一种主动保护纯电动汽车电池的系统及方法与流程

本发明涉及供电技术领域，尤其涉及一种主动保护纯电动汽车电池的系统及方法。

背景技术：

随着世界范围的能源危机,锂离子电池作为最理想的储能方式引起了广泛的关注。目前，锂离子电池还存在着自放电率大的难题，车辆在市场上运行长时间后，电池组模块之间的压差也越来越大，这样就会导致电池组充电时，以单个模块电压达到上限值，充电截止，导致其他模块充不满电，电池组充不满电。如果要使电池组充满，必然会导致个别电压高模块出现过充现象。过充电容易导致电池中电解液分解释产生气体，从而导致电池鼓胀，严重时甚至会冒烟起火。

同样，车辆在市场上运行时，电池组放电至末端时，通常以单个模块达到放电下限，放电截止，如果车辆突然在路上抛锚会存在严重的安全隐患，这时整车策略都会选择让车辆继续行驶至安全区域，这样就会导致电压低模块过放，过放会导致电池正极材料分子结构损坏，导致充不进去电。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种主动保护纯电动汽车电池的系统及方法。

本发明提出的一种主动保护纯电动汽车电池的系统，包括：锂离子电池组、数据处理单元、电压采集单元和预充电路；

锂离子电池组中串联有多个节点，任意相邻两个节点之间串有一个第一继电器和一节锂离子电池；

预充电路包括电容支路和短路支路，电容支路上串联有第二继电器和充放电容，短路支路上串联有第三继电器，短路支路与电容支路并联；预充电路与锂离子电池一一对应，短路支路的两端分别连接对应的锂离子电池两端的节点；

电压采集单元分别连接每一节锂离子电池和各预充电路中的充放电容，用于采集各锂离子电池的电压和各充放电容的电压，并用于监测整个锂离子电池组的荷电状态；

数据处理单元连接电压采集单元、每一个第一继电器以及每一个预充电路中的第二继电器和第三继电器；数据处理单元根据电压采集单元的荷电状态、各锂离子电池的电压值以及对应的充放电容的电压值控制各锂离子电池对应的第一继电器、第二继电器和第三继电器工作。

优选地，第一继电器为常闭继电器，第二继电器和第三继电器均为常开继电器。

优选地，各短路支路上还串联有一个保护电阻。

一种主动保护纯电动汽车电池的方法，第一继电器为常闭继电器，第二继电器和第三继电器均为常开继电器；该电池保护方法包括充电保护和放电保护；

充电保护包括以下步骤：

s1、充电过程中，检测锂离子电池组电荷状态；

s2、根据锂离子电池组电荷状态判断是否进入充电末端；否，则返回上一步；是，则执行下一步；

s3、获取各锂离子电池的电压v1、v2、v3……vn；计算锂离子电池组中各锂离子电池的电压平均值vag＝(v1+v2+v3+……+vn)/n；

s4、求取各锂离子电池电压v1、v2、v3……vn与电压平均值vag的电压差值δv1、δv2、δv3……δvn；

s5、将各电压差值δv1、δv2、δv3……δvn分别与预设的电池充电阈值x1比较，并将各对应的电压差值小于或等于电池充电阈值x1的锂离子电池作为充电保护对象；

s6、闭合充电保护对象对应的第二继电器并断开充电保护对象对应的第一继电器；

s7、将第二继电器闭合的电容支路上的充放电容作为充电回避对象，求取各充电回避对象的电压值与对应的锂离子电池电压的差值作为电容压差；

s8、将各电容压差与预设的电容充电阈值y1比较，并将电容压差小于或等于电容充电阈值y1的充电回避对象作为回避目标；

s9、闭合各回避目标所在预充电路中的第三继电器并断开各回避目标所在预充电路中的第二继电器；

放电保护包括以下步骤：

f1、放电过程中，检测锂离子电池组电荷状态；

f2、根据锂离子电池组电荷状态判断是否进入放电末端；否，则返回上一步；是，则执行下一步；

f3、获取各锂离子电池的电压u1、u2、u3……un；计算锂离子电池组中各锂离子电池的电压平均值uag＝(u1+u2+u3+……+un)/n；

f4、求取各锂离子电池电压u1、u2、u3……un与电压平均值uag的电压差值δu1、δu2、δu3……δun；

f5、将各电压差值δu1、δu2、δu3……δun分别与预设的电池放电阈值x2比较，并将各对应的电压差值小于或等于电池放电阈值x2的锂离子电池作为放电保护对象；

f6、闭合放电保护对象对应的第二继电器并断开放电保护对象对应的第一继电器；

f7、将第二继电器闭合的电容支路上的充放电容作为放电回避对象，求取各放电回避对象的电压值与对应的锂离子电池电压的差值作为电容压差；

f8、将各电容压差与预设的电容放电阈值y2比较，并将电容压差小于或等于电容放电阈值y2的放电回避对象作为回避目标；

f9、闭合各回避目标所在预充电路中的第三继电器并断开各回避目标所在预充电路中的第二继电器。

优选地，步骤s2中根据锂离子电池组电荷状态判断是否进入充电末端的具体方式为：将锂离子电池组的荷电量与预设的充电电量k1比较；如果，锂离子电池组的荷电量大于或等于或等于或等于k1，则判断锂离子电池组进入充电末端；反之，则未进入充电末端；

步骤f2中根据锂离子电池组电荷状态判断是否进入放电末端的具体方式为：将锂离子电池组的荷电量与预设的放电电量k2比较；如果，锂离子电池组的荷电量小于或等于或等于k2，则判断锂离子电池组进入放电末端；反之，则未进入放电末端。

优选地，充电电量k1≥80％，放电电量k2≤30％。

优选地，电池充电阈值x1和电池放电阈值x2均大于或等于或等于50mv。

优选地，x1＝x2。

优选地，电容充电阈值y1与电容放电阈值y2均小于或等于20mv。

优选地，y1＝y2。

本发明提供的一种主动保护纯电动汽车电池的系统中，断开某个锂离子电池对应的第二继电器和第三继电器并闭合其对应的第一继电器，则该锂离子电池接入锂离子电池组正常工作；断开某个锂离子电池对应的第一继电器和第三继电器并闭合其对应的第二继电器，则该锂离子电池两端的锂离子电池通过充放电容连接，锂离子电池组正常工作，该锂离子电池不工作；断开某个锂离子电池对应的第一继电器和第二继电器并闭合其对应的第三继电器，则该锂离子电池被短路，锂离子电池组正常工作。如此，可通过对第一继电器、第二继电器和第三继电器的控制，使得锂离子电池组充放电过程中避开单个的锂离子电池，避免锂离子电池过充或者过放。

本发明提供的一种主动保护纯电动汽车电池的方法，在锂离子电池组充放电时，如果单个锂离子电池电压偏离平均值时，通过闭合预充电路中继电器第一继电器或者第三继电器，断开与该锂离子电池串联的第一继电器，可使得整个锂离子电池组的充放电避开电压过高或过低的锂离子电池，继续充电或放电，从而预防单体锂离子电池过充或过放。

附图说明

图1为本发明提出的一种主动保护纯电动汽车电池的系统结构图；

图2为本发明提出的一种主动保护纯电动汽车电池的方法流程图；

图3实施例1中各锂离子电池电压分布图；

图4实施例2中各锂离子电池电压分布图

具体实施方式

参照图1，本发明提出的一种主动保护纯电动汽车电池的系统，包括：锂离子电池组、数据处理单元、电压采集单元和预充电路。

锂离子电池组中串联有多个节点，任意相邻两个节点之间串有一个第一继电器ka1和一节锂离子电池。

预充电路包括电容支路和短路支路，电容支路上串联有第二继电器ka2和充放电容c1，短路支路上串联有第三继电器ka3，短路支路与电容支路并联；预充电路与锂离子电池一一对应，短路支路的两端分别连接对应的锂离子电池两端的节点。

即，本实施方式中，锂离子电池组由多节依次串联的电池支路组成，每一节电池支路上串联有一个第一继电器ka1和第一节锂离子电池。各电池支路分别并联一个预充电路，每一个预充电路由一条电容支路和一条短路支路并联组成。如此，断开某个锂离子电池对应的第二继电器ka2和第三继电器ka3并闭合其对应的第一继电器ka1，则该锂离子电池接入锂离子电池组正常工作；断开某个锂离子电池对应的第一继电器ka1和第三继电器ka3并闭合其对应的第二继电器ka2，则该锂离子电池两端的锂离子电池通过充放电容c1连接，锂离子电池组正常工作，该锂离子电池不工作；断开某个锂离子电池对应的第一继电器ka1和第二继电器ka2并闭合其对应的第三继电器ka3，则该锂离子电池被短路，锂离子电池组正常工作。

本实施方式中，各短路支路上还串联有一个保护电阻r1，以便对充放电容c1进行充放电保护。

电压采集单元分别连接每一节锂离子电池和各预充电路中的充放电容c1，用于采集各锂离子电池的电压和各充放电容c1的电压，并用于监测整个锂离子电池组的荷电状态。

数据处理单元连接电压采集单元、每一个第一继电器ka1以及每一个预充电路中的第二继电器ka2和第三继电器ka3。数据处理单元根据电压采集单元的荷电状态、各锂离子电池的电压值以及对应的充放电容c1的电压值控制各锂离子电池对应的第一继电器ka1、第二继电器ka2和第三继电器ka3工作。

以下，结合上述的主动防护纯电动汽车动力电池的系统对本发明提供的一种主动保护纯电动汽车电池的方法进行阐述，该方法适用的系统中，第一继电器ka1为常闭继电器，第二继电器ka2和第三继电器ka3均为常开继电器。

参照图2，该主动防护纯电动汽车动力电池的方法包括充电保护和放电保护。

充电保护包括以下步骤：

s1、充电过程中，检测锂离子电池组电荷状态。本步骤实际为检测锂离子电池组的荷电量，结合上述系统，该步骤可由电压采集单元进行。

s2、根据锂离子电池组电荷状态判断是否进入充电末端。否，则返回上一步。是，则执行下一步。本步骤中，根据锂离子电池组电荷状态判断是否进入充电末端的具体方式为：将锂离子电池组的荷电量与预设的充电电量k1比较。如果，锂离子电池组的荷电量大于或等于或等于或等于k1，则判断锂离子电池组进入充电末端。反之，则未进入充电末端。本实施方式中，充电电量k1≥80％，即当锂离子电池组整体充电量达到完全充满时的80％，则判断锂离子电池组进入充电末端。具体的，80％≤k1＜100％，具体，还可选择，k1＝85％、90％、95％、98％等。结合上述系统，该步骤由数据处理单元完成。

s3、获取各锂离子电池的电压v1、v2、v3……vn，计算锂离子电池组中各锂离子电池的电压平均值vag＝(v1+v2+v3+……+vn)/n。结合上述系统，各锂离子电池的电压v1、v2、v3……vn由电压采集单元完成，电压平均值vag的计算由数据处理单元完成。

s4、求取各锂离子电池电压v1、v2、v3……vn与电压平均值vag的电压差值δv1、δv2、δv3……δvn。具体的，δv1＝|v1-vag|、δv2＝|v2-vag|、δv3＝|v3-vag|，依次类推，δvn＝|vn-vag|。

结合上述系统，该步骤由数据处理单元完成。

s5、将各电压差值δv1、δv2、δv3……δvn分别与预设的电池充电阈值x1比较，并将各对应的电压差值小于或等于电池充电阈值x1的锂离子电池作为充电保护对象。电池充电阈值x1≥50mv。本实施方式中，通过对电压差值进行判断，可及时发现有过充趋势的锂离子电池。而且，本实施方式中，是以整体的锂离子电池组中各锂离子电池的电压平均值作为判断过充趋势的参照对象，在结合了锂离子电池应用场景的情况下，还结合了锂离子电池组的寿命损耗导致的性能降低，有利于保证整体判断的精确。s6、闭合充电保护对象对应的第二继电器并断开充电保护对象对应的第一继电器ka1。如此，第一继电器ka1的断开使得充电保护对象从锂离子电池组中脱离，而第二继电器ka2的闭合，使得锂离子电池组中充电保护对象两端的锂离子电池通过充电保护对象对应的充放电容c1连接。从而，整个锂离子电池组内部依然完整以便保证整体充电的顺利进行，且可绕过充电保护对象进行充电，避免充电保护对象过充。充放电容c1的设置，其在充电过程中可存储部分电量，从而有利于提高整体锂离子电池组的储存容量。

s7、将第二继电器ka2闭合的电容支路上的充放电容c1作为充电回避对象，求取各充电回避对象的电压值vcn与对应的锂离子电池电压vn的差值作为电容压差。

s8、将各电容压差与预设的电容充电阈值y1比较，并将电容压差小于或等于电容充电阈值y1即|vcn-vn|≤y1的充电回避对象作为回避目标。0＜y1≤20mv。

s9、闭合各回避目标所在预充电路中的第三继电器ka3并断开各回避目标所在预充电路中的第二继电器ka2。如此，在充放电容接近充满时，通过断开第二继电器ka2闭合第三继电器ka3，可使得该充放电容c1被短路，且该充放电容c1对应的锂离子电池的两端节点通过第三继电器ka3短路，从而在规避锂离子电池以及其对应的充放电容的情况下为锂离子电池组中的其他锂离子电池或者对应的充放电容c1充电。

结合上述系统，步骤s5-s9都可由数据处理单元完成。

放电保护包括以下步骤：

f1、放电过程中，检测锂离子电池组电荷状态。本步骤实际为检测锂离子电池组的荷电量，结合上述系统，该步骤可由电压采集单元进行。

f2、根据锂离子电池组电荷状态判断是否进入放电末端。否，则返回上一步。是，则执行下一步。本步骤中，根据锂离子电池组电荷状态判断是否进入放电末端的具体方式为：将锂离子电池组的荷电量与预设的放电电量k2比较。如果，锂离子电池组的荷电量小于或等于或等于k2，则判断锂离子电池组进入放电末端。反之，则未进入放电末端。本实施方式中，放电电量k2≤30％。即当锂离子电池组整体充电量仅剩余完全充满时的30％甚至更低，则判断锂离子电池组进入放电末端。具体的，0＜k2≤30％，具体，还可选择，k2＝5％、10％、15％、28％等。结合上述系统，该步骤由数据处理单元完成。

f3、获取各锂离子电池的电压u1、u2、u3……un。计算锂离子电池组中各锂离子电池的电压平均值uag＝(u1+u2+u3+……+un)/n。结合上述系统，各锂离子电池的电压u1、u2、u3……un由电压采集单元完成，电压平均值uag的计算由数据处理单元完成。

f4、求取各锂离子电池电压u1、u2、u3……un与电压平均值uag的电压差值δu1、δu2、δu3……δun。具体的，δu1＝|u1-uag|、δu2＝|u2-uag|、δu3＝|u3-uag|，依次类推，δun＝|un-uag|。

结合上述系统，该步骤由数据处理单元完成。

f5、将各电压差值δu1、δu2、δu3……δun分别与预设的电池放电阈值x2比较，并将各对应的电压差值小于或等于电池放电阈值x2的锂离子电池作为放电保护对象。电池放电阈值x2≥50mv。本实施方式中，通过对电压差值进行判断，可及时发现有过放趋势的锂离子电池。而且，本实施方式中，是以整体的锂离子电池组中各锂离子电池的电压平均值作为判断过放趋势的参照对象，在结合了锂离子电池应用场景的情况下，还结合了锂离子电池组的寿命损耗导致的性能降低，有利于保证整体判断的精确。

f6、闭合放电保护对象对应的第二继电器并断开放电保护对象对应的第一继电器ka1。如此，第一继电器ka1的断开使得放电保护对象从锂离子电池组中脱离，而第二继电器ka2的闭合，使得锂离子电池组中放电保护对象两端的锂离子电池通过放电保护对象对应的充放电容c1连接。从而，整个锂离子电池组内部依然完整以便保证整体供电的顺利进行，且可绕过放电保护对象进行放电，避免放电保护对象过度放电导致的使用寿命降低。充放电容c1的设置，其在充电过程中可存储部分电量从而在供电过程中释放处理，从而有利于提高整体锂离子电池组的储存容量。

f7、将第二继电器ka2闭合的电容支路上的充放电容c1作为放电回避对象，求取各放电回避对象的电压值与对应的锂离子电池电压的差值作为电容压差。具体的，本实施方式中，取放电回避对象的电压值与对应的锂离子电池电压的差值的绝对值作为电容压差。

f8、将各电容压差与预设的电容放电阈值y2比较，并将电容压差小于或等于电容放电阈值y2的放电回避对象作为回避目标。0＜y2≤20mv。

f9、闭合各回避目标所在预充电路中的第三继电器ka3并断开各回避目标所在预充电路中的第二继电器ka2。如此，在充放电容接近放空时，通过断开第二继电器ka2闭合第三继电器ka3，可使得该充放电容c1被短路，且该充放电容c1对应的锂离子电池的两端节点通过第三继电器ka3短路，从而在规避锂离子电池以及其对应的充放电容的情况下保证锂离子电池组中的其他锂离子电池或者对应的充放电容c1正常工作以供电。

结合上述系统，步骤s5-s9都可由数据处理单元完成。

本实施方式中，x1＝x2，y1＝y2。

以下结合两个具体的实施例对以上系统和方法做进一步阐述。

实施例1

本实施例提供的一种主动防护纯电动汽车动力电池的系统中，锂离子电池组为纯电动汽车用动力电池组，具体由96个串联的锂离子电池组成。

该实施例主要对主动防护纯电动汽车动力电池的方法中的充电保护进行阐述，具体包括以下步骤。

电压采集单元在车辆点火后，实时监测每节锂离子电池的电压，如图3所示

数据处理单元统计每节锂离子电池的电压平均值vag为3.446v，并计算所有锂离子电池的电压v1、v2……v96与电压平均值vag平均之间差值δv1、δv2……δv96，如图3所示；

当socstateofcharge，荷电状态≥80％，则表示进入充电末端，此时，如果δvn≥50mv，其中96≥n≥1,则闭合δvn对应的锂离子电池的预充电路中的第二继电器ka2，断开与该锂离子电池串联的第一继电器ka1，启动预充电路；

当预充电路中充放电容c1两端的电压与该锂离子电池的电压差vn-vcn＜20mv时，闭合预充电路中第三继电器ka3，断开第二继电器ka2。

实施例2

本实施例提供的一种主动防护纯电动汽车动力电池的系统中，锂离子电池组为纯电动汽车用动力电池组，具体由133个串联的锂离子电池组成。

该实施例主要对主动防护纯电动汽车动力电池的方法中的放电保护进行阐述，具体包括以下步骤。

电压采集单元在车辆点火后，实时监测每节锂离子电池的电压，如图4所示；

数据处理单元统计每节锂离子电池的电压平均值uag为3.127v，并计算所有锂离子电池的电压u1、u2……u133与电压平均值uag之间差值δu1、δu2……δu133，如图4所示；

当soc≤30％，则表示该锂离子电池组进入放电末端，此时，如果|δun|≤50mv，其中，133≥n≥1，则闭合δun对应的锂离子电池并联的预充电路中的第二继电器ka2，断开该锂离子电池串联的第一继电器ka1以启动预充电路；

当预充电路中充放电容c1两端的电压与并联的锂离子电池的电压差un-ucn＜20mv时，闭合预充电路中第三继电器ka3，断开第二继电器ka2。

综合以上实施例1和实施例2，可见，本发明能够在单个锂离子电池电压超过上限时，避开该单个锂离子电池，继续让其他锂离子电池充满；或者单个锂离子电池电压超过下限时，让车辆继续行驶，避免单个锂离子电池过充或者过放。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。