CN109768595A - 一种串联电池组双电压混合均衡控制方法 - Google Patents

一种串联电池组双电压混合均衡控制方法 Download PDF

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郭向伟
张伟
司纪凯
华显
王允建
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Abstract

本发明公开了一种串联电池组双电压混合均衡控制方法。双电压是指串联电池组所有单体电池中最大的单体电池端电压和最小的单体电池端电压；混合均衡是指，在充电均衡过程中，不仅对最高端电压对应的单体电池放电均衡，同时也对最低端电压对应的单体电池充电均衡，在放电均衡过程中，不仅对最低端电压对应的单体电池充电均衡，同时也对最高端电压对应的单体电池放电均衡，直到电池组各单体电池电压满足一致性指标即停止均衡。本发明控制方法能够在既有硬件的基础上显著提高电池组端电压的均衡速度。该控制方法适用于电池组均衡管理系统。

Description

一种串联电池组双电压混合均衡控制方法
技术领域
本发明涉及一种串联电池组均衡控制方法，适用于新能源汽车或微电网储能系统中电池管理系统。
背景技术
由于电池组中单体电池的不一致性，导致电池组充电完成后，部分单体电池并未充满；电池组放电完成后，部分单体电池并未放完，结果，电池组的实际可用容量比各单体电池的容量之和减小，并且，电池组的循环寿命也受到影响，均衡电路的作用即是减小单体电池不一致性对整体电池组的影响，进而提高电池组能量利用率，延长电池组使用寿命。
电池组均衡作为电池管理系统最重要的功能，国内外众多学者对其进行了研究。均衡技术的研究包括均衡电路结构的研究和均衡控制方法的研究。本发明内容涉及均衡控制方法的研究。对于均衡电路控制方法的研究，重点是确定均衡指标，目前常见的均衡指标包含电池端电压、电池SOC或电池内阻等。
北京交通大学姜久春、张彩萍教授团队对串联电池组均衡诊断及一致性进行研究，提出SOC变化相比于容量、端电压、内阻，对电池组的一致性影响更大，更能反映电池组的不一致性，并未否定端电压、容量也会对一致性产生影响。合肥工业大学刘新天研究员设计出了一种新型的基于功率电感的均衡拓扑，均衡效果良好，但未见从原理上阐明选择SOC作为均衡指标的原因。香港理工大学Yuanmao等人提出利用电容传递均衡能量的拓扑结构，以电池端电压作为均衡指标，虽然具有较高的精度，但并未解释选择端电压作为均衡指标的原因。韩国浦项科技大学Kyung-Min Lee等人，马来西亚国家能源大学Mohammad等人和我国山东大学张成辉等人设计出了基于变压器的主动均衡电路，以电池端电压作为均衡指标，虽然其具有良好的均衡效果，但变压器型均衡电路扩展性较差，当电池组包含的单体电池数量变化时，需要重新设计电路，并且变压器可能存在漏磁现象。香港理工大学Dah-Chuan等人同时利用电感、电容设计出了高精度的均衡拓扑，虽然精度较高，但其结构复杂，可能并不适合实际应用。
总体而言，目前均衡控制方法的研究多以单体电池端电压为均衡指标。未来，设计可以快速直接均衡的拓扑结构，探索更能反映电池组一致性的均衡指标，是电池组均衡技术的研究目标。
发明内容
本发明涉及均衡控制方法的研究，以电池端电压作为均衡指标，将充电过程的均衡控制和放电过程的均衡控制合二为一，充电均衡过程中，不仅对端电压高的单体电池进行放电均衡，也要对端电压低的单体电池进行充电均衡，放电均衡过程中，不仅对端电压低的单体电池进行充电均衡，也要对端电压高的单体电池进行放电均衡，最终实现提高均衡速度，或者同样均衡速度条件下，减小均衡电流，进而减小均衡过程对单体电池性能的影响和开关管的损耗。
基于此，本发明提出以串联电池组中最高的单体电池端电压和最低的单体电池端电压共同作为均衡对象的双电压混合均衡策略。
进一步的，该方法包含以下内容：
（1）设定均衡指标
以电池组中最大的单体电池端电压和最小的单体电池端电压作为均衡目标，设各单体电池的端电压为ULi，最大的端电压为ULmax，最小端电压为ULmin，平均端电压为ULave，令：
D0=ULmax-ULave （1）
D1=ULave-ULmin （2）
设定均衡电路工作的临界参数Vref。
（2）均衡过程
均衡过程包含若干个电池端电压采样周期，而每一个采样周期包含若干个均衡周期。
每一个采样周期，若:
D0>Vref，D1≤Vref（3）
或：
D1>Vref，D0>Vref，D0≥D1（4）
则控制电路对最高端电压对应的单体电池放电均衡。
若：
D1>Vref，D0≤Vref（5）
或：
D1>Vref，D0>Vref，D1> D0（6）
则控制电路对最低端电压对应的单体电池充电均衡。
最终实现充电过程的均衡控制和放电过程的均衡控制合二为一，实现对最高端电压和最低端电压的混合均衡。
（3）均衡过程结束
每一个采样周期结束，采样电路重新检测各单体电池端电压，若满足均衡电路工作条件则均衡电路工作，若不满足，则均衡电路不工作。
本发明的有益点在于：将充电过程的均衡控制和放电过程的均衡控制合二为一，充/放电均衡过程中，不仅对端电压高的单体电池进行放电均衡，也要对端电压低的单体电池进行充电均衡，最终实现提高均衡速度，或者同样的均衡速度条件下，减小均衡电流，进而减小均衡过程对单体电池性能的影响和开关管的损耗。
附图说明
为了更加清楚的说明本发明的原理与实施中的技术方案，下面将对本发明涉及的技术方案使用附图作进一步的介绍，以下附图仅仅是本发明的部分实施例子，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下可以根据以下附图获得其他的技术方案。
图1本发明双电压混合均衡控制方法程序设计流程图；
图2 本发明控制方法所应用的一种均衡拓扑实例示意图；
图3为以图2所示均衡拓扑为例在MATLAB/Simulink中建立仿真模型示意图；
图4 为单电压控制方法在图2所示均衡拓扑中应用时前10s各电压曲线示意图；
图5 本发明双电压混合均衡控制方法在图2所示均衡拓扑中应用时前10s各电压曲线示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种串联电池组双电压混合均衡控制方法流程图，双电压是指电池组中最高的单体电池电压和最低的单体电池电压，混合均衡是指将充电过程的均衡控制和放电过程的均衡控制合二为一，充/放电均衡过程中，不仅对端电压高的单体电池进行放电均衡，也要对端电压低的单体电池进行充电均衡，此控制方法方法可靠、在线运算量小，可显著提高电池组均衡速度，提高电池能量利用率、延长电池寿命。
所述双电压直接均衡控制方法，包含以下步骤：
（1）设定均衡指标
以电池组中最大的单体电池端电压和最小的单体电池端电压作为均衡目标，设各单体电池的端电压为ULi，最大的端电压为ULmax，最小端电压为ULmin，平均端电压为ULave，令：
D0=ULmax-ULave （1）
D1=ULave-ULmin （2）
设定均衡电路工作的临界参数Vref。
（2）均衡过程
均衡过程包含若干个电池端电压采样周期，而每一个采样周期包含若干个均衡周期。
每一个采样周期，若:
D0>Vref，D1≤Vref（3）
或：
D1>Vref，D0>Vref，D0≥D1（4）
则控制电路对最高端电压对应的单体电池放电均衡。
若：
D1>Vref，D0≤Vref（5）
或：
D1>Vref，D0>Vref，D1> D0（6）
则控制电路对最低端电压对应的单体电池充电均衡。
最终实现充电过程的均衡控制和放电过程的均衡控制合二为一，实现对最高端电压和最低端电压的混合均衡。
（3）均衡过程结束
每一个采样周期结束，采样电路重新检测各单体电池端电压，若满足均衡电路工作条件则均衡电路工作，若不满足，则均衡电路不工作。图1本发明双电压混合均衡控制方法程序设计流程图；
以图2所示均衡电路拓扑为例，验证本发明双电压混合均衡控制方法的优越性。
如图3，以图2所示均衡拓扑为例在MATLAB/Simulink中建立仿真模型；
将单电压均衡控制方法（充电过程，仅对端电压高的单体电池进行放电均衡；放电过程，仅对端电压低的单体电池进行充电均衡）应用在图2拓扑中，以充电均衡为例，由图4可知，电池组在8s时刻达到设定的均衡状态。
将本发明双电压混合均衡控制方法应用在图2拓扑中，设定和单电压均衡控制方法相同的采样周期、端电压初始条件、均衡精度、均衡周期及控制信号占空比，以充电均衡为例，由图5可知，电池组在6s时刻达到设定的均衡状态，和图4相比，相同的初始条件，相同的采样周期、均衡周期，双电压混合均衡控制方法的均衡速度提高了20%左右。
本发明的有益点在于：将充电过程的均衡控制和放电过程的均衡控制合二为一，充/放电均衡过程中，不仅对端电压高的单体电池进行放电均衡，也要对端电压低的单体电池进行充电均衡，最终实现提高均衡速度，或者同样的均衡速度条件下，减小均衡电流，进而减小均衡过程对单体电池性能的影响和开关管的损耗。

Claims (4)

1.一种串联电池组双电压混合均衡控制方法，其特征在于：充放电过程中，每一个采样周期，首先判别出电池组最大的单体电池端电压ULmax，最小的单体电池端电压ULmin，电池组各单体电池平均端电压ULave；设定均衡指标Vref，若最大端电压与平均端电压的差值大于Vref，且平均端电压与最小端电压的差值小于等于Vref，对最大端电压对应的单体电池放电均衡；若最大端电压与平均端电压的差值小于等于Vref，且平均端电压与最小端电压的差值大于Vref，对最小端电压对应的单体电池充电均衡；若最大端电压与平均端电压的差值大于Vref，且平均端电压与最小端电压的差值大于Vref，则比较两个差值的大小，若最大端电压与平均端电压的差值大于等于平均端电压与最小端电压的差值，则对最大端电压对应的单体电池放电均衡，若最大端电压与平均端电压的差值小于平均端电压与最小端电压的差值，则对最小端电压对应的单体电池放电均衡，如此往复至最大端电压与平均端电压的差值和平均端电压与最小端电压的差值均小于等于Vref，均衡电路停止工作。
2.如权利要求1所述的串联电池组双电压混合均衡控制方法，其特征在于包含以下步骤：
（1）每一个采样周期，由测量电路检测各单体电池端电压，由控制电路判别各单体电池端电压是否满足均衡电路工作条件；
（2）若满足均衡电路工作条件，均衡电路工作，不满足，均衡电路不工作；
（3）均衡过程包含若干采样周期，每个采样周期包含若干均衡周期，每个采样周期内，由控制电路决定对某个单体电池进行放电均衡或充电均衡；
（4）每个采样周期结束，测量电路和控制电路重新检测并判断各单体电池端电压是否满足均衡电路工作条件；
（5）如此往复，直至各单体电池端电压一致性不满足均衡电路工作条件，均衡电路停止工作。
3.根据权利要求1或2所述的串联电池组双电压混合均衡控制方法，其特征在于：所述电池组是铅酸电池或者锂离子电池。
4.根据权利要求3所述的串联电池组双电压混合均衡控制方法，其特征在于：适用于电容型均衡电路、变换器型均衡电路和变压器型均衡电路。
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