CN108494027B - 一种锂离子电池组主动均衡控制方法 - Google Patents

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    • H02J7/0019—Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits

Abstract

本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种锂离子电池组主动均衡控制方法，针对大部分主动均衡电路，采用三阈值和中断均衡控制策略，其中三阈值均衡不仅仅包含传统控制策略中的动作阈值，还包含预动作阈值和结束阈值。通过预测处于预动作阈值和动作阈值之间的单体电池在下一段时间的状态，适当调整其均衡阈值。在三阈值均衡控制策略无法照顾到的情形下，启动中断均衡控制策略，允许电池在均衡过程中被中断。使用三阈值和中断均衡控制策略，能够在不改变电路拓扑结构，不加大均衡电流的前提下，尽量避免均衡时间重叠的情况发生。

Description

一种锂离子电池组主动均衡控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种锂离子电池组主动均衡控制方法。
背景技术
与传统汽车相比，电动汽车具有很多优点，比如：无污染，噪音小，效率高等，所以，这些年来电动汽车得到大家的青睐，发展势头很迅猛，而动力电池技术是约束电动汽车发展的一个瓶颈。
目前，电动汽车车载动力电池组普遍采用锂电池组。在电动汽车电池组中，需要将大量单体电池串并联以提高电池组电压和容量，满足电动汽车需求。单体电池之间工艺和性能在出厂时会存在些许差别。在使用过程中这种差异会逐渐放大，可能导致过充电和过放电的情况，这会对电池造成很大损伤，甚至可能导致爆炸引发安全事故。配备良好的均衡系统可以减小单体之间的差异性，有效的保证锂电池组安全可靠的运行。
为了减小锂电池组单体电池之间的差异，从而增加锂电池组的循环使用次数以及防止意外事故的发生，有必要设计有效的均衡控制方法来缩小单体电池间的差异性，从而保障电动汽车能够安全使用。
较多的主动均衡电路存在同一时刻均衡器只能对单节电池进行均衡的问题，可能会出现电池达到动作阈值而无法为其均衡的情况。在电池处于等待均衡的时间内，其情况可能会更加恶化，这会降低电池组的使用寿命。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种锂离子电池组主动均衡控制方法，在不改变均衡拓扑结构，不加大均衡电流的情况下，避免出现均衡时间重叠的情况。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种锂离子电池组主动均衡控制方法，其特征在于，采用三阈值及中断均衡控制策略，其中三阈值不仅包含传统控制策略中的动作阈值，还包含预动作阈值和结束阈值，所述控制方法包含以下步骤：
(1)计算出各单体电池在电池组进行均衡时SOC变化率与平均值的差值，记为单体电池SOC相对变换率；
(2)计算出各单体电池SOC与平均SOC的差值，记为单体电池SOC偏移量；
(3)对于SOC偏移量达到预动作阈值而未达到动作阈值的电池，计算最大SOC偏移量的电池在此时刻均衡至结束阈值这段时间内，是否会有其余电池达到动作阈值，根据设定的均衡系数，动态地改变最大SOC偏移量的单体电池均衡阈值；
(4)当电池组中单体电池SOC偏移量分布较为集中，导致三阈值均衡控制策略无法较好地进行均衡时，启动中断均衡控制策略；当某单体电池处于均衡状态时，另一节电池到达动作阈值，此时中断正在均衡的电池的均衡过程，为达到动作阈值的电池进行均衡；均衡完毕后对被中断的电池进行均衡；均衡过程中允许嵌套。
进一步地，所述单体电池SOC相对变化率，所测值是基于电池组处于均衡状态，而且只需要一段时间更新一次，不需要每次均衡时读取。
进一步地，所述预动作阈值，其值处于动作阈值与结束阈值之间。
进一步地，所述结束阈值，其值不小于动作阈值的20％。
进一步地，所述均衡阈值，其值小于或等于设定的动作阈值。
进一步地，所述中断均衡，其可以让均衡器中断任意电池的均衡过程。
进一步地，所述方法具体实施过程包括：
首先需要计算各单体电池SOC相对变化率，即Di，如式(1)所示：
Figure BDA0001564600550000021
其中di和
Figure BDA0001564600550000022
分别是在电池组处于均衡状态时，各单体电池SOC以及电池组平均SOC变化率，可分别由式(2)和式(3)求出：
Figure BDA0001564600550000023
Figure BDA0001564600550000024
式(3)中
Figure BDA0001564600550000031
为电池组SOC的平均值，可由式(4)计算：
Figure BDA0001564600550000032
式(4)中n为电池组中单体电池个数；
接着求出各单体电池SOC偏移量，由式(5)可以计算：
Figure BDA0001564600550000033
对电池组中单体电池SOC偏移量达到预动作阈值而未达到动作阈值的电池，取最大SOC偏移量，记为△SOCmax，此时对该电池进行均衡，所需时间为：
Figure BDA0001564600550000034
其中SOCoff为结束阈值，Ie为均衡电流，而对仅次于最大SOC偏移量的电池，其达到动作阈值所需时间为：
Figure BDA0001564600550000035
其中SOCset为动作阈值，取均衡系数k，其中0<k<1，当电池处于预动作区而满足式(8)时，需要对相应的电池进行均衡：
Te≥kTa (8)
当使用中断均衡时，对于正在均衡的电池i，将其均衡至结束阈值所需时间为：
Figure BDA0001564600550000036
在这段时间内，第j节电池达到动作阈值，由于此时第i节电池的SOC偏移量必小于第j节电池的SOC偏移量，中断第i节电池的均衡过程，为第j节电池进行均衡，如果在对第j节电池均衡的过程中还有其它电池达到动作阈值，中断对第j节电池的均衡，为达到动作阈值的电池进行均衡，均衡完毕后，将从后往前依次为被中断的电池进行均衡；由
Figure BDA0001564600550000037
知三阈值及中断均衡控制策略的使用条件如式（11）所示：
Figure BDA0001564600550000041
当满足式(11)时，经过一段时间，各单体电池将会被均衡至设定值附近。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：使用三阈值和中断均衡控制策略，能够在不改变电路拓扑结构，不加大均衡电流的前提下，较好地解决电池组均衡时出现均衡时间重叠的问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1是三阈值均衡控制策略示意图。
图2是使用三阈值和中断均衡控制策略时的运行流程图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种针对大部分主动均衡电路的三阈值和中断均衡控制策略，其中三阈值均衡不仅仅包含传统控制策略中的动作阈值，还包含预动作阈值和结束阈值。通过预测处于预动作阈值和动作阈值之间的单体电池在下一段时间的状态，适当调整其均衡阈值。在三阈值均衡控制策略无法照顾到的情形下，启动中断均衡控制策略，允许电池在均衡过程中被中断。所述控制方法包含如下步骤：
(1)计算出各单体电池在电池组进行均衡时SOC(state of charge)变化率与平均值的差值，记为单体电池SOC相对变换率。
(2)计算出各单体电池SOC与平均SOC的差值，记为单体电池SOC偏移量。
(3)对于SOC偏移量达到预动作阈值而未达到动作阈值的电池，计算最大SOC偏移量的电池在此时刻均衡至结束阈值这段时间内，是否会有其余电池达到动作阈值。根据设定的均衡系数，动态地改变最大SOC偏移量的单体电池均衡阈值。
(4)当电池组中单体电池SOC偏移量分布较为集中，导致三阈值均衡控制策略无法较好地进行均衡时，启动中断均衡控制策略。当某单体电池处于均衡状态，另一节电池到达动作阈值时，此时中断正在均衡的电池的均衡过程，为达到动作阈值的电池进行均衡。均衡完毕后对被中断的电池进行均衡。均衡过程中允许嵌套。
所述的单体电池SOC相对变化率，所测值是基于电池组处于均衡状态，而且只需要一段时间更新一次，不需要每次均衡时读取。
所述的预动作阈值，其值处于动作阈值与结束阈值之间。
所述的结束阈值，其值不小于动作阈值的20％。
所述的均衡阈值，其值小于或等于设定的动作阈值。
所述的中断均衡，其可以让均衡器中断任意电池的均衡过程。
如图2所示，首先需要计算各单体电池SOC相对变化率，即Di。如式(1)所示。
Figure BDA0001564600550000051
其中di和
Figure BDA0001564600550000052
分别是在电池组处于均衡状态时，各单体电池SOC以及电池组平均SOC变化率，可分别由式(2)和式(3)求出。
Figure BDA0001564600550000053
Figure BDA0001564600550000054
式(3)中
Figure BDA0001564600550000055
为电池组SOC的平均值，可由式(4)计算。
Figure BDA0001564600550000056
式(4)中n为电池组中单体电池个数。
接着求出各单体电池SOC偏移量，由式(5)可以计算。
Figure BDA0001564600550000057
对电池组中单体电池SOC偏移量达到预动作阈值而未达到动作阈值的电池，取最大SOC偏移量，记为△SOCmax。此时对该电池进行均衡，所需时间为
Figure BDA0001564600550000058
其中SOCoff为图1中的结束阈值，Ie为均衡电流。而对仅次于最大SOC偏移量的电池，其达到动作阈值所需时间为
Figure BDA0001564600550000061
其中SOCset为图1中的动作阈值。取均衡系数k，其中0<k<1，当电池处于预动作区而满足式(8)时，需要对相应的电池进行均衡。
Te≥kTa(8)
当使用中断均衡时，对于正在均衡的电池i，将其均衡至结束阈值所需时间为
Figure BDA0001564600550000062
在这段时间内，第j节电池达到动作阈值。由于此时第i节电池的SOC偏移量必小于第j节电池的SOC偏移量，中断第i节电池的均衡过程，为第j节电池进行均衡。如果在对第j节电池均衡的过程中还有其它电池达到动作阈值，中断对第j节电池的均衡，为达到动作阈值的电池进行均衡。均衡完毕后，将从后往前依次为被中断的电池进行均衡。在这种情况下，均衡电路的作用被发挥至极致。由
Figure BDA0001564600550000063
知三阈值及中断均衡控制策略的使用条件如式(11)所示。
Figure BDA0001564600550000064
当满足式(11)时，经过一段时间，各单体电池将会被均衡至设定值附近。
使用三阈值及中断均衡控制策略，可以较好地保证各单体电池SOC偏移量基本被维持在动作阈值内，尽量减少均衡时间重叠情况的发生次数。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种锂离子电池组主动均衡控制方法，其特征在于，采用三阈值及中断均衡控制策略，其中三阈值不仅包含传统控制策略中的动作阈值，还包含预动作阈值和结束阈值，所述控制方法包含以下步骤：
(1)计算出各单体电池在电池组进行均衡时SOC变化率与平均值的差值，记为单体电池SOC相对变换率；
(2)计算出各单体电池SOC与平均SOC的差值，记为单体电池SOC偏移量；
(3)对于SOC偏移量达到预动作阈值而未达到动作阈值的电池，计算最大SOC偏移量的电池在此时刻均衡至结束阈值这段时间内，是否会有其余电池达到动作阈值，根据设定的均衡系数，动态地改变最大SOC偏移量的单体电池均衡阈值；
(4)当电池组中单体电池SOC偏移量分布较为集中，导致三阈值均衡控制策略无法较好地进行均衡时，启动中断均衡控制策略；当某单体电池处于均衡状态时，另一节电池到达动作阈值，此时中断正在均衡的电池的均衡过程，为达到动作阈值的电池进行均衡；均衡完毕后对被中断的电池进行均衡；均衡过程中允许嵌套；
所述方法具体过程包括：
首先需要计算各单体电池SOC相对变化率，即Di，如式(1)所示：
Figure FDA0002949740730000011
其中di和
Figure FDA0002949740730000012
分别是在电池组处于均衡状态时，各单体电池SOC以及电池组平均SOC变化率，分别由式(2)和式(3)求出：
Figure FDA0002949740730000013
Figure FDA0002949740730000014
式(3)中
Figure FDA0002949740730000015
为电池组SOC的平均值，由式(4)计算：
Figure FDA0002949740730000016
式(4)中n为电池组中单体电池个数；
接着求出各单体电池SOC偏移量，由式(5)计算：
Figure FDA0002949740730000021
对电池组中单体电池SOC偏移量达到预动作阈值而未达到动作阈值的电池，取最大SOC偏移量，记为△SOCmax，此时对该电池进行均衡，所需时间为：
Figure FDA0002949740730000022
其中SOCoff为结束阈值，Ie为均衡电流，而对仅次于最大SOC偏移量的电池，其达到动作阈值所需时间为：
Figure FDA0002949740730000023
其中SOCset为动作阈值，取均衡系数k，其中0<k<1，当电池处于预动作区而满足式(8)时，需要对相应的电池进行均衡：
Te≥kTa(8)
当使用中断均衡时，对于正在均衡的电池i，将其均衡至结束阈值所需时间为：
Figure FDA0002949740730000024
在这段时间内，第j节电池达到动作阈值，由于此时第i节电池的SOC偏移量必小于第j节电池的SOC偏移量，中断第i节电池的均衡过程，为第j节电池进行均衡，如果在对第j节电池均衡的过程中还有其它电池达到动作阈值，中断对第j节电池的均衡，为达到动作阈值的电池进行均衡，均衡完毕后，将从后往前依次为被中断的电池进行均衡；由
Figure FDA0002949740730000025
知三阈值及中断均衡控制策略的使用条件如式(11)所示：
Figure FDA0002949740730000026
当满足式(11)时，经过一段时间，各单体电池将会被均衡至设定值附近。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池组主动均衡控制方法，其特征在于，所述单体电池SOC相对变化率，所测值是基于电池组处于均衡状态，而且只需要一段时间更新一次，不需要每次均衡时读取。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池组主动均衡控制方法，其特征在于，所述预动作阈值，其值处于动作阈值与结束阈值之间。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池组主动均衡控制方法，其特征在于，所述结束阈值，其值不小于动作阈值的20％。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池组主动均衡控制方法，其特征在于，所述均衡阈值，其值小于或等于设定的动作阈值。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池组主动均衡控制方法，其特征在于，所述中断均衡，其可以让均衡器中断任意电池的均衡过程。
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