動力電池組及其構成的控制系統和控制方法與流程

本發明涉及汽車動力領域，特別是涉及一種動力電池組；本發明還涉及一種動力電池組控制系統和一種動力電池組控制方法。

背景技術：

傳統BMS(電池管理系統BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)系統中低層電池連接結構一般采用先并后串形式并加以主動/被動均衡系統保證整個電池系統運行的一致性。雖然傳統電池組先并后串的結構均衡實現容易，一致性好，但同時產生以下缺陷：

1、并聯單體電池之間的能量互相均衡實現導致電池充放電次數增多，電池壽命將下降。

2、某一電池單體故障短路將成為并聯負載影響整組電池組。

3、某一電池單體出現故障時嚴重影響其余未故障電池的情況，能量流動過程中會造成極大的能源浪費。

針對上述缺陷，傳統電池組保護方法中使用串聯保險方案，但該保護方案還是存在以下缺陷，不利于電池組應用：

a、保險動作時間慢

b、保險動作后不可自恢復，必須由專業技術人員由專業儀器修復。

c、保險絲一致性很差，無法精確控制熔斷時間。

SOC(全稱是State of Charge，剩余電量或荷電狀態)，代表的是電池使用一段時間或長期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態的容量的比值，常用百分數表示。其取值范圍為0～1，當SOC＝0時表示電池放電完全，當SOC＝1時表示電池完全充滿。

SOC是通過本領域常用軟件算法實現的，一般的做法是通過BMS采集電池的靜態電壓、動態電壓/電流(計算內阻)，溫度等參數使用安時積分法進行計算。

SOH(State Of Health，健康狀態)，蓄電池容量、健康度、性能狀態，即蓄電池滿充容量相對額定容量的百分比，新出廠電池為100％，完全報廢為0％，其為一種可測量化指標。

SOF(state of function蓄電池功能狀態)蓄電池功能狀態，為SOC和SOH的合集, 主要表示對蓄電池SOC和壽命的概念，其為一種可測量化指標。

超級電容器(Supercapacitors，ultracapacitor)，又名電化學電容器(Electrochemical Capacitors)，雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黃金電容、法拉電容，是從上世紀七、八十年代發展起來的通過極化電解質來儲能的一種電化學元件。它不同于傳統的化學電源，是一種介于傳統電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程并不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。

過放電是指電池若是在放電過程中，超過電池放電的終止電壓值，還繼續放電時就可能會造成電池內壓升高，正、負極活性物質的可逆性遭到損壞，使電池的容量產生明顯減少。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種能避免因某一電池故障造成電池組頻繁啟動負載均衡導致電池單體使用壽命降低的動力電池組。并且，本發明所提供的動力電池組無需保護裝置即能實現電池組短路故障保護。本發明還提供了一種具有所述動力電池組的動力電池組控制系統和一種動力電池組控制方法。

為解決上述技術問題本發明提供的動力電池組有至少兩個由多個單體電池串聯組成的電池組串，其中：

每個電池串的第一個電池單體其負極作為該電池串的主負極連接該動力電池組的一電壓母線，每個電池串的最后一個電池單體其正極作為該電池串的主正極連接該動力電池組的另一電壓母線；

每個電池串的第一個電池單體，其負極通過第一串聯開關接一運算放大器的正極，其正極通過第二串聯開關連接第二電池單體的負極并通過第一、第二并聯開關分別接運算放大器的負極和正極，第一屏蔽開關并聯在第一電池單體和第二串聯組成串聯結構的兩端；

其他電池單體結構相同，每個電池單體其正極均通過一串聯開關連接下一個電池單體的負極并通過兩個并聯開關分別接運算放大器的負極和正極，一屏蔽開關并聯在該池 單體和該電池單體的串聯開關所組成串聯結構的兩端；

一開關一端連接該電池串的主負極，另一端通過一超級電容連接該電池串的主正極，該超級電容的負極接運算放大器的負極。

一種具有上述動力電池組的動力電池組控制系統，包括：

正常工作模式，

該控制系統對電池單體一一進行的SOC、內阻和溫度測量；SOC、內阻和溫度測量通過軟件算法實現的，業界常用的做法是通過BMS采集電池的靜態電壓、動態電壓/電流(計算內阻)，溫度等參數使用安時積分法進行計算。

若電池單體A出現以下任一情況，則判斷該單體出現一般異常，系統進入差異分析工作模式；

1)該電池單體A的SOC與其所屬電池組平均SOC相比較，SOC偏差范圍為20％～40％；

2)該電池單體A內阻大于其所屬電池組電池單體平均內阻的20％～40％；

3)該電池單體A溫度高于其所屬電池組電池單體平均溫度的20％～40％；

若電池單體A出現以下任一情況，判斷該電池單體A出現特殊異常，則屏蔽電池單體A并輸出錯誤報告，并在其他電池串中都分別選出SOF值最小(即表示SOF的百分值最小的)的電池單體進行屏蔽；

4)該電池單體A的SOC與其所屬電池組平均SOC相比較，SOC偏差范圍為大于40％；

5)該電池單體A內阻大于其所屬電池組電池單體平均內阻的40％；

6)該電池單體A溫度高于其所屬電池組電池單體平均溫度的40％；

若電池單體A未出現一般異常和特殊異常，則對其他電池單體循環進行上述檢測；

差異分析工作模式，

A、若動力電池組SOC大于其總電量的30％，并且動力電池組未處于最大功率輸出狀態，判斷該電池單體A故障并屏蔽該故障單體，并在其他電池串中都分別選出SOF值最小(即表示SOF的百分值最小的)的單體進行屏蔽；

動力電池組未處于最大功率輸出狀態，在整車環境下一般是指整車運動模式；即在整車運動模式下需要電池組輸出最大功率；在動力電池組未處于最大功率輸出狀態時若進入屏蔽模式，則每屏蔽一節單體，電池包整體電壓會下降3～4V左右，輸出功率隨之下降。

若需求動力電池組處于最大功率輸出狀態，則控制系統會盡量采取輔助均衡的模式阻止電池單體過放電。

B、若動力電池組的SOC小于其總電量的30％或動力電池組未處于最大功率輸出狀態，則進行輔助均衡：

C、若任意電池串C的SOC小于其他電池串的SOC超過20％，則系統屏蔽該電池串C并輸出錯誤報告；

D、若任意電池串C中一般異常電池單體＞該電池串總單體數量的10％，則系統直接屏蔽該電池串并輸出錯誤報告。

其中，所述輔助均衡采用以下方式：

a、選擇電池單體A所屬電池串中SOC最高的電池單體B，使用該電池單體B為超級電容充電；

b、斷開電池單體B與超級電容的連接；

c、使用超級電容為電池單體A充電。

其中，差異分析工作模式下，被屏蔽的電池串C只有處于跛行回家模式下才會被啟動。跛行回家模式：最高車速限制20km/小時并限制車輛娛樂功能以在可能的情況下駛入維修站。

一種動力電池組控制方法，包括：

對動力電池組各電池單體進行SOC、內阻和溫度測量；

若某電池單體A出現以下任一情況，判斷該單體出現一般異常，對其他電池單體或電池組工作情況進行差異分析處理；

1)該電池單體A的SOC與其所屬電池組平均SOC相比較，SOC偏差范圍為20％～40％；

2)該電池單體A內阻大于其所屬電池組電池單體平均內阻的20％～40％；

3)該電池單體A溫度高于其所屬電池組電池單體平均溫度的20％～40％；

若電池單體A出現以下任一情況，則判斷該單體出現特殊異常，屏蔽電池單體A并輸出錯誤報告，并在其他電池串中都分別選出SOF值最小的電池單體進行屏蔽；

4)該電池單體A的SOC與其所屬電池組平均SOC相比較，SOC偏差范圍為大于40％；

5)該電池單體A內阻大于其所屬電池組電池單體平均內阻的40％；

6)該電池單體A溫度高于其所屬電池組電池單體平均溫度的40％；

若電池單體A未出現一般異常和特殊異常，則對其他電池單體循環進行上述檢測；

所述差異分析處理如下：

若動力電池組SOC大于其總電量的30％，并且動力電池組未處于最大功率輸出狀態，判斷該電池單體A故障并屏蔽該故障單體，并在其他電池串中都分別選出SOF值最小的電池單體進行屏蔽；

若動力電池組SOC小于其總電量的30％或動力電池組未處于最大功率輸出狀態，則進行輔助均衡：

若任意電池串C的SOC小于其他電池串的SOC超過20％，則系統屏蔽該電池串C并輸出錯誤報告；

若任意電池串C中一般異常電池單體＞該電池串總單體數量的10％，則系統直接屏蔽該電池串并輸出錯誤報告。

其中，所述輔助均衡采用以下方式：

a、選擇電池單體A所屬電池串中SOC最高的電池單體B，使用該電池單體B為超級電容充電；

b、斷開電池單體B與超級電容的連接；

c、使用超級電容為電池單體A充電。

本發明工作原理及工作狀態，說明如下：

一、從系統角度本發明工作原理：

a、主動屏蔽系統：

當某電池串的某單體出現過放電時，系統自動控制B，C，D…等電池組中SOC最低的電池體進行統一的屏蔽處理，從而保證各電池串之間的電位水平相等。并通知控制系統主電池包降壓的情況。當SOC差異率大于一定值時可輸出報警。如果某串電池組失效單體過多，將采取措施直接屏蔽該電池串，從而保證系統的最大SOC利用率。

b、備用均流系統：

當電池組各電池串整體老化嚴重或其某電池串的電池單體老化情況不平衡時，顯然僅靠屏蔽工作將導致電池組可用健康電池單體變少，而大幅影響動力電池組的供電能力及續航時間；

本發明的備用均流將啟用，屏蔽與備用均流聯合工作，依照操作者意圖在保證整體 電池組安全的情況下，最大程度釋放動力電池組電力。

二、從充放電過程角度本發明工作狀態：

A、充電過程中狀態：

a、主動屏蔽系統：

電池在使用過程中因工藝、制造等問題會產生壽命的偏差，造成容量的不均衡。而容量的不均衡導致電池在放電過程中SOC的不一致，與傳統充電SOC利用放電電阻放電的方式不同，當本發明中檢測到SOC較小的單體電池電量飽和后，采用斷開串聯開關，閉合并聯開關的方式直接將該單體電池短路出整個系統，其余單體電池可繼續充電直至全部電量達到飽和狀態。

b、備用均流系統：

當動力電池組整體因老化而整體差異化較大時，備用均流系統開始工作，可輔助外部充電設備提高充電速度。

B、放電過程中均衡：

a、主動屏蔽系統：

與充電過程類似，電池由于其內阻等特性變化導致放電損耗、放電會出現過放電臨界點等性能參數不一致的情況，本發明檢測整個電池組每個單體電池的放電過程，在出現某單體過放電時斷開與該單體串聯的開關，從而達到屏蔽低容量電池的目的。

當某電池組某電池單體出現過放電時，本發明自動控制B，C，D…電池組電池中SOC最低的電池體進行統一的屏蔽處理，從而保證串間電池組的電位水平相等。并通知控制器主電池包降壓情況。當SOC差異率大于一定值時報警。如果某串電池組失效單體過多，本發明將采取措施直接屏蔽該電池串，從而保證系統的最大SOC利用率。

b、備用均流系統：

當動力電池組整體因老化而整體差異化較大或者不希望因屏蔽電池而帶來動力性損失時，備用均流系統開始工作，使電池組內電能利用中最大化的同時保證較差的單體不會因為過放電/過熱等情況導致故障產生。

3、在任意電池單體出現短路、過流、過熱、觸電失效、內阻突變等等故障時，本發明采用屏蔽方式屏蔽該故障單體電池同時可輸出報警，同時少量的故障單體出現對系統整體性能影響將被削弱。

附圖說明

下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明：

圖1是本發明動力電池組一實施例的結構示意圖。

圖2是本發明控制方法應用于整車動力電池組控制實例的流程示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明動力電池組一實施例，包括：N個由M個單體電池串聯組成的電池組串，M≥3，N≥2；

每個電池串的第一個電池單體a1其負極作為該電池串的主負極連接該動力電池組的一電壓母線A(HV+)，每個電池串的最后一個電池單體aM其正極作為該電池串的主正極連接該動力電池組的另一電壓母線B(HV-)；

每個電池串的第一個電池單體a1，其負極通過第一串聯開關s1接運算放大器U1-A(A為不同電池串運算放大器的編號)的正極，其正極通過第二串聯開關s3連接第二電池單體a2的負極并通過第一并聯開關s4、第二并聯開關s5分別接運算放大器U1-A的負極和正極，第一屏蔽開關S2并聯在第一電池單體a1和第二串聯s3組成串聯結構的兩端；

其他電池單體結構相同，每個電池單體其正極均通過一串聯開關連接下一個電池單體的負極并通過兩個并聯開關分別接運算放大器的負極和正極，一屏蔽開關并聯在該池單體和該電池單體的串聯開關所組成串聯結構的兩端；

一開關(圖1中s9)一端連接該電池串的主負極，另一端通過一超級電容C連接該電池串的主正極，該超級電容C的負極接運算放大器的負極。

一種具有上述動力電池組的動力電池組控制系統，包括：

正常工作模式，

該控制系統對電池單體一一進行的SOC、內阻和溫度測量；SOC、內阻和溫度測量通過軟件算法實現的，業界常用的做法是通過BMS采集電池的靜態電壓、動態電壓/電流(計算內阻)，溫度等參數使用安時積分法進行計算；

以a1為例，測量單體電池a1的SOC狀態(系統閉合開關s5、s1)，其它單體電池SOC狀態測量以此類推；

若電池單體a1出現以下任一情況，則判斷該單體a1出現一般異常，系統進入差異 分析工作模式；

1)該電池單體a1的SOC與其所屬電池組平均SOC相比較，SOC偏差范圍為20％～40％；

2)該電池單體a1內阻大于其所屬電池組電池單體平均內阻的20％～40％；

3)該電池單體a1溫度高于其所屬電池組電池單體平均溫度的20％～40％；

若電池單體a1出現以下任一情況，判斷該單體出現特殊異常，則屏蔽電池單體a1(閉合開關s2、斷開開關s3)并輸出錯誤報告，并在其他電池串中都分別選出SOF值最低的一個電池單體進行屏蔽；

4)該電池單體a1的SOC與其所屬電池組平均SOC相比較，SOC偏差范圍為大于40％；

5)該電池單體a1內阻大于其所屬電池組電池單體平均內阻的40％；

6)該電池單體a1溫度高于其所屬電池組電池單體平均溫度的40％；

若電池單體a1未出現一般異常和特殊異常，則對其他電池單體循環進行上述檢測；

差異分析工作模式，

A、若動力電池組SOC大于其總電量的30％，并且沒有輸入運動模式信號，判斷該電池單體a1故障并屏蔽該故障電池單體a1(閉合開關S2、斷開開關S3)，并在其他電池串中都分別選出SOF值最低的電池單體進行屏蔽；

B、若動力電池組SOC小于其總電量的30％或輸入運動模式信號，則進行輔助均衡：

C、若任意電池串C的SOC小于其他電池串的SOC超過20％，則系統屏蔽該電池串C并輸出錯誤報告；

D、若任意電池串C中一般異常電池單體＞該電池串總單體數量的10％，則系統直接屏蔽該電池串并輸出錯誤報告。

其中，所述輔助均衡采用以下方式：

a、選擇電池單體a1所屬電池串中SOC最高的電池單體a2(假設單體a2的SOC狀態為該電池串電池中最高)，使用該電池單體a2為超級電容C充電；即，閉合S6、S9、S7。

b、斷開電池單體a2與超級電容C的連接；即，斷開開關S6、S9、S7。

c、使用超級電容為電池單體a1充電；即，閉合開關S5、S1。

其中，差異分析工作模式下，被屏蔽的電池串C只有處于跛行回家模式下才會被啟動。跛行回家模式：最高車速限制20km/小時并限制車輛娛樂功能以在可能的情況下駛 入維修站。

一種動力電池組控制方法，包括：

對動力電池組各電池單體進行SOC、內阻和溫度測量；

若某電池單體A出現以下任一情況，判斷該單體出現一般異常，對其他電池單體或電池組工作情況進行差異分析處理；

1)該電池單體A的SOC與其所屬電池組平均SOC相比較，SOC偏差范圍為20％～40％；

2)該電池單體A內阻大于其所屬電池組電池單體平均內阻的20％～40％；

3)該電池單體A溫度高于其所屬電池組電池單體平均溫度的20％～40％；

若電池單體A出現以下任一情況，則判斷該單體出現特殊異常，屏蔽電池單體A并輸出錯誤報告，并在其他電池串中都分別選出SOF值最低的一電池單體進行屏蔽；

4)該電池單體A的SOC與其所屬電池組平均SOC相比較，SOC偏差范圍為大于40％；

5)該電池單體A內阻大于其所屬電池組電池單體平均內阻的40％；

6)該電池單體A溫度高于其所屬電池組電池單體平均溫度的40％；

若電池單體A未出現一般異常和特殊異常，則對其他電池單體循環進行上述檢測；

所述差異分析處理如下：

若動力電池組SOC大于其總電量的30％，并且沒有輸入運動模式信號，判斷該電池單體A故障并屏蔽該故障單體，并在其他電池串中都分別選出SOF值最低的單體進行屏蔽；

若動力電池組SOC小于其總電量的30％或輸入運動模式信號，則進行輔助均衡：

若任意電池串C的SOC小于其他電池串的SOC超過20％，則系統屏蔽該電池串C并輸出錯誤報告；

若任意電池串C中一般異常電池單體＞該電池串總單體數量的10％，則系統直接屏蔽該電池串并輸出錯誤報告。

其中，所述輔助均衡采用以下方式：

a、選擇電池單體a1所屬電池串中SOC最高的電池單體a2(假設單體a2的SOC狀態為該電池串電池中最高)，使用該電池單體a2為超級電容C充電；即，閉合S6、S9、S7。

b、斷開電池單體a2與超級電容C的連接；即，斷開開關S6、S9、S7。

c、使用超級電容為電池單體a1充電；即，閉合開關S5、S1。

以上通過具體實施方式和實施例對本發明進行了詳細的說明，但這些并非構成對本發明的限制。在不脫離本發明原理的情況下，本領域的技術人員還可做出許多變形和改進，這些也應視為本發明的保護范圍。