CN108365281A - 一种bms电池管理系统的容量均衡健康管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种BMS电池管理系统的容量均衡健康管理方法，属于电源系统技术领域。其特征在于，包含了一种动静态结合的分布式能量双向转移式均衡电路，通过中央管理单元和电池管理单元组成的主从两级控制结构进行容量的均衡调节。当单体之间容量不均衡时，通过均衡系统将容量较高的单体能量转移到容量较低的单体上，有效降低功耗，提高均衡效率。采用遗传算法优化后的无迹卡尔曼滤波算法，对锂电池SOC有一个精确地估算。本发明提供的BMS电池管理系统的容量均衡健康管理方法，可以实时监测电池状态，对于过电压、过电流、过负载和单体故障等提供了保护电路与调节机制，确保了电池的安全性，延长电池组的使用寿命。

Description

一种BMS电池管理系统的容量均衡健康管理方法

技术领域

本发明属于电源系统技术领域，涉及一种基于锂电池的BMS电池管理系统，特别涉及一种BMS电池管理系统的容量均衡健康管理方法。

背景技术

随着锂离子电池的广泛应用，锂离子电池组扮演着越来越重要的角色。随着电动汽车的推广和普及，锂离子电池中作为电动汽车的动力源成为了整车系统中十分关键的一部分。相比于传统的燃机汽车，电动汽车的动力传输、续航时间等都是需要研究改进的方面。

BMS电池管理系统是专门针对电动汽车使用过程中，针对不同工况下锂离子电池的不同需求进行相应的调控。近些年，电动汽车出现的问题也是比较多，主要集中在行驶里程过短、电池组寿命过短、电池管理系统故障等。由于单体电池之间制作的工艺不同导致电池之间的化学特性和电气特性存在一定差异，当电池在频繁的充放电过程中的这种差异使得个别单体因过充过放而造成故障，导致电池组迅速损坏，寿命变短。可见，良好的电池管理系统对于电动汽车的发展有着至关重要的作用。

锂电池组中的单体间容量均衡是电池管理系统中最关键的一环，也是锂电池寿命最为重要的影响因素。但是，目前的均衡电路一般多采用被动式能量耗散型，这种方法拓扑结构复杂、均衡控制比较困难、均衡时间长，存在能量浪费、均衡效率低和热管理困难等问题。电池组中单体电压采集多采用差值转移测量法和电磁继电器切换法，电路复杂、可靠性低、成本高；电池组的绝缘电阻一般通过测量电池组正负极对地电压来计算，方法局限性大、测量精度低。对SOC估算多采用等效电路模型法、安时计量法和阻抗法等，上述方法实时性差、估算精度较低。

发明内容

本发明目的是克服上述不足之处，提供了一种BMS电池管理系统的容量均衡健康管理方法。主要包含了一种基于锂离子电池组动静态结合的分布式能量双向转移式均衡电路。该电路可以把BMS电池管理系统中容量较高的单体电池中的能量转移到容量较低的电池单体上，有效解决电池的能量不一致性问题，方便电池组的热管理，并提高电池组的使用寿命。设计了一种单体能量分配均衡，电池SOC估算准确，实时监测电池状态，单体电压、电流、温度等可精确测量的一体化电源系统。

为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：

本发明提供了一种BMS电池管理系统的容量均衡健康管理方法。该发明通过中央管理单元和电池管理单元组成的主从两级控制结构进行容量的均衡调节。当单体之间容量不均衡时，通过控制器自动将容量较高的单体能量转移到容量较低的单体上，有效降低功耗，提高均衡效率。

所述主级中央管理单元包含了CPU控制模块、通信模块和显示模块；

所述CPU控制模块主要是对从级电池管理单元上传的电池组或单体的实时数据进行处理，然后控制电池组的工作状态。对接收到的SOC监测数据，通过基于遗传算法和自适应滑模观测器混合算法，对锂电池SOC有一个精确地估算。并将SOC作为均衡变量，对电池组进行充放电的均衡控制。电流的突变不会导致荷电状态波动，减少了均衡震荡。

中央管理单元将上传的电压、电流和SOC估算值通过显示模块实时传送到显示屏，可以让用户动态观察电池的健康状态。如果电池组发生故障，显示模块将实时向用户反馈并启动对应的处理机制。

所述从级电池管理单元包含锂离子电池组、监测模块、保护模块；

所述监测模块，主要包括温度监测模块、电压监测模块、电流监测模块、电池SOC监测模块，分别接收温度传感器、电压传感器、电流传感器、电池剩余电量的实时数据，并将其传输给中央管理单元的CPU控制器。

当监测到单体电压过高且最大压差大于阈值电压时，控制器通过开通对应的开关量将能量存储在反激式变压器上，然后再传输给电压最低的单体上，当压差小于阈值电压时，完成均衡。

当监测到单体电流或电池组电流高于阈值时，切断电池组能量的输出，保护电池组避免因为过电流造成设备的损坏。

当监测到单体温度或电池组温度高于阈值时，切断电池组能量的输出，保护电池组以避免造成设备的损坏。

针对电池组单体放电程度不同，电池SOC监测模块时刻监测单体的充放电程度，并将数据通过通信模块上传到中央管理单元。

本发明的效果和益处：本发明提供的一种BMS电池管理系统的容量均衡健康管理方法，可以实时监测电池状态，有效的抑制单体电池电压的不平衡，估测电池组的SOC，确保了电池的安全性，延长电池组的使用寿命。有效解决了传统BMS电池管理系统中的能量耗散、拓扑结构复杂、均衡效率低等问题。可为锂离子电池在电动汽车等领域更好的应用提供技术支持和理论保证，同时也响应了电力行业“节能环保”的理念，产业化前景十分明朗。

附图说明

图1是本发明的BMS电池管理系统容量均衡健康管理方法的流程框图。

图2是本发明的BMS电池管理系统的双向主动能量均衡电路图。

图3是本发明的BMS电池管理系统的均衡控制算法流程图。

图4是本发明的BMS电池管理系统的SOC估算流程图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

结合图1所示，本发明提供的BMS电池管理系统的容量均衡健康管理方法，涉及到的电池管理系统由两级控制结构组成，即电池管理单元(BMU)和中央管理单元(CMU)。

本发明提供了一种BMS电池管理系统的容量均衡健康管理方法。该发明通过中央管理单元和电池管理单元组成的主从两级控制结构进行容量的均衡调节。当单体之间容量不均衡时，通过控制器自动将容量较高的单体能量转移到容量较低的单体上，有效降低功耗，提高均衡效率。

所述主级中央管理单元包含了CPU控制模块、通信模块和显示模块；

所述CPU控制模块主要是对从级电池管理单元上传的电池组或单体的实时数据进行处理，然后控制电池组的工作状态。对接收到的SOC监测数据，通过遗传算法优化后的无迹卡尔曼滤波预测方法，对锂电池SOC有一个精确地估算。并将SOC作为均衡变量，对电池组进行充放电的均衡控制。电流的突变不会导致荷电状态波动，减少了均衡震荡。

中央管理单元将上传的电压、电流和SOC估算值通过显示模块实时传送到显示屏，可以让用户动态观察电池的健康状态。如果电池组发生故障，显示模块将实时向用户反馈并启动对应的处理机制。

所述从级电池管理单元包含锂离子电池组、监测模块、保护模块；

所述监测模块，主要包括温度监测模块、电压监测模块、电流监测模块、电池SOC监测模块，分别接收温度传感器、电压传感器、电流传感器、电池剩余电量的实时数据，并将其传输给中央管理单元的CPU控制器。

当监测到单体电压过高且最大压差大于阈值电压时，控制器通过开通对应的开关将能量传输给电压最低的单体上，当压差小于阈值电压时，完成均衡。

当监测到单体电流或电池组电流高于阈值时，切断电池组能量的输出，保护电池组避免因为过电流造成设备的损坏。

当监测到单体温度或电池组温度高于阈值时，切断电池组能量的输出，保护电池组以避免造成设备的损坏。

针对电池组单体放电程度不同，电池SOC监测模块时刻监测单体的充放电程度，并将数据通过通信模块上传到中央管理单元。

结合图2所示，是本发明的BMS电池管理系统的双向主动均衡电路图。

双向主动均衡电路主要由V₁-V_n电池单体、均衡电路和均衡控制系统组成，其中T₁-T_n为反激式变压器，S₁₁-S_n2为均衡控制过程的MOSFET管。

第一步，均衡控制系统通过采集电池单体电压并计算电池的SOC，比较得出最大电量和最小电量的电池单体。

第二步，假如计算得到的B₁单体SOC高于B₃单体SOC时，并且当偏差超出阈值时，均衡控制开关S₁₁导通，S₁₂断开，这时电流从B₁正极经T₁原边绕组流到B₁负极，T₁原边绕组相当于一个电感存储能量；

第三步，经过设定时间后，此时开关S₁₁断开，S₁₂导通，储存在T₁原边绕组的能量直接耦合到副边；

第四步，经过一段时间后，S₃₂导通，能量由T₁副边绕组传递到T₃副边绕组；

第五步，再经过相应时间后，开关S₁₂与S₃₂断开。此时S_3l导通，储存在T₃副边绕组的能量直接耦合到原边，把能量转移到单体电压较低的B₃电池，由此实现能量从电池B_l转移到电池B₃。

结合图3所示，是本发明的BMS电池管理系统的均衡控制算法流程图。

本发明的均衡控制算法是在充电状态、放电状态和静置状态采取的不同的均衡控制参数，均衡结束的判断标准是各单体之间最大压差ΔV＝V_max-V_min是否满足设定值，如果满足，则均衡结束。具体均衡过程如下：

第一步，获取当前电池组的工作状态，判定电池组当前处于何种状态下。当监测到电池组回路电流I>0时，判定为处于充电状态下。当检测到I＝0或I<0时，判定电池组处于放电或静置状态。

第二步，采集电池组单体电压V₁、V₂…V_n，计算电池单体的SOC。

第三步，通过对SOC的估算值计算电池组的分散度a，分散度a的大小表征了电池在不同的状态下电池组的异性程度。a的参数定义式如下：

本发明设置充电过程a的阈值为0.07％，放电过程a的阈值为0.05％，静置过程a的阈值是0.02％。

第四步，判定电池组分散程度是否满足均衡开启条件，满足则开启均衡。

第五步，开启均衡时，对应的均衡电路发出占空比不同的PWM脉冲。具体的占空比根据达到均衡时间后，判断均衡后的压差ΔV是否满足均衡结束条件，如果满足则结束均衡，否则继续均衡。

图4是本发明的BMS电池管理系统的SOC估算流程图。

本发明采用了遗传算法优化后的无迹卡尔曼滤波预测SOC估算方法。SOC估算算法要包括初始化、确定权重值、状态估计、状态更新及确定最优滤波参数等步骤，其中在确定最优滤波参数过程中引人遗传算法，用于最优滤波参数Q_z、Z_k的确定。具体步骤如下：

第一步，构造待优化的参数矢量。

设定待优化的参数矢量为χ_k＝[Q_k,Z_k]，其中Q_k、Z_k为UKF的滤波参数。

第二步，构造遗传算法的寻优目标函数。遗传算法的寻优目标函数如下式所示：

式中：D_i为遗传到第i个个体的S_OC真实值与估计值的均方差；为遗传到第g代时第i个个体的预测值；2L为估计长度，2L的值越大，搜索范围越广，每代的遗传操作时间也相应增加；y(k)为SOC实验值；为算法的SOC估计值。

第三步，设置遗传算法相应参数。使用遗传算法进行寻优，经过多次仿真实验，发现在遗传算法初始种群大小为20，迭代次数为200次，交叉概率为0.2，变异概率为0.2时，寻优目标函数达到最小值，寻优效果达到最佳。

第四步，开始迭代操作。遗传算法的目标就是找到使D_i最小的χ_k，当达到迭代次数设定值或者χ_k的值不再发生变化，则认为待优化的参数矢量χ_k＝[Q_k,Z_k]达到最优，反之继续进行迭代操作。

第五步，更新无迹卡尔曼滤波算法的最佳滤波参数。

将第四步中得到的最佳滤波参数Q_k、Z_k取代无迹卡尔曼滤波算法的原始设定参数，开始基于遗传算法优化后的无迹卡尔曼滤波的SOC预测。

使用遗传算法优化后的无迹卡尔曼滤波预测方法，SOC预测精度得到大幅提升，比传统算法有更高的精度和鲁棒性。

上述实施方式为只是作为例子提出的，并非用于限定本发明的范围。对于新的实施方式，能够以其它各种方式进行实施，在不脱离本发明的要旨范围内，能够进行各种省略、置换及变更。这些实施方式包含权利要求说明书记载的发明及其均等范围内。

Claims (4)

1.一种BMS电池管理系统的容量均衡健康管理方法，其特征在于，包含了一种动静态结合的分布式能量双向转移式均衡电路，通过中央管理单元和电池管理单元组成的主从两级控制结构进行容量的均衡调节。当单体之间容量不均衡时，通过均衡系统将容量较高的单体能量转移到容量较低的单体上，有效降低功耗，提高均衡效率。采用遗传算法优化后的无迹卡尔曼滤波算法，对锂电池SOC有一个精确地估算。

2.根据权利要求1所述的BMS电池管理系统的容量均衡健康管理方法，其特征在于：所述的一种动静态结合的分布式能量双向转移式均衡电路，包含主要由V₁-V_n电池单体、均衡电路和均衡控制系统组成，其中T₁-T_n为反激式变压器，S₁₁-S_n2为均衡控制过程的MOSFET管。通过均衡控制算法，进行单体间能量的双向均衡。

3.根据权利要求1所述的BMS电池管理系统的容量均衡健康管理方法，其特征在于：所述的遗传算法优化后的无迹卡尔曼滤波算法包括初始化、确定权重值、状态估计、状态更新及确定最优滤波参数等步骤。将更新后得到的最佳滤波参数Q_k、Z_k取代无迹卡尔曼滤波算法的原始设定参数，开始基于遗传算法优化后的无迹卡尔曼滤波的SOC预测。

4.根据权利要求3所述的BMS电池管理系统的均衡控制算法，其特征在于：所述的均衡控制算法是在充电状态、放电状态和静置状态采取的不同的均衡控制参数，均衡结束的判断标准是各单体之间最大压差△V＝V_max-V_min是否满足设定值，如果满足，则均衡结束。