单体动力电池精确管理实现方法和系统及智能电池模块的制作方法

专利名称：单体动力电池精确管理实现方法和系统及智能电池模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过精确管理单体动力电池实现的电池管理方法和电池管理系统、以及智能单体动力电池模块，并且更具体而言涉及通过对单体动力电池的精确管理、实现电池组在接入例如电动汽车或储能系统运行期间不需要为其配备充放电均衡操作单元的精确电池管理方法和电池管理系统，以及在前述电池管理方法和系统中使用的智能单体动力电池模块。本发明的智能单体动力电池模块(例如可以包括在智能电池中)、电池管理方法和电池管理系统可应用于新能源汽车如电动汽车、储能系统以及电动汽车的充放电站。本发明所述实现单体电池精确管理的智能电池模块，其与单体动力电池结合(可外置或内置实施)，使单体动力电池具备了实现自学习及更新自身参数的能力，并确保电池组的精确管理。
背景技术：
动力电池及由多个单体动力电池构成的动力电池组是电动汽车的核心部件，因此动力电池组的使用寿命越来越受到关注，并且对于智能电池的研究正在兴起。目前广为研究和推广的动力电池的管理基本上是均衡管理，按均衡功能特点分充电、放电和动态均衡；从能量耗损方式分为能耗型和回馈型两种。充电均衡在充电过程中后期，单体电压达到或超过截止电压时，均衡电路开始工作，减小单体电流，以期限制单体电压不高于充电截止电压。与充电均衡类似，放电均衡在电池组输出功率时，通过补充电能限制单体电压不低于预设的放电终止电压。与充电和放电均衡不同，动态均衡不论在充电态、放电态，还是浮置状态，都可以通过能量转换的方法实现组中单体电压的平衡，实时保持相近的荷电水平S0C(State of Charge)。充电均衡的唯一功能是防止过充电，而在放电使用中带来的负面影响使得使用这种均衡得不偿失不加充电均衡时，容量小的电池被一定程度过充，组内任何单体过放以前，电池组输出Ah计电量略高于单体最小容量。使用充电均衡时，小容量电池没有过充，能放出的电量小于不用均衡器时轻度过充所能释放的电能，使得该单体电池放电时间更短，过放的可能性就更大了。另外，当电机控制器以组电压降低到一定程度为依据减小或停止输出功率时，由于大容量电池因充电均衡被充入更多电能而表现出较高的平台电压，淹没和淡化了小容量电池的电压跌落，将出现组电压足够高，而小容量单体已经过放。放电均衡与充电均衡情形相似，大容量浅充足放，小容量过充足放，加速单体性能差异性变化的结果是相同的，都不能形成真正实用的产品，动态均衡则集中了两种均衡的优点，尽管单体之间初始容量有差异，能相对弥补充放电强度和深度的差异性，但也无法实现所有电池达到共同的寿命终点的目标。能耗型指给各单体电池提供并联电流支路，将电压过高的单体电池通过分流转移电能达到均衡目的，实现电流支路的装置可以是可控电阻，或经能量变换器带动空调、风机等耗电设备，其实质是通过能量消耗的办法限制单体电池出现过高或过低的端电压，适合在静态均衡中使用，其高温升等特点降低了系统可靠性，并且增加了系统的能源消耗。与能耗型不同，回馈型通过能量变换器将单体之间的偏差能量馈送回电池组或组中某些单体。理论上，当忽略转换效率时，回馈不消耗能量，可实现动态均衡。回馈型具有较高的研究价值和使用价值，有可能达到实用化设计。上面有可能实现实用化设计的均衡方式是动态回馈类型，其实现的途径目前主要如下一种是英飞凌科技公司汽车系统工程部门在E-Cart ( 一种可驾驶的混合动力汽车)上用多路变压器实现主动均衡的技术方法，如图6所示的多路变压器主动均衡管理的结构图，每12个电池单元串联后组成模块(block),初级线圈(primary side)与整个电池组相连，次级线圈(secondary side)与每个电池单元相连。但这种电池管理系统的缺点是制造工艺要求十分高，制造和控制成本都很高。另外一种是用电容器“飞容”实现电池间电荷搬运的技术方法，图7是这种结构的示意图，其缺点是开关阵列复杂，电荷搬运效率与系统可靠性设计是个两难问题，系统制造和控制成本很高。最后一种是每个电池配备一个能量变换装置，依据高频开关电源(SMPS)的原理和技术设计，充电时小容量电池充入较少能量，分流电路吸收电能，放电时分流电路补充能量，能量变换器应该实现双向变换。原则上各种电源电路经改进设计都可以实现双向，最简单的方案是用双向DC/DC电路设计方案，图8是 一种双向集中式变换器拓扑图。实现本方案的缺点主要是硬件成本太高，控制技术比较复杂。但是，对于本领域技术人员来说，上述各种目前看来最有可能达到实用化设计的技术最大的问题都是系统结构复杂，制造成本高昂，电池组寿命即使在配备了动态回馈均衡系统后，整组电池寿命仍然是由组内最低寿命单体电池的寿命决定的，上面均衡方案最大的好处是以电动汽车作为主体，电池与车身合为一体，使用过程中基本不更换电池，对混合动力汽车比较适合。然而，对于采用快速更换模式工作的动力电池的需求成为可能的情况下，现有技术中的各种均衡方法及其系统结构并不能有效地应用以实现精确管理，也不能有效降低使用成本和简化实现技术上的难度。所以无论是主动均衡还是被动均衡系统，其出发点都是对电池组中单体电池的不一致性进行均衡操作，但这种操作无论是静态均衡还是动态回馈都加速了其中容量寿命最低电池的工作负荷而加速其老化，或多或少地放大了单体电池间原有的不一致性，使得整组电池寿命由该最低容量寿命的单体电池所决定，从而使得整组电池使用寿命远远小于普通单体电池的寿命，对纯(或插电式)电动汽车或储能系统的电池组(特别是锂电池组)，采取上述方法都不是明智的选择。本发明的发明人经过研究已经意识到，对于纯(或插电式)电动汽车或储能系统的电池(特别是锂电池)组管理系统，由于在传统方法中均衡操作的量越大越多，越加大组内电池单体间的一致性差别，累积的效应是使落后电池加快失效，同时也加速拖垮整组电池。为了解决现有技术中存在的所述问题，本发明提出在保证每个单体电池不过充和过放的前提下尽可能地减少甚至取消对电池单体的均衡操作，而是采用深入到电池组内每个单体电池的荷电水平(SOC)和容量衰减水平(SOH)的精确管理方法和管理系统，结合更换电池模式提供的操作平台，通过智能化和标识化单体电池，对超过一定SOH水平的电池重新配组，这样就可以减少甚至取消目前普遍使用的对电池组内单体电池间的均衡操作工作模式，替代以精确计量单体电池的荷电水平和容量衰减水平实现对单体电池的精确管理，从而无需在电池组内配备充放电均衡操作单元。另外，本发明还要求实现所有单体电池出厂后的唯一可识别性和可追溯性。同时，本发明通过对单体动力电池配置智能电池模块实现了智能电池，毫无疑问智能电池即将被广泛应用于电动汽车领域和新能源的储能系统和其他相关领域。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种通过智能化单体动力电池(为单体动力电池配置智能电池模块)，来监测和精确计量每个单体电池的荷电水平(SOC)和容量衰减水平(SOH)，实现了对不配备充放电均衡操作单元的电池组的精确管理方法和管理系统，以及另一个目的是提供应用于上述方法和系统中的智能电池模块。本发明通过上述管理方法和管理系统解决了现有的电池组运行期间需要使用各种均衡操作手段、反而加大和累积电池组内电池单体间的一致性差别、使落后电池加快失效、同时也加速拖垮整组电池的技术弊端。 为了实现上述目的，本发明的精确电池管理方法包括以下步骤(a)智能电池模块或芯片植入或固定于单体新电池，并写入唯一标识码或地址码；(b)初始化单体新电池的智能电池模块；(c)单体新电池和智能电池模块连接智能充放电设备,单体新电池可按设定或规范要求充满电，然后完成单体新电池启用前的自学习操作；(d)智能电池模块向电池运营数据中心上传单体电池自学习后的参数和电池出厂时的设计参数，完成单体电池在所述电池运营数据中心的注册登记；(e)电池运营数据中心根据其数据库内注册的单体电池的各种参数，完成数据库内单体电池的配组，完成配组后的电池组等待接入启用；(f)完成配组的电池组接入电动汽车或储能系统启用后，系统主机控制单元与每个智能电池模块建立数据交换通道并管理其运行；(g)电池组在运行期间，每个智能电池模块实时计量并同步上传自身荷电水平和电压值，智能电池模块在电池组运行期间还估算自身容量衰减水平的变化，其中以上的电池数据作为系统主机控制单元管理电池组的依据，也作为电池组在自充放电模式下与电网双向结算费用的依据；(h)电池组在运行期间每次充电或放电，以电池组内实时电压最高或最低的单体电池作为充电或放电的截止标准；(i)电池组运行期间单体电池电压最高者和最低者的荷电水平差值超过设定阈值，系统主机控制单元则发出维护报警或下电指令；(j)电池组下电或离线后，所述电池组与智能充放电设备连接，单体电池的智能电池模块上传电池标识码、最新荷电水平和容量衰减水平，作为本组电池更换所需支付电费和电池使用损耗费的依据；(k)智能充放电设备对电池组中每个单体电池完成荷电水平至100%的精确补充电，其中每个单体电池在完成荷电水平达到100%的充电过程中自学习更新自身参数，并通过智能充放电设备向电池运营数据中心上传每个单体电池自学习后的数据；
(m)电池运营数据中心接收单体电池数据后决定电池组重新启用或单体电池重新配组，所述电池数据包括每个单体电池的实际容量和容量衰减水平的偏差值；(η)已完成补充电或重新配组后的电池组等待启用；其中，如果在步骤(m)中判定需要重新配组单体电池，则电池运营数据中心根据其内存储的单体电池最新数据，重新完成单体电池的配组；如果在步骤(m)中判定重新启用电池组，则因已完成补充电而直接待用。从以上所描述的在电池组接入电动汽车或储能系统运行期间的操作可以看出，与传统的技术所不同的是，电池组在运行期间不需要再配备充放电均衡操作单元或充放电均衡模块，这样减少了现有技术中使用的均衡操作并避免了各种均衡手段的使用对电池组产生不利影响的弊端。在本发明的一个实施例中，本发明还提供了实现单体电池智能化的智能电池模 块，该智能电池模块与电池结合实现了具备自学习和更新自身参数能力的智能单体动力电池，所述结合可以是外置或内置实施的。在本发明的另一个实施例中，进一步提供了与本发明所述单体动力电池精确管理实现方法相适应的单体电池智能化、电池运行、电池维护及电池数据交换的智能电池管理系统，如图9、图10所示。通过阅读本发明的说明书以及附图可以得出本发明的有益效果，本发明所述单体动力电池精确管理方法和系统可以实现电池组在接入车载或储能系统的使用过程中不配备充放电均衡操作单元，解决现有动力电池管理方法和系统中在电池组运行期间使用的各种均衡操作手段带来的加大和累积电池组内电池单体间的一致性差别、并且使落后电池加快失效、加速拖垮整组电池的技术弊端。本发明除了实现动力电池组包括荷电水平、单体电池容量衰减水平在内的精确电池管理功能外，还可以实现单体电池智能模块在整个寿命期的自学习数据更新和存储，并且可以使用每个单体电池内智能模块保存的出厂时的厂家设计参数和自身实时自学习更新后的荷电水平、容量衰减水平、充电/放电比率数据、实际容量，作为电池离线后每个单体的维护或者重新配组的信息依据，从而实现单体电池的重新排列组合，最大限度地保护和利用所有电池的剩余工作寿命。


通过参考以下附图详细地描述本发明的实施例，本发明的特征和优点将被实现和变得更加清楚。应该注意到，在本发明说明书中用相同或相似的附图标记表示相同的单元、部件或步骤或功能，其中图I描述实现单体动力电池精确管理方法的示意流程图；图2详细描述单体新电池的初始自学习及数据登记、配组的示意流程图；图3详细描述配组后不配备充放电均衡操作单元的电池组的电池管理示意流程图；图4详细描述电池组下电或离线后维护、补充电和单体电池智能模块自学习、重新配组示意流程图；图5描述包括在智能电池中的实现单体电池精确管理的智能电池模块结构示意图6描述现有技术中一种采用主动平衡法的结构示意图；图7描述现有技术中另一种均衡方法的结构示意图；图8描述一种现有技术中的双向集中式变换器拓扑图；图9描述在更换电池模式下操作的智能电池管理系统的结构示意图；图10描述在自充/放电模式下操作的智能电池管理系统的结构示意图。
具体实施例方式在本发明的实施例中，本发明人注意到在容量水平衰减的过程中，大部分情况下会出现内阻的上升，由于内阻测试的硬件要求高，且不确定性也大，因此本发明提出可以用电池满充电后完全放电所放出的容量与再完全充满电所需充入的容量之比替代，这个容量比在本发明中称为电池充电/放电比率，这就要求电池不但要实现可识别ID和输入如自身 品牌、类型、容量、使用寿命、容量温度系数、自放电率这样的设计制造参数和记录充放电次数，更需要在整个电池使用寿命期中不断地学习和更新电池的容量衰减水平和代表电池内阻增加的充电/放电比率，这个过程贯穿整个电池使用寿命的始终，也就是本发明所述的单体动力电池自学习过程，具备自学习功能的电池才可称为真正的智能电池。这里，还应该注意到电池的整个寿命周期过程本质上或实际上就是一个各项参数逐渐劣化的过程，具体表现就是容量水平的衰减，即通过SOH衰减来表征电池的寿命周期。电池容量衰减水平在电池刚开始启用(在配组之前)时定义为SOH= 1，本领域技术人员一般设定电池容量衰减水平下降到其初始容量水平的某一百分比率为电池使用寿命终结点，例如设定电池容量水平下降到其初始容量水平的70%时为电池的使用寿命终结点，则此时的SOH = O. 7。图I所示为本发明所述是实现单体动力电池精确管理方法的示意流程图。参见图I所示，在步骤S01，智能电池模块(或芯片)植入或固定于单体新电池，并写入唯一标识码(或地址码)。在步骤S02，初始化单体新电池的智能电池模块。在完成初始化单体新电池的步骤之后，本发明方法进行到步骤S03，单体新电池两极和智能电池模块连接智能充放电设备，单体新电池可按设定或规范要求充满电，然后完成单体新电池启用前的自学习操作。完成自学习后，在步骤S04，智能模块向电池运营数据中心上传单体电池自学习后的参数和电池出厂时的设计参数，完成单体电池在所述电池运营数据中心的注册登记。在步骤S05，电池运营数据中心根据其数据库内注册的单体电池的各种参数,完成数据库内单体电池的配组。在上述步骤完成后配组后的电池组等待接入启用。接下来，在步骤S06，配组后的电池组接入启用。在步骤S07，系统主机控制单元与组内每个智能电池模块建立数据交换通道并管理其运行。电池组在运行中，在步骤S08，每个单体电池智能模块实时计量并同步上传自身荷电水平和电压值，单体电池智能模块在电池组运行期间还估算自身容量衰减水平的变化，以上的电池数据作为系统主机控制单元管理电池组的依据，也作为电池组在自充放电模式下充电/放电桩或自备充放电机管理电池组充放电和与电网双向结算费用的依据。在步骤S09，电池组在运行期间每次充电或放电，以组内实时电压最高或最低的单体电池作为充电或放电的截止标准。进一步，在步骤S10，电池组运行中单体电池电压最高和最低者荷电水平差值超过设定阈值，系统主机控制单元发维护报警或下电指令。之后，在步骤Sll，电池组下电或离线。下面本发明的方法进行到步骤S12，在该步骤电池组与智能充放电设备连接，单体电池上传电池标识码、最新荷电水平和容量衰减水平，作为本组电池更换所需支付电费和电池使用损耗费的依据。接下来，在步骤S13，电池组中每个单体电池完成荷电水平至100%的精确补充电。在步骤S14，每个单体电池在完成荷电水平达到100%的充电过程中自学习更新自身参数，并通过智能充放电设备向电池运营数据中心上传每个单体电池自学习后的数据。在步骤S15，电池运营数据中心接收单体电池数据后决定电池组重新启用或单体电池重新配组，所述电池数据包括每个单体电池的实际容量、容量衰减水平偏差值。如果在步骤S15中判定需要重新配组电池组内的单体电池，则本发明方法进行到步骤S16，电池运营数据中心根据其内存储的单体电池最新数据，重新完成单体电池的配组。如果在步骤S15中判定重新启用电池组，则因步骤S13中已完成补充电而直接进入步骤S17。步骤S17为已完成补充电或重新配组后的电池组等待启用。图2进一步详细所示为本发明单体新电池在启用前的初始自学习及数据登记、配组的示意流程图。首先，在步骤SOOl，在单体新电池上固定(外置)或在电池内植入(内置)一个写入唯一地址码或标识码的智能电池模块(或芯片)，实现单体新电池的可识别化。 在步骤S002，初始化单体电池的智能电池模块。初始化过程包括输入当前时间、命令电池智能模块开始正常工作，输入诸如单体电池制造商或品牌、出厂或制造完成日期、电池类型、标称容量(设计容量)、使用寿命、容量温度系数、自放电系数这些电池出厂时的设计参数，并将上述参数由智能电池模块存储在非易失性存储器内。在步骤S003，在完成初始化单体新电池的步骤之后，单体新电池两极和智能电池模块连接智能充放电器或智能充放电设备，单体新电池按设定或规范要求充满电，然后完成单体新电池启用前的自学习操作。具体操作为首先单体电池按照设定或标准要求作满充电操作，该单体电池智能模块确认自身荷电水平为100 %后向智能充/放电设备发出全放电然后再全充电的操作指令，由本发明的智能电池模块完成对一个单体电池从全放电再到全充电的自学习过程，然而该自学习过程也可以从全充电到全放电反方向进行。随后，所述智能电池模块计算全放电和全充电过程单体电池所放出和充入的实际容量并且由此计算得出充电/放电比率数据，在其自身的非易失性存储器内存储所述实际容量和充电/放电比率数据，单体新电池启用前的自学习完成，即完成单体新电池的初始自学习。在步骤S004，完成自学习后的单体新电池智能模块通过主处理器读取其自身非易失性存储器、经由自身数据总线串口或通过连接中的智能充放电设备，向电池运营数据中心上传在步骤S002中所述的包括自身标识码在内的电池出厂时的设计参数，以及经过步骤S003中自学习过程所确认的单体电池实际容量和充电/放电比率数据，完成智能单体新电池向电池营运数据中心或电池运营网络数据库的注册登记。在步骤S005，电池运营数据中心(或电池运营网络数据库)存储每个单体电池上传的出厂设计参数数据和自学习参数数据，根据所述数据库内注册的单体电池的出厂设计参数数据，并按照实际容量、容量衰减水平、充电/放电比率数据和自放电系数来筛选已注册登记的单体电池，从而配置成上述参数容差水平能够达到设计要求的电池组。这里应该注意到，电池容量衰减水平在电池刚开始启用(在配组之前)时定义为SOH= I。在步骤S006，完成上述配组步骤之后不配备充放电均衡操作单元(或充放电均衡模块)的电池组等待接入启用，而在本发明实施例中，所述电池组等待接入电动汽车或储能系统启用。图3所示为本发明所述实现单体动力电池精确管理方法中的第二部分，即配组后不配备充放电均衡操作单元的电池组在例如车载或储能系统中使用的电池管理方法流程图。首先，电池组接入启用，在本发明实施例中所述电池组接入电动汽车或储能系统启用。接下来，本发明的方法进行到步骤S007，在该步骤中电池组内每个电池的智能电池模块与电动汽车或储能系统的主控制单元(也可以称为系统主机控制单元)之间，通过总线(如CAN总线、RS485总线等)、或者通过电池间电线使用电力线载波技术传输信号、或者在智能电池模块内使用无线通信技术，诸如CDMA、FDMA等多址传输技术，实现电池组运行中单体电池的智能电池模块与电动汽车或储能系统主控制单元之间的数据交换和由此建立数据交换通道，电动汽车或储能系统主控制单元检测电池组充放电电流并通过数据总线传送到每个智能电池模块，由电动汽车或储能系统主控制单元据此管理整个电池组的运行。
在步骤S008，电池组在运行(放电和充电过程)中，每个单体电池的智能电池模块接收从电动汽车或储能系统主控制单元发出的电池组实时充放电电流数据，根据电池组充、放电量和次数、开路闲置时间，计算单体电池实时荷电水平(SOC)和估算容量衰减水平(SOH)的变化，存储在自身非易失性存储器内，并同步地向所述电动汽车或储能系统主控制单元上传包括采集的单体电池实时电压、荷电水平和容量衰减水平在内的实时电池数据作为其管理电池组的依据，其中开路闲置时间由单体电池智能模块主处理器确定。当智能电池组在电动汽车或储能系统中的自充放电模式下作充放电操作时，每个单体电池的智能电池模块接收从充/放电桩或自备充/放电机发出的电池组实时充放电电流数据，并同步地向所述充/放电桩或自备充/放电机上传包括采集的单体电池实时电压、荷电水平，作为所述充/放电桩或自备充/放电机对电池组进行充放电管理和操作的依据，也作为电池组充电须向电网支付的费用或电池组向电网馈电所能从电网获得报酬的计费依据。在步骤S009，电池组在运行中每次充电时，电动汽车或储能系统主控制单元以电池组内实时电压最高的单体电池作为充电截止的参考指标。本领域技术人员都知道，参考指标的具体电压值要根据所用种类的电池的最高安全充电电压限值来定，例如，对磷酸铁锂电池以电池组内实时单体电池电压最高不超过3. 6 3. 65V作为整组电池的充电截止点(截止标准)。而电池组在运行中每次放电时，按照电池组内实时电压最低的单体电池作为放电截止的参考指标，同样，参考指标的具体电压值要根据所用种类的电池的最低安全放电电压限值来定，例如，对磷酸铁锂电池以电池组内实时单体电池电压最低不低于2. 3V作为整组电池的放电截止点。尽管在本实施例中，本发明以磷酸铁锂电池作为实例说明了如何设置截止标准。但是，本领域技术人员应该注意到，对于除磷酸铁锂电池之外的其他动力电池，可以根据规范和要求设置相关联的充电截止点和放电截止点。在步骤S010，电池组在运行中，电池组内电压最低的单体电池的荷电水平决定了电池组的剩余后备时间或剩余行驶里程(当其被应用于电动汽车时)，并且一旦电池组内充电或者放电时最高电压和最低电压的单体电池间的荷电水平差值超过设定的阈值，电动汽车或储能系统主控制单元向用户发出电池组内单体电池需要维护的报警或下电指令。在步骤SOlI，电池组下电或离线。图4所示为本发明所述实现单体动力电池精确管理方法中的第三部分，即电池组下电或离线后在充、换电站与智能充放电设备连接，完成维护、补充电和自学习数据更新、重新配组的流程图。另外，在更换电池的情况下则向电池运营数据中心或电池运营网络数据库登记最新数据。首先，在步骤S012，电池组或单体电池在充、换电站与智能充放电设备或数据读取设备(例如便携式检测仪)连接，向电池运营数据中心或电池运营网络数据库上传每个单体电池的标识码(或地址码)、最新荷电水平和容量衰减水平，并作为计算电费、电池损耗费及维护的信息依据。接下来，在步骤S013，在电池组或单体电池与上述智能充放电设备连接时建立数据交换通道，并对串联的电池组中的单体电池进行初充电。在本实施例中，初充电工作模式是以电池组内实时电压最高的单体电池作为电池组串联充电截止的参考指标，具体电压值要根据所用种类的电池的最高安全充电电压限值来定，例如，对磷酸铁锂电池以电池组内实时单体电池电压最高不超过3. 6 3. 65V作为整组电池的充电截止点。在初充电模式结束后，智能充放电设备切换到对单体电池的精确充电模式，所谓 精确充电工作模式就是由每个单体电池智能模块向智能充放电设备上传自身单体电池实际的电压和荷电水平S0C，智能充电设备控制对每个单体电池的精确充电直至每个单体电池的荷电水平SOC达到100%。或者直接由智能充放电设备对每个单体电池精确充电至每个电池的荷电水平SOC达到100%，这样，要求智能充放电设备具备对电池组内每个单体电池进行精确控制充放电的功能，每个单体电池都完成精确补充电的过程。在步骤S014，每个单体电池在完成荷电水平SOC达到100%的充电过程中智能电池模块重新自学习并更新自身参数，并在充电完成后通过智能充放电设备向电池运营数据中心或电池运营网络数据库上传每个单体智能电池自学习后的数据。在步骤S015，电池运营数据中心或电池运营网络数据库按照重新自学习后电池组内的每个单体电池的实际容量、容量衰减水平偏差值，决定是否重新启用电池组或判定需要对电池组内单体电池重新配组。更进一步地，本发明的上述方法还可以决定是否对个别电池再进行自学习以校正
相关重要参数。如果在步骤S015中判定需要重新配组电池组内的单体电池，则本发明方法进行到步骤S016，电池运营数据中心或电池运营网络数据库根据其内存储的单体电池最新数据，重新完成单体电池的配组。如果在步骤S015中判定重新启用电池组，则因电池组已在步骤S013中完成补充电，直接进行到步骤S017。在步骤S017，已完成补充电或重新配组后的电池组等待启用。以上描述的本发明电池管理方法在更换电池模式下的操作流程。但是在本发明的实施例中，所述电池组在单体电池一致性差别没有达到需要更换电池组的正常营运中，则可以随时接入充电/放电桩或自备充放电机，完成电池组的补充电或向电网馈电的操作。此时，当电池组在自充/放电模式下操作时，可以省略向电池运营数据中心发送单体电池最新数据和重新配组等相关联的步骤。本发明在对单体电池自学习和配组前需要在单体新电池的智能电池模块的非易失性存储器内、写入唯一标识码和存储电池出厂时的设计参数，这个过程是为后续单体电池智能化和自学习、从而实现单体电池整个寿命期以自身电池管理数据和指令进行精确管理的目的。因此，以上描述的在单体电池上固定或在单体电池内植入的一个写入唯一地址码或标识码的智能电池模块，使电池成为具有自学习功能、可精确管理的真正意义上的智能电池。下面将详细描述实现单体电池精确管理方法的智能电池模块(或芯片)。如图5所示，根据本发明的所述放置于单体电池上或其内的智能电池模块包括主处理器I、非易失性存储器2、采集模块3、通信模块4四个部分，其中主处理器I负责智能电池模块对单体电池的荷电水平和容量衰减水平作实时精确计量，并通过通信模块同步上传自身荷电水平和电压值，以及在电池组运行期间估算的自身容量衰减水平的变化，以上的电池数据作为系统主机控制单元管理电池组的依据，该主处理器可以是由单片机、DSP、FPGA或专用集成电路ASIC等实现；存储器2是用于存储单体电池在电池运营数据中心中区别于其他单体电池的唯一可识别ID码、以及存储单体电池出厂时厂家的设计参数和寿命周期中自学习后需要更新的数据的非易失性存储器；采集模块3利用主处理器I片内提供的资源，例如所述资源包括电压采集单元、温度采集单元，更详细而言，电压采集单元采用主处理器I片内AD采样，引线到单体电池正负两极间采集电池电压数据，而温度采集使用主处理器I内集成的温度传感器，从而通过温度传感器直接监测所在位置点的温度 数值；通信模块4的工作模式可以采用各种数据总线，如RS485、RS422、RS232、CAN串行数 据传输总线，也可以采用RFID (无线射频识别技术)、CDMA (码分多址)、FDMA (频分多址)无线发送数据传输方式，或者PLC(电力线载波)数据传输方式，这些总线或数据传输方式都可以形成单体电池智能模块与电动汽车或储能系统的主控制单元之间的数据传输和读写通道，电动汽车或储能系统主控制单元检测电池组充放电电流并通过数据总线传送到每个智能电池模块。为了简化起见，图5中仅仅示例了智能电池模块的通信模块4与电动汽车或储能系统的主控制单元之间的连接。但是本发明并不局限于此，除作为实例的图示之夕卜，上述单体电池智能模块的通信模块还可以根据本发明的电池管理方法与智能充放电设备连接以执行相应的操作，例如进行数据交换。电池智能模块通过主处理器读取其自身非易失性存储器内数据、经由自身数据总线串口或通过连接中的智能充放电设备，向电池运营数据中心上传包括自身标识码在内的电池出厂时的设计参数，以及经过自学习过程所确认的单体电池实际容量和充电/放电比率数据，完成智能单体新电池向电池营运数据中心或电池运营网络数据库的注册登记。在本发明实施例以上描述的智能充放电设备中，其所包括的每个智能充放电模块都可以被设计成只具有单独充电功能和同时具有充电/放电双向功能的电力电子功能模块，以满足不同电池充换电站和电池出厂测试及维护的不同需求，因此，不同于更换电池模式中的操作，在电池组中的单体电池一致性差别没有达到需要更换要求的电池组正常营运期间，为了满足电动汽车在普通停车场和在住所的充电或向电网馈电的需求，也就是说为了使得可以随时接入充/放电桩或自备充/放电机完成电池组的补充电操作，此类充/放电桩或自备充/放电机结构的操作模式被称为自充/放电模式。作为一个实例，参考附图10描述的自充/放电模式下操作的智能电池管理系统。如图9和图10所示，本发明还描述了与本发明所述单体动力电池精确管理实现方法相关的单体电池智能化、电池运行、电池维护及电池数据交换的电池管理系统，其中图9是在更换电池模式下操作的智能电池管理系统的结构示意图，图10是在自充/放电模式下操作的智能电池管理系统的结构示意图。
在图9所示的在更换电池模式下操作的系统结构示意图中，所述电池管理系统由智能电池组、系统主机控制单元、连接开关、智能充放电设备、智能电池运营数据中心、和系统负载构成。系统主机控制单元和系统负载位于电动汽车或储能系统中。其中智能电池组由多个智能电池经由通信总线和充放电功率回路(如图中所示电流线)连接构成；连接开关(Kl，K2，K3，K4)，用于电池组及其中每个单体电池的通信总线与系统主机控制单元及智能充放电设备间的连接，以及用于电池组充放电功率回路与系统负载及智能充放电设备间的连接；智能充放电设备，用于连接单体新电池和单体新电池的被初始化的智能电池模块，并按设定或规范要求给单体新电池充满电，然后完成单体新电池启用前的自学习操作，其中所述智能电池模块用于向电池运营数据中心上传单体电池自学习后的参数和电池出厂时的设计参数；电池运营数据中心，用于存储每个单体电池上传的设计参数和自学习参数，并根据其数据库内注册的单体电池的各种参数，完成数据库内单体电池的配组，完成配组后的电池组等待接入启用；所述连接开关的其中一组连接开关在完成配组的电池组装入电动汽车或储能系统后被闭合而另一组连接开关处于断开状态，每个电池的智能电池模块与系统主控制单元之间建立数据交换通道和实现数据交换；所述智能电池模块，用于电池组在运行期间计算单体电池实时荷电水平和估算容量衰减水平的变化，同步地向所述系统主控制单元上传包括采集的单体电池实时电压、荷电水平和容量衰减水平在内的实时电池·数据作为其管理电池组的依据；所述系统主控制单元，是电动汽车或储能系统运行的控制中心，同时根据每个单体电池上传的实施数据管理电池组，并在电池组内充电或者放电时最高电压和最低电压的单体电池间的荷电水平差值超过设定的阈值的情况下，向用户发出电池组内单体电池需要维护的报警或下电指令；电池组下电或离线后，所述电池组与智能充放电设备连接，单体电池的智能电池模块上传电池标识码、最新荷电水平和容量衰减水平，此时其中的一组连接开关被断开，而另一组开关分别连接智能充放电设备通信总线和功率回路，完成电池组和单体电池的补充电、维护及电池数据交换；智能充放电设备，这时用于对每个单体电池完成荷电水平达到100%的补充电过程，在此过程中所述智能电池模块重新自学习并更新自身参数，和在充电完成后通过智能充放电设备向电池运营数据中心或电池运营网络数据库上传每个单体智能电池自学习后的数据，电池运营数据中心，则按照重新自学习后电池组内的每个单体电池的实际容量、容量衰减水平偏差值，决定是否重新启用电池组或判定需要对电池组内单体电池重新配组。具体而言，其中，Kl和K3分别是电池组及其中每个单体电池的通信总线与系统主机控制单元(电动汽车或储能系统主控制单元)及智能充放电设备的连接开关，而，K2和K4分别是电池组充放电功率回路与电动汽车或储能系统负载及智能充放电设备间的连接开关。进一步地说明，如附图9所述智能充放电设备位于充换电站中，在本发明的方法实施例中所描述的，电池运营数据中心或电池运营网络数据库(图中未示出)存储每个单体电池上传的出厂设计参数数据和自学习参数数据，根据数据库内注册的单体电池的出厂设计参数数据，并按照实际容量、容量衰减水平、充电/放电比率数据和自放电系数筛选已注册登记的单体电池，从而配置成上述参数容差水平能够达到设计要求的电池组。完成配组的电池组装入电动汽车或储能系统后，闭合Kl和K2开关而K3和K4开关处于自然断开状态，在这种开关状态下，电池组内每个电池的智能电池模块与电动汽车或储能系统主控制单元之间建立数据交换通道和实现数据交换。一旦电池组需要更换或离线维护，则断开Kl和K2开关，Κ3和Κ4开关分别连接充换电站的智能充放电设备通信总线和功率回路，完成电池组和单体电池的补充电、维护及电池数据交换工作，而充换电站中的智能充放电设备通过本地通信网络或互联网与智能电池营运数据中心交换电池组及每个单体电池充电前后或维护前后的相关数据，完成电池运营数据中心内每个单体电池存储数据的更新和电池用户更换电池的计费和支付工作。在Kl和Κ2开关断开而Κ3和Κ4开关闭合连接的状态下，每个单体电池在完成荷电水平达到100 %的充电过程中智能电池模块重新自学习并更新自身参数，和在充电完成后通过智能充放电设备向电池运营数据中心或电池运营网络数据库上传每个单体智能电池自学习后的数据。例如，对于下电或离线后的电池组，电池运营数据中心或电池运营网络数据库可以根据其内存储的单体电池最新数据，重新完成单体电池的配组。图10所示为在自充/放电模式下操作的系统结构示意图，与图9所示的智能电池管理系统结构基本上相似，是最适合于目前广泛试点中的充电和快速充电模式的系统结构示意图，图10中Kl和Κ2是在线运行中的电池组与充/放电桩或自备充/放电机间的通信总线和功率回路间的开关，而省略了图9中所示的电池组与电动汽车或储能系统主控制 单元及负载间的连接开关。电池组在单体电池一致性差别没有达到需要更换电池组的正常营运中，可以随时接入充/放电桩或自备充/放电机的通信总线和功率回路，完成电池组的补充电或向电网馈电的操作。另外，该智能充放电设备位于充/放电桩或自备充/放电机中，在该实施例中可以根据不同的需求，所述智能充放电设备被设计成包括具有单独充电功能的充电模块(这时也称为智能充电设备)和同时具有充电和放电回馈两种功能的充放电模块。更进一步，位于充/放电桩和自备充/放电机中的智能充放电设备(如图10所示)也可以通过本地通信网络或互联网与智能电池营运数据中心(图中未示出)交换电池组及每个单体电池充放电前后的相关数据，完成电池充电或向电网馈电的计费和支付操作。尽管在图9和图10中的开关KU Κ2、Κ3、Κ4画成分列器件，但是根据实际操作要求还完全可以设计成满足工信部相关接口和充放电站通用要求的标准连接器。尽管以上说明书详细描述实现本发明的优选实施例，但是将会明白本发明并不局限于这里所示和描述的特定实施例，而是在不背离附属权利要求书所定义的本发明范围或精神的条件下可以作出各种改变和修改。本领域技术人员将意识到这些改变或修改都在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种实现单体动力电池精确管理的方法，其特征在于该方法包括以下步骤 (a)智能电池模块或芯片植入或固定于单体新电池，并写入唯一标识码或地址码； (b)初始化单体新电池的智能电池模块； (C)单体新电池和智能电池模块连接智能充放电设备，单体新电池可按设定或规范要求充满电，然后完成单体新电池启用前的自学习操作； (d)智能电池模块向电池运营数据中心上传单体电池自学习后的参数和电池出厂时的设计参数，完成单体电池在所述电池运营数据中心的注册登记； (e)电池运营数据中心根据其数据库内注册的单体电池的各种参数,完成数据库内单体电池的配组，完成配组后的电池组等待接入启用； (f)完成配组的电池组接入电动汽车或储能系统启用后，系统主机控制单元与每个智能电池模块建立数据交换通道并管理其运行； (g)电池组在运行期间，每个智能电池模块实时计量并同步上传自身荷电水平和电压值，智能电池模块在电池组运行期间还估算自身容量衰减水平的变化，其中以上的电池数据作为系统主机控制单元管理电池组的依据，也作为电池组在自充放电模式下充电/放电桩或自备充放电机管理电池组充放电和与电网双向结算费用的依据； (h)电池组在运行期间每次充电或放电，以电池组内实时电压最高或最低的单体电池作为充电或放电的截止标准； (i)电池组运行期间单体电池电压最高者和最低者的荷电水平差值超过设定阈值，系统主机控制单元则发出维护报警或下电指令； (j)电池组下电或离线后，所述电池组与智能充放电设备连接，单体电池的智能电池模块上传电池标识码、最新荷电水平和容量衰减水平，作为本组电池更换所需支付电费和电池使用损耗费的依据； (k)智能充放电设备对电池组中每个单体电池完成荷电水平至100%的精确补充电，其中每个单体电池在完成荷电水平达到100%的充电过程中自学习更新自身参数，并通过智能充放电设备向电池运营数据中心上传每个单体电池自学习后的数据； (m)电池运营数据中心接收单体电池数据后决定电池组重新启用或单体电池重新配组，所述电池数据包括每个单体电池的实际容量和容量衰减水平的偏差值； (η)已完成补充电或重新配组后的电池组等待启用； 其中，如果在步骤(m)中判定需要重新配组单体电池，则电池运营数据中心根据其内存储的单体电池最新数据，重新完成单体电池的配组； 如果在步骤(m)中判定重新启用电池组，则因已完成补充电而直接待用。
2.按照权利要求I所述的实现单体动力电池精确管理的方法，其特征在于所述电池精确管理方法在更换电池模式下操作，所述初始化步骤(b)包括输入当前时间、命令电池智能模块开始正常工作，输入包括单体电池制造商或品牌、出厂或制造完成日期、电池类型、标称容量、使用寿命、容量温度系数、自放电系数在内的电池出厂时的设计参数，并将上述参数由智能电池模块存储在其非易失性存储器内，以及所述自学习操作(c)，其包括由智能充/放电设备对单体电池完成一个按照设定标准认可的满充电操作，该单体电池智能模块确认自身荷电水平为100%后向智能充/放电设备发出全放电然后再全充电的操作指令，从而由智能电池模块完成对一个单体电池从全放电再到全充电或从全充电到全放电的自学习过程，所述智能电池模块计算全放电和全充电过程单体电池所放出和充入的实际容量并且由此计算并存储得出的充电/放电比率数据。
3.按照权利要求I或2所述的实现单体动力电池精确管理的方法，其特征在于注册登记步骤(d)进一步包括完成自学习后的单体新电池智能模块通过主处理器读取、经由自身数据总线串口或通过连接中的智能充放电设备，向电池运营数据中心上传电池出厂时的设计参数，以及经过自学习步骤所确认的单体电池实际容量和充电/放电比率数据，完成智能单体新电池的注册登记，以及所述配组步骤(e)进一步包括电池运营数据中心或电池运营网络数据库存储并根据注册的单体电池的出厂设计参数数据，并按照实际容量、容量衰减水平、充电/放电比率数据和自放电系数来筛选已注册登记的单体电池，从而配置成上述参数容差水平能够达到要求的电池组，这里，对于刚出厂的新电池，其容量衰减水平SOH = I。
4.按照权利要求3所述的实现单体动力电池精确管理的方法，其特征在于步骤(f)还包括步骤电池组内每个电池的智能电池模块与电动汽车或储能系统主控制单元之间，通 过包括CAN总线、RS485总线在内的总线、或者通过电池间电线使用电力线载波技术传输信号、或者在智能电池模块内使用无线多址传输技术建立数据交换通道，电动汽车或储能系统主控制单元检测电池组充放电电流、并通过数据总线传送到每个智能电池模块。
5.按照权利要求4所述的实现单体动力电池精确管理的方法，其特征在于步骤(g)还包括步骤电池组在放电和充电过程中，每个单体电池的智能电池模块接收从电动汽车或储能系统主控制单元发出的电池组实时充放电电流数据，根据电池组充、放电量和次数、开路闲置时间，计算并存储单体电池实时荷电水平和估算容量衰减水平的变化，以及同步地向所述电动汽车或储能系统主控制单元上传包括采集的单体电池实时电压、荷电水平和容量衰减水平在内的实时电池数据作为其管理电池组的依据。
6.按照权利要求5所述的实现单体动力电池精确管理的方法，其特征在于步骤(g)还进一步包括当智能电池组在电动汽车或储能系统中的自充放电模式下作充放电操作时，每个单体电池的智能电池模块接收从充/放电桩或自备充/放电机发出的电池组实时充放电电流数据，并同步地向所述充/放电桩或自备充/放电机上传包括采集的单体电池实时电压、荷电水平，作为所述充/放电桩或自备充/放电机对电池组进行充放电管理和操作的依据，或作为电池组充电须向电网支付的费用或电池组向电网馈电所能从电网获得报酬的计费依据。
7.按照权利要求5所述的实现单体动力电池精确管理的方法，其特征在于步骤(k)还进一步包括由所述智能充放电设备对串联的电池组中的单体电池进行初充电，该初充电工作模式是以电池组内实时电压最高的单体电池作为电池组串联充电截止的参考指标；在初充电模式结束后，智能充放电设备切换到对单体电池的精确充电模式，在该模式中由每个单体电池智能模块向智能充放电设备上传自身单体电池实际的电压和荷电水平S0C，智能充放电设备控制对每个单体电池的精确充电或直接由智能充放电设备对每个单体电池精确充电，直至每个单体电池的荷电水平SOC达到100%，所述智能充放电设备具备对电池组内每个单体电池进行精确控制充放电的功能。
8.一种用于实现按照权利要求1-7其中之一所述的单体动力电池精确管理方法的电池精确管理系统，其特征在于所述电池精确管理系统由智能电池组、电动汽车或储能系统的系统主机控制单元和负载、连接开关、智能充放电设备、电池运营数据中心构成，其中所述智能电池组由多个单体动力电池经由通信总线和充放电功率回路连接构成； 连接开关(κ ，K2，K3，K4)，用于电池组及其中每个单体电池的通信总线与系统主机控制单元及智能充放电设备间的连接，以及用于电池组充放电功率回路与系统负载及智能充放电设备间的连接； 智能充放电设备，用于连接单体新电池和单体新电池的被初始化的智能电池模块，并按设定或规范要求给单体新电池充满电，然后完成单体新电池启用前的自学习操作，其中 所述智能电池模块用于向电池运营数据中心上传单体电池自学习后的参数和电池出厂时的设计参数； 电池运营数据中心，用于存储每个单体电池上传的设计参数和自学习参数，并根据其数据库内注册的单体电池的各种参数，完成数据库内单体电池的配组，完成配组后的电池组等待接入启用； 所述连接开关的其中一组连接开关在完成配组的电池组装入电动汽车或储能系统后被闭合而另一组连接开关处于断开状态，每个电池的智能电池模块与系统主控制单元之间建立数据交换通道和实现数据交换； 所述智能电池模块，用于在电池组在运行期间计算单体电池实时荷电水平和估算容量衰减水平的变化，同步地向所述系统主控制单元上传包括采集的单体电池实时电压、荷电水平和容量衰减水平在内的实时电池数据作为其管理电池组的依据； 所述系统主控制单元，用于管理整组电池的运行，并且在电池组内充电或者放电时最高电压和最低电压的单体电池间的荷电水平差值超过设定的阈值的情况下，向用户发出电池组内单体电池需要维护的报警或下电指令； 电池组下电或离线后，所述电池组与智能充放电设备连接，单体电池的智能电池模块上传电池标识码、最新荷电水平和容量衰减水平，此时其中的一组连接开关被断开，而另一组开关分别连接智能充放电设备通信总线和功率回路，完成电池组和单体电池的补充电、维护及电池数据交换； 智能充放电设备，这时用于对每个单体电池完成荷电水平达到100 %的补充电过程，在此过程中所述智能电池模块重新自学习并更新自身参数，和在充电完成后通过智能充放电设备向电池运营数据中心或电池运营网络数据库上传每个单体智能电池自学习后的数据，电池运营数据中心，则按照重新自学习后电池组内的每个单体电池的实际容量、容量衰减水平偏差值，决定是否重新启用电池组或判定需要对电池组内单体电池重新配组。
9.按照权利要求8所述的电池精确管理系统，其特征在于 所述电池精确管理系统在更换电池模式下操作，所述智能充放电设备所包括的每个智能充放电模块都被构造成具有充电/放电双向功能的电力电子功能模块，以使电网向电池或电池组充电、电池或电池组向电网进行双向馈电操作和实施计费。
10.按照权利要求8所述的电池精确管理系统，其特征在于 所述电池精确管理系统在自充/放电模式下操作，该系统还包括充/放电桩或自备充/放电机，用于在电池组在单体电池一致性差别没有达到需要更换电池组的正常营运中，所述电池组随时接入充/放电桩或自备充/放电机的通信总线和功率回路，并由位于其中的智能充放电设备完成对电池组的补充电或向电网馈电的操作，在这种模式下所述电池组与系统主控制单元及负载间的连接开关被省略，所述智能充放电设备所包括的每个智能充放电模块被构造成具有充电/放电双向功能的电力电子模块，以使电网向电池或电池组充电、电池或电池组向电网进行双向馈电操作和实施计费；或者其被构造成只具有充电功能的电力电子模块。
11. 一种用于实现根据权利要求1-7所述的电池精确管理方法和根据权利要求8-10所述的电池精确管理系统的智能电池模块，其特征在于 所述智能电池模块包括主处理器、非易失性存储器、采集模块、通信模块四个部分，其中 主处理器，用于对单体电池的荷电水平和容量衰减水平作实时精确计量，并通过通信模块同步上传自身荷电水平和电压值，以及在电池组运行期间估算自身容量衰减水平的变化，以上的电池数据作为系统主机控制单元管理电池组的依据，该主处理器由单片机、DSP、FPGA或专用集成电路ASIC其中之一构成； 存储器，用于存储单体电池在电池运营数据中心中区别于其他单体电池的唯一可识别ID码、以及存储单体电池出厂时厂家的设计参数和寿命周期中自学习后需要更新的数据的非易失性存储器； 采集模块，用于利用主处理器片内提供的资源，所述资源包括电压采集单元、温度采集单元，其中电压采集单元采用主处理器片内AD采样，引线到单体电池正负两极间采集电池电压数据，而温度采集使用主处理器内集成的温度传感器，从而通过温度传感器直接监测所在位置点的温度数值； 通信模块，用于形成单体电池与电动汽车或储能系统的主机控制单元和智能充放电设备之间的数据传输和读写通道，其中，该通信模块的工作模式采用包括RS485、RS422、RS232、CAN在内的串行数据传输总线，RFID无线射频识别技术，CDMA、FDMA无线数据传输方式，或者PLC电力线载波数据传输方式，电动汽车或储能系统主控制单元检测电池组充放电电流并通过数据总线传送到每个智能电池模块， 其中，所述主处理器读取其自身非易失性存储器、经由自身数据总线串口或通过连接中的智能充放电设备，向电池运营数据中心上传包括自身标识码在内的电池出厂时的设计参数，以及经过自学习过程所确认的单体电池实际容量和充电/放电比率数据，完成智能单体新电池向电池营运数据中心或电池运营网络数据库的注册登记。
全文摘要
一种通过智能化单体动力电池(为单体动力电池配置智能电池模块或者芯片)，来监测和精确计量每个单体电池的荷电水平(SOC)和容量衰减水平(SOH)，实现对不配备充放电均衡操作单元的电池组的精确管理方法和管理系统，解决目前现有技术中电池组运行期间需要使用各种均衡操作手段、反而加大和累积电池组内电池单体间的一致性差别、使落后电池加快失效、同时也加速拖垮整组电池的技术弊端。
文档编号H02J7/00GK102810878SQ20111014132
公开日2012年12月5日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月30日
发明者孟贞生 申请人:苏州润源电气技术有限公司