CN103986205B - 可动态适配的十六串锂电池组多模式均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池管理系统技术领域，公开一种可动态适配的十六串锂电池组多模式均衡控制方法。本发明采用固定连接十六串锂电池作为主动力电源，开关级联的十六节锂电池作为的匹配电源，通过采集主动力和匹配电源的单体电压、温度、负载电流参数、电池组充放电状态信息，进行电池内阻和荷电量计算，对主电源采用主动均衡控制模式、从电源采用被动均衡模式，动态适配主电源和匹配电源的组态模式。本发明可以动态均衡和参数适配主从级联锂电池组电源，及时处理单体锂电池的不一致性，进一步提高了电池组的使用寿命和可靠性。因此，一方面可以使锂电池系统安全运行于最佳工况状态，另外一方面可以延长单体锂电池的工作寿命。

Description

可动态适配的十六串锂电池组多模式均衡控制方法

技术领域

本发明涉及电池管理系统技术领域，特别涉及电池管理系统中的锂电池组工况信息采集、分析与均衡控制，具体是指一种可动态适配的十六串锂电池组多模式均衡控制方法；应用于锂电池组动力系统的实时控制与管理。

技术背景

锂电池是近几年来新发展起来的新型二次电源，其主要特点在于无记忆性、充放电次数长，适应温度范围广。作为动力电源使用时，常把单体电池串/并级联使用，以提供较高的输出电压和较大的驱动电流，现在许多大功率电池供电都采用多个单体电池串并级联的方式构成电池组系统提供能量。

电池组在充放电过程中，单体电池的物理和化学特性会产生不一致的变化，形成单体电池之间的性能差异，导致某些电池出现过度充电和过度放电现象，长时间工作于此状态下的电池，电池容量将会减少，使用寿命将会缩短；同时影响到电池组中单体电池的一致性，也会减少级联电池组的整体使用寿命。

因此，如何防止在电池充放电过程中过充和过放现象，解决电池组级联使用时单体电池的固有差异等问题，成为国内外学者广泛关注的问题，同时业界也提出了许多解决上述问题的方法，其中，最有效的方法之一是应用电池管理系统进行单体电池信号采集、单体电池的性能分析，然后进行均衡控制，目前对于电池组进行均衡控制的管理方法，主要有主动均衡和被动均衡两种；但是，针对十六串二并方式级联的电池组储能系统，还没有明确的可离散化的电池组混合均衡匹配控制策略。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，公开一种可动态适配的十六串锂电池组多模式均衡控制方法，其可以对二并十六串锂电池组实现组态适配和均衡控制。

概括的说，采用固定连接十六串锂电池作为主动力电源，开关级联的十六节锂电池作为的匹配电源，通过采集主动力和匹配电源的单体电压、温度、负载电流参数、电池组充放电状态信息，进行电池内阻和荷电量计算，对主电源采用主动均衡控制模式、从电源采用被动均衡模式，动态适配主电源和匹配电源的组态模式，即主从电池组的多模式均衡控制，根据单体电池的荷电量，分别控制主动力电池组和匹配电池组进行异构方式均衡。

为了达到以上目的，本发明给出的技术方案：

一种可动态适配的十六串锂电池组多模式均衡控制方法，其特征在于，包括步骤：

（1）、初始状态下，固态连接的16串主动力锂电池组作为负载的主电源，16节匹配从电池处于离散化状态，通过匹配电源开关适配器与主动力电源适配。

（2）、锂电池组电源参数和状态参数采集：

充放电参数采集单元检测来自负载、充电装置和主动力锂电池的状态工况信息，判断确定当前电池组工况是充电状态还是放电状态。

同时，主电源和匹配电源参数采集单元检测来自32个单体电池的电压、温度以及负载或者充电装置的电流参数。

（3）、采集并实时更新数据存储于电池数据存储单元。

（4）、对电池数据存储单元采集的数据进行计算及分析，信息处理主要分为两大类，正常工况信息和故障工况信息：

（41）对于正常工况的电池信息，计算单体电池荷电量和内阻的状态值，然后结合步骤（2）中充放电状态判断结果：

（411）当判断电池组处于放电工况下，首先从电池数据存储单元中读取更新的状态数据，分别送到主动力电源单体电池等效内阻计算单元和单体匹配电池等效内阻计算单元，在初始化阶段，以主动力电源内阻为对象级联数组，分别按照2组、4组、8组和16组的匹配电源相同和接近的内阻进行组对象适配，适配后，在接入负载工况下，实时采集32个单体电池电压、温度和电池组的电流状态，更新电池数据存储单元，并分析与计算单体电池的荷电量，放电均衡控制单元根据获得的单体电池荷电量数据，对主动力电源做基于能力调配的主动均衡，匹配电源做基于能量耗散的被动均衡控制。

（412）当判断电池组处于充电工况下，匹配电源按照主动力电源内阻适配排列并通过匹配电源开关适配器连接，与主动力电源并联作为充电器的负载，均衡控制方式与放电工况模式一样处理。

（42）对于系统分析后处于故障状态时，首先判断故障是否适配，如果是主动力电池的故障，则采用匹配电池或电池组来适配故障电池或电池组，并在电池存储单元中记录适配故障状态，这样可以在故障或预警工况下，维持系统当前工况。如果故障不能通过匹配电源适配，则中断当前工况，并告警提示。

步骤（2）中，所述的锂电池组状态检测，分别对主动力电源和匹配电源进行单体电池的电压、温度和工作电流进行检测，存储32节电池历史状态cell(n-1)，现态cell(n)的参数值。

步骤（3）中，所述的状态参数分析与计算，分析动力电池组中2个、4个、8个和16个顺序电池组组态的电压、温度和电流状态参数，计算单体和组态电池的荷电量和等效内阻。

步骤（411）中，所述的放电工况下的电池组适配，在电池组放电工况下，该控制方法以动力电池组中2个、4个、8个和16个顺序电池组组态的内阻为镜像参数，建立相应的适配主动力电池组的从电源的组态匹配模型，以16个、8个、4个和2个为组态，构建适配镜像参数的组态匹配从电源，选择最佳适配参数，通过开关控制，构成当前工况下的2并16串电池组态，为负载提供动力适配电源。

本发明通过对锂电池动态工况的检测及适配控制，有效地适配主动力电源与匹配电源参数，实时动态调整二并十六串电池性能达到最佳工作状态。本发明技术方案采用主从电池组的多模式均衡控制，根据计算得到的32节单体电池荷电量的值，对于动力电池组和匹配从电源采用差异化的均衡控制方式，对于主动力电源采用基于能量调整型的单体电池主动均衡控制策略，对匹配电源，进行基于能量耗散型的组态快速被动均衡控制策略。

本发明技术方案带来的有益效果：可以动态均衡和参数适配主从级联锂电池组电源，及时处理单体锂电池的不一致性，进一步提高了电池组的使用寿命和可靠性。因此，一方面可以使锂电池系统安全运行于最佳工况状态，另外一方面可以延长单体锂电池的工作寿命。

附图说明

图1为本发明系统结构原理框图。

图2为锂电池组的状态检测和状态参数分析与计算流程图。

图3为电池组的均衡控制和电源适配流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案做进一步的说明。

如图1所示，本实施例整个系统结构，包括：负载、充电装置、充放电参数采集单元、固定连接的主动力电源组、匹配电源组、电源开关适配器、主电源和匹配电源参数采集单元、电池数据存储单元、单体电池故障诊断与控制单元、放电工况下电源适配模块、充电工况下电池组均衡控制模块和微控制处理（MCU）单元，所述微控制处理（MCU）单元主要实现电池状态参数分析、单体电池荷电量和内阻的计算、充放电状态判断和模式控制。这些功能模块单元本身都已属于现有技术，或者直接市售。

如图2、图3所示，本实施例重点介绍可动态适配的十六串锂电池组多模式均衡控制方法，步骤如下：

（1）、电池组由16节单体电池串联形成固定连接的主动力电池组，另外16节单体锂电池通过开关控制器适配主动力电池组，构成匹配电池组从电源。初始状态下，固态连接的16串主动力锂电池组作为负载的主电源，16节匹配从电池处于离散化状态，通过匹配电源开关适配器与主动力电源适配。

（2）、锂电池组电源参数和状态参数采集：

充放电参数采集单元检测来自负载、充电装置和主动力锂电池的状态工况信息，判断确定当前电池组工况是充电状态还是放电状态。

同时，主电源和匹配电源参数采集单元检测来自32个单体电池的电压、温度以及负载或者充电装置的电流参数。

（3）、采集并实时更新数据存储于电池数据存储单元。

（4）、对电池数据存储单元采集的数据进行计算及分析，信息处理主要分为两大类，正常工况信息和故障工况信息：

（41）对于正常工况的电池信息，计算单体电池荷电量和内阻的状态值，然后结合步骤（2）中充放电状态判断结果：

（411）若是放电状态，则进入放电工况下的电源适配模块处理数据。放电工况下的电池组适配与均衡控制，如图3所示：当判断电池组处于放电工况下，首先从电池数据存储单元中读取更新的状态数据，分别送到主动力电源单体电池等效内阻计算单元和单体匹配电池等效内阻计算单元，在初始化阶段，以主动力电源内阻为对象级联数组，分别按照2组、4组、8组和16组的匹配电源相同和接近的内阻进行组对象适配，适配后，在接入负载工况下，实时采集32个单体电池电压、温度和电池组的电流状态，更新图2中的电池数据存储单元，并分析与计算单体电池的荷电量，放电均衡控制单元根据获得的单体电池荷电量数据，对主动力电源做基于能力调配的主动均衡，匹配电源做基于能量耗散的被动均衡控制。

（412）若此时是充电状态，则进入充电工况下电池组均衡控制模块处理数据。充电工况下的主动力电源和匹配电源的均衡控制，如图3所示：当判断电池组处于充电工况下，匹配电源按照主动力电源内阻适配排列并通过匹配电源开关适配器连接，与主动力电源并联作为充电器的负载，均衡控制方式与放电工况模式一样处理。

（42）对于系统分析后，判断为故障状态的情况下，则进入单体电池故障诊断与控制单元，进行更进一步的故障点定位，处理和告警。故障工况状态下的适配：当处于故障状态时，首先判断故障是否适配，如果是主动力电池的故障，则采用匹配电池或电池组来适配故障电池或电池组，并在电池存储单元中记录适配故障状态，这样可以在故障或预警工况下，维持系统当前工况。如果故障不能通过匹配电源适配，则中断当前工况，并告警提示。

Claims (4)

1.一种可动态适配的十六串锂电池组多模式均衡控制方法，其特征在于，包括步骤：

(1)、初始状态下，固态连接的16串主动力锂电池组作为负载的主动力锂电池组，16节匹配从电池处于离散化状态，通过16节匹配从电池开关适配器与主动力锂电池组适配；

(2)、锂电池组电源参数和状态参数采集：

充放电参数采集单元检测来自负载、充电装置和主动力锂电池的状态工况信息，判断确定当前主动力锂电池组工况是充电状态还是放电状态，

同时，主电源和16节匹配从电池参数采集单元检测来自32个单体电池的电压、温度以及负载和充电装置的电流参数；

(3)、采集、存储并实时更新存储于电池数据存储单元的状态信息；

(4)、对电池数据存储单元采集的数据进行计算及分析，信息处理主要分为两大类，正常工况信息和故障工况信息：

(41)对于正常工况的电池信息，计算单体电池荷电量和内阻的状态值，然后结合步骤(2)中充放电状态判断结果：

(411)当判断主动力锂电池组处于放电工况下，首先从电池数据存储单元中读取更新的状态数据，分别送到主动力锂电池组单体电池等效内阻计算单元和单体匹配电池等效内阻计算单元，在初始化阶段，以主动力锂电池组内阻为对象级联数组，分别按照2组、4组、8组和16组的16节匹配从电池相同和接近的内阻进行组对象适配，适配后，在接入负载工况下，实时采集32个单体电池电压、温度和主动力锂电池组的电流状态，更新电池数据存储单元，并分析与计算单体电池的荷电量，放电均衡控制单元根据获得的单体电池荷电量数据，对主动力锂电池组实施基于能力调配的主动均衡，16节匹配从电池实施基于能量耗散的被动均衡控制；

(412)当判断主动力锂电池组处于充电工况下，16节匹配从电池按照主动力锂电池组内阻适配排列并通过16节匹配从电池开关适配器连接，与主动力锂电池组并联作为充电器的负载，均衡控制方式与放电工况模式按照同样的方法处理；

(42)对于系统分析后处于故障状态时：首先判断故障是否适配，

如果是主动力电池的故障，则采用匹配从电池或匹配从电池组来适配故障电池或故障电池组，并在电池数据存储单元中记录适配故障状态，这样可以在故障或预警工况下，维持系统当前工况；

如果故障不能通过16节匹配从电池适配，则中断当前工况，并告警提示。

2.如权利要求1所述的可动态适配的十六串锂电池组多模式均衡控制方法，其特征在于，步骤(2)中所述的锂电池组电源参数和状态参数采集，分别对主动力锂电池组和16节匹配从电池进行单体电池的电压、温度和工作电流进行检测，存储32节电池历史状态cell(n-1)，现态cell(n)的参数值。

3.如权利要求1所述的可动态适配的十六串锂电池组多模式均衡控制方法，其特征在于，步骤(3)中所述的采集、存储并实时更新存储于电池数据存储单元的状态信息，分析主动力锂电池组中2个、4个、8个和16个顺序主动力锂电池组的组态电压、温度和电流状态参数，计算单体和组态电池的荷电量和等效内阻。

4.如权利要求1所述的可动态适配的十六串锂电池组多模式均衡控制方法，其特征在于，步骤(411)中放电工况下的电池组适配，在主动力锂电池组放电工况下，该控制方法以主动力锂电池组中2个、4个、8个和16个顺序主动力锂电池组组态的内阻为镜像参数，建立相应的适配主动力锂电池组的16节匹配从电池的组态匹配模型，以16个、8个、4个和2个为组态，构建适配镜像参数的组态16节匹配从电池，选择最佳适配参数，通过开关控制，先构成当前工况下的2个单体电池并联，再把16个这种并联结构串联构成主动力锂电池组态，为负载提供动力适配电源。