本發(fā)明涉及電池參數(shù)的測量，具體涉及鋰離子電池管理系統(tǒng)及電芯單體容量在線測量及健康狀態(tài)判斷方法。

背景技術(shù)：

目前在新能源汽車上已經(jīng)開始大規(guī)模使用鋰離子動(dòng)力電池。由于鋰離子電池單體電芯的電壓、功率、容量和能量等指標(biāo)不可能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求，必須采用成組技術(shù)，將多節(jié)電池串聯(lián)使用，以實(shí)現(xiàn)鋰離子動(dòng)力電池組乃至新能源汽車整車的性能指標(biāo)。

容量是鋰離子電池最重要的參數(shù)之一。容量是指電芯可對(duì)外放出的電荷總量。

容量是鋰離子電池荷電狀態(tài)stateofcharge(soc)的定義基礎(chǔ)。soc一般定義為當(dāng)前可用容量占總?cè)萘康陌俜直取？梢姡瑳]有容量這一參數(shù)soc無法計(jì)算。

容量是鋰離子電池組健康狀態(tài)stateofhealth(soh)的判斷依據(jù)。目前常用的soh計(jì)算方法為當(dāng)前容量與初始容量的比較。soh可作為電芯是否達(dá)到使用壽命的衡量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)soh低于80％時(shí)，容量已經(jīng)出現(xiàn)了較為顯著的下降，而電芯內(nèi)阻往往已經(jīng)很大，功率性能stateofpower(sop)等其他性能也無法滿足應(yīng)用需要。因此，當(dāng)電芯soh低于80％時(shí)，通常認(rèn)為其已老化，達(dá)到使用壽命，需要進(jìn)行更換。

同時(shí)，容量、soc、soh是鋰離子電池其他內(nèi)部重要狀態(tài)量如sop，續(xù)駛里程等等的計(jì)算方法的重要參考量。

電芯廠商在電芯出廠時(shí)都會(huì)提供電芯的初始容量。然而隨著新能源汽車的使用，電芯不斷的進(jìn)行充放電循環(huán)過程，容量會(huì)不可避免的出現(xiàn)衰減等變化。另一方面，由于電芯在材料和生產(chǎn)過程中的細(xì)微差別，以及在電池包中的不同位置和使用過程不一致等因素，可能造成電芯單體電芯容量之間出現(xiàn)較明顯的區(qū)別。

如果不對(duì)初始容量進(jìn)行調(diào)整，一方面，會(huì)造成soc，soh乃至以此為重要參考量的sop，續(xù)駛里程等狀態(tài)量出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重影響用戶使用感受。另一方面，極易產(chǎn)生對(duì)于電池充入過量的電能，短時(shí)放出過量的電能，或者深度放電等現(xiàn)象，會(huì)進(jìn)一步加劇電芯容量的衰減以及電池壽命的縮短，甚至造成嚴(yán)重的電芯內(nèi)部發(fā)熱，乃至熱失控，爆炸起火等影響車輛和乘客安全的嚴(yán)重后果。

常見的鋰離子電池容量測試方法為，gb/t31484-2015中規(guī)定的方法。具體解釋如下：

容量測試方法:

a)以1i1(a)放電至企業(yè)規(guī)定的放電終止條件；

b)擱置不低于30min或企業(yè)規(guī)定的擱置時(shí)間(不高于1h)

c)以i1(a)電流恒流充電至企業(yè)規(guī)定的充電終止電壓時(shí)轉(zhuǎn)恒壓充電，至充電終止電流降至0.05i1(a)時(shí)停止充電，充電后擱置1h(或企業(yè)規(guī)定的不高于1h的擱置時(shí)間)

d)擱置不低于30min或企業(yè)規(guī)定的擱置時(shí)間(不高于1h)；

e)以1i1(a)放電至企業(yè)規(guī)定的放電終止條件；

f)計(jì)算步驟e)放電容量

這種工況在實(shí)際使用過程中極難實(shí)現(xiàn)。車輛行駛過程中一般伴隨著較為頻繁的充放電過程，并且為保證電池壽命，在實(shí)際使用充放電過程中，對(duì)于電池的容量一般需要留有一定的余量，基本不可能出現(xiàn)從放電終止條件到達(dá)充電終止條件再放電至放電終止條件的情況。

另外由于鋰離子電池單體電壓、功率、容量和能量等較低，無法單獨(dú)使用。一般都需要通過串聯(lián)的方法組成電池組才可進(jìn)行使用。而在串聯(lián)電路中，每節(jié)電池所經(jīng)過的電流電量一致。隨著鋰離子電池的老化，電芯單體的容量會(huì)逐漸出現(xiàn)差異。如果想要通過滿充滿放的方式，容易出現(xiàn)個(gè)別單體電芯容量已出現(xiàn)縮減，較為容易達(dá)到充放電終止條件，而此時(shí)其他電芯單體仍未達(dá)到的情況。由于電芯是以串聯(lián)的方式，個(gè)別電芯達(dá)到終止條件，此時(shí)已經(jīng)無法再進(jìn)行充放電處理。因而，絕大部分電芯單體的容量將無法測量解析。

如果想以離線的方式使得新能源汽車用鋰離子電池達(dá)到上述傳統(tǒng)測量工況也是不現(xiàn)實(shí)的。

首先，鋰離子電池往往密封在電池包中，要連接高壓測量線束，往往需要將新能源汽車乃至電池包拆開。這個(gè)工作量將非常巨大，而且各家車企的新能源汽車結(jié)構(gòu)各不相同，電池包的拆卸可能會(huì)非常困難。而且消費(fèi)者也不一定會(huì)允許這樣的操作。若考慮到單節(jié)電芯的容量測量，由于目前電池包可能有幾十乃至數(shù)百節(jié)電池組成，其拆卸測量工作更是沒有可能。

并且，即便克服各種困難達(dá)到上訴工況，對(duì)于鋰離子電池來說，達(dá)到充放電終止條件的使用方法可能會(huì)帶來電池壽命的縮減。

最后，這種方法還是一種離線的方法，如上訴所述原因不太可能進(jìn)行，當(dāng)然也無法經(jīng)常使用，這將導(dǎo)致容量、健康狀態(tài)等，無法在用戶使用過程中，進(jìn)行經(jīng)常性測量和調(diào)整。因而會(huì)帶來狀態(tài)參數(shù)精度、壽命等方面的負(fù)面影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為提供一種實(shí)現(xiàn)新能源汽車車用鋰離子電池管理系統(tǒng)及電芯單體容量在線測量及健康狀態(tài)判斷方法。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：鋰離子電池管理系統(tǒng)，包括主控單元電芯傳感監(jiān)控單元以及電流傳感器；所述電芯傳感監(jiān)控單元連接至鋰離子動(dòng)力電池組每節(jié)電芯并監(jiān)控測量其端電壓；所述電流傳感器串聯(lián)在鋰離子電池組與電路主回路之間用于測量電路主回路中的母線電流；所述主控單元分別與電流傳感器、電芯傳感監(jiān)控單元和汽車整車通信網(wǎng)絡(luò)連接。主要功能為控制鋰離子電池組的工作模式，數(shù)據(jù)的處理與儲(chǔ)存，以及電池組中電芯單體容量以及健康狀態(tài)的計(jì)算、處理與發(fā)送。主控單元可以通過內(nèi)部晶振或外部信號(hào)的獲取時(shí)鐘信號(hào)，即便電池管理系統(tǒng)下電后或休眠時(shí)，時(shí)鐘仍能進(jìn)行工作。

優(yōu)選地，所述電芯傳感監(jiān)控單元內(nèi)置前端芯片用以采集電池電芯單體的電壓，保證采集的準(zhǔn)確度和及時(shí)性。

容量是鋰離子電池最重要的參數(shù)之一。容量是指電芯可對(duì)外放出的電荷總量。電芯soc(stateofcharge)即荷電狀態(tài)，定義為當(dāng)前剩余可用容量占總?cè)萘康陌俜直取＜矗?/p>

其中cremain為當(dāng)前剩余的可用容量，ctotal為總?cè)萘俊?/p>

對(duì)于兩個(gè)時(shí)刻ta，tb則有：

兩式相減，則有：

變化可得：

可見若有兩個(gè)時(shí)刻ta、tb的電芯的soc準(zhǔn)確值和兩個(gè)時(shí)刻間發(fā)生的剩余容量變化，即可求的電芯容量。

鋰離子電池電芯soc準(zhǔn)確值可以基于其開路電壓opencircuitvoltage(ocv)獲取。ocv即鋰離子電池電動(dòng)勢eb，與soc有非線性的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系。在鋰離子電池的實(shí)際使用過程中，伴隨充放電化學(xué)反應(yīng)過程中，會(huì)出現(xiàn)極化現(xiàn)象影響，造成電池的端電壓與ocv的差距較大，不可以直接用來計(jì)算soc。一般需要給鋰離子電池提供一定的靜置時(shí)間(優(yōu)選的，不小于兩小時(shí))，消除極化反應(yīng)的影響，獲得ocv，進(jìn)而計(jì)算soc。

式(2中兩個(gè)時(shí)刻ta，tb間發(fā)生的剩余容量變化δc，即兩個(gè)時(shí)間累積變化的電量，來源于這段時(shí)間內(nèi)充放電電流。因而可以采取電流積分法，或稱安時(shí)積分，獲得δc。具體方法為對(duì)ta到tb間的電流值按時(shí)間積分：

其中，i(t)為瞬時(shí)電流。

鋰離子電池管理系統(tǒng)的電池電芯單體內(nèi)阻在線測量方法，設(shè)該電池包中鋰離子電芯單體數(shù)為n，步驟如下：

步驟a)主控單元接收到啟動(dòng)信號(hào)并喚醒鋰離子電池管理系統(tǒng)；

步驟b)通過時(shí)鐘信號(hào)，讀取并記錄當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)t1；

步驟c)從內(nèi)存中讀取上次下電的時(shí)間點(diǎn)t0；

步驟d)主控單元根據(jù)t0，t1判斷是否靜置過足夠長的時(shí)間；

步驟e)如果靜置時(shí)間足夠(優(yōu)選的t1-t0應(yīng)不小于兩小時(shí))，則電芯傳感監(jiān)控單元通過其內(nèi)置的前端芯片測量每個(gè)電池單體電芯兩端的電壓，可作為單體開路電壓ocv1～ocvn，并輸出至主控單元；

步驟f)由于ocv與soc存在非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過包括但不限于查表等方式，可獲得電芯內(nèi)部的soc1～socn值；

步驟g)令上一次成功采用a-f步驟獲取soc的時(shí)刻為t內(nèi)存，從內(nèi)存中讀取t內(nèi)存時(shí)刻獲取的各節(jié)單體電芯soclast1～soclastn；；

步驟h)判斷soc是否發(fā)生足夠的變化計(jì)算，優(yōu)選的，電芯soc值與t內(nèi)存時(shí)刻相比，應(yīng)有30％以上的變化，即δsoc＝soc-soclast>30％，目的為進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算結(jié)果精度，減少計(jì)算誤差；

步驟i)從內(nèi)存中讀取從t內(nèi)存時(shí)刻到t1時(shí)刻的累計(jì)電流積分值δc；

步驟j)根據(jù)式(2，計(jì)算每節(jié)電芯單體容量cage1～cagen，cage＝δc/δsoc；

步驟k)計(jì)算每節(jié)電芯的健康狀態(tài)soh1～sohn，根據(jù)公式soh＝cage/cnominal其中cnominal為單體電芯的初始容量；

步驟l)將上述cage1～cagen，soh1～sohn，儲(chǔ)存并提供給其他模塊用于新能源汽車性能的計(jì)算和調(diào)整，例如soc，sop，續(xù)航里程等。

步驟m)若某節(jié)電芯的soh，設(shè)sohx，低于一定的限值(優(yōu)選的80％)，則應(yīng)發(fā)出該節(jié)電芯序號(hào)x，soh過低的警報(bào)，建議進(jìn)行相應(yīng)的處理措施，例如更換電芯等，避免引起進(jìn)一步的安全隱患。

優(yōu)選地，所述步驟d中的電流傳感器測量的母線電流是通過旁路電阻或者霍爾傳感器測量得到的；用于保證母線電流測量的準(zhǔn)確。

優(yōu)選地，所述主控單元與汽車通信網(wǎng)絡(luò)通過can總線的通訊方式連接；方便數(shù)據(jù)的快速采集和傳輸。

本發(fā)明由主控單元和電芯傳感監(jiān)控單元以及電流傳感器組成；采用高低壓分離的設(shè)計(jì)，與鋰離子動(dòng)力電池組每節(jié)電芯連接的電芯傳感監(jiān)控單元用于監(jiān)控測量鋰離子動(dòng)力電池單體電芯的電壓；串聯(lián)在鋰離子動(dòng)力電池組與電路主回路之間的電流傳感器用于測量電路主回路中的母線電流；所述主控單元分別與電流傳感器、電芯傳感監(jiān)控單元和汽車整車通信網(wǎng)絡(luò)連接，通過內(nèi)部晶振或外部信號(hào)的獲取時(shí)鐘信號(hào)，即便電池管理系統(tǒng)下電后或休眠時(shí)，時(shí)鐘仍能進(jìn)行工作。主控單元主要功能為控制鋰離子電池組的工作模式，數(shù)據(jù)的處理與儲(chǔ)存，以及電池組中電芯單體容量以及健康狀態(tài)的計(jì)算、處理、發(fā)送乃至診斷警報(bào)。實(shí)現(xiàn)了電池單體電芯容量的在線測量，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行電池電芯單體健康狀態(tài)的診斷監(jiān)測，為電池電芯的更換提供可靠的參考，能夠更有效的監(jiān)控鋰離子動(dòng)力電池組的性能和狀態(tài)，為電池其他內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算提供重要基礎(chǔ)，為汽車整車的策略提供重要的信息，保證車輛和駕乘人員的安全。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益之處在于：1)可以實(shí)現(xiàn)直接在線測量電芯的容量和健康狀態(tài)，無需拆卸，降低測量的條件，節(jié)省成本；2)每節(jié)電池電芯單體的容量和健康狀態(tài)都能夠被單獨(dú)測量以供分析使用；3)測量得到的健康狀態(tài)可以進(jìn)行電池電芯老化和壽命診斷；4)在新能源車輛的生命周期內(nèi)可以經(jīng)常測量，保證電芯容量和健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)可監(jiān)控，及時(shí)判斷電池電芯可能已老化、達(dá)到使用壽命，以進(jìn)行更換或者其他的處理措施，保證車輛和駕乘人員的安全；5)可有效甄別出老化電芯，進(jìn)行精確更換，降低更換難度。6)精確甄別電芯后可進(jìn)行老化電芯的精確更換，電池包其他部分包括其他所有電芯，仍然可以使用，相較于傳統(tǒng)的整個(gè)電池包更換，能夠極大降低成本。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：鋰離子電池管理系統(tǒng)，包括主控單元電芯傳感監(jiān)控單元以及電流傳感器。

所述電芯傳感監(jiān)控單元連接至鋰離子動(dòng)力電池組每節(jié)電芯并監(jiān)控測量其端電壓。所述電芯傳感監(jiān)控單元內(nèi)置前端芯片用以采集電池電芯單體的電壓，保證采集的準(zhǔn)確度和及時(shí)性。

所述電流傳感器串聯(lián)在鋰離子電池組與電路主回路之間用于測量電路主回路中的母線電流，所述電流傳感器可基于旁路電阻或者霍爾傳感器實(shí)時(shí)測量回路母線電流值并傳輸給主控單元。

所述主控單元分別與電流傳感器、電芯傳感監(jiān)控單元和汽車整車通信網(wǎng)絡(luò)連接。所述主控單元與整車通信網(wǎng)絡(luò)通過can總線的通訊方式進(jìn)行。主控單元主要功能為控制鋰離子電池組的工作模式，數(shù)據(jù)的處理與儲(chǔ)存，以及電池組中電芯單體容量以及健康狀態(tài)的計(jì)算、處理與發(fā)送。主控單元可以通過內(nèi)部晶振或外部信號(hào)的獲取時(shí)鐘信號(hào)，即便電池管理系統(tǒng)下電后或休眠時(shí)，時(shí)鐘仍能進(jìn)行工作。主控單元可根據(jù)電流傳感器發(fā)送的信息和時(shí)鐘信號(hào)，在時(shí)間點(diǎn)之間對(duì)電流值進(jìn)行積分。所述主控單元可儲(chǔ)存ocv與soc非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系、電芯初始容量cnominal等固定信息，以及下電時(shí)間，soc值、電流積分值等動(dòng)態(tài)信息供容量和健康狀態(tài)計(jì)算使用。

鋰離子電池管理系統(tǒng)的電池電芯單體內(nèi)阻在線測量方法，設(shè)該電池包中鋰離子電芯單體數(shù)為n，步驟如下：

步驟a)主控單元接收到啟動(dòng)信號(hào)并喚醒鋰離子電池管理系統(tǒng)；

步驟b)通過時(shí)鐘信號(hào)，讀取并記錄當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)t1；

步驟c)從內(nèi)存中讀取上次下電的時(shí)間點(diǎn)t0；

步驟d)主控單元根據(jù)t0，t1判斷是否靜置過足夠長的時(shí)間；

步驟e)如果靜置時(shí)間足夠(優(yōu)選的t1-t0應(yīng)不小于兩小時(shí))，則電芯傳感監(jiān)控單元通過其內(nèi)置的前端芯片測量每個(gè)電池單體電芯兩端的電壓，可作為單體開路電壓ocv1～ocvn，并輸出至主控單元；

步驟f)由于ocv與soc存在非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過包括但不限于查表等方式，可獲得電芯內(nèi)部的soc1～socn值；

步驟g)令上一次成功采用a-f步驟獲取soc的時(shí)刻為t內(nèi)存，從內(nèi)存中讀取t內(nèi)存時(shí)刻獲取的各節(jié)單體電芯soclast1～soclastn；

步驟h)判斷soc是否發(fā)生足夠的變化計(jì)算，優(yōu)選的，電芯soc值與t內(nèi)存時(shí)刻相比，應(yīng)有30％以上的變化，即δsoc＝soc-soclast>30％，目的為進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算結(jié)果精度，減少計(jì)算誤差；

步驟i)從內(nèi)存中讀取從t內(nèi)存時(shí)刻到t1時(shí)刻的累計(jì)電流積分值δc。電流積分值，是由電流傳感器測量的母線電流，從時(shí)間段t內(nèi)存到當(dāng)前t1時(shí)刻，對(duì)于時(shí)間的積分。母線電流是基于電流傳感器中的旁路電阻或者霍爾傳感器測量得到的；

步驟j)計(jì)算每節(jié)電芯單體容量cage1～cagen，cage＝δc/δsoc；

鋰離子電池管理系統(tǒng)的電池電芯單體健康狀態(tài)測量方法，計(jì)算每節(jié)電芯的健康狀態(tài)soh1～sohn，根據(jù)公式soh＝cage/cnominal其中cnominal為單體電芯的初始容量；若某節(jié)電芯的soh，設(shè)sohx，低于一定值(優(yōu)選的80％)，則應(yīng)發(fā)出該節(jié)電芯序號(hào)x，soh過低的警報(bào)，建議進(jìn)行相應(yīng)的處理措施，例如更換電芯等，避免引起進(jìn)一步的安全隱患。將上述cage1～cagen，soh1～sohn，儲(chǔ)存并提供給其他模塊用于新能源汽車性能的計(jì)算和調(diào)整，例如soc，sop，續(xù)航里程等。

本發(fā)明的保護(hù)范圍包括但不限于以上實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)，任何對(duì)本技術(shù)做出的本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易想到的替換、變形、改進(jìn)均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

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