动力电池包冗余动力模块补电保养的方法及电池管理系统.pdf

本发明创造提供了一种动力电池包冗余动力模块补电保养的方法以及相应的电池管理系统，动力电池包所需串联的动力模块数目要大于提供汽车动力额定功率的动力模块的数目，并且在每个动力模块之间要串入开关，控制关断与开启。BMS随时巡检电池，从中选择最合适的配组，其余的则通过充放电调整电池状态，以备下次选择时使用。本发明可以让动力电池包拥有更长的寿命，延缓电池性能的衰退。并且每次放电能具有较高的能量效率，让其表现出优异的性能。避免了二次或多次更换电池带来的电池包性能隐患和高成本的问题。

权利要求书1.  一种动力电池包冗余动力模块补电保养的方法,其特征在于，包括如下步骤:(1)根据汽车动力额定功率配置所使用的动力电池包,动力电池包实际串联的动力模块数目要大于提供汽车动力额定功率的动力模块的数目；(2)在每个动力模块前串入开关，控制该模块的关断与开启；每个动力模块与所述其串入的开关还同时并联一个互锁开关；(3)动力电池包同时接入到硬件补电修复电路和BMS电池管理系统；(4)汽车每次启动前，BMS电池管理系统先对动力电池包的动力模块做巡检，从容量、电压、内阻等方面综合考虑，优化选择出提供汽车动力额定功率的动力模块的最佳组合方案，并通过开关控制选择动力模块配组用于本次汽车工况放电；(5)未被选中的动力模块通过BMS电池管理系统做分析修复，通过硬件补电修复电路调节状态，将其调整到与其他动力模块一致的状态，等待下次配组优化选择的时机到来，再返回步骤(4)，重新配组。2.  根据权利要求1所述的一种动力电池包冗余动力模块补电保养的方法,其特征在于，步骤(1)所述动力模块的冗余量设置为3％-8％。3.  根据权利要求1所述的一种动力电池包冗余动力模块补电保养的方法,其特征在于，步骤(4)所述动力模块优化配组的工作周期通过电池本身的性能、动力电池包与整车的匹配及驾驶人员的使用汽车的时间来相应调整。4.  根据权利要求1所述的一种动力电池包冗余动力模块补电保养的方 法,其特征在于，步骤(5)所述动力模块调节状态的修复方式包括使用大电流或小电流给动力模块充放电调整。5.  根据权利要求1至4任一项所述的一种动力电池包冗余动力模块补电保养的方法,其特征在于，所述动力模块使用电池模块或电池模组或电芯模组。6.  根据权利要求1所述的一种动力电池包冗余动力模块补电保养的方法,其特征在于，所述开关使用电气开关或继电器。7.  如权利要求1所述方法中使用的一种电池管理系统，包括状态估计模块、故障诊断模块、安全管理模块、数据采集模块、数据显示模块、数据通信模块、热管理模块、能量管理模块，其特征在于，还包含优化配组模块、控制通断模块、修复补电循环模块；所述优化配组模块连接所述数据采集模块，用于优化选择出提供汽车动力额定功率的动力模块的最佳组合方案；所述控制通断模块连接所述优化配组模块，用于通过开关控制选择动力模块配组用于本次汽车工况放电；所述修复补电循环模块连接所述控制通断模块，用于未被选中的动力模块做分析修复，通过硬件补电修复电路调节状态，将其调整到与其他动力模块一致的状态，并连接数据采集模块，等待下次配组优化选择的时机到来。

说明书动力电池包冗余动力模块补电保养的方法及电池管理系统
技术领域
本发明涉及新能源电动汽车领域，尤其是关于一种动力电池包冗余动力模块补电保养的方法。
背景技术
最新一代高性能的锂离子电池提供的性能和成本特性能够最终兑现实用的汽车能量存储承诺，这种技术迅速采用已经在汽车界触发了一场技术变革，制造商在努力占据有利地位，以抓住在迅速增长的混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)市场出现的商机。
现在汽车的动力电池一般选用锂电池作为动力源，而锂电池必须要串联才能达到汽车工作电压的需要，几个几十个甚至几百个电池串联在一起形成电池组，新能源汽车消费者要求电池组的寿命至少达到10年，这对电池组的寿命提出了很高的要求，在一个高压电池组中采用多节锂离子电池,给保持特定充电状态范围这个目标增加了极大的复杂性。一个锂离子电池组不能像单个电芯那样充电和放电。由于制造的差异性，各节电池的容量略有不同，而且这种容量差随着时间的推移会增大，因为较差的电池比其他电池老化快。就容量偏小的电池而言，它们的充电状态在多个充电和放电周期之后将逐渐偏离。
即便在电池配组时，就选用一致性非常好的一批次电池来组成电池包，但是使用一段时间后就会出现电压、容量、内阻的参差不齐，有些电池在充放电过程中由于过充或过放造成部分电池的性能和工作效率大幅降低，对汽车的动力性带来很不利的影响。目前大部分电池厂商采取的措施是更换表现 较差的电池模块，但是更换的电池模块也很难与之前的电池模块配合保持一致，最终使电池包性能加速衰退。而且虽然锂电池制作工艺已经成熟，但是成本还是较高，更换电池这种方法在经济效益上讲也算不得上策。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种动力电池包冗余动力模块补电保养的方法,让动力电池包拥有更长的寿命，延缓电池性能的衰退。并且每次放电能具有较高的能量效率，让其表现出优异的性能。避免了二次或多次更换电池带来的电池包性能隐患和高成本的问题。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种动力电池包冗余动力模块补电保养的方法,包括如下步骤:
(1)根据汽车动力额定功率配置所使用的动力电池包,动力电池包实际串联的动力模块数目要大于提供汽车动力额定功率的动力模块的数目；
(2)在每个动力模块前串入开关，控制该模块的关断与开启；每个动力模块与所述其串入的开关还同时并联一个互锁开关；
(3)动力电池包同时接入到硬件补电修复电路和BMS电池管理系统；
(4)汽车每次启动前，BMS电池管理系统先对动力电池包的动力模块做巡检，从容量、电压、内阻等方面综合考虑，优化选择出提供汽车动力额定功率的动力模块的最佳组合方案，并通过开关控制选择动力模块配组用于本次汽车工况放电；
(5)未被选中的动力模块通过BMS电池管理系统做分析修复，通过硬件补电修复电路调节状态，将其调整到与其他动力模块一致的状态，等待下次配组优化选择的时机到来，再返回步骤(4)， 重新配组。
优选的，步骤(1)所述动力模块的冗余量设置为3％-8％。
优选的，步骤(4)所述动力模块优化配组的工作周期通过电池本身的性能、动力电池包与整车的匹配及驾驶人员的使用汽车的时间来相应调整。
优选的，步骤(5)所述动力模块调节状态的修复方式包括使用大电流或小电流给动力模块充放电调整。
优选的，所述动力模块使用电池模块或电池模组或电芯模组。
优选的，所述开关使用电气开关或继电器。
相对于现有技术，本发明所述的动力电池包冗余动力模块补电保养的方法具有以下优势：
(1)本发明的电池包冗余动力模块补电保养方法，完全颠覆了以往对电池包保养的原理和理念，它反其道的创新使用了多个冗余电池模块来解决这一问题。本发明随动力电池包附加几个电池模组，它们从开始就是与此电池包共同使用的，不存在不同步的问题，更能较好的与其他电池模块保持良好的适配状态，而且从出厂就已经将成本加入，较少涉及后期维护费用问题。
(2)本发明不仅在硬件电路设计上加入电气元件互锁来确保可靠，在BMS软件程序设计上还加入多级的控制保护策略，确保系统可靠安全运行。
本发明的另一目的在于提出一种电池管理系统，以配合动力电池包冗余动力模块进行补电保养。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种电池管理系统，包括状态估计模块、故障诊断模块、安全管理模块、数据采集模块、数据显示模块、数据通信模块、热管理模块、能量管理模块， 还包含优化配组模块、控制通断模块、修复补电循环模块；所述优化配组模块连接所述数据采集模块，用于优化选择出提供汽车动力额定功率的动力模块的最佳组合方案；所述控制通断模块连接所述优化配组模块，用于通过开关控制选择动力模块配组用于本次汽车工况放电；所述修复补电循环模块连接所述控制通断模块，用于未被选中的动力模块做分析修复，通过硬件补电修复电路调节状态，将其调整到与其他动力模块一致的状态，并连接数据采集模块，等待下次配组优化选择的时机到来。
相对于现有技术，本发明所述的电池管理系统具有以下优势：
本发明所述的电池管理系统配合带有冗余动力模块的动力电池包使用，更能较好的使动力模块保持良好的适配状态，确保系统可靠安全运行。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的动力电池包的结构示意图。
图2为本发明实施例所述的BMS电池管理系统功能模块示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
本发明技术方案对动力电池包的硬件有如下要求：
如图1所示，动力电池包所需串联的电池模块数目要大于提供汽车动 力额定功率的电池模块的数目，并且在每个电池模块前要串入开关，控制该电池模块的关断与开启。
BMS系统的功能模块做了下列划分：状态估计、故障诊断、安全管理、数据采集、数据显示、数据通信、热管理、能量管理、优化配组模块、控制通断模块、修复补电循环模块。
本发明的具体技术方案是：假定单体电池模块的标称电压为3.2V，一个动力电池包额定电压为3.2*nV，需要有n个电池模块串联，而实际我们串入电池包的电池模块有n+m个，这m个就是备用的电池模块，并不是要等到n个电池模块中有m个性能特别差时才替换电池，而是由BMS随时巡检这n+m块电池，从中选择最合适的n块配组，另外m块则通过充放电调整电池状态，以备下次选择时使用。
具体实施方式是首先给n+m个电池模块编号，1、2、3……i……n……n+m。汽车每次启动前，BMS先对这n+m块电池做巡检，一共有Cn+mn种组合方式，从容量、电压、内阻等方面综合考虑，需要从中优化选择出一种最佳组合方案，假设此次除了第2、4、i、32、n号的电池模块未被选中，其它的电池模块组成了电池包，用于此次汽车工况放电。BMS检测这n个电池模块工作状态的同时，对于剩下的m个电池模块就需要做BMS分析修复，进行或大或小的电流的充放电用以调节此m块电池的状态，并将其调整到与其他n个电池模块基本一致，等待下次配组优化选择的时机到来，再次与原来n个电池模块混合，重新配组，而此次则可能是第5、i、47、59、n+2号的电池模块未被选中，第2、4、32、n经过调整后，比上次选中的那n个电池模块的一致性更匹配，用于此次汽车工况循环。因为第i号电池模块没能调整到最佳状态，此次未能入选，进入再次的BMS修复阶段，下次就可能将发挥其应有的作用。
对于BMS优化配组模块的工作周期可以通过电池本身的性能、动力电池包与整车的匹配及驾驶人员的使用汽车的时间来相应调整。但是周期不宜过长，否则电池模组衰退至较难保持一致性时，会对动力电池包的性能造成不可挽回的损伤，优化配组收不到良好的效果。
对于硬件电路实现方式，开关Si1为第i号电池模块前串入的开关,开关Si与开关Si1互锁，保证不同时闭合，确保电气连接安全，防止电池短路。具体请参考图1。同时为了提高整个系统的可靠性，不仅在硬件电路设计上加入电气元件互锁来确保可靠，在BMS软件程序设计上还可加入多级的控制保护策略，确保系统可靠安全运行。
由于在汽车实际运行工作中，并非是n+m个电池模块串入电路，而仅是n个电池模块连接入电路，理论上是除了因选择通断而增加的少量元器件的阻值，是不会给系统增加较大内阻的，并给电池系统造成额外负担。
1)经计算，在电池包空间及散热允许的情况下，电池模块的冗余量m/(n+m)为3％～8％时，能达到效率最优，性价比最佳。但不局限于此范围。
2)电池包的串联最小单元为电池模块，但不局限于电池模块，还指起到相同作用的电芯或电池模组。
3)BMS对电池模块修复补电的过程周期是灵活可调的。修复方式多样，不仅指或大或小的电流给电池模块充放电调整，还指其它可用于电池状态调整修复的多种方式。
4)相邻和间隔的两个电池模块之间要有起到关断和开启的开关，但不局限于电气开关，还指继电器等电气装置。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进 等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。