具有均衡充放电功能的电池管理系统及其控制方法

专利名称：具有均衡充放电功能的电池管理系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及动力电池组的电池管理系统，尤其涉及一种具有均衡充放电功能的电池管理系统及其控制方法。
背景技术：
随着各国政府和车企对电动汽车项目的重视和投资，一些大的汽车生产商和电池供应商针对各种动力电池做了大量研究和试验，并成功开发出相关的电池管理系统。一、在国外，电动汽车动力电池及其管理技术的研究比较早。比较有代表性的有1、美国通用汽车公司研发的电动汽车EV上的电池管理系统，该系统由电池模块、电池组热管理模块、电池组高压断电保护装置(High Voltage Disconnect)及软件 BPM(Battery Pack Module)组成，其中BPM实现电池组电压电流采集、电量或里程计算、过放电报警等功能。2、美国ACPropulsion公司开发的BatOpt的电池管理系统由多个单节电池监控模块和一个中央控制单元组成，构建成一个分布式结构的系统，通过twowire总线实现电池信息的传送，中央控制单元可根据单节电池信息提供手动和自动充电策略。美国 Aerovironment公司开发的SmartGuard系统是在电池上装有一个分布式的管理装置(专用IC)，能够检测单节电池电压和温度，进行电池信息历史记录和归档，提供最差单体电池的剩余电量信息等。二、在国内，电动汽车电池管理系统方面的研究仍然处于起步阶段。主要是一些高校联合大的汽车生产商和电池供应商共同开展研究，并取得了一定成果1、清华大学为EV-6580型电动客车配套的电池管理系统，可在汽车行驶过程中对电池组充放电电压、电流等参数进行实时监控，防止过充、过放，提高了电池使用寿命和效率，同时还开发了与该系统相配的充电系统。2、北京航空航天大学研制的镍氢电池管理系统主要功能有电池组电压、电流及温度的采集和存储，SOC估算，运行状态判断和电池充放电保护功能等。3、北京星恒电池有限公司和同济大学合作开发的锂离子电池管理系统主要功能有电池电流、电压及温度的采集、SOC估算、事故处理与记录、充电均衡等；深圳雷天公司研发的锂离子动力电池管理系统由管理主机(CPU)、电压电流与温度采集模块和通信接口模块组成。可检测并显示电池组的总电压、总电流、电池箱的温度，对电池过压、欠压、过温、 低温、过流、短路等极限情况进行报警和控制输出，提供RS232和CAN总线接口等。电池管理系统对电动汽车整车的安全运行、整车控制策略选择、充电模式的选择以及运营成本都有很大的影响。无论在车辆运行过程中还是在充电过程中，电池管理系统都要完成电池状态的实时监控和故障诊断，并通过总线的方式告知整车控制器或充电机， 以便采用合理的控制策略，达到有效且高效使用电池的目的。现有电池管理系统有多种拓扑连接方案，其中采用继电器组的方案如图1。该系统由电池和继电器组100、CPU控制单元200、均衡放电模块300和放电电阻400组成；电池
和继电器组100、CPU控制单元200、均衡放电模块300和电池和继电器组100依次闭环连接，均衡放电模块300和放电电阻400连接。其工作原理是由CPU控制单元200选择对应通道的继电器闭合，采样其单体电池电压值，并选择电压较高的单体电池对放电电阻400 放电，起放电均衡作用。由于动力电池组101是由多个单体电池串联组成，由于制造工艺等因素使电池特性不可能完全一致，其单体电池容量按正态分布，同时有高于和低于平均容量的单体电池。如对其全部采用放电均衡，均衡时间较长。由于采用对电阻放电，电池能量利用效率不高，发热量大。另外，整组电池的SOC(电池荷电状态)值取决于SOC值最小的那块单体电池，而SOC值最小的那块单体电池往往是最先充满和最先放完的那块电池，因此单纯采用放电均衡模式很难提高整组电池的SOC值。

发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种具有均衡充放电功能的电池管理系统及其控制方法。本发明的目的是这样实现的一、具有均衡充放电功能的电池管理系统(简称电池管理系统)电池管理系统包括电池和继电器组、CPU控制单元、均衡放电模块；设置有超级电容和均衡充电模块；CPU控制单元和电池和继电器组连接，检测电池和继电器组的工作状况；CPU控制单元、均衡放电模块和电池和继电器组依次连接，控制电池和继电器组的均衡放电；CPU控制单元、均衡充电模块和电池和继电器组依次连接，控制电池和继电器组的均衡充电；超级电容和均衡放电模块连接，储存电池和继电器组的放电能量。本电池管理系统通过建立监控功能模块与充放电均衡模块，对电动汽车实现不同状况下的功能合理分离和有机配合的管理。均衡放电模块的后端负载是超级电容，利用超级电容存储均衡电池的放电电量给电池管理系统和继电器供电。均衡充电模块采用了辅助电源(DC-DC)给电池补充充电。由于采用了充电和放电两种电池均衡方式，利用超级电容放电给电池管理系统(BMS)供电，利用继电器网络实现电池管理系统电源与被检测单体电池之间的相互电气隔离，自举充电和电压测量，降低了功耗、体积和重量，耐机械冲击性较强，实现了电池的无损能量均衡，又没有使用较复杂的能量转换装置，结构简单、实现容易、 并且维护和扩展方便。二、带电池均衡功能的电池管理系统的控制方法(简称控制方法)本控制方法包括下列步骤①上电自检测电池管理系统和相关标定及配置参数；②待超级电容充到一定电压后，开始对单体电池进行继电器巡检，每次只闭合一个继电器，记录每块电池的电压并实时计算单体电池SOC值；③当接入充电机且电池组SOC值不足时，启动充电机按电池对应的充电曲线对电池组充电，在充电过程中，如出现单体电池电压上升太快，则对其进行均衡放电，如出现单体电池电压低于其它电池时，在辅助电源接通的状况下启动均衡充电模块对其进行补充充电，保证电池组尽可能充入多的电量，使SOC值最大；④非充电状态下，在检测有外接辅助电源时，启动均衡充电模块，对SOC值低的单体电池进行补充充电，使整组电池的SOC值上升；⑤非充电状态下，对SOC值较高的单体电池进行均衡放电，给超级电容补充电量， 保证电池管理系统的正常运行；⑥在每继电器扫描周期结束后，检查高压系统对地绝缘状况，并检测和控制电池温度，进行电池热管理；⑦记录充放电相关过程参数，对电池的健康程度评估，给出建议或告警；⑧与上下位机通讯，传递电池数据和设定参数。本发明具有下列优点和积极效果1、在单个集成单元内整合了电池监控、电池均衡、绝缘检测和SOC容量检测等全套电池管理系统，方便用户接线和调试，降低系统的复杂程度；2、均衡充电采用主电池的辅助电源给单体电池充电，而均衡放电利用了超级电容的储能特性给电池管理系统供电，整个控制系统没有额外能量损耗，达到节能环保的目的；3、在关闭辅助电源泊车状况下，电池管理系统完全依靠动力电池供电，不损耗任何备用电池的电力，当出现动力电池组能量也不足的状况时，电池管理系统进入休眠状态， 停止耗电以保护动力电池组，这样保证了电池管理系统一直处于工作状态，电池均衡效果好；4、本发明同时采用了充电和放电两种电池均衡方式，利用超级电容放电给电池管理系统(BMS)供电，利用继电器网络实现电池管理系统电源与单体电池之间的相互隔离， 自举充电和电压测量，降低了功耗，体积和重量也有较大优势，耐机械冲击性较强。实现了电池的无损能量均衡，又没有使用较复杂的能量转换装置，结构简单、实现容易、并且维护和扩展方便。5、本发明的电池管理系统可广泛应用于各种电池组管理，如铅酸电池、锂电池和镍氢电池等，而且支持下位机扩展，可以方便检测和监控多节电池状况。


图1是现有电池管理系统的结构方框图；图2是本发明电池管理系统的结构方框图；图3是动力电池充电曲线图；图4是电池SOC电量估算卡尔曼滤波算法流程图；图5是电池管理系统软件方框图。图中100-电池和继电器组，101-动力电池组，102-继电器组；200-CPU 控制单元；300-均衡放电模块；400-放电电阻；500-超级电容；
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600-均衡充电模块。英译汉1、BMS (Battery Management System)电池管理系统；用来对电池组进行安全监控及有效管理，提高电池的使用效率，增加续驶里程，延长其使用寿命，降低运行成本，进一步提高电池组的可靠性和整车安全性。2, SOC(State of charge)电池荷电状态；是电池的剩余电量。通常把一定温度下蓄电池充电到不能再吸收电量时的状态定义为荷电状态SOC = 100% ；而将蓄电池再不能放出电量时的状态定义为荷电状态SOC = 0%。电池在不同SOC下工作时的电压/电流特性会有很大不同。因此国内外较为普遍采用电池的荷电状态SOC作为电池容量状态描述参数，反映电池的剩余容量，其数值定义为电池的剩余容量占电池容量的比值。
具体实施例方式下面结合附图及实施例详细说明一、电池管理系统1、总体结构如图2所示，电池管理系统包括电池和继电器组100、CPU控制单元200、均衡放电模块300 ；设置有超级电容500和均衡充电模块600 ；CPU控制单元200和电池和继电器组100连接，检测电池和继电器组100的工作状况；CPU控制单元200、均衡放电模块300和电池和继电器组100依次连接，控制电池和继电器组100的均衡放电；CPU控制单元200、均衡充电模块600和电池和继电器组100依次连接，控制电池和继电器组100的均衡充电；超级电容500和均衡放电模块300连接，储存电池和继电器组100的放电能量。2、工作原理电池管理系统巧妙地应用了继电器组102来隔离CPU控制单元200和其它外围部分，如高压绝缘监测和电池的共模高电压等，还利用继电器组102的大电流导通能力实现了均衡充放电功能。电池管理系统上电后自检测和相关标定及配置参数；待超级电容500 充到一定电压后，开始对单体电池进行继电器巡检，每次只闭合一个继电器，记录每块单体电池的电压并实时计算单体电池SOC值；当接入充电机且电池组SOC值不足时，启动充电机按电池对应的充电曲线对动力电池组101充电，在充电过程中，如出现单体电池电压上升太快，则对其进行均衡放电；如出现单体电池电压低于其它电池时，在辅助电源接通的状况下启动均衡充电模块600对其进行补充充电，保证动力电池组101尽可能充入多的电量，使 SOC值最大；在非充电状态下，在检测有外接辅助电源时，启动均衡充电模块600，对SOC值低的单体电池进行补充充电；对SOC值较高的单体电池进行均衡放电，给超级电容500补充电量，保证电池管理系统的正常运行；在每继电器扫描周期结束后，检查高压系统对地绝缘状况，并检测和控制电池温度，进行电池热管理操作；记录充放电相关过程参数，对电池的健康程度评估，给出建议或告警。
3、电池管理系统的各功能块①电池和继电器组100电池和继电器组100包括相互连接的动力电池组101和继电器组102 ；动力电池组101由N个单体电池串联组成，电池类型可以是铅酸电池、铁锂电池、 锂电池或镍氢电池等。在每一个单体电池的正负极上并联一个有双组触点的继电器，该继电器触点的额定电流值设置为电池均衡充放电过程的最大电流。在一套检测装置中，每次只能有一只继电器闭合，形成电压检测和充放电回路，实现串联电池组中单体电池之间的相互隔离。②CPU控制单元200电池管理系统涉及到大量数据的采集和处理，不但数据数量大、电池节数多，而且电池剩余容量卡尔曼滤波算法对运算处理能力和实时性要求较高。本发明的CPU控制单元 200采用美国TI公司最新推出的32位定点数字信号处理器TMS320F28035作为控制芯片。该款DSP拥有32位内核，具有单周期32X 32位硬件乘法器以及单周期指令执行能力，能实现复杂的控制算法。同时还包括功能强大的ADC 模数转换器、专用的高分辨率PWM、高精度片上振荡器、模拟比较器、上电复位与掉电保护等在内的各种集成模块。浮点控制律加速器(CLA)能独立于内核运行复杂的卡尔曼滤波算法来计算电池容量，高精度的12位AD检测单元能精确的测量单体电池电压，电流和温度等模拟信号，使得控制系统具有控制精度高、硬件简单、可靠性高等优点。③均衡放电模块300均衡放电模块300是一个小功率可控的非隔离直流电源模块，输入等于单体电池电压，输出为超级电容500的工作电压，在实际应用中将其充到5. 4V左右，以保证电池管理系统的正常供电，在检测单体电池电压时，将均衡放电模块300和均衡充电模块600关闭以提高电压测量精度。④超级电容500超级电容500为双电层电容器、黄金电容或法拉电容，是一种电化学元件，通过极化电解质来储能。在其储能的过程中并不发生化学反应，其储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。超级电容500能在很小的体积下达到法拉级的电容量，无须特别的充电电路和控制放电电路；和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；在本发明中使用超级电容来存储电池均衡放电过程中的放电量，提供给电池管理系统自身使用，避免了能量浪费，绿色环保。⑤均衡充电模块600均衡充电模块600是一个可控的隔离直流电源模块，输入电源一般为电动汽车的辅助电源，也可以直接使用动力电池组总电压，输出电压等于单体电池电压，输出电流限制为继电器触点能承受的额定电流，当CPU控制单元检测到辅助电源工作时(如点火钥匙接通)，根据控制算法对相应的电池进行均衡充电，该充电模块的辅助绕组同时还提供霍尔电流检测使用的正负隔离电源。二、电池管理系统具体功能针对纯电动汽车，电池管理系统不仅要检测电池相关数据，诸如单体电池电压和电池温度等，而且能够预测剩余电量(SOC)，使司机知道当前的行驶工况，减轻其心理负担，以避免半路抛锚。而对于混合动力车，还要增加预测电池功率强度的功能，以便监控电池的使用工况，在汽车启动或加速时提供足够的输出功率，刹车时电池组能回收更多的能量且不对电池产生伤害。电池的剩余电量直接决定电动汽车的最大续驶里程，而电池的功率强度则直接影响混合动力汽车的加速能力。在电动汽车长期充放电过程中，电池的不一致性会表现越来越明显，SOC值小的单体电池在电池组中总是最先完成充放电过程，相对于同电池组其它电池也是最先失效和损坏的，而且整组电池的SOC值取决于SOC值最小的那块单体电池，因此电池均衡充放电功能显得尤为重要！根据电动汽车电池运行需要以及电池管理系统的主要任务，电池管理系统应完成以下功能1、单体电池电压的检测电池电压测量方案主要有共模测量法和差模测量法。共模测量是选取同一个参考点，然后利用一组精密电阻等比例衰减测量电压，测量各节点电压然后依次相减得到各节电池电压；差模测量是利用继电器选通各单节电池直接进行测量。比较两类测量方法会发现共模测量法电路简单，但测量误差会积累，测量精度不高，只是用于串联电池数目较少或者对测量精度要求不高的场合。因此，当串联电池较多时，只能采用差模测量。本电池管理系统采用差模测量法。由于测量端之间可能存在共模电压，所以不能采用模拟开关选通。本系统选用继电器作为隔离开关，每次只闭合对应一个单节电池的继电器，待电池输入电压稳定后通过12位分辨率的AD转换器读取电池电压。2、电池组工作电流的检测为保证测量精度，用霍尔效应电流传感器来采样电池电流，由于需要双电源供电， 因此电池组工作电流的检测只能在辅助电源工作时才能进行，即只能测量放电电流，如需监控充电电流，则需要让充电均衡模块的输入电源在电池组充电状态时也正常工作。3、电池组SOC的估测电池状态计算包括SOC和SOH两方面。SOC告诉驾驶员电池剩余多少电量，还可以行驶多少里程。SOH告诉驾驶员电池的寿命。电池荷电状态(SOC)的确定是BMS中的重点和难点。由于电动汽车电池在使用过程中表现的高度非线性，使准确估计SOC具有很大难度。传统的SOC基本估算方法有开路电压法、内阻法和安时法。近年来又相继研发出许多对电池SOC的新型算法，例如模糊逻辑法模型、自适应神经模糊推断模型、卡尔曼滤波估计模型算法以及新出现的线性模型法和阻抗光谱法等。由于各种SOC估算方法都有其优缺点，因此选择多种算法相结合估算SOC 是一种较佳的方案。本发明选用了扩展的卡尔曼滤波算法(Extended Kalman FiIter,EKF) 来估算电池的S0C，并结合开路电压法进行初始SOC修正综合方案。1)影响电池SOC的因素①电池能量与比能量放电电流是指蓄电池放电时的电流密度大小。放电电流的大小直接影响蓄电池的各种性能指标，是影响蓄电池容量的主要因素之一。因此在谈到蓄电池的容量时，必须说明放电电流的大小或指明放电条件。通常以放电率表示。常用“时率”或“倍率”表示。②电池的放电终止电压蓄电池放电时，蓄电池的端电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电压。实验表明，放电终止电压对电池SOC的判断直接相关，必须明确指出电池的放电终止电压才能确定电池的SOC。③电池的温度在电池中，电解液的电迁移率和电极材料的活性等都与电池温度有关。一般来说， 电池在高温时放出的电量明显比低温时放出的电量大，这是因为高温时电池材料的活性增加，提高了活性离子的扩散性能，同时电解液中电解质的电导率也随着温度的升高而增加， 使得迁移内阻减小。温度低的时候电池的活性明显降低，电池的放电能力下降，电池更加容易达到放电截至电压，表现为电池的可用容量减小，电池的能量利用效率下降。另外电池长时间工作在高温环境下，会使电极材料变质，从而加速电池的老化，寿命会明显的缩短。在极限高温条件下，电池甚至会起火爆炸。④电池的循环使用次数电池充电和放电一次称为一个循环过程。对于一个刚开始使用的电池，随着使用次数的增加，容量先上升，然后再下降。⑤电池的恢复效应影响恢复效应是指在非连续放电的条件下，放电一段时间后，蓄电池开路或从大电流改为小电流放电时，蓄电池内部的电荷重新分布达到新的平衡，这样蓄电池的剩余电量有所增加。当蓄电池在某一放电率下放电至终止电压后，还可以在较低的放电率下继续放电。 蓄电池的恢复效应不仅与当前的放电电流、温度等因素有关，还与未来的放电方式有关，但未来的放电方式不可预测，尤其是汽车行驶工况复杂，用电情况极为复杂，所以蓄电池的恢复效应对蓄电池实际放电的影响让精准预测十分困难。⑥电池组的不均衡性影响电动汽车蓄电池组采用串联方式连接，由于各单块蓄电池在制造方面、初始容量、 电压、内阻以及蓄电池组箱中各单块蓄电池的温度均不相同。这样在使用过程中，就会造成某块蓄电池的过充电或过放电现象，严重时会造成个别蓄电池的容量比大多数蓄电池都低。在放电过程中，它的电量首先放完，这时该蓄电池就成为了一个用电器，首先进入充电阶段，出现蓄电池反极现象。当其他蓄电池充电时，该蓄电池又会首先充满提早进入过充电阶段，使得整个电池组不能被正常充满，进而使得整个蓄电池组不能正常工作。⑦自放电因素电池在静置状态下会出现自放电现象，导致电池容量下降。引起电池自放电的因素是多方面的，包括电极上的歧化反应，活性物质的溶解，电极的腐蚀等，其中最主要因素是电池正极的自放电和负极的腐蚀。2)开路电压法电池在长时间静置的条件下，其SOC与开路电压有相对固定的函数关系，可通过建立SOC-OCV(Open Circuit Voltage)关系估算S0C。这种方法在充放电的初期和末期可以取得较好的效果。开路电压法的缺点是电池在充电或放电之后，其极化电压需要一个恢复过程，以达到开路电压稳定，这个过程常需要几个小时甚至十几个小时，不能用于连续的、 在线的、动态的电池SOC估算。而且该方法对SOC-OCV之间的关系测量较严格。SOC-OCV之间虽存在一定的关系，但容易受温度、静置时间等因素的影响。在温度变化较大的时候，同一个电池在相同的SOC下表现出来的OCV差异较大。
3)卡尔曼滤波算法卡尔曼滤波算法是卡尔曼在1960年提出的一种递推线性最小方差估计，能得到线性系统状态变量最小方差意义上的最优估计。卡尔曼滤波法应用于电池SOC估计时，电池被看成动力系统，SOC是系统一个内部状态量。卡尔曼滤波法适用于各种类型电池，不仅能给出SOC的估计值，而且还可以给出估算误差的范围。同时卡尔曼滤波法对初始值的误差有很强的修正作用，与其他方法相比， 它尤其适合于电流波动较剧烈的电池汽车SOC的估计。卡尔曼滤波利用上一时刻的估算，再加上实时测量得到的数据来进行实时估算。 而在卡尔曼滤波中上一时刻的状态估算是利用再上一时刻和以前的测量数据得到的，因此这种递推实时估算是利用所有的测量数据进行估算的。卡尔曼滤波算法具体流程如图4所示。离散时间系统状态空间方程和观测方程如下x(k+l) = Ax (k)+Bu (k) + σ (k)(1)y (k) = Cx (k) +Du (k) +u (k)(2)其中σ (k)是随机干扰噪声，u (k)是随机观测噪声。采用卡尔曼滤波能获得最小方差估计的前提是Q，R噪声统计特性必须准确的知道，如果Q，R不能准确的知道，不但得不到最小方差估计，而且计算结果可能是发散的。4)改进的卡尔曼滤波算法为了在SOC估算的过程中利用开路电压法SOC-OCV关系曲线这个真实值，在估算之后将估算结果与SOC-OCV关系曲线的值进行对比，得出误差去修正估算结果。基于这种思路设计了电流积分法结合卡尔曼滤波法的SOC估算算法，这种算法首先利用电流积分法预测系统输入、输出噪声值(它们分别对应卡尔曼滤波中的O (k)，U(k))，然后应用于卡尔曼滤波法提高预测值的精确度。Ε{σ (i)} = Qn[SOC(K)-SOC(k) ]/( Σ nc) (3)E{u(i)} = (M-E { σ (i)}N)/L(4)在卡尔曼滤波中若噪声是非零值的有色噪声序列，那么卡尔曼滤波的结果将会有很大误差，甚至是发散的。在每一次估算开始时间k，SOC的真实值SOC (K)都能通过SOC-OCV 关系曲线得到。真实电压值x{k}可以通过计算得到。这样在每次估算过程启动时，噪声Q， R都可以通过计算得出。SOC的估算过程由电流积分法和卡尔曼滤波法两部分组成，下面给出每部分的对应计算公式。电流积分法对SOC的估算方程SOC (k) = SOC (k-1) + [i (k) — E { σ } ] Ii cT/Qn(5)卡尔曼滤波法对SOC的估算方程χ (k+l/k) = Ax (k\k) +B [u (k) -E { σ } ](6)x(k+l/k+l) = [I-K(k+l)C]x(k+l/k)+K(k+l) [y (k+1)-E {u} ] (7)算法的估算流程如下在系统启动的时候，首先检测停车时间是否大于系统设定的时间，以此来判定是否以SOC-OCV关系曲线的SOC值来作为初始值，如果是则初始化SOC 值，并通过公式3，4来计算E { O (i)}和E {u (i)}，然后通过电流积分法公式和卡尔曼滤波法公式来得到SOC的预测值；若为否则利用上一步的计算结果并通过电流积分法公式5和卡尔曼滤波法公式6，7来得到SOC的预测值。
4、电池的均衡充放电处理电动汽车动力电池组采用串联方式连接，由于各单块电池在制造方面、初始容量、 电压、内阻以及电池组箱中各单块电池的温度均不相同。这样在使用过程中，就会造成某块电池的过充电或过放电现象，严重时会造成个别电池的容量比大多数电池都低。在放电过程中，它的电量首先放完，这时该电池就成为了一个用电器，首先进入充电阶段，出现电池反极现象。当其他电池充电时，该电池又会首先充满从而提早进入过充电阶段，使得整个电池组不能被正常充满，进而使得整个电池组不能正常工作。实际上，一组串联电池实际放出的容量是由容量最小的那个电池决定的。因此在电动汽车的电池工作过程中，电池组间的不均衡性是一个有害因素，应尽可能减少同组电池间的不均衡性。电池组在使用过程中表现出不均衡的原因有以下几种A、电池组内电池容量基本一致，其中某几节电池的容量小于其余电池；B、电池组内电池容量基本一致，其中某几节电池的容量大于其余电池；C、电池组内各节电池容量差异很大，这是最坏的情况。造成这几种不均衡原因的因素有以下几种A、电池自身原因电池制造时由于内部物质的量不一致造成的初始容量不一致， 制造电池的过程中的制造工艺不同造成的初始容量不一致，电池的极耳与内部极片相连时的电阻值不一致，也就是内阻不同造成的在使用过程中的容量不一致；B、外部连接原因电池在串并联使用时连接的部件形状与材质不同造成的连接电阻不同，连接松紧程度的不一致造成的接触电阻不一致，导致在充放电时单体电池交换的能量不一致，表现为整组电池的不一致；C、外部环境原因，电池在串并联使用时，整组电池布局造成的各点的温度、湿度或压强等因素不同，造成的各节单体电池所能使用的容量会随各种场分布的不同而不一致。在充电过程中，电池容量小的电池会率先被充满，此时电池组仍需充电，因此容量小的电池会被过充，产生析气或发生不可逆的结构性损坏，电池容量进一步减小。在放电过程中，电池容量小的电池电压下降最快，当这节电池能量耗尽时，电池两端甚至会出现反极性，相当于被其它电池反充电导致整组电池的放电能力减弱，同时过放也会使电池内部发生不可逆的化学反应，减小电池容量。在实际使用中表现为，当电池充电时会有某一节电池电压高于其余电池电压先到充电截止电压，从而结束充电过程；在电池放电时会有某一节电池电压低于其余电池电压先到放电截止电压，结束放电过程。本发明采用了充电和放电两种电池均衡方式，利用辅助电源给单体电池均衡充电，利用超级电容均衡放电给电池管理系统(BMS)供电，使用继电器网络实现电池管理系统电源的隔离与自举充电，并同时实现电池的均衡充电和放电，降低了功耗，体积和重量也有较大优势，耐机械冲击性较强。实现了电池的能量均衡，又没有使用较复杂的能量转换装置，结构简单、实现容易、并且维护和扩展方便。由于动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点，在整个使用过程中对电池组进行均衡，避免了单一均衡方式中的各种问题。而且即使在汽车电源关闭状态下，电池管理系统依靠动力电池组依然能正常工作，均衡时间长，均衡效果好，电池一致性高，充分的延长了动力电池组的使用寿命。
5、高压绝缘电阻的检测因为电池组的电压比较高，超出了人体所能承受的电压，一般在300-700V范围内，并且还和其他强电设备相连，包括有电动机、发电机等，处于对乘客安全方面的考虑，应当对车体与电池组正负母线之间的绝缘电阻进行测量，保障乘客的乘坐安全。在我国的国标GB/T 18384.1-18384.3-2001《电动汽车安全要求》中，对电动汽车绝缘状况的定义、测量方法与安全要求都做出明确的规定。电动汽车的绝缘状况由直流正负母线对车体的绝缘电阻来衡量。定义为如果动力蓄电池与地(电底盘)之间的某一点短路，最大(最坏情况下的)泄漏电流所对应的电阻。电动汽车的国际标准和我国国家标准规定绝缘电阻值除以电动汽车直流系统标称电压U，结果应大于100欧/V，才符合安全的要求。这个值是通过下列条件来选定的“如果人或其他动物构成动力电池系统与地之间的外部电路，最坏的情况下泄漏电流不超过2mA，这是人体没有感觉的阀值”。本发明由于CPU控制单元可以自举隔离，通过双边切换电阻方法可以精确的测量高压系统的绝缘电阻，保证乘客人身安全。6、电池温度及烟雾检测，电池箱冷却风机及电池加热系统控制温度过高或过低都会直接影响电池的性能，电池温度过高会有很大的潜在危险存在，另外如果电池的发热量过大，本身也是对能量的一种浪费，它会减少其应供给的能量， 使得电池的使用效率降低，增加制造成本。同样电池的温度过低也会降低电池的使用效率，因为低温下电池内部的活性材料无法充分进行充放电反应，这就会造成电池本身有能量却放不出来，外部有能量却充不进去，造成了很大的能源浪费。如何保证电池的工作温度，这正是电池热管理所要做的工作。本发明温度采集方案采用了 DS18B20数字温度传感器，其采用l_wire通讯协议， 具有连线简单，可编程实现较为复杂的功能，精度高，传输距离远，扩展方便等优点。1-wire 通讯协议即通过一根信号线完成双方或者多方的数据交换的协议。为了实现该功能，单总线采用了一主多从的结构，即单总线上只有一个主节点(DSP)，多从是指根据实际的使用需要在单总线上连接相应数目的DS18B20器件。任何通讯都是由主机发起，从机应答。另外温度传感器布置的位置也非常重要。传感器布置在电池内部比外部空间能够得到更加精确的温度数据，电池内部的温度不均勻，有限数量的温度传感器是不能够完全反应电池整体温度变化，在设计的时候需要考虑整体的价格和测量点的选择，一般在一个电池箱内布置3-20个温度传感器。电池在不同的温度下会有不同的工作性能，温度的变化会使电池的S0C、开路电压、内阻和可用能量发生变化，甚至会影响到电池的使用寿命。温度的差异也是引起电池均衡问题的原因之一。通过风机散热或电热丝加热方式使电池工作在适当的温度范围内；降低各个电池模块之间的温度差异。另外使用车载空调器可以实现对电池的温度控制，这也是电动汽车常用的温度控制方法之一。7、电池故障分析和在线报警，电池SOC和充放电次数记录电池管理系统的设计要求还应当包括1)能对各个部件进行实时监测；2)能对故障进行识别和诊断；3)能记录并管理故障信息；
4)能进行故障处理；5)实时记录和存储电池SOC值6)记录电池充放电次数等相关信息。其工作过程简要包括如下对传感器、执行器以及控制器自身实行实时监控，并对数据进行判断，若发现故障，则根据内置的算法分离出故障信息，按照一定的格式和顺序对故障进行存储和管理，必要时进行输出控制，记录和存储相应的电池信息，如充放电次数， 电池SOC值，剩余使用寿命等。8、与充电机通信，安全实现电池组的充电电池管理系统可以通过CAN总线与充电机接口，通过CAN总线设定充电电压和充电电流，按照对应电池的充电曲线来控制充电机，通过这种管理方式可以保证电池组中单体电池的安全使用，同时实现智能的管理方式和电池组非常理想的使用效果。9、与车载显示设备通信，告知司机电池相关数据系统显示界面可以由彩色触摸屏完成，触摸屏首页可以显示电池组总电压、电池组总电流、剩余电量(SOC)、最高温度等信息，通过触摸屏可以查看到所有采集数据包括每只单体电池电压，所有温度，SOC容量等；通过触摸屏可以对系统工作参数进行设置，系统运行参数包括每块采集模块管理电池数量选择，电池电压上下限报警限制设置，温度上下限报警设置，最大充电电流，电流上限报警设置，电压互差最大上限报警设置，充电次数，电池健康指数，SOC初始值设置，额定容量，系统时钟等。10、与车载设备通信，为整车控制提供必要的电池数据数据通信是BMS的重要组成部分之一。在电池管理模块与整车控制器之间采用 CAN总线，系统可靠性和抗干扰能力都比较强。通过CAN总线上传电池各种信息，为整车控制提供必要的电池数据。四、电池管理系统软件设计为了增强电池管理系统的可靠性、可读性等，电池管理系统采用结构化及模块化思想进行软件设计。结构化程序设计是一种定义良好的软件开发技术。采用自顶向下设计和实现的方法，并严格地使用结构化的控制结构，确保程序只有一个“出口 ”。模块化设计， 模块是程序层次中的基本组成部分，是程序中可以单独编译的一组程序语句，用模块名调用。将程序分为若干模块，能降低程序的复杂性，减少开发时间，运用模块化技术，可以将错误局限在各个模块内部，防止错误的蔓延，便于调试和维护。采用结构化及模块化不仅满足了系统实时控制的需要，而且具有可读性和可移植性，方便软件调试与系统标定，还可以利用已经被证明是可靠的模块来构造新的系统，减少新系统开发的工作量，提高软件的可靠性。根据电池管理系统的功能要求以及使用要求，系统软件模块化框图如图6所示。 软件实时处理模块流程是第1、主控循环程序监控和调度各子程序A ；第2、上电自检后初始化和标定系统变量B ；第3、各单体电池电压电流检测C;第4、单体电池均衡充放电控制D ；第5、高压电路绝缘监测报警E ；
第6、单体电池和电池组电量SOC计算F ；第7、电池温度监控热管理处理G ；第8、充电机通讯，充电启停和充电曲线控制H;第9、电池管理系统必要的开关量输入输出信号处理I ；第10、电池相关数据记录与分析处理J ；第11、在有多节电池组的电池管理系统中，系统是由多个监控模块组成，主控模块查询其它下位机模块的电池数据并集中处理K ；第12、与人机交互界面通讯传送相关信息和参数，提供电池相关数据给整车控制器进行车辆综合控制决策L ；返回第三步循环执行各相关步骤，实现电池组管理功能。
权利要求
1.一种具有均衡充放电功能的电池管理系统，包括电池和继电器组(100)、 CPU控制单元(200)、均衡放电模块(300)；其特征在于设置有超级电容(500)和均衡充电模块(600)；CPU控制单元(200)和电池和继电器组(100)连接，检测电池和继电器组(100)的工作状况；CPU控制单元(200 )、均衡放电模块(300 )和电池和继电器组(100 )依次连接，控制电池和继电器组(100)的均衡放电；CPU控制单元(200 )、均衡充电模块(600 )和电池和继电器组(100 )依次连接，控制电池和继电器组(100)的均衡充电；超级电容(500)和均衡放电模块(30)连接，储存电池和继电器组(100)的放电能量。
2.按权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于所述的电池和继电器组(100)包括相互连接的动力电池组(101)和继电器组(102)；动力电池组(101)由多个单体电池串联组成；在每一个单体电池的正负极上并联一个有双组触点的继电器。
3.按权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于所述的超级电容(500 )为双电层电容器、黄金电容或法拉电容，是一种电化学元件。
4.按权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于 所述的均衡充电模块(600)是一种可控的隔离直流电源模块。
5.按权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于所述的CPU控制单元(200)采用美国TI公司的32位定点数字信号处理器 TMS320F28035作为控制芯片。
6.按权利要求1所述的电池管理系统的控制方法，其特征在于①上电自检测电池管理系统和相关标定与配置参数；②待超级电容充到一定电压后，开始对单体电池进行继电器巡检，每次只闭合一个继电器，记录每块电池的电压并实时计算单体电池SOC值；③当接入充电机且电池组SOC值不足时，启动充电机按电池对应的充电曲线对电池组充电，在充电过程中，如出现单体电池电压上升太快，则对其进行均衡放电，如出现单体电池电压低于其它电池时，在辅助电源接通的状况下启动均衡充电模块对其进行补充充电， 保证电池组尽可能充入多的电量，使SOC值最大；④非充电状态下，在检测有外接辅助电源时，启动均衡充电模块，对SOC值低的单体电池进行补充充电，使整组电池的SOC值上升；⑤非充电状态下，对SOC值较高的单体电池进行均衡放电，给超级电容补充电量，保证电池管理系统的正常运行；⑥在每继电器扫描周期结束后，检查高压系统对地绝缘状况，并检测和控制电池温度， 进行电池热管理；⑦记录充放电相关过程参数，对电池的健康程度评估，给出建议或告警；⑧与上下位机通讯，传递电池数据和设定参数。
7.按权利要求6所述的电池管理系统的控制方法，其特征在于CPU控制单元200的工作流程是第1、主控循环程序监控和调度各子程序(A)；第2、上电自检后初始化和标定系统变量(B)；第3、各单体电池电压电流检测(C)；第4、单体电池均衡充放电控制(D)；第5、高压电路绝缘监测报警(E)；第6、单体电池和电池组电量SOC计算(F)；第7、电池温度监控热管理处理(G)；第8、充电机通讯，充电启停和充电曲线控制(H)；第9、电池管理系统必要的开关量输入输出信号处理(I)；第10、电池相关数据记录与分析处理(J)；第11、在多节电池组的电池管理系统中，是由多个监控模块组成，主控模块查询其它下位机模块的电池数据并集中处理(K)；第12、与人机交互界面通讯传送相关信息和参数，提供电池相关数据给整车控制器进行车辆综合控制决策(L)；返回第3步循环执行各相关步骤，实现电池组管理功能。
全文摘要
本发明公开了一种具有均衡充放电功能的电池管理系统及其控制方法，涉及动力电池组的电池管理系统。电池管理系统的结构是CPU控制单元和电池和继电器组连接，检测电池和继电器组的工作状况；CPU控制单元、均衡放电模块和电池和继电器组依次连接，控制电池和继电器组的均衡放电；CPU控制单元、均衡充电模块和电池和继电器组依次连接，控制电池和继电器组的均衡充电；超级电容和均衡放电模块连接，储存电池和继电器组的放电能量，用于电池管理系统的自身供电。本发明可广泛应用于各种电池组管理，如铅酸电池、锂电池和镍氢电池等，而且支持下位机扩展，可以方便检测和监控多节电池状况。
文档编号H02J7/00GK102231546SQ20111018101
公开日2011年11月2日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者张昌青, 王和平, 阮浩 申请人:武汉市菱电汽车电子有限责任公司