行之知识产权综合服务平台

技术领域

本发明涉及一种对锂离子动力电池单体不一致性进行均衡的控制装置、系 统及方法，属于新能源汽车动力电池均衡控制技术领域。

背景技术

近几年，随着新能源汽车的高速发展，在混合动力、插电式混合动力及纯 电动汽车中，锂离子动力电池得到了广泛应用。由于材料、工艺等原因，目前 国内外锂离子动力电池厂家生产的单体均存在不一致性问题，为了满足整车的 动力性、可靠性、安全性等方面要求，锂离子动力电池单体不一致性已经成为 制约新能源汽车发展不容忽视的限制性因素。提供可靠的锂离子动力电池单体 均衡控制系统，对于当前新能源汽车产业化具有可观的经济与社会效益。

当前国内外主流的整车厂、电池厂、大学和科研院所对均衡做了大量的研 究，目前已有的专利和论文中普遍采用电池单体电压、模块剩余电量(模块SOC) 作为均衡启动的条件。

目前国内外对锂离子动力电池均衡控制虽有一定研究，但是综合考虑以下 三个因素：锂离子电池单体SOC(state of charge)、整车状态、动力电池状态， 进行锂离子动力电池均衡控制的研究还未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种锂离子动力电池均衡控制装置及系 统，该装置及系统结合锂离子电池单体SOC、整车状态以及动力电池状态对锂 离子动力电池进行均衡控制，能够全面、准确满足新能源汽车中电池总成的每 个单体不一致性均衡控制需求，可靠保证了动力电池的寿命、车辆性能、车辆 安全等要求。

为了解决上述技术问题，本发明的锂离子动力电池均衡控制装置包括整车 控制器，安全气囊控制器，电池管理系统；电池管理系统包括一个主控制器和 与电池总成中电池模块数量相应的从控制器；整车控制器和安全气囊控制器通 过CAN总线与主控制器连接；主控制器通过总电流采样线束、总电压采样线束、 绝缘信号采样线束与电池总成连接，并通过CAN总线与各从控制器连接；各从 控制器通过单体电压采样线束与电池总成的各电池单体连接，通过温度采样线 束与电池总成的各电池模块温度传感器连接；各从控制器内部的均衡控制电路 分别与对应的电池单体连接。

各从控制器负责采集对应电池模块中各电池单体的电压、电池模块的温度 信号并将其发送到主控制器，同时从控制器负责从CAN总线接收主控制器的均 衡控制命令并对需要均衡的电池单体进行均衡；主控制器接收整车控制器状态 信号、安全气囊控制器碰撞信号，检测电池总成的总电压、总电流及绝缘漏电 流故障信号，根据电池总成的总电压、总电流、温度估算总成的SOC值，根据 各电池单体的电压、电池温度和估算各单体的SOC值；在下述情况下，主控制 器输出控制指令禁止各均衡控制电路启动锂离子动力电池单体均衡；一、安全 气囊控制器的安全气囊碰撞信号有效；二、整车控制器与电池管理系统的主控 制器通信失效；三、电池总成出现自身严重故障，包括绝缘故障、单体电压过 高和过低故障、温度过高故障；四、电池总成与整车都处于正常工作状态，整 个电池总成的SOC值低于下限值；当最大的单体SOC与最小的单体SOC差值 超过设定的最高差值阈值时，主控制器通过CAN总线输出控制指令给从控制器， 启动从控制器内部对应的均衡控制电路；当最大单体SOC与最小单体SOC差 值小于设定的最低差值阈值时停止各均衡控制电路均衡动作。

为了解决上述技术问题，本发明的锂离子动力电池均衡控制系统包括：

整车CAN总线接口模块：用于接收整车控制器状态、安全气囊控制器碰撞 信号；

通过CAN总线接收从控制器信号的接口模块：通过CAN总线接收从控制器 传输的各电池单体的电压、电池模块温度信号。

电池总成信号采集模块：用于接收电池总成的总电压、总电流和绝缘漏电 流故障信号；

通信失效判别模块：用于判别电池管理系统主控制器与整车控制器通信是 否失效；

碰撞判别模块：用于判别安全气囊碰撞信号是否有效；

电池故障判别模块：用于判别电池总成是否产生严重故障；

SOC值估算模块：用于根据电池总成的总电压、总电流、温度估算其总成 SOC值，根据各电池单体的电压、电池模块温度、总电流估算各单体SOC值； 判别整个电池总成的SOC值是否低于下限值、最大的单体SOC与最小的单体 SOC差值是否超过设定的最高差值阈值、最大单体SOC与最小单体SOC差值 是否小于设定的最低差值阈值；

均衡控制模块：用于在下述情况下输出控制指令禁止各均衡控制电路启动 锂离子动力电池单体均衡：

一、安全气囊控制器的安全气囊碰撞信号有效；

二、整车控制器与电池管理系统通信失效；

三、电池总成出现自身严重故障，包括绝缘故障、单体电压过高和过低故 障、温度过高故障；

四、电池总成与整车都处于正常工作状态，整个电池总成的SOC值低于下 限值；

在最大的单体SOC与最小的单体SOC差值超过设定的最高差值阈值时, 输出控制指令使从控制器内部对应的均衡控制电路启动锂离子动力电池单体均 衡，在最大单体SOC与最小单体SOC差值小于设定的最低差值阈值时停止均 衡动作。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种锂离子动力电池均衡控制方 法。

为了解决上述技术问题，本发明的锂离子动力电池均衡控制方法包括下述 步骤：

第一步：

通过从控制器采集电池单体的电压信息和电池模块温度信息，并将这些信 息发送给主控制器；主控制器通过CAN总线接收整车控制器和安全气囊控制器 的状态信号，通过线束采集电池总成的绝缘漏电流故障信号、总电压、总电流 信号；

主控制器根据电池总成的总电压、总电流、电池模块温度估算其总SOC值， 根据各电池单体的电压、电池模块温度、总电流估算其单体SOC值；

第二步：

利用主控制器在下述情况下输出控制指令，禁止各均衡控制电路启动锂离 子动力电池单体均衡：

一、安全气囊控制器的安全气囊碰撞信号有效；

二、整车控制器与电池管理系统通信失效；

三、电池总成出现自身严重故障，包括绝缘故障、单体电压过高和过低故 障、温度过高故障；

四、电池总成与整车都处于正常工作状态，整个电池总成的SOC值低于下 限值；

第三步：

利用主控制器，在最大的单体SOC与最小的单体SOC的差值超过设定的 最高差值阈值时，输出控制指令给从控制器，使各对应的均衡控制电路启动单 体均衡；在最大的单体SOC与最小的单体SOC的差值小于设定的最低差值阈 值时，输出控制指令，使均衡控制电路停止均衡动作。

所述均衡控制电路采用消耗高容量单体电能的方法，使电池总成的各电池 单体的SOC值达到一致。

本发明中均衡控制采用被动均衡方式，被动均衡是指在均衡过程中，采 用消耗高容量单体的电能的方法，从而达到电池总成各单体一致性的方式。

本发明从整车状态、锂离子动力电池自身状态以及单体的SOC三个角度出 发，对新能源汽车锂离子动力电池进行均衡控制，能够全面、准确满足新能源 汽车中电池总成的每个单体不一致性均衡控制需求，可靠保证了动力电池的寿 命、车辆性能、车辆安全等要求，具有良好的推广应用价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的锂离子动力电池均衡控制装置的整体框图。

图2是电池单体均衡控制电路图。

图3是本发明的锂离子动力电池均衡控制系统的整体框图。

图4均衡控制软件流程图。

图5是H厂插电式混合动力轿车锂离子电池单体均衡前后测试结果。

具体实施方式

如图1所示，本发明的锂离子动力电池均衡控制装置包括整车控制器，安 全气囊控制器，电池管理系统。

电池管理系统包括一个主控制器(BMU)、与电池模块数量相应的从控制器 (BSU)；整车控制器和安全气囊控制器通过CAN总线与主控制器连接；主控制 器通过总电流采样线束、总电压采样线束、绝缘信号采样线束与电池总成连接； 主控制器通过CAN总线与各从控制器内部的CPU连接；各从控制器内部的CPU 通过单体电压采样电路与各电池单体连接，温度采样电路通过线束与各电池模 块温度传感器连接；各从控制器内部CPU通过均衡控制电路分别与对应的电池 单体连接。

如图2所示，所述均衡控制电路主要由TLP521高低电压隔离芯片的限流 电阻R1、TLP521高低电压隔离芯片、下拉电阻R2、Q301的驱动限流电阻R3、 由R4和C301构成的场效应管Q301(型号AO3400A)漏源之间的吸收电路、 均衡放电时的负载电阻R5(采用功率型电阻)和发光二极管限流电阻R6构成； 图中CTRL1为一个单体均衡电路的控制信号，该信号来源于电池管理系统从 控制器的CPU，为电平信号；TLP521为高低电压隔离芯片，用于隔离单体(高 压部分)与控制系统(低压部分)；当CTRL1为高电平时，场效应管Q301导 通，CELL1和CELL2间的电池单体通过R5放电，进行单体均衡。

如图3所示，为了解决上述技术问题，本发明的锂离子动力电池均衡控制 系统包括：

整车CAN总线接口模块：用于接收整车控制器状态、安全气囊控制器碰撞 信号；

通过CAN总线接收从控制器信号的接口模块；通过CAN总线接收从控制器 传输的各电池单体的电压、电池模块温度信号。

电池总成信号采集模块：用于接收电池总成的总电压、总电流和绝缘漏电 流故障信号；

通信失效判别模块：用于判别电池管理系统与整车控制器通信是否失效， 当CAN协议中的livecounter、checksum校验发生错误时，或者电池管理系统 持续超过1000ms没有接收到混合动力CAN总线上的报文时，判定通信失效。

碰撞判别模块：用于判别安全气囊信号是否有效，车辆发生碰撞时安全气 囊信号有效。

电池故障判别模块：用于判别电池总成是否产生严重故障；包括电池总成 高压系统发生绝缘漏电流故障、单体电压过高和过低故障和温度过高故障。

SOC值估算模块：用于根据电池总成的总电压、总电流、电池模块温度估 算其SOC值，根据各电池单体的电压、温度、总电流估算其SOC值；判别整个 电池总成的SOC值是否低于下限值、最大的单体SOC与最小的单体SOC的差 值是否超过设定的最高差值阈值10％、最大的单体SOC与最小的单体SOC的 差值是否小于设定的最低差值阈值4％；

均衡控制模块：用于在下述情况下输出控制指令禁止各均衡控制电路启动 锂离子动力电池单体均衡：

一、安全气囊控制器的安全气囊碰撞信号有效；

二、整车控制器与电池管理系统通信失效；

三、电池总成出现自身严重故障；

四、电池总成与整车都处于正常工作状态，整个电池总成的SOC值低于下 限值；

在最大的单体SOC与最小的单体SOC差值超过设定的最高差值阈值10％ 时,输出控制指令使各均衡控制电路启动锂离子动力电池单体均衡，在最大单 体SOC与最小单体SOC差值小于设定的最低差值阈值4％时停止均衡动作。

如图4所示，主控制器均衡控制软件流程如下：

1)100ms周期循环开始；

2)判断电池管理系统与整车控制器通信是否失效，若发生通信失效则转步 骤6)，若未发生通信失效则转步骤3)

3)判断安全气囊碰撞信号是否有效，若发生碰撞则转步骤6)，若未发生 碰撞则转步骤4)；

4)判断电池总成高压系统是否发生绝缘漏电流故障、或者电池单体是否发 生电压过高或者过低故障或者温度过高故障，若其中任何一个故障发生则转步 骤6)，否则转步骤5)；

5)根据电池总成的总电压、总电流、电池模块的温度估算总成的SOC值， 根据各电池单体的电压、电池模块的温度估算各单体SOC值；判断整个电池总 成的SOC值是否小于40％，若是则转步骤6)，否者转步骤7)；

6)输出控制指令禁止均衡；

7)判断最大的单体SOC与最小的单体SOC的差值是否大于±10％，若是 则转步骤8)，否者转步骤12)；

8)判断是否正在均衡中，若是则转步骤10)，否者转步骤9)；

9)输出控制指令启动均衡；

10)判断最大的单体SOC与最小的单体SOC的差值是否小于±4％，若是 则转步骤11)，否者转步骤12)；

11)输出控制指令停止均衡；

12)本次100ms周期循环结束，进行下一个循环。

本发明的锂离子动力电池均衡控制方法具体如下：

一、结合整车状态的锂离子动力电池均衡控制

结合H厂的插电式混合动力轿车，对车辆在行驶(包括发动机模式，纯电 动模式，混合动力模式)、驻车、充电工况下进行故障分析。在以下情况下应该 禁止启动电池单体均衡动作：

1)在行驶和驻车时，如果发生电池管理系统与整车控制器通信失效，通信 失效是指由于硬件或软件原因导致的通信错误或异常情况下，当CAN协议中 的livecounter、checksum校验发生错误时，或者电池管理系统持续超过1000ms 没有接收到混合动力CAN总线上的报文时，电池管理系统判定通信失效。电 池管理系统无法得知整车的要求和所处的状态，应该停止电池单体均衡动作， 以保证车辆与电池总成安全。

2)在行驶、驻车、充电机充电过程中，如果电池管理系统接收到安全气囊 发送的碰撞信号(此处可以是CAN信号，也可以是硬线信号，本发明中为安 全气囊控制器发送的CAN信号给电池管理系统主控制器)，从车辆和电池总成 安全角度考虑，应该停止均衡动作。

综合本节所述，结合整车状态，在发生车辆碰撞、电池管理系统与整车控 制器通信失效时，从保证车辆与动力电池安全以及保证使用寿命角度出发，停 止H厂的插电式混合动力轿车动力电池均衡动作。

二、结合动力电池状态的锂离子动力电池均衡控制

由于车辆使用环境复杂，动力电池自身在使用过程中可能产生严重故障。 结合H厂的锂离子动力电池(由100个单体串联组成的电池总成)，从保证安 全和提高电池包寿命角度出发，结合理论分析、车辆道路试验，在以下几种动 力电池的状态情况下禁止动力电池单体均衡动作。

1)绝缘故障。当电池总成高压系统发生绝缘漏电流故障时，即电池总成绝 缘电阻值低于100Ω/V情况下，为避免单体均衡动作引起的高压触电事故，电 池管理系统禁止启动电池单体均衡。

2)单体电压过高和过低故障。对于锂离子电池单体来讲，过充和过放会产 生不可逆化学反应，影响电池总成的安全和使用寿命，当单体电压过高与过低 的故障情况下(通过试验，H厂插电式混合动力汽车设置磷酸铁锂类型的单体 电压过高值为3.85V，单体电压过低值为2.00V)，禁止进行单体均衡动作以保 护电池单体。

3)温度过高故障。温度对于锂离子电池有较大影响，在温度过高情况下(通 过测试，H厂插电式混合动力汽车设置温度过高值为70℃)，为了防止因温度 过高导致的安全问题，应该停止进行单体均衡，保证电池总成温度下降到合理 的范围后再启动单体均衡操作。

结合本节所述，在绝缘故障、单体电压过高或者过低故障、以及温度过高 故障四种电池总成状态时，停止H厂插电式混合动力车的动力电池单体均衡功 能。对于保证车辆和电池总成安全，提高动力电池使用寿命具有重要作用。

三、结合单体SOC的锂离子动力电池均衡控制

经过第一步和第二步的判断，锂离子动力电池单体具备了均衡判断的前提 条件，在本步骤中分析启动均衡控制的条件。在目前的文献中，使用单体电压、 模块的SOC作为判断条件的占据了主体。本发明中使用电池单体的SOC值作 为判断启动单体均衡的输入条件。

1)结合H厂插电式混合动力汽车动力电池，首先判断动力电池Pack的SOC 值大于40％时才可以启动单体均衡功能，这是为了保证动力电池电量不至于过 低。

2)由于锂离子电池单体的电压平台区比较平坦，加上车辆使用中充放电导 致单体电压变化，因此采用电压方法精度低，容易产生错误操作。H厂插电式 混合动力轿车中利用一阶锂离子电池模型根据电池单体电压、总电流、电池模 块的温度估算每个单体的SOC值，利用单体的SOC值能够有效避免锂离子电 池单体平台区的矛盾，从而更有效的判断单体的不一致性。当最大的单体SOC 与最小的单体SOC差值达到10％，则启动单体均衡；当最大单体SOC与最小 单体SOC差值≤4％则停止均衡动作。

3)在H厂的插电式混合动力轿车中，每10个电池单体组成了一个电池模 块，10个电池模块组成了一个电池总成。利用单体SOC判断单体均衡启动条 件比利用模块SOC有其明显优势，因为模块SOC值只能判断多个单体所组成 的模块整体电量，无法对模块内单体的不一致性做出有效的判断。本发明采用 单体SOC作为均衡启动的判断条件，能够更精确，更全面地判断电池总成每个 单体的不一致性。

通过在H厂插电式混合动力轿车上的测试，均衡后的100个单体SOC值差 异≤4％，单体均衡前后测试结果如图5所示，其中测试结果Ⅱ是均衡前各电池 单体SOC值，测试结果Ⅰ是均衡后各电池单体SOC值。