2的正整数，其特征在于，包括：
在充电过程和放电过程的至少一个过程中，实时获取所述二次电池两端的电压和电池容量参数；
判断所述电压在变化过程中的特征点，包括：当所述电压到达一预设范围时，实时计算所述电压的变化量相对于所述电池容量参数的变化量的比值，当所述比值大于特征阈值时，判断所述电压的变化过程中出现一特征点；以及
根据所述特征点的数量判断所述二次电池的一致性。
2.如权利要求1所述的管理方法，其特征在于，在所述充电过程中，实时获取所述二次电池两端的电压和电池容量参数的步骤包括：
实时获取所述二次电池两端的充电电压和充电电池容量参数；
判断所述电压在变化过程中的特征点的步骤包括：当所述充电电压超过总充电初始值时，实时计算所述充电电压的变化量相对于所述充电电池容量参数的变化量的第一比值，当所述第一比值大于第一阈值时，判断所述充电过程中出现一充电特征点；
根据所述特征点的数量判断所述二次电池的一致性的步骤包括：
当所述充电电压大于等于充电总截止电压时，获取所述充电特征点的充电特征点数量，若所述充电特征点数量等于N，判断所述二次电池的一致性好。
3.如权利要求2所述的管理方法，其特征在于，所述充电总截止电压等于所述电池单体的最高充电电压的N倍。
4.如权利要求2所述的管理方法，其特征在于，还包括：为所述第一比值设置一第一上限，当所述第一比值超过所述第一上限时，判断所述充电过程中出现至少两个相互重合的充电特征点，将所述重合的充电特征点的实际数量计入所述充电特征点数量。
5.如权利要求2所述的管理方法，其特征在于，根据所述特征点的数量判断所述二次电池的一致性的步骤还包括：若所述充电特征点数量小于N，确定所述二次电池的一致性差；当判断所述二次电池的一致性差时，将充电模式设置为均衡充电模式，在所述均衡充电模式下，当所述充电特征点数量等于N时，继续充入第一预设电量后停止所述充电过程。
6.如权利要求5所述的管理方法，其特征在于，所述均衡充电模式包括：采用恒压充电，所述恒压的范围在充电总截止电压和总钳位电压之间，所述总钳位电压等于所述电池单体的穿梭剂钳位电压的N倍。
7.如权利要求5所述的管理方法，其特征在于，所述均衡充电模式包括：采用恒流充电，所述恒流小于等于所述电池单体的穿梭剂允许电流。
8.如权利要求5所述的管理方法，其特征在于，所述第一预设电量等于将所述电池单体的电压从所述电池单体的最高充电电压充电至所述电池单体的穿梭剂钳位电压所需增加的电池容量。
9.如权利要求5所述的管理方法，其特征在于，在所述均衡充电模式下，记录相邻的充电特征点之间的时间间隔，根据所述时间间隔获得不同所述电池单体的容量差异。
10.如权利要求1所述的管理方法，其特征在于，在所述放电过程中，实时获取所述二次电池两端的电压和电池容量参数的步骤包括：
实时获取所述二次电池两端的放电电压和放电电池容量参数；
判断所述电压在变化过程中的特征点的步骤包括：当所述放电电压小于总放电初始值时，实时计算所述放电电压的变化量相对于所述放电电池容量参数的变化量的第二比值，当所述第二比值大于第二阈值时，判断所述放电过程中出现一放电特征点；
根据所述特征点的数量判断所述二次电池的一致性的步骤包括：
当所述二次电池放电结束时，获取所述放电特征点的放电特征点数量，若所述放电特征点数量等于N，判断所述二次电池的一致性好。
11.如权利要求10所述的管理方法，其特征在于，当所述放电电压小于等于放电总截止电压时，所述二次电池放电结束。
12.如权利要求10所述的管理方法，其特征在于，还包括：在所述放电电压到达放电总截止电压之前时，当所述放电电压小于总放电门限值时，并且当所述放电特征点数量增加1时，继续释放第二预设电量后，所述二次电池放电结束，其中，所述总放电门限值小于所述总放电初始值，并且所述总放电门限值大于所述放电总截止电压。
13.如权利要求10所述的管理方法，其特征在于，还包括：为所述第二比值设置一第二上限，当所述第二比值超过所述第二上限时，判断所述放电曲线出现至少两个相互重合的放电特征点，将所述重合的放电特征点的实际数量计入所述放电特征点数量。
14.如权利要求10所述的管理方法，其特征在于，根据所述特征点的数量判断所述二次电池的一致性的步骤还包括：若所述放电特征点数量小于N，判断所述二次电池的一致性差；当判断所述二次电池的一致性差时，将下一次充电过程的充电模式设置为均衡充电模式。
15.如权利要求1所述的管理方法，其特征在于，所述电池单体包括锂电池、钠电池和钾电池中的一种或任意种的组合。
16.如权利要求1所述的管理方法，其特征在于，所述电池容量参数包括当前电池容量、荷电状态和电池使用时长中的任一个或多个的组合。
17.一种二次电池的管理系统，所述二次电池包括串联的N个电池单体，N是大于等于2的正整数，其特征在于，包括控制器和至少一个采样电路，所述至少一个采样电路连接至所述二次电池的两端，用于采集所述二次电池的电压，并将所述电压发送至所述控制器，所述控制器配置为：执行如权利要求1至16任一项所述的管理方法。
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Also Published As
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