CN110001454A - 一种基于全时均衡的电池管理***及控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于全时均衡的电池管理***及控制策略，电池管理***包括主控单元和从控单元，所述主控单元为电池管理***的主控制电路板，用于整体策略控制，所述从控单元为电池管理***的从控制电路板，用于采集数据，并与主控单元通讯。本发明能够，更好地解决电池单体均衡达不到目标均衡效果的问题；可以更加安全有效的保护电池组电池的充放电，增长电池组寿命，进行合理高效的控制对电池组的均衡，尽可能将电池组所有单体电量保持一致，进行对电池组电量不平衡的单体进行均衡管理，以协调均衡能力和均衡发热问题，实现更为高效的均衡目标。
Description
技术领域
本发明属于新能源电动汽车动力电池领域，尤其是涉及一种基于全时均衡的电池管理***及控制策略。
背景技术
目前电动汽车需要电池作为动力或储能装置。由于锂电池具有能量密度高、自放电率低、污染小及循环寿命长等优点，逐渐成为电动汽车的首选动力源。在实际应用中，为了获得足够大的电压，往往将多个单体电池串联成组使用。由于单体电池之间存在不一致性现象，可能造成单体电池的过充、过放以及电池组存储容量下降的问题，因此，锂电池的均衡控制成为研究的热点问题。
现已有很多的电荷均衡方案和电路，主要分为两类：能耗型和非能耗型。在这些方案中，可采用电感、电容或变压器作为能量转换和缓冲的器件。电容均衡法是利用电容作为能量转移缓冲，结合开关实现电池之间能量的转移，这种方法控制简单，但均衡效率低、能耗高；电感均衡是采用电感作为能量转移存储器，也称相邻电池之间的均衡，具有能耗小、结构简单及效率高等特点，但是，由于是基于相邻电池能量的均衡，所以，当电池数量比较多的时候，或者需要均衡的电池相距较远时，均衡时间长、效率低。
现在使用的均衡方式大多数还是以能耗型为主，主要方式为在电池单体两端并联电阻和开关，对需要均衡的单体在电阻上将多余的能量耗散掉，以保证电池组的高效安全，且效率较高，电路简单可靠，但均衡能力依然有限，均衡时间仍需较长。
但实际上，由于往往电池组单体数量较多、容量较大时，靠均衡电路模块的均衡能力需要很长的均衡时间才可以达到均衡效果，也就是并未很好的考虑到均衡时间问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于全时均衡的电池管理***，以解决上述背景技术中提到问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于全时均衡的电池管理***，包括主控单元和从控单元，所述主控单元为电池管理***的主控制电路板，用于整体策略控制，所述从控单元为电池管理***的从控制电路板，用于采集数据，并与主控单元通讯；
所述主控单元包括控制模块、电压采集模块、温度采集模块、计时器模块、开关电路模块、存储模块、均衡耗散模块、通讯模块，所述从控单元包括电压采集模块、温度采集模块、均衡耗散模块；
所述控制模块为整个电池管理***的计算、控制中心，通过计算得到需要进行均衡的单体，以及计算出需要均衡的时间，进而控制均衡；
所述电压采集模块用于采集电池组单体电池的电压；
所述温度采集模块用于采集单体电池温度，以保证电池工作在正常的温度范围；
所述计时器模块为电池管理***的时间参数；
所述开关电路模块为MOS管组成的开关矩阵电路组合；
所述均衡耗散模块为在单体两端并联旁路电阻，由MOS管控制通断；
所述存储模块为存储***参数及数据，为均衡策略提供数据存储功能；
所述通讯模块用来与从控制单元通讯及与汽车CAN总线之间的通讯。
进一步的，所述从控单元包含若干个。
本发明的另一目的在于提出一种基于全时均衡的电池管理***控制策略，具体方案是这样实现的：
一种基于全时均衡的电池管理***的控制策略，包括三个模式进行均衡：
当上电启动时主控单元、从控单元采集动力电池组单体电压，判断是否需要均衡，以及需要进行均衡的单体及计算均衡时间，进行行车放电过程中的均衡；
停车时进行休眠静置，一段时间后进行低功耗休眠唤醒，采集单体电压，判断是否需要均衡，以及需要进行均衡的单体及计算均衡时间，进行停车过程中的均衡；
充电过程中，采集单体电压，判断是否需要均衡，对SOC较高的单体计算均衡时间，进行充电过程中的均衡。
进一步的，上电启动时，首先由采集电路采集电池单体电压，根据单体电压与SOC之间的关系，得到单体SOC，再根据单体平均SOC值的阈值判断需要进行均衡的单体及需要均衡的时间，行车过程中进行开启均衡，当未停车前，若需要进行均衡的单体到达均衡时间则停止均衡，没有完成均衡的单体在停车时会将均衡的数据存储在主控单元的存储模块中，不会掉电丢失。
进一步的，停车时，则进行是否充电等待的判断，若不进行充电，停车静置时间超过2小时，则进行电池管理***的自动唤醒操作，唤醒后主控单元、从控单元进行低功耗运行，即采集电路采集电池单体电压，计算单体SOC，得到需要进行均衡的单体及需要均衡的时间，进行停车时的低功耗均衡。
进一步的，停车时，若进行充电时，将在开始充电时若静置超过两小时，则采集电池组单体电压，计算最高最低单体压差是否超过阈值，若超出阈值则需要均衡，对相应单体将进行均衡处理，至最高单体SOC到达90％时，关闭均衡，接下来在充电末期时候进行采集电池组单体电压并再次计算均衡参数，直至充电结束。
进一步的，在判断是否进行均衡及计算均衡参数时，首先进行电池组单体电压的采集，根据单体电压与SOC对应关系计算出单体SOC及单体剩余电量，即计算放电深度，再计算各单体电量与最低单体电量之间的差值，得到差之最大的n个单体编号及记数量n，若差值大于阈值，根据均衡模块均衡能力计算均衡时间。
进一步的，行均衡时，记均衡单体的编号、数量、时间等，均衡过程中若温度高于安全阈值，则将均衡数量减少一个，即将关闭均衡中单体压差最小的单体的均衡开关；一段时间后再进行温度判定，保证均衡的发热状况在安全阈值内。
相对于现有技术，本发明所述的一种基于全时均衡的电池管理***及控制策略具有以下优势：
本发明提出一种基于全时均衡的管理***及控制策略，更好地解决电池单体均衡达不到目标均衡效果的问题；可以更加安全有效的保护电池组电池的充放电，增长电池组寿命，进行合理高效的控制对电池组的均衡，尽可能将电池组所有单体电量保持一致，进行对电池组电量不平衡的单体进行均衡管理，以协调均衡能力和均衡发热问题，实现更为高效的均衡目标。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的电池管理***的组成框图示意图；
图2为本发明实施例所述的电池管理***均衡模式控制逻辑总体流程图；
图3为本发明实施例所述的电池管理***判断是否进行均衡流程图；
图4为本发明实施例所述的电池管理***均衡发热管理流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供了一种基于全时均衡的电池管理***，包括主控单元、从控单元，主控单元包括控制模块、电压采集模块、温度采集模块、计时器模块、开关电路模块、存储模块、均衡耗散模块、通讯模块等，从控单元包括电压采集模块、温度采集模块、均衡耗散模块等；
所述主控单元为电池管理***的主控制电路板，从控单元为电池管理***的从控制电路板；所述控制模块为整个电池管理***的计算、控制中心；电压采集模块是采集电池组单体电池的电压；所述温度采集模块是采集单体电池温度，以保证电池工作在正常的温度范围；所述计时器模块为电池管理***的时间参数；控制模块计算得到需要进行均衡的单体，以及计算出需要均衡的时间，进而控制均衡，所述开关电路模块为MOS管组成的开关矩阵电路组合；均衡耗散模块即为在单体两端并联旁路电阻，由MOS管控制通断；所述存储模块为存储***参数及数据，为均衡策略提供数据存储功能；所述通讯模块用来与从控制单元通讯及与汽车CAN总线之间的通讯；
如图2所示，所述均衡控制策略分为三个模式进行均衡；当上电启动时主控单元、从控单元采集动力电池组单体电压，判断是否需要均衡，以及需要进行均衡的单体及计算均衡时间，进行行车放电过程中的均衡；停车时进行休眠静置，一段时间后进行低功耗休眠唤醒，采集单体电压，判断是否需要均衡，以及需要进行均衡的单体及计算均衡时间，进行停车过程中的均衡；充电过程中，采集单体电压，判断是否需要均衡，对SOC较高的单体计算均衡时间，进行充电过程中的均衡；
如图2所示，上电行车启动时，首先判断电池静置时间是否超过两个小时，若静置时间超过两个小时，则此时电池电压SOC与电压曲线特性较准确，由采集电路采集电池单体电压，根据单体电压与SOC之间的关系，得到单体SOC，再判断需要进行均衡的单体及需要均衡的时间，行车过程中进行开启均衡；当未停车前，若需要进行均衡的单体到达均衡时间则停止均衡，关闭该均衡开关，没有完成均衡的单体在停车时会将均衡的数据存储在存储模块，包括单体编号，未均衡结束的单体数量及剩余均衡时间等，下次上电不会丢失；若静置时间未超过两个小时，则不进行采集电压，计算均衡参数，直接使用上次静置时计算的参数进行继续均衡，即使用上次断电时存储的单体编号，未均衡结束的单体数量及剩余均衡时间等参数继续均衡；
当停车时，则进行是否充电的判断，若不进行充电，则进行进一步判断停车静置时间是否超过2小时，超过了则进行电池管理***的自动唤醒操作，唤醒后控制器进行低功耗运行，即由采集电路采集电池单体电压，根据单体电压与SOC之间的关系，得到单体SOC，再判断需要进行均衡的单体及需要均衡的时间，进行停车时的低功耗均衡；若静置时间未超过两个小时，则不进行采集电压，计算均衡参数，直接使用上次静置时计算的参数进行继续均衡，即使用上次断电时存储的单体编号，未均衡结束的单体数量及剩余均衡时间等参数继续均衡；
在停车时，若进行充电时，将在开始充电时判断停车静置时间是否超过2小时，超过了则进行采集电路采集电池单体电压，根据单体电压与SOC之间的关系，得到单体SOC，再判断需要进行均衡的单体及需要均衡的时间，进行充电过程中的均衡；在最高单体SOC到达90％时候，停止进行均衡，其原因在于为保护电池组充电安全，防止过充，不再进行均衡，避免在充电末期由于均衡导致电压采集不准确，因此此时采集电池组单体电压，计算一次均衡参数并保存，以作为充电后第一次行车的均衡参数，直至充电结束；
所述主控单元静置后唤醒，并进行低功耗工作，采用主控单元正常工作中的总线频率由200兆赫兹改为唤醒低功耗模式中的20兆赫兹，保证均衡可以开启的同时大大降低了功耗；
如图3所示，在判断是否进行均衡及计算均衡参数时，首先进行电池组单体电压的采集，根据单体电压与SOC对应关系计算出单体SOC及单体剩余电量，即计算放电深度，再计算各单体电量与最低单体电量之间的差值，得到差之最大的n个单体编号及记数量n，若差值大于阈值，根据均衡模块均衡能力计算均衡时间；
如图4所示，考虑均衡模块电路的均衡能力及均衡发热管理，对均衡的单体数量进行基于发热状况的管理，即进行均衡时，记均衡单体的编号、数量、时间等，均衡过程中若温度高于安全阈值，则将均衡数量减少一个，即将关闭均衡中单体压差最小的单体的均衡开关；一段时间后再进行温度判定，保证均衡的发热状况在安全阈值内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于全时均衡的电池管理***，其特征在于：包括主控单元和从控单元，所述主控单元为电池管理***的主控制电路板，用于整体策略控制，所述从控单元为电池管理***的从控制电路板，用于采集数据，并与主控单元通讯；
所述主控单元包括控制模块、电压采集模块、温度采集模块、计时器模块、开关电路模块、存储模块、均衡耗散模块、通讯模块，所述从控单元包括电压采集模块、温度采集模块、均衡耗散模块；
所述控制模块为整个电池管理***的计算、控制中心，通过计算得到需要进行均衡的单体，以及计算出需要均衡的时间，进而控制均衡；
所述电压采集模块用于采集电池组单体电池的电压；
所述温度采集模块用于采集单体电池温度，以保证电池工作在正常的温度范围；
所述计时器模块为电池管理***的时间参数；
所述开关电路模块为MOS管组成的开关矩阵电路组合；
所述均衡耗散模块为在单体两端并联旁路电阻，由MOS管控制通断；
所述存储模块为存储***参数及数据，为均衡策略提供数据存储功能；
所述通讯模块用来与从控制单元通讯及与汽车CAN总线之间的通讯。
2.根据权利要求1所述的一种基于全时均衡的电池管理***，其特征在于：所述从控单元包含若干个。
3.基于权利要求1所述的一种基于全时均衡的电池管理***的控制策略，其特征在于：包括三个模式进行均衡：
当上电启动时主控单元、从控单元采集动力电池组单体电压，判断是否需要均衡，以及需要进行均衡的单体及计算均衡时间，进行行车放电过程中的均衡；
停车时进行休眠静置，一段时间后进行低功耗休眠唤醒，采集单体电压，判断是否需要均衡，以及需要进行均衡的单体及计算均衡时间，进行停车过程中的均衡；
充电过程中，采集单体电压，判断是否需要均衡，对SOC较高的单体计算均衡时间，进行充电过程中的均衡。
4.根据权利要求3所述的一种基于全时均衡的电池管理***的控制策略，其特征在于：上电启动时，首先由采集电路采集电池单体电压，根据单体电压与SOC之间的关系，得到单体SOC，再根据单体平均SOC值的阈值判断需要进行均衡的单体及需要均衡的时间，行车过程中进行开启均衡，当未停车前，若需要进行均衡的单体到达均衡时间则停止均衡，没有完成均衡的单体在停车时会将均衡的数据存储在主控单元的存储模块中，不会掉电丢失。
5.根据权利要求3所述的一种基于全时均衡的电池管理***的控制策略，其特征在于：停车时，则进行是否充电等待的判断，若不进行充电，停车静置时间超过2小时，则进行电池管理***的自动唤醒操作，唤醒后主控单元、从控单元进行低功耗运行，即采集电路采集电池单体电压，计算单体SOC，得到需要进行均衡的单体及需要均衡的时间，进行停车时的低功耗均衡。
6.根据权利要求3所述的一种基于全时均衡的电池管理***的控制策略，其特征在于：停车时，若进行充电时，将在开始充电时若静置超过两小时，则采集电池组单体电压，计算最高最低单体压差是否超过阈值，若超出阈值则需要均衡，对相应单体将进行均衡处理，至最高单体SOC到达90％时，关闭均衡，接下来在充电末期时候进行采集电池组单体电压并再次计算均衡参数，直至充电结束。
7.根据权利要求3-6任一项所述的一种基于全时均衡的电池管理***的控制策略，其特征在于：在判断是否进行均衡及计算均衡参数时，首先进行电池组单体电压的采集，根据单体电压与SOC对应关系计算出单体SOC及单体剩余电量，即计算放电深度，再计算各单体电量与最低单体电量之间的差值，得到差之最大的n个单体编号及记数量n，若差值大于阈值，根据均衡模块均衡能力计算均衡时间。
8.根据权利要求7所述的一种基于全时均衡的电池管理***的控制策略，其特征在于：行均衡时，记均衡单体的编号、数量、时间，均衡过程中若温度高于安全阈值，则将均衡数量减少一个，即将关闭均衡中单体压差最小的单体的均衡开关；一段时间后再进行温度判定，保证均衡的发热状况在安全阈值内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190712 |