專利名稱：基于絕對可充放容量的全階段動力鋰電池均衡方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車動力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于絕對可充放容量的全階段動力鋰電池均衡方法及裝置。
背景技術(shù)：
在純電動汽車、插電式混合動力汽車、儲能電站等大功率動力電池組應(yīng)用場合，動力電池組都是其主要的能量來源。而動力電池組往往由多個單體電芯串并聯(lián)構(gòu)成。由于動力電池在生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)環(huán)境等因素的影響，使得單體電芯在生產(chǎn)過程中或多或少存在差異。將這些電芯串并聯(lián)構(gòu)成電動汽車用動力電池組，在長期使用過程中，伴隨使用環(huán)境的差異性，必然會造成電芯之間容量、內(nèi)阻、自放電率的不一致。而由于鋰離子電池的特性，串聯(lián)鋰離子電池的容量由容量最低的電芯容量決定，從而導(dǎo)致長期使用整組電池壽命衰減，甚至造成安全隱患。 為了減少電芯之間的不一致性，會采用電芯間均衡的方法。已知的均衡方法包括被動均衡方法、主動均衡方法、并聯(lián)充電方法。被動均衡方法采用電阻耗能方法，由于其浪費能量、均衡電流小、散熱困難，而很少使用在電動汽車環(huán)境中；主動均衡方法通過電容、電感等儲能元件，將高容量電芯的電量搬移到低容量電芯中，由于其實現(xiàn)方法困難，且目前的主動均衡方法大多是僅在成組電池包內(nèi)電芯進行均衡，很少實現(xiàn)電池包之間的均衡，因此也不適合于由多組電池包串聯(lián)構(gòu)成的電動汽車等應(yīng)用環(huán)境；并聯(lián)充電方法，通過外部充電器將所有電芯直接充滿，一定程度上延長了電池壽命，然而由于其只考慮了充電時的情況，而沒有考慮放電時的情況，因此當(dāng)某節(jié)電芯容量降低時，無法從根本上延長電池的使用壽命O從已經(jīng)發(fā)布的相關(guān)專利中，大多數(shù)只是描述了充電均衡，而沒有考慮放電均衡。成組電池在使用一段時間后，由于多種原因，會造成電芯間滿充容量值(Full of Charge,FCC)的不一致，如果沒有放電均衡，即使所有電芯都充滿，其整組電池放出的電量也是由滿充容量值最小的那節(jié)電芯決定，從而降低了整個電池組的使用效率，同時，由于滿充容量值小的電芯總是被最先放光，從而加速了該節(jié)電芯的損壞，從而縮短了整組電池的使用壽命。另外，從已經(jīng)發(fā)布的相關(guān)專利中，對于均衡開啟和關(guān)閉的條件描述的很少，好的均衡開啟、關(guān)閉條件可以大大增加有效均衡時間，提高均衡效率，減小均衡電流，易于均衡電路的實現(xiàn)，提高安全性?，F(xiàn)有的均衡開啟和關(guān)閉條件或者是以電芯電壓為條件，或者是以剩余電量SOC為條件，判定條件相對簡單、實現(xiàn)容易，但卻大大降低了均衡的效率，導(dǎo)致有效均衡時間短，均衡效率低下等問題。以電芯電壓為均衡開啟關(guān)閉的判定條件，判定條件多是當(dāng)電芯間壓差超到某一閾值時，開啟均衡，當(dāng)電芯間壓差小于某一閾值時，關(guān)閉均衡，然而對于鋰離子電池而言，由于其自身的特點，電壓平臺期較長，電壓只有在快充滿或者快放光時電壓才會出現(xiàn)明顯變化，在電壓平臺期，即使電芯間容量相差很大，電芯間壓差也不會很大，這就導(dǎo)致在持續(xù)時間最長的電壓平臺期，電芯間壓差無法拉開，無法開啟均衡，造成有效均衡時間短，均衡效率低下等問題，有時候為了提高均衡效率而加大均衡電流，也會帶來實現(xiàn)困難、安全性降低等問題。以電芯剩余電量(SOC)為均衡開啟關(guān)閉的判定條件，判定條件多是當(dāng)電芯間剩余電量超過某一閾值時，開啟均衡，當(dāng)電芯間剩余電量值小于某一閾值時，關(guān)閉均衡。首先，美國先進電池聯(lián)合會(USABC)在 其《電動汽車電池實驗手冊》中定義SOC為電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。因此，在充電時，電池剩余電量無法直觀反應(yīng)當(dāng)前電池還需要充多少電，在整個充電過程中，會出現(xiàn)均衡反復(fù)開啟關(guān)閉的情況，從而降低了均衡的效率。另外，對于SOC的估算多采用開路電壓法或者安時法(如專利《一種可充電電池系統(tǒng)全均衡方法》，CN201110376362. 7)，采用開路電壓法存在非常大的瞬態(tài)誤差，采用安時法存在累計誤差，都無法滿足均衡算法對SOC的要求。以下總結(jié)了幾個均衡相關(guān)領(lǐng)域主要的專利及其問題，以及它們與本專利的不同專利《一種可充電電池系統(tǒng)全均衡方法》(CN201110376362. 7)提出一種可充電電池在充電、放電、靜止?fàn)顟B(tài)及其不同的荷電狀態(tài)下等均可對可充電電池系統(tǒng)能量均衡，并根據(jù)各個可充電電池性能差異程度采取不同的均衡電流和不同的時間進行均衡的方法。專利中采用的方法是“對所述電池系統(tǒng)內(nèi)能量相對富余的單體電池的能量輸出并按需要控制其輸出強度和時間，對所述電池系統(tǒng)內(nèi)能量相對欠缺的單體電池的補充能量并按需要控制其補充強度和時間”，即從能量相對富余的單體電池搬移能量到能量相對欠缺的單體電池。該方法是針對單個電池包內(nèi)的電芯進行均衡。由于在大功率應(yīng)用場合，需要許多電芯串聯(lián)構(gòu)成電池包，再由電池包串聯(lián)構(gòu)成電池組以滿足高電壓需要。在這種應(yīng)用場合除了要求電池包內(nèi)部電芯間的平衡，還需要串聯(lián)在一起的各個電池包之間也要平衡，但是在該專利中并沒有針對這項技術(shù)進行公開，該專利提出的方法很難實現(xiàn)電池包之間的均衡。該專利闡述的方法及裝置原理上是從由多個電池包串并聯(lián)構(gòu)成的整個電池組獲取能量，為容量不足的電芯在充放電條件下進行補充電。可以在串并聯(lián)的電池包之間完成均衡，更適合于需要多個電池包串并聯(lián)的高壓大電流應(yīng)用環(huán)境，比如電動汽車以及電池儲能電站等。由于最基本的均衡方法的不同，使得均衡開啟的判斷標準以及實現(xiàn)均衡的裝置也完全不同。比如，專利《一種可充電電池系統(tǒng)全均衡方法》(CN201110376362. 7)提出的均衡開啟的判斷標準是“對所述電池系統(tǒng)中每個單體電池實時荷電電量進行比較，若不存在明顯富余和明顯欠缺的單體電池，則不啟動均衡操作；若存在電量明顯富余和明顯欠缺的單體電池，依據(jù)以上方法設(shè)定的電池均衡參數(shù)通過可充電電池系統(tǒng)能量可調(diào)轉(zhuǎn)移均衡電路進行均衡；若均衡時已經(jīng)達到不存在明顯富余和明顯欠缺的單體電池則停止均衡操作”，即通過比較電芯間容量的最大差值是否超過或小于一個閾值來判斷均衡是否開啟和關(guān)閉。而該專利均衡開啟的依據(jù)則完全不同。該專利均衡開啟關(guān)閉的依據(jù)是每節(jié)電芯的絕對可充容量值和絕對可放容量值。在充電時，以每節(jié)電芯絕對可充容量值作為充電均衡開啟評判依據(jù)，當(dāng)某兩節(jié)電芯絕對可充容量的差值達到一定閾值時，開啟均衡裝置給絕對可充容量值高的電芯充電，在充電過程中，當(dāng)所有電芯絕對可充容量值一致時，充電均衡結(jié)束；在放電時，以每節(jié)電芯絕對可放容量值作為放電均衡開啟評判依據(jù)，當(dāng)某兩節(jié)電芯絕對可放容量的差值達到一定閾值時，開啟均衡裝置給絕對可放容量值低的電芯充電，在放電過程中，當(dāng)所有電芯絕對可放容量值一致時，放電均衡結(jié)束。該專利均衡方法的好處在于，在開始充電初期和開始放電初期就開始進行均衡操作，從而延長均衡時間，大大增加了有效均衡時間，進而一個非常小的均衡電流就能達到非常好的效果，從而減輕了硬件設(shè)計的難度，提高整個系統(tǒng)的可靠性?？偟膩碚f，專利《一種可充電電池系統(tǒng)全均衡方法》(CN201110376362. 7)最大的貢獻是提出了在可充電電池充電、放電、不充不放階段都進行均衡的一種方法，但仍然是基于電池包內(nèi)部，從高容量電芯搬移電量到低容量電芯的傳統(tǒng)方法。該專利則是基于電池包之間，從整個電池組或者外部電源給所有容量不足的電芯進行補充電的方式，從而采用的均衡方法、評判依據(jù)都是全新的、革命性的。專利《串聯(lián)蓄電池組充電均衡裝置》(CN200810048919. 2)提出一種通過給每一個單體電芯并聯(lián)一個獨立泄放回路的方式構(gòu)建均衡裝置。其特點在于在充電過程中將電芯容量高的單體電芯升壓后，通過這個獨立泄放回路給整個電池組充電。均衡的方法是，在串聯(lián)蓄電池組整體充電的過程中，當(dāng)任一單體電池充滿后，均衡裝置打開此單體電池的旁路泄放電路，相應(yīng)的能量經(jīng)過均衡裝置轉(zhuǎn)換成較高的電壓回送到主充電機輸出端口。該專利不適用于大功率應(yīng)用場合，大功率應(yīng)用場合一般需要高電壓，電壓達到300V 1000V，而單節(jié)電芯的電壓等級在2. 5V^4. 2V，給單節(jié)電芯升壓帶來了高壓隔離等安全性問題。因此，該方法 也是針對單個電池包內(nèi)的電芯進行均衡。我們采用的方法是分級降壓，雖然效率會有損耗，但是安全性更好。同時，專利《串聯(lián)蓄電池組充電均衡裝置》并沒有詳細描述均衡的策略和方法，只是提及當(dāng)任一單體電池充滿后，均衡裝置打開單體電池的旁路泄放電路泄放該節(jié)電池多余的能量，并給整個電池包充電。由于均衡在任一單體電池充滿之后開始，導(dǎo)致充電時間加長，均衡效率較低。同時該方法導(dǎo)致最先充滿的電池在較高的電位上反復(fù)充放電，從而影響了該節(jié)電池的壽命。該專利由于一次性將所有電池充滿，從而很好的解決了某節(jié)電池在高電位反復(fù)充電而導(dǎo)致的該節(jié)電池壽命縮短這一在均衡方法中普遍存在的問題。專利《一種用于串聯(lián)蓄電池組的監(jiān)控及均衡裝置》(CN200820199058. 3)主要提出了通過并聯(lián)充電，達到蓄電池均衡的方法，應(yīng)用于蓄電池的維護，因此沒有放電均衡的方法，同時判斷均衡開關(guān)的依據(jù)是通過電壓的方式，當(dāng)電芯間最大電壓差達到一定閾值時，開啟或關(guān)閉均衡。對于鋰離子電池而言，由于其自身的特點，電壓平臺期較長，電壓只有在快充滿或者快放光時電壓才會出現(xiàn)明顯變化，采用電壓作為均衡開啟關(guān)閉的判斷依據(jù)，會造成有效均衡時間短，效率低下等問題。該專利均衡開啟關(guān)閉的依據(jù)是每節(jié)電芯的絕對可充容量值和絕對可放容量值。在充電時，以每節(jié)電芯絕對可充容量值作為充電均衡開啟評判依據(jù)，當(dāng)某兩節(jié)電芯絕對可充容量的差值達到一定閾值時，開啟均衡裝置給絕對可充容量值高的電芯充電，在充電過程中，當(dāng)所有電芯絕對可充容量值一致時，充電均衡結(jié)束；在放電時，以每節(jié)電芯絕對可放容量值作為放電均衡開啟評判依據(jù)，當(dāng)某兩節(jié)電芯絕對可放容量的差值達到一定閾值時，開啟均衡裝置給絕對可放容量值低的電芯充電，在放電過程中，當(dāng)所有電芯絕對可放容量值一致時，放電均衡結(jié)束。該專利均衡方法的好處在于，在開始充電初期和開始放電初期就開始進行均衡操作，從而延長均衡時間，大大增加了有效均衡時間，進而一個非常小的均衡電流就能達到非常好的效果，從而減輕了硬件設(shè)計的難度，提高整個系統(tǒng)的可靠性。專利《一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置》主要提出了鋰電池并聯(lián)充電裝置，判斷均衡開關(guān)的依據(jù)仍然是通過電壓。其缺點如上，不再累述。專利《電動汽車的動力電池全均衡控制方法及裝置》(CN201110024897. 7)主要提出了在電動汽車用動力電池上同時采用主動均衡和被動均衡的全均衡控制方法。同時判斷均衡開關(guān)的依據(jù)采取剩余容量值和電壓的方式。當(dāng)剩余容量小于等于30%時，通過車載電瓶給電壓最低的單體電芯充電(主動均衡方式)，當(dāng)剩余容量大于等于70%時，電壓最高的單體電芯通過旁路電阻放電(被動均衡方式)，當(dāng)剩余容量在30% 70%之間時，同時打開主動均衡和被動均衡。雖然開啟的方式不同，但最終仍然是通過電壓的方式判斷均衡的開關(guān)。其缺點如上，不再累述。專利《電動汽車用鋰離子電池均衡充電方法》(CN201010286652.8)主要提出了先串充，當(dāng)其中任一鋰離子電池達到上限電壓時，將各鋰離子電池分別充電的均衡充電方法。采用先串充再并充的方式。仍然是采取電壓作為判斷均衡開關(guān)的條件。其缺點如上，不再累述。專利《混合動力和純電動汽車動力 電池智能充電均衡方法及裝置》(CN201010253100. 7)采用的方法仍然是先串充再并充的方式。仍然是采取電壓作為判斷均衡開關(guān)的條件。其缺點如上，不再累述。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，本發(fā)明提供了基于絕對可充放容量的全階段動力鋰電池均衡方法及裝置。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種基于單節(jié)電芯絕對可充容量和絕對可放容量的動力鋰離子電池組充放電全階段均衡裝置，包含兩個部分，第一部分為一個能量來源切換裝置，第二部分為充電裝置，所述第一部分通過切換裝置給第二部分提供供電標準直流電壓。所述的能量來源切換裝置主要包括外部能量來源變換器，電池組能量來源變換器，外部能量來源檢測電路以及切換開關(guān)，所述的外部能量來源接收器輸入端與外部電源相連，所述的電池組能量變換器輸入端與電池組相連，所述的外部能量來源變換器的輸出端、電池組能量變換器輸出端分別與外部能量來源檢測電路相連，在外部能量來源檢測電路中設(shè)有切換開關(guān)。所述的外部能量來源變換器為AC/DC變換器或DC/DC變換器；所述的電池組能量來源變換器為DC/DC變換器；所述的切換開關(guān)為高壓繼電器、金屬氧化物半導(dǎo)體效應(yīng)晶體管MOS或者絕緣柵雙極型晶體管IGBT。能量來源接收裝置主要包括能量接收變換器、電池包均衡控制總開關(guān)電路和單節(jié)電芯均衡控制電路，所述的能量接收變換器接收能量來源切換裝置輸出的電壓；所述的電池組均衡控制總開關(guān)電路接收來自電池管理系統(tǒng)的控制信號，所述的單節(jié)電芯均衡控制電路，接收來自電池管理系統(tǒng)的控制信號。所述的能量接收變換器為DC/DC變換器；所述的能量接收變換器為開關(guān)電源或DC/DC變換器。一種基于單節(jié)電芯絕對可充容量和絕對可放容量的動力鋰離子電池組充放電全階段均衡控制方法，其特征在于，包括以下步驟步驟(I)通過每個電池的電池管理系統(tǒng)采集單體電芯的數(shù)據(jù)；步驟(2)通過步驟(I)采集的信息，估算單體電芯的電池剩余容量值、滿充容量值；步驟(3)利用步驟(I)采集的數(shù)據(jù)和步驟(2)得到的電池剩余容量值、滿充容量值，來計算單體電芯的絕對可充容量值和絕對可放電容量值；步驟(4)充電均衡在充電開始時，以大電流串行充電的同時，按照步驟(I) (3)估算每節(jié)單體電芯的絕對可充容量值；利用所述的均衡裝置進行并聯(lián)充電；步驟(5)放電均衡在放電開始時，在放電的同時，按照步驟(I) (3)估算每節(jié)單體電芯的絕對可放容量值，利用所述的均衡裝置進行并聯(lián)補充電。所述的步驟(I)所述的數(shù)據(jù)包括單體電芯電壓、充放電電流值、電池包溫度、單體 電芯內(nèi)阻；所述的步驟(2)的電池剩余容量值、滿充容量值的估算方法是采用Kalman濾波算法或擴展Kalman濾波算法或雙Kalman濾波算法。所述的步驟(3 )所述的計算單體電芯的絕對可充容量值和絕對可放電容量值的方法是在充電時，利用公式(I)計算單體電芯的絕對可充電容量值；在放電時，利用公式(2)計算單體電芯的絕對可放電容量值。ACSOC= (1-S0C)*FCC (I)ADSOC = SOOFCC(2)其中ACSOC表示單體電芯的絕對可充容量值，單位為安時(Ah) ;ADS0C表示單體電芯的絕對可放容量值，單位為安時(Ah);SOC表示單體電芯的剩余容量值，單位為百分比(% ) ；FCC表示單體電芯的滿充容量值，單位為安時(Ah)。所述的步驟(4)所述的并聯(lián)補充電的方法是對所有電芯的絕對可充容量值進行排序，當(dāng)電芯間絕對可充容量值的最大差值超過某一閾值時，且均衡裝置中的能量來源切換裝置檢測到連接有外部電源，則開啟均衡裝置，給所有高絕對可充容量值的電芯進行并聯(lián)補充電；當(dāng)電芯間絕對可充容量值的最大差值小于某一閾值時，則停止并聯(lián)充電，繼續(xù)進行大電流串聯(lián)充電，直至充電完成；所述的步驟(5)所述的對所有電芯的絕對可放容量值進行排序，當(dāng)電芯間絕對可放容量值的最大差值超過某一閾值時，則開啟均衡裝置，此時均衡裝置中的能量來源切換裝置切換到從整組電池獲取能量；通過均衡裝置中的能量來源接收裝置，給所有低絕對可放容量值的電芯進行并聯(lián)補充電；當(dāng)電芯間絕對可放容量值的最大差值小于某一閾值時，則停止并聯(lián)充電，繼續(xù)進行放電，直至放電保護。本發(fā)明的有益效果具體如下均衡方法以單節(jié)電芯的絕對可充容量值和絕對可放容量值作為判斷均衡開關(guān)的依據(jù)。充電時，以單節(jié)電芯絕對可充容量值作為均衡裝置開啟和關(guān)閉的依據(jù)，在進行大電流充電的同時，對單節(jié)電芯絕對可充容量值高的電芯進行并聯(lián)補充電；可以實現(xiàn)大電流串聯(lián)充電和小電流并聯(lián)充電同時進行，解決了以電芯電壓或以電芯剩余電量SOC為均衡開關(guān)判定條件所帶來的有效均衡時間過短，均衡效率不高等問題。放電時，以單節(jié)電芯絕對可放容量值作為均衡開啟和關(guān)閉的依據(jù)，在進行大電流放電的同時，對單節(jié)電芯絕對可放容量值低的電芯進行并聯(lián)補充電，在充分發(fā)揮電池潛能、延長放電時間。同時，本發(fā)明方法可以最大限度的保證所有電芯在充電時被同時充滿，在放電時被同時放光，從而還徹底解決了在整組電池中低容量電芯總是被先充滿、被先放光所造成的低容量電芯加速惡化問題，大大提高了整組電池的使用壽命和性能。均衡裝置包含一個能量來源切換裝置和若干個能量來源接收裝置。能量來源切換裝置負責(zé)在充電時從外部電源獲取均衡裝置所需要的能量，在放電時從整個電池組獲取均衡裝置所需要的能量。能量來源接收裝置負責(zé)管理哪節(jié)電池可以開啟均衡充電。上述均衡方法和均衡裝置配合，可以實現(xiàn)動力鋰電池在充放電全過程的均衡操作。特別適用于高電壓、大電流，需要多個電池包串并聯(lián)的應(yīng)用場合，如電動汽車、儲能電站等。本專利方法獨特新穎、實現(xiàn)簡單、可靠性高、有效均衡時間長、大大提高了均衡的效率、大大提高了動力鋰離子電池組的使用壽命和性能，具有很強的市場推廣前景。


圖I12串電芯各容量不意圖；圖212串電芯未充電前絕對可充容量值示意圖；
圖312串電芯并充后絕對可充容量值示意圖；圖412串電芯放電初期絕對可放容量值示意圖；圖512串電芯放電并充后絕對可放容量值示意圖；圖6能量來源切換裝置；圖7能量來源接收裝置；圖8均衡裝置具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明本發(fā)明公布了一種基于單節(jié)電芯絕對可充容量和絕對可放容量的動力鋰離子電池組充放電全階段均衡控制方法，主要包括如下步驟(I)基于單體電芯的數(shù)據(jù)采集通過每個電池包的電池管理系統(tǒng)采集單體電芯電壓、充放電電流值、電池包溫度、單體電芯內(nèi)阻，為電池剩余容量值(SOC，State ofCharge)、滿充容量值(FCC，F(xiàn)ull of Charge)的估算做準備；(2)基于單體電芯的電池剩余容量值、滿充容量值的估算利用步驟(I)采集的信息，采用Kalman濾波算法(或者擴展Kalman濾波算法或者雙Kalman濾波算法)估算單體電芯的剩余容量值、滿充容量值的信息，為單體電芯的絕對可充容量值(ACSOC，AbsolutelyChargeable State of Charge)和絕對可放容量值(ADSOC, Absolutely DischargeableState of Charge)的估算做準備；(3)計算單體電芯的絕對可充容量值和絕對可放電容量值在充電時，利用公式
(I)計算單體電芯的絕對可充電容量值；在放電時，利用公式(2)計算單體電芯的絕對可放
電容量值。ACSOC= (1-S0C)*FCC (I)ADSOC = SOOFCC(2)其中ACSOC表示單體電芯的絕對可充容量值，單位為安時(Ah) ;ADS0C表示單體電芯的絕對可放容量值，單位為安時(Ah);SOC表示單體電芯的剩余容量值，單位為百分比(% ) ；FCC表示單體電芯的滿充容量值，單位為安時(Ah)。(4)充電均衡在充電開始時，以大電流串行充電的同時，按照方法(I) (3)估算每節(jié)電芯的絕對可充容量值；對所有電芯的絕對可充容量值進行排序，當(dāng)電芯間絕對可充容量值的最大差值超過某一閾值時，且均衡裝置中的第一部分(能量來源切換裝置)檢測到連接有外部電源，且滿足充電均衡開啟條件，則開啟均衡裝置，此時能量來源切換裝置切換到外部電源獲取能量；通過均衡裝置中的第二部分(能量來源接收裝置)，給所有高絕對可充容量值的電芯進行并聯(lián)補充電；當(dāng)電芯間絕對可充容量值的最大差值小于某一閾值時，則停止并聯(lián)充電，繼續(xù)進行大電流串聯(lián)充電，直至充電完成。(5)放電均衡在放電開始時，在放電的同時，按照方法(I) (3)估算每節(jié)電芯的絕對可放容量值；對所有電芯的絕對可放容量值進行排序，當(dāng)電芯間絕對可放容量值的最大差值超過某一閾值時，且滿足放電均衡開啟條件，則開啟均衡裝置，此時均衡裝置中的第一部分(能量來源切換裝置)切換到從整組電池獲取能量；通過均衡裝置中的第二部分(能量來源接收裝置)，給所有低絕對可放容量值的電芯進行并聯(lián)補充電；當(dāng)電芯間絕對可放容量值的最大差值小于某一閾值時，則停止并聯(lián)充電，繼續(xù)進行放電，直至放電保護?？汕袚Q能量來源的均衡裝置分為兩個部分。第一部分為一個能量來源切換裝置，第二部分為若干個針對每一組電池包的能量來源接收裝置。第一部分，能量來源切換裝置主要包括外部能量來源變換器(AC/DC變換器或者DC/DC變換器)，電池組能量來源變換器(DC/DC變換器)，外部能量來源檢測電路，以及切換開關(guān)(高壓繼電器、金屬氧化物半導(dǎo)體效應(yīng)晶體管MOS或者IGBT)構(gòu)成。能量來源切換裝置，其輸入為兩路，一路為外部電源電壓(直流電壓或者交流電壓)，另一路為電池組電壓(直流電壓);其輸出為一路直流電壓。外部能量來源檢測電路負責(zé)檢測外部電源(交流輸入或者直流輸入)是否接入，如果外部電源接入，則切換開關(guān)選通外部電源通道，此時如果外部電源為交流輸入，則選用AC/DC變換器；如果外部電源為直流輸入，則選用DC/DC變換器，將外部電源電壓轉(zhuǎn)換為第二部分(能量來源接收裝置)可接收的直流電壓。如果外部能量來源檢測電路沒有檢測到外部電源輸入，則切換到電池組能量來源通道，選用DC/DC變換器，將電池組電壓變換為第二部分(能量來源接收裝置)可接收的直流電壓?？汕袚Q能量來源的均衡裝置分為兩個部分。第一部分為一個能量來源切換裝置，第二部分為若干個針對每一組電池包的能量來源接收裝置。第二部分，能量來源接收裝置主要包括能量接收變換器(DC/DC變換器)，電池包均衡控制總開關(guān)電路，單節(jié)電芯均衡控制電路。能量接收變換器(開關(guān)電源或DC/DC變換器)將第一部分(能量來源切換裝置)輸出的電壓轉(zhuǎn)換為適合單節(jié)電芯充電的電壓，可實現(xiàn)恒流轉(zhuǎn)恒壓充電；電池組均衡控制總開關(guān)電路接收來自電池管理系統(tǒng)的控制信號，該控制信號決定是否開啟整個能量來源接收裝置；單節(jié)電芯均衡控制電路，接收來自電池管理系統(tǒng)的控制信號，通過金屬氧化物半導(dǎo)體效應(yīng)晶體管MOS開關(guān)，決定每節(jié)均衡電路是否開啟。下面以一組12串電芯的構(gòu)成的電池包為例，對本發(fā)明進行詳細說明每節(jié)電芯的滿充容量值、相對剩余容量值、絕對剩余容量值、絕對可充容量值如圖I所示。從圖中可以看出，充電時，若以相對剩余容量值作為均衡開關(guān)判定的條件，則相對剩余容量值低的需要開啟均衡進行補充電，則電芯2、3、5、6、7、9、10、12需要開啟均衡進行補充電，然而電芯9由于其滿充容量值較少，在串充條件下，其實是不需要補充電的；充電時，若以絕對剩余容量值作為均衡開關(guān)判定的條件，則絕對剩余容量值低的需要開啟均衡進行補充電，則電芯1、2、3、4、6、7、8、9、10、11、12需要開啟均衡進行補充電，在串充條件下，電芯1、4、8、9、11會被最先充滿，反而這五節(jié)電芯不該開啟均衡補充電。
充電時，若以本專利提出的絕對可充容量值作為均衡開關(guān)判定的條件，則絕對可充容量值高的需要開啟均衡進行補充電，則電芯2、3、5、6、7、10、12需要開啟均衡進行補充電，如圖2所示，此時，串聯(lián)充電會給所有電芯充進同樣多的電荷，同時電芯2、3、5、6、7、10、12會通過并聯(lián)補充電充進更多的電荷，以減少與電芯1、4、8、9、11之間的差距；在充電一定時間后，當(dāng)電芯3的絕對可充容量值與電芯1、4、8、9、11的絕對可充容量值一致時，則停止對電芯3的并聯(lián)補充電，如圖3所示；依照上述方法，依次關(guān)閉電芯2、7、6、5、10、12并充，直至所有電芯絕對可充容量值一致，則徹底停止并充，用串充將所有電芯充滿。放電時，假定12串電芯都已經(jīng)充滿，開始放電，放電初期如圖4所示，此時絕對可放容量值等于絕對剩余容量值，絕對可放容量值低的需要開啟均衡進行補 充電，則電芯I、2、3、4、5、6、7、8、9、11需要開啟均衡進行補充電。此時，放電電路會給所有電芯放出同樣多的電荷，同時電芯1、2、3、4、5、6、7、8、9、11會通過并聯(lián)補充電充進一些電荷，以減少與電芯10、12之間的差距；在放電一定時間后，當(dāng)電芯2、5、6、7的絕對可放容量值與電芯10、12的絕對可放容量值一致時，則停止對電芯2、5、6、7的并聯(lián)補充電，如圖6所示；依照上述方法，依次關(guān)閉電芯1、4、8、11、3、9的并充，直至所有電芯絕對可放容量值一致，則徹底停止并充，直至放電結(jié)束?？汕袚Q能量來源的均衡裝置包含兩個部分。第一部分為一個能量來源切換裝置，第二部分為若干個針對每一組電池包的能量來源接收裝置。第一部分，能量來源切換裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示包括外部能量來源變換器(AC/DC變換器或者DC/DC變換器)，電池組能量來源變換器(DC/DC變換器)，外部能量來源檢測電路，以及切換開關(guān)(高壓繼電器、金屬氧化物半導(dǎo)體效應(yīng)晶體管MOS或者IGBT)構(gòu)成。能量來源切換裝置，其輸入為兩路，一路為外部電源電壓(直流電壓或者交流電壓)，另一路為電池組電壓(直流電壓);其輸出為一路直流電壓。外部能量來源檢測電路負責(zé)檢測外部電源(交流輸入或者直流輸入)是否接入，如果外部電源接入，則切換開關(guān)選通外部電源通道，此時如果外部電源為交流輸入，則選用AC/DC變換器；如果外部電源為直流輸入，則選用DC/DC變換器，將外部電源電壓轉(zhuǎn)換為第二部分(能量來源接收裝置)可接收的直流電壓。如果外部能量來源檢測電路沒有檢測到外部電源輸入，則切換到電池組能量來源通道，選用DC/DC變換器，將電池組電壓變換為第二部分(能量來源接收裝置)可接收的直流電壓。可切換能量來源的均衡裝置中的第二部分，能量來源接收裝置如圖7所示，主要包括能量接收變換器(DC/DC變換器)，電池包均衡控制總開關(guān)電路，單節(jié)電芯均衡控制電路。能量接收變換器(開關(guān)電源或DC/DC變換器)將第一部分(能量來源切換裝置)輸出的電壓轉(zhuǎn)換為適合單節(jié)電芯充電的電壓，可實現(xiàn)恒流轉(zhuǎn)恒壓充電；電池組均衡控制總開關(guān)Kall接收來自電池管理系統(tǒng)的控制信號，決定是否開啟整個能量來源接收裝置；單節(jié)電芯均衡控制開關(guān)KfKn，接收來自電池管理系統(tǒng)的控制信號，決定每節(jié)電芯均衡電路是否開啟。
權(quán)利要求
1.基于絕對可充放容量的全階段動力鋰電池均衡裝置，其特征在于均衡裝置包含兩個部分，第一部分為一個能量來源切換裝置，第二部分為充電裝置，所述第一部分通過切換裝置給第二部分提供標準直流電壓。
2.如權(quán)利要求I所述的基于絕對可充放容量的全階段動力鋰電池均衡裝置，其特征在于所述的能量來源切換裝置主要包括外部能量來源變換器，電池組能量來源變換器，外部能量來源檢測電路以及切換開關(guān)，所述的外部能量來源接收器輸入端與外部電源相連，所述的電池組能量變換器輸入端與電池組相連，所述的外部能量來源變換器的輸出端、電池組能量變換器輸出端分別與外部能量來源檢測電路相連，在外部能量來源檢測電路中設(shè)有切換開關(guān)。
3.如權(quán)利要求2所述的基于絕對可充放容量的全階段動力鋰電池均衡裝置，其特征在于所述的外部能量來源變換器為AC/DC變換器或DC/DC變換器；所述的電池組能量來源變換器為DC/DC變換器；所述的切換開關(guān)為高壓繼電器、金屬氧化物半導(dǎo)體效應(yīng)晶體管MOS或者絕緣柵雙極型晶體管IGBT。
4.如權(quán)利要求I所述的基于絕對可充放容量的全階段動力鋰電池均衡裝置，其特征在于能量來源接收裝置主要包括能量接收變換器、電池包均衡控制總開關(guān)電路和單節(jié)電芯均衡控制電路，所述的能量接收變換器接收能量來源切換裝置輸出的電壓；所述的電池組均衡控制總開關(guān)電路接收來自電池管理系統(tǒng)的控制信號，所述的單節(jié)電芯均衡控制電路，接收來自電池管理系統(tǒng)的控制信號。
5.如權(quán)利要求4所述的基于絕對可充放容量的全階段動力鋰電池均衡裝置，其特征在于，所述的能量接收變換器為DC/DC變換器；所述的能量接收變換器為開關(guān)電源或DC/DC變換器。
6.如權(quán)利要求I所述的基于絕對可充放容量的全階段動力鋰電池均衡裝置的均衡控制的方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟(I)通過每個電池的電池管理系統(tǒng)采集單體電芯的數(shù)據(jù)； 步驟(2 )通過步驟(I)采集的信息，估算單體電芯的電池剩余容量值、滿充容量值； 步驟(3)利用步驟(I)采集的數(shù)據(jù)和步驟(2)得到的電池剩余容量值、滿充容量值，來計算單體電芯的絕對可充容量值和絕對可放電容量值； 步驟(4)充電均衡在充電開始時，以大電流串行充電的同時，按照步驟(I) (3)估算每節(jié)單體電芯的絕對可充容量值；利用所述的均衡裝置進行并聯(lián)充電； 步驟(5)放電均衡在放電開始時，在放電的同時，按照步驟(I) (3)估算每節(jié)單體電芯的絕對可放容量值，利用所述的均衡裝置進行并聯(lián)補充電。
7.如權(quán)利要求6所述的均衡控制方法，其特征在于，步驟(I)所述的數(shù)據(jù)包括單體電芯電壓、充放電電流值、電池包溫度、單體電芯內(nèi)阻；步驟(2)的電池剩余容量值、滿充容量值的估算方法是采用Kalman濾波算法或擴展Kalman濾波算法或雙Kalman濾波算法。
8.如權(quán)利要求6所述的均衡控制方法，其特征在于，步驟(3)所述的計算單體電芯的絕對可充容量值和絕對可放電容量值的方法是在充電時，利用公式(I)計算單體電芯的絕對可充電容量值；在放電時，利用公式(2)計算單體電芯的絕對可放電容量值； ACSOC = (1-S0C)*FCC (I) ADSOC = SOOFCC(2)其中ACSOC表示單體電芯的絕對可充容量值，單位為安時Ah ；ADSOC表示單體電芯的絕對可放容量值，單位為安時Ah ；S0C表示單體電芯的剩余容量值，單位為百分比％ ;FCC表示單體電芯的滿充容量值，單位為安時Ah。
9.如權(quán)利要求6所述的均衡控制方法，其特征在于步驟(4)所述的并聯(lián)補充電的方法是對所有電芯的絕對可充容量值進行排序，當(dāng)電芯間絕對可充容量值的最大差值超過某一閾值時，且均衡裝置中的 能量來源切換裝置檢測到連接有外部電源，則開啟均衡裝置，給所有高絕對可充容量值的電芯進行并聯(lián)補充電；當(dāng)電芯間絕對可充容量值的最大差值小于某一閾值時，則停止并聯(lián)充電，繼續(xù)進行大電流串聯(lián)充電，直至充電完成。
10.如權(quán)利要求6所述的均衡控制方法，其特征在于步驟(5)所述的對所有電芯的絕對可放容量值進行排序，當(dāng)電芯間絕對可放容量值的最大差值超過某一閾值時，，則開啟均衡裝置，此時均衡裝置中的能量來源切換裝置切換到從整組電池獲取能量；通過均衡裝置中的能量來源接收裝置，給所有低絕對可放容量值的電芯進行并聯(lián)補充電；當(dāng)電芯間絕對可放容量值的最大差值小于某一閾值時，則停止并聯(lián)充電，繼續(xù)進行放電，直至放電保護。
全文摘要
本發(fā)明具體公開了基于絕對可充放容量的全階段動力鋰電池均衡方法及裝置，均衡裝置包含兩個部分，第一部分為一個能量來源切換裝置，第二部分為充電裝置，所述第一部分給第二部分提供供電標準直流電壓。方法以包括步驟(1)通過每個電池的電池管理系統(tǒng)采集單體電芯的數(shù)據(jù)；步驟(2)估算單體電芯的電池剩余容量值、滿充容量值；步驟(3)計算單體電芯的絕對可充容量值和絕對可放電容量值；步驟(4)實現(xiàn)充電均衡步驟(5)實現(xiàn)放電均衡。本發(fā)明采用在充電階段依據(jù)電芯電壓、放電階段依據(jù)電芯剩余電量估計值的方法，既解決了充電階段，所有電芯不能充滿的問題，又解決了放電階段由于某些節(jié)電芯容量低而造成的放電能力不足的問題。
文檔編號H02J7/00GK102969772SQ201210537218
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者喬昕, 王知學(xué), 賀冬梅, 劉廣敏, 侯恩廣, 李揚, 崔立志 申請人:山東省科學(xué)院自動化研究所