CN103633695B - 一种改进的锂电池组均衡方法及其均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种改进的锂电池组均衡方法及其均衡电路，利用聚类分析的方法对电池组各单体电池一个时间段内的各种数据进行聚类分析，对各电池组进行分类，同时结合进行均衡方法判断时刻的各电池的电压，充放电电流等当前信息对前面得到的各分类进行进一步选择，最终得到电池组中需要进行均衡单体电池，并通过控制均衡电路对其进行均衡维护。本发明能够在电池组运行过程中，可以实时的对电池各种特征数据进行分析，挑选出电池组中需要进行均衡充电及均衡放电的单体电池，通过将电池接入均衡电路对需要进行均衡的单体电池进行均衡；而且引入历史电池电压数据，可以有效地避免电压异常电池及电压采集精度的影响，同时结合SOC、SOH等剩余容量相关因素有效地避免了电压与容量不符的情况，有效的保证电池组的一致性，进一步延长电池组的使用寿命。

Description

一种改进的锂电池组均衡方法及其均衡电路

技术领域

本发明涉及电池组均衡领域，尤其涉及一种改进的锂电池组均衡方法及其均衡电路。

背景技术

电动汽车、储能电站、电动自行车等上都需要使用串联单体电池组成的电池组，以适应高电压的需求，所以任何有效地利用成组电池成了目前的关键问题。虽然近年来锂离子电池技术有了巨大的进步，锂电池各种性能都有了明显提高；但锂电池组内单体电池间的不一致性依然普遍存在。锂电池的各个参数在生产过程中存在不同大小的差异，这些差异表现为锂电池内阻、容量、开路电压、充放电电压平台等的不一致。随着锂电池在实际运行中充放电次数的增多，以及温度、自放电等各种因素的影响，这些差异将不断扩大，使得锂电池组电池间的性能差异越来越大，导致电池组中单体电池过充、过放现象，电池组中各单体电池的衰减速度不一致，串联锂电池组的容量由组内最低的单体电池容量决定，故一旦有某个电池出现深度放电，整个电池组就必须停止工作，同样，一旦有某个电池出现过度充电，充电过程也要立即停止，最终导致电池组的使用寿命急剧缩短。

目前均衡方案很多，总结起来一般可分为两种，一种是基于电压的均衡方法，另一种是基于容量的均衡方法。

基于电压的均衡方法是指通过采集得到的单体锂离子电池的电压差异来衡量电池组的不一致现象，并通过各种充电均衡及放电均衡的方式对电压高的电池进行均衡放电、对电压低的电池进行均衡充电。这种方法控制简单，应用广泛。一般有电流分流法与能量转移法两种。电流分流法一般通过电阻等器件调整单体电池上的电流，通过开关等控制均衡电流对电压过高的单体电池进行放电均衡。能量转移法一般是指通过不同介质将能量从高电压电池转移至低电压电池中，进而改善电池组的电压一致性，能量转移的介质可以选取电容、电感、变压器等。

均衡的最根本目的是平衡电池间剩余电量的差异，前面阐述的基于电压的均衡方式能反应容量的特性，但无法准确描述电池的剩余容量状态，可能因此而出现过均衡现象，加剧电池组的一致性变差。锂电池内部的化学材料是造成该现象的原因。锂电池的极化效应导致当电流流过电池时，电池电压偏离其平衡值；由于锂电池生产过程中无法做到完全一致，即在相同的电压下，锂电池的剩余容量值可能不同。所以基于容量的均衡方法弥补了上述不足，在锂电池使用全周期中依然可以提供安全有效的均衡，延长其使用寿命。直接利用均衡模块对剩余容量过大的电池进行均衡放电，对剩余容量过低的电池进行均衡充电。但是基于容量的均衡方法需要准确预估单体电池的SOC，若SOC的准确性得不到保证，均衡的可靠性会大大降低。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种改进的锂电池组均衡方法，能够在电池组运行过程中，可以实时的对电池各种特征数据进行分析，挑选出电池组中需要进行均衡充电及均衡放电的单体电池，同时在需要进行均衡充电的单体电池中可以区分需要进行大电流均衡充电与小电流均衡充电的电池，在需要进行均衡放电的单体电池中可以区分需要进行大电流均衡放电与小电流均衡放电的电池，通过融合均衡方法的均衡模块对需要进行均衡的单体电池进行均衡，有效的保证电池组的一致性，进一步延长电池组的使用寿命。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种改进的锂电池组均衡方法，所述电池组由若干单体电池串联组成，包括下述步骤：

（1）对电池组进行分析，为电池组单体电池个数，,且为整数；

（2）收集分析数据；测量并选取m个历史时刻的电压vol，m为大于等于1的整数，并计算得到该时刻的荷电状态SOC和健康状态SOH，再结合各单体电池对应的额定容量cap、均衡持续时间EquiT、均衡电流EquiI，进而得到原始数据矩阵如下：

（3）对原始数据矩阵进行各单体电池间各类数据归一化处理，即针对矩阵中每一列独立进行归一化处理，得到数据矩阵，如下：

为第个单体电池第个信息量归一化后对应的数值，，，、为整数；

（4）单体电池分类

4.1计算矩阵中每个信息量的平均值，继而得到各信息量的平均向量，；

4.2计算每个单体电池信息向量与平均向量的距离，，计算方法如下：

为电池各信息量的权值，且；

进而得到距离向量

4.3根据上述距离向量对各单体电池进行分类，分成3类，根据设定的距离阈值、遍历矩阵的上三角形部分或下三角形部分，，，；当时，第个单体电池属于第一类，从而得到第一类单体电池集合为，；当时，得到第二类单体电池集合为，；当时，得到第三类单体电池集合为，；

（5）根据步骤（4）得到第一类单体电池集合为，，结合实时采集的单体电池电压得到该时刻的平均电压为；根据设定的电压阈值、遍历，，，对应的实时采集单体电压为；当时，则认为需要进行大电流均衡充电，当时，则认为需要进行小电流均衡放电；当时，则认为需要进行大电流均衡放电；当时，则认为需要进行小电流均衡放电；进而得到需要进行大电流均衡充电的电池集合，，需要进行大电流均衡放电的电池集合，；

（6）根据步骤（4）得到第二类单体电池集合为，，结合实时采集的单体电池电压得到该时刻的平均电压为，；根据设定的电压阈值遍历，，对应的实时采集单体电压为，；当时，则认为需要进行小电流均衡充电，结合步骤（5）中得到的需要小电流均衡充电的单体电池，从而得到需要进行小电流充电的电池集合，；当时，则认为需要进行小电流均衡放电，结合步骤（5）中得到的需要小电流均衡放电的单体电池，从而得到需要进行小电流放电的电池集合，；

（7）采用电池组均衡电路对上述电池集合进行大电流均衡充电，对电池集合进行大电流均衡放电，对电池集合进行小电流均衡充电，对电池集合进行小电流均衡放电，其它电池无需操作，从而达到维护电池组的目的。

荷电状态SOC(stateofcharge)是指蓄电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0～1，当SOC=0时表示电池放电完全，当SOC=1时表示电池完全充满。

电池的健康状态SOH（StateofHealth）用来描述动力电池的健康状态，特别用于电动汽车领域各种动力电池，比如铅酸电池、镍氢电池、锂电池等的健康状况，剩余寿命等。SOH的计算或估算可参照现有技术中公开的方法，如中国专利102508164A、101208847、102866361A、102520361A等公开的方法。

作为优选，步骤（2）中每个单体电池在m个时刻的电压取值均不相同。

一种锂电池组均衡电路，电池组由n个单体电池B串联而成，，其包括均衡控制器U、n个能量转移式电路、充放电电路、恒流源VS、恒流负载R、开关KA和开关KC，所述恒流源VS、充放电电路、开关KC、开关KA和单体电池B构成大电流均衡充电电路，所述恒流负载R、充放电电路、开关KC、开关KA和单体电池B构成大电流均衡放电电路；每个能量转移式电路包括变压器T、恒流模块Rx和开关KB，所述变压器T的主线圈的输入端相互串联，并连接电池组的正极，所述变压器T的主线圈的输出端相互串联，并连接电池组的负极，每个能量转移式电路连接在对应单体电池的正负极，所述均衡控制器U控制开关KA、开关KB、开关KC的导通和断开。

作为优选，所述开关KC为双刀双掷开关。

作为优选，所述单体电池B正负极连接在变压器T的副线圈的两端，所述恒流模块Rx的一端连接在单体电池的正极，恒流模块Rx的另一端连接在副线圈的输入端。

作为优选，所述恒流负载R包括集成电路U1、三极管Q1、电源BAT和滑动电阻RS，所述集成电路U1的负极输入端连接三极管Q1的集电极，集成电路U1的输出端连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极连接电源BAT的正极，三极管Q1的集电极连接滑动电阻RS的一端，滑动电阻RS的另一端连接到电源BAT的负极。

本发明利用聚类分析的方法对电池组各单体电池一个时间段内的各种数据进行聚类分析，对各电池组进行分类，同时结合进行均衡方法判断时刻的各电池的电压，充放电电流等当前信息对前面得到的各分类进行进一步选择，最终得到电池组中需要进行均衡单体电池，并通过控制均衡电路对其进行均衡维护。本发明能够在电池组运行过程中，可以实时的对电池各种特征数据进行分析，挑选出电池组中需要进行均衡充电及均衡放电的单体电池，通过将需要均衡的单体电池接入电池均衡电路，对需要进行均衡的单体电池进行均衡；而且引入历史电池电压数据，可以有效地避免电压异常电池及电压采集精度的影响，同时结合SOC、SOH等剩余容量相关因素有效地避免了电压与容量不符的情况，有效的保证电池组的一致性，进一步延长电池组的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述的一种锂电池组的均衡电路的电路示意图。

图2为本发明所述的均衡负载的电路示意图。

具体实施方式

本发明的特征及优点将通过实施例进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种改进的锂电池组均衡方法，所述电池组由若干单体电池串联组成，包括下述步骤：

（1）对电池组进行分析，为电池组单体电池个数，,且为整数；

（2）收集分析数据；测量并选取m个历史时刻的电压vol，m为大于等于1的整数，并计算得到该时刻的荷电状态SOC和健康状态SOH，再结合各单体电池对应的额定容量cap、均衡持续时间EquiT、均衡电流EquiI，进而得到原始数据矩阵如下：

（3）对原始数据矩阵进行各单体电池间各类数据归一化处理，即针对矩阵中每一列独立进行归一化处理，得到数据矩阵，如下：

为第个单体电池第个信息量归一化后对应的数值，，，、为整数；

（4）单体电池分类

4.1计算矩阵中每个信息量的平均值，继而得到各信息量的平均向量，；

4.2计算每个单体电池信息向量与平均向量的距离，，计算方法如下：

为电池各信息量的权值，且；

进而得到距离向量

4.3根据上述距离向量对各单体电池进行分类，分成3类，根据设定的距离阈值、遍历矩阵的上三角形部分或下三角形部分，，，；当时，第个单体电池属于第一类，从而得到第一类单体电池集合为，；当时，得到第二类单体电池集合为，；当时，得到第三类单体电池集合为，；

（5）根据步骤（4）得到第一类单体电池集合为，，结合实时采集的单体电池电压得到该时刻的平均电压为；根据设定的电压阈值、遍历，，，对应的实时采集单体电压为；当时，则认为需要进行大电流均衡充电，当时，则认为需要进行小电流均衡放电；当时，则认为需要进行大电流均衡放电；当时，则认为需要进行小电流均衡放电；进而得到需要进行大电流均衡充电的电池集合，，需要进行大电流均衡放电的电池集合，；

（6）根据步骤（4）得到第二类单体电池集合为，，结合实时采集的单体电池电压得到该时刻的平均电压为，；根据设定的电压阈值遍历，，对应的实时采集单体电压为，；当时，则认为需要进行小电流均衡充电，结合步骤（5）中得到的需要小电流均衡充电的单体电池，从而得到需要进行小电流充电的电池集合，；当时，则认为需要进行小电流均衡放电，结合步骤（5）中得到的需要小电流均衡放电的单体电池，从而得到需要进行小电流放电的电池集合，；

（7）采用电池组均衡电路对上述电池集合进行大电流均衡充电，对电池集合进行大电流均衡放电，对电池集合进行小电流均衡充电，对电池集合进行小电流均衡放电，其它电池无需操作，从而达到维护电池组的目的。

如图1和2所示，一种锂电池组的均衡电路，电池组由n个单体电池B串联而成，，其包括均衡控制器U、n个能量转移式电路、充放电电路、恒流源VS、恒流负载R、开关KA和开关KC，所述恒流源VS、充放电电路、开关KC、开关KA和单体电池B构成大电流均衡充电电路，所述恒流负载R、充放电电路、开关KC、开关KA和单体电池B构成大电流均衡放电电路；每个能量转移式电路包括变压器T、恒流模块Rx和开关KB，所述变压器T的主线圈的输入端相互串联，并连接电池组的正极，所述变压器T的主线圈的输出端相互串联，并连接电池组的负极；每个能量转移式电路连接在对应单体电池的正负极，所述均衡控制器U控制开关KA、开关KB、开关KC的导通和断开；所述开关KC为双刀双掷开关；所述单体电池B正负极连接在变压器T的副线圈的两端，所述恒流模块Rx的一端连接在单体电池的正极，恒流模块Rx的另一端连接在副线圈的输入端；所述恒流负载R包括集成电路U1、三极管Q1、电源BAT和滑动电阻RS，所述集成电路U1的负极输入端连接三极管Q1的集电极，集成电路U1的输出端连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极连接电源BAT的正极，三极管Q1的集电极连接滑动电阻RS的一端，滑动电阻RS的另一端连接到电源BAT的负极。

本发明的工作原理：先将电池组中的需要均衡的单体电池B1～Bn分别并联连接到对应的电路中，当单体电池Bi，i∈n，需要进行充电时，均衡控制器U输出信号，开关KC打向恒流源VS，闭合开关KAi、断开剩余开关，构成充电回路，可以对单体电池Bi进行充电；

当单体电池Bj，j∈n，需要进行放电时，均衡控制器U输出信号，开关KC打向恒流负载R，闭合开关KAj，断开剩余开关，构成放电回路，可以对单体电池Bj进行放电；

当需要给电池Bx、By，x,y∈n，转移能量时，均衡控制器输U出信号，闭合开关KBx、KBy，断开剩余开关，导通电池Bx、By的转移回路，这时整组电池的能量通过变压器Tx、Ty以恒定电流给Bx、By充电，电池回路上的恒定均衡电流通过恒流模块Rx控制。

利用本发明提出的均衡方法和均衡电路对电池组进行维护，选取10节的锂离子电池串联成电池组，电池组内各单体锂电池参数如下：额定电压3.2V，额定容量为60Ah，充电截止电压3.65V。

下面以一次数据为例，选取4次历史电压数据，结合剩余容量与额定容量数据，得到如下数据矩阵：

对上述数据矩阵进行处理，得到需要大电流均衡充电单体电池集合，需要均衡放电的单体电池集合。

采用均衡电路对电池组进行均衡，将单体电池5和单体电池9接入均衡电路中，通过大电流均衡充电电路对单体电池5进行均衡充电，通过大电流均衡放电电路单体电池9进行均衡放电。

经过一次完整的充放电操作后，均衡前后的效果如下：

电池号	均衡前电压	均衡后电压	均衡前SOC	均衡后SOC
					1	3.322	3.222	43.9	10.6
2	3.316	3.216	43.1	9.8
					3	3.33	3.225	44.2	10.9
4	3.319	3.218	43.4	10.1
					5	3.302	3.211	36.6	8.3
6	3.323	3.222	44.0	10.7
					7	3.317	3.217	43.3	10.0
8	3.320	3.220	43.6	10.3
					9	3.321	3.230	48.1	12.1
10	3.320	3.220	43.8	10.5

由上表可以看出，均衡前各单体电池最大压差为28mv，均衡后的最大压差为19mv，经过一个充放电循环的均衡维护最大压差缩小了7mv，可以说明均衡的有效性；同时，均衡前各单体电池最大的容量差为11.5%，均衡后的容量差为3.8%，经过一个充放电循环的均衡维护容量差缩短了7.7%。由上述数据及结果显示，该均衡电路与方法是合理有效的，能在较短的时间能改善电池组的电压一致性及容量一致性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种改进的锂电池组均衡方法，其特征在于：所述电池组由若干单体电池串联组成，包括下述步骤：

(1)对电池组Bat＝{Bat₁,Bat₂...Bat_n}进行分析，n为电池组单体电池个数，n≥1,且n为整数；

(2)收集分析数据；测量并选取m个历史时刻的电压vol，m为大于等于1的整数，并计算得到该时刻的荷电状态SOC和健康状态SOH，再结合各单体电池对应的额定容量cap、均衡持续时间EquiT、均衡电流EquiI，进而得到原始数据矩阵如下：

$Z=\left[\begin{array}{ccccccc}{\mathrm{vol}}_{11}& ...& {\mathrm{vol}}_{1m}& \mathrm{Equi}{T}_1& {\mathrm{EquiI}}_1& \mathrm{so}{c}_1\×{\mathrm{soh}}_1& {\mathrm{cap}}_1\\ {\mathrm{vol}}_{21}& ...& {\mathrm{vol}}_{2m}& {\mathrm{EquiT}}_2& {\mathrm{EquiI}}_2& {\mathrm{soc}}_2\×{\mathrm{soh}}_2& {\mathrm{cap}}_2\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{vol}}_{(n-1)1}& ...& {\mathrm{vol}}_{(n-1)m}& \mathrm{Equi}{T}_{(n-1)}& {\mathrm{EquiI}}_{(n-1)}& {\mathrm{soc}}_{n-1}\×{\mathrm{soh}}_{n-1}& {\mathrm{cap}}_{n-1}\\ {\mathrm{vol}}_{n1}& ...& {\mathrm{vol}}_{\mathrm{nm}}& \mathrm{Equi}{T}_n& \mathrm{Equi}{I}_n& {\cos }_n\×{\mathrm{soh}}_n& {\mathrm{cap}}_n\end{array}\right]$

(3)对原始数据矩阵Z进行各单体电池间各类数据归一化处理，即针对矩阵中每一列独立进行归一化处理，得到数据矩阵Z'，如下：

$Z^{\′}=\left[\begin{array}{ccccc}{x}_{11}& x_{12}& ...& x_{1(m+3)}& x_{1(m+4)}\\ x_{21}& x_{22}& ...& x_{2(m+3)}& x_{2(m+4)}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ x_{(n-1)1}& x_{(n-1)1}& ...& x_{(n-1)(m+3)}& x_{(n-1)(m+4)}\\ x_{n1}& x_{n2}& ...& x_{n(m+3)}& x_{n(m+4)}\end{array}\right]$

x_ij为第i个单体电池第j个信息量归一化后对应的数值，0≤i≤n，0≤j≤(m+4)，i、j为整数；

(4)单体电池分类

4.1计算矩阵Z'中每个信息量的平均值，继而得到各信息量的平均向量Zavg，Zavg＝[xavg₁xavg₂...xavg_m+3xavg_m+4]；

4.2计算每个单体电池信息向量Zavg_i与平均向量Zavg的距离，i＝1...n，计算方法如下：

$d_i=\sqrt{w_1{(x_{i1}-{\mathrm{xavg}}_1)}^2+w_2{(x_{i2}-{\mathrm{xavg}}_2)}^2...+w_{m+4}{(x_{i(m+4)}-{\mathrm{xavg}}_{(m+4)})}^2}$

w₁,w₂...w_m+4为电池各信息量的权值，且w₁+w₂...+w_m+4＝1；

进而得到距离向量D＝[d₁d₂...d_n-1d_n]

4.3根据上述距离向量对各单体电池进行分类，分成3类，根据设定的距离阈值d'、d”遍历矩阵D的上三角形部分或下三角形部分，0<d'<1，0<d”<1，d'>d”；当d_i≥d'时，第i个单体电池属于第一类，从而得到第一类单体电池集合为Bat1＝{Bat1₁,Bat1₂...Bat1_x1}，0≤x1≤n；当d'>d_i≥d”时，得到第二类单体电池集合为Bat2＝{Bat2₁,Bat2₂...Bat2_x2}，0≤x2≤n；当d_i<d”时，得到第三类单体电池集合为Bat3＝{Bat1₁,Bat1₂...Bat1_x3}，0≤x3≤n；

(5)根据步骤(4)得到第一类单体电池集合为Bat1＝{Bat1₁,Bat1₂...Bat1_x1}，1≤x1≤n，结合实时采集的单体电池电压vol_i，i＝1…n，得到该时刻的平均电压为v_avg；根据设定的电压阈值d1_x1、d2_x1遍历Bat1＝{Bat1₁,Bat1₂...Bat1_x1}，0<d1_x1<0.05，0<d2_x1<0.05，对应的实时采集单体电压为vol_i1(i＝1...x1)；当v_avg-vol_i1≥d1_x1时，则认为Bat1_i需要进行大电流均衡充电，当d1_x1≥v_avg-vol_i1≥d2_x1时，则认为Bat1_i需要进行小电流均衡充电；当vol_i1-v_avg≥d1_x1时，则认为Bat1_i需要进行大电流均衡放电；当d1_x1≥vol_i1-v_avg≥d2_x1时，则认为Bat1_i需要进行小电流均衡放电；进而得到需要进行大电流均衡充电的电池集合BChaB＝{ChaB₁,ChaB₂...ChaB_J}，0≤J≤x1，需要进行大电流均衡放电的电池集合BDisB＝{DisB₁,DisB₂...DisB_K}，0≤K≤x1；

(6)根据步骤(4)得到第二类单体电池集合为Bat2＝{Bat2₁,Bat2₂...Bat2_x2}，0≤x2≤n，结合实时采集的单体电池电压vol_i得到该时刻的平均电压为v_avg，i＝1...n；根据设定的电压阈值d_x2遍历Bat2＝{Bat2₁,Bat2₂...Bat2_x2}，0<d_x2<0.05，对应的实时采集单体电压为vol_i2，i＝1...x2；当v_avg-vol_i2≥d_x2时，则认为Bat2_i需要进行小电流均衡充电，结合步骤(5)中得到的需要小电流均衡充电的单体电池，从而得到需要进行小电流充电的电池集合BCha＝{Cha₁,Cha₂...Cha_L}，0≤L≤(x1+x2)；当vol_i2-v_avg≥d_x2时，则认为Bat2_i需要进行小电流均衡放电，结合步骤(5)中得到的需要小电流均衡放电的单体电池，从而得到需要进行小电流放电的电池集合BDis＝{Dis₁,Dis₂...Dis_g}，0≤g≤(x1+x2)；

(7)采用电池组均衡电路对上述电池集合BChaB＝{ChaB₁,ChaB₂...ChaB_J}进行大电流均衡充电，对电池集合BDisB＝{DisB₁,DisB₂...DisB_K}进行大电流均衡放电，对电池集合BCha＝{Cha₁,Cha₂...Cha_L}进行小电流均衡充电，对电池集合BDis＝{Dis₁,Dis₂...Dis_g}进行小电流均衡放电，其它电池无需操作，从而达到维护电池组的目的。

2.如权利要求1所述的一种改进的锂电池组均衡方法，其特征在于：步骤(2)中每个单体电池在m个时刻的电压取值均不相同。