动力电池均衡控制方法及控制装置与流程

本发明涉及动力电池领域，尤其涉及一种动力电池被动均衡的逻辑程序控制方法。

背景技术：

目前，人们日益重视对环境的保护和能源的合理使用。因此，高效、节能、环保的电动汽车就成为汽车行业的发展趋势，电动车利用存储在电池中的电能作为能源。随着越来越多的电动汽车的应用，越来越多电池问题凸显出来，其中电池的一致性恶化是电池厂家急需解决的一个问题。目前电池均衡有两类方法，一类是对电池人工用设备进行均衡，另一类方法是采用管理系统的均衡控制，其包括主动均衡与被动均衡。主动均衡的的原理是将高电压电芯的能量通过中间储能硬件(如电容、电感、电源)缓慢放电至低电压电芯中去，能量转化效率较高；被动均衡是通过连接在电芯上的电阻消耗高电压电芯能量，使其与低电压电芯能量相同，以达到整体一致目的，其优点是管理系统硬件较简单。

采用人工均衡的缺点是每次均衡都需要大量的人力物力投入，其每辆车的平均一致性维护成本较高；采用主动均衡则控制系统需要开发复杂的硬件设计、线束设计、连接控制，电池管理系统成本高昂，目前逐渐被管理系统淘汰；早期被动均衡控制系统均衡电流小、均衡开启时间短，均衡能力弱，均衡能力受到限制。所以本发明提供一种均衡开启时间长，费用低的被动均衡控制方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种动力电池被动均衡的逻辑程序控制方法及控制装置。本发明的被动均衡逻辑程序控制方法及控制装置降低了动力电池管理系统的开发成本投入，简化了动力电池管理系统的设计。本发明的均衡控制方法及控制装置，可以延长电芯的均衡开启时间，有效提高动力电池均衡控制效率，提升电池的一致性，使电池能量有效地发挥出来。

根据本发明的第一方面，提供一种动力电池均衡控制方法，包括：采集动力电池的各电芯的电压与电流的信息；针对每个电芯所在的均衡电路执行以下操作：当电芯的电压与电流满足第一条件时，开启对该电芯的均衡，满足第二条件时，关闭对该电芯的均衡；当电芯的电压满足第三条件时，进入充电末端阶段；在所述充电末端阶段，当电芯的电压满足第四条件时，继续对该电芯的均衡，满足第五条件时，结束充电。

优选地，所述第一条件包括：电芯的电压与电流满足(Vi-Vavg)/I＞K1；所述第二条件包括：电芯的电压与电流满足(Vi-Vavg)/I＜K2，其中Vi表示所述各电芯的电压，Vavg表示系统平均电压值，I表示充电电流值，K1表示预设的第一参数，K2表示预设的第二参数。

优选地，所述第三条件包括：电芯的电压最大值超过预设的第一阈值达到预设的第一时间。

优选地，所述第四条件包括：电芯的电压满足(Vi-Vavg)≥M，其中Vi表示所述电芯的电压，Vavg表示系统平均电压值，M表示预设的第三参数。

优选地，所述第五条件包括以下至少一个：(Vi-Vavg)＜N；Vavg≤V1；或充电末端阶段结束，其中Vi表示所述电芯的电压，Vavg表示系统平均电压值，N表示预设的第四参数。

优选地，进入所述充电末端阶段包括：充电末端判断是否电芯的电压最大值超过预设的第一阈值达到预设的第一时间，即Vmax≥V0持续一秒；发出将充电电流降低为0的请求；将剩余电量修正为99％；开始计时，其中所述计时时间达到预设的第二时间时所述充电末端阶段结束。

优选地，所述充电结束包括：将所述电芯的均衡关闭；将所述剩余电量修正为100％；电池管理系统对充电桩发出充电终止指令。

优选地，所述动力电池均衡控制方法还包括，在采集动力电池的各电芯的电压与电流信息之前进行充电前准备，所述充电前准备包括：动力电池的充电插座与充电桩耦合；充电桩对动力电池进行低压辅助上电；动力电池与充电桩互发报文进行充电握手；进行充电参数配置。

根据本发明的第二方面，提供一种动力电池均衡程序控制装置，包括：从控制系统，包括分别与动力电池的多个电芯相连的多个从控制模块，每个从控制模块用于从相应的电芯采集电压与电流，并根据主控制系统的控制指令对均衡开关进行控制实现对电芯的均衡；主控制系统，通过低压电源和通讯线束与所述从控制系统相连接，用于从所述从控制系统接收各电芯的电压与电流，并针对所述每个电芯执行以下操作：当电芯的电压与电流满足第一条件时，控制与所述电芯相连的从控制模块对该电芯进行均衡，满足第二条件时，控制与所述电芯相连的从控制模块关闭对所述电芯的均衡；当电芯的电压满足第三条件时进入充电末端阶段，并在充电末端阶段当电芯的电压满足第四条件时控制与所述电芯相连的从控制模块继续该电芯的均衡，满足第五条件时结束充电。

优选地，所述每个从控制模块包括：采样电路，用于采集电芯的电压与电流；以及均衡电路，用于对电芯进行均衡；均衡开关，串联在均衡电路中，用于在所述主控制系统的控制下开启和关闭。

优选地，所述多个从控制模块通过通讯线束将所述各电芯的电压与电流传递至所述主控制系统。

优选地，所述均衡电路包括第一电阻和第一二极管；所述采样电路包括第二电阻、第三电阻以及第二二极管；所述第二电阻、第三电阻以及第二二极管与电芯串联成回路，所述均衡开关与所述第一电阻和第一二极管串联成回路。

优选地，所述均衡开关包括PMOS管。

本发明的动力电池均衡控制方法及装置通过制定合理的充电参数，根据预设的条件来尽早的开启均衡开关，同时及时关闭均衡开关，可以避免电池长时间均衡而造成过放问题发生；而且在充电末端采用0A电流充放方案，有效延长充电时间，从而有效延长均衡时间，提高被动均衡能力。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据本发明的动力电池均衡控制方法的充电过程的流程图。

图2示出根据本发明的动力电池均衡控制方法流程图。

图3示出根据本发明的动力电池均衡控制方法在车辆充电时单体电芯的电压分布与均衡开启和关闭的关系的示意图。

图4示出根据本发明的动力电池均衡控制方法的电芯的均衡开启与关闭状态与电压、平均电压和剩余电量的关系的示意图。

图5示出根据本发明的动力电池均衡控制方法的电芯的均衡电量与其充电起始电压的关系的示意图。

图6示出根据本发明的动力电池均衡控制装置的系统连接示意图。

图7示出根据本发明的动力电池均衡控制装置的从控制系统的示例电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和方案更加清楚，便于实施，下面将结合附图对本发明作进一步详细的说明。

应当说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1示出根据本发明的动力电池均衡控制方法的充电过程的流程图。该充电过程包括步骤S01至S05。

在步骤S01中，物理连接完成。将动力电池的充电插座与充电桩耦合，完成各路物理连接。

在步骤S02中，低压辅助上电。充电桩对动力电池进行低压辅助上电。

在步骤S03中，充电握手阶段。充电桩控制系统向动力电池的电池管理系统发送充电握手报文，动力电池的电池管理系统向充电桩控制系统回送电池管理系统握手报文，握手成功；即动力电池与充电桩互发报文进行充电握手。

在步骤S04中，充电参数配置阶段。进行充电参数配置，例如K1、K2、M、N、V0、V1、T1等，形成各均衡开启或关闭条件。

步骤S01至步骤S04均属于动力电池的充电前准备。

在步骤S05中，充电阶段。充电桩对动力电池进行正常充电，电池的电芯按照设定的需要进行均衡。

图2示出根据本发明的动力电池均衡控制方法流程图。本发明的动力电池均衡控制方法是在充电阶段以及充电末端阶段完成的，因此是包含在图1描述的充电过程中的一部分，该方法包括步骤S06至S21。

在步骤S06中，判断充电电流是否大于I0。I0为设定的电流值，充电过程中，当动力电池的充电电流大于I0时，说明充电达到预设要求，可以进行是否对电池的各电芯进行均衡的判定，此时则执行步骤S08；若充电电流不大于I0，继续充电，则转入S07步骤。

在步骤S07中，均衡不开启。充电电流不大于I0，不能达到均衡开启的条件，电池继续充电。

充电电流达到预设要求时，动力电池的电池管理系统的从控制系统采集动力电池的各电芯的电压与电流信息，并通过通讯线束将采集的电压与电流信息发送至主控制系统，主控系统接收各电芯的电压与电流，并针对每个电芯执行均衡开启与关闭的判定。

在步骤S08中，判断Vi是否大于(Vavg+K1*I)。此步骤中，判断各电芯的电压与电流是否满足第一条件，即(Vi-Vavg)/I＞K1，其中Vi表示所述各电芯的电压，Vavg表示系统平均电压值，I表示充电电流值，K1表示预设的第一参数；计算(Vi-Vavg)/I的数值，若单体电芯的电压Vi与平均电压Vavg的差值与充电电流I的比值大于K1，达到均衡开启条件，执行步骤S10；若单体电芯的电压Vi与平均电压Vavg的差值与充电电流I的比值不大于K1，未达到均衡开启条件，执行步骤S09。

在步骤S09中，均衡不开启。电芯的电压与电流不能满足第一条件，未达到均衡开启条件。

在步骤S10中，标识位置，并开启此位置均衡开关。单体电芯的电压Vi与平均电压Vavg的差值与电流I的比值大于K1，电芯的电压与电流满足第一条件，开启对该电芯的均衡，记录此电芯位置，同时开启均衡的电芯的最大数量为20个。

在步骤S11中，判断Vi是否小于(Vavg+K2*I)。此步骤中，判断各电芯的电压与电流是否满足第二条件，即(Vi-Vavg)/I＜K2，K2表示预设的第二参数；均衡过程中，若单体电芯的电压Vi与平均电压Vavg的差值与充电电流I的比值小于K2，说明均衡时间充足，执行步骤S12；若单体电芯的电压Vi与平均电压Vavg的差值与充电电流I的比值不小于K2，均衡时间较短，执行步骤S13。

在步骤S12中，此位置均衡结束。电芯的电压与电流满足第二条件，均衡时间足够，关闭对该电芯的均衡，结束均衡过程。

在步骤S13中，充电继续，此位置均衡继续。均衡时间较短，继续对该电芯进行均衡，充电过程继续。

在步骤S14中，判断Vmax≥Vo持续是否超过1秒。判断电芯的电压是否满足第三条件，即电芯电压的最大值Vmax是否超过预设的第一电压阈值Vo达到预设的第一时间；这里维持时间设定为一秒，当然也可以根据需要修改，若单体电芯的最高电压Vmax大于等于Vo，且维持时间超过一秒，则执行步骤S15，否则执行步骤S13，直到Vmax大于等于Vo。

在步骤S15中，充电请求电流发送为0A，并将剩余电量(SOC，State of Charge)修正为99％，并且时钟开始计时T。经过上一步判断，当电芯的电压满足第三条件时，进入充电末端阶段；充电末端阶段包括：发出将充电电流降低为0的请求，将剩余电量修正为99％，开始计时T，其中计时时间T达到预设的第二时间T1时充电末端阶段结束。

在步骤S16中，判断Vi是否大于等于(Vavg+M)。判断电芯的电压是否满足第四条件，即(Vi-Vavg)≥M，M表示预设的第三参数；判断单体电芯的电压Vi与平均电压Vavg的差值是否大于等于M，若单体电芯电压Vi与平均电压Vavg的差值大于等于M，即满足第四条件，则执行步骤S18；否则，执行步骤S17。

在步骤S17中，均衡结束。电芯的电压超过第四条件设定的阈值，充电末端均衡时间足够，关闭对该电芯的均衡，均衡结束。

在步骤S18中，均衡继续。电芯的电压满足第四条件，充电末端均衡时间不足，继续均衡。

在步骤S19中，判断Vmax<Vavg+N或Vavg≤V1或T≥T1三者中是否有一个成立。判断电芯的电压满足第五条件，均衡过程中判断(Vi-Vavg)是否小于N或Vavg是否小于等于V1或T是否大于等于T1(充电末端阶段结束)，若三者中任有一个符合，均衡完成，则执行下一步，结束充电，否则执行步骤S18，继续均衡，然后重新判断。

在步骤S20中，将剩余电量修正为100％，向充电机发送充电终止报文。均衡时间足够，关闭此位置的电芯的均衡开关，且将剩余电量修正为100％，对充电机发送充电截止报文(BST)。

在步骤S21中，充电结束。充电过程结束，均衡过程结束。

在充电过程中，充分利用充电过程中较稳定的电压特点，通过制定合理的多个充电参数，多次进行均衡开启与关闭的判断，尽早的开启均衡开关，同时及时关闭均衡开关，可以避免电池长时间均衡而造成过放问题发生；而且在充电末端采用0A电流充放方案，有效延长充电时间，延长均衡时间以提高均衡能力，同时又不影响行车。

以下参考图3至图5来说明本发明的动力电池均衡控制方法的均衡效果。

图3示出根据本发明的动力电池均衡控制方法在车辆充电时单体电芯的电压分布与均衡开启和关闭的关系的示意图，其中横坐标表示电芯编号，左侧纵坐标表示充电电压，右侧纵坐标表示均衡开关的开启与关闭，1表示均衡开关开启，0表示均衡开关关闭。在本实施例中选用170个单体电芯记录数据，如图3所示，170个电芯单体的平均电压为3.297V，充电起始电压分布在3.28V至3.315V之间，此车辆均衡控制中将K1、K2参数分别设定为0.15、0.05，M、N分别设定为10与5，V0、V1分别设定为3650、3333，同时也可以清楚地知道每个电芯的充电起始电压。在图3所示的实施例中，根据设定的参数对每个电芯进行图2中均衡方法中描述的均衡开启或关闭的五个判断条件的判断，经过判断，针对其中20个电芯开启了均衡，此20个电芯分别为图中所示：s2_v5、s2_v15、s2_v18、s3_v5、s3_v15、s3_v25、s3_v29、s3_v30、s4_v5、s4_v15、s4_v19、s4_v25、s4_v30、s5_v5、s5_v15、s5_v25、s6_v5、s6_v15、s6_v20、s7_v5，这20个电芯充电起始电压较高，根据参数判断，达到均衡开启条件，消耗电能，以达到整体一致性效果。本实施例可以同时开启多达20个电芯的均衡，提高均衡效率。

图4示出根据本发明的动力电池均衡控制方法的电芯的均衡开启与关闭状态与电压、平均电压和剩余电量的关系的示意图。图4针对多个电芯中之一，比如编号为S3-V5的电芯，记录其在充放电过程中均衡开启与关闭状态与电芯的电压、平均电压和剩余电量(SOC，State of Charge)的对应关系曲线。其中横坐标表示时间，每隔20s设置一个数据点，进行一次统计，从1开始以每300个数据点为一个时间段；左侧纵坐标表示电压，右侧纵坐标表示剩余电量。图中，均衡开启和关闭状态对应的曲线，数字“1”代表均衡开关开启，数字“0”代表均衡开关关闭。从图4可以看出，编号为S3-V5的电芯剩余电量(SOC)在30％至100％之间随均衡的开启和关闭而变化；编号为S3-V5的电芯电压以及动力电池系统的平均电压在一天当中均在3V至3.5V之间变化，且二者较为接近。由图中可以看出，此电芯在充电过程中的单体电芯电压的曲线与电池系统平均电压的曲线基本重合，而且单体电芯的电压基本均偏高，所以均衡开关开启时间较长。由图1描述的方法可知，充电结束时均衡结束，电芯剩余电量(SOC)修正为100％，所以充电过程中，电芯的剩余电量值不断趋近100％，即图中两段电芯的剩余电量不断上升的曲线即对应充电过程的时间，充电结束时，均衡关闭，对应图中均衡开启和关闭状态曲线对应数字“0”的时间段。从图中可以看出，一天之内，均衡的开启和关闭交替进行，在当天充电过程中全部时间(两段电芯的剩余电量不断上升的曲线)，均衡开关都处于开启状态，即均衡开启和关闭状态曲线对应数字“1”的时间段，每两个数据点之间的间隔为20s，计算所有均衡开启阶段的数据点个数，可以计算出一天内总的均衡开启时间达到4小时。由此可以看出，本实施例提供的动力电池均衡控制方法可以充分延长电芯充电过程中的均衡时间，提高均衡效率。

图5示出根据本发明的动力电池均衡控制方法的电芯的均衡电量与其充电起始电压的关系的示意图。其中，横坐标表示电芯编号，左侧纵坐标表示电芯消耗的均衡电量，右侧纵坐标表示电芯的初始充电电压。本实施例中选取图3中提到的20个开启了均衡的电芯为例说明，本实施例的图中可以看出，20个电芯的均衡电量在100mWh至1500mWh之间波动，充电起始电压在3.3V至3.313V之间波动，且均衡消耗电量与充电起始电压的曲线波动基本一致。本实施例的20个电芯因均衡而消耗的电量分别为1386、1095、147、1392、1392、1388、172、312、1470、1388、167、1371、385、1470、1470、1381、1392、1371、249、1392(单位：mWh)。

从图中的曲线及数据中可以看出，此均衡管理方法在车辆运营过程中能够发挥作用，每天均衡能量最高可达1470mWh，一个月最高可以达到44.1Wh，而且电芯的起始充电电压越高，均衡过程耗电越高。

图6示出根据本发明的动力电池均衡控制装置的系统连接示意图。

如图6所示，本实施例的动力电池均衡控制装置可以实现在动力电池的电池管理系统110中，电池管理系统110与充电桩控制系统101和整车控制器104相连，充电桩控制系统101用于连接到外部充电桩以向动力电池提供充电电流，电池管理系统110在整车控制器104的控制下或者与之协作完成电池管理。

在图6的实施例中，实现在电池管理系统110中的动力电池均衡控制装置可以包括从控制系统102及主控制系统103。从控制系统102包括分别与动力电池的多个电芯相连的多个从控制模块C1-Cn，分别用于从相应的n个电芯采集电压与电流，并根据主控制系统103的控制对电芯进行均衡。主控制系统103通过低压电源和通讯线束与从控制系统102相连接，用于从上述从控制系统102接收各电芯的电压与电流，并针对每个电芯执行以下操作：当电芯的电压与电流满足第一条件时，控制与电芯相连的从控制模块C1-Cn对该电芯进行均衡，满足第二条件时，控制与电芯相连的从控制模块C1-Cn关闭对电芯的均衡；当电芯的电压满足第三条件时进入充电末端阶段，并在充电末端阶段当电芯的电压满足第四条件时控制与电芯相连的从控制模块C1-Cn继续对该电芯的均衡，满足第五条件时结束充电。

本实施例的动力电池均衡控制装置的每个从控制模块C1-Cn均包括采样电路和均衡电路以及均衡开关；采样电路用于采集电芯的电压与电流；均衡电路用于对电芯进行均衡；均衡开关串联在均衡电路中，用于在主控制系统的控制下开启和关闭。

多个从控制系统模块C1-Cn通过通讯线束将各电芯的电压与电流信息传递至主控制系统103。图6中主控制系统103与从控制系统102之间连接有线束，虚线为通讯线束，实线为采集线束。

当充电过程开始时，动力电池的充电插座与充电桩耦合后，充电桩控制系统101对电池各电芯供电，从控制系统102采集对应的电芯单体的电压与电流信息，并将其通过通信线束传递至主控制系统103，主控制系统103对各电芯电压、平均电压、充电电流进行判断，并发送均衡开启与关闭信号，控制各从控制模块对均衡开关进行开启与关闭，进行均衡的开始和结束，从而达到充电过程对电池进行一致性性能提升目的。

图7示出根据本发明的动力电池均衡控制装置的从控制系统的示例电路图。

每个从控制模块均包括采样电路21和均衡电路22。采样电路21用于采集电芯的电压与电流，每个采样电路21包括第二电阻R2，第三电阻R3以及第二二极管D2。均衡电路22用于对电芯进行均衡，每个均衡电路22包括第一电阻R1和第一二极管D1。均衡开关P1串联在均衡电路22中，用于在主控制系统的控制下开启和关闭。第二电阻R2，第三电阻R3以及第二二极管D2与电芯B1串联成回路，均衡开关P1与第一电阻R1和第一二极管D1串联成回路。

这里只是选择了图7中的第一个电芯B1对应的采样电路21和均衡电路22来举例说明，右边的其他模块与B1电芯对应的模块具有类似功能。B1-B6为不同的6个电芯单体，分别对应6个采样电路21和均衡电路22，它们包含的电子元件及作用均相同。

优选地，本实施例的动力电池均衡控制装置中，均衡开关包括PMOS管，通过PMOS管的导通与截止进行均衡开关的开启和关闭。从控制系统将采集电压与电流发送至主控制系统，主控制系统对电芯的充电电压、电流、充电参数K1、K2、M、N进行计算比较，当开启/关闭条件达到时，主控制系统向从控制系统发送开启均衡开关PMOS指令，将PMOS管进行激活，开关开启，通过均衡电阻将高电压电芯进行放电。

本发明的动力电池均衡控制方法及控制装置结合单体电池特性(尤其是磷酸铁锂电芯)，根据预设的条件来控制各个电芯的均衡的开启和关闭，能够提高均衡效率、延长均衡时间。具体地，通过合理制定出K1、M参数，使电池在充电过程中尽可能早的开启均衡开关(PMOS管)，同时制定出合理的K2、N参数及时关闭均衡开关，延长均衡时间，提高均衡效率，且可以避免电池长时间均衡而造成过放问题发生；且在充电末端采用0A电流充放方案，有效延长充电时间，从而有效延长均衡时间，从而达到提高被动均衡能力。本发明的动力电池均衡控制方法及控制装置可以同时开启多达20路均衡开关，每天均衡时间在4h以上，每辆电动汽车均可节省大量的人工均衡费用。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本说明书选取并具体描述本实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。