一種基于電池安全保護的電池管理方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于電池安全保護的電池管理方法，具備現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)的基礎功能，包括系統(tǒng)自檢及故障診斷、系統(tǒng)軟件的升級、單體電池狀態(tài)監(jiān)測、單體電池均衡、過流/過充/過放保護、數(shù)據(jù)記錄存儲、絕緣監(jiān)測及故障診斷等；還具備安全防護功能，可以依據(jù)不同的電池組組裝方式及外部負載對電池組截止電壓及SOC進行修正，通過對電池組充電過程的主動干預，控制電池組充電電流、充電截止電壓及充電時間，針對不同結(jié)構(gòu)電池組實現(xiàn)高效快速安全充電，通過預測一定時間內(nèi)電池組的可用功率及充放電電流，限制電池放電電流，防止某些單體電池出現(xiàn)過放現(xiàn)象。
【專利說明】—種基于電池安全保護的電池管理方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于電池安全保護的電池管理方法。
【背景技術】
[0002]目前各大企業(yè)紛紛推出各自的電動汽車車型，并成功進入市場，然而隨著電動汽車被廣泛接受，各種故障和事故卻為其推廣乃至發(fā)展蒙上陰影。對事故進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，事故發(fā)生的原因主要包括:
[0003]I)電池成組后各單體電池不一致導致某些單體電池出現(xiàn)故障；
[0004]2)充電器為單一充電模式，不具備時間及電量監(jiān)控功能及充電時間超過極限控制；
[0005]3)充放電電流過大；
[0006]4)布局結(jié)構(gòu)不合適，散熱不充分；
[0007]5)碰撞后電池包變形，造成局部短路。
[0008]針對4)、5)兩種極限情況，目前已采用電池包自密封、高壓線自屏蔽、地板屏蔽、漏電保護器、強撞擊自動斷電、異常狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、緊急開關自熔保險等安全措施，另外電池管理系統(tǒng)也通過溫度傳感器、電壓電流傳感器實時監(jiān)測電池系統(tǒng)的運行，在有過壓、過載和溫度急劇升高的情況下及時切斷電池保護電池包。但是如何避免電池組中某些單體電池出現(xiàn)內(nèi)傷乃至過充過放，起到未雨綢繆的目的，成為電池管理系統(tǒng)的研究難點之一。
[0009]國外對電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究起步較早，如今已經(jīng)形成了較為完善的技術體系。美國通用汽車公司設計了智能電池管理模塊系統(tǒng)，該智能電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)了各個單體電池工作狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測，并具有均衡管理功能，盡量避免單體電池間不一致。德國西門子公司開發(fā)的電池管理系統(tǒng)把蓄電池組的充電管理作為系統(tǒng)的研究核心，系統(tǒng)可控制充電機針對不同的蓄電池組采用不同的充電策略，同時該系統(tǒng)增加了歷史數(shù)據(jù)存儲功能，以方便蓄電池組的維護；日本本田公司開發(fā)設計的電池管理系統(tǒng)在電池組的使用安全上做了大量的研究，通過慣性控制開關和高壓電系統(tǒng)安全監(jiān)測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在汽車發(fā)生碰撞時，電池管理系統(tǒng)發(fā)出報警信號并切斷電源。國內(nèi)圍繞電池管理系統(tǒng)的研究也獲得了諸多成果。北京交通大學、天津大學、上海交通大學、重慶大學針對電池組SOC估算進行了一些研究。國內(nèi)電池管理系統(tǒng)的主要生產(chǎn)廠家，如億能、力高、冠拓和墨工等公司的產(chǎn)品已在國內(nèi)電動汽車市場上得到了較為廣泛的應用，這些產(chǎn)品主要實現(xiàn)了電池組工作狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測、充放電管理、SOC估算、與外部通訊等功能。綜合來看，現(xiàn)在的電池管理系統(tǒng)多是對電池的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，而缺乏綜合意義上的電池組的安全管理。
[0010]申請?zhí)?00680016327.1公開了一種過放電情況下的電池電源管理系統(tǒng)，側(cè)重于單體電池充電情況下的監(jiān)測，通過兩個開關防止電池的過充過放，電路復雜，且由于電池結(jié)構(gòu)及外部負載等原因，單體電池的監(jiān)測原理并不適用與整體電池組。
[0011]申請?zhí)?01010263482.1公開了一種電動車電池SOC的估計方法，本專利側(cè)重于電池SOC的估算方法的研究，但電池的結(jié)構(gòu)及外部負載會導致電池SOC間存在較大差異，單體電池的SOC估算精度并不能代表電池組的SOC估算精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于電池安全保護的電池管理方法，它避免電池組中單體電池出現(xiàn)過充過放，起到未雨綢繆的目的，確保電池組安全，延長其使用壽命O
[0013]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0014]一種基于電池安全保護的電池管理方法，應用一種電池管理系統(tǒng)，包括主控板、電流采集板和電壓采集板，其中，主控板通過CAN總線與電流采集板和電壓采集板相連，主控板通過通訊口連接有液晶屏，主控板通過CAN總線還連接有外部設備；
[0015]具體步驟包括:
[0016](I)建立電池等效電路模型，利用Simscape平臺建立等效電路圖中SOC估算、溫度計算、開路電壓、歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻和極化電容子模型的模塊；
[0017](2)根據(jù)電池等效電路模型，結(jié)合步驟(I)建立的等效電路模型各模塊，將各模塊進行串并聯(lián)，建立單體電池仿真模型；
[0018](3)并聯(lián)單體電池仿真模型得到單節(jié)電池模型，串聯(lián)單節(jié)電池模型得到電池組模型，對電池組模型中的各單節(jié)電池模型分別施加因單節(jié)電池電壓采樣導致的采樣線上存在外部負載電流，對電池組進行恒流放電，分別測量電池組模型中各單體電池SOC及端電壓，同時測量電池組SOC及端電壓；
[0019](4)依據(jù)水桶效應原理，找出電池組中最差的一節(jié)單體電池，得到其單體電池SOC及端電壓，建立電池組SOC及端電壓修正系數(shù)，重復步驟3-4，建立不同電池組裝方式及外部負載下的電池組SOC及端電壓修正系數(shù)；
[0020](5)基于步驟⑴中的等效電路，建立表達式，采集電池電流及電壓信號，對實測的電池電流信號進行時頻分析，得到電池電流信號頻帶范圍，利用最小二乘法在線辨識模型參數(shù)；
[0021](6)未來一段時間內(nèi)電池端電壓計算階段，以在線辨識得到的電池模型參數(shù)作為當前的電池狀態(tài)為基準，結(jié)合當前實際的電流值，預測電池端電壓；未來一段時間內(nèi)電池最大持續(xù)電流計算階段，以在線辨識得到的電池模型參數(shù)作為當前的電池狀態(tài)為基準，結(jié)合設定的放電截止電壓，利用二分法推算未來一段時間內(nèi)的最大持續(xù)放電電流。
[0022]所述步驟(I)中，電池等效電路模型，包括電池開路電壓源，電壓源連接若干個RC支路后連接電阻Rtl,每個RC支路包括并聯(lián)的一個電容Q、一個電阻Ri, Ri, Ci分別為電池的極化內(nèi)阻和極化電容。
[0023]所述步驟(4)中，具體方法為:最差一節(jié)單體電池，即充放電過程中最先達到充放電截止電壓的單體電池，其SOC及端電壓表示為SOCmin及Vmin,電池組SOC及端電壓表示為SOCtotal 及 Vttrtal，則電池組 SOC 及端電壓修正系數(shù)分別為 fs。。= S0Cfflin/S0Ctotal, fv = N*Vmin/Vtotal, N表示電池組中單節(jié)電池數(shù)目，建立不同電池組裝方式及外部負載下的電池組SOC及端電壓修正系數(shù)，建立以電池組裝方式及外部負載為橫坐標，電池組SOC及端電壓修正系數(shù)為縱坐標的Map圖用于實際電池管理系統(tǒng)對測量參數(shù)的修正。
[0024]所述步驟(5)的具體方法為:基于基爾霍夫定律建立等效電路模型表達式，[0025]
【權(quán)利要求】
1.一種基于電池安全保護的電池管理方法，應用的電池管理系統(tǒng)，包括主控板、電流采集板和電壓采集板，其中，主控板通過CAN總線與電流采集板和電壓采集板相連，主控板通過通訊口連接有液晶屏，主控板通過CAN總線還連接有外部設備；其特征是:具體步驟包括: (1)建立電池等效電路模型，利用Simscape平臺建立等效電路圖中SOC估算、溫度計算、開路電壓、歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻和極化電容子模型的模塊； (2)根據(jù)電池等效電路模型，結(jié)合步驟(1)建立的等效電路模型各模塊，將各模塊進行串并聯(lián)，建立單體電池仿真模型； (3)并聯(lián)單體電池仿真模型得到單節(jié)電池模型，串聯(lián)單節(jié)電池模型得到電池組模型，對電池組模型中的各單節(jié)電池模型分別施加因單節(jié)電池電壓采樣導致的采樣線上存在外部負載電流，對電池組進行恒流放電，分別測量電池組模型中各單體電池SOC及端電壓，同時測量電池組SOC及端電壓； (4)依據(jù)水桶效應原理，找出電池組中最差的一節(jié)單體電池，得到其單體電池SOC及端電壓，建立電池組SOC及端電壓修正系數(shù)，重復步驟3-4，建立不同電池組裝方式及外部負載下的電池組SOC及端電壓修正系數(shù)； (5)基于步驟(1)中的等效電路，建立表達式，采集電池電流及電壓信號，對實測的電池電流信號進行時頻分析，得到電池電流信號頻帶范圍，利用最小二乘法在線辨識模型參數(shù)； (6)未來一段時間內(nèi)電池端電壓計算階段，以在線辨識得到的電池模型參數(shù)作為當前的電池狀態(tài)為基準，結(jié)合當前實際的電流值，預測電池端電壓；未來一段時間內(nèi)電池最大持續(xù)電流計算階段，以在線辨識得到的電池模型參數(shù)作為當前的電池狀態(tài)為基準，結(jié)合設定的放電截止電壓，利用二分法推算未來一段時間內(nèi)的最大持續(xù)放電電流。
2.如權(quán)利要求1所述的的實現(xiàn)方法，其特征是:所述步驟(1)中，電池等效電路模型，包括電池開路電壓源，電壓源連接若干個RC支路后連接電阻Rtl,每個RC支路包括并聯(lián)的一個電容Cp—個電阻Ri, RpCi分別為電池的極化內(nèi)阻和極化電容。
3.如權(quán)利要求1所述的的實現(xiàn)方法，其特征是:所述步驟(4)中，具體方法為:最差一節(jié)單體電池，即充放電過程中最先達到充放電截止電壓的單體電池，其SOC及端電壓表示為SOCmin及Vmin,電池組SOC及端電壓表示為SOCtotal及Vtrtal,則電池組SOC及端電壓修正系數(shù)分別為fs。。= S0Cmin/S0Ctotal, fv = N*Vmin/Vtotal, N表示電池組中單節(jié)電池數(shù)目，建立不同電池組裝方式及外部負載下的電池組SOC及端電壓修正系數(shù)，建立以電池組裝方式及外部負載為橫坐標，電池組SOC及端電壓修正系數(shù)為縱坐標的Map圖用于實際電池管理系統(tǒng)對測量參數(shù)的修正。
4.如權(quán)利要求1所述的的實現(xiàn)方法，其特征是:所述步驟(5)的具體方法為:基于基爾霍夫定律建立等效電路模型表達式，
5.如權(quán)利要求4所述的的實現(xiàn)方法，其特征是:所述步驟(5)中，描述電池狀態(tài)的模型參數(shù)包括電池開路電壓、電池歐姆內(nèi)阻、電池極化內(nèi)阻和電池極化電容。
【文檔編號】B60L11/18GK103935260SQ201410192523
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月8日
【發(fā)明者】程勇, 王麗梅, 趙秀亮 申請人:山東大學