CN109638907B - 基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法 - Google Patents

基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法，包括如下步骤：步骤1：蓄电池组在浮充状态下，在任意时刻分别向均衡线路中注入小电流，并分别测得各个时刻的均衡线路端电压值；步骤2：计算均衡线路输出回路上的电流，结合步骤1得到的均衡线路端电压值，计算均衡线路输出回路的线路阻抗；步骤3：分别测量大电流均衡过程中均衡线路中的各端电压值；步骤4：根据步骤2得到的均衡线路输出回路的线路阻抗，计算均衡过程中均衡线路输出回路的线路压降；步骤5：根据步骤3得到的均衡线路各端电压值，对蓄电池组各单体电压测量值做在线补偿，增加步骤4中所得到的均衡线路输出回路的线路压降。

Description

基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法
技术领域
本发明涉及蓄电池监控技术，特别是基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法。
背景技术
直流电源系统用的蓄电池组主要采用阀控密封铅酸蓄电池，通常将n节单体电压为2V、6V、12V的蓄电池串联组成直流供电系统以浮冲方式运行，作为直流负载的后备应急电源。运行中，由于串联蓄电池组单体电池有着不可避免的不一致性，而这种不一致随着电池组反复充放电而逐渐加剧，降低了电池组的可用容量，甚至会影响电池组的安全可靠运行。因此，实际应用中，通常采用电池均衡系统缓解单体电池的不一致，随着直流负荷越来越大，要求均衡电流也要随着负荷来变化，采用大电流均衡时，采样线路上的压降就不可忽略了，否则势必对单体电压的测量精度造成影响，进而影响到整个蓄电池组的均衡控制效果。而且，由于蓄电池组所在应用场合的差异性，即采样线路的长短、粗细差异，导致线路阻抗的不一致，所以阻抗的自学习过程也是必不可少的。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法，包括如下步骤：
步骤1：蓄电池组在浮充状态下，在任意时刻分别向均衡线路中注入小电流，并分别测得各个时刻的均衡线路端电压值；
步骤2：计算均衡线路输出回路上的电流，结合步骤1得到的均衡线路端电压值，计算均衡线路输出回路的线路阻抗；
步骤3：分别测量大电流均衡过程中均衡线路中的各端电压值；
步骤4：根据步骤2得到的均衡线路输出回路的线路阻抗，计算均衡过程中均衡线路输出回路的线路压降；
步骤5：根据步骤3得到的均衡线路各端电压值，对蓄电池组各单体电压测量值做在线补偿，增加步骤4中所得到的均衡线路输出回路的线路压降。
本发明中，步骤1中均衡线路由跨接在相邻两节电池上的各个主动均衡单元组成，主动均衡单元为由开关管、续流二极管和储能电感组成的均衡电路，通过控制开关管的开通和关断，在t1、t2、t3三个时刻分3次向均衡线路中注入小电流，注入小电流的电流大小不超过蓄电池以0.1C放电率放电时放电电流的一半，且小电流即为流过储能电感L1的t1时刻电流IL1(t1)、t2时刻电流IL1(t2)、t3时刻电流IL1(t3)、流过储能电感L2的t1时刻电流IL2(t1)、t2时刻电流IL2(t2)、t3时刻电流IL2(t3)，同时分别测得三个时刻的均衡线路端电压值，t1时刻V1端电压值V1(t1)、t2时刻V1端电压值V1(t2)、t3时刻V1端电压值V1(t3)、t1时刻V2端电压值V2(t1)、t2时刻V2端电压值V2(t2)、t3时刻V2端电压值V2(3)、t1时刻V3端电压值V3(t1)、t2时刻V3端电压值V3(t2)、t3时刻V3端电压值V3(t3)。
本发明中，步骤2中，均衡线路输出回路在第一单体电池B1上产生的输入电流I1、输出电流I2，计算过程如下：
在第一单体电池B1、第二单体电池B2及第一主动均衡单元构成的均衡子模块中，根据升降压斩波原理公式(1)；
Figure BDA0001890679270000021
根据公式(1)得到公式(2)，根据公式(2)计算第一主动均衡单元的正向输入电流Ii1、第一主动均衡单元的反向输入电流Io1：
Figure BDA0001890679270000022
同理，在第二单体电池B2、第三单体电池B3及第二主动均衡单元构成的均衡子模块中，根据升降压斩波原理公式(3)；
Figure BDA0001890679270000023
根据公式(3)得到公式(4)，根据公式(4)计算第二主动均衡单元的正向输入电流Ii2、第二主动均衡单元的反向输入电流Io2：
Figure BDA0001890679270000031
由电路KCL可知，I1＝Ii1，I2＝IL1-Ii2，将公式(2)和(4)代入，根据公式(5)和公式(6)计算t1、t2、t3三个时刻均衡线路输出回路上的输入电流I1(t1)、I1(t2)、I1(t3)和输出电流I2(t1)、I2(t2)、I2(t3)；
Figure BDA0001890679270000032
Figure BDA0001890679270000033
本发明中，所述均衡线路输出回路的线路阻抗用与第一单体电池B1正极相连接的线路等效阻抗R1和与第一单体电池B1负极相连接的线路等效阻抗R2表示，在第一单体电池B1所在线路中，由电路KVL可知，根据公式(7)、公式(8)、公式(9)分别对应得到t1、t2、t3三个时刻第一单体电池B1电压VB1(t1)、VB1(t2)、VB1(t3)。
VB1(t1)＝V1(t1)+I1(t1)R1+I2(t1)R2 (7)
VB1(t2)＝V1(t2)+I1(t2)R1+I2(t2)R2 (8)
VB1(t3)＝V1(t3)+I1(t3)R1+I2(t3)R2 (9)
t1、t2、t3时刻分别注入小电流，电池单体电压VB1保持不变，即VB1(t1)＝VB1(t2)＝VB1(t3)，将公式(7)和(8)相减，公式(8)和(9)相减，再将公式(5)和(6)代入得到(10)，根据公式(10)计算等效阻抗R1和等效阻抗R2：
Figure BDA0001890679270000041
本发明中，步骤3中在大电流均衡过程中任意时刻测量均衡线路中的各端电压值V1、V2、V3，步骤4中所述的均衡过程中均衡线路输出回路的线路压降用ΔV表示，在第一单体电池B1所在线路中：
ΔV＝I1R1+I2R2， (11)，
其中电流I1、电流I2为均衡线路的实际均衡电流IL1、IL2在输出回路上的电流再分配，计算过程如下，在第一单体电池B1、第二单体电池B2及第一主动均衡单元构成的均衡子模块中，根据升降压斩波原理公式(12)；
Figure BDA0001890679270000042
根据公式(12)得到公式(13)，根据公式(13)计算第一主动均衡单元的正向输入电流Ii1、第一主动均衡单元的反向输入电流Io1：
Figure BDA0001890679270000043
同理，根据公式(14)计算第二主动均衡单元的正向输入电流Ii2、第二主动均衡单元的反向输入电流Io2：
Figure BDA0001890679270000044
由电路KCL可知，I1＝Ii1，I2＝IL1-Ii2，将公式(13)和(14)代入，，即得到公式(15)
Figure BDA0001890679270000051
将公式(15)代入公式(11)，得到ΔV：
Figure BDA0001890679270000052
根据公式(12)计算均衡过程中的均衡线路的输出回路压降ΔV。
本发明中，其特征在于，步骤5中，修正后的蓄电池组各单体电压测量值用VB1表示，
VB1＝V1+ΔV， (13)，
将公式(12)代入公式(13)，得到修正后的第一单体电池B1电压测量值VB1为：
Figure BDA0001890679270000053
根据公式(14)计算第一单体电池B1电压测量值。
本发明中，在大电流主动均衡条件下，得到了更优越的均衡效果；方法简洁高效，通过自学习算法，在不增加硬件成本的情况下，更有效的提高了蓄电池组的均衡控制效果。
有益效果：本发明可以在蓄电池组均衡过程中在线计算线路压降，用来修正单体电池的电压值，提高了单体电压的测量精度；
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明的基于大电流主动均衡的4级串联蓄电池组单体电压在线测量方法示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法，4级串联的蓄电池组均衡电路，由跨接在相邻两节电池上的各个主动均衡单元组成，每个主动均衡单元可以为由开关管、续流二极管和储能电感组成的基本均衡电路，也可以为其他经过改进的或者优化的主动均衡电路，如为基本均衡电路，则通过控制开关管的开通和关断。
该方法通过在蓄电池组浮充状态时自动学习线路阻抗，此时蓄电池组处于稳态，且浮充电流很小，不会对线路阻抗的学习产生影响，进而当蓄电池组处在大电流主动均衡条件下时，就能实现蓄电池组单体电压的在线精确测量，该方法包括如下步骤：
步骤1：蓄电池组在浮充状态下，在任意时刻分别向均衡线路中注入小电流，并分别测得各个时刻的均衡线路端电压值；
步骤2：计算均衡线路输出回路上的电流，结合步骤1得到的均衡线路端电压值，计算均衡线路输出回路的线路阻抗；
步骤3：分别测量大电流均衡过程中均衡线路中的各端电压值；
步骤4：根据步骤2得到的均衡线路输出回路的线路阻抗，计算均衡过程中均衡线路输出回路的线路压降；
步骤5：根据步骤3得到的均衡线路各端电压值，对蓄电池组各单体电压测量值做在线补偿，增加步骤4中所得到的均衡线路输出回路的线路压降。
本发明中，步骤1中均衡线路由跨接在相邻两节电池上的各个主动均衡单元组成，主动均衡单元为由开关管、续流二极管和储能电感组成的均衡电路，通过控制开关管的开通和关断，在t1、t2、t3三个时刻分3次向均衡线路中注入小电流，且小电流即为流过储能电感L1的t1时刻电流IL1(t1)、t2时刻电流IL1(t2)、t3时刻电流IL1(t3)、流过储能电感L2的t1时刻电流IL2(t1)、t2时刻电流IL2(t2)、t3时刻电流IL2(t3)，同时分别测得三个时刻的均衡线路端电压值，t1时刻V1端电压值V1(t1)、t2时刻V1端电压值V1(t2)、t3时刻V1端电压值V1(t3)、t1时刻V2端电压值V2(t1)、t2时刻V2端电压值V2(t2)、t3时刻V2端电压值V2(3)、t1时刻V3端电压值V3(t1)、t2时刻V3端电压值V3(t2)、t3时刻V3端电压值V3(t3)。
本发明中，步骤2中，均衡线路输出回路在第一单体电池B1上产生的输入电流I1、输出电流I2，计算过程如下：
在第一单体电池B1、第二单体电池B2及第一主动均衡单元构成的均衡子模块中，根据升降压斩波原理公式(1)；
Figure BDA0001890679270000071
根据公式(1)得到公式(2)，根据公式(2)计算第一主动均衡单元的正向输入电流Ii1、第一主动均衡单元的反向输入电流Io1：
Figure BDA0001890679270000072
根据公式(3)计算第二主动均衡单元的正向输入电流Ii2、第二主动均衡单元的反向输入电流Io2：
Figure BDA0001890679270000073
由电路KCL可知，I1＝Ii1，I2＝IL1-Ii2，将公式(2)和(3)代入，根据公式(4)和公式(5)计算权利要求2中所述的t1、t2、t3三个时刻均衡线路输出回路上的输入电流I1(t1)、I1(t2)、I1(t3)和输出电流I2(t1)、I2(t2)、I2(t3)；
Figure BDA0001890679270000074
Figure BDA0001890679270000075
本发明中，所述均衡线路输出回路的线路阻抗用与第一单体电池B1正极相连接的线路等效阻抗R1和与第一单体电池B1负极相连接的线路等效阻抗R2表示，在第一单体电池B1所在线路中，由电路KVL可知，根据公式(6)、公式(7)、公式(8)分别对应得到t1、t2、t3三个时刻第一单体电池B1电压VB1(t1)、VB1(t2)、VB1(t3)。
VB1(t1)＝V1(t1)+I1(t1)R1+I2(t1)R2 (6)
VB1(t2)＝V1(t2)+I1(t2)R1+I2(t2)R2 (7)
VB1(t3)＝V1(t3)+I1(t3)R1+I2(t3)R2 (8)
t1、t2、t3时刻分别注入小电流，电池单体电压VB1保持不变，即VB1(t1)＝VB1(t2)＝VB1(t3)，将公式(6)和(7)相减，公式(7)和(8)相减，再将公式(4)和(5)代入得到(9)，根据公式(9)计算等效阻抗R1和等效阻抗R2：
Figure BDA0001890679270000081
本发明中，步骤3中在大电流均衡过程中任意时刻测量均衡线路中的各端电压值V1、V2、V3，步骤4中所述的均衡过程中均衡线路输出回路的线路压降用ΔV表示，在第一单体电池B1所在线路中：
ΔV＝I1R1+I2R2， (10)，
其中电流I1、电流I2为均衡线路的实际均衡电流IL1、IL2在输出回路上的电流再分配，计算过程与蓄电池浮冲状态下注入小电流时相同，，即得到公式(11)
Figure BDA0001890679270000082
将公式(11)代入公式(10)，得到ΔV：
Figure BDA0001890679270000083
根据公式(12)计算均衡过程中的均衡线路的输出回路压降ΔV。
本发明中，步骤5中，修正后的蓄电池组各单体电压测量值用VB1表示，
VB1＝V1+ΔV， (13)，
将公式(12)代入公式(13)，得到修正后的第一单体电池B1电压测量值VB1为：
Figure BDA0001890679270000091
根据公式(14)计算第一单体电池B1电压测量值。
同样方法，通过小电流注入可得到其他线路的等效阻抗，以一个4级串联的蓄电池组为最小单位，进而可得到其他单体电池B2、B3、B4的电压VB2、VB3、VB4，如下所示，推导过程不再赘述：
Figure BDA0001890679270000092
Figure BDA0001890679270000093
Figure BDA0001890679270000094
利用公式(14)、(15)、(16)、(17)得到的蓄电池单体电压，对蓄电池组做均衡控制，优化了均衡控制效果，更加有效的提高了蓄电池组的使用寿命。
本发明提供了一种基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：蓄电池组在浮充状态下，在任意时刻分别向均衡线路中注入小电流，并分别测得各个时刻的均衡线路端电压值；
步骤2：计算均衡线路输出回路上的电流，结合步骤1得到的均衡线路端电压值，计算均衡线路输出回路的线路阻抗；
步骤3：分别测量大电流均衡过程中均衡线路中的各端电压值以及均衡电流；
步骤4：根据步骤2得到的均衡线路输出回路的线路阻抗以及步骤3中得到的各端电压值以及均衡电流，计算均衡过程中均衡线路输出回路的线路压降；
步骤5：根据步骤3得到的均衡线路各端电压值，对蓄电池组各单体电压测量值做在线补偿，增加步骤4中所得到的均衡线路输出回路的线路压降。
2.根据权利要求1所述的基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法，其特征在于，步骤1中均衡线路由跨接在相邻两节电池上的各个主动均衡单元组成，主动均衡单元为由开关管、续流二极管和储能电感组成的均衡电路，通过控制开关管的开通和关断，在t1、t2、t3三个时刻分3次向均衡线路中注入小电流，且小电流即为流过储能电感L1的t1时刻电流IL1(t1)、t2时刻电流IL1(t2)、t3时刻电流IL1(t3)、流过储能电感L2的t1时刻电流IL2(t1)、t2时刻电流IL2(t2)、t3时刻电流IL2(t3)，同时分别测得三个时刻的均衡线路端电压值，t1时刻V1端电压值V1(t1)、t2时刻V1端电压值V1(t2)、t3时刻V1端电压值V1(t3)、t1时刻V2端电压值V2(t1)、t2时刻V2端电压值V2(t2)、t3时刻V2端电压值V2(t3)、t1时刻V3端电压值V3(t1)、t2时刻V3端电压值V3(t2)、t3时刻V3端电压值V3(t3)。
3.根据权利要求2所述的基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法，其特征在于，步骤2中，均衡线路输出回路在第一单体电池B1上产生的输入电流I1、输出电流I2，计算过程如下：
在第一单体电池B1、第二单体电池B2及第一主动均衡单元构成的均衡子模块中，根据升降压斩波原理公式(1)；
Figure FDA0002666729550000011
根据公式(1)得到公式(2)，根据公式(2)计算第一主动均衡单元的正向输入电流Ii1、第一主动均衡单元的反向输入电流Io1：
Figure FDA0002666729550000021
同理，根据公式(3)计算第二主动均衡单元的正向输入电流Ii2、第二主动均衡单元的反向输入电流Io2：
Figure FDA0002666729550000022
由电路KCL可知，I1＝Ii1，I2＝IL1-Ii2，将公式(2)和(3)代入，根据公式(4)和公式(5)计算权利要求2中所述的t1、t2、t3三个时刻均衡线路输出回路上的输入电流I1(t1)、I1(t2)、I1(t3)和输出电流I2(t1)、I2(t2)、I2(t3)；
Figure FDA0002666729550000023
Figure FDA0002666729550000024
4.根据权利要求3所述的基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法，其特征在于，所述均衡线路输出回路的线路阻抗用与第一单体电池B1正极相连接的线路等效阻抗R1和与第一单体电池B1负极相连接的线路等效阻抗R2表示，在第一单体电池B1所在线路中，由电路KVL可知，根据公式(6)、公式(7)、公式(8)分别对应得到t1、t2、t3三个时刻第一单体电池B1电压VB1(t1)、VB1(t2)、VB1(t3)：
VB1(t1)＝V1(t1)+I1(t1)R1+I2(t1)R2 (6)
VB1(t2)＝V1(t2)+I1(t2)R1+I2(t2)R2 (7)
VB1(t3)＝V1(t3)+I1(t3)R1+I2(t3)R2 (8)
t1、t2、t3时刻分别注入小电流，电池单体电压VB1保持不变，即VB1(t1)＝VB1(t2)＝VB1(t3)，将公式(6)和(7)相减，公式(7)和(8)相减，再将公式(4)和(5)代入得到(9)，根据公式(9)计算等效阻抗R1和等效阻抗R2：
Figure FDA0002666729550000031
5.根据权利要求4所述的基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法，其特征在于，步骤3中在大电流均衡过程中任意时刻测量均衡线路中的各端电压值V1、V2、V3，步骤4中所述的均衡过程中均衡线路输出回路的线路压降用ΔV表示，在第一单体电池B1所在线路中：
ΔV＝I1R1+I2R2， (10)，
其中电流I1、电流I2为均衡线路的实际均衡电流IL1、IL2在输出回路上的电流再分配，对应计算推导得到公式(11)
Figure FDA0002666729550000032
将公式(11)代入公式(10)，得到ΔV：
Figure FDA0002666729550000033
根据公式(11)计算均衡过程中的均衡线路的输出回路压降ΔV。
6.根据权利要求5所述的基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法，其特征在于，步骤5中，修正后的蓄电池组各单体电压测量值用VB1表示，
VB1＝V1+ΔV， (12)，
将公式(11)代入公式(12)，得到修正后的第一单体电池B1电压测量值VB1为：
Figure FDA0002666729550000041
根据公式(13)计算第一单体电池B1电压测量值。
7.根据权利要求6所述的基于大电流主动均衡的蓄电池组单体电压在线测量方法，其特征在于，对应分别计算第二单体电池B2、第三单体电池B3和第四单体电池B4的电压测量值。
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