CN104485474B - 一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组匹配方法，包括：步骤1，试验测量得到电池组内单体电池工作特性曲线；步骤2，根据一致性指标确定电池组中电池连接方式；步骤3，根据测得的各单体电池参数，估算其容量和实时SOC；步骤4，根据电池最佳放电电流与容量的关系，确定电池组块级的匹配方案；步骤5，由电池组块级的SOC参数，确定电池组片级的匹配方案；步骤6，实时更新各单体电池工作电压和片级的总电压，并根据保持电动车辆运行所需电压改变片级的个数。本发明用于纯电动汽车行驶过程中基于一致性指标的电池组匹配，有利于电池组工作在更适宜的放电环境，增加电池放电时间，延长电池使用寿命。

Description

一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组匹配方法

技术领域

本发明涉及电池管理领域，具体地，涉及一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组的匹配方法。

背景技术

纯电动汽车的电池技术是电动汽车发展的技术关键。在电池单体性能没有质的飞跃的情况下，如何通过调度措施提高电池组的性能非常必要。以锂电池组为例，现有电动汽车的电池组通常包含大量锂电池单体，电池的连接方式对电池组的可靠性和电池间不一致性产生巨大的影响，从而直接影响电池组的性能和使用寿命。

电池单体之间性能的不一致性表现在电池单体容量、内阻、电压和电流的不一致性。实践表明，根据电池单体性能的不一致性进行电池组匹配，有助于提高电池组的整体性能。美国特斯拉汽车公司生产的纯电动汽车以18650型锂离子电池作为汽车的动力电池，采用三级电池管理系统管理数量巨大的电池单体，取得了优越的供电性能；国内比亚迪公司生产的e6电动汽车使用磷酸铁锂电池作为动力电池，使用的也是三级电池管理系统，但是采用与特斯拉公司不同的电池组成组方式，也取得了较好的效果。

对现有技术的检索发现，中国专利申请号201210272662.5，公开日2012.10.31，记载了一种动力锂电池电压动态均衡管理系统，涉及串联动力电池组的充放电均衡电路。在放电过程中，电压检测电路对每个单体电池进行监控，当发现电压较低的最需均衡单体电池后，电池组整体通过均衡电路对该单体电池进行充电。通过循环检测并均衡实现电池组均衡放电的目的。但是该方法只是对电压低于最低放电电压的最需均衡单体电池进行处理，并未对剩余单体电池进行均衡匹配，影响了均衡的效率，在最需均衡单体电池数目较少时，该方法难以发挥较大的效用。

发明内容

针对现有电池组管理技术的不足，本发明的目的是提供一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组匹配方法。该方法在分析不同电池连接方式对电池组一致性指标影响的基础上，提出电池先串联再并联最后串联的连接方式。在监控电池工作参数的基础上，给出各级电池匹配的方法，对于延长电池组使用寿命和提高电池组工作性能具有潜在应用价值。

为实现以上目的，本发明提供一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组匹配方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一、实验测量得到电池组内单体电池工作特性曲线，包括工作电压曲线和工作电流曲线，测量结果用于步骤三的参数计算。

优选地，所述的实验测量，是对电池组每节电池进行分路测试，利用继电器进行电池测量通路选择，由电池组、负载、电流传感器和继电器等组成电池参数测量电路，利用数据采集卡将测量信息采集至计算机进行处理。

步骤二、基于电池组的安全性、系统可靠性和不一致性分析，包括容量、电流和电压不一致性分析，确定电池组的成组方式，即先串联再并联最后串联的成组方式；约定若干单体电池先串联的层次为块级，块级并联为片级；

步骤三、根据测量得到的电池组参数，估算各单体电池的容量和实时SOC(State ofCharge，荷电状态)，用于步骤五的电池组片级匹配。

根据测量得到的电池组参数，估算各单体电池的容量和实时SOC，单体电池容量其中t₁、t₂为放电测试的起始和终止时间，i(t)为放电电流随时间的变化关系，得到的单体电池容量用于步骤四的电池组块级匹配；根据开路电压与SOC的关系，确定电池的初始SOC，然后结合测量得到的工作电流曲线，利用电池剩余容量与额定容量的比值计算实时SOC，用于步骤五的电池组片级匹配；

以锂电池为例，在正常使用情况下，并且以容量衰减到70％以下为电池寿命结束标准，其使用寿命可达到1500次，甚至2000次以上完整充放电循环。优选地，选取50个锂电池完整充放电循环为一个测量周期，测量单体电池的容量，认为在一个测量周期内电池容量不变。为了避免容量测量影响电池组正常工作，选择离线测量电池容量。容量测量采用安时放电法，将单体电池充满电，使电池放电至终止电压，记录放电电流曲线，记为i(t)，放电起点和终点时间记为t₁，t₂，则电池容量为得到的电池容量用于步骤四电池组块级匹配。单体电池容量还用于实时SOC的计算，借助OCV-SOC曲线，确定初始荷电状态SOC₀。结合步骤一中测量得到的工作电流曲线，计算实时SOC，计算方法如式(1)所示，

$\mathrm{SOC}=\frac{C_i\·{\mathrm{SOC}}_0-{\∫}_{t_1}^{t_2}i\left(t\right)\mathrm{dt}}{C_i\·{\mathrm{SOC}}_0}---\left(1\right)$

C_i为当前第i个周期单体电池的容量。实时SOC用于步骤四中电池组块级匹配。

步骤四、根据串联电池工作电流一致性原则，结合电池最佳放电电流与容量的关系，进行块级的匹配。

由每节电池的容量计算出其最佳工作电流，去除电池容量低于设定要求的电池，将最佳工作电流偏差在允许范围以内的电池进行串联，减少由于电流不一致带来的影响。

假定同一厂家生产的同一品牌电池具有相同的最佳放电倍率，由于电池最佳放电电流＝电池容量×电池最佳放电倍率，将最佳放电电流相近的单体电池进行串联且按照电池容量相近的原则进行匹配；当单体电池容量低于70％时，已经超出电池使用寿命范围，故去除容量低于70％的单体电池；由于当串联某节单体电池的工作电流显著低于其他单体电池的放电电流时，将最佳工作电流偏差在7％范围以内的电池进行串联。匹配好的块层用于步骤五中片级匹配。

步骤五、在电池组块级匹配完成的基础上，根据电池并联电压一致性的原则，进行片级的匹配。

根据电池并联电压一致性的原则，进行片级匹配。将块级等效为单体电池，计算块级的SOC，计算方法为：

若所有单体电池都充满电，SOC＝100％，忽略电池老化引起的压降，当块级内电池块数相等时，将任意两个块级进行并联；若有单体电池未充满电，根据上式计算得到每个块级的SOC，若块级之间SOC相差在10％以上，则并联起来由于电压差会产生较明显的充电电流，影响电池组放电性能，因此将偏差在10％范围内的块级并联。

步骤六、根据片级的实时电压，改变片级块数以提供车辆运行匹配电压和功率。

随着放电过程的进行，每节单体电池电压下降，致使片级电压下降，因此需要每隔一段时间更新单体电池电压和片级的电压，增加片级块数以提供匹配电压和功率保持车辆正常运行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明实现了以一致性为指标的纯电动汽车电池组的匹配方法，通过对单体电池工作特性参数的测量，根据电池容量和SOC对电池成组方式进行匹配，通过该匹配方式可以减少电池组工作时单体电池间不一致性的影响，使电池工作在更好的环境，有利于增加单次放电时间，延长电池使用寿命。本发明可用于电动汽车电池组的初步匹配，在此基础上还可以继续进行基于功率的电池组匹配。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中电池组工作特性参数测量实验结构图；

图2为本发明一实施例中2×2电池组匹配层次示意图；

图3为本发明一实施例的具体实施流程图；

图4为本发明一实施例中某电池开路电压与SOC对应关曲线图；

图5为本发明一实施例中电池组未匹配各支路电流变化曲线；

图6为本发明一实施例中电池组匹配后各支路电流变化曲线；

图7为本发明一实施例中电池组匹配前后干路电流变化曲线；

图8为本发明一实施例中根据电机电压匹配片个数示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

以2×2电池组为例，电池使用Poppas18650电池，该电池容量2400mAh，额定电压3.7V，终止电压2.75V，饱和电压4.2V。

本实施例提供一种基于电池一致性指标的匹配方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、如图1，搭建实验电路，电流传感器使用WCS2702霍尔传感器(传感器线性度为1mV/mA，输出电压V_out1＝0.5V_cc+(1*I_a))，电压采集选用USB2832数据采集器(用于采集电池工作电压和霍尔传感器输出电压，分辨率为0.01V)，利用继电器控制各单体电池放电回路的通断，测量各单体电池工作特性参数，保存测量结果。将被测18650电池组、负载、WCS2702霍尔传感器和继电器等串联组成电池参数测量电路，利用USB数据采集器将测量得到的电流、电压等信息采集至计算机进行处理。

步骤二、基于电池一致性指标的分析，确定电池组结构如图2，两节电池先串联得到块级，再将两个块级并联得到片级。

步骤三、一致性匹配的方法如图3所示。以50次完整充放电循环为一个测量周期离线测量单体电池容量，将试验用四节电池分别编号为1、2、3、4。采用安时法，让每节电池在各自回路内放电，从满电放到电量空为止，记录电流随时间变化曲线和放电开始及终止时间，利用Matlab软件做积分计算出每节电池的容量，1、2、3、4号电池容量分别约为2375mAh、2380mAh、2380mAh、2400mAh。

步骤四、考虑到使用的电池来自同一厂家同一型号，认为其最佳放电倍率相等，根据最佳放电电流＝容量×最佳放电倍率，由步骤三中各单体电池容量知各单体电池最佳放电电流偏差在7％范围以内，四节电池可任意两节串联组成块级，匹配好的块级用于步骤五片级匹配。

步骤五、在块级匹配好的基础上，将块级等效为单体电池。让四节电池荷电量处于随机值，经测量1、2、3、4号电池开路电压为4.03V、4.16V、3.96V和4.18V。根据SOC与开路电压的关系，如图4所示，求出四节电池对应的SOC值为85.5％、98.3％、76.4％和99.9％。根据模块初始SOC定义，若1、3号电池和2、4号电池分别串联成块，则对应模块SOC为80.95％和99.1％，SOC偏差超过10％，匹配前两支路电流变化如图5；若1、2号电池和3、4号电池分别串联成块，则对应模块SOC为91.9％和88.15％，SOC相差3.75％，满足要求，匹配后两支路电流变化如图6所示。可以看出经过简单的电池匹配后，两个支路放电电流大小相近，并且如图7所示，干路总电流有所增加。之后再将匹配好的2个块级并联成片级。根据放电实验数据，未匹配的方案放电时间为6505s，匹配后方案放电时间为7030s，延长约8.07％。

步骤六、根据电动汽车所需电压和功率匹配片级个数，使得最终片级电压相加满足电机工作电压要求，功率满足电机额定功率要求，如图8所示。

本发明实现了一种基于一致性指标的电动汽车电池组匹配方法，可以用于电动汽车行驶过程中电池组的初步匹配。该匹配方法简单易行，通过改变电池组内电池的连接，减小不同电池间放电电流差值，增加电池组单次放电时间，从而延长电池组使用寿命。特别地，当电池组结构变复杂时，基于一致性的匹配对延长放电时间效果更加明显，对从机制上缓解电动汽车电池使用时间短问题具有指导意义。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组匹配方法，其特征在于，所述方法具体步骤包括：

步骤一、实验测量得到电池组内单体电池工作特性曲线，包括工作电压曲线和工作电流曲线，测量结果用于步骤三的参数计算；

步骤二、基于电池组的安全性、系统可靠性和不一致性分析，包括容量、电流和电压不一致性分析，确定电池组的成组方式，即先串联再并联最后串联的成组方式；约定若干单体电池先串联的层次为块级，块级并联为片级；

步骤三、根据测量得到的电池组参数，估算各单体电池的容量和实时SOC，用于步骤五的电池组片级匹配；

步骤四、根据串联电池工作电流一致性原则，结合电池最佳放电电流与容量的关系，进行块级的匹配；

步骤五、在电池组块级匹配完成的基础上，根据电池并联电压一致性的原则，进行片级的匹配；

步骤六、根据片级的实时电压，改变片级块数以提供车辆运行匹配电压和功率。

2.根据权利要求1所述的一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组匹配方法，其特征在于，步骤一中：对电池组每节电池进行分路测试，利用继电器进行电池测量通路选择，由电池组、负载、电流传感器和继电器组成电池参数测量电路，利用数据采集卡将测量信息采集至计算机进行处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组匹配方法，其特征在于，步骤三中：单体电池的容量其中t₁、t₂为放电测试的起始和终止时间，i(t)为放电电流随时间的变化关系，得到的单体电池容量用于步骤四的电池组块级匹配；根据开路电压与SOC的关系，确定电池的初始SOC，然后结合测量得到的工作电流曲线，利用电池剩余容量与额定容量的比值计算实时SOC。

4.根据权利要求3所述的一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组匹配方法，其特征在于，步骤三中：单体电池的容量测量采用离线测量，将单体电池的容量离线测量周期设定为每50个完整充放电循环，测量方法采用安时积分法。

5.根据权利要求1所述的一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组匹配方法，其特征在于，步骤四中：由每节电池的容量计算出其最佳工作电流，去除电池容量低于设定要求的电池，将最佳工作电流偏差在允许范围以内的电池进行串联，减少由于电流不一致带来的影响，匹配好的块层次用于步骤五的片级匹配。

6.根据权利要求5所述的一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组匹配方法，其特征在于，步骤四中：根据电池的工作电流一致性原则进行块级的匹配，由于电池最佳放电电流＝电池容量×电池最佳放电倍率，将最佳放电电流相近的单体电池进行串联且按照电池容量相近的原则进行匹配；当单体电池容量低于70％时，已经超出电池使用寿命范围，故去除容量低于70％的单体电池；由于当串联某节单体电池的工作电流显著低于其他单体电池的放电电流时，将最佳工作电流偏差在7％范围以内的电池进行串联。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组匹配方法，其特征在于，步骤五中：将块级等效为一个电池单体，计算块级的SOC，然后分电池已充满电和未充电两种情形进行片级匹配；若所有单体电池已充满电，即剩余电量为100％时，忽略电池老化带来的压降，将任意两个块级进行并联；若有单体电池未充满电，则根据计算得到的每个块级的SOC，将SOC偏差在10％范围内的块级进行并联。

8.根据权利要求7所述的一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组匹配方法，其特征在于，所述的计算块级的SOC，将其等效为一个电池单体：

容量衰减因子为电池组内所有单体电池由于老化减少的容量总和，若所有单体电池都充满电，即剩余电量为100％，那么忽略电池老化带来的压降，当块级内电池块数相等时，将任意两个已经匹配好的块级进行并联；若有单体电池未充满电，则根据上述公式计算得到每一块级模块的SOC，在保证模块SOC高于50％的基础上，将SOC偏差在10％范围内的块级进行并联；若模块间SOC偏差大于10％时，在考虑电池内阻时，模块间产生的充电电压会形成一定的充电电流，影响电池组的放电性能。

9.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于一致性指标的纯电动汽车电池组匹配方法，其特征在于，步骤六中：随着放电过程的进行，每节单体电池电压下降，致使片级电压下降，每隔一段时间更新单体电池电压和片级的电压，增加片级块数以提供匹配电压和功率保持车辆正常运行。