CN106786989B - 一种动力锂电池均衡方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种动力锂电池均衡方法及装置，包括动力锂电池单体阵列、功率交叉连接双向开关DC/DC矩阵和MCU模块。上述功率交叉连接双向开关DC/DC矩阵包括由m×n开关矩阵、同步数据采集模块和PWM控制模块等组成。本发明采用随机耦合网络同步方法，提高系统同步速度，能使含锂电池单体数量较多的动力锂电池单体阵列快速达到均衡状态。同时，采用功率交叉连接双向开关DC/DC矩阵的均衡手段，解决能量逐层传递方法的局限性，锂电池单体均衡效率得到进一步提高，使本发明在动力锂电池单体均衡方法中更具优势。

Description

一种动力锂电池均衡方法及装置
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种动力锂电池均衡方法及装置。
背景技术
随着现代社会的发展，能源危机和环境污染成为人们必须面对的社会难题。尤其是石油危机制约常规动力汽车的进一步发展，电动汽车具有节能、环保的优点，成为未来汽车发展的必然趋势。众所周知，动力锂电池单体阵列作为电动汽车关键的零部件之一，提高其安全可靠性显得十分重要。由于组成锂电池单体组的锂电池单体电池内部特性无法做到完全一致，多次使用电池组后，锂电池单体电池的差异性就会体现出来，如部分电池锂电池单体之间的电压出现差异,电池出现过充过放等现象，使电池的存储容量下降，锂电池单体化学成分遭到破坏，影响锂电池单体组的使用寿命，严重则可能引起电池燃烧或爆炸等事故。
为了提高电池组的安全性，应对电池组建立能量管理系统，以实现对锂电池单体组中各锂电池单体进行均衡管理和控制。传统动力锂电池单体组能量管理系统的均衡策略往往由于锂电池单体数量多和锂电池单体间能量传递的局限性，出现均衡速度慢和效率低等问题，导致动力锂电池单体组均衡效果远未达到理想目标。综上所述，在人们对电力系统安全性、稳定性要求越来高的今天，迫切需要一种均衡速度快、能量传递效率高和安全性高的动力锂电池单体组能量管理系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有电池的均衡控制存在均衡速度慢和效率低的的问题，提供一种动力锂电池均衡方法及装置，其具有均衡速度快、能量传递效率高和安全性高的特点。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种动力锂电池均衡方法，包括如下步骤：
步骤1，同步数据采集模块以周期T对动力锂电池单体阵列中各锂电池单体输出电压和输出电流进行A/D采样，得到各锂电池单体输出电压序列和输出电流序列，并将相关数据传输到MCU模块；
步骤2，MCU模块基于相同的动力学模型，对每个锂电池单体的充电电路建模，并得到每个锂电池单体的充电电路模型；
步骤3，MCU模块将每个锂电池单体作为一个网络结点，把由N个具有相同动力学模型的充电电路模型构成的动力网络系统进行线性耦合网络建模，并得到动力锂电池单体阵列的网络模型；其中N是动力锂电池单体阵列包含的锂电池单体的个数；
步骤4，MCU模块以一个随机的重连概率p对网络连接矩阵进行随机重连，构建一个环形网络，生成锂电池单体阵列的随机耦合矩阵；
步骤5，MCU模块把每个锂电池单体及其对应充电电路当作一个结点，生成锂电池单体阵列的随机耦合网络，通过步骤4所得的随机耦合矩阵来决定2个结点间是否存在耦合关系；
步骤6、MCU模块按照耦合关系，将状态变量送到PWM控制模块，以控制对应电池结点的功率流动，使能量从该对锂电池单体中能量较高的锂电池单体转移到能量较低的锂电池单体，直至2个锂电池单体状态同步。
步骤2中，每个锂电池单体的充电电路模型的表达式为：
Figure BDA0001225186980000021
式中，
Figure BDA0001225186980000022
分别是锂电池的充电电路输出电压和输出电流的微分形式，u1、u2分别是锂电池的充电电路输出电压和输出电流，L是滤波电感量，C是滤波电容量，R是充电电路输出端的负载，D是PWM信号占空比，E是输入电压。
步骤3中，动力锂电池单体阵列的网络模型的表达式为：
Figure BDA0001225186980000023
式中，
Figure BDA0001225186980000024
分别是分别是锂电池的充电电路输出电压和输出电流的微分形式，u1、u2分别是锂电池的充电电路输出电压和输出电流，L是滤波电感量，C是滤波电容量，R是充电电路输出端的负载，D是PWM信号占空比，E是输入电压，Cij是网络连接矩阵的分量，A是各个结状态变量间的内部耦合矩阵，uj为第j个结点的状态向量，d是网络的耦合强度，N是动力锂电池单体阵列中锂电池单体的个数。
步骤4中，随机耦合矩阵Csc的生成方法为：
首先，根据动力锂电池单体阵列的锂电池单体数量N，构建一个度为3，结点数为N的环形网络，此时该环形网络的连接矩阵为Cnc；
接着，在连接矩阵Cnc中，若某个矩阵分量cij＝1，则以重连概率p将矩阵分量cij和cji修改为0，随机选择值为0的矩阵分量cij′和cj′i，并将矩阵分量cij′和cj′i修改为1；
最后，利用
Figure BDA0001225186980000025
重新计算对角元素，最终生成锂电池单体阵列的随机耦合矩阵Csc；
上述cii、cij和cji均是连接矩阵Cnc的矩阵分量，其中i、j、j′＝1,2…N，且j′≠i。
当连接矩阵Csc内的矩阵分量cij＝1，则说明电池结点i和电池结点j有耦合；否则说明电池结点i和电池结点j无耦合。
一种动力锂电池均衡装置，包括动力锂电池单体阵列、功率交叉连接双向开关DC/DC矩阵和MCU模块；动力锂电池单体阵列包括m×n个锂电池单体；功率交叉连接双向开关DC/DC矩阵包括由m×n开关矩阵、同步数据采集模块和PWM控制模块组成；动力锂电池单体阵列的各个锂电池单体的正负极均与m×n开关矩阵双向连接；m×n开关矩阵的控制输出端连接同步数据采集模块的控制输入端，m×n开关矩阵的控制输入端连接PWM控制模块的控制输出端；同步数据采集模块的控制输出端和PWM控制模块的控制输入端均与MCU模块相连接；上述m和n均为大于等于1的正整数。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、采用随机耦合网络同步方法，提高系统同步速度，能使含锂电池单体数量较多的动力锂电池单体阵列快速达到均衡状态。
2、采用功率交叉连接双向开关DC/DC矩阵的均衡手段，解决能量逐层传递方法的局限性，锂电池单体均衡效率得到进一步提高，使本发明在动力锂电池单体均衡方法中更具优势。
附图说明
图1为一种动力锂电池均衡装置的结构图。
图2为图1中功率交叉连接双向开关DC/DC矩阵的结构图。
图3为一种动力锂电池均衡方法的流程图。
图4为的随机网络示意图。
具体实施方式
参见图1和2，一种动力锂电池均衡装置，包括动力锂电池单体阵列、功率交叉连接双向开关DC/DC矩阵和MCU模块。上述功率交叉连接双向开关DC/DC矩阵包括由m×n开关矩阵、同步数据采集模块和PWM控制模块等组成。动力锂电池单体阵列包括中含有m×n(m≥1,n≥1)个锂电池单体，各个锂电池单体的正负极均与m×n开关矩阵双向连接。m×n开关矩阵的控制输出端连接同步数据采集模块的控制输入端，m×n开关矩阵的控制输入端连接PWM控制模块的控制输出端。同步数据采集模块的控制输出端和PWM控制模块的控制输入端均与MCU模块相连接。
上述装置所实现的一种动力锂电池均衡方法，如图3所示，包括如下步骤：
步骤1，功率交叉连接双向开关DC/DC矩阵中的同步数据采集模块对动力锂电池单体阵列中各锂电池单体输出电压、输出电流进行周期为T的A/D采样，得到各锂电池单体输出电压序列和输出电流序列，并将相关数据传输到MCU模块。
步骤2，对每个锂电池单体的充电电路建模，得到其动力系统模型如下：
Figure BDA0001225186980000041
上式中，u1、u2分别是锂电池单体的充电电路输出电压和输出电流，令
Figure BDA0001225186980000042
将上(1)式模型简写得单个锂电池单体充电电路模型表达式：
Figure BDA0001225186980000043
步骤3，将每个锂电池单体作为一个网络结点，每个结点模型表达式由步骤2得到，把由N(N＝m×n)个具有相同动力学模型的充电电路模型构成的动力网络系统进行线性耦合网络建模，得到锂电池单体阵列的网络模型:
Figure BDA0001225186980000044
其中，uj为第j个结点的状态向量，d是网络的耦合强度，取值范围为0.1≤d≤10。A是各个结状态变量间的内部耦合矩阵，为对角阵。C＝[Cij]∈RN×N为网络连接矩阵，且满足耗散耦合条件
Figure BDA0001225186980000045
也就是说网络连接矩阵C设计为满足以下条件：
Figure BDA0001225186980000046
因此当所有结点状态相同时，(2)中右端的耦合项消失。在网络(2)中，如果当t→∞时，有：
U1(t)→U2(t)→...→UN(t)
则称网络达到完全(渐进)同步。并且当达到同步后所有结点相同的状态，称为其同步状态，也就是说同步之后，锂电池单体阵列即为平衡状态。
步骤4，以一个随机重连概率p＝1，对网络连接矩阵进行随机重连，生成随机耦合网络，生成方法如下：
根据动力锂电池单体阵列的锂电池单体数量N(N＝m×n)，构建一个度为3，结点数为N的环形网络，如图4所示，此时该网络的连接矩阵为Cnc，接着，在Cnc中，若某个矩阵元素cij＝1，则以概率p将cij和cji修改为0，随机选择一个值为0的cij′和cj′i，将cij′和cj′i修改为1，其中j′＝1,2…N，且j′≠i。然后利用下式重新计算对角元素
Figure BDA0001225186980000047
最终生成了锂电池单体阵列的随机耦合矩阵Csc。
步骤5，生成了锂电池单体阵列的随机耦合网络后，如前所述，每个锂电池单体及其对应充电电路被当作一个结点，两个结点间的连耦合关系由连接矩阵Csc来决定，即当随机耦合矩阵Csc内的cij＝1，则说明电池结点i和电池结点j有耦合。
步骤6、MCU模块按照耦合关系，当cij＝1，通过设置功率交叉连接双向开关DC/DC矩阵，将第i和第j个电池结点进行连接，并将电池结点i的状态变量ui耦合到电池结点j，具体实施时，状态变量ui将被送到功率交叉连接双向开关DC/DC矩阵中的PWM控制模块，以控制电池结点i到电池结点j的功率流动，使能量从该对锂电池单体中能量较高的锂电池单体转移到能量较低的锂电池单体，直至两锂电池单体状态基本同步。重复上述步骤，最终实现动力锂电池单体阵列中各锂电池单体状态同步，达到平衡控制的目的。

Claims (5)

1.一种动力锂电池均衡方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1，同步数据采集模块以周期T对动力锂电池单体阵列中各锂电池单体输出电压和输出电流进行A/D采样，得到各锂电池单体输出电压序列和输出电流序列，并将相关数据传输到MCU模块；
步骤2，MCU模块基于相同的动力学模型，对每个锂电池单体的充电电路建模，并得到每个锂电池单体的充电电路模型；
步骤3，MCU模块将每个锂电池单体作为一个网络结点，把由N个具有相同动力学模型的充电电路模型构成的动力网络系统进行线性耦合网络建模，并得到动力锂电池单体阵列的网络模型；其中动力锂电池单体阵列的网络模型的表达式为：
Figure FDA0004065143920000011
式中，
Figure FDA0004065143920000012
分别是锂电池的充电电路输出电压和输出电流的微分形式，u1、u2分别是锂电池的充电电路输出电压和输出电流，L是滤波电感量，C是滤波电容量，R是充电电路输出端的负载，D是PWM信号占空比，E是输入电压，Cij是网络连接矩阵的分量，A是各个结状态变量间的内部耦合矩阵，uj为第j个结点的状态向量，d是网络的耦合强度，N是动力锂电池单体阵列中锂电池单体的个数；
步骤4，MCU模块以一个随机重连概率p对网络连接矩阵进行随机重连，构建一个环形网络，生成锂电池单体阵列的随机耦合矩阵；
步骤5，MCU模块把每个锂电池单体及其对应充电电路当作一个结点，生成锂电池单体阵列的随机耦合网络，通过步骤4所得的随机耦合矩阵来决定2个结点间是否存在耦合关系；
步骤6、MCU模块按照耦合关系，将状态变量送到PWM控制模块，以控制对应电池结点的功率流动，使能量从该对锂电池单体中能量较高的锂电池单体转移到能量较低的锂电池单体，直至2个锂电池单体状态同步。
2.根据权利要求1所述的一种动力锂电池均衡方法，其特征是，步骤2中，每个锂电池单体的充电电路模型的表达式为：
Figure FDA0004065143920000013
式中，
Figure FDA0004065143920000021
分别是锂电池的充电电路输出电压和输出电流的微分形式，u1、u2分别是锂电池的充电电路输出电压和输出电流，L是滤波电感量，C是滤波电容量，R是充电电路输出端的负载，D是PWM信号占空比，E是输入电压。
3.根据权利要求1所述的一种动力锂电池均衡方法，其特征是，步骤4中，随机耦合矩阵Csc的生成方法为：
首先，根据动力锂电池单体阵列的锂电池单体数量N，构建一个度为3，结点数为N的环形网络，此时该环形网络的连接矩阵为Cnc；
接着，在连接矩阵Cnc中，若某个矩阵分量cij＝1，则以重连概率p将矩阵分量cij和cji修改为0，随机选择值为0的矩阵分量cij′和cj′i，并将矩阵分量cij′和cj′i修改为1；
最后，利用
Figure FDA0004065143920000022
重新计算对角元素，最终生成锂电池单体阵列的随机耦合矩阵Csc；
上述cii、cij和cji均是连接矩阵Cnc的矩阵分量，其中i、j、j′＝1,2…N，且j′≠i。
4.根据权利要求1所述的一种动力锂电池均衡方法，其特征是，步骤5中，当连接矩阵Csc内的矩阵分量cij＝1，则说明电池结点i和电池结点j有耦合；否则说明电池结点i和电池结点j无耦合。
5.实现权利要求1所述方法的一种动力锂电池均衡装置，其特征在于：包括动力锂电池单体阵列、功率交叉连接双向开关DC/DC矩阵和MCU模块；
动力锂电池单体阵列包括m×n个锂电池单体；功率交叉连接双向开关DC/DC矩阵包括由m×n开关矩阵、同步数据采集模块和PWM控制模块组成；
动力锂电池单体阵列的各个锂电池单体的正负极均与m×n开关矩阵双向连接；m×n开关矩阵的控制输出端连接同步数据采集模块的控制输入端，m×n开关矩阵的控制输入端连接PWM控制模块的控制输出端；同步数据采集模块的控制输出端和PWM控制模块的控制输入端均与MCU模块相连接；
上述m和n均为大于等于1的正整数。
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