CN109017381B - 一种动力电池组复合均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种动力电池组复合均衡控制方法，属于电池管理技术领域。通过采集动力电池组的每个单体电池的电压并计算电压差值，通过安时积分法估算每个单体电池的SOC并计算SOC差值；然后将电压差值和SOC差值以加权的方式综合考虑，根据动力电池组的运行状态，分阶段对电压差值权重系数和SOC差值权重系数进行设置，以实现对动力电池组均衡程度的最优判断。该方法提高了判定电池组不一致性的准确度，提高了均衡效率，改善了均衡效果。

Description

一种动力电池组复合均衡控制方法

技术领域

本发明属于电池管理技术领域，具体涉及一种动力电池组复合均衡控制方法。

背景技术

目前，纯电动汽车的动力系统主要由锂离子动力电池组提供能量。锂离子动力电池组是由大量单体锂离子电池串并联组成，串联以获得较高的输出电压，并联以获得较大的容量。锂离子电池单体具有能量密度高，循环寿命长，生产工艺成熟，相对成本较低等诸多优点。然而当大量电池单体成组使用时，各个电池单体之间通常存在差异，这些差异会引起各个电池单体性能的不一致，性能的不一致会导致电池压差较大，电池容量减小，甚至发生单体电池的过充和过放，进而导致电池组不均衡并且整体性能下降，甚至影响电池组的使用寿命以及安全性。

为了解决上述问题，提高动力电池组的性能，保证电池组的安全性，需要对动力电池组进行均衡管理，动力电池均衡技术应运而生，目前采用的均衡方法主要有以下三种：

第一种，以电压为单一判据制定均衡方法：

动力电池均衡系统将工作电压作为均衡判据，在电池使用时将其工作电压的一致性作为均衡标准。以工作电压作为均衡判据的优点是系统性能要求较低容易控制，特别是当电池长时间静置时，工作电压可以很好地体现电池组的一致性。但是工作电压的一致性无法完全代替电池的一致性，另外由于电池内阻的存在，电池工作电压受电流的影响，电压会随着电流的变化而变化，容易造成系统误判。故这种均衡方法可能使系统发生无效均衡动作。

第二种，以SOC为单一判据制定均衡方法：

动力电池均衡系统将SOC作为均衡判据，相对于工作电压而言，SOC更能体现出电池的不一致性。然而，目前SOC的估算在实际工程应用上绝大多数是采用安时积分法，此估算方法存在累积误差，随着时间的推移，误差将会越来越大，从而影响系统对电池一致性的判断，影响系统均衡效果。

第三种，以相互独立的电压和SOC双判据制定均衡方法：

动力电池均衡系统将工作电压和SOC两个因素作为均衡判据，当系统同时满足以下两个条件：①电压差值(单体电压与电池组平均电压的差值)大于预设电压均衡阈值；②SOC差值(单体SOC与电池组平均SOC的差值)大于预设SOC均衡阈值，系统才启动均衡。此均衡策略较前两种均衡策略，考虑到了电压和SOC双重影响因素，使得均衡效果更加合理有效。但一方面由于动力电池组工作电流不恒定，即电压判据存在误差；另一方面由于SOC估算中累积误差的存在，此方法也存在一定的缺陷。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种动力电池组复合均衡控制方法，结合电压和SOC两个方面以及它们在不同阶段对电池组不一致性的影响程度不同，以加权的形式综合考虑这两方面的影响因素，采取两者权重可变的方式制定均衡方法，该方法提高了判定电池组不一致性的准确度，提高了均衡效率，改善了均衡效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供的一种动力电池组复合均衡控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采集动力电池组两端的温度和电流值，以及每个单体两端的单体电压值，若动力电池组两端的温度大于70℃或者小于-20℃，停止均衡；若动力电池组两端的温度为-20℃～70℃，则进入步骤2；

步骤2、计算动力电池组的电压均值

每个单体电池的SOC以及动力电池组的SOC均值

计算公式如下：

其中，n为动力电池组中单体电池的个数，U_i为第i个单体电池的电压，SOC_i为第i个单体电池的SOC，SOC_i0为第i个单体电池的充放电起始状态的SOC，C为动力电池组的额定容量，I为步骤1采集得到的动力电池组两端的电流值(放电状态为正，充电状态为负)，η为库伦效率系数，t为充放电时间；

步骤3、根据步骤1得到的动力电池组两端的电流值判断动力电池组的工作状态：若该电流值在连续1h内均小于0.01C(此处0.01C表示放电倍率)，则认为动力电池组处于静置状态，进入步骤4；反之处于工作状态，进入步骤5；

步骤4、设置电压差值的权重系数k₁＝1，SOC差值的权重系数k₂＝0，进入步骤8；

步骤5、根据动力电池组的连续运行时间，将工作状态分为两个阶段：当动力电池组连续运行时间小于2h时，为第一工作阶段；当动力电池组连续运行时间大于或等于2h时，为第二工作阶段。当动力电池组处于第一工作阶段时进入步骤6，当动力电池组处于第二工作阶段时进入步骤7；

步骤6、设置电压差值的权重系数k₁＝0.2～0.4，SOC差值的权重系数k₂＝0.6～0.8，进入步骤8；

步骤7、设置电压差值的权重系数k₁＝0.6～0.8，SOC差值的权重系数k₂＝0.2～0.4，进入步骤8；

步骤8、根据如下公式计算每个单体电池的电压差值α_i、每个单体电池的SOC差值β_i和每个单体电池的均衡判据γ_i：

γ_i＝k₁|α_i|+k₂|β_i|

其中，k₁为电压差值的权重系数，k₂为SOC差值的权重系数，且k₁+k₂＝1；

步骤9：判断每个单体电池的均衡判据γ_i是否大于预设均衡开启阈值γ₀：若γ_i＞γ₀，则对第i个单体电池进行充电或放电均衡；若γ_i≤γ₀，停止对第i个单体电池进行均衡，i＝1，2，3，…，n。

进一步地，步骤9所述均衡开启阈值γ₀根据需求进行设定。

本发明对动力电池组进行均衡控制时采用的系统包括动力电池组、电池状态监测模块、电池均衡电路模块和MCU主控模块，所述电池状态监测模块采集动力电池组两端的温度和电流值、以及每个单体两端的单体电压值，并传输至MCU主控模块；

MCU主控模块计算动力电池组的电压均值

每个单体电池的SOC以及动力电池组的SOC均值

综合每个单体电池的电压差值α_i和每个单体电池的SOC差值β_i两方面因素，根据动力电池组的运行状态对这两方面的权值系数进行设置，最后根据均衡判据与预设均衡阈值的大小关系，判断是否需要均衡，MCU主控模块则向电池均衡电路模块发送均衡指令进行均衡。

进一步地，所述电池状态监测模块包括单体电压采集电路、温度采集电路和电流采集电路，用于采集动力电池组两端的温度和电流值、以及每个单体两端的单体电压值。所述电池状态监测模块与所述动力电池组直接相连，并通过隔离电路与所述MCU主控模块进行通信；电池状态监测模块具有过压、欠压、高温、过流保护功能，并可及时向MCU发送警告信息。

进一步地，所述电池均衡电路模块可以采用电容式、电感式或者变压器式均衡电路。

进一步地，所述动力电池组中单体电池的个数为3～12。

进一步地，所述MCU主控模块采用STM32、DSP或者飞思卡尔等实现。

进一步地，所述MCU主控模块计算的动力电池组的电压均值为：

式中，n为电池组的单体电池的个数；U_i为第i个单体电池的电压。

所述单体电池SOC的计算采用安时积分法，单体电池的SOC为：

式中，SOC_i为第i个单体电池的SOC；SOC_i0为第i个单体电池的充放电起始状态的SOC；C为动力电池组的额定容量；I为动力电池组两端的电流值(放电状态为正，充电状态为负)；η为库伦效率系数；t为充放电时间。

所述动力电池组的SOC均值为：

式中，n为电池组的单体电池的个数；SOC_i为第i个单体电池的SOC值。

进一步地，所述电压差值为：

α_i的大小用于在电压方面评价电池不一致的程度，|α_i|越大，表明电池的一致性越差，越需要进行均衡。

所述SOC差值为：

β_i的大小用于在SOC方面评价电池不一致的程度，|β_i|越大，表明电池的一致性越差，越需要进行均衡。

进一步地，所述均衡判据为：

γ_i＝k₁|α_i|+k₂|β_i|

式中，k₁为电压差值的权重系数，k₂为SOC差值的权重系数，且k₁+k₂＝1，γ_i为第i个单体电池的均衡判据。

本发明提供的一种动力电池组复合均衡控制方法，根据动力电池组的运行状态，分阶段对电压差值权重系数和SOC差值权重系数进行设置。若通过动力电池组的电流在连续1h内均小于0.01C(此处0.01C表示放电倍率)，则认为动力电池组处于静置状态；反之处于工作状态。当动力电池组处于静置状态时，无大电流流过，SOC值基本不变，可直接通过电压差值来判断电池组的不一致性，该阶段设置电压差值的权重系数k₁＝1，SOC差值的权重系数k₂＝0。当动力电池组处于工作状态时，动力电池组有大电流流过，SOC通过安时积分法进行估算，由于安时积分法是电流对时间的积分，其误差也会随时间的增加而累加，故存在累积误差。为了削弱SOC累积误差对均衡判据的影响，将动力电池组的工作状态分为两个阶段：当动力电池组连续运行时间小于2h时，为第一工作阶段；当动力电池组连续运行时间大于或等于2h时，为第二阶段。当动力电池组处于第一工作阶段时，SOC估算较为精准，可设置电压差值的权重系数k1＝0.2～0.4，SOC差值的权重系数k2＝0.6～0.8。当动力电池组处于第二工作阶段，SOC估算误差较大，为减小SOC估算误差对均衡判据的影响，可设置电压差值权重系数k1＝0.6～0.8，SOC差值权重系数k2＝0.2～0.4。最后，根据每个单体电池的均衡判据γ_i(表示结合电压和SOC两个方面来评价电池不一致的程度)来判断是否需要均衡，γ_i越大表明电池一致性越差，越需要进行均衡，当γ_i大于预设均衡开启阈值γ₀即启动电池均衡电路模块。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种动力电池组复合均衡控制方法，通过采集动力电池组的每个单体电池的电压并计算电压差值，通过安时积分法估算每个单体电池的SOC并计算SOC差值；然后将电压差值和SOC差值以加权的方式综合考虑，根据动力电池组的运行状态，分阶段对电压差值权重系数和SOC差值权重系数进行设置，以实现对动力电池组均衡程度的最优判断。该方法提高了判定电池组不一致性的准确度，提高了均衡效率，改善了均衡效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种动力电池组复合均衡控制时采用的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中动力电池组的电气连接示意图；

图3为本发明提供的一种动力电池组复合均衡控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

图1为本发明实施例提供的一种动力电池组复合均衡控制时采用的系统的结构示意图，主要包括动力电池组、电池状态监测模块、MCU主控模块和电池均衡电路模块，其中，电池状态监测模块包括单体电压采集电路、温度采集电路和电流采集电路，以实时监测动力电池组两端的温度和电流值、以及每个单体两端的单体电压值。

具体的，图2为本发明实施例中动力电池组的电气连接示意图，磷酸铁锂电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，但单体电池电压较低、容量较小，无法满足电动汽车所需的电力驱动要求。故需要大量单体电池以串并联的方式成组，通过串联以提高电压，并联以提高容量，本实施例中的动力电池组采用先并后串的连接方式，每k节单体电池并联成一组，然后m组串联起来构成动力电池组。需要注意的是所使用的单体电池要选择同一厂家同一批次生产出来的一致性较好的电池。

本实施例中的单体电压采集电路采用Linear Technology的解决方案，选用电池组监视器LTC6811-2作为单体电压采集芯片。LTC6811-2是一款多节电池组监视器，每片可测量多达12个串接电池并具有低于1.2mV的总测量误差；所有12节电池可在290μs内完成测量，并可选择较低的数据采集速率以实现高噪声抑制。另外，还可以把多个LTC6811-2器件并联使用，能在长的高电压电池串中实现电池的同时监视。LTC6811-2的输入接口直接与n个单体电池直接连接，输出接口通过变压器隔离后以SPI(Serial Peripheral Interface)总线的方式连接至MCU主控模块，将采集到的单体电压信息实时传送至MCU主控模块，同时若有某单体电池电压超过充电截至电压阈值或低于放电截至电压阈值，需向MCU发出报警信息。

本实施例中的温度采集电路采用DS18B20温度检测传感器。DS18B20是单总线数字温度测量传感器，在-55℃～+125℃的工作环境下测量精度可以达到0.5℃，满足电动汽车电池模组温度数据采集的精度要求。多个器件可以连接在一根数据总线上，通过读写时序分时对总线上的多个DS18B20读取温度信息。多个DS18B20可挂接在一根数据总线上直接连接至MCU主控模块，将所监测到的温度信息传送至MCU主控模块。需要注意的是，一根总线上最多能挂接7个DS18B20，若超过7个需要另加一根总线。同时若有某处的温度过高，超过预设的温度阈值，需向MCU发出报警信息。

本实施例中的电流采集电路采用霍尔电流传感器以及信号调理电路来采集电流数据。霍尔电流传感器具有测量精度高、响应速度快、线性度好以及可靠性高、易于安装等优点，满足电动汽车的动力电池组的数据采集系统的设计要求。由于霍尔电流传感器的输出电压与MCU的IO口电压水平不匹配，故中间需要加入一信号调理电路进行电压匹配。

本实施例中的动力电池组，采用3串12并的电气连接结构，先将12个单体电芯并联，再将其串联起来。

本实施例中的主控模块采用意法半导体的STM32F103ZET6主控芯片，STM32系列用于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计系统，具有丰富的硬件资源，可以满足本均衡系统的设计要求。

本实施例中的电池均衡电路模块采用双向反激式变压器电路拓扑结构，采用Linear Technology的LTC3300-1作为开关控制器。每个单体电池正负极均通过MOS管与变压器的原边相连，每个变压器的副边同样通过MOS管并联起来再与动力电池组的正负极相连接。MOS管的开关控制引脚与LTC3300-1的输出引脚相连，用于接收开关控制器的开关控制信号。LTC3300-1的输入为SPI总线接口，用于接收MCU的均衡控制命令。

如图3所示，为本发明提供的一种动力电池组复合均衡控制方法的流程图；具体包括以下步骤：

步骤1、MCU主控模块控制电池状态监测模块采集动力电池组两端的温度和电流值，以及每个单体两端的单体电压值，电池状态监测模块将采集的数据发送至MCU主控模块；MCU主控模块根据接收到的数据判断：若动力电池组两端的温度大于70℃或者小于-20℃，MCU主控模块向各个模块发出休眠指令，使均衡系统停止工作；若动力电池组两端的温度为-20℃～70℃，则进入步骤2；

步骤2、MCU主控模块根据公式计算动力电池组的电压均值

每个单体电池的SOC以及动力电池组的SOC均值

计算公式如下：

其中，n为动力电池组中单体电池的个数，U_i为第i个单体电池的电压，SOC_i为第i个单体电池的SOC，SOC_i0为第i个单体电池的充放电起始状态的SOC，C为动力电池组的额定容量，I为动力电池组两端的电流值(放电状态为正，充电状态为负)，η为库伦效率系数，t为充放电时间；

步骤3、根据步骤1得到的动力电池组两端的电流值判断动力电池组的工作状态：若该电流值在连续1h内均小于0.01C(此处0.01C表示放电倍率)，则认为动力电池组处于静置状态，进入步骤4；反之处于工作状态，进入步骤5；

步骤4、设置电压差值的权重系数k₁＝1，SOC差值的权重系数k₂＝0，进入步骤8；

步骤5、根据动力电池组的连续运行时间，将工作状态分为两个阶段：当动力电池组连续运行时间小于2h时，为第一工作阶段；当动力电池组连续运行时间大于或等于2h时，为第二阶段。当动力电池组处于第一工作阶段时进入步骤6，当动力电池组处于第二工作阶段时进入步骤7；

步骤6、设置电压差值的权重系数k₁＝0.3，SOC差值的权重系数k₂＝0.7，进入步骤8；

步骤7、设置电压差值的权重系数k₁＝0.7，SOC差值的权重系数k₂＝0.3，进入步骤8；

步骤8、根据如下公式计算每个单体电池的电压差值α_i、每个单体电池的SOC差值β_i和每个单体电池的均衡判据γ_i：

γ_i＝k₁|α_i|+k₂|β_i|

其中，k₁为电压差值的权重系数，k₂为SOC差值的权重系数，且k₁+k₂＝1；

步骤9：判断每个单体电池的均衡判据γ_i是否大于预设均衡开启阈值γ₀：若γ_i＞γ₀，

则对第i个单体电池进行放电均衡；若γ_i＞γ₀，

则对第i个单体电池进行充电均衡；若γ_i≤γ₀，停止对第i个单体电池进行均衡。

具体的，电池均衡电路模块作为本系统的均衡执行机构，根据MCU主控模块的均衡指令对电池组进行均衡。目前电池均衡电路形式多种多样，本实施例对电路的具体拓扑结构不做要求。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限定。应当指出，任何熟悉本技术领域的技术人员不付出创造性劳动而得到的变化或者替换，都应该属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种动力电池组复合均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采集动力电池组两端的温度和电流值，以及每个单体两端的单体电压值，若动力电池组两端的温度大于70℃或者小于-20℃，停止均衡；若动力电池组两端的温度为-20℃～70℃，则进入步骤2；

步骤2、计算动力电池组的电压均值

每个单体电池的SOC以及动力电池组的SOC均值

计算公式如下：

其中，n为动力电池组中单体电池的个数，U_i为第i个单体电池的电压，SOC_i为第i个单体电池的SOC，SOC_i0为第i个单体电池的充放电起始状态的SOC，C为动力电池组的额定容量，I为步骤1采集得到的动力电池组两端的电流值，η为库伦效率系数，t为充放电时间；

步骤3、根据步骤1得到的动力电池组两端的电流值判断动力电池组的工作状态：若该电流值在连续1h内均小于0.01C，0.01C表示放电倍率，则认为动力电池组处于静置状态，进入步骤4；反之处于工作状态，进入步骤5；

步骤4、设置电压差值的权重系数k₁＝1，SOC差值的权重系数k₂＝0，进入步骤8；

步骤5、根据动力电池组的连续运行时间，将工作状态分为两个阶段：当动力电池组连续运行时间小于2h时，为第一工作阶段，进入步骤6；当动力电池组连续运行时间大于或等于2h时，为第二工作阶段，进入步骤7；

步骤6、设置电压差值的权重系数k₁＝0.2～0.4，SOC差值的权重系数k₂＝0.6～0.8，进入步骤8；

步骤7、设置电压差值的权重系数k₁＝0.6～0.8，SOC差值的权重系数k₂＝0.2～0.4，进入步骤8；

步骤8、根据如下公式计算每个单体电池的电压差值α_i、每个单体电池的SOC差值β_i和每个单体电池的均衡判据γ_i：

γ_i＝k₁|α_i|+k₂|β_i|

其中，k₁为电压差值的权重系数，k₂为SOC差值的权重系数，且k₁+k₂＝1；

步骤9：判断每个单体电池的均衡判据γ_i是否大于预设均衡开启阈值γ₀：若γ_i>γ₀，则对第i个单体电池进行充电或放电均衡；若γ_i≤γ₀，停止对第i个单体电池进行均衡。

2.根据权利要求1所述的动力电池组复合均衡控制方法，其特征在于，步骤9所述均衡开启阈值γ₀根据需求进行设定。

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