CN108511818A - 一种计及热力学soc一致性的电池组均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计及热力学SOC一致性的电池组均衡方法，属于电池管理技术领域。该方法包含如下步骤：S1：选择电池内部化学成分及其反应进行程度的热力学荷电状态作为均衡判据；S2：制定均衡目标制定使得电池的热力学SOC达到一致；S3：建立SOC估计误差的模型，减小热力学SOC估计的不确定性、确定估计误差的范围；S4：建立基于模糊控制的均衡策略。本发明方法解决了电池组参数不一致性条件下均衡策略的精确性问题，采用热力学SOC作为均衡策略的依据，并且将热力学SOC达到一致作为均衡目标，提高了对电池真实状态判断的准确性。

Description

一种计及热力学SOC一致性的电池组均衡方法

技术领域

本发明属于电池管理技术领域，涉及一种计及热力学SOC一致性的电池组均衡方法。

背景技术

串联电池组在使用的过程中，由于电池箱中温度场分布不均匀，导致电池单体之间的库伦效率、自放电率等存在差异性。在经过数次循环充放电后，各个单体电池中的可释放容量将会不一致，这将导致电池组总容量下降，最终降低车辆的续驶里程。

因此，研究高效的均衡策略是实现电池组优化管理的关键技术之一。现有的基于工作电压、SOC(基于容量定义)和容量的均衡策略均由电极过程动力学因素所决定，这些基于动力学参数的均衡策略同时受电池内部反应过程和外部激励的影响，多种影响因素将会给电池真实的状态判断带来干扰。另外，由于生产制造工艺的限制，同一批次电池的特性参数也会存在不一致性。电池组特性参数的不一致性将会给均衡判据带来误差，进而导致过均衡的问题。另外，OCV是热力学SOC的外特性表征，由于生产制造工艺的限制，同一批次电池的OCV也会存在不一致性。电池组OCV的不一致性将会给热力学SOC的估计带来误差，进而导致过均衡的问题。

随着主动均衡技术的发展，对均衡系统中均衡策略的精确性提出了迫切需求。解决电池组参数不一致条件下均衡策略的精确性问题是电池管理研究中的关键技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种计及热力学SOC一致性的电池组均衡方法，解决了电池组参数不一致条件下均衡策略的精确性问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种计及热力学SOC一致性的电池组均衡方法，该方法包含如下步骤：

S1：选择电池内部化学成分及其反应进行程度的热力学荷电状态(State ofCharge,SOC)作为均衡判据；

S2：制定均衡目标制定使得电池的热力学SOC达到一致；

S3：建立SOC估计误差的模型，减小热力学SOC估计的不确定性、确定估计误差的范围；

S4：建立基于模糊控制的均衡策略。

进一步，步骤S1中热力学SOC定义为：

SOC＝x×100％

其中，x为正负极活性材料中锂离子的嵌入比例。

进一步，步骤S2中所述均衡目标满足任意时刻电池的开路电压(Open CircuitVoltage,OVC)相等。

进一步，步骤S3中SOC估计误差满足：

其中，SOC_Ave为SOC-OCV均值，SOC_Ave+Std，SOC_Ave-Std分别为SOC-OCV标准差与SOC-OCV均值的正负偏差，其估计公式分别如下：

SOC_Ave+Std＝g_μ+g_σ

SOC_Ave＝g_μ

SOC_Ave-Std＝g_μ-g_σ

其中，g_σ、g_μ分别为SOC-OCV标准差和SOC-OCV均值，满足：

其中，n为电池的总节数，g(i)为第i节电池的SOC-OCV对应关系函数。

进一步，步骤S4包含如下步骤：

S41：设计基于模糊控制的均衡策略系统结构；

S42：通过确定输入、输出变量的语言值域及其隶属度函数，建立模糊控制规则和模糊查询表，完成模糊控制器的设计；

S43：设计均衡电路；

S44：计算均衡时间。

进一步，步骤S44包含如下步骤：

S441：将n节电池的SOC记为SOC_Equ(i)，并按照升序排列；

S442：将SOC_Equ(min)和SOC_Equ(min+1)均衡至数值相同；

S443：将n节电池均衡后的SOC记为SOC′_Equ(i)，并按照升序排列；

S444：将SOC′_Equ(max)和SOC′_Equ(max-1)均衡至相同数值；

S445：将n节电池二次均衡后的SOC记为SOC″_Equ(i)，并按照升序排列；

S446：判断所有的电池单体的SOC_Equ(i)均衡至相同，若是则结束，若否，则执行S441。

本发明的有益效果在于：本发明提出了计及热力学SOC一致性的电池组均衡方法，解决了电池组参数不一致性条件下均衡策略的精确性问题，采用热力学SOC作为均衡策略的依据，并且将热力学SOC达到一致作为均衡目标，提高了对电池真实状态判断的准确性。利用模糊控制对强非线性和不确定性系统的适用性，解决了电池组过均衡问题。

本发明还具有如下优点：

1)热力学SOC是在热力学平衡状态下进行测量的，能够准确定义电池内部化学成分及其反应进行的程度，有益于准确判断电池的状态。

2)基于SOC-OCV统计参数对应关系函数，可以有效地减小热力学SOC估计的不确定性，并且可以确定SOC估计误差的范围。

3)模糊控制是一种智能控制算法，鲁棒性高、容错性强，解决了由于SOC估计误差的存在而导致的过均衡问题。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1是本发明整体的方法流程图；

图2是热力学SOC的定义和估计示意图；

图3是SOC估计误差的示意图；

图4是利用模糊控制实现均衡策略的流程图；

图5是模糊控制系统结构的示意图；

图6是均衡电路的示意图；

图7是均衡时间的计算流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本发明方法分为以下步骤：

S1：选择能够准确定义电池内部化学成分及其反应进行程度的热力学SOC作为均衡判据；

S2：制定均衡目标为使得电池的热力学SOC达到一致；

S3：建立SOC估计误差的模型，从而减小热力学SOC估计的不确定性、确定估计误差的范围；

S4：利用模糊控制实现均衡策略，建立基于模糊控制的均衡策略；

如图2所示，步骤S1中热力学SOC的定义和估计如下：

首先是热力学SOC的定义。本实施例选取嵌锂石墨为负极、LiFePO₄为正极、LiPF₆溶于EC/DMC的电解质构成的锂离子电池为研究对象，其电化学表达式为：

(-)Cn|LiPF₆+EC+DMC|LiFeO₄(+)

电池在充放电时正负极反应如下：

正极：

负极：

通过反应式可以看出，电池中活性物质反应程度与锂离子的嵌入比例有较好的对应关系，由此可以定义热力学SOC为正负极材料中锂离子的嵌入比例。以嵌锂石墨材料Li_xC₆为例，SOC＝x×100％；对Li_0.5C₆，x＝0.5，则SOC＝50％。

其次是热力学SOC的估计。在实际应用中，正负极活性材料中锂离子的嵌入比例无法实时测量，所以需要找到其对应的电池外特性表示。根据能斯特方程可以得到每个电极上的平衡电势如下：

正极电势：

负极电势：

式中，E⁰——标准电极氧化还原电势(V)；

R——气体常数；

T——热力学温度(K)；

n——电荷转移反应的电子数；

F——法拉第常数；

C(i)——物质的浓度。

对完整电池的电动势(Electromotive Force，EMF)，可以由正负极电势相减得到：

从以上关系中可以看出，电极电势与正负极活性材料中嵌锂比例具有单调性关系，所以本发明将电池的EMF作为热力学SOC的外特性表示。

步骤S3中SOC估计误差如图3所示。图3为本实施例从100节圆柱体标称容量为5Ah的小容量动力电池YB-B中任意选取12节得到的结果。

如图4所示，步骤S4具体包括如下步骤：

S41：设计模糊控制系统的结构，如图5所示。电压采集芯片采集电池组中每一节单体电池的OCV后，通过公式计算出每一节电池的SOC，SOC_Ave(i)，然后计算所有电池的平均SOC，记为并作为均衡目标。这样每一节电池需要均衡的SOC，SOC′_Equ(i)如下。为此，模糊控制器选择两输入-单输出二维结构形式。输入变量选为SOC′_Equ(i)和SOC_Ave(i)，输出变量选为实际均衡的SOC，记为SOC_Equ(i)。利用均衡时间单元计算出每一节电池需要均衡的时间后，控制均衡电路中对应通道对电池进行均衡。

每一节单体电池SOC：

SOC_Ave＝g_μ

平均SOC：

需要均衡的SOC：

S42：进行模糊控制器的设计：

S421：确定语言值域及其隶属度函数。分别确定输入变量SOC′_Equ(i)、SOC_Ave(i)及输出变量SOC_Equ(i)的语言值域及其隶属度函数。

S422：建立模糊控制规则。本发明根据专家经验法来确定规则，根据需要均衡的SOC和图3所示的SOC估计误差分析归纳，来制定实际均衡SOC的模糊控制规则。

S423：建立模糊控制查询表。根据两个输入变量的语言变量的量化等级，便可以求得输出语言变量的模糊子集。应用最大隶属度法对此模糊集合进行模糊判决得到模糊控制查询表。

S43：设计均衡电路。如图6所示，采用一个基于全桥结构的隔离双向均衡电路。电路主要由隔离双向DC/DC变换器和开关阵列组成，工作在升压和降压两种模式下。在升压模式中，电量从一个单体电池传送到整组电池。DC/DC变换器的输入电流为-I_nEqI，输出电流为I_Equ。被选通单体电池的均衡电流为I_Equ-I_nEqu，电池组中其他单体电池的均衡电流为I_Equ；在降压模式中，电量从整组电池传送到一个单体电池。DC/DC变换器的输入电流为-I_Equ，输出电流为I_nEqu。被选通单体电池的均衡电流为I_nEqu-I_Equ，电池组中其他单体电池的均衡电流为-I_Equ。

S44：计算均衡时间。本实施例采用简单的排序算法来优化均衡时间，如图7所示，包含如下步骤：

S441：将n节电池的SOC_Equ(i)按照升序排列，如[SOC_Equ(min),SOC_Equ(min+1),SOC_Equ(min+2),...,SOC_Equ(max)]

S442：将SOC_Equ(min)和SOC_Equ(min+1)均衡至数值相同；

S443：将均衡后的n节电池按照SOC_Equ(i)按照升序排列，如[SOC′_Equ(min)，SOC′_Equ(min+1),SOC′_Equ(min+2)，...，SOC′_Equ(max)]；

S444：将SOC′_Equ(max)和SOC′_Equ(max-1)均衡至相同数值；

S445：将均衡后的n节电池按照SOC_Equ(i)按照升序排列，如[SOC″_Equ(min)，SOC″_Equ(min+1)，SOC″_Equ(min+2)，...，SOC″_Equ(max)]；

S446：判断所有的电池单体的SOC_Equ(i)均衡至相同，若是则结束，若否，则执行S441。

其中，步骤S421中，两节电池的SOC_Equ(i)计算公式如下：

式中，C_n表示电池的标称容量(A·h)，I_nEqu-I_Equ表示SOC_Equ(min)单体的均衡电流(A)；

-I_Equ表示SOC_Equ(min+1)单体的均衡电流(A)，t₁表示第一步的均衡时间(s)。

步骤S444中，两节电池的SOC_Equ(i)计算公式如下：

式中，I_Equ-I_nEqu表示SOC′_Equ(max)单体的均衡电流(A)，I_Equ表示SOC′_Equ(max-1)单体的均衡电流(A)，t₂表示第二步的均衡时间(s)。

根据本实施例所涉及的计及热力学SOC一致性的电池组均衡策略,解决了电池组参数不一致性条件下均衡策略的精确性问题，采用热力学SOC作为均衡策略的依据及目标，提高了对电池真实状态判断的准确性。利用模糊控制对强非线性和不确定性系统的适用性，解决了电池组过均衡问题。

采用本实施例所涉及的计及热力学SOC一致性的电池组均衡策略的优点是：

1)热力学SOC是在热力学平衡状态下进行测量的，能够准确定义电池内部化学成分及其反应进行的程度，有益于准确判断电池的状态。

2)基于SOC-OCV统计参数对应关系函数，可以有效地减小热力学SOC估计的不确定性，并且可以确定SOC估计误差的范围。

3)模糊控制是一种智能控制算法，鲁棒性高、容错性强，解决了由于SOC估计误差的存在而导致的过均衡问题。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种计及热力学SOC一致性的电池组均衡方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：

S1：选择电池内部化学成分及其反应进行程度的热力学荷电状态(State of Charge，SOC)作为均衡判据；

S2：制定均衡目标制定使得电池的热力学SOC达到一致；

S3：建立SOC估计误差的模型，减小热力学SOC估计的不确定性、确定估计误差的范围；

S4：建立基于模糊控制的均衡策略。

2.根据权利要求1所示的一种计及热力学SOC一致性的电池组均衡方法，其特征在于：步骤S1中热力学SOC定义为：

SOC＝x×100％

其中，x为正负极活性材料中锂离子的嵌入比例。

3.根据权利要求2所示的一种计及热力学SOC一致性的电池组均衡方法，其特征在于：步骤S2中所述均衡目标满足任意时刻电池的开路电压(Open Circuit Voltage，OVC)相等。

4.根据权利要求2所示的一种计及热力学SOC一致性的电池组均衡方法，其特征在于：步骤S3中SOC估计误差满足：

其中，SOC_Ave为SOC-OCV均值，SOC_Ave+Std，SOC_Ave-Std分别为SOC-OCV标准差与SOC-OCV均值的正负偏差，其估计公式分别如下：

SOC_Ave+Std＝g_μ+g_σ

SOC_Ave＝g_μ

SOC_Ave-Std＝g_μ-g_σ

其中，g_σ、g_μ分别为SOC-OCV标准差和SOC-OCV均值，满足：

其中，n为电池的总节数，g(i)为第i节电池的SOC-OCV对应关系函数。

5.根据权利要求4所示的一种计及热力学SOC一致性的电池组均衡方法，其特征在于：步骤S4包含如下步骤：

S41：设计基于模糊控制的均衡策略系统结构；

S42：通过确定输入、输出变量的语言值域及其隶属度函数，建立模糊控制规则和模糊查询表，完成模糊控制器的设计；

S43：设计均衡电路；

S44：计算均衡时间。

6.根据权利要求5所示的一种计及热力学SOC一致性的电池组均衡方法，其特征在于：

步骤S44包含如下步骤：

S441：将n节电池的SOC记为SOC_Equ(i)，并按照升序排列；

S442：将SOC_Equ(min)和SOC_Equ(min+1)均衡至数值相同；

S443：将n节电池均衡后的SOC记为SOC′_Equ(i)，并按照升序排列；

S444：将SOC′_Equ(max)和SOC′_Equ(max-1)均衡至相同数值；

S445：将n节电池二次均衡后的SOC记为SOC″_Equ(i)，并按照升序排列；

S446：判断所有的电池单体的SOC_Equ(i)均衡至相同，若是则结束，若否，则执行S441。