一种十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置及方法

摘要

本发明涉及一种十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置及方法，装置由电池工况数据采集单元、双向可编程控制数据处理单元、单体电池状态信息矩阵生成单元、单体电池信息矩阵校验控制单元、均衡开关矩阵控制单元组成，电池工况数据采集单元与均衡开关矩阵控制单元外部连接十六串磷酸铁锂动力电池组。本发明有益效果为：复合多种适应电池组网络的数据采集接口，适合多组十六串电池组进一步级联通信及均衡控制需要，通过电池异构工况数据进行荷电量同构处理，并根据电池试验特性构造并存储生成矩阵和校验矩阵，对经过校验的电池组信息矩阵进行智能识别，将局部判定的均衡信息传输到均衡开关矩阵单元，使得均衡控制准确性、精度和效率得到提高。

权利要求

1.一种十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置，包括装置本体，其特征在于：所述装置本体由电池工况数据采集单元、双向可编程控制数据处理单元、单体电池状态信息矩阵生成单元、单体电池信息矩阵校验控制单元、均衡开关矩阵控制单元组成，其中的双向可编程控制数据处理单元其中一个输出端、一个输入端分别对应连接单体电池状态信息矩阵生成单元、单体电池信息矩阵校验控制单元并且这三个单元之间形成一个串接回路；同时，其中的双向可编程控制数据处理单元连接外部接口，其中的电池工况数据采集单元与均衡开关矩阵控制单元外部共同连接十六串磷酸铁锂动力电池组；

所述双向可编程控制数据处理单元采用由模拟和数字信息转换模块、16×1电池组分布矩阵荷电量计算模块、存储模块以及通信接口模块组成的微处理器作为内核。

2.根据权利要求1所述的十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置，其特征在于：所述外部接口具备外部对内部测试、显示、16串处理器级扩展适配、外部对内部矩阵编程和矩阵驱动调试部分。

3.根据权利要求1所述的十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置，其特征在于：所述信息矩阵生成单元包括16×16电压信息生成矩阵，矩阵中每一个元素由3比特组成的

8种电压等级状态分别表示各单体电池的动态工况，16串单体电池电压信息构成16×1信息源矩阵。

4.根据权利要求1所述的十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置，其特征在于：所述矩阵校验控制单元的校验矩阵转置与矩阵生成单元具有矩阵相乘为零的构造。

5.根据权利要求1所述的十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置，其特征在于：所述十六串磷酸铁锂动力电池组由级联电池、工作负载、负载控制保护开关、恒流稳压充电单元及保护控制开关组成。

说明书

一种十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及动力磷酸铁锂电池管理系统技术领域，尤其涉及一种十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置及方法。

背景技术

[0002] 环境恶化和能源短缺是人们面临的重要问题之一，洁净的可替代能源可缓解日益恶化的碳排放现状，节能减排也成为人们共同关心的热点话题，插电混合电动车辆作为节能减排的一项重要措施之一，也逐渐成为各国政府和汽车制造商关注的焦点议题。因此，许多国家及其汽车研究机构将电动汽车作为研究重点之一，进一步研究和发展电动汽车的相关装置和技术方法很有必要性和紧迫性。

[0003] 当前，动力磷酸铁锂电池作为电动汽车的核心部件之一，已被广泛应用于工业、日常生活等领域，在电池动态工作过程中，电池的端电压、电池的内阻等特征参数会随着电池的差值量变化而发生具有某些规律的变化。为了更加准确而科学地表征电池的在线工作状态，通常用电池工作电压、电流和温度来表征综合表征电池的荷电量。但是，由于电池结构复杂以及电池动态工作时，电子组中个体电池工况变化的复杂性，单体电池的荷电状态不仅受放电电流、电池内部温度、自放电、老化等复杂因素的影响，而且与电池组中其它单体电池的状态有相关性，使得通过电池的电压、电流和温度工况准确动态预测电池荷电量面临许多困难和挑战，因此，均衡控制电池的一致性和均衡效率也难免受到影响。而进一步研究满足多串动力电池工况下的电池管理系统均衡控制装置和技术方法，提高管理的准确性和效率很有必要。影响磷酸铁锂电池推广应用的主要因素包括电池的安全性、使用成本和电池的使用寿命等问题，为确保电池性能良好，延长电池使用寿命，必须对电池组以及单体电池的动态工况进行及时检测、合理有效的管理和控制。

[0004] 当前，对十六串动力磷酸铁锂电池的荷电状态的预测只是基于直接采集单体电池电压、电流和温度数据进行单体荷电状态分析，均衡控制只是考虑计算单体电池的状态，并没有包括信息采集时的电池组不一致性的个体差异性能，为了达到这一目的，精确预测动力磷酸铁锂锂电池的综合动态工况装置和均衡控制方法是不可或缺的。因此，针对以上方面，需要对现有技术进行有效创新。

发明内容

[0005] 针对以上缺陷，本发明提供一种十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置及方法，该装置能够汇集动态电池组工况情况下的单体电池电压、温度和电流等状态数据，并对这些数据进行提取分类、分析与故障判断，最终进行有针对性的均衡控制。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置，包括装置本体，所述装置本体由电池工况数据采集单元、双向可编程控制数据处理单元、单体电池状态信息矩阵生成单元、单体电池信息矩阵校验控制单元、均衡开关矩阵控制单元组成，其中的双向可编程控制数据处理单元其中一个输出端、一个输入端分别对应连接单体电池状态信息矩阵生成单元、单体电池信息矩阵校验控制单元并且这三个单元之间形成一个串接回路；同时，其中的双向可编程控制数据处理单元连接外部接口，其中的电池工况数据采集单元与均衡开关矩阵控制单元外部共同连接十六串磷酸铁锂动力电池组；所述双向可编程控制数据处理单元采用由模拟和数字信息转换模块、16×1电池组分布矩阵荷电量计算模块、存储模块以及通信接口模块组成的微处理器作为内核。

[0008] 相应地，所述外部接口具备外部对内部测试、显示、16串处理器级扩展适配、外部对内部矩阵编程和矩阵驱动调试部分。

[0009] 所述信息矩阵生成单元包括16×16电压信息生成矩阵，矩阵中每一个元素由3比特组成的8种电压等级状态分别表示各单体电池的动态工况，16串单体电池电压信息构成16×1信息源矩阵。

[0010] 所述矩阵校验控制单元的校验矩阵转置与生成矩阵单元具有矩阵相乘为零的构造。

[0011] 所述十六串磷酸铁锂动力电池组由级联电池、工作负载、负载控制保护开关、恒流稳压充电单元及保护控制开关组成。

[0012] 此外，单体电池信息源矩阵与生成矩阵相乘构成荷电量生成矩阵，装置可进行预置的迭代与判决，得到均衡驱动信息；结合温度与工况下的16串电流信息，得到各单体电池荷电量的信息矩阵，由矩阵控制单元控制相关的均衡开关控制电路进行主动和被动均衡。

[0013] 本发明所述的十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置及方法的有益效果为：复合了多种适应电池组网络的数据采集接口，适合多组十六串电池组进一步级联通信及均衡控制需要，通过将多种动力磷酸铁锂电池异构工况数据进行荷电量同构处理，并根据电池试验特性构造并存储生成矩阵和校验矩阵，对经过校验的电池组信息矩阵进行智能识别，将局部判定的均衡信息传输到均衡开关矩阵单元，使得均衡控制准确性、精度和效率得到提高。

附图说明

[0014] 下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

[0015] 图1是本发明实施例所述十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置的组成原理示意图；

[0016] 图2是本发明实施例所述十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置的硬件结构框图；

[0017] 图3是本发明实施例所述十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置控制方法流程示意图。

具体实施方式

[0018] 如图1所示，本发明实施例所述的十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置，包括电池工况数据采集单元、双向可编程控制数据处理单元、单体电池状态信息矩阵生成单元、单体电池信息矩阵校验控制单元、均衡开关矩阵控制单元和状态显示单元，各单元间通过SPI、CAN、RS485或LAN接口互相连接通信，其中的双向可编程控制数据处理单元其中一个输出端、一个输入端分别对应连接单体电池状态信息矩阵生成单元、单体电池信息矩阵校验控制单元并且这三个单元之间形成一个串接回路；同时，其中的双向可编程控制数据处理单元连接外部接口，其中的电池工况数据采集单元与均衡开关矩阵控制单元外部共同连接十六串磷酸铁锂动力电池组。

[0019] 对于以上结构：①所述十六串磷酸铁锂动力电池组由级联电池、工作负载、负载控制保护开关、恒流稳压充电单元及保护控制开关组成；②所述电池工况数据采集单元由不同类型的传感器构成异构传感器网络，功能包括十六串单体电池状态电压值、温度、负载或充电状态时电流值，此电池工况数据采集单元具有存储前一次所采集到的电压、电流和温度数值的功能；③所述双向可编程控制数据处理单元采用微处理器作为内核，包括模拟和数字信息转换模块、16×1电池组分布矩阵荷电量计算模块、存储模块以及通信接口模块，其中的16×1电池组分布矩阵荷电量计算模块提取电池电压、电流和温度数值进行实时分析处理和异构数据融合，其中的存储模块主要存储荷电量状态信息，其中的通信接口模块提供与电池工况数据采集单元SPI双向通信，提供与周围矩阵生成单元、矩阵校验控制单元和开关矩阵控制单元的CAN总线通信接口；④所述外部接口对象有系统调试和电池工况状态显示；⑤所述单体电池状态信息矩阵生成单元功能主要是实现16×1维的电池组荷电量矩阵与16×16维的电池组特征生成矩阵相乘功能，获得电池组16×1维更新的工况信息矩阵I；⑥所述单体电池信息校验矩阵控制单元功能是通过矩阵关系GCT =0，获得校验矩阵C，进一步由更新的工况信息矩阵I与C校验获得均衡控制开关信息；⑦所述均衡开关矩阵单元主要功能是根据控制开关信息，结合迭代前一个信息进行比较，去控制均衡开关网络。

[0020] 如图1所示，本发明实施例所述的十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置，其功能为：①通过传感器网络模块，具有单体电池电压、充放电工况电流和电池温度的数据采集能力，同时也具备对十六串电池组网络开关均衡控制的能力；②该装置具有多种工况数据提取能力，可将采集并转换过来的荷电量冗余矩阵信息做实时分析处理，提取均衡开关信息、过临界故障状态信息；③具有电池组状态和均衡开关状态数字存储能力，为处理好采集和处理的大量数据，必须采用高可信的数据存储策略，使得数据合理和安全保存；④输出接口对象有三个，即通过CAN总线与车辆主微处理器通信适配、与外接调试和设备状态显示接口、十六串电池组间级联通信适配接口。

[0021] 如图2所示，本发明实施例所述的十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置，该装置的具体硬件配置结构包括电池工况传感器网络模块、多路电压和温度数据选择模块、12比特模数转换模块、微处理中央控制单元Ⅰ和控制单元Ⅱ、荷电量生成矩阵单元、荷电量校验矩阵单元、主动和被动均衡开关控制模块以及其它外部适配接口模块，电池工况传感器网络模块负责完成16个单体电池充电或负载放电工况下的16个电压、16个温度模拟量、1个整体电流模拟量的实时数据采集；12比特模数转换模块基于参考基准电压把电压、电流和温度模拟量做高精度数字化处理；微处理中央控制单元Ⅰ完成智能信息处理，包括数字电压、电流和温度异构数据的荷电量的同构处理、比较和判断，同时通过CAN总线与外适配器进行功能扩展；微处理中央控制单元Ⅱ主要与微处理中央控制单元Ⅰ进行扩展通信，完成电池状态监控和显示功能；荷电量生成矩阵和校验矩阵单元主要完成电池状态冗余信息形成，驱动主动和被动均衡开关控制模块。

[0022] 如图3所示，本发明实施例所述的十六串动力磷酸铁锂电池矩阵均衡控制装置，该装置的具体软件配置用过程化设计，具有数据预处理、数字化、矩阵迭代分析与判断功能，模拟单体电压值与构造的16×16的生成矩阵相乘，得到的16×1矩阵与模拟电流和温度值进行异构处理过程，输出信息与荷电校验矩阵相乘、判决与迭代，如果迭代不满足设置条件，根据电池训练结果，修正校验矩阵系数进行再次判决，依据判决结果，驱动相应的均衡开关矩阵，进行分布式均衡控制。

[0023] 上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可轻易地对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于以上实施例，本领域的技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围内。