CN110247447A - 梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法，属于电池储能管理技术领域，所述方法利用电感式主动均衡电路实现梯次利用电池组中所有电池的SOC持续均衡：计算每个电池单体的均衡电流给定值；计算每个电池单体的均衡电流反馈值；结合所述均衡电流给定值和所述均衡电流反馈值获取获取每个MOSFET开关管的占空比；根据MOSFET开关管的占空比获取MOSFET开关管脉冲，对所有MOSFET开关管进行同步控制。本发明使得电池组内所有电池的充放电电流实现连续可控状态，保持各电池的SOC一致，即使在容量不一致的梯次利用电池应用场景仍能满足其对均衡电流的需要，使电池组内所有电池同时达到充放电截止状态，最大化利用电池组的可用容量，提高电池组容量利用率。

Description

梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法

技术领域

本发明涉及电池储能管理技术领域，具体涉及一种能够实现电池组内所有电池的充放电电流连续可控，使各电池的SOC保持一致的梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法。

背景技术

由于串联电池组对SOC均衡有较高的要求，在梯次利用电池组中容量不一致直接影响SOC均衡效果，如果没有均衡电流或均衡电流达不到所需值，在充放电状态下各电池SOC变化曲线将趋于发散，降低储能系统的容量利用率。对于容量不一致的电池组，为了保持各电池SOC变化率一致，实现SOC始终均衡，均衡电路需对所有电池同步提供实时可控的均衡电流，传统分时、轮流均衡的控制方法将不再适用。

由于锂电池单体电压等级较低，实际应用中为满足使用场景对电压、功率以及容量的需求，往往将单体电池串并联使用。受生产过程及使用过程的影响，串联锂离子电池组存在电池容量、SOC不一致的现象，长期循环后不一致性会累积放大，影响电池组能量利用率，可通过均衡装置削弱不一致对电池组性能的影响。目前，已有均衡装置主要分为主动均衡及被动均衡两大类，其中，主动均衡又可分为电容式、电感式及变压器式均衡电路，电容式均衡电路通过电池电压差实现均衡，而实际电压差很小，考虑开关管的导通压降，均衡能量很难转移；变压器式均衡电路中变压器体积大、重量重、对变压器精度要求高，均衡电流的可控性差；电感式均衡电路以电感电流作为能量转移载体，均衡电流的可控性强。

授权公告号为CN1186868C的中国发明专利公开了串联蓄电池组自动均衡装置。该发明专利采用一个单体蓄电池对应一个均衡模块，利用电感作为储能元件，利用各开关管反并联的二极管续流实现电池间能量转移。该发明专利所述的控制方法在一个控制周期内仅能对其中一个电量较高的电池进行放电，对该电池的放电电流和放电时间均可控制，而对其它所有电池在充电，但充电电流均为不可控；经过一段时间的电量变化后，再对另一个电量较高的电池进行放电控制，通过分时轮流控制实现最终的均衡效果。

申请号为201510905345.6的中国发明专利申请公开了串联蓄电池组自动均衡装置。该串联蓄电池组自动均衡装置的控制方法同上述专利一致，均为分时轮流控制某一电池放电，然后对其余所有电池充电，以实现电池均衡，该实用新型专利对电池放电结束后剩余所有电池充电电流的变化过程做了进一步分析。

上述两种均衡电路的控制方法，各电池均衡电流控制分时进行，无法实现对所有电池的同步均衡控制，没有明确可控的电量转移关系，均衡速度慢，效率低。在梯次利用电池应用场景中，因梯次电池容量一致性较为分散，为提高电池组容量利用率，需对所有容量不一致的电池提供实时可控的同步均衡电流，传统分时轮流工作的均衡技术将不再适用，需要对均衡电路所有电池的均衡电流进行同步控制。

串联电池组对SOC和容量的一致性有较高的要求，在梯次利用电池中容量不一致更为凸显，如果没有均衡电流或均衡电流达不到差异容量对应的所需电流值，在充放电状态下各电池SOC将趋于发散，直接影响储能系统的容量利用率。对于容量不一致的电池，为了保持各电池的SOC变化率一致，需提供实时的均衡电流，传统分时、轮流均衡的控制方法将不再适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现电池组内所有电池的充放电电流连续可控，使各电池的SOC保持一致的梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法，以解决上述背景技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供的一种梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法，所述方法利用电感式主动均衡电路实现梯次利用电池组中所有电池的SOC持续均衡，所述电感式主动均衡电路包括在首端电池对应的MOSFET开关管与末端电池对应的MOSFET开关管之间并联有一滤波电容，所述方法包括如下步骤：

步骤S110：计算每个电池单体的均衡电流给定值；

步骤S120：计算每个电池单体的均衡电流反馈值；

步骤S130：结合所述均衡电流给定值和所述均衡电流反馈值获取获取每个MOSFET开关管的占空比；

步骤S140：根据MOSFET开关管的占空比获取MOSFET开关管脉冲，对所有MOSFET开关管进行同步控制。

优选的，所述步骤S110具体包括：

获取用于消除每个电池单体SOC差异的均衡电流

获取用于消除每个电池单体容量差异的均衡电流

将所述均衡电流和所述均衡电流叠加，得到所述均衡电流给定值。

优选的，所述获取用于消除每个电池单体SOC差异的均衡电流包括：

定义每个电池单体的SOC用SOC_i(i＝1，2…N)表示，所有电池单体的SOC平均值为每个电池单体的SOC与的差值为ΔSOC_i；则：

其中，K₁表示SOC均衡控制比例系数，K₁取值大小可决定对SOC差异的均衡速度。

优选的，所述获取用于消除每个电池单体容量差异的均衡电流包括：

定义每个电池单体的容量用Q_i(i＝1，2，...，N)表示，所有电池单体的容量平均值为每个电池单体的容量与的差值为ΔQ_i；则：

其中，I_M表示流过电池组的总充放电电流。

优选的，所述步骤S120具体包括：

通过测量所有的电感电流反馈值，经如下公式计算得到每个电池单体的均衡电流的反馈值：

优选的，所述步骤S130具体包括：

每个电池单体对应一个PI调节器，以每个电池单体的所述均衡电流给定值和所述均衡电流反馈值的差值作为输入量，以差值的比例和积分通过线性组合作为控制量，获取每个MOSFET开关管占空比。

优选的，对于N个电池单体串联的同步均衡电路，当达到均衡稳态后，每个MOSFET开关管的占空比按照均衡电流由大到小排序，所对应的MOSFET开关管占空比依次为(N-1)/N、(N-2)/N…1/N、0。

优选的，所述步骤S140具体包括：

以各MOSFET开关管的占空比作为调制波，以同一三角波作为载波，通过PWM控制得到各MOSFET开关管的脉冲。

优选的，所述电感式主动均衡电路包括若干个串联的电池单体组成的电池组，每个电池单体对应一个MOSFET开关管，若干个所述MOSFET开关管串联；

位于所述电池组正极端的电池单体为首端电池，位于所述电池组负极端的电池单体为末端电池，位于所述首端电池和所述末端电池之间的电池单体为中间电池；

所述首端电池对应设置有一个负端能量转移电感，为首端电感，所述末端电池对应设置有一个正端能量转移电感，为末端电感；所述中间电池对应设置有一个正端能量转移电感和一个负端能量转移电感；且每个电池单体对应设置的正端能量转移电感和与其相邻的电池单体对应设置的负端能量转移电感为同一个电感，每个电池单体对应设置的负端能量转移电感和与其相邻的电池单体对应设置的正端能量转移电感为同一个电感；

所述首端电池对应的MOSFET开关管为首端MOSFET开关管，所述末端电池对应的MOSFET开关管为末端MOSFET开关管，首端MOSFET开关管和末端MOSFET开关管之间并联有一滤波电容。

本发明有益效果：提出的一种实时高效的同步均衡电流控制方法，使得电池组内所有电池的充放电电流实现连续可控状态，保持各电池的SOC一致，即使在容量不一致的梯次利用电池应用场景仍能满足其对均衡电流的需要，使电池组内所有电池同时达到充放电截止状态，最大化利用电池组的可用容量，提高电池组容量利用率。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的电感式主动均衡电路拓扑图。

图2为本发明实施例所述的电池容量与SOC不一致时电池组容量利用示意图。

图3为本发明实施例所述的电池容量与SOC不一致时电池充电过程SOC变化曲线。

图4为本发明实施例所述的均衡控制策略及同步电流闭环控制策略原理框图。

图5为本发明实施例所述的MOSFET开关管同步脉冲生成方式示意图。

图6为本发明实施例所述的均衡电路不同工种模式下所对应的开关状态示意图。

图7为本发明实施例所述的某种工况下电池组N＝4时均衡电路在一个周期内的4种工作模式示意图。

图8为本发明实施例所述的某定工况下同步电流控制均衡电路在稳态时的波形示意图。

图9为本发明实施例所述的同步电流控制下均衡电路启动过程电感电流实验波形示意图。

图10为本发明实施例所述的同步均衡电路各MOSFET开关管占空比变化实验波形示意图。

图11为本发明实施例所述的同步均衡电路稳态下各MOSFET开关管脉冲实验波形示意图。

图12为本发明实施例所述的同步均衡电路稳态下各电感电流实验波形示意图。

图13为本发明实施例所述的同步均衡电路稳态下各电感电压实验波形示意图。

图14为本发明实施例所述的同步均衡电路稳态下MOSFET开关管两端电压实验波形示意图。

图15为本发明实施例所述的四节电池串联电池组在充电过程中各电池SOC变化曲线仿真波形示意图。

图16为本发明实施例所述的同步均衡电路在充电过程中各电池均衡电流仿真波形示意图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或模块，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域普通技术人员应当理解的是，附图只是一个实施例的示意图，附图中的部件或装置并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

梯次利用电池SOC均衡控制中即要考虑初始SOC的不一致，又要考虑容量的不一致。附图2表示容量和SOC不一致下容量利用率的情况，电池的长短代表电池的可用容量，位置高低代表初始SOC的差异。根据电池管理的要求，当串联电池组任一节电池达到最大或最小保护电压时，应停止对整个串联电池组的充放电，避免因过充或过放对电池造成损坏，图中虚线代表达到某一电池充放电截止状态。图2(a)为初始SOC一致但容量不一致示意图，在充电过程中电池2最先达到充电截止状态，即电池2的SOC达到100％，而电池1和电池3的SOC均未达到100％，且各不相同，说明即使初始SOC一致，但容量不一致时，电池的SOC会随工作状态而发散；在图2(b)所示情况中，虽电池2的可用容量最小，但因初始SOC不同，电池3最先达到充电截止状态，而电池1和电池2有一部分可用容量未被有效利用；图2(c)与图2(b)类似，在此不再介绍；图2(d)所示现象中，电池1最先达到放电截止状态，电池3最先达到充电截止状态，而容量最小的电池2在充放电时均有一部分容量未被利用。通过这几种不一致现象可以看出，电池初始SOC的不一致和容量的不一致均会导致电池有效容量及利用率的降低。

一般情况下，初始SOC不一致可以很容易通过加入一定时间的均衡电流加以解决，达到均衡所需时间取决于均衡电流的大小，最终都能实现SOC在某个时刻达到均衡，即下次充放电工作开始前保持初始SOC一致，因此此处仅考虑初始SOC一致但容量不一致的情况。

在梯次利用电池串联应用中，容量不一致一旦发生，如果各单体电池间仅存在统一的充放电电流，而未提供持续同步的均衡电流，各电池的SOC将持续发散，SOC变化曲线如附图3所示。图3中各电池之间存在容量不一致但初始SOC保持一致的情况，若对整个电池组以同一电流进行充放电，各电池的SOC变化曲线将趋于发散，因为SOC的变化斜率由充放电电流及容量共同决定，电流相同情况下，容量较小的电池SOC变化快，将最先达到充放电截止条件。受短板效应的影响，当任一电池达到充放电截止状态时，整个电池组停止充放电，而其他电池尚未达到截止电压，仍有一部分可用能量，影响电池组的容量利用率。

在图3中，在充电截止时刻，并非所有电池的SOC均达到100％，整个电池组的容量利用率较低。因此，为提高电池组容量利用率，需对SOC进行实时均衡和实时电流控制，使得所有电池的SOC变化率相同，实现同时达到100％的目标。

电池SOC的变化率由充放电电流和容量共同决定，在恒流充放电情况下，SOC表达式如下式所示：

在初始SOC一致情况下，为保持所有电池SOC持续均衡，需满足SOC变化率保持一致，即所有电池的I_cell/Q_N相同，如下式所示：

上式中，Q_i代表第i个电池的容量，电池SOC随时间的变化率与电池电流和容量的比值有关，容量不一致的电池，在初始状态SOC一致的情况下，若想保持其SOC变化率在充放电过程中保持不变，则要保证电池电流与电池容量的比值k保持不变。因各电池容量始终存在差异，为保证k值不变，各电池电流需始终保持I_{cell i}＝kQ_i。

以I_{cell_i}表示流过电池B_i的总电流，其中，由两部分组成，如下式所示：

I_{cell_i}＝I_M+i_Bi，

上式中，I_M为流过串联电池组所有电池的主电流，即充放电装置提供的统一充放电电流，i_Bi为各个电池的均衡电流，为实现I_{cell i}＝kQ_i的关系，需对各电池的均衡电流i_Bi进行控制。

以差异容量ΔQ_i表示各个电池容量与电池组平均容量之间的差值，为满足k保持不变时，均衡电流i_Bi应与差异容量ΔQ_i成正比，并且需要与主电流I_M同时工作，因此，容量不一致下均衡电路需实时、同步控制每个电池的均衡电流。

本发明实施例1提供一种实时高效的同步均衡电流控制方法，在附图1所示均衡主电路的基础上，配合均衡控制策略，对串联电池组进行同步均衡控制，以达到提高电池组容量利用率的目的。

本发明实施例所述均衡电路如附图1所示，包括N节电池(B)、N-1个电感(L)、N个MOSFET开关管(S)、1个高频滤波电容(C)，其中，主电路中N节电池B₁～B_N依次串联，N个开关管S₁～S_N依次串联，即开关管S_i(i＝1,2,...,n-1)的源极与开关管S_i+1的漏极相连，电感L_i的一端连接于电池B_i负极和电池B_i+1正极，L_i另一端连接于开关管S_i源极和S_i+1漏极，高频滤波电容C并联连接于MOSFET开关管S₁漏极与S_N源极之间。

在本发明实施例1中所述的同步均衡电流控制方法包括SOC均衡控制策略、容量差异均衡控制策略、同步电流闭环控制策略及开关管脉冲生成策略。

当梯次利用电池组存在容量不一致时，可采用附图4所示均衡控制策略，包括SOC均衡控制策略及容量差异均衡控制策略，得到电池组内N个电池的均衡电流给定值因此该均衡电流给定值由两部分组成，包括由电池SOC差异决定的和由电池容量差异决定的

如图4中虚线框A处所示，为消除各电池单体SOC差异的均衡电流的获取步骤为：定义各电池的SOC用SOC_i(i＝1，2…N)表示，均衡电路内所有电池的SOC平均值记为每个电池的SOC与平均SOC的差值记为ΔSOC_i。利用安时积分方法对电池SOC进行估算时，各电池SOC变化率与流过每个电池的总电流I_cell有关，该电流由两部分组成，一部分是流过整个串联电池组的总充放电电流I_M，另一部分为流过每个电池的均衡电流i_Bi，各电池均衡电流可通过均衡电路进行同步控制，通过改变均衡电流的大小即可改变电池SOC的变化速度，使得各电池SOC逐渐趋于一致，可根据每个电池的SOC与差值ΔSOC来计算每个电池所需的部分均衡电流，即：

上式中K₁代表SOC均衡控制比例系数，K₁取值大小可决定对SOC差异的均衡速度。

如图4中虚线框B处所示，为消除各电池单体容量差异的均衡电流的获取步骤为：设被均衡的电池组内N个电池的容量分别为Q_i(i＝1，2，...，N)，为这N个电池容量的平均值即：

定义容量差异ΔQ_i为电池容量Q_i与平均电池容量之差，为消除电池容量差异所需的部分均衡电流。经一定的数学分析推导可知，在容量不一致时为维持SOC持续均衡，应保持各电池的SOC变化率k一致，该变化率即等于充放电主电流与平均容量的比值(代表电池组平均SOC的变化率)，又等于各电池均衡电流与容量差异的比值，则有关系式：

故，

将电池容量差异导致的部分均衡电流加入总均衡电流给定值中，则可消除电池容量差异对SOC均衡的影响。

综上所述，当存在SOC不一致时，通过计算各电池SOC与平均SOC的差值ΔSOC，同时乘以比例系数，得到各电池由SOC差异所对应的给定电流值当存在容量不一致时，计算由容量差异所对应的给定电流值将叠加共同作用，构成同步均衡电路均衡电流给定值即使当电路达到稳定均衡状态后，各电池SOC一致，ΔSOC_i＝0，若电池之间仍然存在容量差异且电池组充放电电流I_M存在时，电池组工作过程中应始终存在，以抵消容量差异对电池SOC一致性的影响。因此在容量不一致的应用场景中，不论SOC是否已达到均衡，为维持SOC持续均衡，均衡电流应始终同步存在，并满足容量差异所对应的电流值大小，如附图15及附图16所示，因此对均衡电流的同步性及实时性有了更严格的要求。

如图4中虚线框C处所示，各开关管的占空比获取步骤如下：在附图1所示拓扑结构中，各电池均衡电流平均值与流过相对应开关管电流平均值相等，控制开关管电流大小即可控制所对应电池均衡电流大小。因此，在附图4中采用PI比例积分电流闭环控制策略，N个电池对应N个电流PI调节器，以各电池均衡电流反馈值与均衡控制策略所输出的同步均衡电流给定值的偏差作为输入量，以偏差的比例和积分通过线性组合作为控制量，以各开关管占空比大小作为输出量，实现同步均衡电流的闭环控制。

各电池均衡电流反馈值可通过以下方法获取：

通过测量所有的电感电流反馈值，经如下公式计算得到每个电池单体的均衡电流的反馈值：

对于N节电池串联的同步均衡电路，经过上述同步电流闭环控制后，当达到均衡稳态时，各开关管的占空比特点与均衡电流相对关系有关，按照均衡电流由大到小排序，所对应的开关管占空比依次为(N-1)/N、(N-2)N…1/N、O。

采用上述同步电流闭环控制方法，得到各开关管占空比，稳态工作时各开关管的占空比为一稳定值，所有开关管占空比同时与同一载波进行比较，利用PWM技术，同步生成各开关管的脉冲。附图5以N等于四为例，表示4个电池组成的电池组均衡电路中各开关管脉冲实现方式，此处采用三角波作为载波，与4个占空比值相比较，得到4个开关管脉冲，所有开关管脉冲呈现中心对称状态，其占空比分别为0、1/4、2/4、3/4，分别加到4个开关管上，所有开关管同时工作，同步控制所有电池的均衡电流达到给定值。

为防止电池组直流侧的贯穿短路，任一时刻应避免所有开关管同时发脉冲，不会出现所有开关管同时导通的现象。在理想情况下，忽略电路及开关器件损耗，所有电感电流均工作在连续状态，为保证在任何状态下电感电流均有续流通路，需保证稳态运行时任何时刻有且只有一个开关不导通，在一个周期内，满足下式所示关系。

(T-d₁T)+(T-d₂T)+···+(T-d_NT)＝T

整理可得：d₁T+···+d_NT＝(N-1)T

其中，T代表开关周期，即开关频率为f＝1/T，d_j(j＝1，2，3...N)为开关管S_j的导通占空比，代表着开关管S_j流过正向电流和负向电流时间之和在一个周期内占的比值。各开关管的导通时间包括开关管有脉冲且流过正向电流的时间以及其反并联二极管续流时间两个阶段，开关管闭合流过正向电流，二极管续流流过负向电流。因此在一个开关周期内，均衡电路各开关管导通状态在图6所示N种工作模式中切换，其中，图6(a)代表首端开关管S₁不导通，图6(b)代表N-2种中间开关管S₂～S_N-1不导通，图6(c)代表末端开关管S_N不导通。

电感作为储能元件，在稳态时，电感电流在一个周期内的增加量应等于其电流的减少量。在本发明所述均衡电路拓扑结构中N-1个电感大小相同，令电感值L₁＝L₂＝...L_N-1＝L，令各电池电压值u_B1＝u_B2＝...＝u_BN×U_B。

首先分析首端电感的情况，当S₁导通时，电感L₁上的电压为-U_B，S₁断开时，其余开关管处于导通状态，电感L₁右端电位与B点相同，L₁左端电位与电池B₂阳极一致，所以其两端承受电压为(N-1)U_B，即满足下式：

对于中间电感L_M(M＝2，3，...，N-2)，当其下面的开关管S_j(j＝M+1，...，N)不导通时电感L_M上电压为-MU_B，当其上面的开关管S_j(j＝1，2，...，M)不导通时电感上电压为(N-M)U_B，即满足如下关系式：

对于末端电感L_N-1，当S_N导通时电感上电压为U_B，当S_N关断时电感上电压为(N-1)U_B，即满足如下关系式：

整理上述关系式分析可得

根据上述分析可知，d₁T+···+d_NT＝(N-1)T

整理上述两式可知，

因此，在稳态情况下，每个开关管在每个开关周期内有相同的导通时间(N-1)T/N，即也有相同的不导通时间T/N，说明在每个开关周期内，均衡电路的N种工作模式均有T/N的工作时间，即均衡电路在N个开关管分别不导通的N种开关状态间来回切换。

每个开关管的导通时间包括功率开关管导通时间和反并联二极管导通时间。按照附图1所示电流参考方向可知，由于各开关管电流平均值等于所对应电池均衡电流平均值，功率开关管S有脉冲而正向导通时意味着该开关管对应的电池在释放多余的能量，反并联二极管D反向导通续流时意味着对应的电池在吸收能量。功率开关管脉冲时间越长，即脉冲占空比越大，则对应电池释放的能量越多，所以，开关管的脉冲占空比与对应电池的均衡电流i_B1，i_B2，...，i_BN有关。i_Bj越大，该电池有越大的放电电流，相应开关管脉冲占空比越大；反之，i_Bj越小，相应开关管脉冲占空比越小。而根据前述分析可知，均衡电路的N种工作模式在一个周期内各有T/N的工作时间，所以每个开关管的脉冲占空比一定是1/N的整数倍。因此，当达到均衡稳态时，各开关管脉冲的占空比特点与均衡电流相对关系有关，按照均衡电流由大到小排序，所对应的开关管脉冲占空比依次为(N-1)/N、(N-2)/N…1/N、0。

实施例2

本发明实施例2以N＝4即四节电池串联电池组为例，提供一种梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法。以下以某一工况为例具体说明，其它工况原理相似，只是大小关系不同。假设该工况下Q₁＜Q₂＜Q₃＜Q₄并工作在电池组放电模式下(I_M＞0)，或者各电池SOC大小顺序为SOC₁＜SOC₂＜SOC₃＜SOC₄，为使得各电池SOC趋于一致并持续保持均衡，通过图4所示均衡控制策略可以得出各电池均衡电流之间的关系为i_B1＜i_B2＜i_B3＜i_B4，此处均衡电流以图1所示参考方向为正，即各电池放电电流为正，当均衡电流小于零代表充电电流，i_B1＜i_B2＜i_B3＜i_B4代表电池B1放电最少(放电电流小于零即为充电)，电池B4放电最多。

图7为上述工况下在一个周期内的4种工作模式，图8为在所述工况稳态下各开关管脉冲、电感电流、电感电压、开关管电压、开关管电流的时序波形图。下面根据图7、图8说明电流转移过程。

在t₁-t₂时刻，只有S₁断开，S₂、S₃、S₄同时导通，开关管电压u_s1为四节电池电压之和，u_s2、u_s3、u_s4皆为零；因S₂、S₃、S₄同时导通，三个电感均承受正向电压，电池B₂、B₃、B₄给电感L₁充电，电池B₃、B₄给电感L₂充电，电池B₄给电感L₃充电，电流流通路径如图7(a)所示，电感电压及电感电流增加量如下式所示：

在t₂-t₃时刻，S₂断开，因电感电流的连续性，i_L1通过S₁的二极管D₁续流，电感L₁上储存的能量经二极管传递到B₁，对B₁充电，则电感L₂反并联到电池B₁两侧，承受负向电压；电感L₂、L₃继续保持t₁-t₂时刻的状态，电流流通路径如图7(b)所示，电感电压及电感电流增加量如下式所示：

在t₃-t₄时刻，S₃断开，电感电流i_L2通过S₂的二极管D₂续流，并与电感电流i_L1共同通过开关管S₁的二极管D₁续流到电池组正极，电感L₁储存的能量对电池B₁充电，电感L₂储存的能量同时对电池B₁、B₂充电；此时，只有开关管S₄处于正向导通状态，电池B₄继续保持对电感L₃放电，电感两端电压不变，电流流通路径如图7(c)所示，电感电压及电感电流增加量如下式所示：

在t₄-t₅时刻，S₄断开，电感L₁、L₂保持前一时刻的状态，通过二极管D₁、D₂续流并给电池B₁、B₂、充电；而电感电流i_L3将通过D₁、D₂、D₃续流，同时给电池B₁、B₂、B₃充电，其电流流通路径如图7(d)所示，电感电压及电感电流增加量如下式所示：

在t₅-t₆时刻，只有S₄闭合，与t₃-t₄时刻状态完全一致。

在t₆-t₇时刻，只有S₃、S₄闭合，与t₂-t₃时刻状态完全一致。

稳态时电感电流在一个周期内的增加量为0，整理上述电感电流增加量可得：

由图8各开关管脉冲关系可知，开关管的占空比满足下式所示关系：

结合上述两式可得D_S1＝0；D_S2＝1/4；D_S3＝1/2；D_S4＝3/4，证明了对于N节电池，在理想情况下，按照各电池均衡电流从大到小的顺序，其对应开关管的占空比依次为(N-1)/N，(N-2)/N，...，。

综上所述，在一个开关周期内，通过对所有开关管同步加入相应占空比的脉冲，使得均衡电路在开关管S₁、S₂、S₃、S₄分别单独不导通的四种工作状态中切换，最终可以得出各开关管电流波形如图8中i_S1、i_S2、i_S3、i_S4所示，其中i_S1平均值最小，i_S4平均值最大。通过图1电路可知，各开关管电流平均值i_Si等于对应电池均衡电流平均值i_Bi，实现控制目标i_B1＜i_B2＜i_B3＜i_B4。

同步电流控制实施结果：

针对上述具体实施方式进行实验验证，同样假设在电池均衡电流i_B1＜i_B2＜i_B3＜i_B4的工况下，设定各电池均衡电流给定值分别为 利用本发明所述同步电流控制方法，对各电池均衡电流进行实时闭环控制。启动过程中各电感电流波形如图9所示(因电池均衡电流不能直接测量，可由电感电流间接得出)，各电感电流在2ms内均达到给定值并稳定工作；启动过程中各电流PI调节器输出值即各开关管占空比如图10所示，各PI调节器输出值由初始值分别调整到-0.25、0.25、0.5、0.75，PI输出值小于零代表占空比为0，该开关管无脉冲，其它3个开关管脉冲如图11所示，其占空比分别为1/4、2/4、3/4。

图12所示为稳态时各电感电流在开关周期内的实验波形，可以看出各电感电流均稳定工并保持连续工作模式，与图8所示原理图相同。各电感电压波形如图13所示，与电感电流呈现一一对应关系。各开关管两端电压波形如图14所示，直观反映出开关管导通状态，可以看出开关管导通时间分为开关管有脉冲导通与二极管续流导通两部分，与原理图符合。

针对前述均衡控制策略进行仿真验证，以四节电池串联电池组均衡电路为例，以容量不一致的磷酸铁锂电池作为均衡对象，其初始SOC分别设为SOC₀＝91％，SOC₁＝93％，SOC₃＝90％，SOC₄＝92％，容量分别设为Q₁＝1.5Ah、Q₂＝2.5Ah、Q₃＝1.5Ah、Q₄＝1.5Ah(为减小仿真时间，此处容量值设置很小，实际均衡电路所对应电池容量通常为几十安时至几百安时)，通过图1所示电感式主动均衡电路拓扑，结合本发明所述同步电流控制方法及均衡控制策略，对所述电池组均衡电路进行仿真。各电池SOC变化曲线如图15所示，各电池对应均衡电流如图16所示，可以看出，在充电过程中，各电池SOC逐渐趋于一致后继续保持均衡，当前半段SOC未达到均衡时，各均衡电流在实时同步进行调节，后半段SOC达到均衡并维持均衡时，因各电池间存在容量差异，各均衡电流仍实时存在，并维持在某一固定值，与前述均衡控制策略相符合。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法，其特征在于，所述方法利用电感式主动均衡电路实现梯次利用电池组中所有电池的SOC持续均衡，所述电感式主动均衡电路包括在首端电池对应的MOSFET开关管与末端电池对应的MOSFET开关管之间并联有一滤波电容，所述方法包括如下步骤：

步骤S110：计算每个电池单体的均衡电流给定值；

步骤S120：计算每个电池单体的均衡电流反馈值；

步骤S130：结合所述均衡电流给定值和所述均衡电流反馈值获取每个MOSFET开关管的占空比；

步骤S140：根据MOSFET开关管的占空比获取MOSFET开关管脉冲，对所有MOSFET开关管进行同步控制。

2.根据权利要求1所述的梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法，其特征在于，所述步骤S110具体包括：

获取用于消除每个电池单体SOC差异的均衡电流

获取用于消除每个电池单体容量差异的均衡电流

将所述均衡电流和所述均衡电流叠加，得到所述均衡电流给定值。

3.根据权利要求2所述的梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法，其特征在于，所述获取用于消除每个电池单体SOC差异的均衡电流包括：

定义每个电池单体的SOC用SOC_i(i＝1，2…N)表示，所有电池单体的SOC平均值为每个电池单体的SOC与的差值为ΔSOC_i；则：

其中，K₁表示SOC均衡控制比例系数，K₁取值大小可决定对SOC差异的均衡速度。

4.根据权利要求3所述的梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法，其特征在于，所述获取用于消除每个电池单体容量差异的均衡电流包括：

定义每个电池单体的容量用Q_i(i＝1，2，...，N)表示，所有电池单体的容量平均值为每个电池单体的容量与的差值为ΔQ_i；则：

其中，I_M表示流过电池组的总充放电电流。

5.根据权利要求4所述的梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法，其特征在于，所述步骤S120具体包括：

通过测量所有的电感电流反馈值，经如下公式计算得到每个电池单体的均衡电流的反馈值：

6.根据权利要求5所述的梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法，其特征在于，所述步骤S130具体包括：

每个电池单体对应一个PI调节器，以每个电池单体的所述均衡电流给定值和所述均衡电流反馈值的差值作为输入量，以差值的比例和积分通过线性组合作为控制量，获取每个MOSFET开关管占空比。

7.根据权利要求6所述的梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法，其特征在于，对于N个电池单体串联的同步均衡电路，当达到均衡稳态后，每个MOSFET开关管的占空比按照均衡电流由大到小排序，所对应的MOSFET开关管占空比依次为(N-1)/N、(N-2)/N…1/N、0。

8.根据权利要求7所述的梯次利用电池组的同步均衡电流控制方法，其特征在于，所述步骤S140具体包括：

以各MOSFET开关管的占空比作为调制波，以同一三角波作为载波，通过PWM控制得到各MOSFET开关管的脉冲。