一种动力电池系统及其电池状态估测方法

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，具体涉及一种动力电池系统及其电池状态估测方法。

背景技术

采用锂离子电池作为车辆主电源的新能源电动汽车已经成为近年来汽车行业发展的大势所趋。为满足整车的电压、电量需求，必须将多枚电池单体串联以获得足够高的总电压，必要时，也会采用多条串连支路并联的方式以获得足够大的总容量。

电池系统的SOC(容量状态)和SOH(健康状态)分别是评价电池当前存储电荷容量和电池当前可用存储性能的重要指标。在一套由多枚电池单体串并联组成的电池系统中，理想状态是各电池单体的SOC和SOH都保持一致，否则，电池系统的性能将会受到电池组中SOC或SOH最差的电池单体所限，导致其他较好的电池单体无法正常发挥出预期功能。

为解决上述问题，现有的系统设计中通常会采用两种途径来保证电池系统的一致性状态满足指标要求。其一是选择各方面性能指标尽可能一致的同规格电池单体串联、并联后组成系统；其二是在电池系统中设置均衡电路，根据电池单体的端电压等参数，对各电池的电量进行均衡一致化调节。

例如，申请号为CN201210537218.1的发明《基于绝对可充放容量的全阶段动力锂电池均衡方法及装置》，其中的均衡装置包含两个部分，第一部分为一个能量来源切换装置，第二部分为充电装置，所述第一部分给第二部分提供供电标准直流电压。该方案中，在充电时，对所有电芯的绝对可充容量值进行排序，当电芯间绝对可充容量值的最大差值超过某一阈值时，且均衡装置中的能量来源切换装置检测到连接有外部电源，则开启均衡装置，给所有高绝对可充容量值的电芯进行并联补充电；当电芯间绝对可充容量值的最大差值小于某一阈值时，则停止并联充电，继续进行大电流串联充电，直至充电完成。在放电时，对所有电芯的绝对可放容量值进行排序，当电芯间绝对可放容量值的最大差值超过某一阈值时，则开启均衡装置，此时均衡装置中的能量来源切换装置切换到从整组电池获取能量；通过均衡装置中的能量来源接收装置，给所有低绝对可放容量值的电芯进行并联补充电；当电芯间绝对可放容量值的最大差值小于某一阈值时，则停止并联充电，继续进行放电，直至放电保护。

申请号为CN201410855194.3的《一种动力电池组均衡系统及均衡方法》，提供一种动力电池组均衡系统及均衡方法，动力电池均衡系统包括电池管理系统、中央控制器、均衡模块、多个第一开关、多个第二开关、多个第一均衡接口、多个第二均衡接口、至少一个第一动力电池组和至少一个第二动力电池组；中央控制器使荷电状态值最大的第一动力电池组通过均衡模块对荷电状态值最小的第二动力电池组进行充电，直至达到荷电状态均值时，控制第一开关和第二开关同时关闭，并驱动电池管理系统工作，直至所有第一动力电池组和第二动力电池组的荷电状态值均达到荷电状态均值，可以增加动力电池的使用寿命，并且均衡能耗小，提高动力电池的均衡效率，缩短动力电池的均衡时间。

申请号为CN202210253403.1的发明《电池管理方法及装置、电池系统、计算机可读存储介质》，提供的电池系统包括：多个并联的电池簇，各个电池簇中均包括：电池组；多个DC-DC变换器，各个DC-DC变换器的输入端用于与功率源电连接，多个DC-DC变换器与多个电池簇一一对应，且相互对应的DC-DC变换器的输出端和电池簇串联连接；多个DC-DC变换器中包括主DC-DC变换器；多个旁路开关，多个DC-DC变换器与多个旁路开关一一对应，且相互对应的DC-DC变换器的输出端和旁路开关并联连接；电池状态信息采集单元，用于采集各个电池簇的电池状态信息，并将各个电池簇的电池状态信息发送给主DC-DC变换器；主DC-DC变换器用于基于各个电池簇的电池状态信息控制各个DC-DC变换器和各个旁路开关，以实现各电池簇存储电量的簇间均衡。

申请号为CN202211181882.7的发明《一种储能系统及多机并联电流分配方法》，提供一种储能系统及多机并联电流分配方法，系统包括：整流器AC/DC，AC/DC将市电转换为直流电后连接到汇流母线；电池柜，电池柜包括继电器、多个并联在汇流母线上的电池插箱和边缘智能网关ECM，电池插箱包括功率型电池管理系统PBMS和电芯，电芯的电压经PBMS调节后汇集到汇流母线。其中，ECM根据电池插箱的容量Q、电池电量状态SOC和电池健康状态SOH自动分配单个电池插箱的充、放电电流，使得各个电池插箱同时充满或放空电。同时，根据各电池插箱状态自动分配充放电电流，以实现各个电池插箱同时充满或放空，允许不同类型、不同容量、新旧电池混用。

前述的若干项对电池系统中各组电池支路或电池单体进行均衡调节的已知技术，均以追求电池对外表现的状态一致化为目标。例如，采用DC-DC变换电路，在充放电过程中将各组电池支路之间的SOC调整到尽可能一致。这些技术都建立在电池管理系统(BMS)能够准确估算出电池单体SOC状态的基础上。

在各种类型的锂离子电池中，磷酸铁锂电池由于成本较低、能量密度较高、安全性较好等特点，是当前电动汽车用动力电池的首选类型。磷酸铁锂电池的电压与SOC相关联的特性曲线存在大范围内曲线较平坦的特点。其SOC在百分之十几到百分之九十左右的范围内变化时，端电压的变化并不明显。这一特点使磷酸铁锂电池单体组成的电池系统具备输出电压较稳定的优势，但也为电池充放电过程中通过电池端电压识别电池SOC带来困难。

因此，采用前述的各项已知技术，在磷酸铁锂电池组成的电池系统中，将难以避免下述问题：

由于采用电池为单一储能装置的纯电动汽车在日常应用中难以将电池系统的电量用尽(否则车辆将失去动力)，因此电池系统的SOC运用范围通常在满电(100％)到百分之十几的区间内，当SOC较低时一般即会前往充电。在这样的情况下，当某一串联支路内的某个电池单体SOH衰减较多，但与同一串联支路内其他电池单体相比还没有相当严重的SOH衰减时，除非该电池所在支路深度放电到SOC低于10％以下，否则BMS难以准确判断出该电池的SOH状态并采取相应的均衡或预警措施。随着该电池单体SOH衰减程度不断加重，将可能导致在电池系统整体电量仍较充足时因大功率用电等工况触发单体低压或单体压差过大异常报警，影响整车正常行驶。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种动力电池系统及其电池状态估测方法。在系统运用时通过DC-DC变换器对该电池系统中的各个支路电池轮流进行深度放电，可以精确测定该电池系统各支路中各电池单体的SOC及SOH状态，从而可以及时检测出系统中异常的电池单体，并根据该电池单体的异常程度实施均衡处理或发出维护报警，保证电池系统整体应用的可靠性。

本发明提供一种动力电池系统，包括正极调压接触器、正极母线接触器、负极母线接触器、支路电流传感器、电池管理系统、DC-DC变换器和m组电池支路，每组所述电池支路均包括n个串联连接的电池单体，每组所述电池支路的正极均同时与一个正极调压接触器和一个正极母线接触器的一端连接，每组所述电池支路的负极均与一个负极母线接触器的一端连接，所述负极母线接触器的另一端通过支路电流传感器连接至负极母线，所述正极母线接触器另一端与正极母线连接，所述正极调压接触器另一端与所述DC-DC变换器的输入端正极连接，所述DC-DC变换器的输出端正极与所述正极母线连接，所述DC-DC变换器的输入端负极、输出端正极均与所述负极母线连接，所述支路电流传感器的电流信号输出端与所述电池管理系统的电流信号输入端连接，所述电池管理系统用于对各支路中的总电压状态、各电池单体电压状态进行监测，以及对各接触器通断状态和DC-DC变换器工作状态进行监测和控制。

本发明还提供一种动力电池系统的电池状态估测方法，包括以下步骤：

步骤1，处于首次充电工况时，对所有电池支路进行充电，直至所有电池支路均达到电量充满状态，退出首次充电工况；

步骤2，进入放电工况，选择一组电池支路作为待测定组，使所述待测定组加速放电，使除了待测定组之外其余电池支路正常放电，直至动力电池系统结束放电工况，或待测定组电池支路电量用尽；

步骤3，当动力电池系统再次处于充电工况时，若待测定组电池支路在上次放电工况中电量用尽，则执行步骤4；

步骤4，根据待测定组电池支路从上次充满后放出的总电荷容量Q

更换一组电池支路作为待测定组，并从步骤2开始继续执行后续操作，直至所有电池支路全部估测完毕。

较为优选的，所述步骤1中，处于首次充电工况时，对所有电池支路进行充电的方法包括：

闭合所有电池支路的正极母线接触器和负极母线接触器，使所有电池支路都得以充电；

根据电量充满的先后顺序，依次断开各个电池支路，直至所有电池支路均达到电量充满状态。

较为优选的，所述步骤2中，待测定组电池支路电量用尽的判断方法为：

所述待测定组电池支路中的电池单体最低SOC在本次放电工况中已达到确认该支路电量用尽的阈值。

较为优选的，所述步骤2中，使所述待测定组加速放电，使除了待测定组之外其余电池支路正常放电的方法包括：

闭合待测定组电池支路的负极母线接触器和正极调压接触器，使待测定组电池支路通过DC-DC变换器后对负载放电；

闭合除了待测定组之外其余电池支路的正极母线接触器和负极母线接触器，使其余电池支路直接对负载放电。

较为优选的，所述步骤3中，当动力电池系统再次处于充电工况时，若待测定组电池支路在上次放电工况中电量未用尽，则执行步骤5，所述步骤5包括：

在此次充电工况中不对待测定组电池支路进行充电，仅对其他各组电池支路进行充电，且充电结束后进入放电工况时，从步骤2开始继续执行后续操作。

较为优选的，所述步骤4中，SOH的计算包括：

SOH＝(Q

较为优选的，所述步骤4还包括：

计算出SOH后，电池管理系统控制待测定组电池支路充电至与其余各电池支路相同后，对电池系统整体充电。

较为优选的，所述使待测定组电池支路通过DC-DC变换器后对负载放电包括：

调整DC-DC变换器，使待测定组电池支路在指定时间段内的平均放电电流倍率大于其他各组电池支路在指定时间段内的平均放电电流倍率。

较为优选的，所述步骤1中，根据电量充满的先后顺序，依次断开各个电池支路，直至所有电池支路均达到电量充满状态的方法为：

判断任一组电池支路中电池单体最高SOC已达到确认该支路电量充满的阈值时，断开该组电池支路的正极母线接触器和负极母线接触器，继续对其余各组电池支路充电，直至所有电池支路均达到电量充满状态。

本发明的有益效果为：本方法与现有各项电池系统专利技术中追求各组电池均衡状态的方法相反，采用有控制地保持电池系统中各组电池支路SOC处于不一致状态的方式，有效地解决了动力电池系统在应用于新能源车辆时难以准确测定SOH的问题，使电池管理系统在动力电池系统运用的全寿命周期内都能对电池的SOH有准确全面的估测，避免电池系统中各支路的精确SOH长时间均为未知状态带来的隐患。在系统运用时通过DC-DC变换器对该电池系统中的各个支路电池轮流进行深度放电，可以精确测定该电池系统各支路中各电池单体的SOC及SOH状态，从而可以及时检测出系统中异常的电池单体，并根据该电池单体的异常程度实施均衡处理或发出维护报警，保证电池系统整体应用的可靠性。

附图说明

图1为本发明的系统连接示意图；

图2为本发明的方法流程示意图。

图中：1-动力电池系统；10-电池支路；101-电池单体；2-正极调压接触器；3-正极母线接触器；4-负极母线接触器；5-支路电流传感器；6-电池管理系统；7-DC-DC变换器。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。“多个”表示“两个或两个以上”。

实施例一

图1示出了本申请提供的一种动力电池系统连接示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

本发明提供一种动力电池系统，包括正极调压接触器2、正极母线接触器3、负极母线接触器4、支路电流传感器5、电池管理系统6、DC-DC变换器7和m组电池支路10，m至少为2。每组所述电池支路10均包括n个串联连接的电池单体101，每组所述电池支路10的正极均同时与一个正极调压接触器2和一个正极母线接触器3的一端连接，每组所述电池支路10的负极均与一个负极母线接触器4的一端连接，所述负极母线接触器4的另一端通过支路电流传感器5连接至负极母线，所述正极母线接触器3另一端与正极母线连接，所述正极调压接触器2另一端与所述DC-DC变换器7的输入端正极连接，所述DC-DC变换器7的输出端正极与所述正极母线连接，所述DC-DC变换器7的输入端负极、输出端正极均与所述负极母线连接，所述支路电流传感器5的电流信号输出端与所述电池管理系统6的电流信号输入端连接，所述电池管理系统6用于通过各组支路中设置的支路电流传感器5对各支路的电流状态进行监测，对各支路中的总电压状态、各电池单体101电压状态进行监测，以及对各接触器通断状态和DC-DC变换器7工作状态进行监测和控制。

实施例二

图2示出了本申请提供的一种动力电池系统的电池状态估测方法的流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

将m组电池支路依次编号为第1组、第2组、……第m组。可选择其中一组电池支路为待测定组，例如选择第1组为待测定组，对待测定组电池支路进行下述步骤的操作：

本发明还提供一种动力电池系统的电池状态估测方法，包括以下步骤：

步骤1，在动力电池系统开始启用，处于首次充电工况时，对所有电池支路进行充电，直至所有电池支路均达到电量充满状态，退出首次充电工况；

步骤2，进入放电工况，选择一组电池支路作为待测定组，使所述待测定组加速放电，使除了待测定组之外其余电池支路正常放电，直至动力电池系统结束放电工况，或待测定组电池支路电量用尽；

步骤3，当动力电池系统再次处于充电工况时，若待测定组电池支路在上次放电工况中电量用尽，则执行步骤4；

步骤4，根据待测定组电池支路从上次充满后放出的总电荷容量Q

更换一组电池支路作为待测定组，并从步骤2开始继续执行后续操作，直至所有电池支路全部估测完毕。

在一个实施例中，所述步骤1中，处于首次充电工况时，对所有电池支路进行充电的方法包括：

闭合所有电池支路的正极母线接触器和负极母线接触器，使所有电池支路都得以充电；

根据电量充满的先后顺序，依次断开各个电池支路，直至所有电池支路均达到电量充满状态。

在一个实施例中，所述步骤2中，待测定组电池支路电量用尽的判断方法为：

所述待测定组电池支路中的电池单体最低SOC在本次放电工况中已达到确认该支路电量用尽的阈值。

在一个实施例中，所述步骤2中，使所述待测定组加速放电，使除了待测定组之外其余电池支路正常放电的方法包括：

闭合待测定组电池支路的负极母线接触器和正极调压接触器，使待测定组电池支路通过DC-DC变换器后对负载放电；

闭合除了待测定组之外其余电池支路的正极母线接触器和负极母线接触器，使其余电池支路直接对负载放电。

在一个实施例中，所述步骤3中，当动力电池系统再次处于充电工况时，若待测定组电池支路在上次放电工况中电量未用尽，则执行步骤5，所述步骤5包括：

在此次充电工况中不对待测定组电池支路进行充电，仅对其他各组电池支路进行充电，且充电结束后进入放电工况时，从步骤2开始继续执行后续操作。

在一个实施例中，所述步骤4中，SOH的计算包括：

SOH＝(Q

在一个实施例中，所述步骤4还包括：

计算出SOH后，电池管理系统控制待测定组电池支路充电至与其余各电池支路相同后，对电池系统整体充电。

在一个实施例中，所述使待测定组电池支路通过DC-DC变换器后对负载放电包括：

调整DC-DC变换器，使待测定组电池支路在指定时间段内的平均放电电流倍率大于其他各组电池支路在指定时间段内的平均放电电流倍率。

在一个实施例中，所述步骤1中，根据电量充满的先后顺序，依次断开各个电池支路，直至所有电池支路均达到电量充满状态的方法为：

判断任一组电池支路中电池单体最高SOC已达到确认该支路电量充满的阈值时，断开该组电池支路的正极母线接触器和负极母线接触器，继续对其余各组电池支路充电，直至所有电池支路均达到电量充满状态。

实施例三

本实施例以180个动力电池单元串联组成的3组动力电池支路对本方法进行说明。将3组电池支路依次编号为第1组、第2组、第3组。首先选择第1组为待测定组，对待测定组电池支路进行下述步骤的操作：

步骤1，在动力电池系统开始启用，处于首次充电工况时，闭合所有电池支路的正极母线接触器和负极母线接触器，使所有电池支路都得以充电，电池管理系统判断任一组电池支路中电池单体最高SOC已达到确认该支路电量充满的阈值时，暂停充电，然后断开该组电池支路的正极母线接触器和负极母线接触器，继续对其余各组电池支路充电，直至所有电池支路均达到电量充满状态后完成充电。

步骤2，当动力电池系统处于放电工况时，闭合除了待测定组之外其余电池支路的正极母线接触器和负极母线接触器，使这些电池支路在未经电压调整的情况下对负载直接放电；闭合待测定组电池支路的负极母线接触器和正极调压接触器，采用DC-DC变换器进行调压，与电池管理系统的实时电流监测配合，使待测定组电池支路通过DC-DC变换器后对负载放电，并适当调整DC-DC变换器使待测定组电池支路的放电电流比其他各组电池支路适当偏大，例如在其他各组电池支路30min移动平均放电电流倍率为0.2C时，保持待测定组电池支路的30min移动平均放电电流倍率为0.3C。对待测定组电池支路的放电在处于下列两种状态时结束：动力电池系统结束本次放电工况，或者待测定组电池支路中的电池单体最低SOC在本次放电工况中已达到确认该支路电量用尽的阈值。

步骤3，当动力电池系统再次处于充电工况时，根据下列两种情况对待测定组电池支路进行处理：如果待测定组电池支路中的电池单体最低SOC在上次放电工况中尚未达到确认该支路电量已用尽的阈值，则跳转至步骤5；如果待测定组电池支路中的电池单体最低SOC在上次放电工况中已达到确认该支路电量用尽的阈值，则跳转至步骤4。

步骤4，如果待测定组电池支路中的电池单体最低SOC在上次放电工况中已达到确认该支路电量用尽的阈值，则电池管理系统在充电开始前先汇总待测定组电池支路已放出的总容量Q

步骤5，如果待测定组电池支路中的电池单体最低SOC在上次放电工况中尚未达到确认该支路电量已用尽的阈值，则在此次充电工况中不对待测定组电池支路进行充电，仅对其他各组电池支路进行充电。充电结束后进入放电工况时，再根据步骤2所述进行操作。

经过上述步骤1～步骤5后，以第1组电池支路为待测定组的SOH即估测完毕。后续即以第2组电池支路为待测定组，重复上述步骤，完成该组电池的SOH估测，依次轮换，直至完成第3组电池支路的SOH估测，此轮SOH估测循环即完成。随后回到以第1组电池支路为待测定组电池支路的状态，开始下一轮SOH估测循环。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括”，在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。