本發(fā)明屬于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池領(lǐng)域，具體為構(gòu)成新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)的各電池組間容量主動(dòng)均衡的方法。

背景技術(shù)：

動(dòng)力電池隨著電動(dòng)汽車(chē)的日益普及應(yīng)用越發(fā)廣泛，由于單體電池?zé)o論從電壓還是能量均無(wú)法滿足電動(dòng)汽車(chē)的使用要求，這就需要采用多節(jié)單體電池經(jīng)過(guò)串、并聯(lián)組成高電壓、大容量的電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池系統(tǒng)，而單體電池容量、內(nèi)阻等內(nèi)在參數(shù)的不一致將導(dǎo)致動(dòng)力電池系統(tǒng)不能有效利用其全部可用容量，且隨著電池的使用，這種不一致會(huì)越發(fā)明顯，使得動(dòng)力電池系統(tǒng)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單體電池壽命。

為了解決以上問(wèn)題，應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池系統(tǒng)大多數(shù)采用了均衡技術(shù)，主流的均衡技術(shù)分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩種，被動(dòng)均衡由于能量損失、效率低等問(wèn)題勢(shì)必被主動(dòng)均衡取代，目前主動(dòng)均衡技術(shù)主要通過(guò)電容、電感、變壓器、冗余電池等作為能量轉(zhuǎn)存器件，實(shí)現(xiàn)能量從可用容量高的電池向可用容量低的電池轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)各單體電池的均衡。

然而，由于電動(dòng)汽車(chē)尤其是客車(chē)、貨車(chē)等所需電池能量較大，從體積、重量及電池管理等方面考慮其動(dòng)力電池系統(tǒng)一般由多個(gè)物理上相對(duì)獨(dú)立的電池組進(jìn)行串并聯(lián)后構(gòu)成，每個(gè)電池組再由若干單體電池串并聯(lián)組成，電池組內(nèi)部集成電池管理單元，實(shí)現(xiàn)組內(nèi)電池的管理和均衡。

目前多數(shù)電池均衡方法均針對(duì)電池組內(nèi)的電池進(jìn)行均衡，由于電池組物理上相對(duì)獨(dú)立、電池組間電壓差較大、電池組間串并聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，組間均衡實(shí)現(xiàn)難度較大，尚無(wú)較成熟的組間均衡方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出的目的在于提供一種動(dòng)力電池系統(tǒng)組間均衡的方法，旨在解決以上電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)中各電池組間可用容量均衡的問(wèn)題，所述電池系統(tǒng)包含i×j個(gè)電池組，每個(gè)電池組內(nèi)部包含P個(gè)單體電池及1個(gè)用于電池組內(nèi)均衡及各電池組進(jìn)行組間均衡的冗余電池；所述電池組內(nèi)部集成本地電池管理單元，通過(guò)CAN總線與中央管理單元通信，由本地電池管理單元直接控制其所在電池組內(nèi)的冗余電池與組間均衡電路或組內(nèi)其他電池的通斷。

所述電池組，其特征在于，電池組采用i串j并的方式連接在一起，每個(gè)電池組均具有外部均衡電路接口，串、并聯(lián)在一起的電池組外部均衡電路接口全部可通過(guò)外部均衡電路連接在一起。

所述冗余電池，其特征在于，位于電池組內(nèi)部的冗余電池可通過(guò)繼電器分別與電池組外部均衡線路連接或與電池組內(nèi)部其他電池連接。

所述冗余電池，其特征在于，位于電池組內(nèi)部的冗余電池作為動(dòng)力電池系統(tǒng)能量均衡的儲(chǔ)能元件，在外部均衡電路及內(nèi)部均衡電路間進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)全部單體電池之間的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程。

一種動(dòng)力電池系統(tǒng)組間均衡方法，其特征在于，所述均衡方法包括以下步驟。

步驟一：中央管理單元根據(jù)存儲(chǔ)于其內(nèi)部的各電池組總?cè)萘考爱?dāng)前電量、本地電池管理單元傳送的各單體電池容量及當(dāng)前電量、當(dāng)前動(dòng)力電池系統(tǒng)工況，通過(guò)CAN總線向各本地電池管理單元發(fā)送組間均衡準(zhǔn)備指令。

步驟二：各本地電池管理單元根據(jù)中央管理單元發(fā)送的指令，通過(guò)控制其組內(nèi)冗余電池與組內(nèi)其余單體電池的連接方式使冗余電池電量達(dá)到中央管理單元發(fā)送的指令的要求，并不斷向中央管理單元發(fā)送冗余電池電量狀態(tài)。

步驟三：中央管理單元根據(jù)各本地電池管理單元發(fā)送的電量狀態(tài)信息進(jìn)行判斷，并以計(jì)算的均衡線路電流為依據(jù)，當(dāng)均衡線路均衡電流I大于均衡電流下限I_min且小于均衡電流上限I_max，即滿足I_min〈I〈I_max 時(shí)，向各本地電池管理單元發(fā)送均衡指令。

步驟四：各本地電池管理單元接收到均衡指令后，根據(jù)指令要求將冗余電池與外部均衡線路接通，各冗余電池間開(kāi)始進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。

步驟五：各本地電池管理單元實(shí)時(shí)采集均衡線路電流，計(jì)算冗余電池電量狀態(tài)，并發(fā)送給中央管理單元。

步驟六：當(dāng)均衡電流不滿足I_min〈I〈I_max 條件或中央管理單元根據(jù)動(dòng)力電池工況、冗余電池狀態(tài)及其他單體電池狀態(tài)判定需結(jié)束組間均衡時(shí)，向本地電池管理單元發(fā)送停止組間均衡指令。

步驟七：本地電池管理單元接收到停止組間均衡指令后，立即切斷用于電池與外部均衡線路的連接，進(jìn)入到組內(nèi)均衡模式。

步驟八：不斷重復(fù)步驟一到步驟七，實(shí)現(xiàn)能量在各電池組間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，直至動(dòng)力電池系統(tǒng)停止運(yùn)行。

所述的均衡電流為中央管理單元根據(jù)各冗余電池內(nèi)阻及開(kāi)路電壓計(jì)算得出，下限I_min不小于0.05C，上限I_max不大于冗余電池允許的最大充放電電流。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括以下三點(diǎn)。

1.本發(fā)明在原有冗余電池組內(nèi)均衡的基礎(chǔ)上每組電池只增加了一個(gè)的開(kāi)關(guān)元件，系統(tǒng)成本低。

2.本發(fā)明無(wú)需考慮電池組間電路串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，動(dòng)力電池系統(tǒng)布線工藝簡(jiǎn)單。

3.本發(fā)明充分利用電池本身電壓、內(nèi)阻等特性，可節(jié)省大量的隔離、過(guò)流等保護(hù)措施。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的動(dòng)力電池系統(tǒng)主動(dòng)均衡系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的電池組內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的主動(dòng)均衡控制流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

附圖2所示為單個(gè)電池組內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，每個(gè)電池組均由n個(gè)串聯(lián)的單體電池（B1-Bn）、本地管理單元（LMU）、冗余均衡電池（BB）、組內(nèi)均衡開(kāi)關(guān)元件（K1-Kn）及組間均衡開(kāi)關(guān)元件（KB）所構(gòu)成，單個(gè)單體電池電壓為V_cell，容量為C_cell，1C充放電電流為I_cell。

每個(gè)電池組內(nèi)部均衡的方法及控制策略不屬于本發(fā)明的部分，不進(jìn)行詳細(xì)論述，但組內(nèi)均衡與組間均衡共用冗余電池BB作為能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移的元件，因此，對(duì)與冗余電池與組內(nèi)電池能量轉(zhuǎn)移過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單描述如下。

在單個(gè)電池組充放電過(guò)程中，冗余電池在LMU的控制下通過(guò)K1-Kn的切換，分別與B1-Bn并接，一般情況下充電時(shí)并接在B1-Bn中SOC值最小的電池上，放電時(shí)并接在SOC值最大的電池上，單體電池不均衡較嚴(yán)重情況下根據(jù)均衡策略冗余電池在SOC大的電池和SOC小的電池之間切換，從而實(shí)現(xiàn)各單體電池的均衡，在這一過(guò)程中，冗余電池BB的可用容量基本與組內(nèi)單體平均容量相當(dāng)，且可根據(jù)需要通過(guò)與其他單體電池B1-Bn的不同并接方式在一定范圍內(nèi)調(diào)整其可用容量，為組間均衡時(shí)進(jìn)行有效能量轉(zhuǎn)移做準(zhǔn)備。

附圖1所示為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)串并聯(lián)架構(gòu)，構(gòu)成該電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)共包含i×j個(gè)物理上獨(dú)立且基本封閉的電池組，這些電池組采用j串i并的連接方式，整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)總輸出電壓為：HV = j×n×V_cell，總?cè)萘緾_v = i×j×n×C_cell。

每個(gè)電池組均具有動(dòng)力電輸出接口BP+、BP-，CAN總線接口CAN+、CAN-，供電電源輸入接口12/24V、GND，組間均衡接口BL+、BL-。

其中，動(dòng)力電輸出接口按照整車(chē)電池系統(tǒng)的要求進(jìn)行串并聯(lián)，供電電源接口接在整車(chē)低壓供電回路中，CAN總線接口將全部LMU和MMU連接在一起，各電池組組間均衡接口BL+、BL-按照極性全部并接在一個(gè)回路中，簡(jiǎn)化了均衡布線的工藝，且由于不需要電氣上進(jìn)行隔離，其成本、可靠性、工藝性指標(biāo)具有一定的比較優(yōu)勢(shì)。

參照附圖3，均衡過(guò)程具體描述如下。

步驟一，MMU中的非易失存儲(chǔ)單元，本實(shí)例采用大容量的SD卡作為非易失存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)整個(gè)電池系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù)，其中包括：總剩余容量、總?cè)萘俊⒏麟姵亟M剩余容量、各電池組總?cè)萘?、各冗余電池剩余容量、各冗余電池總?cè)萘康臄?shù)據(jù)信息。

系統(tǒng)上電后，MMU根據(jù)上述信息及充放電狀態(tài)判斷是否啟動(dòng)組間均衡準(zhǔn)備或直接進(jìn)行組間均衡。

當(dāng)電池組平均剩余容量小于50%，最大電池組容量與最小電池組容量之差超過(guò)10%或各電池組容量均方差大于5%，電池未充電，系統(tǒng)進(jìn)入組間均衡準(zhǔn)備狀態(tài)。

當(dāng)電池進(jìn)入充電狀態(tài)，最大電池組容量與最小電池組容量之差超過(guò)10%或各電池組容量均方差大于5%，系統(tǒng)進(jìn)入組間均衡準(zhǔn)備狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入組間均衡準(zhǔn)備狀態(tài)，MMU根據(jù)各冗余電池剩余電量進(jìn)行判斷，如各冗余電池BB與其組內(nèi)其他電池B1-Bn平均容量差小于2%，直接進(jìn)入組間均衡狀態(tài)并通過(guò)CAN總線發(fā)送組間均衡指令，否則MMU發(fā)送組間均衡準(zhǔn)備命令。

MMU通過(guò)CAN總線向各LMU發(fā)送的組間均衡準(zhǔn)備命令包括組間均衡準(zhǔn)備時(shí)間及冗余電池目標(biāo)剩余容量信息。

步驟二，各LMU接收到來(lái)自MMU的組間均衡準(zhǔn)備指令后，根據(jù)當(dāng)前組內(nèi)各單體電池B1-Bn的剩余容量、冗余電池剩余容量、電池組工作電流及MMU發(fā)送的組間均衡準(zhǔn)備時(shí)間和冗余電池目標(biāo)剩余容量指令開(kāi)始通過(guò)組內(nèi)均衡工作，對(duì)冗余電池的剩余容量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，并不斷通過(guò)CAN總線向MMU上報(bào)冗余電池剩余容量數(shù)據(jù)。

步驟三，MMU通過(guò)CAN總線發(fā)來(lái)的各電池組冗余電池剩余容量信息結(jié)合存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器中各冗余電池開(kāi)路電壓（OCV）、直流內(nèi)阻、交流內(nèi)阻、極化電容等參數(shù)，按照不同的冗余電池并聯(lián)模型，計(jì)算均衡電流。

對(duì)于i×j個(gè)電池組中的冗余電池進(jìn)行并聯(lián)均衡，可連接在均衡線路上的冗余電池?cái)?shù)量為2，3，4…i×j個(gè)，因此可選擇的連接共計(jì)2^（i×j）－i×j－1種方式，MMU在這些均衡方式中選取最優(yōu)均衡方式，確定需要接在均衡線路上的冗余電池的數(shù)量及對(duì)應(yīng)的編號(hào)，并通過(guò)CAN總線向相應(yīng)的LMU發(fā)出組間均衡指令。

步驟四，LMU在接收到由MMU發(fā)來(lái)的組間均衡指令后，確定本電池組是否參與組間均衡，對(duì)于需要參與組間均衡的電池組，LMU切斷其控制的冗余電池與組內(nèi)其他電池之間的均衡電路，并接通各自電池組內(nèi)組間均衡繼電器KB（i，j），相應(yīng)的冗余電池通過(guò)組間均衡線路并聯(lián)在一起，開(kāi)始組間均衡。

步驟五，無(wú)論是否參與組間均衡的LMU都實(shí)時(shí)通過(guò)CAN總線向MMU上傳本電池組內(nèi)的信息，包括各單體電池（B1-Bn）狀態(tài)及冗余電池剩余容量。

步驟六，MMU實(shí)時(shí)計(jì)算均衡條件的滿足性，并不斷將不需進(jìn)行組間均衡的冗余電池通知相應(yīng)LMU，LMU在組間均衡線路上切除相應(yīng)冗余電池，并開(kāi)始進(jìn)行組內(nèi)均衡。

與此同時(shí)，MMU將具備組間均衡條件的冗余電池信息發(fā)送給相應(yīng)LMU，LMU切斷相應(yīng)冗余電池組內(nèi)均衡電路，接通組間均衡電路，參與到組間均衡。

步驟七，當(dāng)組間均衡電流小于0.05C時(shí)，認(rèn)定為組間均衡結(jié)束，全部電池組退出組間均衡狀態(tài)。

步驟八，重復(fù)步驟一到步驟七，直至整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)退出使用。

在本發(fā)明實(shí)例中，可以發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力電池系統(tǒng)在進(jìn)行均衡的過(guò)程是動(dòng)態(tài)的過(guò)程，不斷有冗余電池退出組間均衡狀態(tài)后進(jìn)入組內(nèi)均衡狀態(tài)，同時(shí)又不斷有其他冗余電池退出組內(nèi)均衡狀態(tài)進(jìn)入組間均衡狀態(tài)，因此具有較高的均衡效率。

在本發(fā)明中采用的冗余電池在容量、內(nèi)阻等參數(shù)不要求與各單體電池完全一致，但其生產(chǎn)工藝、原材料應(yīng)盡量與其他各單體電池保持一致或相近，以確保在開(kāi)路電壓（OCV）及極化電容方面的一致性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。