电池组均衡控制方法和控制装置与流程

本发明涉及电池组均衡控制方法和控制装置。

背景技术：

动力锂离子电池作为电动汽车的能量来源或储能系统能量储存载体时，通常需要通过串并联成组以满足系统电压、功率和能量需求。一般情况下，电池组包括有若干个串并联设置的电池模块，各电池模块包括一个单体电池或者至少两个单体电池。而电池成组后由于电池间的不一致性问题，使得整组性能差于组内单体电池性能的总和。不一致性问题产生的原因主要可以分为两大类：(1)初始性能的不一致性，由于电池生产过程中工艺和材质的差异，使得电池在初始容量、直流内阻、自放电率和充放电效率等性能存在差异；(2)成组及使用过程的不一致性，一方面是电池初始性能的差异性在使用过程逐渐累积和放大，另一方面是电池使用环境(温度和通风条件等)存在差异，导致各电池以不同速率衰退。随时间的推移，电池组不一致性问题将持续加剧，从而严重影响电池组的实际可用容量、使用寿命和可靠性。电池组均衡技术作为解决电池组不一致性问题的主要手段，对电池成组应用有着重要的意义。

实现这一保护功能的核心在于电池组的均衡控制。目前均衡控制电路通常分为主动均衡和被动均衡，从本质上讲均衡控制电路通常影响均衡效率及硬件设计成本，而均衡控制策略才是决定均衡是否有效的核心内容。目前国内尚没有可以精确估算SOC、SOH及电池内阻的BMS，其均衡控制策略仍然以均压控制为主，但锂电池端电压的差异性往往不能够准确描述锂电池之间内部的不一致性，即基于端电压的均衡并不能真正改善锂电池组间的一致性，这也是导致均衡效果不佳的主要技术瓶颈。

申请公布号为CN101872877A的中国专利申请文件中公开了一种电池均衡能量转移的方法，首先判断电池组中单体电池最高电压与最低电压是否达到设定的电压差，若达到设定的电压差，则启动电池均衡能量转移。该方法虽然能够一定程度上实现电池组的均衡，但是，均衡的判断条件只是最高电压和最低电压的差值，可靠性较低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电池组均衡控制方法，用以解决传统的电池组均衡方法可靠性较低的问题。本发明同时提供一种电池组均衡控制装置。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种电池组均衡控制方法，包括均衡控制的步骤，所述均衡控制的步骤包括：

(1)获取在充电过程中最先完成充电的电池模块，记为第一电池模块，以及在放电过程中最先完成放电的电池模块，记为第二电池模块；

(2)判断第一电池模块和第二电池模块是否是同一电池模块；

(3)如果不是同一电池模块，则将第一电池模块中的能量转移到第二电池模块中；

其中，所述最先完成充电是指：最先发生充电保护或者在充电完成前一时刻电压最高；所述最先完成放电是指：最先发生放电保护或者在放电完成前一时刻电压最低。

所述电池模块中的单体电池的个数为一个。

在所述均衡控制的步骤之前，所述电池组均衡控制方法还包括容量和电压的判断的步骤，所述容量和电压的判断的步骤包括：

1)计算电池组的实际可用容量与设定的容量阈值的误差值，记为容量误差值；

2)当所述容量误差值大于或者等于设定的第一门限值时，计算任意两个电池模块在充电过程中或者放电过程中同一时刻的电压误差值；

3)当任意两个电池模块的电压误差值中有至少一个电压误差值大于或者等于设定的第二门限值时，实施所述均衡控制的步骤。

所述同一时刻为充电完成前一时刻或者放电完成前一时刻。

如果第一电池模块和第二电池模块是同一电池模块，则均衡控制结束，判定该电池模块为故障电池模块。

一种电池组均衡控制装置，包括均衡控制模块，所述均衡控制模块包括以下单元：

获取单元，用于获取在充电过程中最先完成充电的电池模块，记为第一电池模块，以及在放电过程中最先完成放电的电池模块，记为第二电池模块；

判断单元，用于判断第一电池模块和第二电池模块是否是同一电池模块；

均衡单元，用于如果不是同一电池模块，则将第一电池模块中的能量转移到第二电池模块中；

其中，所述最先完成充电是指：最先发生充电保护或者在充电完成前一时刻电压最高；所述最先完成放电是指：最先发生放电保护或者在放电完成前一时刻电压最低。

所述电池模块中的单体电池的个数为一个。

所述控制装置还包括容量和电压判断模块，所述容量和电压判断模块包括以下单元：

第一处理单元，用于计算电池组的实际可用容量与设定的容量阈值的误差值，记为容量误差值；

第二处理单元，用于当所述容量误差值大于或者等于设定的第一门限值时，计算任意两个电池模块在充电过程中或者放电过程中同一时刻的电压误差值；

第三处理单元，用于当任意两个电池模块的电压误差值中有至少一个电压误差值大于或者等于设定的第二门限值时，实施均衡控制。

所述同一时刻为充电完成前一时刻或者放电完成前一时刻。

如果第一电池模块和第二电池模块是同一电池模块，则均衡控制结束，判定该电池模块为故障电池模块。

本发明提供的电池组均衡控制方法中，首先获取在充电过程中最先发生充电保护或者在充电完成前一时刻电压最高的电池模块，记为第一电池模块，以及在放电过程中最先发生放电保护或者在放电完成前一时刻电压最低的电池模块，记为第二电池模块。因为这两个电池模块就是决定电池组可用容量的关键所在，并将这两个电池模块作为均衡控制的依据；然后，判断这两个电池模块是否是同一电池模块，如果不是同一模块，那么该电池组就有改善的空间，那就将第一电池模块，即最先完成充电的电池模块中的能量转移到第二电池模块，即最先完成放电的电池模块，这样平衡了这两个电池模块的能量，提升了电池组的可用容量，实现了电池组的均衡，所以，这种均衡控制方法针对影响电池组可用容量的关键所在，以该关键点作为均衡的条件来实施均衡控制策略，其可靠性强，能够有效保证电池组的均衡。

另外，如果第一模块和第二模块是同一模块，那就说明该电池模块的实际可用容量很小，是构成电池组可用容量的短板所在，那就可以判定该电池模块为故障模块，所以，该均衡控制方法还可以识别出电池组中的故障电池模块，具有故障电池模块的定位功能，能够有效提高电池组的一致性和可用容量，进一步提升电池组使用的安全性和可靠性。

附图说明

图1是电池组均衡控制原理示意框图；

图2是电池组均衡控制流程图；

图3-a是电池组可用容量与各单体电池的关系图；

图3-b是能量转移示意图；

图4是均衡结束流程图。

具体实施方式

控制方法实施例

如图1所示，其为本发明电池组均衡控制原理框图，该图只是为了大致说明电池组均衡控制的原理，具体的控制过程见下文所述。均衡控制的基本单位是电池模块，在本实施例中，电池模块中的单体电池的个数是一个，也就是说，电池模块就是单体电池。

首先获取电池组的电压和容量的信息数据，其中，电压数据为电池组在充放电过程中的各单体电池的电压，容量数据为电池组的实际可用充放电容量。电压数据的获取可通过电压传感器进行检测；而容量数据是对电流和电压进行计算得到的，所以，还需要在电池组中设置电流传感器来检测电池组的相关电流信息。由于电压传感器和电流传感器属于常规技术，而且，容量的计算也属于常规技术，这里就不再具体说明。

计算电池组实际可用容量与设定的容量阈值的误差值，以该误差值满足的条件作为均衡判定条件1，其中，设定的容量阈值一般为电池组出厂的额定容量，也称为标定容量，但是，电池组在使用一段时间之后其额定容量将发生衰减，此时，就需要对额定容量进行校准，那么，设定的容量阈值就为校准后的容量。另外，容量的误差值的计算公式可以为：

容量误差值百分比＝(设定的容量阈值-实际可用容量)/设定的容量阈值

均衡判定条件1是判断比较容量误差值与设定的容量门限值的大小，那么，容量误差值大于或者等于设定的容量门限值代表着均衡判定条件1成立。

计算电池组内各单体电池之间的电压误差值，即计算电池组内任意两个单体电池的电压误差值，以该电压误差值满足的条件作为均衡判定条件2。其中，电压误差值可以是两个电压值之间的差值，也可以是比值。而且，为了保证后续判定的准确性，上述各单体电池的电压值为同一时刻的电压值，并且，进一步地，同一时刻为充放电末期，即充电完成前一时刻或者放电完成前一时刻。

均衡判定条件2是判断比较电压误差值与设定的电压门限值的大小，那么，任意两个单体电池的电压误差值中有至少一个误差值大于或者等于设定的电压门限值代表着均衡判定条件2成立。

并且，均衡判定条件1和均衡判定条件2之间存在着先后关系，如图2所示，首先进行相关电压信息和容量信息的获取，然后进行均衡判定条件1的判定，只有在均衡判定条件1成立后，才进行均衡判定条件2的判定。而且均衡判定条件2成立后，进行下述的策略：

在充电过程中，找到各单体电池中最先完成充电的单体电池，其中，最先完成充电是指：在充电过程结束前一时刻各单体电池的电压中最高的电压，或者，如果电池组有充电保护，那么，最先完成充电还可以指最先达到触发充电保护(即充电过程中最先触发充电保护阈值)。在本实施例中，最先完成充电是指在充电过程结束前一时刻各单体电池的电压中最高的电压，那么，找到各单体电池中在充电过程结束前一时刻电压最高的单体电池，以下给出一种具体手段：检测各单体电池在充电过程结束前一时刻的电压，将各电压值按照电压从高到低的顺序进行排序，考虑实际过程中可能存在多个电池电压较接近，故可结合实际有效均衡路数，设定电压有效区间(如50mV)以提高均衡效率，那么，按照电压从高到低的顺序排序后的各单体电池的电压分别为：U_H1、U_H2、U_H3…U_HN，则U_H1为电压值最高的电压，该电压对应的单体电池定义为第一单体电池。

在放电过程中，找到各单体电池中最先完成放电的单体电池，其中，最先完成放电是指：在放电过程结束前一时刻各单体电池的电压中最低的电压，或者，如果电池组有放电保护，那么，最先完成放电还可以指最先达到触发放电保护(即放电过程中最先触发放电保护阈值)。在本实施例中，最先完成放电是指在放电过程结束前一时刻各单体电池的电压中最低的电压，那么，找到各单体电池中在放电过程结束前一时刻电压最低的单体电池，以下给出一种具体手段：检测各单体电池在放电过程结束前一时刻的电压，将各电压值按照电压从低到高的顺序进行排序，考虑实际过程中可能存在多个电池电压较接近，故可结合实际有效均衡路数，设定电压有效区间(如50mV)以提高均衡效率，那么，按照电压从低到高的顺序排序后的各单体电池的电压分别为：U_L1、U_L2、U_L3…U_LN，则U_L1为电压值最低的电压，该电压对应的单体电池定义为第二单体电池。

上述第一单体电池和第二单体电池的获取过程并没有严格的先后顺序，可以按照实际情况设置先后顺序，也可以同时进行。

对于获取了U_H1和U_L1的电池组，很显然电池组的实际可用容量取决于U_H1和U_N1这两只特征电池，如图3-a所示中的单体电池A和C。

如果第一单体电池和第二单体电池不是相同的单体电池，那么，将第一单体电池中的能量转移至第二单体电池中，从而提高整个电池组的可用容量，实现电池组的均衡控制，如图3-b所示。其中，能量转移的具体实现手段以及实现电路均属于现有技术，比如：背景技术中公开的申请文件已有一定的说明，或者名称为《基于能量转移的电池组均衡模块研究》的论文中也有相关说明，所以，这里就不再具体说明。

因此，均衡开启条件由容量差、电压差及电压排序结果来判定，当确定需要均衡的电池后，结合图1所示，由均衡判定单元输出均衡指令，再由均衡执行机构进行均衡控制。

如图4所示，均衡控制关闭条件由高容量和低容量特征电池是否为同一只电池来判定，即对于上述U_H1、U_H2、U_H3…U_HN和U_L1、U_L2、U_L3…U_LN序列，当判定第一单体电池和第二单体电池为同一只电池时，认为此次均衡控制结束。由于该电池充电和放电均完成最早，那就说明该单体电池的实际可用容量很小，是构成电池组可用容量的短板所在，那就可以判定该单体为短板故障电池，控制器发出警示，工作人员还可以对该单体电池进行处理和更换。所以，该均衡控制方法还可以识别出电池组中的故障电池，能够有效提高电池组的一致性和可用容量。

另外，原则上说，根据最先完成充电和放电的单体电池进行均衡控制，其他的电池不是控制的因素，不影响控制的进行，所以，如果有两个序列中的其他对应位置的电压对应的电池为同一个电池的话，比如：当U_H3和U_L3对应的单体电池为同一个电池时，由于该电池并非是影响电池组可用容量的最关键的因素，那么，电池组容量依然有改善的空间，该条件不能作为均衡结束条件，则剔除该电池即可，不针对该电池进行均衡，然后按照上述均衡方法进行均衡。

该均衡控制方法可同时适用于目前主流的被动均衡和主动均衡，若为被动均衡，则仅需在充电过程中开启U_H1、U_H2、U_H3…U_HN电池组的被动均衡电路即可，若采用主动均衡，由于其没有能量损耗、均衡电流较大，故可在充放电过程中全程开启均衡电路，更高效的完成均衡。

上述均衡控制策略以软件程序的方式加载在控制器中，该控制器可以为专门设置的控制芯片，还可以为电池组的BMS。

上述实施例中，给出了均衡控制的具体过程，首先进行容量的判断，接着进行电压的判断，然后根据两个特征电池进行均衡控制，当然，在均衡控制之前进行容量和电压的判断，在容量和电压均有一定的差异时才进行均衡控制，当然，本发明的发明点在于后续的均衡控制，对于在均衡之前进行容量和电压的判断只是更加优化的实施方式，作为一般的实施方式，比如：不对容量和电压的差异作要求，或者事先已进行了容量和电压的判断，本发明提供的均衡控制方法可以直接进行均衡控制。

上述实施例中，电池模块中的单体电池的个数为1，作为其他的实施例，当电池模块中包括至少两个单体电池时，以电池模块作为一个最基本的单元进行均衡控制，该实施方式下，均衡控制的过程与上述实施方式的过程相同，这里就不再具体说明。

控制装置实施例

本实施例提供一种电池组均衡控制装置，包括均衡控制模块，均衡控制模块包括以下单元：

获取单元，用于获取在充电过程中最先完成充电的电池模块，记为第一电池模块，以及在放电过程中最先完成放电的电池模块，记为第二电池模块；

判断单元，用于判断第一电池模块和第二电池模块是否是同一电池模块；

均衡单元，用于如果不是同一电池模块，则将第一电池模块中的能量转移到第二电池模块中；

其中，最先完成充电是指：最先发生充电保护或者在充电完成前一时刻电压最高；最先完成放电是指：最先发生放电保护或者在放电完成前一时刻电压最低。

所以，该控制装置中的各单元均为具有相应实施步骤的软件单元，将各软件单元加载在控制器中以实现对应的功能，因此，该控制装置实质上仍为控制方法，由于该控制方法在上述控制方法实施例中已作为了详细地描述，这里就不再具体说明。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。