專利名稱：單體動力電池精確管理實現(xiàn)方法和系統(tǒng)及智能電池模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過精確管理單體動力電池實現(xiàn)的電池管理方法和電池管理系統(tǒng)、以及智能單體動力電池模塊，并且更具體而言涉及通過對單體動力電池的精確管理、實現(xiàn)電池組在接入例如電動汽車或儲能系統(tǒng)運行期間不需要為其配備充放電均衡操作單元的精確電池管理方法和電池管理系統(tǒng)，以及在前述電池管理方法和系統(tǒng)中使用的智能單體動力電池模塊。本發(fā)明的智能單體動力電池模塊(例如可以包括在智能電池中)、電池管理方法和電池管理系統(tǒng)可應(yīng)用于新能源汽車如電動汽車、儲能系統(tǒng)以及電動汽車的充放電站。本發(fā)明所述實現(xiàn)單體電池精確管理的智能電池模塊，其與單體動力電池結(jié)合(可外置或內(nèi)置實施)，使單體動力電池具備了實現(xiàn)自學(xué)習及更新自身參數(shù)的能力，并確保電池組的精確管理。
背景技術(shù)：
動力電池及由多個單體動力電池構(gòu)成的動力電池組是電動汽車的核心部件，因此動力電池組的使用壽命越來越受到關(guān)注，并且對于智能電池的研究正在興起。目前廣為研究和推廣的動力電池的管理基本上是均衡管理，按均衡功能特點分充電、放電和動態(tài)均衡；從能量耗損方式分為能耗型和回饋型兩種。充電均衡在充電過程中后期，單體電壓達到或超過截止電壓時，均衡電路開始工作，減小單體電流，以期限制單體電壓不高于充電截止電壓。與充電均衡類似，放電均衡在電池組輸出功率時，通過補充電能限制單體電壓不低于預(yù)設(shè)的放電終止電壓。與充電和放電均衡不同，動態(tài)均衡不論在充電態(tài)、放電態(tài)，還是浮置狀態(tài)，都可以通過能量轉(zhuǎn)換的方法實現(xiàn)組中單體電壓的平衡，實時保持相近的荷電水平S0C(State of Charge)。充電均衡的唯一功能是防止過充電，而在放電使用中帶來的負面影響使得使用這種均衡得不償失不加充電均衡時，容量小的電池被一定程度過充，組內(nèi)任何單體過放以前，電池組輸出Ah計電量略高于單體最小容量。使用充電均衡時，小容量電池沒有過充，能放出的電量小于不用均衡器時輕度過充所能釋放的電能，使得該單體電池放電時間更短，過放的可能性就更大了。另外，當電機控制器以組電壓降低到一定程度為依據(jù)減小或停止輸出功率時，由于大容量電池因充電均衡被充入更多電能而表現(xiàn)出較高的平臺電壓，淹沒和淡化了小容量電池的電壓跌落，將出現(xiàn)組電壓足夠高，而小容量單體已經(jīng)過放。放電均衡與充電均衡情形相似，大容量淺充足放，小容量過充足放，加速單體性能差異性變化的結(jié)果是相同的，都不能形成真正實用的產(chǎn)品，動態(tài)均衡則集中了兩種均衡的優(yōu)點，盡管單體之間初始容量有差異，能相對彌補充放電強度和深度的差異性，但也無法實現(xiàn)所有電池達到共同的壽命終點的目標。能耗型指給各單體電池提供并聯(lián)電流支路，將電壓過高的單體電池通過分流轉(zhuǎn)移電能達到均衡目的，實現(xiàn)電流支路的裝置可以是可控電阻，或經(jīng)能量變換器帶動空調(diào)、風機等耗電設(shè)備，其實質(zhì)是通過能量消耗的辦法限制單體電池出現(xiàn)過高或過低的端電壓，適合在靜態(tài)均衡中使用，其高溫升等特點降低了系統(tǒng)可靠性，并且增加了系統(tǒng)的能源消耗。與能耗型不同，回饋型通過能量變換器將單體之間的偏差能量饋送回電池組或組中某些單體。理論上，當忽略轉(zhuǎn)換效率時，回饋不消耗能量，可實現(xiàn)動態(tài)均衡?；仞佇途哂休^高的研究價值和使用價值，有可能達到實用化設(shè)計。上面有可能實現(xiàn)實用化設(shè)計的均衡方式是動態(tài)回饋類型，其實現(xiàn)的途徑目前主要如下一種是英飛凌科技公司汽車系統(tǒng)工程部門在E-Cart ( 一種可駕駛的混合動力汽車)上用多路變壓器實現(xiàn)主動均衡的技術(shù)方法，如圖6所示的多路變壓器主動均衡管理的結(jié)構(gòu)圖，每12個電池單元串聯(lián)后組成模塊(block),初級線圈(primary side)與整個電池組相連，次級線圈(secondary side)與每個電池單元相連。但這種電池管理系統(tǒng)的缺點是制造工藝要求十分高，制造和控制成本都很高。另外一種是用電容器“飛容”實現(xiàn)電池間電荷搬運的技術(shù)方法，圖7是這種結(jié)構(gòu)的示意圖，其缺點是開關(guān)陣列復(fù)雜，電荷搬運效率與系統(tǒng)可靠性設(shè)計是個兩難問題，系統(tǒng)制造和控制成本很高。最后一種是每個電池配備一個能量變換裝置，依據(jù)高頻開關(guān)電源(SMPS)的原理和技術(shù)設(shè)計，充電時小容量電池充入較少能量，分流電路吸收電能，放電時分流電路補充能量，能量變換器應(yīng)該實現(xiàn)雙向變換。原則上各種電源電路經(jīng)改進設(shè)計都可以實現(xiàn)雙向，最簡單的方案是用雙向DC/DC電路設(shè)計方案，圖8是 一種雙向集中式變換器拓撲圖。實現(xiàn)本方案的缺點主要是硬件成本太高，控制技術(shù)比較復(fù)雜。但是，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，上述各種目前看來最有可能達到實用化設(shè)計的技術(shù)最大的問題都是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高昂，電池組壽命即使在配備了動態(tài)回饋均衡系統(tǒng)后，整組電池壽命仍然是由組內(nèi)最低壽命單體電池的壽命決定的，上面均衡方案最大的好處是以電動汽車作為主體，電池與車身合為一體，使用過程中基本不更換電池，對混合動力汽車比較適合。然而，對于采用快速更換模式工作的動力電池的需求成為可能的情況下，現(xiàn)有技術(shù)中的各種均衡方法及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不能有效地應(yīng)用以實現(xiàn)精確管理，也不能有效降低使用成本和簡化實現(xiàn)技術(shù)上的難度。所以無論是主動均衡還是被動均衡系統(tǒng)，其出發(fā)點都是對電池組中單體電池的不一致性進行均衡操作，但這種操作無論是靜態(tài)均衡還是動態(tài)回饋都加速了其中容量壽命最低電池的工作負荷而加速其老化，或多或少地放大了單體電池間原有的不一致性，使得整組電池壽命由該最低容量壽命的單體電池所決定，從而使得整組電池使用壽命遠遠小于普通單體電池的壽命，對純(或插電式)電動汽車或儲能系統(tǒng)的電池組(特別是鋰電池組)，采取上述方法都不是明智的選擇。本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過研究已經(jīng)意識到，對于純(或插電式)電動汽車或儲能系統(tǒng)的電池(特別是鋰電池)組管理系統(tǒng)，由于在傳統(tǒng)方法中均衡操作的量越大越多，越加大組內(nèi)電池單體間的一致性差別，累積的效應(yīng)是使落后電池加快失效，同時也加速拖垮整組電池。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的所述問題，本發(fā)明提出在保證每個單體電池不過充和過放的前提下盡可能地減少甚至取消對電池單體的均衡操作，而是采用深入到電池組內(nèi)每個單體電池的荷電水平(SOC)和容量衰減水平(SOH)的精確管理方法和管理系統(tǒng)，結(jié)合更換電池模式提供的操作平臺，通過智能化和標識化單體電池，對超過一定SOH水平的電池重新配組，這樣就可以減少甚至取消目前普遍使用的對電池組內(nèi)單體電池間的均衡操作工作模式，替代以精確計量單體電池的荷電水平和容量衰減水平實現(xiàn)對單體電池的精確管理，從而無需在電池組內(nèi)配備充放電均衡操作單元。另外，本發(fā)明還要求實現(xiàn)所有單體電池出廠后的唯一可識別性和可追溯性。同時，本發(fā)明通過對單體動力電池配置智能電池模塊實現(xiàn)了智能電池，毫無疑問智能電池即將被廣泛應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域和新能源的儲能系統(tǒng)和其他相關(guān)領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種通過智能化單體動力電池(為單體動力電池配置智能電池模塊)，來監(jiān)測和精確計量每個單體電池的荷電水平(SOC)和容量衰減水平(SOH)，實現(xiàn)了對不配備充放電均衡操作單元的電池組的精確管理方法和管理系統(tǒng)，以及另一個目的是提供應(yīng)用于上述方法和系統(tǒng)中的智能電池模塊。本發(fā)明通過上述管理方法和管理系統(tǒng)解決了現(xiàn)有的電池組運行期間需要使用各種均衡操作手段、反而加大和累積電池組內(nèi)電池單體間的一致性差別、使落后電池加快失效、同時也加速拖垮整組電池的技術(shù)弊端。 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的精確電池管理方法包括以下步驟(a)智能電池模塊或芯片植入或固定于單體新電池，并寫入唯一標識碼或地址碼；(b)初始化單體新電池的智能電池模塊；(c)單體新電池和智能電池模塊連接智能充放電設(shè)備,單體新電池可按設(shè)定或規(guī)范要求充滿電，然后完成單體新電池啟用前的自學(xué)習操作；(d)智能電池模塊向電池運營數(shù)據(jù)中心上傳單體電池自學(xué)習后的參數(shù)和電池出廠時的設(shè)計參數(shù)，完成單體電池在所述電池運營數(shù)據(jù)中心的注冊登記；(e)電池運營數(shù)據(jù)中心根據(jù)其數(shù)據(jù)庫內(nèi)注冊的單體電池的各種參數(shù)，完成數(shù)據(jù)庫內(nèi)單體電池的配組，完成配組后的電池組等待接入啟用；(f)完成配組的電池組接入電動汽車或儲能系統(tǒng)啟用后，系統(tǒng)主機控制單元與每個智能電池模塊建立數(shù)據(jù)交換通道并管理其運行；(g)電池組在運行期間，每個智能電池模塊實時計量并同步上傳自身荷電水平和電壓值，智能電池模塊在電池組運行期間還估算自身容量衰減水平的變化，其中以上的電池數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)主機控制單元管理電池組的依據(jù)，也作為電池組在自充放電模式下與電網(wǎng)雙向結(jié)算費用的依據(jù)；(h)電池組在運行期間每次充電或放電，以電池組內(nèi)實時電壓最高或最低的單體電池作為充電或放電的截止標準；(i)電池組運行期間單體電池電壓最高者和最低者的荷電水平差值超過設(shè)定閾值，系統(tǒng)主機控制單元則發(fā)出維護報警或下電指令；(j)電池組下電或離線后，所述電池組與智能充放電設(shè)備連接，單體電池的智能電池模塊上傳電池標識碼、最新荷電水平和容量衰減水平，作為本組電池更換所需支付電費和電池使用損耗費的依據(jù)；(k)智能充放電設(shè)備對電池組中每個單體電池完成荷電水平至100%的精確補充電，其中每個單體電池在完成荷電水平達到100%的充電過程中自學(xué)習更新自身參數(shù)，并通過智能充放電設(shè)備向電池運營數(shù)據(jù)中心上傳每個單體電池自學(xué)習后的數(shù)據(jù)；
(m)電池運營數(shù)據(jù)中心接收單體電池數(shù)據(jù)后決定電池組重新啟用或單體電池重新配組，所述電池數(shù)據(jù)包括每個單體電池的實際容量和容量衰減水平的偏差值；(η)已完成補充電或重新配組后的電池組等待啟用；其中，如果在步驟(m)中判定需要重新配組單體電池，則電池運營數(shù)據(jù)中心根據(jù)其內(nèi)存儲的單體電池最新數(shù)據(jù)，重新完成單體電池的配組；如果在步驟(m)中判定重新啟用電池組，則因已完成補充電而直接待用。從以上所描述的在電池組接入電動汽車或儲能系統(tǒng)運行期間的操作可以看出，與傳統(tǒng)的技術(shù)所不同的是，電池組在運行期間不需要再配備充放電均衡操作單元或充放電均衡模塊，這樣減少了現(xiàn)有技術(shù)中使用的均衡操作并避免了各種均衡手段的使用對電池組產(chǎn)生不利影響的弊端。在本發(fā)明的一個實施例中，本發(fā)明還提供了實現(xiàn)單體電池智能化的智能電池模 塊，該智能電池模塊與電池結(jié)合實現(xiàn)了具備自學(xué)習和更新自身參數(shù)能力的智能單體動力電池，所述結(jié)合可以是外置或內(nèi)置實施的。在本發(fā)明的另一個實施例中，進一步提供了與本發(fā)明所述單體動力電池精確管理實現(xiàn)方法相適應(yīng)的單體電池智能化、電池運行、電池維護及電池數(shù)據(jù)交換的智能電池管理系統(tǒng)，如圖9、圖10所示。通過閱讀本發(fā)明的說明書以及附圖可以得出本發(fā)明的有益效果，本發(fā)明所述單體動力電池精確管理方法和系統(tǒng)可以實現(xiàn)電池組在接入車載或儲能系統(tǒng)的使用過程中不配備充放電均衡操作單元，解決現(xiàn)有動力電池管理方法和系統(tǒng)中在電池組運行期間使用的各種均衡操作手段帶來的加大和累積電池組內(nèi)電池單體間的一致性差別、并且使落后電池加快失效、加速拖垮整組電池的技術(shù)弊端。本發(fā)明除了實現(xiàn)動力電池組包括荷電水平、單體電池容量衰減水平在內(nèi)的精確電池管理功能外，還可以實現(xiàn)單體電池智能模塊在整個壽命期的自學(xué)習數(shù)據(jù)更新和存儲，并且可以使用每個單體電池內(nèi)智能模塊保存的出廠時的廠家設(shè)計參數(shù)和自身實時自學(xué)習更新后的荷電水平、容量衰減水平、充電/放電比率數(shù)據(jù)、實際容量，作為電池離線后每個單體的維護或者重新配組的信息依據(jù)，從而實現(xiàn)單體電池的重新排列組合，最大限度地保護和利用所有電池的剩余工作壽命。


通過參考以下附圖詳細地描述本發(fā)明的實施例，本發(fā)明的特征和優(yōu)點將被實現(xiàn)和變得更加清楚。應(yīng)該注意到，在本發(fā)明說明書中用相同或相似的附圖標記表示相同的單元、部件或步驟或功能，其中圖I描述實現(xiàn)單體動力電池精確管理方法的示意流程圖；圖2詳細描述單體新電池的初始自學(xué)習及數(shù)據(jù)登記、配組的示意流程圖；圖3詳細描述配組后不配備充放電均衡操作單元的電池組的電池管理示意流程圖；圖4詳細描述電池組下電或離線后維護、補充電和單體電池智能模塊自學(xué)習、重新配組示意流程圖；圖5描述包括在智能電池中的實現(xiàn)單體電池精確管理的智能電池模塊結(jié)構(gòu)示意圖6描述現(xiàn)有技術(shù)中一種采用主動平衡法的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7描述現(xiàn)有技術(shù)中另一種均衡方法的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8描述一種現(xiàn)有技術(shù)中的雙向集中式變換器拓撲圖；圖9描述在更換電池模式下操作的智能電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10描述在自充/放電模式下操作的智能電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式在本發(fā)明的實施例中，本發(fā)明人注意到在容量水平衰減的過程中，大部分情況下會出現(xiàn)內(nèi)阻的上升，由于內(nèi)阻測試的硬件要求高，且不確定性也大，因此本發(fā)明提出可以用電池滿充電后完全放電所放出的容量與再完全充滿電所需充入的容量之比替代，這個容量比在本發(fā)明中稱為電池充電/放電比率，這就要求電池不但要實現(xiàn)可識別ID和輸入如自身 品牌、類型、容量、使用壽命、容量溫度系數(shù)、自放電率這樣的設(shè)計制造參數(shù)和記錄充放電次數(shù)，更需要在整個電池使用壽命期中不斷地學(xué)習和更新電池的容量衰減水平和代表電池內(nèi)阻增加的充電/放電比率，這個過程貫穿整個電池使用壽命的始終，也就是本發(fā)明所述的單體動力電池自學(xué)習過程，具備自學(xué)習功能的電池才可稱為真正的智能電池。這里，還應(yīng)該注意到電池的整個壽命周期過程本質(zhì)上或?qū)嶋H上就是一個各項參數(shù)逐漸劣化的過程，具體表現(xiàn)就是容量水平的衰減，即通過SOH衰減來表征電池的壽命周期。電池容量衰減水平在電池剛開始啟用(在配組之前)時定義為SOH= 1，本領(lǐng)域技術(shù)人員一般設(shè)定電池容量衰減水平下降到其初始容量水平的某一百分比率為電池使用壽命終結(jié)點，例如設(shè)定電池容量水平下降到其初始容量水平的70%時為電池的使用壽命終結(jié)點，則此時的SOH = O. 7。圖I所示為本發(fā)明所述是實現(xiàn)單體動力電池精確管理方法的示意流程圖。參見圖I所示，在步驟S01，智能電池模塊(或芯片)植入或固定于單體新電池，并寫入唯一標識碼(或地址碼)。在步驟S02，初始化單體新電池的智能電池模塊。在完成初始化單體新電池的步驟之后，本發(fā)明方法進行到步驟S03，單體新電池兩極和智能電池模塊連接智能充放電設(shè)備，單體新電池可按設(shè)定或規(guī)范要求充滿電，然后完成單體新電池啟用前的自學(xué)習操作。完成自學(xué)習后，在步驟S04，智能模塊向電池運營數(shù)據(jù)中心上傳單體電池自學(xué)習后的參數(shù)和電池出廠時的設(shè)計參數(shù)，完成單體電池在所述電池運營數(shù)據(jù)中心的注冊登記。在步驟S05，電池運營數(shù)據(jù)中心根據(jù)其數(shù)據(jù)庫內(nèi)注冊的單體電池的各種參數(shù),完成數(shù)據(jù)庫內(nèi)單體電池的配組。在上述步驟完成后配組后的電池組等待接入啟用。接下來，在步驟S06，配組后的電池組接入啟用。在步驟S07，系統(tǒng)主機控制單元與組內(nèi)每個智能電池模塊建立數(shù)據(jù)交換通道并管理其運行。電池組在運行中，在步驟S08，每個單體電池智能模塊實時計量并同步上傳自身荷電水平和電壓值，單體電池智能模塊在電池組運行期間還估算自身容量衰減水平的變化，以上的電池數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)主機控制單元管理電池組的依據(jù)，也作為電池組在自充放電模式下充電/放電樁或自備充放電機管理電池組充放電和與電網(wǎng)雙向結(jié)算費用的依據(jù)。在步驟S09，電池組在運行期間每次充電或放電，以組內(nèi)實時電壓最高或最低的單體電池作為充電或放電的截止標準。進一步，在步驟S10，電池組運行中單體電池電壓最高和最低者荷電水平差值超過設(shè)定閾值，系統(tǒng)主機控制單元發(fā)維護報警或下電指令。之后，在步驟Sll，電池組下電或離線。下面本發(fā)明的方法進行到步驟S12，在該步驟電池組與智能充放電設(shè)備連接，單體電池上傳電池標識碼、最新荷電水平和容量衰減水平，作為本組電池更換所需支付電費和電池使用損耗費的依據(jù)。接下來，在步驟S13，電池組中每個單體電池完成荷電水平至100%的精確補充電。在步驟S14，每個單體電池在完成荷電水平達到100%的充電過程中自學(xué)習更新自身參數(shù)，并通過智能充放電設(shè)備向電池運營數(shù)據(jù)中心上傳每個單體電池自學(xué)習后的數(shù)據(jù)。在步驟S15，電池運營數(shù)據(jù)中心接收單體電池數(shù)據(jù)后決定電池組重新啟用或單體電池重新配組，所述電池數(shù)據(jù)包括每個單體電池的實際容量、容量衰減水平偏差值。如果在步驟S15中判定需要重新配組電池組內(nèi)的單體電池，則本發(fā)明方法進行到步驟S16，電池運營數(shù)據(jù)中心根據(jù)其內(nèi)存儲的單體電池最新數(shù)據(jù)，重新完成單體電池的配組。如果在步驟S15中判定重新啟用電池組，則因步驟S13中已完成補充電而直接進入步驟S17。步驟S17為已完成補充電或重新配組后的電池組等待啟用。圖2進一步詳細所示為本發(fā)明單體新電池在啟用前的初始自學(xué)習及數(shù)據(jù)登記、配組的示意流程圖。首先，在步驟SOOl，在單體新電池上固定(外置)或在電池內(nèi)植入(內(nèi)置)一個寫入唯一地址碼或標識碼的智能電池模塊(或芯片)，實現(xiàn)單體新電池的可識別化。 在步驟S002，初始化單體電池的智能電池模塊。初始化過程包括輸入當前時間、命令電池智能模塊開始正常工作，輸入諸如單體電池制造商或品牌、出廠或制造完成日期、電池類型、標稱容量(設(shè)計容量)、使用壽命、容量溫度系數(shù)、自放電系數(shù)這些電池出廠時的設(shè)計參數(shù)，并將上述參數(shù)由智能電池模塊存儲在非易失性存儲器內(nèi)。在步驟S003，在完成初始化單體新電池的步驟之后，單體新電池兩極和智能電池模塊連接智能充放電器或智能充放電設(shè)備，單體新電池按設(shè)定或規(guī)范要求充滿電，然后完成單體新電池啟用前的自學(xué)習操作。具體操作為首先單體電池按照設(shè)定或標準要求作滿充電操作，該單體電池智能模塊確認自身荷電水平為100 %后向智能充/放電設(shè)備發(fā)出全放電然后再全充電的操作指令，由本發(fā)明的智能電池模塊完成對一個單體電池從全放電再到全充電的自學(xué)習過程，然而該自學(xué)習過程也可以從全充電到全放電反方向進行。隨后，所述智能電池模塊計算全放電和全充電過程單體電池所放出和充入的實際容量并且由此計算得出充電/放電比率數(shù)據(jù)，在其自身的非易失性存儲器內(nèi)存儲所述實際容量和充電/放電比率數(shù)據(jù)，單體新電池啟用前的自學(xué)習完成，即完成單體新電池的初始自學(xué)習。在步驟S004，完成自學(xué)習后的單體新電池智能模塊通過主處理器讀取其自身非易失性存儲器、經(jīng)由自身數(shù)據(jù)總線串口或通過連接中的智能充放電設(shè)備，向電池運營數(shù)據(jù)中心上傳在步驟S002中所述的包括自身標識碼在內(nèi)的電池出廠時的設(shè)計參數(shù)，以及經(jīng)過步驟S003中自學(xué)習過程所確認的單體電池實際容量和充電/放電比率數(shù)據(jù)，完成智能單體新電池向電池營運數(shù)據(jù)中心或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的注冊登記。在步驟S005，電池運營數(shù)據(jù)中心(或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫)存儲每個單體電池上傳的出廠設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)和自學(xué)習參數(shù)數(shù)據(jù)，根據(jù)所述數(shù)據(jù)庫內(nèi)注冊的單體電池的出廠設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)，并按照實際容量、容量衰減水平、充電/放電比率數(shù)據(jù)和自放電系數(shù)來篩選已注冊登記的單體電池，從而配置成上述參數(shù)容差水平能夠達到設(shè)計要求的電池組。這里應(yīng)該注意到，電池容量衰減水平在電池剛開始啟用(在配組之前)時定義為SOH= I。在步驟S006，完成上述配組步驟之后不配備充放電均衡操作單元(或充放電均衡模塊)的電池組等待接入啟用，而在本發(fā)明實施例中，所述電池組等待接入電動汽車或儲能系統(tǒng)啟用。圖3所示為本發(fā)明所述實現(xiàn)單體動力電池精確管理方法中的第二部分，即配組后不配備充放電均衡操作單元的電池組在例如車載或儲能系統(tǒng)中使用的電池管理方法流程圖。首先，電池組接入啟用，在本發(fā)明實施例中所述電池組接入電動汽車或儲能系統(tǒng)啟用。接下來，本發(fā)明的方法進行到步驟S007，在該步驟中電池組內(nèi)每個電池的智能電池模塊與電動汽車或儲能系統(tǒng)的主控制單元(也可以稱為系統(tǒng)主機控制單元)之間，通過總線(如CAN總線、RS485總線等)、或者通過電池間電線使用電力線載波技術(shù)傳輸信號、或者在智能電池模塊內(nèi)使用無線通信技術(shù)，諸如CDMA、FDMA等多址傳輸技術(shù)，實現(xiàn)電池組運行中單體電池的智能電池模塊與電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元之間的數(shù)據(jù)交換和由此建立數(shù)據(jù)交換通道，電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元檢測電池組充放電電流并通過數(shù)據(jù)總線傳送到每個智能電池模塊，由電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元據(jù)此管理整個電池組的運行。
在步驟S008，電池組在運行(放電和充電過程)中，每個單體電池的智能電池模塊接收從電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元發(fā)出的電池組實時充放電電流數(shù)據(jù)，根據(jù)電池組充、放電量和次數(shù)、開路閑置時間，計算單體電池實時荷電水平(SOC)和估算容量衰減水平(SOH)的變化，存儲在自身非易失性存儲器內(nèi)，并同步地向所述電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元上傳包括采集的單體電池實時電壓、荷電水平和容量衰減水平在內(nèi)的實時電池數(shù)據(jù)作為其管理電池組的依據(jù)，其中開路閑置時間由單體電池智能模塊主處理器確定。當智能電池組在電動汽車或儲能系統(tǒng)中的自充放電模式下作充放電操作時，每個單體電池的智能電池模塊接收從充/放電樁或自備充/放電機發(fā)出的電池組實時充放電電流數(shù)據(jù)，并同步地向所述充/放電樁或自備充/放電機上傳包括采集的單體電池實時電壓、荷電水平，作為所述充/放電樁或自備充/放電機對電池組進行充放電管理和操作的依據(jù)，也作為電池組充電須向電網(wǎng)支付的費用或電池組向電網(wǎng)饋電所能從電網(wǎng)獲得報酬的計費依據(jù)。在步驟S009，電池組在運行中每次充電時，電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元以電池組內(nèi)實時電壓最高的單體電池作為充電截止的參考指標。本領(lǐng)域技術(shù)人員都知道，參考指標的具體電壓值要根據(jù)所用種類的電池的最高安全充電電壓限值來定，例如，對磷酸鐵鋰電池以電池組內(nèi)實時單體電池電壓最高不超過3. 6 3. 65V作為整組電池的充電截止點(截止標準)。而電池組在運行中每次放電時，按照電池組內(nèi)實時電壓最低的單體電池作為放電截止的參考指標，同樣，參考指標的具體電壓值要根據(jù)所用種類的電池的最低安全放電電壓限值來定，例如，對磷酸鐵鋰電池以電池組內(nèi)實時單體電池電壓最低不低于2. 3V作為整組電池的放電截止點。盡管在本實施例中，本發(fā)明以磷酸鐵鋰電池作為實例說明了如何設(shè)置截止標準。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該注意到，對于除磷酸鐵鋰電池之外的其他動力電池，可以根據(jù)規(guī)范和要求設(shè)置相關(guān)聯(lián)的充電截止點和放電截止點。在步驟S010，電池組在運行中，電池組內(nèi)電壓最低的單體電池的荷電水平?jīng)Q定了電池組的剩余后備時間或剩余行駛里程(當其被應(yīng)用于電動汽車時)，并且一旦電池組內(nèi)充電或者放電時最高電壓和最低電壓的單體電池間的荷電水平差值超過設(shè)定的閾值，電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元向用戶發(fā)出電池組內(nèi)單體電池需要維護的報警或下電指令。在步驟SOlI，電池組下電或離線。圖4所示為本發(fā)明所述實現(xiàn)單體動力電池精確管理方法中的第三部分，即電池組下電或離線后在充、換電站與智能充放電設(shè)備連接，完成維護、補充電和自學(xué)習數(shù)據(jù)更新、重新配組的流程圖。另外，在更換電池的情況下則向電池運營數(shù)據(jù)中心或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫登記最新數(shù)據(jù)。首先，在步驟S012，電池組或單體電池在充、換電站與智能充放電設(shè)備或數(shù)據(jù)讀取設(shè)備(例如便攜式檢測儀)連接，向電池運營數(shù)據(jù)中心或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫上傳每個單體電池的標識碼(或地址碼)、最新荷電水平和容量衰減水平，并作為計算電費、電池損耗費及維護的信息依據(jù)。接下來，在步驟S013，在電池組或單體電池與上述智能充放電設(shè)備連接時建立數(shù)據(jù)交換通道，并對串聯(lián)的電池組中的單體電池進行初充電。在本實施例中，初充電工作模式是以電池組內(nèi)實時電壓最高的單體電池作為電池組串聯(lián)充電截止的參考指標，具體電壓值要根據(jù)所用種類的電池的最高安全充電電壓限值來定，例如，對磷酸鐵鋰電池以電池組內(nèi)實時單體電池電壓最高不超過3. 6 3. 65V作為整組電池的充電截止點。在初充電模式結(jié)束后，智能充放電設(shè)備切換到對單體電池的精確充電模式，所謂 精確充電工作模式就是由每個單體電池智能模塊向智能充放電設(shè)備上傳自身單體電池實際的電壓和荷電水平S0C，智能充電設(shè)備控制對每個單體電池的精確充電直至每個單體電池的荷電水平SOC達到100%?；蛘咧苯佑芍悄艹浞烹娫O(shè)備對每個單體電池精確充電至每個電池的荷電水平SOC達到100%，這樣，要求智能充放電設(shè)備具備對電池組內(nèi)每個單體電池進行精確控制充放電的功能，每個單體電池都完成精確補充電的過程。在步驟S014，每個單體電池在完成荷電水平SOC達到100%的充電過程中智能電池模塊重新自學(xué)習并更新自身參數(shù)，并在充電完成后通過智能充放電設(shè)備向電池運營數(shù)據(jù)中心或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫上傳每個單體智能電池自學(xué)習后的數(shù)據(jù)。在步驟S015，電池運營數(shù)據(jù)中心或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫按照重新自學(xué)習后電池組內(nèi)的每個單體電池的實際容量、容量衰減水平偏差值，決定是否重新啟用電池組或判定需要對電池組內(nèi)單體電池重新配組。更進一步地，本發(fā)明的上述方法還可以決定是否對個別電池再進行自學(xué)習以校正
相關(guān)重要參數(shù)。如果在步驟S015中判定需要重新配組電池組內(nèi)的單體電池，則本發(fā)明方法進行到步驟S016，電池運營數(shù)據(jù)中心或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫根據(jù)其內(nèi)存儲的單體電池最新數(shù)據(jù)，重新完成單體電池的配組。如果在步驟S015中判定重新啟用電池組，則因電池組已在步驟S013中完成補充電，直接進行到步驟S017。在步驟S017，已完成補充電或重新配組后的電池組等待啟用。以上描述的本發(fā)明電池管理方法在更換電池模式下的操作流程。但是在本發(fā)明的實施例中，所述電池組在單體電池一致性差別沒有達到需要更換電池組的正常營運中，則可以隨時接入充電/放電樁或自備充放電機，完成電池組的補充電或向電網(wǎng)饋電的操作。此時，當電池組在自充/放電模式下操作時，可以省略向電池運營數(shù)據(jù)中心發(fā)送單體電池最新數(shù)據(jù)和重新配組等相關(guān)聯(lián)的步驟。本發(fā)明在對單體電池自學(xué)習和配組前需要在單體新電池的智能電池模塊的非易失性存儲器內(nèi)、寫入唯一標識碼和存儲電池出廠時的設(shè)計參數(shù)，這個過程是為后續(xù)單體電池智能化和自學(xué)習、從而實現(xiàn)單體電池整個壽命期以自身電池管理數(shù)據(jù)和指令進行精確管理的目的。因此，以上描述的在單體電池上固定或在單體電池內(nèi)植入的一個寫入唯一地址碼或標識碼的智能電池模塊，使電池成為具有自學(xué)習功能、可精確管理的真正意義上的智能電池。下面將詳細描述實現(xiàn)單體電池精確管理方法的智能電池模塊(或芯片)。如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明的所述放置于單體電池上或其內(nèi)的智能電池模塊包括主處理器I、非易失性存儲器2、采集模塊3、通信模塊4四個部分，其中主處理器I負責智能電池模塊對單體電池的荷電水平和容量衰減水平作實時精確計量，并通過通信模塊同步上傳自身荷電水平和電壓值，以及在電池組運行期間估算的自身容量衰減水平的變化，以上的電池數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)主機控制單元管理電池組的依據(jù)，該主處理器可以是由單片機、DSP、FPGA或?qū)Ｓ眉呻娐稟SIC等實現(xiàn)；存儲器2是用于存儲單體電池在電池運營數(shù)據(jù)中心中區(qū)別于其他單體電池的唯一可識別ID碼、以及存儲單體電池出廠時廠家的設(shè)計參數(shù)和壽命周期中自學(xué)習后需要更新的數(shù)據(jù)的非易失性存儲器；采集模塊3利用主處理器I片內(nèi)提供的資源，例如所述資源包括電壓采集單元、溫度采集單元，更詳細而言，電壓采集單元采用主處理器I片內(nèi)AD采樣，引線到單體電池正負兩極間采集電池電壓數(shù)據(jù)，而溫度采集使用主處理器I內(nèi)集成的溫度傳感器，從而通過溫度傳感器直接監(jiān)測所在位置點的溫度 數(shù)值；通信模塊4的工作模式可以采用各種數(shù)據(jù)總線，如RS485、RS422、RS232、CAN串行數(shù) 據(jù)傳輸總線，也可以采用RFID (無線射頻識別技術(shù))、CDMA (碼分多址)、FDMA (頻分多址)無線發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸方式，或者PLC(電力線載波)數(shù)據(jù)傳輸方式，這些總線或數(shù)據(jù)傳輸方式都可以形成單體電池智能模塊與電動汽車或儲能系統(tǒng)的主控制單元之間的數(shù)據(jù)傳輸和讀寫通道，電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元檢測電池組充放電電流并通過數(shù)據(jù)總線傳送到每個智能電池模塊。為了簡化起見，圖5中僅僅示例了智能電池模塊的通信模塊4與電動汽車或儲能系統(tǒng)的主控制單元之間的連接。但是本發(fā)明并不局限于此，除作為實例的圖示之夕卜，上述單體電池智能模塊的通信模塊還可以根據(jù)本發(fā)明的電池管理方法與智能充放電設(shè)備連接以執(zhí)行相應(yīng)的操作，例如進行數(shù)據(jù)交換。電池智能模塊通過主處理器讀取其自身非易失性存儲器內(nèi)數(shù)據(jù)、經(jīng)由自身數(shù)據(jù)總線串口或通過連接中的智能充放電設(shè)備，向電池運營數(shù)據(jù)中心上傳包括自身標識碼在內(nèi)的電池出廠時的設(shè)計參數(shù)，以及經(jīng)過自學(xué)習過程所確認的單體電池實際容量和充電/放電比率數(shù)據(jù)，完成智能單體新電池向電池營運數(shù)據(jù)中心或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的注冊登記。在本發(fā)明實施例以上描述的智能充放電設(shè)備中，其所包括的每個智能充放電模塊都可以被設(shè)計成只具有單獨充電功能和同時具有充電/放電雙向功能的電力電子功能模塊，以滿足不同電池充換電站和電池出廠測試及維護的不同需求，因此，不同于更換電池模式中的操作，在電池組中的單體電池一致性差別沒有達到需要更換要求的電池組正常營運期間，為了滿足電動汽車在普通停車場和在住所的充電或向電網(wǎng)饋電的需求，也就是說為了使得可以隨時接入充/放電樁或自備充/放電機完成電池組的補充電操作，此類充/放電樁或自備充/放電機結(jié)構(gòu)的操作模式被稱為自充/放電模式。作為一個實例，參考附圖10描述的自充/放電模式下操作的智能電池管理系統(tǒng)。如圖9和圖10所示，本發(fā)明還描述了與本發(fā)明所述單體動力電池精確管理實現(xiàn)方法相關(guān)的單體電池智能化、電池運行、電池維護及電池數(shù)據(jù)交換的電池管理系統(tǒng)，其中圖9是在更換電池模式下操作的智能電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖10是在自充/放電模式下操作的智能電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
在圖9所示的在更換電池模式下操作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖中，所述電池管理系統(tǒng)由智能電池組、系統(tǒng)主機控制單元、連接開關(guān)、智能充放電設(shè)備、智能電池運營數(shù)據(jù)中心、和系統(tǒng)負載構(gòu)成。系統(tǒng)主機控制單元和系統(tǒng)負載位于電動汽車或儲能系統(tǒng)中。其中智能電池組由多個智能電池經(jīng)由通信總線和充放電功率回路(如圖中所示電流線)連接構(gòu)成；連接開關(guān)(Kl，K2，K3，K4)，用于電池組及其中每個單體電池的通信總線與系統(tǒng)主機控制單元及智能充放電設(shè)備間的連接，以及用于電池組充放電功率回路與系統(tǒng)負載及智能充放電設(shè)備間的連接；智能充放電設(shè)備，用于連接單體新電池和單體新電池的被初始化的智能電池模塊，并按設(shè)定或規(guī)范要求給單體新電池充滿電，然后完成單體新電池啟用前的自學(xué)習操作，其中所述智能電池模塊用于向電池運營數(shù)據(jù)中心上傳單體電池自學(xué)習后的參數(shù)和電池出廠時的設(shè)計參數(shù)；電池運營數(shù)據(jù)中心，用于存儲每個單體電池上傳的設(shè)計參數(shù)和自學(xué)習參數(shù)，并根據(jù)其數(shù)據(jù)庫內(nèi)注冊的單體電池的各種參數(shù)，完成數(shù)據(jù)庫內(nèi)單體電池的配組，完成配組后的電池組等待接入啟用；所述連接開關(guān)的其中一組連接開關(guān)在完成配組的電池組裝入電動汽車或儲能系統(tǒng)后被閉合而另一組連接開關(guān)處于斷開狀態(tài)，每個電池的智能電池模塊與系統(tǒng)主控制單元之間建立數(shù)據(jù)交換通道和實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；所述智能電池模塊，用于電池組在運行期間計算單體電池實時荷電水平和估算容量衰減水平的變化，同步地向所述系統(tǒng)主控制單元上傳包括采集的單體電池實時電壓、荷電水平和容量衰減水平在內(nèi)的實時電池·數(shù)據(jù)作為其管理電池組的依據(jù)；所述系統(tǒng)主控制單元，是電動汽車或儲能系統(tǒng)運行的控制中心，同時根據(jù)每個單體電池上傳的實施數(shù)據(jù)管理電池組，并在電池組內(nèi)充電或者放電時最高電壓和最低電壓的單體電池間的荷電水平差值超過設(shè)定的閾值的情況下，向用戶發(fā)出電池組內(nèi)單體電池需要維護的報警或下電指令；電池組下電或離線后，所述電池組與智能充放電設(shè)備連接，單體電池的智能電池模塊上傳電池標識碼、最新荷電水平和容量衰減水平，此時其中的一組連接開關(guān)被斷開，而另一組開關(guān)分別連接智能充放電設(shè)備通信總線和功率回路，完成電池組和單體電池的補充電、維護及電池數(shù)據(jù)交換；智能充放電設(shè)備，這時用于對每個單體電池完成荷電水平達到100%的補充電過程，在此過程中所述智能電池模塊重新自學(xué)習并更新自身參數(shù)，和在充電完成后通過智能充放電設(shè)備向電池運營數(shù)據(jù)中心或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫上傳每個單體智能電池自學(xué)習后的數(shù)據(jù)，電池運營數(shù)據(jù)中心，則按照重新自學(xué)習后電池組內(nèi)的每個單體電池的實際容量、容量衰減水平偏差值，決定是否重新啟用電池組或判定需要對電池組內(nèi)單體電池重新配組。具體而言，其中，Kl和K3分別是電池組及其中每個單體電池的通信總線與系統(tǒng)主機控制單元(電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元)及智能充放電設(shè)備的連接開關(guān)，而，K2和K4分別是電池組充放電功率回路與電動汽車或儲能系統(tǒng)負載及智能充放電設(shè)備間的連接開關(guān)。進一步地說明，如附圖9所述智能充放電設(shè)備位于充換電站中，在本發(fā)明的方法實施例中所描述的，電池運營數(shù)據(jù)中心或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(圖中未示出)存儲每個單體電池上傳的出廠設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)和自學(xué)習參數(shù)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)注冊的單體電池的出廠設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)，并按照實際容量、容量衰減水平、充電/放電比率數(shù)據(jù)和自放電系數(shù)篩選已注冊登記的單體電池，從而配置成上述參數(shù)容差水平能夠達到設(shè)計要求的電池組。完成配組的電池組裝入電動汽車或儲能系統(tǒng)后，閉合Kl和K2開關(guān)而K3和K4開關(guān)處于自然斷開狀態(tài)，在這種開關(guān)狀態(tài)下，電池組內(nèi)每個電池的智能電池模塊與電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元之間建立數(shù)據(jù)交換通道和實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。一旦電池組需要更換或離線維護，則斷開Kl和K2開關(guān)，Κ3和Κ4開關(guān)分別連接充換電站的智能充放電設(shè)備通信總線和功率回路，完成電池組和單體電池的補充電、維護及電池數(shù)據(jù)交換工作，而充換電站中的智能充放電設(shè)備通過本地通信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)與智能電池營運數(shù)據(jù)中心交換電池組及每個單體電池充電前后或維護前后的相關(guān)數(shù)據(jù)，完成電池運營數(shù)據(jù)中心內(nèi)每個單體電池存儲數(shù)據(jù)的更新和電池用戶更換電池的計費和支付工作。在Kl和Κ2開關(guān)斷開而Κ3和Κ4開關(guān)閉合連接的狀態(tài)下，每個單體電池在完成荷電水平達到100 %的充電過程中智能電池模塊重新自學(xué)習并更新自身參數(shù)，和在充電完成后通過智能充放電設(shè)備向電池運營數(shù)據(jù)中心或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫上傳每個單體智能電池自學(xué)習后的數(shù)據(jù)。例如，對于下電或離線后的電池組，電池運營數(shù)據(jù)中心或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫可以根據(jù)其內(nèi)存儲的單體電池最新數(shù)據(jù)，重新完成單體電池的配組。圖10所示為在自充/放電模式下操作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，與圖9所示的智能電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本上相似，是最適合于目前廣泛試點中的充電和快速充電模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖10中Kl和Κ2是在線運行中的電池組與充/放電樁或自備充/放電機間的通信總線和功率回路間的開關(guān)，而省略了圖9中所示的電池組與電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制 單元及負載間的連接開關(guān)。電池組在單體電池一致性差別沒有達到需要更換電池組的正常營運中，可以隨時接入充/放電樁或自備充/放電機的通信總線和功率回路，完成電池組的補充電或向電網(wǎng)饋電的操作。另外，該智能充放電設(shè)備位于充/放電樁或自備充/放電機中，在該實施例中可以根據(jù)不同的需求，所述智能充放電設(shè)備被設(shè)計成包括具有單獨充電功能的充電模塊(這時也稱為智能充電設(shè)備)和同時具有充電和放電回饋兩種功能的充放電模塊。更進一步，位于充/放電樁和自備充/放電機中的智能充放電設(shè)備(如圖10所示)也可以通過本地通信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)與智能電池營運數(shù)據(jù)中心(圖中未示出)交換電池組及每個單體電池充放電前后的相關(guān)數(shù)據(jù)，完成電池充電或向電網(wǎng)饋電的計費和支付操作。盡管在圖9和圖10中的開關(guān)KU Κ2、Κ3、Κ4畫成分列器件，但是根據(jù)實際操作要求還完全可以設(shè)計成滿足工信部相關(guān)接口和充放電站通用要求的標準連接器。盡管以上說明書詳細描述實現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是將會明白本發(fā)明并不局限于這里所示和描述的特定實施例，而是在不背離附屬權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明范圍或精神的條件下可以作出各種改變和修改。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到這些改變或修改都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)單體動力電池精確管理的方法，其特征在于該方法包括以下步驟 (a)智能電池模塊或芯片植入或固定于單體新電池，并寫入唯一標識碼或地址碼； (b)初始化單體新電池的智能電池模塊； (C)單體新電池和智能電池模塊連接智能充放電設(shè)備，單體新電池可按設(shè)定或規(guī)范要求充滿電，然后完成單體新電池啟用前的自學(xué)習操作； (d)智能電池模塊向電池運營數(shù)據(jù)中心上傳單體電池自學(xué)習后的參數(shù)和電池出廠時的設(shè)計參數(shù)，完成單體電池在所述電池運營數(shù)據(jù)中心的注冊登記； (e)電池運營數(shù)據(jù)中心根據(jù)其數(shù)據(jù)庫內(nèi)注冊的單體電池的各種參數(shù),完成數(shù)據(jù)庫內(nèi)單體電池的配組，完成配組后的電池組等待接入啟用； (f)完成配組的電池組接入電動汽車或儲能系統(tǒng)啟用后，系統(tǒng)主機控制單元與每個智能電池模塊建立數(shù)據(jù)交換通道并管理其運行； (g)電池組在運行期間，每個智能電池模塊實時計量并同步上傳自身荷電水平和電壓值，智能電池模塊在電池組運行期間還估算自身容量衰減水平的變化，其中以上的電池數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)主機控制單元管理電池組的依據(jù)，也作為電池組在自充放電模式下充電/放電樁或自備充放電機管理電池組充放電和與電網(wǎng)雙向結(jié)算費用的依據(jù)； (h)電池組在運行期間每次充電或放電，以電池組內(nèi)實時電壓最高或最低的單體電池作為充電或放電的截止標準； (i)電池組運行期間單體電池電壓最高者和最低者的荷電水平差值超過設(shè)定閾值，系統(tǒng)主機控制單元則發(fā)出維護報警或下電指令； (j)電池組下電或離線后，所述電池組與智能充放電設(shè)備連接，單體電池的智能電池模塊上傳電池標識碼、最新荷電水平和容量衰減水平，作為本組電池更換所需支付電費和電池使用損耗費的依據(jù)； (k)智能充放電設(shè)備對電池組中每個單體電池完成荷電水平至100%的精確補充電，其中每個單體電池在完成荷電水平達到100%的充電過程中自學(xué)習更新自身參數(shù)，并通過智能充放電設(shè)備向電池運營數(shù)據(jù)中心上傳每個單體電池自學(xué)習后的數(shù)據(jù)； (m)電池運營數(shù)據(jù)中心接收單體電池數(shù)據(jù)后決定電池組重新啟用或單體電池重新配組，所述電池數(shù)據(jù)包括每個單體電池的實際容量和容量衰減水平的偏差值； (η)已完成補充電或重新配組后的電池組等待啟用； 其中，如果在步驟(m)中判定需要重新配組單體電池，則電池運營數(shù)據(jù)中心根據(jù)其內(nèi)存儲的單體電池最新數(shù)據(jù)，重新完成單體電池的配組； 如果在步驟(m)中判定重新啟用電池組，則因已完成補充電而直接待用。
2.按照權(quán)利要求I所述的實現(xiàn)單體動力電池精確管理的方法，其特征在于所述電池精確管理方法在更換電池模式下操作，所述初始化步驟(b)包括輸入當前時間、命令電池智能模塊開始正常工作，輸入包括單體電池制造商或品牌、出廠或制造完成日期、電池類型、標稱容量、使用壽命、容量溫度系數(shù)、自放電系數(shù)在內(nèi)的電池出廠時的設(shè)計參數(shù)，并將上述參數(shù)由智能電池模塊存儲在其非易失性存儲器內(nèi)，以及所述自學(xué)習操作(c)，其包括由智能充/放電設(shè)備對單體電池完成一個按照設(shè)定標準認可的滿充電操作，該單體電池智能模塊確認自身荷電水平為100%后向智能充/放電設(shè)備發(fā)出全放電然后再全充電的操作指令，從而由智能電池模塊完成對一個單體電池從全放電再到全充電或從全充電到全放電的自學(xué)習過程，所述智能電池模塊計算全放電和全充電過程單體電池所放出和充入的實際容量并且由此計算并存儲得出的充電/放電比率數(shù)據(jù)。
3.按照權(quán)利要求I或2所述的實現(xiàn)單體動力電池精確管理的方法，其特征在于注冊登記步驟(d)進一步包括完成自學(xué)習后的單體新電池智能模塊通過主處理器讀取、經(jīng)由自身數(shù)據(jù)總線串口或通過連接中的智能充放電設(shè)備，向電池運營數(shù)據(jù)中心上傳電池出廠時的設(shè)計參數(shù)，以及經(jīng)過自學(xué)習步驟所確認的單體電池實際容量和充電/放電比率數(shù)據(jù)，完成智能單體新電池的注冊登記，以及所述配組步驟(e)進一步包括電池運營數(shù)據(jù)中心或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫存儲并根據(jù)注冊的單體電池的出廠設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)，并按照實際容量、容量衰減水平、充電/放電比率數(shù)據(jù)和自放電系數(shù)來篩選已注冊登記的單體電池，從而配置成上述參數(shù)容差水平能夠達到要求的電池組，這里，對于剛出廠的新電池，其容量衰減水平SOH = I。
4.按照權(quán)利要求3所述的實現(xiàn)單體動力電池精確管理的方法，其特征在于步驟(f)還包括步驟電池組內(nèi)每個電池的智能電池模塊與電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元之間，通 過包括CAN總線、RS485總線在內(nèi)的總線、或者通過電池間電線使用電力線載波技術(shù)傳輸信號、或者在智能電池模塊內(nèi)使用無線多址傳輸技術(shù)建立數(shù)據(jù)交換通道，電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元檢測電池組充放電電流、并通過數(shù)據(jù)總線傳送到每個智能電池模塊。
5.按照權(quán)利要求4所述的實現(xiàn)單體動力電池精確管理的方法，其特征在于步驟(g)還包括步驟電池組在放電和充電過程中，每個單體電池的智能電池模塊接收從電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元發(fā)出的電池組實時充放電電流數(shù)據(jù)，根據(jù)電池組充、放電量和次數(shù)、開路閑置時間，計算并存儲單體電池實時荷電水平和估算容量衰減水平的變化，以及同步地向所述電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元上傳包括采集的單體電池實時電壓、荷電水平和容量衰減水平在內(nèi)的實時電池數(shù)據(jù)作為其管理電池組的依據(jù)。
6.按照權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)單體動力電池精確管理的方法，其特征在于步驟(g)還進一步包括當智能電池組在電動汽車或儲能系統(tǒng)中的自充放電模式下作充放電操作時，每個單體電池的智能電池模塊接收從充/放電樁或自備充/放電機發(fā)出的電池組實時充放電電流數(shù)據(jù)，并同步地向所述充/放電樁或自備充/放電機上傳包括采集的單體電池實時電壓、荷電水平，作為所述充/放電樁或自備充/放電機對電池組進行充放電管理和操作的依據(jù)，或作為電池組充電須向電網(wǎng)支付的費用或電池組向電網(wǎng)饋電所能從電網(wǎng)獲得報酬的計費依據(jù)。
7.按照權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)單體動力電池精確管理的方法，其特征在于步驟(k)還進一步包括由所述智能充放電設(shè)備對串聯(lián)的電池組中的單體電池進行初充電，該初充電工作模式是以電池組內(nèi)實時電壓最高的單體電池作為電池組串聯(lián)充電截止的參考指標；在初充電模式結(jié)束后，智能充放電設(shè)備切換到對單體電池的精確充電模式，在該模式中由每個單體電池智能模塊向智能充放電設(shè)備上傳自身單體電池實際的電壓和荷電水平S0C，智能充放電設(shè)備控制對每個單體電池的精確充電或直接由智能充放電設(shè)備對每個單體電池精確充電，直至每個單體電池的荷電水平SOC達到100%，所述智能充放電設(shè)備具備對電池組內(nèi)每個單體電池進行精確控制充放電的功能。
8.一種用于實現(xiàn)按照權(quán)利要求1-7其中之一所述的單體動力電池精確管理方法的電池精確管理系統(tǒng)，其特征在于所述電池精確管理系統(tǒng)由智能電池組、電動汽車或儲能系統(tǒng)的系統(tǒng)主機控制單元和負載、連接開關(guān)、智能充放電設(shè)備、電池運營數(shù)據(jù)中心構(gòu)成，其中所述智能電池組由多個單體動力電池經(jīng)由通信總線和充放電功率回路連接構(gòu)成； 連接開關(guān)(κ ，K2，K3，K4)，用于電池組及其中每個單體電池的通信總線與系統(tǒng)主機控制單元及智能充放電設(shè)備間的連接，以及用于電池組充放電功率回路與系統(tǒng)負載及智能充放電設(shè)備間的連接； 智能充放電設(shè)備，用于連接單體新電池和單體新電池的被初始化的智能電池模塊，并按設(shè)定或規(guī)范要求給單體新電池充滿電，然后完成單體新電池啟用前的自學(xué)習操作，其中 所述智能電池模塊用于向電池運營數(shù)據(jù)中心上傳單體電池自學(xué)習后的參數(shù)和電池出廠時的設(shè)計參數(shù)； 電池運營數(shù)據(jù)中心，用于存儲每個單體電池上傳的設(shè)計參數(shù)和自學(xué)習參數(shù)，并根據(jù)其數(shù)據(jù)庫內(nèi)注冊的單體電池的各種參數(shù)，完成數(shù)據(jù)庫內(nèi)單體電池的配組，完成配組后的電池組等待接入啟用； 所述連接開關(guān)的其中一組連接開關(guān)在完成配組的電池組裝入電動汽車或儲能系統(tǒng)后被閉合而另一組連接開關(guān)處于斷開狀態(tài)，每個電池的智能電池模塊與系統(tǒng)主控制單元之間建立數(shù)據(jù)交換通道和實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換； 所述智能電池模塊，用于在電池組在運行期間計算單體電池實時荷電水平和估算容量衰減水平的變化，同步地向所述系統(tǒng)主控制單元上傳包括采集的單體電池實時電壓、荷電水平和容量衰減水平在內(nèi)的實時電池數(shù)據(jù)作為其管理電池組的依據(jù)； 所述系統(tǒng)主控制單元，用于管理整組電池的運行，并且在電池組內(nèi)充電或者放電時最高電壓和最低電壓的單體電池間的荷電水平差值超過設(shè)定的閾值的情況下，向用戶發(fā)出電池組內(nèi)單體電池需要維護的報警或下電指令； 電池組下電或離線后，所述電池組與智能充放電設(shè)備連接，單體電池的智能電池模塊上傳電池標識碼、最新荷電水平和容量衰減水平，此時其中的一組連接開關(guān)被斷開，而另一組開關(guān)分別連接智能充放電設(shè)備通信總線和功率回路，完成電池組和單體電池的補充電、維護及電池數(shù)據(jù)交換； 智能充放電設(shè)備，這時用于對每個單體電池完成荷電水平達到100 %的補充電過程，在此過程中所述智能電池模塊重新自學(xué)習并更新自身參數(shù)，和在充電完成后通過智能充放電設(shè)備向電池運營數(shù)據(jù)中心或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫上傳每個單體智能電池自學(xué)習后的數(shù)據(jù)，電池運營數(shù)據(jù)中心，則按照重新自學(xué)習后電池組內(nèi)的每個單體電池的實際容量、容量衰減水平偏差值，決定是否重新啟用電池組或判定需要對電池組內(nèi)單體電池重新配組。
9.按照權(quán)利要求8所述的電池精確管理系統(tǒng)，其特征在于 所述電池精確管理系統(tǒng)在更換電池模式下操作，所述智能充放電設(shè)備所包括的每個智能充放電模塊都被構(gòu)造成具有充電/放電雙向功能的電力電子功能模塊，以使電網(wǎng)向電池或電池組充電、電池或電池組向電網(wǎng)進行雙向饋電操作和實施計費。
10.按照權(quán)利要求8所述的電池精確管理系統(tǒng)，其特征在于 所述電池精確管理系統(tǒng)在自充/放電模式下操作，該系統(tǒng)還包括充/放電樁或自備充/放電機，用于在電池組在單體電池一致性差別沒有達到需要更換電池組的正常營運中，所述電池組隨時接入充/放電樁或自備充/放電機的通信總線和功率回路，并由位于其中的智能充放電設(shè)備完成對電池組的補充電或向電網(wǎng)饋電的操作，在這種模式下所述電池組與系統(tǒng)主控制單元及負載間的連接開關(guān)被省略，所述智能充放電設(shè)備所包括的每個智能充放電模塊被構(gòu)造成具有充電/放電雙向功能的電力電子模塊，以使電網(wǎng)向電池或電池組充電、電池或電池組向電網(wǎng)進行雙向饋電操作和實施計費；或者其被構(gòu)造成只具有充電功能的電力電子模塊。
11. 一種用于實現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求1-7所述的電池精確管理方法和根據(jù)權(quán)利要求8-10所述的電池精確管理系統(tǒng)的智能電池模塊，其特征在于 所述智能電池模塊包括主處理器、非易失性存儲器、采集模塊、通信模塊四個部分，其中 主處理器，用于對單體電池的荷電水平和容量衰減水平作實時精確計量，并通過通信模塊同步上傳自身荷電水平和電壓值，以及在電池組運行期間估算自身容量衰減水平的變化，以上的電池數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)主機控制單元管理電池組的依據(jù)，該主處理器由單片機、DSP、FPGA或?qū)Ｓ眉呻娐稟SIC其中之一構(gòu)成； 存儲器，用于存儲單體電池在電池運營數(shù)據(jù)中心中區(qū)別于其他單體電池的唯一可識別ID碼、以及存儲單體電池出廠時廠家的設(shè)計參數(shù)和壽命周期中自學(xué)習后需要更新的數(shù)據(jù)的非易失性存儲器； 采集模塊，用于利用主處理器片內(nèi)提供的資源，所述資源包括電壓采集單元、溫度采集單元，其中電壓采集單元采用主處理器片內(nèi)AD采樣，引線到單體電池正負兩極間采集電池電壓數(shù)據(jù)，而溫度采集使用主處理器內(nèi)集成的溫度傳感器，從而通過溫度傳感器直接監(jiān)測所在位置點的溫度數(shù)值； 通信模塊，用于形成單體電池與電動汽車或儲能系統(tǒng)的主機控制單元和智能充放電設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和讀寫通道，其中，該通信模塊的工作模式采用包括RS485、RS422、RS232、CAN在內(nèi)的串行數(shù)據(jù)傳輸總線，RFID無線射頻識別技術(shù)，CDMA、FDMA無線數(shù)據(jù)傳輸方式，或者PLC電力線載波數(shù)據(jù)傳輸方式，電動汽車或儲能系統(tǒng)主控制單元檢測電池組充放電電流并通過數(shù)據(jù)總線傳送到每個智能電池模塊， 其中，所述主處理器讀取其自身非易失性存儲器、經(jīng)由自身數(shù)據(jù)總線串口或通過連接中的智能充放電設(shè)備，向電池運營數(shù)據(jù)中心上傳包括自身標識碼在內(nèi)的電池出廠時的設(shè)計參數(shù)，以及經(jīng)過自學(xué)習過程所確認的單體電池實際容量和充電/放電比率數(shù)據(jù)，完成智能單體新電池向電池營運數(shù)據(jù)中心或電池運營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的注冊登記。
全文摘要
一種通過智能化單體動力電池(為單體動力電池配置智能電池模塊或者芯片)，來監(jiān)測和精確計量每個單體電池的荷電水平(SOC)和容量衰減水平(SOH)，實現(xiàn)對不配備充放電均衡操作單元的電池組的精確管理方法和管理系統(tǒng)，解決目前現(xiàn)有技術(shù)中電池組運行期間需要使用各種均衡操作手段、反而加大和累積電池組內(nèi)電池單體間的一致性差別、使落后電池加快失效、同時也加速拖垮整組電池的技術(shù)弊端。
文檔編號H02J7/00GK102810878SQ20111014132
公開日2012年12月5日 申請日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者孟貞生 申請人:蘇州潤源電氣技術(shù)有限公司