CN108446494B - 一种用于电池模组或系统的均衡算法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于电池模组或系统的均衡算法，属于电池管理技术领域。当电池模组或系统开始充电时，采集各单体电池当前电压及电流，并将电流进行安时积分，计算每个单体电池的累计充电电量之和；当任一单体电池电压值达到采样记录开始点时，同时累计充电电量之和大于等于电量阈值，开始记录该单体电池的电压和电量，得到对应的电压‑电量的关系；当到达采样记录结束点时，记录该时刻所有单体电池电压，得到每个单体电池对应的电量；选出采样结束时刻电量值最小的单体电池，计算其他单体电池电量与最小电量的差值，即为每个单体电池需要均衡的电量。本发明可实现电池模组或系统容量的最大利用，且不产生过均衡问题，成本低，效率高。

Description

一种用于电池模组或系统的均衡算法

技术领域

本发明属于电池管理技术领域，具体涉及一种用于电池模组或系统的均衡算法。

背景技术

电池模组或系统通常由几十甚至上百节单体电池串并联组成，由于单体电池之间的不一致性，电池模组或系统的充电能力及放电效率受到影响。电池模组或系统的不一致性是指同一规格、同一型号的电池，其电压、内阻、电容、自放电率等方面的差异，虽然从理论上说同一种型号的锂离子电池的工作电压、实际容量、内阻应该保持一致，但电池在制造过程中，由于工艺上的问题和材质的不均匀，使电池内部存在微小的差别，导致电池容量、内阻等不可能完全一致；在使用过程中，由于电流波动，电池所处的环境差异，也会使电池的内阻、容量产生不一致。因此电池模组或系统通常需要进行均衡，以减小不一致性。

目前常用的均衡方法有能耗式均衡方法和非能耗式均衡方法。非能耗均衡方法复杂且昂贵因此不常使用，能耗式均衡方法是适用于纯电动汽车电池组在线均衡的简单易行的方法。常用的均衡算法有基于电压和基于SOC(荷电状态，State ofCharge)的均衡。由于电池单体电压可以直接测量得到，所以基于电压的均衡是普遍采用的，但是以实时的单体电压一致为目标的均衡算法在电池容量不一致时，可能出现部分电池在某一时刻需要充电均衡而在另一时刻却需要放电均衡的误均衡问题。另外，电池生产出来不可避免存在容量差异，基于SOC一致时，电池的可用容量却不相同。而电池均衡的最终目的是保证的电池容量的最大利用，基于电压的均衡方法和基于SOC的均衡方法均不能直接体现出均衡目的。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出的一种用于电池模组或系统的均衡算法，本发明基于电池单体剩余充电电量的在线估计，可以实现电池模组或系统容量的最大利用，易于实现且不产生过均衡问题，是一种低成本且高效的均衡算法。

本发明提出一种用于电池模组或系统的均衡算法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分别设定采样记录开始点的电压Vb和采样记录结束点的电压Ve；当待均衡的电池模组或系统开始充电时，以设定的采样频率采集该电池模组或系统中各单体电池当前的电压及电流，将采集得到的每个单体电池的电流数据进行安时积分，计算每个单体电池的累计充电电量之和，用符号Ah_cha表示；

2)当该电池模组或系统中任一单体电池的电压值达到Vb时，将该单体电池记为最高电压单体；对每个电池的累计充电电量之和Ah_cha进行判定：若Ah_cha小于设定的电量阈值B，则算法结束，不再进行均衡辨识；若Ah_cha大于等于设定的电量阈值B，则进入步骤3)；

3)从采样记录开始点开始记录最高电压单体的电压和电量，得到该最高电压单体的电压-电量的关系；其中，采样频率与步骤1)设定的采样频率相同，电压每间隔固定值记录一次；具体如下：

当最高电压单体的电压达到采样记录开始点电压Vb时，利用安时积分，计算该单体电池从采样记录开始点后的累计充电电量AH_in；

利用从采样记录开始点记录的最高电压单体的电压和计算得到的累计充电电量Ah_in，实时形成该最高电压单体的电压-电量关系；

4)当该电池模组或系统中任一单体电池的电压值达到采样记录结束点的电压Ve时，采样结束，记录该时刻其他单体电池的电压，并利用步骤3)得到的最高电压单体的电压-电量关系，根据每个单体电池在采样结束时刻的电压值计算得到该单体电池对应的电量值；

5)对电池模组或系统的当前状态进行判定：从采样记录开始点充电至采样记录结束点的过程中，若该电池模组或系统始终处于充电模式，则进入步骤6)；若该电池模组或系统退出充电模式，则算法结束，不再进行均衡辨识；

6)根据步骤4)的计算结果，选出采样结束时刻电量值最小的单体电池记为最低电压单体，分别计算其他单体电池的电量与该最小电量的差值，该差值即为该电池模组或系统中除最低电压单体外每个单体电池需要均衡的电量。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明提出的一种用于电池模组或系统的均衡算法，根据电池充电曲线一致性原理，利用充电结束前的最高电压单体的电压曲线，而且只需记录电池采样记录开始点到采样记录结束点之间的电池数据，通过最高单体电压的电压-电量关系，计算单体电池需要均衡的电量，实现对单体均衡电量的近似在线估计。该方法可以保证电池容量的最大利用，能够减少数据存储量和计算量，提高均衡效率。

附图说明

图1为本发明方法的整体流程图。

图2为本发明实施例的均衡前后各单体电压对比图。

图3为本发明实施例的均衡前后各单体SOC变化示意图。

具体实施方式

本发明提出一种用于电池模组或系统的均衡算法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出一种用于电池模组或系统的均衡算法，所述电池模组是由单体电池串并联组成，电池系统可以由电池模组构成，也可以由单体电池直接构成。本发明算法只在充电模式下才辨识电池模组或系统中单体电池间需要均衡的电量差异。该方法是基于电池充电曲线一致性原理，即对于同种类型、同种批次的电池，当其内阻、初始剩余电量和容量相同时，其充电电压-充电安时曲线是重合的。而对于同种批号中的内阻、初始剩余电量和容量不同的单体电池，可以通过充电电压-充电安时曲线的平移实现曲线的重合。

本发明提出一种用于电池模组或系统的均衡算法，整体流程如图1所示，包括以下步骤：

1)判断待均衡的电池模组或系统是否处于充电模式，并分别设定采样记录开始点的电压Vb和采样记录结束点的电压Ve(Vb和Ve均根据电池类型进行设定)。当电池模组或系统开始充电时，以设定的采样频率采集该电池模组或系统中各单体电池当前的电压及电流，将采集得到的每个单体电池的电流数据进行安时积分，计算每个单体电池的累计充电电量之和，用符号Ah_cha表示。其中采样频率根据采样设备进行选择。

2)当该电池模组或系统中任一单体电池的电压值达到Vb时，将该单体电池记为最高电压单体；对每个电池的累计充电电量之和Ah_cha进行判定：若Ah_cha小于设定的电量阈值B，则算法结束，不再进行均衡辨识；若Ah_cha大于等于设定的电量阈值B，则进入步骤3)；所述B的取值大小根据实际情况调整，以保证整个模组或系统达到稳定状态；

3)从采样记录开始点开始记录最高电压单体的电压和电量，得到该最高电压单体的电压-电量的关系；其中，采样频率与步骤1)设定的采样频率相同；

本发明中，为了减少存储，电压每间隔C值(C为电压值，C的取值尽量要求小)记录一次。

当最高电压单体的电压达到采样记录开始点电压Vb时，利用安时积分，计算该单体电池从采样记录开始点后的累计充电电量AH_in。

利用从采样记录开始点记录的最高电压单体的电压和计算得到的累计充电电量Ah_in，实时形成该最高电压单体的电压-电量关系，作为其他单体电池的参考依据。

4)当该电池模组或系统中任一单体电池的电压值达到采样记录结束点的电压Ve时，采样结束，记录采样结束时刻其他单体电池的电压，并利用步骤3)得到的最高电压单体的电压-电量关系，根据每个单体电池在采样结束时刻的电压值计算得到该单体电池对应的电量值。

5)对电池模组或系统的当前状态进行判定：从采样记录开始点充电至采样记录结束点的过程中，若该电池模组或系统始终处于充电模式，则进入步骤6)；若该电池模组或系统退出充电模式，则算法结束，不再进行均衡辨识。

6)根据步骤4)的计算结果，选出采样结束时刻电量值最小的单体电池记为最低电压单体，分别计算其他单体电池的电量与该最小电量的差值，该差值即为该电池模组或系统中除最低电压单体外每个单体电池需要均衡的电量，本发明中最低电压单体不需要均衡。

计算出单体电池需要均衡的电量后，可以根据实际使用情况，选择不同的均衡方式进行均衡。

本发明的均衡算法利用电池充电曲线一致性原理，只需记录电池采样记录开始点到采样记录结束点之间的电池数据，通过最高单体电压的电压-电量关系，计算单体电池需要均衡的电量。这种方法能够减少数据存储量和计算量，提高均衡效率。

下面结合一个具体实施例对本发明进一步说明如下：

本实施例采用12节三元锂离子电池组成的电池模组进行均衡，对上述提出的均衡算法进行举例说明。具体步骤如下：

1)分别设定电池的采样记录开始点的电压为4.000V和采样记录结束点的电压为4.100V；当电池模组开始充电时，采集该电池模组中各单体电池当前的电压及电流，将采集得到的每个单体电池的电流数据进行安时积分，计算每个单体电池的累计充电电量Ah_cha；本实施例中采样频率为1Hz。

2)当该电池模组中任一单体电池的电压值达到4.000V时，将该单体电池记为最高电压单体；对每个电池的累计充电电量之和Ah_cha进行判定：若Ah_cha小于设定的电量阈值B(本实施例设为10％SOC)，则算法结束，不再进行均衡辨识；若Ah_cha大于等于设定的电量阈值B，则进入步骤3)；

3)从采样记录开始点开始记录最高电压单体的电压和电量，得到该最高电压单体的电压-电量的关系，其中，采样频率与步骤1)设定的采样频率相同，本实施例为1Hz。

本发明中，为了减少存储，电压每间隔C值(C为电压值，本实施例为1mV)记录一次。

当最高电压单体的电压达到4.000V时，利用安时积分，计算该单体电池从采样记录开始点后的累计充电电量AH_in。

利用从采样记录开始点记录的最高电压单体的电压和计算得到的累计充电电量Ah_in，实时形成该最高电压单体的电压-电量关系，作为其他单体电池的参考依据。

4)当该电池模组中任一单体电池的电压值达到采样记录结束点的电压4.100V时，采样结束，记录该时刻其他单体电池的电压，并利用步骤3)得到的最高电压单体的电压-电量关系，根据每个单体电池在采样结束时刻的电压值计算得到所有单体电池对应的电量值。

5)对电池模组或系统的当前状态进行判定：从采样记录开始点充电至采样记录结束点的过程中，若该电池模组始终处于充电模式，则进入步骤6)；若该电池模组或系统退出充电模式，则算法结束，不再进行均衡辨识；

6)根据步骤4)的计算结果，选出采样结束时刻电量值最小的单体电池记为最低电压单体，分别计算其他单体电池的电量与该最小电量的差值，该差值即为该电池模组中除最低电压单体外每个单体电池需要均衡的电量，本发明中最低电压单体电池不需要均衡。

通常一次均衡并不能达到较好的均衡效果，需要进行多次均衡。本实施例经过4次均衡，均衡前后各单体电压对比图如图2。均衡前12号单体电池充电电压平台较低，电池组中单体之间的电压差异较大，电池组单体之间电压极差为2.3％。均衡后电压比较稳定。电池组单体之间电压极差为0.07％。

通过案例验证，模组经过4次均衡后，使电池组在满电状态下，模组内各个单体SOC基本保持一致。如图3所示。其中图3(a)为电池模组均衡前各单体SOC，图3(b)为电池模组4次均衡后各单体SOC。

通过实验验证，使用本均衡算法，可以使电池组在均衡后，电池组容量增加12％，均衡前后电池组容量变化如表1。

表1均衡前后电池模组容量变化表

Claims (1)

1.一种用于电池模组或系统的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分别设定采样记录开始点的电压Vb和采样记录结束点的电压Ve；当待均衡的电池模组或系统开始充电时，以设定的采样频率采集该电池模组或系统中各单体电池当前的电压及电流，将采集得到的每个单体电池的电流数据进行安时积分，计算每个单体电池的累计充电电量之和，用符号Ah_cha表示；

2)当该电池模组或系统中任一单体电池的电压值达到Vb时，将该单体电池记为最高电压单体；对每个电池的累计充电电量之和Ah_cha进行判定：若Ah_cha小于设定的电量阈值B，则算法结束，不再进行均衡辨识；若Ah_cha大于等于设定的电量阈值B，则进入步骤3)；

3)从采样记录开始点开始记录最高电压单体的电压和电量，得到该最高电压单体的电压-电量的关系；其中，采样频率与步骤1)设定的采样频率相同，电压每间隔固定值记录一次；具体如下：

当最高电压单体的电压达到采样记录开始点电压Vb时，利用安时积分，计算该单体电池从采样记录开始点后的累计充电电量AH_in；

利用从采样记录开始点记录的最高电压单体的电压和计算得到的累计充电电量Ah_in，实时形成该最高电压单体的电压-电量关系；

4)当该电池模组或系统中任一单体电池的电压值达到采样记录结束点的电压Ve时，采样结束，记录该时刻其他单体电池的电压，并利用步骤3)得到的最高电压单体的电压-电量关系，根据每个单体电池在采样结束时刻的电压值计算得到该单体电池对应的电量值；

5)对电池模组或系统的当前状态进行判定：从采样记录开始点充电至采样记录结束点的过程中，若该电池模组或系统始终处于充电模式，则进入步骤6)；若该电池模组或系统退出充电模式，则算法结束，不再进行均衡辨识；

6)根据步骤4)的计算结果，选出采样结束时刻电量值最小的单体电池记为最低电压单体，分别计算其他单体电池的电量与该最小电量的差值，该差值即为该电池模组或系统中除最低电压单体外每个单体电池需要均衡的电量。

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