CN105429236A - 一种基于电流预测的动力电池组均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流预测的动力电池组均衡控制方法，包括以下步骤：建立电池的等效电路模型以及选择均衡拓扑结构；根据电池组输出电流的变化趋势，预测出输出电流的变化方向；计算各单体电池将产生的热量、老化率、SOC和温度不平衡度，并由此可得各单体电池总的不平衡度；根据约束条件，求得不平衡度的最大值与最小值，以此得到开关组合决策，并计算开关占空比。本发明主要应用于电动车辆的电池管理系统上，用于改善电池组的不一致性问题，延长电池组的使用寿命，大幅度提高电池组的整体性能，保证电池组使用的安全性和可靠性。

Description

一种基于电流预测的动力电池组均衡控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车电池管理系统领域，特别涉及一种基于电流预测的动力电池组均衡控制方法。

背景技术

近年来，由于空气质量的日益恶化以及石油资源的渐趋匮乏，低排放、低油耗的新型电动汽车成为当今世界各大汽车公司的开发热点。动力电池作为电动汽车的关键部件，对整车动力性、经济性和安全性都有重大影响。

由于单体电池容量有限，且电压较低，而电动汽车所需的电池容量大，所以其动力电池组需要由多个单体电池串并联组成以满足使用要求。如此一来，在实际使用中，由于同一型号的单体电池间存在不可避免的不一致性问题，将严重影响电池组使用寿命，并且容易导致出现过充和过放现象。为了改善电池组的不一致性问题，延长电池组的使用寿命，大幅度提高电池组的整体性能，保证电池组使用的安全性和可靠性，则需要采用均衡控制。虽然如今已有大量的关于电动汽车的电池组均衡控制策略被提出，但是都或多或少地忽略了电池组的老化及温度情况，导致各电池的差异终将越来越大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于电流预测的动力电池组均衡控制方法，实现电动车辆动力电池组的能量均衡，延长电池组的使用寿命，提高电池组的整体性能。

本发明的目的通过如下技术方案实现：一种基于电流预测的动力电池组均衡控制方法，包括如下步骤：

S1、建立电池等效电路模型以及选择均衡拓扑结构；

S2、预测电池组输出电流；

S3、计算各单体电池将产生的热量、老化率、SOC和温度不平衡度，并由此可得各单体电池总的不平衡度；

S4、根据约束条件，求得不平衡度的最大值与最小值，以此得到开关组合决策，并计算开关占空比。

所述步骤S1中的电池等效电路模型为一个电压源Uoc、一个欧姆电阻R₀、一个电容C_b和一个RC环路(R_p、C_p)，即PNGV等效电路模型；电池组均衡拓扑结构为基于buck-boost的电感型均衡电路，每个电池都对应有各自的充电和放电均衡回路。

所述步骤S2中的预测电池组输出电流的方法为：假设在(k-2)t时刻电池组输出电流为i_p2，在(k-1)t时刻电池组输出电流为i_p1，在kt时刻电池组输出电流为i_c，则下一时刻即(k+1)t时刻电池组输出电流i_l为： $i_l=t\×(\frac{i_c-i_{p1}}{t}+\frac{i_c-i_{p1}}{t}-\frac{i_{p1}-i_{p2}}{t})=2i_c-3i_{p1}+i_{p2},$ 其中k为整数。

所述步骤S3中计算不平衡度的方法为：

S31、由n节单体电池串联组成的电池组，分别记为B₁，B₂，……，B_n，利用安时积分法估算各单体电池的SOC，分别记为s₁，s₂，……，s_n，其中的最小值记为s_min，根据热量守恒计算电池温度T，分别记为T₁，T₂，……，T_n，其中的最小值记为T_min；基于温度对电池老化影响的机理，估算出电池老化率，分别记为ε₁，ε₂，……，ε_n，其中的最小值记为ε_min，由公式P＝I²R及预测的输出电流可得t时刻后电池将产生的热量，分别记为f₁，f₂，……，f_n，其中的最小值记为f_min；

S32、单体电池的各项不平衡度为D(s_i)＝s_i-s_min,D(T_i)＝T_i-T_min，D(ε_i)＝ε_i-ε_min,D(f_i)＝f_i-f_min，其中i＝1，2，······，n；

S33、最终，单体电池总的不平衡度为： $D_i={\∫}_0^T(-W_{\mathrm{\ϵ}}D({\mathrm{\ϵ}}_{ci})+W_{p}D\left(p_i\right)-W_T\left(D\right(T_i)+$ $W_{f}D\left(f_i\right)\left)\right)dt,$ 其中W_ε、W_p、W_T为权重常数，且W_ε+W_p+W_T＝1，W_f为将产生的热量不平衡度的补偿系数，为一常数，T为充放电时间。

所述步骤S4中的约束条件为：I_balmin≤I_ibal(t)≤I_balmax，I_ib(t)＝I_ic(t)+I_ibal(t)，其中I_ibal(t)为电池B_i在t时刻的均衡电流，I_balmin为均衡电流最小值，I_balmax为均衡电流最大值，I_ic(t)为电池B_i充放电电流，I_ib(t)为流过电池B_i的总电流；由此可解得D_i的最大值D_max与最小值D_min。由此可得开关组合决策为：在一个开关周期内，导通D_max对应的电池B_max的放电均衡回路，电池给电感充电，导通一段时间后，关断；同时导通D_min对应的电池B_min的充电均衡回路，电感释放能量给电池；开关占空比取值其中∑V_is为提供均衡能量的电池电压和，∑V_ir为吸收均衡能量的电池电压和。

本发明与现有技术相比，在电池均衡中加入了温度、老化率以及预测电流的影响，能够极大程度地改善电池组的平均温度和老化率，并利用将产生的热量影响减少了均衡过程中的能量损耗，大幅度提高了电池组的整体性能。

附图说明

图1为本发明所述的基于电流预测的动力电池组均衡控制方法流程图。

图2为所述方法中的电池等效电路模型图。

图3为所述方法中的均衡拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种基于电流预测的动力电池组均衡控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、建立电池等效电路模型以及选择均衡拓扑结构；

S2、预测电池组输出电流；

S3、计算各单体电池将产生的热量、老化率、SOC和温度不平衡度，并由此可得各单体电池总的不平衡度；

S4、根据约束条件，求得不平衡度的最大值与最小值，以此得到开关组合决策，并计算开关占空比。

如图2所示，所述步骤S1中的电池等效电路模型为一个电压源Uoc、一个欧姆电阻R₀、一个电容C_b和一个RC环路(R_p、C_p)，即PNGV等效电路模型；其中Uoc为理想电压源，表示动力电池的开路电压。R₀表示电池的欧姆电阻。C_b用于描述随着负载电流的时间累计而产生的开路电压的变化。用R_p与C_p为电池极化电阻与电容，其构成的环路用来模拟电池的极化过程。

电池组均衡拓扑结构为基于buck-boost的电感型均衡电路，每个电池都对应有各自的充电和放电均衡回路。

如图3所示，是均衡拓扑结构图。每个电池B_i都对应有自己的充电和放电回路。充电回路的控制开关为S_i-1,a与S_i,b，放电回路的控制开关为S_i-1,b与S_i,a。假设电池单体B_x的总不平衡度D_x为最大值，B_y的总不平衡度D_y为最小值，则先控制开关管S_x-1,b、S_x,a导通，电池放电，电感L充电，导通一定时间后关断，同时控制开关管S_y-1,a、S_y,b导通，使电感L释放能量给B_y充电，实现各单体电池的能量转移。

所述步骤S2中的预测电池组输出电流的方法为：假设在(k-2)t时刻电池组输出电流为i_p2，在(k-1)t时刻电池组输出电流为i_p1，在kt时刻电池组输出电流为i_c，则下一时刻即(k+1)t时刻电池组输出电流i_l为： $i_l=t\×(\frac{i_c-i_{p1}}{t}+\frac{i_c-i_{p1}}{t}-\frac{i_{p1}-i_{p2}}{t})=2i_c-3i_{p1}+i_{p2},$ 其中k为整数。

所述步骤S3中计算不平衡度的方法为：

S31、由n节单体电池串联组成的电池组，分别记为B₁，B₂，……，B_n，利用安时积分法估算各单体电池的SOC，分别记为s₁，s₂，……，s_n，其中的最小值记为s_min，根据热量守恒计算电池温度T，分别记为T₁，T₂，……，T_n，其中的最小值记为T_min；基于温度对电池老化影响的机理，估算出电池老化率，分别记为ε₁，ε₂，……，ε_n，其中的最小值记为ε_min，由公式P＝I²R及预测的输出电流可得t时刻后电池将产生的热量，分别记为f₁，f₂，……，f_n，其中的最小值记为f_min；

S32、单体电池的各项不平衡度为D(s_i)＝s_i-s_min,D(T_i)＝T_i-T_min，D(ε_i)＝ε_i-ε_min,D(f_i)＝f_i-f_min，其中i＝1，2，······，n；

S33、最终，单体电池总的不平衡度为： $D_i={\∫}_0^T(-W_{\mathrm{\ϵ}}D({\mathrm{\ϵ}}_{ci})+W_{p}D\left(p_i\right)-W_T\left(D\right(T_i)+$ $W_{f}D\left(f_i\right)\left)\right)dt,$ 其中W_ε、W_p、W_T为权重常数，且W_ε+W_p+W_T＝1，W_f为将产生的热量不平衡度的补偿系数，为一常数，T为充放电时间。

所述步骤S4中的约束条件为：I_balmin≤I_ibal(t)≤I_balmax，I_ib(t)＝I_ic(t)+I_ibal(t)，其中I_ibal(t)为电池B_i在t时刻的均衡电流，I_balmin为均衡电流最小值，I_balmax为均衡电流最大值，I_ic(t)为电池B_i充放电电流，I_ib(t)为流过电池B_i的总电流；由此可解得D_i的最大值D_max与最小值D_min。由此可得开关组合决策为：在一个开关周期内，导通D_max对应的电池B_max的放电均衡回路，电池给电感充电，导通一段时间后，关断；同时导通D_min对应的电池B_min的充电均衡回路，电感释放能量给电池；开关占空比取值其中∑V_is为提供均衡能量的电池电压和，∑V_ir为吸收均衡能量的电池电压和。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于电流预测的动力电池组均衡控制方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、建立电池等效电路模型以及选择均衡拓扑结构；

S2、预测电池组输出电流；

S3、计算各单体电池将产生的热量、老化率、SOC和温度不平衡度，并由此可得各单体电池总的不平衡度；

S4、根据约束条件，求得不平衡度的最大值与最小值，以此得到开关组合决策，并计算开关占空比。

2.根据权利要求1所述的基于电流预测的动力电池组均衡控制方法，其特征在于所述步骤S1中的电池等效电路模型为一个电压源Uoc、一个欧姆电阻R₀、一个电容C_b和一个RC环路(R_p、C_p)，即PNGV等效电路模型；电池组均衡拓扑结构为基于buck-boost的电感型均衡电路，每个电池都对应有各自的充电和放电均衡回路。

3.根据权利要求1所述的基于电流预测的动力电池组均衡控制方法，其特征在于所述步骤S2中的预测电池组输出电流的方法为：假设在(k-2)t时刻电池组输出电流为i_p2，在(k-1)t时刻电池组输出电流为i_p1，在kt时刻电池组输出电流为i_c，则下一时刻即(k+1)t时刻电池组输出电流i_l为： $i_l=t\×(\frac{i_c-i_{p1}}{t}+\frac{i_c-i_{p1}}{t}-\frac{i_{p1}-i_{p2}}{t})=2i_c-3i_{p1}+i_{p2},$ 其中k为整数。

4.根据权利要求1所述的基于电流预测的动力电池组均衡控制方法，其特征在于所述步骤S3中计算不平衡度的方法为：

S31、由n节单体电池串联组成的电池组，分别记为B₁，B₂，……，B_n，利用安时积分法估算各单体电池的SOC，分别记为s₁，s₂，……，s_n，其中的最小值记为s_min，根据热量守恒计算电池温度T，分别记为T₁，T₂，……，T_n，其中的最小值记为T_min；基于温度对电池老化影响的机理，估算出电池老化率，分别记为ε₁，ε₂，……，ε_n，其中的最小值记为ε_min，由公式P＝I²R及预测的输出电流可得t时刻后电池将产生的热量，分别记为f₁，f₂，……，f_n，其中的最小值记为f_min；

S32、单体电池的各项不平衡度为D(s_i)＝s_i-s_min,D(T_i)＝T_i-T_min，D(ε_i)＝ε_i-ε_min,D(f_i)＝f_i-f_min，其中i＝1，2，……，n；

S33、最终，单体电池总的不平衡度为： $D_i={\∫}_0^T(-W_{\mathrm{\ϵ}}D({\mathrm{\ϵ}}_{ci})+W_{p}D\left(p_i\right)-W_T\left(D\right(T_i)+$ $W_{f}D\left(f_i\right)\left)\right)dt,$ 其中W_ε、W_p、W_T为权重常数，且W_ε+W_p+W_T＝1，W_f为将产生的热量不平衡度的补偿系数，为一常数，T为充放电时间。

5.根据权利要求1所述的基于电流预测的动力电池组均衡控制方法，其特征在于所述步骤S4中的约束条件为：I_balmin≤I_ibal(t)≤I_balmax，I_ib(t)＝I_ic(t)+I_ibal(t)，其中I_ibal(t)为电池B_i在t时刻的均衡电流，I_balmin为均衡电流最小值，I_balmax为均衡电流最大值，I_ic(t)为电池B_i充放电电流，I_ib(t)为流过电池B_i的总电流；由此可解得D_i的最大值D_max与最小值D_min。由此可得开关组合决策为：在一个开关周期内，导通D_max对应的电池B_max的放电均衡回路，电池给电感充电，导通一段时间后，关断；同时导通D_min对应的电池B_min的充电均衡回路，电感释放能量给电池；开关占空比取值其中∑V_is为提供均衡能量的电池电压和，∑V_ir为吸收均衡能量的电池电压和。