CN107452998A

CN107452998A - 基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略

Info

Publication number: CN107452998A
Application number: CN201710601562.5A
Authority: CN
Inventors: 崔纳新; 高睿智
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2017-12-08
Anticipated expiration: 2037-07-21
Also published as: CN107452998B

Abstract

本发明公开了一种基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略，该车载动力电池均衡策略适用于车载动力电池的充放电动态过程，其具体包括：均衡功能的开启与关断取决于电池开路电压的变化趋势。当电池开路电压处于不平坦区间内，均衡关断；当电池开路电压处于平坦区间内，均衡开启。

Description

基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略

技术领域

本发明属于车载动力电池能量管理领域，尤其涉及一种基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略。

背景技术

动力电池是影响纯电动汽车和混合动力汽车整车性能的关键因素。为保障锂离子电池工作的安全性与稳定性，成熟的电池管理系统(BMS)必不可缺。BMS是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带，是监控动力电池安全性、可靠性和实时性能的保障，其主要功能包括监测和控制两个方面，其中监测是基础，控制是目的。BMS对电池的能量管理目前主要体现在均衡与热管理两个层面。国产车载动力电池与松下、三星等国外厂商的产品相比优势在于成本低廉，而劣势在于电池不一致性差，所以厂商倾向于在电池使用过程中采用均衡技术改善电池不一致性，而热管理技术受其成本限制很少被采用。

动力电池均衡控制管理的意义在于以下几个方面：

一是有助于提升电池组的整体有效容量；

二是有助于控制动力电池的充放电深度，有学者研究发现对电池进行均衡控制还是防止电池组内电池单体不一致性加剧的重要手段。

目前对动力电池均衡技术的研究只要体现在均衡拓扑和均衡控制策略两个层面。

均衡拓扑的方案众多，其中主动式均衡更适用于锂离子电池。众多的商品化的应用中常采用主动式能耗型均衡，这种方案通过开关器件和能耗电阻控制电池单体放电，具有结构简单易于模块化的特点，但由于散热问题均衡电流较小，一般控制在百毫安级别。非耗散型均衡拓扑通过电感、电容等储能元件可实现电池单体之间、电池组之间甚至单体与电池组之间的能量转移，均衡电流得到提升，效率较高，但是电路结构与控制方式更为复杂，面临电力电子技术复杂性与可靠性的矛盾，目前来看尚未有一种主动式非能量耗散型均衡拓扑得到普遍的认可。

均衡控制策略主要分为基于电池端电压和基于电池荷电状态(SOC)的均衡方式两种。与电池SOC相比，端电压更易于测量且精度更高，所以基于电压的均衡控制策略是目前使用最多的方案，但是该方案存在以下缺陷：

首先，均衡指的是电池能量均衡，而端电压不能完全反映电池的荷电状态，对磷酸铁锂等存在较长电压平台期特性的电池而言，该策略会存在电压平台期均衡无法开启的问题；

第二，电池在老化后以此种方式均衡会出现无均衡现象；

第三，许多均衡拓扑中均衡开关为高频开关器件，开关的频繁通断会导致电池端电压波动较大，以电压为依据的均衡会存在控制不稳定现象。

基于电池SOC的均衡策略虽然克服了以上问题，但是由于一些细节问题现有被采用，主要原因是准确的SOC估计较为困难，均衡开启后由于均衡电流的不可测性使得SOC估计精度下降，众多SOC估计算法投入实际应用后的精度和实时性那以满足作为均衡依据的要求。综上可见，亟需一种与SOC估计相结合均衡策略解决现有问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略，其在电池充放电过程中应用该策略可实现真正意义上的电池电量均衡，从而降低电池单体间的不一致性，准确控制电池的充放电深度，提升电池组的整体有效容量。

本发明的一种基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略，该车载动力电池均衡策略适用于车载动力电池的充放电动态过程，其具体包括：

均衡功能的开启与关断取决于电池开路电压的变化趋势。当电池开路电压处于不平坦区间内，均衡关断；当电池开路电压处于平坦区间内，均衡开启。

例如：当SOC在80％～100％以及0％～20％的区间内均断开均衡开关，根据实时测量的电流和端电压信息不断更新车载动力电池的电池模型，进而实时估算出电池的SOC；当SOC在20％～80％的区间时，开启以SOC为依据的均衡，将此区间内的车载动力电池的电池模型简化为内阻模型。

均衡开关的控制采用“暂开即停”的方式，即均衡一段时间后关闭均衡开关，再均衡一段时间后关闭均衡开关，循环此过程直至被均衡单体与组内其它单体的SOC相同。

其中，“暂开即停”目的是在均衡关闭期间开启模型参数辨识算法，根据实测的电池端电压和电流(等于充放电电流)信息更新电池模型，减小SOC估计的误差。

选择SOC在20％～80％的区间开启均衡的原因一是在于电池电压在该区间内进入平台期，端电压与开路电压基本维持稳定，其大小可近似视为不随SOC的变化而变化；

二是在于电池内阻在该区间内变化非常缓慢。电池在该区间内的特性为均衡电流的计算带来了便利。

进一步的，电池的均衡以电池荷电状态为依据，且无需为每个电池单体配备电流传感器。

进一步的，均衡关断期间内，利用在线模型参数辨识算法更新车载动力电池的模型参数。

进一步的，均衡关断期间内，利用滤波器或观测器算法，根据不断更新的电池模型参数以及端电压、电流的测量值估计车载动力电池的电池荷电状态。

进一步的，均衡开启期间内，利用电流估计算法估算实际流经电池单体的电流。

进一步的，均衡开启期间内，利用滤波器或观测器算法，根据固定的电池模型参数以及端电压的测量值、电流的估算值计算车载动力电池的电池荷电状态。

进一步的，均衡关断期间内的滤波器或观测器算法估计电池荷电状态时，采用的电池模型为二阶RC等效电路模型。

进一步的，均衡开启期间内的滤波器或观测器算法估计电池荷电状态时，采用的电池模型为内阻模型。

进一步的，在端电压不平坦的区间内，也可以采取以端电压为依据的均衡，即在SOC首尾两段区间内采取以端电压为依据的均衡。

两段区间内电池SOC与端电压呈现近似的线性关系，所以该种均衡方式可以获得较为理想的结果，具体均衡控制方式与基于SOC的均衡相近。

进一步的，均衡开启期间内，根据单体可测量的端电压信息估算实际流经单体的电流，所述电流大小等于充放电电流与均衡电流的叠加。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明真正实现电池之间的电量均衡，不存在电压平台期均衡无法开启的问题；

(2)均衡开启时，电池组内单体充放电电流与均衡电流的叠加和通过算法估计，无需为每个单体配备电流传感器，均衡性能提升的同时不提高硬件成本；

(3)SOC作为均衡依据与电池端电压相比更加稳定，不会出现误均衡问题；

(4)该策略针对充放电动态过程设计，是更符合实际应用的动态均衡策略；

(5)该均衡控制策略不局限于某种特定的均衡拓扑，应用在各种类型的均衡电路中均可实现高效均衡。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略整体时序示意图；

图2为应用本发明的基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略的动力电池结构图；

图3为充电均衡控制策略时序示意图；

图4为简化的充电均衡控制策略时序示意图；

图5为放电均衡控制策略时序示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略，该车载动力电池均衡策略适用于车载动力电池的充放电动态过程，其具体包括：

例如：SOC在80％～100％以及0％～20％的区间为电池开路电压处于不平坦区间；

SOC在20％～80％的区间为电池开路电压处于平坦区间。

无论充电还是放电过程中，当SOC在80％～100％以及0％～20％的区间内均衡开关断开，在线模型参数辨识算法根据实时测量的电流和端电压信息不断更新模型参数，SOC估计算法根据实时更新的电池模型以及电流和端电压信息对电池SOC做出估算，参数辨识与SOC估计算法均采用精度较高的二阶RC等效电路模型。

当SOC在20％～80％的区间时开启以SOC为依据的均衡，此区间内电池模型简化为内阻模型，均衡开关的控制采用“暂开即停”的方式，即均衡一段时间后关闭均衡，再均衡一段时间后关闭均衡，循环此过程直至被均衡单体与组内其它单体的SOC相同。均衡关闭时系统采用模型参数辨识算法更新电池模型，均衡开启时采用电流估计算法计算实际流经单体的电流。

其中，控制每次均衡开启的时间较短，这样做的原因是均衡开启后实际流经被均衡单体电流的大小(等于充放电电流与均衡电流的叠加)无法测量，此时模型参数辨识算法无法准确更新模型参数。

均衡开关的控制采用“暂开即停”的方式的目的是：

在均衡关闭期间开启模型参数辨识算法，根据实测的电池端电压和电流(等于充放电电流)信息更新电池模型，减小SOC估计的误差。

选择SOC在20％～80％的区间开启均衡的原因：

一是在于电池电压在该区间内进入平台期，端电压与开路电压基本维持稳定，其大小可近似视为不随SOC的变化而变化；

电池有如下所示电气特性：

U_t＝U_ocv+I·R

其中，Ut为可被直接测量的电池端电压，Uocv为电池开路电压，I为流经电池的电流，其大小在均衡关闭是等于充放电电流，在均衡开启时等于充放电电流与均衡电流的叠加，R为电池直流内阻。

在如图1所示的一个BALANCE OFF/START周期内，BALANCE OFF期间更新模型参数(主要是内阻R)，BALANCE START期间认为R的大小恒等于BALANCE OFF期间的辨识值，Uocv大小可由BALANCE OFF期间的SOC估算值推算得出，且恒定不变，根据下式计算流经电池的电流：

I_{balance-start}＝(U_{t-balance-star}-U_{ocv-balance-off})/R_balance-off

其中，I_{balance-start}为流经电池的电流；U_{t-balance-start}为平衡起始时间；U_{ocv-balance-off}为平衡结束时间；R_balance-off为平衡期间的电阻。

上式成立的前提是BALANCE START时间较短。SOC估计算法根据电池端电压测量值、电流估算值和近似固定的模型参数便可估算出均衡期间电池的SOC。

若单体间SOC不一致性过大，可考虑在SOC首尾两段区间内采取以端电压为依据的均衡，因此两段区间内电池SOC与端电压呈现近似的线性关系，所以该种均衡方式可以获得较为理想的结果，具体均衡控制方式与基于SOC的均衡相近。

图2是以主动能耗型均衡拓扑为例展示了所述策略的整体结构，假设电池组处于放电状态(充电状态的分析与放电相似)，均衡开启与关断时系统采取不同的SOC估计算法。当均衡开关断开时，均衡功能关闭，此时流经电池单体的电流I2＝I，其中I为干路电流，即I2可以通过电池管理系统中的电流传感器检测而获得精确的测量值。电池模型参数在线辨识算法根据实时的电流和端电压信息不断的为SOC估计算法更新电池模型参数。均衡功能关闭时，由于电池的电流和端电压信息均可被直接测量而且电池模型参数一直被不断更新，所以此时SOC的估计结果最为准确。

当均衡开关闭合时，均衡功能开启，此时流经电池单体的电流I2＝I+I1，其中I为干路电流，其大小可以通过电池管理系统中的电流传感器检测。I1为均衡电流，其大小未知，因此I2无法被直接测量，而是通过电流估计算法估算得出。该算法的输入为电池实时的端电压信息。均衡开关闭合时的SOC估计算法输入为电流估算值、端电压实测值以及均衡开关闭合前系统计算得出的模型参数，该模型在此次均衡闭合期间不再被更新。将每次的均衡时间控制在较短的时间内，可将由于模型固定而带来的SOC估计误差忽略不计。均衡开启一段时间后再将其关闭以更新电池模型参数，不断重复此过程。

(1)充电过程中的均衡控制策略

以某品牌3.2Ah磷酸铁锂电池为例，根据其规格书，全充电过程采取0.5C恒流充电。本文所述充电均衡策略在此标准充电方式下进行，其中以SOC为依据的均衡在Phase B实现，如果单体之间初始SOC相差过大，可在Phase A和Phase C加入以端电压为依据的均衡。所述充电均衡策略的时序如图3所示：

1)以SOC估计算法为依据控制Phase A阶段充入20％左右的电量，具体电量多少视电池特性而定，目的是让电池端电压渡过陡升阶段，进入磷酸铁锂电池电压平台期。若单体间初始不一致程度过大，可在此阶段进行以端电压为依据的均衡，因SOC与开路电压呈现较为明确的线性关系，所以在Phase A采取以端电压为依据的均衡较为方便；

2)进入Phase B立即开始以SOC为依据的均衡；

3)在均衡开始时期以及之后每多冲入10％的电量(即Period D)以较高频率开关均衡数次。Period D的时间应选取适当值，保证模型参数辨识结果在此期间归于稳定的同时将Period D缩减至最短；

4)Period B持续至充入80％左右的电量后结束，进入Phase C后若单体SOC均衡完成则关闭均衡开关，若未完成则采取以端电压为依据的均衡。因该阶段中SOC与开路电压呈现较为明确的线性关系，所以在Phase C采取以端电压为依据的均衡较为方便；

5)若SOC的均衡在Phase B即可完成，则只需在Phase C继续以恒流方式充电至端电压到达充电截止电压，保证Phase C期间充入总电量的20％左右。

在某些应用场合中，可采取简化的均衡策略以降低算法复杂度，均衡策略的时序如图4所示。全充电过程仍以0.5C恒流充电，以SOC估计算法为依据控制Phase A和Phase C阶段充入20％左右的电量，此两个阶段是否采取以端电压为依据的均衡视单体间初始不一致程度而定，若不一致性过大则进行以端电压为依据的均衡，否则关闭均衡开关。在PhaseB开启以荷电状态为依据的均衡，因该阶段中电池电压进入平坦期，端电压、开路电压、内阻等模型参数变化很小，所以均衡电流的大小可以计算得知。SOC估计算法以此电流和实测的电池端电压为依据便可准确的计算出电池的荷电状态，控制器再以此为依据控制充电期间的均衡。该算法简化了Phase B器件的模型辨识过程，即省略了Period D，对充电电压平台期明显且在平台期间内阻稳定的电池(例如磷酸铁锂)而言，牺牲很小的SOC估计精度便可大大简化均衡策略的算法。

(2)放电过程中的均衡控制策略

充电均衡目的是协同电池组内每个单体的荷电状态，使所有单体同步地充至满电。放电过程中同样需要均衡，否则无法使每个单体在充电期间获得的电量得到完全的释放与利用。与充电相比，电池放电时负载特性复杂很多，本文提出的放电均衡控制策略基于电动汽车工况负载。

放电均衡控制策略如图5所示，与图3所示充电均衡控制策略相似。

放电工况中电池电流视电机需求而不断变化，以SOC估计算法为依据控制Phase A和Phase C阶段放出20％左右的电量，此两个阶段是否采取以端电压为依据的均衡视单体间初始不一致程度而定，若不一致性过大则进行以端电压为依据的均衡，否则关闭均衡开关。Phase B阶段开启以SOC为依据的均衡，与图3所示充电均衡策略不同的是，因负载电流一直不断变化，所以无需控制均衡开关状态频繁切换使电流产生变化而为模型参数辨识提供条件。放电进入Phase B阶段后，每多放出5％至10％的电量均衡停止一段时间，在停止均衡的时间内模型参数辨识算法可根据实测的放电电流和电池端电压更新电池模型参数，保证模型参数辨识结果归于稳定的前提下尽量缩短均衡停止时间，模型参数稳定后再重启均衡。均衡期间因单体电流无法精确测量只能根据算法估计，所以不在均衡期间使用模型参数辨识算法更新模型。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略，其特征在于，该车载动力电池均衡策略适用于车载动力电池的充放电动态过程，其具体包括：

2.如权利要求1所述的一种基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略，其特征在于，电池的均衡以电池荷电状态为依据，且无需为每个电池单体配备电流传感器。

3.如权利要求1所述的一种基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略，其特征在于，均衡关断期间内，利用在线模型参数辨识算法更新车载动力电池的模型参数。

4.如权利要求1所述的一种基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略，其特征在于，均衡关断期间内，利用滤波器或观测器算法，根据不断更新的电池模型参数以及端电压、电流的测量值估计车载动力电池的电池荷电状态。

5.如权利要求1所述的一种基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略，其特征在于，均衡开启期间内，利用电流估计算法估算实际流经电池单体的电流。

6.如权利要求1所述的一种基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略，其特征在于，均衡开启期间内，利用滤波器或观测器算法，根据固定的电池模型参数以及端电压的测量值、电流的估算值计算车载动力电池的电池荷电状态。

7.如权利要求4所述的一种基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略，其特征在于，均衡关断期间内的滤波器或观测器算法估计电池荷电状态时，采用的电池模型为二阶RC等效电路模型。

8.如权利要求6所述的一种基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略，其特征在于，均衡开启期间内的滤波器或观测器算法估计电池荷电状态时，采用的电池模型为内阻模型。

9.如权利要求1所述的一种基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略，其特征在于，在端电压不平坦的区间内，采取以端电压为依据的均衡。

10.如权利要求5所述一种基于电池荷电状态的车载动力电池均衡策略，其特征在于，均衡开启期间内，根据单体可测量的端电压信息估算实际流经单体的电流，所述电流大小等于充放电电流与均衡电流的叠加。