一种基于电池安全保护的电池管理方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于电池安全保护的电池管理方法，具备现有电池管理系统的基础功能，包括系统自检及故障诊断、系统软件的升级、单体电池状态监测、单体电池均衡、过流/过充/过放保护、数据记录存储、绝缘监测及故障诊断等；还具备安全防护功能，可以依据不同的电池组组装方式及外部负载对电池组截止电压及SOC进行修正，通过对电池组充电过程的主动干预，控制电池组充电电流、充电截止电压及充电时间，针对不同结构电池组实现高效快速安全充电，通过预测一定时间内电池组的可用功率及充放电电流，限制电池放电电流，防止某些单体电池出现过放现象。
【专利说明】—种基于电池安全保护的电池管理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于电池安全保护的电池管理方法。
【背景技术】
[0002]目前各大企业纷纷推出各自的电动汽车车型，并成功进入市场，然而随着电动汽车被广泛接受，各种故障和事故却为其推广乃至发展蒙上阴影。对事故进行统计分析发现，事故发生的原因主要包括:
[0003]I)电池成组后各单体电池不一致导致某些单体电池出现故障；
[0004]2)充电器为单一充电模式，不具备时间及电量监控功能及充电时间超过极限控制；
[0005]3)充放电电流过大；
[0006]4)布局结构不合适，散热不充分；
[0007]5)碰撞后电池包变形，造成局部短路。
[0008]针对4)、5)两种极限情况，目前已采用电池包自密封、高压线自屏蔽、地板屏蔽、漏电保护器、强撞击自动断电、异常状态监测系统、紧急开关自熔保险等安全措施，另外电池管理系统也通过温度传感器、电压电流传感器实时监测电池系统的运行，在有过压、过载和温度急剧升高的情况下及时切断电池保护电池包。但是如何避免电池组中某些单体电池出现内伤乃至过充过放，起到未雨绸缪的目的，成为电池管理系统的研究难点之一。
[0009]国外对电动汽车电池管理系统的研究起步较早，如今已经形成了较为完善的技术体系。美国通用汽车公司设计了智能电池管理模块系统，该智能电池管理系统实现了各个单体电池工作状态参数的监测，并具有均衡管理功能，尽量避免单体电池间不一致。德国西门子公司开发的电池管理系统把蓄电池组的充电管理作为系统的研究核心，系统可控制充电机针对不同的蓄电池组采用不同的充电策略，同时该系统增加了历史数据存储功能，以方便蓄电池组的维护；日本本田公司开发设计的电池管理系统在电池组的使用安全上做了大量的研究，通过惯性控制开关和高压电系统安全监测装置能够实现在汽车发生碰撞时，电池管理系统发出报警信号并切断电源。国内围绕电池管理系统的研究也获得了诸多成果。北京交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学针对电池组SOC估算进行了一些研究。国内电池管理系统的主要生产厂家，如亿能、力高、冠拓和墨工等公司的产品已在国内电动汽车市场上得到了较为广泛的应用，这些产品主要实现了电池组工作状态参数的监测、充放电管理、SOC估算、与外部通讯等功能。综合来看，现在的电池管理系统多是对电池的工作状态进行监测，而缺乏综合意义上的电池组的安全管理。
[0010]申请号200680016327.1公开了一种过放电情况下的电池电源管理系统，侧重于单体电池充电情况下的监测，通过两个开关防止电池的过充过放，电路复杂，且由于电池结构及外部负载等原因，单体电池的监测原理并不适用与整体电池组。
[0011]申请号201010263482.1公开了一种电动车电池SOC的估计方法，本专利侧重于电池SOC的估算方法的研究，但电池的结构及外部负载会导致电池SOC间存在较大差异，单体电池的SOC估算精度并不能代表电池组的SOC估算精度。
【发明内容】
[0012]为了解决上述问题，本发明提出了一种基于电池安全保护的电池管理方法，它避免电池组中单体电池出现过充过放，起到未雨绸缪的目的，确保电池组安全，延长其使用寿命O
[0013]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0014]一种基于电池安全保护的电池管理方法，应用一种电池管理系统，包括主控板、电流采集板和电压采集板，其中，主控板通过CAN总线与电流采集板和电压采集板相连，主控板通过通讯口连接有液晶屏，主控板通过CAN总线还连接有外部设备；
[0015]具体步骤包括:
[0016](I)建立电池等效电路模型，利用Simscape平台建立等效电路图中SOC估算、温度计算、开路电压、欧姆内阻、极化内阻和极化电容子模型的模块；
[0017](2)根据电池等效电路模型，结合步骤(I)建立的等效电路模型各模块，将各模块进行串并联，建立单体电池仿真模型；
[0018](3)并联单体电池仿真模型得到单节电池模型，串联单节电池模型得到电池组模型，对电池组模型中的各单节电池模型分别施加因单节电池电压采样导致的采样线上存在外部负载电流，对电池组进行恒流放电，分别测量电池组模型中各单体电池SOC及端电压，同时测量电池组SOC及端电压；
[0019](4)依据水桶效应原理，找出电池组中最差的一节单体电池，得到其单体电池SOC及端电压，建立电池组SOC及端电压修正系数，重复步骤3-4，建立不同电池组装方式及外部负载下的电池组SOC及端电压修正系数；
[0020](5)基于步骤⑴中的等效电路，建立表达式，采集电池电流及电压信号，对实测的电池电流信号进行时频分析，得到电池电流信号频带范围，利用最小二乘法在线辨识模型参数；
[0021](6)未来一段时间内电池端电压计算阶段，以在线辨识得到的电池模型参数作为当前的电池状态为基准，结合当前实际的电流值，预测电池端电压；未来一段时间内电池最大持续电流计算阶段，以在线辨识得到的电池模型参数作为当前的电池状态为基准，结合设定的放电截止电压，利用二分法推算未来一段时间内的最大持续放电电流。
[0022]所述步骤(I)中，电池等效电路模型，包括电池开路电压源，电压源连接若干个RC支路后连接电阻Rtl,每个RC支路包括并联的一个电容Q、一个电阻Ri, Ri, Ci分别为电池的极化内阻和极化电容。
[0023]所述步骤(4)中，具体方法为:最差一节单体电池，即充放电过程中最先达到充放电截止电压的单体电池，其SOC及端电压表示为SOCmin及Vmin,电池组SOC及端电压表示为SOCtotal 及 Vttrtal，则电池组 SOC 及端电压修正系数分别为 fs。。= S0Cfflin/S0Ctotal, fv = N*Vmin/Vtotal, N表示电池组中单节电池数目，建立不同电池组装方式及外部负载下的电池组SOC及端电压修正系数，建立以电池组装方式及外部负载为横坐标，电池组SOC及端电压修正系数为纵坐标的Map图用于实际电池管理系统对测量参数的修正。
[0024]所述步骤(5)的具体方法为:基于基尔霍夫定律建立等效电路模型表达式，[0025]
【权利要求】
1.一种基于电池安全保护的电池管理方法，应用的电池管理系统，包括主控板、电流采集板和电压采集板，其中，主控板通过CAN总线与电流采集板和电压采集板相连，主控板通过通讯口连接有液晶屏，主控板通过CAN总线还连接有外部设备；其特征是:具体步骤包括: (1)建立电池等效电路模型，利用Simscape平台建立等效电路图中SOC估算、温度计算、开路电压、欧姆内阻、极化内阻和极化电容子模型的模块； (2)根据电池等效电路模型，结合步骤(1)建立的等效电路模型各模块，将各模块进行串并联，建立单体电池仿真模型； (3)并联单体电池仿真模型得到单节电池模型，串联单节电池模型得到电池组模型，对电池组模型中的各单节电池模型分别施加因单节电池电压采样导致的采样线上存在外部负载电流，对电池组进行恒流放电，分别测量电池组模型中各单体电池SOC及端电压，同时测量电池组SOC及端电压； (4)依据水桶效应原理，找出电池组中最差的一节单体电池，得到其单体电池SOC及端电压，建立电池组SOC及端电压修正系数，重复步骤3-4，建立不同电池组装方式及外部负载下的电池组SOC及端电压修正系数； (5)基于步骤(1)中的等效电路，建立表达式，采集电池电流及电压信号，对实测的电池电流信号进行时频分析，得到电池电流信号频带范围，利用最小二乘法在线辨识模型参数； (6)未来一段时间内电池端电压计算阶段，以在线辨识得到的电池模型参数作为当前的电池状态为基准，结合当前实际的电流值，预测电池端电压；未来一段时间内电池最大持续电流计算阶段，以在线辨识得到的电池模型参数作为当前的电池状态为基准，结合设定的放电截止电压，利用二分法推算未来一段时间内的最大持续放电电流。
2.如权利要求1所述的的实现方法，其特征是:所述步骤(1)中，电池等效电路模型，包括电池开路电压源，电压源连接若干个RC支路后连接电阻Rtl,每个RC支路包括并联的一个电容Cp—个电阻Ri, RpCi分别为电池的极化内阻和极化电容。
3.如权利要求1所述的的实现方法，其特征是:所述步骤(4)中，具体方法为:最差一节单体电池，即充放电过程中最先达到充放电截止电压的单体电池，其SOC及端电压表示为SOCmin及Vmin,电池组SOC及端电压表示为SOCtotal及Vtrtal,则电池组SOC及端电压修正系数分别为fs。。= S0Cmin/S0Ctotal, fv = N*Vmin/Vtotal, N表示电池组中单节电池数目，建立不同电池组装方式及外部负载下的电池组SOC及端电压修正系数，建立以电池组装方式及外部负载为横坐标，电池组SOC及端电压修正系数为纵坐标的Map图用于实际电池管理系统对测量参数的修正。
4.如权利要求1所述的的实现方法，其特征是:所述步骤(5)的具体方法为:基于基尔霍夫定律建立等效电路模型表达式，
5.如权利要求4所述的的实现方法，其特征是:所述步骤(5)中，描述电池状态的模型参数包括电池开路电压、电池欧姆内阻、电池极化内阻和电池极化电容。
【文档编号】B60L11/18GK103935260SQ201410192523
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】程勇, 王丽梅, 赵秀亮 申请人:山东大学