專利名稱：具有均衡充放電功能的電池管理系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及動力電池組的電池管理系統，尤其涉及一種具有均衡充放電功能的電池管理系統及其控制方法。
背景技術：
隨著各國政府和車企對電動汽車項目的重視和投資，一些大的汽車生產商和電池供應商針對各種動力電池做了大量研究和試驗，并成功開發出相關的電池管理系統。一、在國外，電動汽車動力電池及其管理技術的研究比較早。比較有代表性的有1、美國通用汽車公司研發的電動汽車EV上的電池管理系統，該系統由電池模塊、電池組熱管理模塊、電池組高壓斷電保護裝置(High Voltage Disconnect)及軟件 BPM(Battery Pack Module)組成，其中BPM實現電池組電壓電流采集、電量或里程計算、過放電報警等功能。2、美國ACPropulsion公司開發的BatOpt的電池管理系統由多個單節電池監控模塊和一個中央控制單元組成，構建成一個分布式結構的系統，通過twowire總線實現電池信息的傳送，中央控制單元可根據單節電池信息提供手動和自動充電策略。美國 Aerovironment公司開發的SmartGuard系統是在電池上裝有一個分布式的管理裝置(專用IC)，能夠檢測單節電池電壓和溫度，進行電池信息歷史記錄和歸檔，提供最差單體電池的剩余電量信息等。二、在國內，電動汽車電池管理系統方面的研究仍然處于起步階段。主要是一些高校聯合大的汽車生產商和電池供應商共同開展研究，并取得了一定成果1、清華大學為EV-6580型電動客車配套的電池管理系統，可在汽車行駛過程中對電池組充放電電壓、電流等參數進行實時監控，防止過充、過放，提高了電池使用壽命和效率，同時還開發了與該系統相配的充電系統。2、北京航空航天大學研制的鎳氫電池管理系統主要功能有電池組電壓、電流及溫度的采集和存儲，SOC估算，運行狀態判斷和電池充放電保護功能等。3、北京星恒電池有限公司和同濟大學合作開發的鋰離子電池管理系統主要功能有電池電流、電壓及溫度的采集、SOC估算、事故處理與記錄、充電均衡等；深圳雷天公司研發的鋰離子動力電池管理系統由管理主機(CPU)、電壓電流與溫度采集模塊和通信接口模塊組成。可檢測并顯示電池組的總電壓、總電流、電池箱的溫度，對電池過壓、欠壓、過溫、 低溫、過流、短路等極限情況進行報警和控制輸出，提供RS232和CAN總線接口等。電池管理系統對電動汽車整車的安全運行、整車控制策略選擇、充電模式的選擇以及運營成本都有很大的影響。無論在車輛運行過程中還是在充電過程中，電池管理系統都要完成電池狀態的實時監控和故障診斷，并通過總線的方式告知整車控制器或充電機， 以便采用合理的控制策略，達到有效且高效使用電池的目的。現有電池管理系統有多種拓撲連接方案，其中采用繼電器組的方案如圖1。該系統由電池和繼電器組100、CPU控制單元200、均衡放電模塊300和放電電阻400組成；電池
和繼電器組100、CPU控制單元200、均衡放電模塊300和電池和繼電器組100依次閉環連接，均衡放電模塊300和放電電阻400連接。其工作原理是由CPU控制單元200選擇對應通道的繼電器閉合，采樣其單體電池電壓值，并選擇電壓較高的單體電池對放電電阻400 放電，起放電均衡作用。由于動力電池組101是由多個單體電池串聯組成，由于制造工藝等因素使電池特性不可能完全一致，其單體電池容量按正態分布，同時有高于和低于平均容量的單體電池。如對其全部采用放電均衡，均衡時間較長。由于采用對電阻放電，電池能量利用效率不高，發熱量大。另外，整組電池的SOC(電池荷電狀態)值取決于SOC值最小的那塊單體電池，而SOC值最小的那塊單體電池往往是最先充滿和最先放完的那塊電池，因此單純采用放電均衡模式很難提高整組電池的SOC值。
發明內容
本發明的目的就在于克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種具有均衡充放電功能的電池管理系統及其控制方法。本發明的目的是這樣實現的一、具有均衡充放電功能的電池管理系統(簡稱電池管理系統)電池管理系統包括電池和繼電器組、CPU控制單元、均衡放電模塊；設置有超級電容和均衡充電模塊；CPU控制單元和電池和繼電器組連接，檢測電池和繼電器組的工作狀況；CPU控制單元、均衡放電模塊和電池和繼電器組依次連接，控制電池和繼電器組的均衡放電；CPU控制單元、均衡充電模塊和電池和繼電器組依次連接，控制電池和繼電器組的均衡充電；超級電容和均衡放電模塊連接，儲存電池和繼電器組的放電能量。本電池管理系統通過建立監控功能模塊與充放電均衡模塊，對電動汽車實現不同狀況下的功能合理分離和有機配合的管理。均衡放電模塊的后端負載是超級電容，利用超級電容存儲均衡電池的放電電量給電池管理系統和繼電器供電。均衡充電模塊采用了輔助電源(DC-DC)給電池補充充電。由于采用了充電和放電兩種電池均衡方式，利用超級電容放電給電池管理系統(BMS)供電，利用繼電器網絡實現電池管理系統電源與被檢測單體電池之間的相互電氣隔離，自舉充電和電壓測量，降低了功耗、體積和重量，耐機械沖擊性較強，實現了電池的無損能量均衡，又沒有使用較復雜的能量轉換裝置，結構簡單、實現容易、 并且維護和擴展方便。二、帶電池均衡功能的電池管理系統的控制方法(簡稱控制方法)本控制方法包括下列步驟①上電自檢測電池管理系統和相關標定及配置參數；②待超級電容充到一定電壓后，開始對單體電池進行繼電器巡檢，每次只閉合一個繼電器，記錄每塊電池的電壓并實時計算單體電池SOC值；③當接入充電機且電池組SOC值不足時，啟動充電機按電池對應的充電曲線對電池組充電，在充電過程中，如出現單體電池電壓上升太快，則對其進行均衡放電，如出現單體電池電壓低于其它電池時，在輔助電源接通的狀況下啟動均衡充電模塊對其進行補充充電，保證電池組盡可能充入多的電量，使SOC值最大；④非充電狀態下，在檢測有外接輔助電源時，啟動均衡充電模塊，對SOC值低的單體電池進行補充充電，使整組電池的SOC值上升；⑤非充電狀態下，對SOC值較高的單體電池進行均衡放電，給超級電容補充電量， 保證電池管理系統的正常運行；⑥在每繼電器掃描周期結束后，檢查高壓系統對地絕緣狀況，并檢測和控制電池溫度，進行電池熱管理；⑦記錄充放電相關過程參數，對電池的健康程度評估，給出建議或告警；⑧與上下位機通訊，傳遞電池數據和設定參數。本發明具有下列優點和積極效果1、在單個集成單元內整合了電池監控、電池均衡、絕緣檢測和SOC容量檢測等全套電池管理系統，方便用戶接線和調試，降低系統的復雜程度；2、均衡充電采用主電池的輔助電源給單體電池充電，而均衡放電利用了超級電容的儲能特性給電池管理系統供電，整個控制系統沒有額外能量損耗，達到節能環保的目的；3、在關閉輔助電源泊車狀況下，電池管理系統完全依靠動力電池供電，不損耗任何備用電池的電力，當出現動力電池組能量也不足的狀況時，電池管理系統進入休眠狀態， 停止耗電以保護動力電池組，這樣保證了電池管理系統一直處于工作狀態，電池均衡效果好；4、本發明同時采用了充電和放電兩種電池均衡方式，利用超級電容放電給電池管理系統(BMS)供電，利用繼電器網絡實現電池管理系統電源與單體電池之間的相互隔離， 自舉充電和電壓測量，降低了功耗，體積和重量也有較大優勢，耐機械沖擊性較強。實現了電池的無損能量均衡，又沒有使用較復雜的能量轉換裝置，結構簡單、實現容易、并且維護和擴展方便。5、本發明的電池管理系統可廣泛應用于各種電池組管理，如鉛酸電池、鋰電池和鎳氫電池等，而且支持下位機擴展，可以方便檢測和監控多節電池狀況。
圖1是現有電池管理系統的結構方框圖；圖2是本發明電池管理系統的結構方框圖；圖3是動力電池充電曲線圖；圖4是電池SOC電量估算卡爾曼濾波算法流程圖；圖5是電池管理系統軟件方框圖。圖中100-電池和繼電器組，101-動力電池組，102-繼電器組；200-CPU 控制單元；300-均衡放電模塊；400-放電電阻；500-超級電容；
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600-均衡充電模塊。英譯漢1、BMS (Battery Management System)電池管理系統；用來對電池組進行安全監控及有效管理，提高電池的使用效率，增加續駛里程，延長其使用壽命，降低運行成本，進一步提高電池組的可靠性和整車安全性。2, SOC(State of charge)電池荷電狀態；是電池的剩余電量。通常把一定溫度下蓄電池充電到不能再吸收電量時的狀態定義為荷電狀態SOC = 100% ；而將蓄電池再不能放出電量時的狀態定義為荷電狀態SOC = 0%。電池在不同SOC下工作時的電壓/電流特性會有很大不同。因此國內外較為普遍采用電池的荷電狀態SOC作為電池容量狀態描述參數，反映電池的剩余容量，其數值定義為電池的剩余容量占電池容量的比值。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例詳細說明一、電池管理系統1、總體結構如圖2所示，電池管理系統包括電池和繼電器組100、CPU控制單元200、均衡放電模塊300 ；設置有超級電容500和均衡充電模塊600 ；CPU控制單元200和電池和繼電器組100連接，檢測電池和繼電器組100的工作狀況；CPU控制單元200、均衡放電模塊300和電池和繼電器組100依次連接，控制電池和繼電器組100的均衡放電；CPU控制單元200、均衡充電模塊600和電池和繼電器組100依次連接，控制電池和繼電器組100的均衡充電；超級電容500和均衡放電模塊300連接，儲存電池和繼電器組100的放電能量。2、工作原理電池管理系統巧妙地應用了繼電器組102來隔離CPU控制單元200和其它外圍部分，如高壓絕緣監測和電池的共模高電壓等，還利用繼電器組102的大電流導通能力實現了均衡充放電功能。電池管理系統上電后自檢測和相關標定及配置參數；待超級電容500 充到一定電壓后，開始對單體電池進行繼電器巡檢，每次只閉合一個繼電器，記錄每塊單體電池的電壓并實時計算單體電池SOC值；當接入充電機且電池組SOC值不足時，啟動充電機按電池對應的充電曲線對動力電池組101充電，在充電過程中，如出現單體電池電壓上升太快，則對其進行均衡放電；如出現單體電池電壓低于其它電池時，在輔助電源接通的狀況下啟動均衡充電模塊600對其進行補充充電，保證動力電池組101盡可能充入多的電量，使 SOC值最大；在非充電狀態下，在檢測有外接輔助電源時，啟動均衡充電模塊600，對SOC值低的單體電池進行補充充電；對SOC值較高的單體電池進行均衡放電，給超級電容500補充電量，保證電池管理系統的正常運行；在每繼電器掃描周期結束后，檢查高壓系統對地絕緣狀況，并檢測和控制電池溫度，進行電池熱管理操作；記錄充放電相關過程參數，對電池的健康程度評估，給出建議或告警。
3、電池管理系統的各功能塊①電池和繼電器組100電池和繼電器組100包括相互連接的動力電池組101和繼電器組102 ；動力電池組101由N個單體電池串聯組成，電池類型可以是鉛酸電池、鐵鋰電池、 鋰電池或鎳氫電池等。在每一個單體電池的正負極上并聯一個有雙組觸點的繼電器，該繼電器觸點的額定電流值設置為電池均衡充放電過程的最大電流。在一套檢測裝置中，每次只能有一只繼電器閉合，形成電壓檢測和充放電回路，實現串聯電池組中單體電池之間的相互隔離。②CPU控制單元200電池管理系統涉及到大量數據的采集和處理，不但數據數量大、電池節數多，而且電池剩余容量卡爾曼濾波算法對運算處理能力和實時性要求較高。本發明的CPU控制單元 200采用美國TI公司最新推出的32位定點數字信號處理器TMS320F28035作為控制芯片。該款DSP擁有32位內核，具有單周期32X 32位硬件乘法器以及單周期指令執行能力，能實現復雜的控制算法。同時還包括功能強大的ADC 模數轉換器、專用的高分辨率PWM、高精度片上振蕩器、模擬比較器、上電復位與掉電保護等在內的各種集成模塊。浮點控制律加速器(CLA)能獨立于內核運行復雜的卡爾曼濾波算法來計算電池容量，高精度的12位AD檢測單元能精確的測量單體電池電壓，電流和溫度等模擬信號，使得控制系統具有控制精度高、硬件簡單、可靠性高等優點。③均衡放電模塊300均衡放電模塊300是一個小功率可控的非隔離直流電源模塊，輸入等于單體電池電壓，輸出為超級電容500的工作電壓，在實際應用中將其充到5. 4V左右，以保證電池管理系統的正常供電，在檢測單體電池電壓時，將均衡放電模塊300和均衡充電模塊600關閉以提高電壓測量精度。④超級電容500超級電容500為雙電層電容器、黃金電容或法拉電容，是一種電化學元件，通過極化電解質來儲能。在其儲能的過程中并不發生化學反應，其儲能過程是可逆的，可以反復充放電數十萬次。超級電容500能在很小的體積下達到法拉級的電容量，無須特別的充電電路和控制放電電路；和電池相比過充、過放都不對其壽命構成負面影響；在本發明中使用超級電容來存儲電池均衡放電過程中的放電量，提供給電池管理系統自身使用，避免了能量浪費，綠色環保。⑤均衡充電模塊600均衡充電模塊600是一個可控的隔離直流電源模塊，輸入電源一般為電動汽車的輔助電源，也可以直接使用動力電池組總電壓，輸出電壓等于單體電池電壓，輸出電流限制為繼電器觸點能承受的額定電流，當CPU控制單元檢測到輔助電源工作時(如點火鑰匙接通)，根據控制算法對相應的電池進行均衡充電，該充電模塊的輔助繞組同時還提供霍爾電流檢測使用的正負隔離電源。二、電池管理系統具體功能針對純電動汽車，電池管理系統不僅要檢測電池相關數據，諸如單體電池電壓和電池溫度等，而且能夠預測剩余電量(SOC)，使司機知道當前的行駛工況，減輕其心理負擔，以避免半路拋錨。而對于混合動力車，還要增加預測電池功率強度的功能，以便監控電池的使用工況，在汽車啟動或加速時提供足夠的輸出功率，剎車時電池組能回收更多的能量且不對電池產生傷害。電池的剩余電量直接決定電動汽車的最大續駛里程，而電池的功率強度則直接影響混合動力汽車的加速能力。在電動汽車長期充放電過程中，電池的不一致性會表現越來越明顯，SOC值小的單體電池在電池組中總是最先完成充放電過程，相對于同電池組其它電池也是最先失效和損壞的，而且整組電池的SOC值取決于SOC值最小的那塊單體電池，因此電池均衡充放電功能顯得尤為重要！根據電動汽車電池運行需要以及電池管理系統的主要任務，電池管理系統應完成以下功能1、單體電池電壓的檢測電池電壓測量方案主要有共模測量法和差模測量法。共模測量是選取同一個參考點，然后利用一組精密電阻等比例衰減測量電壓，測量各節點電壓然后依次相減得到各節電池電壓；差模測量是利用繼電器選通各單節電池直接進行測量。比較兩類測量方法會發現共模測量法電路簡單，但測量誤差會積累，測量精度不高，只是用于串聯電池數目較少或者對測量精度要求不高的場合。因此，當串聯電池較多時，只能采用差模測量。本電池管理系統采用差模測量法。由于測量端之間可能存在共模電壓，所以不能采用模擬開關選通。本系統選用繼電器作為隔離開關，每次只閉合對應一個單節電池的繼電器，待電池輸入電壓穩定后通過12位分辨率的AD轉換器讀取電池電壓。2、電池組工作電流的檢測為保證測量精度，用霍爾效應電流傳感器來采樣電池電流，由于需要雙電源供電， 因此電池組工作電流的檢測只能在輔助電源工作時才能進行，即只能測量放電電流，如需監控充電電流，則需要讓充電均衡模塊的輸入電源在電池組充電狀態時也正常工作。3、電池組SOC的估測電池狀態計算包括SOC和SOH兩方面。SOC告訴駕駛員電池剩余多少電量，還可以行駛多少里程。SOH告訴駕駛員電池的壽命。電池荷電狀態(SOC)的確定是BMS中的重點和難點。由于電動汽車電池在使用過程中表現的高度非線性，使準確估計SOC具有很大難度。傳統的SOC基本估算方法有開路電壓法、內阻法和安時法。近年來又相繼研發出許多對電池SOC的新型算法，例如模糊邏輯法模型、自適應神經模糊推斷模型、卡爾曼濾波估計模型算法以及新出現的線性模型法和阻抗光譜法等。由于各種SOC估算方法都有其優缺點，因此選擇多種算法相結合估算SOC 是一種較佳的方案。本發明選用了擴展的卡爾曼濾波算法(Extended Kalman FiIter,EKF) 來估算電池的S0C，并結合開路電壓法進行初始SOC修正綜合方案。1)影響電池SOC的因素①電池能量與比能量放電電流是指蓄電池放電時的電流密度大小。放電電流的大小直接影響蓄電池的各種性能指標，是影響蓄電池容量的主要因素之一。因此在談到蓄電池的容量時，必須說明放電電流的大小或指明放電條件。通常以放電率表示。常用“時率”或“倍率”表示。②電池的放電終止電壓蓄電池放電時，蓄電池的端電壓下降到不宜再繼續放電的最低工作電壓稱為終止電壓。實驗表明，放電終止電壓對電池SOC的判斷直接相關，必須明確指出電池的放電終止電壓才能確定電池的SOC。③電池的溫度在電池中，電解液的電遷移率和電極材料的活性等都與電池溫度有關。一般來說， 電池在高溫時放出的電量明顯比低溫時放出的電量大，這是因為高溫時電池材料的活性增加，提高了活性離子的擴散性能，同時電解液中電解質的電導率也隨著溫度的升高而增加， 使得遷移內阻減小。溫度低的時候電池的活性明顯降低，電池的放電能力下降，電池更加容易達到放電截至電壓，表現為電池的可用容量減小，電池的能量利用效率下降。另外電池長時間工作在高溫環境下，會使電極材料變質，從而加速電池的老化，壽命會明顯的縮短。在極限高溫條件下，電池甚至會起火爆炸。④電池的循環使用次數電池充電和放電一次稱為一個循環過程。對于一個剛開始使用的電池，隨著使用次數的增加，容量先上升，然后再下降。⑤電池的恢復效應影響恢復效應是指在非連續放電的條件下，放電一段時間后，蓄電池開路或從大電流改為小電流放電時，蓄電池內部的電荷重新分布達到新的平衡，這樣蓄電池的剩余電量有所增加。當蓄電池在某一放電率下放電至終止電壓后，還可以在較低的放電率下繼續放電。 蓄電池的恢復效應不僅與當前的放電電流、溫度等因素有關，還與未來的放電方式有關，但未來的放電方式不可預測，尤其是汽車行駛工況復雜，用電情況極為復雜，所以蓄電池的恢復效應對蓄電池實際放電的影響讓精準預測十分困難。⑥電池組的不均衡性影響電動汽車蓄電池組采用串聯方式連接，由于各單塊蓄電池在制造方面、初始容量、 電壓、內阻以及蓄電池組箱中各單塊蓄電池的溫度均不相同。這樣在使用過程中，就會造成某塊蓄電池的過充電或過放電現象，嚴重時會造成個別蓄電池的容量比大多數蓄電池都低。在放電過程中，它的電量首先放完，這時該蓄電池就成為了一個用電器，首先進入充電階段，出現蓄電池反極現象。當其他蓄電池充電時，該蓄電池又會首先充滿提早進入過充電階段，使得整個電池組不能被正常充滿，進而使得整個蓄電池組不能正常工作。⑦自放電因素電池在靜置狀態下會出現自放電現象，導致電池容量下降。引起電池自放電的因素是多方面的，包括電極上的歧化反應，活性物質的溶解，電極的腐蝕等，其中最主要因素是電池正極的自放電和負極的腐蝕。2)開路電壓法電池在長時間靜置的條件下，其SOC與開路電壓有相對固定的函數關系，可通過建立SOC-OCV(Open Circuit Voltage)關系估算S0C。這種方法在充放電的初期和末期可以取得較好的效果。開路電壓法的缺點是電池在充電或放電之后，其極化電壓需要一個恢復過程，以達到開路電壓穩定，這個過程常需要幾個小時甚至十幾個小時，不能用于連續的、 在線的、動態的電池SOC估算。而且該方法對SOC-OCV之間的關系測量較嚴格。SOC-OCV之間雖存在一定的關系，但容易受溫度、靜置時間等因素的影響。在溫度變化較大的時候，同一個電池在相同的SOC下表現出來的OCV差異較大。
3)卡爾曼濾波算法卡爾曼濾波算法是卡爾曼在1960年提出的一種遞推線性最小方差估計，能得到線性系統狀態變量最小方差意義上的最優估計。卡爾曼濾波法應用于電池SOC估計時，電池被看成動力系統，SOC是系統一個內部狀態量。卡爾曼濾波法適用于各種類型電池，不僅能給出SOC的估計值，而且還可以給出估算誤差的范圍。同時卡爾曼濾波法對初始值的誤差有很強的修正作用，與其他方法相比， 它尤其適合于電流波動較劇烈的電池汽車SOC的估計。卡爾曼濾波利用上一時刻的估算，再加上實時測量得到的數據來進行實時估算。 而在卡爾曼濾波中上一時刻的狀態估算是利用再上一時刻和以前的測量數據得到的，因此這種遞推實時估算是利用所有的測量數據進行估算的。卡爾曼濾波算法具體流程如圖4所示。離散時間系統狀態空間方程和觀測方程如下x(k+l) = Ax (k)+Bu (k) + σ (k)(1)y (k) = Cx (k) +Du (k) +u (k)(2)其中σ (k)是隨機干擾噪聲，u (k)是隨機觀測噪聲。采用卡爾曼濾波能獲得最小方差估計的前提是Q，R噪聲統計特性必須準確的知道，如果Q，R不能準確的知道，不但得不到最小方差估計，而且計算結果可能是發散的。4)改進的卡爾曼濾波算法為了在SOC估算的過程中利用開路電壓法SOC-OCV關系曲線這個真實值，在估算之后將估算結果與SOC-OCV關系曲線的值進行對比，得出誤差去修正估算結果。基于這種思路設計了電流積分法結合卡爾曼濾波法的SOC估算算法，這種算法首先利用電流積分法預測系統輸入、輸出噪聲值(它們分別對應卡爾曼濾波中的O (k)，U(k))，然后應用于卡爾曼濾波法提高預測值的精確度。Ε{σ (i)} = Qn[SOC(K)-SOC(k) ]/( Σ nc) (3)E{u(i)} = (M-E { σ (i)}N)/L(4)在卡爾曼濾波中若噪聲是非零值的有色噪聲序列，那么卡爾曼濾波的結果將會有很大誤差，甚至是發散的。在每一次估算開始時間k，SOC的真實值SOC (K)都能通過SOC-OCV 關系曲線得到。真實電壓值x{k}可以通過計算得到。這樣在每次估算過程啟動時，噪聲Q， R都可以通過計算得出。SOC的估算過程由電流積分法和卡爾曼濾波法兩部分組成，下面給出每部分的對應計算公式。電流積分法對SOC的估算方程SOC (k) = SOC (k-1) + [i (k) — E { σ } ] Ii cT/Qn(5)卡爾曼濾波法對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統啟動的時候，首先檢測停車時間是否大于系統設定的時間，以此來判定是否以SOC-OCV關系曲線的SOC值來作為初始值，如果是則初始化SOC 值，并通過公式3，4來計算E { O (i)}和E {u (i)}，然后通過電流積分法公式和卡爾曼濾波法公式來得到SOC的預測值；若為否則利用上一步的計算結果并通過電流積分法公式5和卡爾曼濾波法公式6，7來得到SOC的預測值。
4、電池的均衡充放電處理電動汽車動力電池組采用串聯方式連接，由于各單塊電池在制造方面、初始容量、 電壓、內阻以及電池組箱中各單塊電池的溫度均不相同。這樣在使用過程中，就會造成某塊電池的過充電或過放電現象，嚴重時會造成個別電池的容量比大多數電池都低。在放電過程中，它的電量首先放完，這時該電池就成為了一個用電器，首先進入充電階段，出現電池反極現象。當其他電池充電時，該電池又會首先充滿從而提早進入過充電階段，使得整個電池組不能被正常充滿，進而使得整個電池組不能正常工作。實際上，一組串聯電池實際放出的容量是由容量最小的那個電池決定的。因此在電動汽車的電池工作過程中，電池組間的不均衡性是一個有害因素，應盡可能減少同組電池間的不均衡性。電池組在使用過程中表現出不均衡的原因有以下幾種A、電池組內電池容量基本一致，其中某幾節電池的容量小于其余電池；B、電池組內電池容量基本一致，其中某幾節電池的容量大于其余電池；C、電池組內各節電池容量差異很大，這是最壞的情況。造成這幾種不均衡原因的因素有以下幾種A、電池自身原因電池制造時由于內部物質的量不一致造成的初始容量不一致， 制造電池的過程中的制造工藝不同造成的初始容量不一致，電池的極耳與內部極片相連時的電阻值不一致，也就是內阻不同造成的在使用過程中的容量不一致；B、外部連接原因電池在串并聯使用時連接的部件形狀與材質不同造成的連接電阻不同，連接松緊程度的不一致造成的接觸電阻不一致，導致在充放電時單體電池交換的能量不一致，表現為整組電池的不一致；C、外部環境原因，電池在串并聯使用時，整組電池布局造成的各點的溫度、濕度或壓強等因素不同，造成的各節單體電池所能使用的容量會隨各種場分布的不同而不一致。在充電過程中，電池容量小的電池會率先被充滿，此時電池組仍需充電，因此容量小的電池會被過充，產生析氣或發生不可逆的結構性損壞，電池容量進一步減小。在放電過程中，電池容量小的電池電壓下降最快，當這節電池能量耗盡時，電池兩端甚至會出現反極性，相當于被其它電池反充電導致整組電池的放電能力減弱，同時過放也會使電池內部發生不可逆的化學反應，減小電池容量。在實際使用中表現為，當電池充電時會有某一節電池電壓高于其余電池電壓先到充電截止電壓，從而結束充電過程；在電池放電時會有某一節電池電壓低于其余電池電壓先到放電截止電壓，結束放電過程。本發明采用了充電和放電兩種電池均衡方式，利用輔助電源給單體電池均衡充電，利用超級電容均衡放電給電池管理系統(BMS)供電，使用繼電器網絡實現電池管理系統電源的隔離與自舉充電，并同時實現電池的均衡充電和放電，降低了功耗，體積和重量也有較大優勢，耐機械沖擊性較強。實現了電池的能量均衡，又沒有使用較復雜的能量轉換裝置，結構簡單、實現容易、并且維護和擴展方便。由于動態均衡方式結合了充電均衡和放電均衡的優點，在整個使用過程中對電池組進行均衡，避免了單一均衡方式中的各種問題。而且即使在汽車電源關閉狀態下，電池管理系統依靠動力電池組依然能正常工作，均衡時間長，均衡效果好，電池一致性高，充分的延長了動力電池組的使用壽命。
5、高壓絕緣電阻的檢測因為電池組的電壓比較高，超出了人體所能承受的電壓，一般在300-700V范圍內，并且還和其他強電設備相連，包括有電動機、發電機等，處于對乘客安全方面的考慮，應當對車體與電池組正負母線之間的絕緣電阻進行測量，保障乘客的乘坐安全。在我國的國標GB/T 18384.1-18384.3-2001《電動汽車安全要求》中，對電動汽車絕緣狀況的定義、測量方法與安全要求都做出明確的規定。電動汽車的絕緣狀況由直流正負母線對車體的絕緣電阻來衡量。定義為如果動力蓄電池與地(電底盤)之間的某一點短路，最大(最壞情況下的)泄漏電流所對應的電阻。電動汽車的國際標準和我國國家標準規定絕緣電阻值除以電動汽車直流系統標稱電壓U，結果應大于100歐/V，才符合安全的要求。這個值是通過下列條件來選定的“如果人或其他動物構成動力電池系統與地之間的外部電路，最壞的情況下泄漏電流不超過2mA，這是人體沒有感覺的閥值”。本發明由于CPU控制單元可以自舉隔離，通過雙邊切換電阻方法可以精確的測量高壓系統的絕緣電阻，保證乘客人身安全。6、電池溫度及煙霧檢測，電池箱冷卻風機及電池加熱系統控制溫度過高或過低都會直接影響電池的性能，電池溫度過高會有很大的潛在危險存在，另外如果電池的發熱量過大，本身也是對能量的一種浪費，它會減少其應供給的能量， 使得電池的使用效率降低，增加制造成本。同樣電池的溫度過低也會降低電池的使用效率，因為低溫下電池內部的活性材料無法充分進行充放電反應，這就會造成電池本身有能量卻放不出來，外部有能量卻充不進去，造成了很大的能源浪費。如何保證電池的工作溫度，這正是電池熱管理所要做的工作。本發明溫度采集方案采用了 DS18B20數字溫度傳感器，其采用l_wire通訊協議， 具有連線簡單，可編程實現較為復雜的功能，精度高，傳輸距離遠，擴展方便等優點。1-wire 通訊協議即通過一根信號線完成雙方或者多方的數據交換的協議。為了實現該功能，單總線采用了一主多從的結構，即單總線上只有一個主節點(DSP)，多從是指根據實際的使用需要在單總線上連接相應數目的DS18B20器件。任何通訊都是由主機發起，從機應答。另外溫度傳感器布置的位置也非常重要。傳感器布置在電池內部比外部空間能夠得到更加精確的溫度數據，電池內部的溫度不均勻，有限數量的溫度傳感器是不能夠完全反應電池整體溫度變化，在設計的時候需要考慮整體的價格和測量點的選擇，一般在一個電池箱內布置3-20個溫度傳感器。電池在不同的溫度下會有不同的工作性能，溫度的變化會使電池的S0C、開路電壓、內阻和可用能量發生變化，甚至會影響到電池的使用壽命。溫度的差異也是引起電池均衡問題的原因之一。通過風機散熱或電熱絲加熱方式使電池工作在適當的溫度范圍內；降低各個電池模塊之間的溫度差異。另外使用車載空調器可以實現對電池的溫度控制，這也是電動汽車常用的溫度控制方法之一。7、電池故障分析和在線報警，電池SOC和充放電次數記錄電池管理系統的設計要求還應當包括1)能對各個部件進行實時監測；2)能對故障進行識別和診斷；3)能記錄并管理故障信息；
4)能進行故障處理；5)實時記錄和存儲電池SOC值6)記錄電池充放電次數等相關信息。其工作過程簡要包括如下對傳感器、執行器以及控制器自身實行實時監控，并對數據進行判斷，若發現故障，則根據內置的算法分離出故障信息，按照一定的格式和順序對故障進行存儲和管理，必要時進行輸出控制，記錄和存儲相應的電池信息，如充放電次數， 電池SOC值，剩余使用壽命等。8、與充電機通信，安全實現電池組的充電電池管理系統可以通過CAN總線與充電機接口，通過CAN總線設定充電電壓和充電電流，按照對應電池的充電曲線來控制充電機，通過這種管理方式可以保證電池組中單體電池的安全使用，同時實現智能的管理方式和電池組非常理想的使用效果。9、與車載顯示設備通信，告知司機電池相關數據系統顯示界面可以由彩色觸摸屏完成，觸摸屏首頁可以顯示電池組總電壓、電池組總電流、剩余電量(SOC)、最高溫度等信息，通過觸摸屏可以查看到所有采集數據包括每只單體電池電壓，所有溫度，SOC容量等；通過觸摸屏可以對系統工作參數進行設置，系統運行參數包括每塊采集模塊管理電池數量選擇，電池電壓上下限報警限制設置，溫度上下限報警設置，最大充電電流，電流上限報警設置，電壓互差最大上限報警設置，充電次數，電池健康指數，SOC初始值設置，額定容量，系統時鐘等。10、與車載設備通信，為整車控制提供必要的電池數據數據通信是BMS的重要組成部分之一。在電池管理模塊與整車控制器之間采用 CAN總線，系統可靠性和抗干擾能力都比較強。通過CAN總線上傳電池各種信息，為整車控制提供必要的電池數據。四、電池管理系統軟件設計為了增強電池管理系統的可靠性、可讀性等，電池管理系統采用結構化及模塊化思想進行軟件設計。結構化程序設計是一種定義良好的軟件開發技術。采用自頂向下設計和實現的方法，并嚴格地使用結構化的控制結構，確保程序只有一個“出口 ”。模塊化設計， 模塊是程序層次中的基本組成部分，是程序中可以單獨編譯的一組程序語句，用模塊名調用。將程序分為若干模塊，能降低程序的復雜性，減少開發時間，運用模塊化技術，可以將錯誤局限在各個模塊內部，防止錯誤的蔓延，便于調試和維護。采用結構化及模塊化不僅滿足了系統實時控制的需要，而且具有可讀性和可移植性，方便軟件調試與系統標定，還可以利用已經被證明是可靠的模塊來構造新的系統，減少新系統開發的工作量，提高軟件的可靠性。根據電池管理系統的功能要求以及使用要求，系統軟件模塊化框圖如圖6所示。 軟件實時處理模塊流程是第1、主控循環程序監控和調度各子程序A ；第2、上電自檢后初始化和標定系統變量B ；第3、各單體電池電壓電流檢測C;第4、單體電池均衡充放電控制D ；第5、高壓電路絕緣監測報警E ；
第6、單體電池和電池組電量SOC計算F ；第7、電池溫度監控熱管理處理G ；第8、充電機通訊，充電啟停和充電曲線控制H;第9、電池管理系統必要的開關量輸入輸出信號處理I ；第10、電池相關數據記錄與分析處理J ；第11、在有多節電池組的電池管理系統中，系統是由多個監控模塊組成，主控模塊查詢其它下位機模塊的電池數據并集中處理K ；第12、與人機交互界面通訊傳送相關信息和參數，提供電池相關數據給整車控制器進行車輛綜合控制決策L ；返回第三步循環執行各相關步驟，實現電池組管理功能。
權利要求
1.一種具有均衡充放電功能的電池管理系統，包括電池和繼電器組(100)、 CPU控制單元(200)、均衡放電模塊(300)；其特征在于設置有超級電容(500)和均衡充電模塊(600)；CPU控制單元(200)和電池和繼電器組(100)連接，檢測電池和繼電器組(100)的工作狀況；CPU控制單元(200 )、均衡放電模塊(300 )和電池和繼電器組(100 )依次連接，控制電池和繼電器組(100)的均衡放電；CPU控制單元(200 )、均衡充電模塊(600 )和電池和繼電器組(100 )依次連接，控制電池和繼電器組(100)的均衡充電；超級電容(500)和均衡放電模塊(30)連接，儲存電池和繼電器組(100)的放電能量。
2.按權利要求1所述的電池管理系統，其特征在于所述的電池和繼電器組(100)包括相互連接的動力電池組(101)和繼電器組(102)；動力電池組(101)由多個單體電池串聯組成；在每一個單體電池的正負極上并聯一個有雙組觸點的繼電器。
3.按權利要求1所述的電池管理系統，其特征在于所述的超級電容(500 )為雙電層電容器、黃金電容或法拉電容，是一種電化學元件。
4.按權利要求1所述的電池管理系統，其特征在于 所述的均衡充電模塊(600)是一種可控的隔離直流電源模塊。
5.按權利要求1所述的電池管理系統，其特征在于所述的CPU控制單元(200)采用美國TI公司的32位定點數字信號處理器 TMS320F28035作為控制芯片。
6.按權利要求1所述的電池管理系統的控制方法，其特征在于①上電自檢測電池管理系統和相關標定與配置參數；②待超級電容充到一定電壓后，開始對單體電池進行繼電器巡檢，每次只閉合一個繼電器，記錄每塊電池的電壓并實時計算單體電池SOC值；③當接入充電機且電池組SOC值不足時，啟動充電機按電池對應的充電曲線對電池組充電，在充電過程中，如出現單體電池電壓上升太快，則對其進行均衡放電，如出現單體電池電壓低于其它電池時，在輔助電源接通的狀況下啟動均衡充電模塊對其進行補充充電， 保證電池組盡可能充入多的電量，使SOC值最大；④非充電狀態下，在檢測有外接輔助電源時，啟動均衡充電模塊，對SOC值低的單體電池進行補充充電，使整組電池的SOC值上升；⑤非充電狀態下，對SOC值較高的單體電池進行均衡放電，給超級電容補充電量，保證電池管理系統的正常運行；⑥在每繼電器掃描周期結束后，檢查高壓系統對地絕緣狀況，并檢測和控制電池溫度， 進行電池熱管理；⑦記錄充放電相關過程參數，對電池的健康程度評估，給出建議或告警；⑧與上下位機通訊，傳遞電池數據和設定參數。
7.按權利要求6所述的電池管理系統的控制方法，其特征在于CPU控制單元200的工作流程是第1、主控循環程序監控和調度各子程序(A)；第2、上電自檢后初始化和標定系統變量(B)；第3、各單體電池電壓電流檢測(C)；第4、單體電池均衡充放電控制(D)；第5、高壓電路絕緣監測報警(E)；第6、單體電池和電池組電量SOC計算(F)；第7、電池溫度監控熱管理處理(G)；第8、充電機通訊，充電啟停和充電曲線控制(H)；第9、電池管理系統必要的開關量輸入輸出信號處理(I)；第10、電池相關數據記錄與分析處理(J)；第11、在多節電池組的電池管理系統中，是由多個監控模塊組成，主控模塊查詢其它下位機模塊的電池數據并集中處理(K)；第12、與人機交互界面通訊傳送相關信息和參數，提供電池相關數據給整車控制器進行車輛綜合控制決策(L)；返回第3步循環執行各相關步驟，實現電池組管理功能。
全文摘要
本發明公開了一種具有均衡充放電功能的電池管理系統及其控制方法，涉及動力電池組的電池管理系統。電池管理系統的結構是CPU控制單元和電池和繼電器組連接，檢測電池和繼電器組的工作狀況；CPU控制單元、均衡放電模塊和電池和繼電器組依次連接，控制電池和繼電器組的均衡放電；CPU控制單元、均衡充電模塊和電池和繼電器組依次連接，控制電池和繼電器組的均衡充電；超級電容和均衡放電模塊連接，儲存電池和繼電器組的放電能量，用于電池管理系統的自身供電。本發明可廣泛應用于各種電池組管理，如鉛酸電池、鋰電池和鎳氫電池等，而且支持下位機擴展，可以方便檢測和監控多節電池狀況。
文檔編號H02J7/00GK102231546SQ20111018101
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月30日 優先權日2011年6月30日
發明者張昌青, 王和平, 阮浩 申請人:武漢市菱電汽車電子有限責任公司