專利名稱：一種基于Map模型的動(dòng)力鋰電池組均衡管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明及一種電池管理系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于Map模型的動(dòng)力鋰電池組均衡
管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
動(dòng)力鋰電池的充電過程是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)變化過程，其復(fù)雜性表現(xiàn)為多變量、 非線性、復(fù)雜的電化學(xué)性。電池管理系統(tǒng)直接檢測(cè)及管理儲(chǔ)能電池工作的全過程，包括電池 充放電過程管理、電池溫度檢測(cè)、電池電壓電流檢測(cè)、電量估計(jì)、單體電池間的均衡、電池故 障診斷等幾個(gè)方面。目前，電池管理的難點(diǎn)和關(guān)鍵在于電池的soc(即電池剩余電量)估 算和S0H(電池壽命)評(píng)估還不能滿足車輛和電池實(shí)際需求是電池管理系統(tǒng)最大的缺陷，這 極大的限制了電池容量有效發(fā)揮，降低了電池均衡效果，使得電池過充電和過放電控制缺 乏充足的依據(jù)，電池使用的安全性和可靠性隨之降低。這直接影響到電池的性能和電池壽 命以及電動(dòng)汽車的駕駛性能和電動(dòng)車事業(yè)的推廣。電池的過充電和過放電是電池容量衰退的根本原因，所以先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)應(yīng) 當(dāng)具備電池的過充電和過放電的判斷和控制能力。當(dāng)前電池的充放電多單純基于電池的電 壓進(jìn)行控制，并不能有效地避免電池的過充電和過放電，基于此的電池的均衡控制效果也 不理想。特別是通過控制電池組端電壓的充電模式使得電池的過充電現(xiàn)象非常嚴(yán)重，對(duì)電 池的使用壽命構(gòu)成嚴(yán)重威脅。另外，電動(dòng)汽車用電池需要進(jìn)行大量的串并聯(lián)，而無論在電池 的生產(chǎn)過程中還是在電池的使用過程中均不能保證電池的一致性。而使用過程中容量低的 電池更容易出現(xiàn)發(fā)熱、過充電、過放電以及自放電大等現(xiàn)象，使得其容量衰退加速，形成正 反饋，電池的一致性會(huì)變得更差。電池組的放電容量呈現(xiàn)“木桶效應(yīng)”，這使得電池的有效容 量降低，續(xù)駛里程下降。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種對(duì)動(dòng)力鋰電池組剩余電量(S0C)更準(zhǔn)確 估算的基于Map模型的動(dòng)力鋰電池組均衡管理系統(tǒng)。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種基于Map模型的動(dòng)力鋰電池 組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于包括中央處理器、充電模塊、均衡模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電量計(jì) 算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和存儲(chǔ)通信模塊，所述的中央處理器分別與充電模塊、均衡模塊、數(shù) 據(jù)采集模塊、電量計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和存儲(chǔ)通信模塊連接，所述的數(shù)據(jù)采集模塊分別 連接有電壓采集模塊、電流采集模塊和溫度采集模塊。所述的電量計(jì)算模塊包括Map模型算法模塊、剩余電量估計(jì)模塊、剩余電量測(cè)算 結(jié)果模塊、剩余電量初始化模塊、充電率補(bǔ)償模塊、放電率補(bǔ)償模塊、溫度補(bǔ)償模塊和開路 電壓模塊，所述的Map模型算法模塊與所述的剩余電量估計(jì)模塊連接，所述的充電率補(bǔ)償 模塊、所述的放電率補(bǔ)償模塊和所述的溫度補(bǔ)償模塊相互連接，所述的充電率補(bǔ)償模塊、所 述的放電率補(bǔ)償模塊和所述的溫度補(bǔ)償模塊分別與所述的剩余電量估計(jì)模塊連接，所述的
3開路電壓模塊與所述的剩余電量估計(jì)模塊連接，所述的剩余電量初始化模塊與所述的剩余 電量估計(jì)模塊連接，所述的剩余電量測(cè)算結(jié)果模塊與所述的剩余電量估計(jì)模塊連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于從電池的內(nèi)部機(jī)理和外部特性出發(fā)，綜合考 慮電池的電化學(xué)、熱學(xué)以及電學(xué)等各種復(fù)雜特性，深入研究了鋰離子電池的穩(wěn)態(tài)特性，國內(nèi) 首次在電池S0C估算方面采用Map方法建立了動(dòng)力鋰電池的穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)Map模型，對(duì)電 池的S0C進(jìn)行準(zhǔn)確估算。對(duì)電池的S0C進(jìn)行準(zhǔn)確估算。并將模型嵌入電池組管理系統(tǒng)單片 機(jī)內(nèi)置程序根據(jù)系統(tǒng)分析計(jì)算的結(jié)果，優(yōu)化充放電控制。采用基于自適應(yīng)電容平衡法的動(dòng) 態(tài)均衡模塊對(duì)鋰電池組充電管理，使得從高電量的電池單元向低電量電池單元轉(zhuǎn)移電能的 依據(jù)更準(zhǔn)確，均衡效率更高，從而充電的時(shí)間也大為縮短。而且本方法不需消耗動(dòng)力鋰離子 電池組的電能，從而使各電池之間能夠充電更均衡。實(shí)現(xiàn)了對(duì)單體電池的保護(hù)并延長了使 用壽命，也能夠減少能耗。同時(shí)采用壽命加速因子結(jié)合循環(huán)壽命預(yù)測(cè)，通過各種加速條件下 的測(cè)試數(shù)據(jù)來更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池的使用壽命。
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的電量計(jì)算模塊的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明的充電模塊的結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明的均衡模塊的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。如圖1所示，一種基于Map (脈譜圖)模型的動(dòng)力鋰電池組均衡管理系統(tǒng)，包括中 央處理器1、充電模塊2、均衡模塊3、數(shù)據(jù)采集模塊4、電量計(jì)算模塊5、數(shù)據(jù)顯示模塊6和存 儲(chǔ)通信模塊7，中央處理器1分別與充電模塊2、均衡模塊3、數(shù)據(jù)采集模塊4、電量計(jì)算模塊 5、數(shù)據(jù)顯示模塊6和存儲(chǔ)通信模塊7連接，數(shù)據(jù)采集模塊7分別連接有電壓采集模塊8、電 流采集模塊9和溫度采集模塊10。如圖2所示，電量計(jì)算模塊5包括Map模型算法模塊11、剩余電量估計(jì)模塊13、剩 余電量測(cè)算結(jié)果模塊14、剩余電量初始化模塊15、充電率補(bǔ)償模塊16、放電率補(bǔ)償模塊17、 溫度補(bǔ)償模塊18和開路電壓模塊19，Map模型算法模11與剩余電量估計(jì)模塊13連接，充 電率補(bǔ)償模塊16、放電率補(bǔ)償模塊17和溫度補(bǔ)償模塊18相互連接，充電率補(bǔ)償模塊16、放 電率補(bǔ)償模塊17和溫度補(bǔ)償模塊18分別與剩余電量估計(jì)模塊13連接，開路電壓模塊19 與剩余電量估計(jì)模塊13連接，剩余電量初始化模塊15與剩余電量估計(jì)模塊13連接，剩余 電量測(cè)算結(jié)果模塊14與剩余電量估計(jì)模塊13連接。電量計(jì)算模塊5指對(duì)單元電池剩余容量S0C估測(cè)。動(dòng)力鋰電池組電池S0C主要通 過采用Map方法建立了動(dòng)力鋰電池的穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)Map模型，充分考慮動(dòng)力鋰電池的復(fù)雜 特性和充電過程中各種動(dòng)態(tài)因素對(duì)電池充電的影響，引入充電率補(bǔ)償、放電率補(bǔ)償和溫度 補(bǔ)償，根據(jù)采集到的電流、電壓和溫度參數(shù)，對(duì)電池的S0C進(jìn)行準(zhǔn)確估算。并根據(jù)電池組管 理系統(tǒng)單片機(jī)內(nèi)置自適應(yīng)電池模型系統(tǒng)分析計(jì)算的結(jié)果，優(yōu)化充放電控制。整個(gè)充電過程分以預(yù)充、恒流充和恒壓充。每個(gè)階段都不間斷的進(jìn)行電壓、電流及溫度值的檢測(cè)。根據(jù)電壓、電流及溫度值的檢測(cè)值，電量計(jì)算模塊5通過單片機(jī)的內(nèi)置的基 于Map模型的模型和方程，對(duì)各單元電池的S0C進(jìn)行估算，并運(yùn)行“冒泡排序"的程序?qū)λ?有的電池電量進(jìn)行排序，標(biāo)記最低、最高電池，控制模擬開關(guān)，為均衡模塊服務(wù)。除此之外， 電流值和溫度值的大小還關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全性。圖3所示，對(duì)充電模塊工作模塊進(jìn)行描述a.初始化雖然初始化階段并未開始對(duì)電池充電，但卻是整個(gè)充電過程很重要的一步。智能 能源管理模塊在此階段對(duì)自身進(jìn)行初始化和自檢，以確定自身是否工作正常，同時(shí)檢測(cè)充 電條件是否符合充電要求(1)外接充電電源極性是否正確；(2)外接充電電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)；(3)當(dāng)時(shí)溫度是否在允許范圍內(nèi)；(4)鋰離子電池端電壓(各單體)是否在允許的最低充電電壓以上；(5)鋰離子電池端電壓(各單元)是否高于過充電檢測(cè)電壓；b.預(yù)充預(yù)充電不是每次都要進(jìn)行，其目的是當(dāng)電池過度放電、存放時(shí)間太長或電池已經(jīng) 損壞，電池端電壓已經(jīng)低于鋰離子電池允許的最低充電壓以下時(shí)，必須以小的電流(約為 正常充電電流的1/10)進(jìn)行預(yù)充，使鋰離子電池端電壓上升到最低允許充電電壓以上，才 能轉(zhuǎn)為下一個(gè)充電程序——'〖亙流充電。預(yù)充原理是電源適配器通過MCU控制向電池施加一個(gè)比較小的充電電流(約為 正常充電電流的1/10)，使得低于允許的最低充電壓以下的電池在固定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最低 允許充電電壓值，避免將深度放電的電池認(rèn)為是不可充的電池。本模塊的預(yù)充是電源適配 器通過預(yù)充開關(guān)管S1、電阻R4、S3向電池預(yù)充的，這時(shí)MCU通過程序控制放電開關(guān)管S3 全導(dǎo)通，預(yù)充開關(guān)管S1做間歇式導(dǎo)通，采用較短的導(dǎo)通時(shí)間及間隔較長的關(guān)斷時(shí)間(等效 平均電流較小)向電池預(yù)充，直至電池的端電壓上升到鋰離子電池允許的最低充電電壓 (2. 5-2. 7V之間，與溫度有關(guān))，然后進(jìn)人下一充電階段——'g流充電；若長時(shí)間預(yù)充電池 端電壓都不能到達(dá)最低允許充電電壓，則說明電池已損壞，程序進(jìn)入充電禁止?fàn)顟B(tài)。c.恒流充電本電池管理系統(tǒng)對(duì)鋰電池恒流充電要求外置充電電源是恒流的，其恒流值應(yīng)小于 鋰離子電池的最大允許充電電流，本系統(tǒng)定為0. 3C。MCU通過程序控制充電開關(guān)管S2、放電 開關(guān)管S3全導(dǎo)通，電源適配器通過充電開關(guān)管S2、放電開關(guān)管S3向電池組恒流充電。電池 電量將緩慢上升，一般充電時(shí)間為2-3小時(shí)，當(dāng)單片機(jī)通過基于Map模型算法的內(nèi)嵌程序測(cè) 算到單元電池電量達(dá)到了所設(shè)定的終值即滿電量的80%時(shí)，恒流充電終止，充電電流快速 遞減，充電進(jìn)入保持充電過程。d.保持充電本電池管理系統(tǒng)在保持充電階段采用脈沖充電方式，在這一階段中，脈沖充電方 式以與恒流充電階段相同的電流值間歇性的對(duì)電池進(jìn)行恒流充電一段固定的時(shí)間t，當(dāng)內(nèi) 置了 Map模型算法模塊的電量計(jì)算模塊測(cè)算到動(dòng)力鋰電池組中的單元電池電量已滿時(shí)，關(guān) 閉充電回路，并動(dòng)態(tài)均衡模塊進(jìn)行均衡充電。
本發(fā)明中采用基于電池電量的自適應(yīng)電容平衡法，其原理圖如圖4所示。B1、B2……Bn為組成鋰離子電池組的各單元電池，K1、K2…，…如為MCU控制的多 路開關(guān)，C為平衡電容。當(dāng)電池組充電時(shí)，若某節(jié)(例如B2)電池電量高于其他電池超過某 值、而B3最低，MCU控制的多路開關(guān)K2，K3合上，KA、KB都切換在a點(diǎn)，B2通過K2、K3、KA、 KB向C充電，在C充滿電后，MCU控制的多路開關(guān)K3、K4合上，KA、1 (B切換都在b點(diǎn)，電容 C通過K4、K3、KA、KB向B3釋放電能，使B2電量減少，B3電量增加，如此反復(fù)循環(huán)n次使得 鋰離子電池組各單元電池能平衡充電。此方案最大的優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)電池的實(shí)際電量來進(jìn)行充 放電控制，由電量高的電池單元對(duì)電量低的電池單元進(jìn)行電能轉(zhuǎn)移，達(dá)到均衡充電的目的， 實(shí)現(xiàn)各單元電池電量的平衡。本均衡模塊根據(jù)Map模型的S0C估算值進(jìn)行均衡充電，使得 從高電量的電池單元向低電量電池單元轉(zhuǎn)移電能的依據(jù)更準(zhǔn)確，均衡效率更高，從而充電 的時(shí)間也大為縮短。而且本方法不需消耗動(dòng)力鋰離子電池組的電能。本發(fā)明從電池的內(nèi)部機(jī)理和外部特性出發(fā)，綜合考慮電池的電化學(xué)、熱學(xué)以及電 學(xué)等各種復(fù)雜特性，深入研究了鋰離子電池的穩(wěn)態(tài)特性，國內(nèi)首次在電池S0C估算方面采 用Map方法建立了動(dòng)力鋰電池的穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)Map模型，對(duì)電池的S0C進(jìn)行準(zhǔn)確估算。并 將模型嵌入電池組管理系統(tǒng)單片機(jī)內(nèi)置程序，根據(jù)系統(tǒng)分析計(jì)算的結(jié)果，優(yōu)化充放電控制。 充電時(shí)先采用大電流進(jìn)行恒流充電，當(dāng)單片機(jī)根據(jù)內(nèi)置模型估算到電池組中某些單元電池 電量充滿時(shí)，停止恒流充電階段，進(jìn)入保持充電階段。在此階段根據(jù)S0C估算結(jié)果進(jìn)行間歇 式脈沖充電，并啟動(dòng)均衡模塊進(jìn)行均衡充電。本項(xiàng)目均衡充電主要通過采用基于自適應(yīng)電 容平衡法的均衡模塊對(duì)鋰電池組均衡充電，當(dāng)某一單元電池S0C充滿時(shí)，通過平衡電容來 對(duì)各電池之間進(jìn)行電能電量轉(zhuǎn)移，使各單元電池之間充電更均衡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單體電池的保 護(hù)并延長了使用壽命，也能夠減少能耗，使得能量轉(zhuǎn)換率更高。同時(shí)采用壽命加速因子結(jié)合 循環(huán)壽命預(yù)測(cè)，通過各種加速條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)來更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池的使用壽命。
權(quán)利要求
一種基于Map模型的動(dòng)力鋰電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于包括中央處理器、充電模塊、均衡模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電量計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和存儲(chǔ)通信模塊，所述的中央處理器分別與充電模塊、均衡模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電量計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和存儲(chǔ)通信模塊連接，所述的數(shù)據(jù)采集模塊分別連接有電壓采集模塊、電流采集模塊和溫度采集模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Map模型的動(dòng)力鋰電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在 于所述的電量計(jì)算模塊包括Map模型算法模塊、剩余電量估計(jì)模塊、剩余電量測(cè)算結(jié)果模 塊、剩余電量初始化模塊、充電率補(bǔ)償模塊、放電率補(bǔ)償模塊、溫度補(bǔ)償模塊和開路電壓模 塊，所述的Map模型算法模塊與所述的剩余電量估計(jì)模塊連接，所述的充電率補(bǔ)償模塊、所 述的放電率補(bǔ)償模塊和所述的溫度補(bǔ)償模塊相互連接，所述的充電率補(bǔ)償模塊、所述的放 電率補(bǔ)償模塊和所述的溫度補(bǔ)償模塊分別與所述的剩余電量估計(jì)模塊連接，所述的開路電 壓模塊與所述的剩余電量估計(jì)模塊連接，所述的剩余電量初始化模塊與所述的剩余電量估 計(jì)模塊連接，所述的剩余電量測(cè)算結(jié)果模塊與所述的剩余電量估計(jì)模塊連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于Map模型的動(dòng)力鋰電池組均衡管理系統(tǒng)，包括中央處理器、充電模塊、均衡模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電量計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和存儲(chǔ)通信模塊，中央處理器分別與充電模塊、均衡模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電量計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和存儲(chǔ)通信模塊連接，數(shù)據(jù)采集模塊分別連接有電壓采集模塊、電流采集模塊和溫度采集模塊，其優(yōu)點(diǎn)在于使各電池之間能夠充電更均衡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單體電池的保護(hù)并延長了使用壽命，也能夠減少能耗。同時(shí)采用壽命加速因子結(jié)合循環(huán)壽命預(yù)測(cè)，通過各種加速條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)來更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池的使用壽命。
文檔編號(hào)H02J7/00GK101860056SQ20101017947
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者丁國威 申請(qǐng)人:寧波高新區(qū)申特科技有限公司