CN110729781A - 以电荷量差值为均衡判据的锂电池组均衡控制方法 - Google Patents

以电荷量差值为均衡判据的锂电池组均衡控制方法 Download PDF

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CN110729781A CN201911003310.8A CN201911003310A CN110729781A CN 110729781 A CN110729781 A CN 110729781A CN 201911003310 A CN201911003310 A CN 201911003310A CN 110729781 A CN110729781 A CN 110729781A
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Abstract

以电荷量差值为均衡判据的锂电池组均衡控制方法，该方法首先将相邻各单体电池包
Figure DDA0002241978850000011
差值和各单体电池包中各单体电池
Figure DDA0002241978850000012
差值降序排序，针对不同的组合状态，系统发出不同的控制信号控制均衡电路中对应场效应晶体管(Mosfet)的通断，从而实现各电池荷电荷量的再分配，当各相邻单体电池包
Figure DDA0002241978850000013
差值
Figure DDA0002241978850000014
在阈值
Figure DDA0002241978850000015
允许范围内，则表示第β层均衡实施完成，当各单体电池包内相邻单体电池间的
Figure DDA0002241978850000016
差值
Figure DDA0002241978850000017
在阈值
Figure DDA0002241978850000018
允许范围内时，则表示整个串联锂电池组荷电荷量均衡完成。本专利提出的均衡控制技术能够更迅速准确地缩小各电池间荷电荷量的不一致性，可有效预防串联锂电池组的过充或过放从而有效延长串联锂电池组的使用寿命。

Description

以电荷量差值为均衡判据的锂电池组均衡控制方法
技术领域
本发明属于电池组储能技术领域，涉及以电荷量差值为均衡判据的锂电池组均衡控制方法。
背景技术
由于制造工艺及操作环境的不均匀，串联锂离子电池组存在容量及内阻、温度的不一致性。这不仅导致锂电池组容量利用率低进而影响用电装置的使用时间，而且会造成锂电池组过充或过放从而导致锂电池组使用寿命下降进而导致用电装置使用成本增加，甚至会引起电池组起火等一些安全问题从而威胁使用人员的生命安全。因此对锂电池组均衡技术的研究以充分利用电池组的容量及改善电池组的操作安全性是很有必要的。
目前，大多数串联电池组均衡控制策略以基于电池组荷电荷量均值或者基于电池组荷电荷量极值实现电池组中各单体电池间均衡。基于荷电荷量均值的均衡控制策略首先计算电池组中各单体电池荷电荷量的均值，然后将各单体电池荷电荷量值和求得的荷电荷量均值作比较，该控制策略在一定程度上亦能实现电池组荷电荷量值的均衡；基于电池组荷电荷量极值的均衡控制策略计算电池组中单体电池荷电荷量最大值与荷电荷量最小值之差，最终实现其差值在设定的阈值之内。
为了更快、更好地实现电池组荷电荷量值的均衡，本发明提出一种以串联锂电池组中各相邻电池包
Figure BDA0002241978830000011
值差值和各电池包中各相邻单体电池
Figure BDA0002241978830000012
值差值作为均衡判据的主动均衡控制策略，采用分层均衡控制模式，结合所构建的以电感作为储能元件的双向能量流动拓扑电路实现整个电池组的均衡，均衡效率较高，均衡损失小。
发明内容
为了提高电池组荷电荷量值的均衡效率并减小均衡过程中的能量损失，提出一种以电荷量差值为均衡判据的锂电池组均衡控制方法，以串联锂电池组中相邻荷电荷量值差值作为均衡判据的主动均衡控制策略，采用两层均衡控制模式，以电池组各局部的均衡最终实现整个电池组的均衡。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：以电荷量差值为均衡判据的锂电池组均衡控制方法，具体包括以下步骤：
步骤一、构建均衡拓扑电路
以电感作为储能元件的双向能量流拓扑电路，该电路包括β电池单元组，β>1，各层电池单元组之间以串联的方式连接，每层电池单元组包括n个单体电池包，每层内的单体电池包以串联的方式连接，各层的各单体电池包表示为每层内单体电池包包括i节单体电池，一个电感和至多16个Mosfet管，该电感正负极通过至多16个Mosfet管分别与i节单体电池的正负极相串联，该电路以电感实现能量的转移，通过控制Mosfet管的通断以及通断时间来控制均衡电流的大小和方向，将能量从
Figure BDA0002241978830000022
较高的单体电池包转移至
Figure BDA0002241978830000023
较低的单体电池包，同时，将能量从
Figure BDA0002241978830000024
较高的单体电池转移至
Figure BDA0002241978830000025
较低的单体电池，其中，
Figure BDA0002241978830000026
表示第β层第n个单体电池包的荷电荷量均值，
Figure BDA0002241978830000027
表示第i节单体电池荷电荷量值；
步骤二、主动均衡控制策略
以串联电池单元组中各相邻单体电池包
Figure BDA0002241978830000028
值差值和各单体电池包中各相邻单体电池
Figure BDA0002241978830000029
值差值作为均衡判据，首先对每层中的各单体电池包中的
Figure BDA00022419788300000210
值和各单体电池包中的各单体电池
Figure BDA00022419788300000211
值进行降序排列，其次求出排序后的单体电池包间各相邻
Figure BDA00022419788300000212
值的差值和排序后的各单体电池包中单体电池各相邻
Figure BDA00022419788300000213
值的差值，将各差值分别与对应的阈值作比较，可得出不同的组合状态，不同的组合状态对应不同的均衡动作，若单体电池包间各相邻
Figure BDA00022419788300000214
值之间的差值在相应阈值内，即代表单体电池包间荷电荷量值均衡完成，若未完成均衡，均衡拓扑电路会在不同组合状态间进行反复切换，通过控制Mosfet管的通断以及通断时间来控制单体电池包间的均衡电流的大小和方向，直到单体电池包间各相邻
Figure BDA00022419788300000215
值之间的差值在相应阈值内，待单体电池包完成SOC值均衡后，各单体电池包中各单体电池间进行均衡，若各单体电池包中各单体电池间相邻
Figure BDA00022419788300000216
值之间的差值在相应阈值内，即代表整个串联电池单元组完成均衡，若未完成均衡，均衡拓扑电路会在不同组合状态间进行反复切换，通过控制Mosfet管的通断以及通断时间来控制每个单体电池包内的单体电池间的均衡电流的大小和方向，直到单体电池包内各单体池各相邻
Figure BDA0002241978830000031
值之间的差值在相应阈值内。
Figure BDA0002241978830000032
值的具体计算方法为，共有u节单体电池需要均衡，u＞4，令
Figure BDA0002241978830000033
表示第β层电池单元组中各单体电池荷电荷量，
1)当u是4的整数次幂倍，那么令
u＝4α+1 (1)
此时有：
Figure BDA0002241978830000034
式中，n＝1,2,...,u/4,β＝1,2,...,α
Figure BDA0002241978830000035
式中，α表示电池单元组的总层数，β表示第β层电池单元组，n表示每一层中第n个单体电池包，i表示每个单体电池包的第i节单体电池，
Figure BDA0002241978830000036
表示第β层第n个单体电池包中各单体电池荷电荷量值的和，表示第β层第n个单体电池包的荷电荷量均值。
2)当u不是4的整数次幂倍，那么令
u＝4·w+v (4)
式中，w≥1且w∈整数，|v|≤4
w≥(4α-1)max (5)
此时有：
式中，n＜w+1且n∈正整数，β＝1,2,...,α
Figure BDA0002241978830000039
式中，n＝w+1且n∈正整数，v≠0,β＝1,2,...,α
Figure BDA0002241978830000041
式中，n＜w+1
Figure BDA0002241978830000042
式中，n＝w+1且v≠0
当v≠0时，w+1为单体电池包的总个数，当v＝0时，w为单体电池包的总个数，v为第w+1个单体电池包中单体电池个数。
单体电池包完成SOC值均衡的具体方法为，
首先将
Figure BDA0002241978830000043
值从大到小排序，并记相邻
Figure BDA0002241978830000044
值之间差值为
Figure BDA0002241978830000045
c＝1、2、3...，并记相邻值之间的差值阈值为
Figure BDA0002241978830000047
r＝1、2、3…；记
Figure BDA0002241978830000048
为
Figure BDA0002241978830000049
m＝1、2、3…，ε＝1、2、3…，
Figure BDA00022419788300000410
共有0和1两种状态，0表示单体电池包相邻值之间的差值小于对应差值阈值，1表示大于对应差值阈值，构建单体电池包间
Figure BDA00022419788300000412
均衡控制策略表，根据单体电池包间
Figure BDA00022419788300000413
均衡控制策略表内各个
Figure BDA00022419788300000414
与
Figure BDA00022419788300000415
的大小关系判断出
Figure BDA00022419788300000416
处于何种状态组合，根据不同的状态组合做出不同的均衡动作，直至
Figure BDA00022419788300000417
的状态都为0，完成单体电池包间
Figure BDA00022419788300000418
值的均衡，若未完成均衡，系统将会在各个状态组合间反复切换，直至
Figure BDA00022419788300000419
Figure BDA00022419788300000420
的状态都为0，表示电池包间
Figure BDA00022419788300000421
值均衡完成。
各单体电池包中各单体电池间进行均衡的方法为，
首先对各单体电池包中各单体电池
Figure BDA00022419788300000422
值进行降序排列，并记相邻
Figure BDA00022419788300000423
值之间的差值为
Figure BDA00022419788300000424
a＝1、2、3…，相邻值之间的差值阈值为
Figure BDA00022419788300000426
f＝1、2、3…；
记
Figure BDA00022419788300000427
为
Figure BDA00022419788300000428
j＝1、2…,λ＝1、2、3…，
Figure BDA00022419788300000429
共有0和1两种状态，0表示各单体电池包中各单体电池间相邻
Figure BDA00022419788300000430
值的差值在对应差值阈值内，1表示在对应差值阈值外，构建单体电池间
Figure BDA00022419788300000431
均衡控制策略表，根据单体电池间
Figure BDA00022419788300000432
均衡控制策略表内各个与
Figure BDA00022419788300000434
的大小关系判断出
Figure BDA00022419788300000435
处于何种状态组合，系统根据不同的状态组合做出不同的均衡动作，直至
Figure BDA0002241978830000051
的状态都为0，完成单体电池间
Figure BDA0002241978830000052
值的均衡，若未完成均衡，系统将会在各个状态组合间反复切换，直至
Figure BDA0002241978830000053
的状态都为0，表示单体电池间
Figure BDA0002241978830000054
值均衡完成。
本发明有益效果是：本专利提出的串联锂电池组均衡控制策略在提高均衡效率的同时又可以降低均衡损失，两层均衡控制模式易于模块化实现又可以无限制拓展，可有效地预防串联锂电池组的过充或过放从而确保电池组的安全使用，有效地延长串联锂电池组的使用寿命。本控制策略既可以作为控制方法用于电动汽车、太阳能发电及风能发电等行业也可以作为电池组整体组件供应于其他能源供给设备或装置。
附图说明
图1为本发明均衡拓扑电路图；
图2为本发明相邻荷电荷量值差值主动均衡控制策略流程图；
图3为本发明串联锂电池组均衡系统整体Simulink模型图；
图4为本发明单体锂电池间均衡子系统Simulink模型图；
图5为本发明电池包间均衡控制策略图；
图6为本发明单体锂电池间部分均衡控制策略图；
图7为本发明静置时各单体锂电池SOC均衡变化曲线图；
图8为本发明随机电流下串联锂电池组各单体锂电池SOC均衡变化曲线图；
图9为本发明静置状态下不同均衡方法均衡完成后单体锂电池荷电荷量极差图；
图10为本发明随机电流下不同均衡方法均衡完后单体锂电池核电荷量极差图。
具体实施方式
以电荷量差值为均衡判据的锂电池组均衡控制方法，包括以下步骤：
1、构建均衡拓扑电路：不同的控制策略都离不开对应的均衡电路，本发明所提出的主动均衡控制策略基于以电感作为储能元件的双向能量流动拓扑电路，双向能量流动即为电池可以向电感转移能量，电感也可以向电池转移能量，该电路包括β电池单元组，β>1，各层电池单元组之间以串联的方式连接，每层电池单元组包括n个单体电池包，如图1所示，Batn1-Batn4表示各单体电池，例如第一个电池包的各单体电池为Bat11-Bat14,各单体电池以串联方式进行连接，
Figure BDA0002241978830000055
表示第一层各单体电池包，
Figure BDA0002241978830000056
表示第β层各单体电池包，每一层单体电池包之间仍以串联的方式进行连接，每层内单体电池包包括i节单体电池，一个电感和至多16个Mosfet管，第一层每个单体电池包中包括至多4节单体电池，一个电感和至多16个Mosfet管，该电感正负极通过至多16个Mosfet管分别与i节单体电池的正负极相串联。S1_1-S16_n等以S开头的均表示为Mosfet管，L1-Ln及LP1表示电感。该电路以电感实现能量的转移，通过控制Mosfet管的通断以及通断时间来控制均衡电流的大小和方向，将能量从
Figure BDA0002241978830000061
较高的单体电池包转移至
Figure BDA0002241978830000062
较低的单体电池包，同时，将能量从较高的单体电池转移至
Figure BDA0002241978830000064
较低的单体电池，其中，
Figure BDA0002241978830000065
表示第β层第n个单体电池包的荷电荷量均值，
Figure BDA0002241978830000066
表示第i节单体电池荷电荷量值。
2、主动均衡控制策略
该主动均衡控制策略以串联电池单元组中各相邻单体电池包
Figure BDA0002241978830000067
值差值和各单体电池包中各相邻单体电池
Figure BDA0002241978830000068
值差值作为均衡判据，采用分层均衡控制模式，例如，以串联电池单元组中每相邻4节单体锂电池作为一个电池包(PACK)并定义电池包
Figure BDA0002241978830000069
为4节单体锂电池
Figure BDA00022419788300000610
值的平均值，首先对各单体电池包中
Figure BDA00022419788300000611
值和各单体电池包中各单体电池
Figure BDA00022419788300000612
值进行降序排列，其次求出单体电池包间各相邻
Figure BDA00022419788300000613
值的差值和各单体电池包中单体电池各相邻值的差值，将各差值分别与对应的阈值作比较，可得出不同的组合状态，不同的组合状态对应不同的均衡动作。若单体电池包间各相邻值之间的差值在相应阈值内，即代表单体电池包间荷电荷量值均衡完成，若未完成均衡，均衡系统会在不同组合状态间进行反复切换直到单体电池包间各相邻
Figure BDA00022419788300000616
值之间的差值在相应阈值内，待单体电池包完成SOC值均衡后，各单体电池包中各单体电池间进行均衡，若各单体电池包中各单体电池间相邻值之间的差值在相应阈值内，即代表整个串联电池单元组完成均衡，若未完成均衡，均衡系统会在不同组合状态间进行反复切换直到单体电池包间各相邻
Figure BDA00022419788300000618
值之间的差值在相应阈值内，如图2所示。
3、构建单体电池包间主动均衡策略:在1所述的均衡拓扑电路的基础上，将单体电池包与单体电池包间
Figure BDA00022419788300000619
值的均衡作为第β层均衡控制对象，进行单体电池包与单体电池包间
Figure BDA0002241978830000071
均衡控制策略的设计主要是为了减小各单体电池间的控制策略设计的复杂度，共有u(u＞4)节单体电池需要均衡，令
Figure BDA0002241978830000072
表示第β层电池单元组中各单体电池荷电荷量，
1)u是4的整数次幂倍，那么令
u＝4α+1 (1)
此时有：
Figure BDA0002241978830000073
式中，n＝1,2,...,u/4,β＝1,2,...,α
Figure BDA0002241978830000074
式中，α表示电池单元组的总层数，β表示第β层电池单元组，n表示每一层中第n个单体电池包，i表示每个单体电池包的第i节单体电池，
Figure BDA0002241978830000075
表示第β层第n个单体电池包中各单体电池荷电荷量值的和，
Figure BDA0002241978830000076
表示第β层第n个单体电池包的荷电荷量均值。
Figure BDA0002241978830000077
表示第β-1层各个单体电池包荷电荷量值，表示第β-1层第w+1个单体电池包荷电荷量值。
2)当u不是4的整数次幂倍，那么令
u＝4·w+v (4)
式中，w≥1且w∈整数，|v|≤4
w≥(4α-1)max (5)
此时有：
Figure BDA0002241978830000079
式中，n＜w+1且n∈正整数，β＝1,2,...,α
式中，n＝w+1且n∈正整数，v≠0,β＝1,2,...,α
Figure BDA0002241978830000081
式中，n＜w+1
Figure BDA0002241978830000082
式中，n＝w+1且v≠0
当v≠0时，w+1为单体电池包的总个数，当v＝0时，w为单体电池包的总个数，v为第w+1个单体电池包中单体电池个数。
首先将
Figure DA00022419788330575
值从大到小排序，并记相邻值之间差值为
Figure BDA0002241978830000085
(c＝1,2,3…)，并记相邻
Figure BDA0002241978830000086
值之间的差值阈值为
Figure BDA0002241978830000087
记
Figure BDA0002241978830000088
Figure BDA0002241978830000089
为
Figure BDA00022419788300000810
Figure BDA00022419788300000811
共有0和1两种状态，0表示单体电池包相邻
Figure BDA00022419788300000812
值之间的差值小于对应差值阈值，1表示大于对应差值阈值。以3个单体电池包为例，构建同层内单体电池包间
Figure BDA00022419788300000813
均衡控制策略如表1所示：当
Figure BDA00022419788300000814
时，
Figure BDA00022419788300000815
(表示荷电荷量第三大的单体电池包向荷电荷量最小的单体电池包转移能量，以下略同),当
Figure BDA00022419788300000816
Figure BDA00022419788300000817
时,
Figure BDA00022419788300000818
当
Figure BDA00022419788300000819
时，
Figure BDA00022419788300000820
当
Figure BDA00022419788300000821
时，
Figure BDA00022419788300000822
当时，
Figure BDA00022419788300000824
当
Figure BDA00022419788300000825
时，
Figure BDA00022419788300000826
当
Figure BDA00022419788300000827
Figure BDA00022419788300000828
时，
Figure BDA00022419788300000829
当时，系统无动作。总结起来为系统首先会根据各个
Figure BDA00022419788300000831
与
Figure BDA00022419788300000832
的大小关系判断出
Figure BDA00022419788300000833
Figure BDA00022419788300000834
处于何种状态组合，系统根据不同的状态组合做出不同的均衡动作，直至
Figure BDA00022419788300000835
Figure BDA00022419788300000836
的状态都为0，完成单体电池包间
Figure BDA00022419788300000837
值的均衡，若未完成均衡，系统将会在各个状态组合间反复切换，直至
Figure BDA00022419788300000838
的状态都为0，表示电池包间
Figure BDA00022419788300000839
值均衡完成。
表1为同层内单体电池包间
Figure BDA0002241978830000091
均衡控制策略表
Figure BDA0002241978830000092
4、构建单体电池间主动均衡控制策略：为了实现串联锂电池组各单体电池包中各单体电池间
Figure BDA0002241978830000093
的均衡，首先对各单体电池包中各单体电池
Figure BDA0002241978830000094
值进行降序排列，并记相邻值之间的差值为
Figure BDA0002241978830000096
相邻
Figure BDA0002241978830000097
值之间的差值阈值为
Figure BDA0002241978830000098
记
Figure BDA0002241978830000099
为
Figure BDA00022419788300000910
Figure BDA00022419788300000911
共有0和1两种状态，0表示各单体电池包中各单体电池间相邻
Figure BDA00022419788300000912
值的差值在对应差值阈值内，1表示在对应差值阈值外。以3个单体电池为例，同一个单体电池包内的单体电池间
Figure BDA00022419788300000913
均衡控制策略表如表2所示：当时，
Figure BDA00022419788300000915
(表示荷电荷量第三大的单体电池向荷电荷量最小的单体转移能量，以下略同)，当
Figure BDA00022419788300000916
时，
Figure BDA00022419788300000917
当
Figure BDA00022419788300000918
时，
Figure BDA00022419788300000919
当
Figure BDA00022419788300000920
时，
Figure BDA00022419788300000921
当
Figure BDA00022419788300000922
Figure BDA00022419788300000923
时，当
Figure BDA00022419788300000925
时，
Figure BDA00022419788300000926
Figure BDA00022419788300000927
当
Figure BDA00022419788300000928
时，
Figure BDA00022419788300000929
总结起来为系统首先会根据各个
Figure BDA00022419788300000930
与
Figure BDA00022419788300000931
的大小关系判断出
Figure BDA00022419788300000932
处于何种状态组合，系统根据不同的状态组合做出不同的均衡动作，直至的状态都为0，完成单体电池间
Figure BDA0002241978830000101
值的均衡，若未完成均衡，系统将会在各个状态组合间反复切换，直至
Figure BDA0002241978830000102
的状态都为0，表示单体电池间
Figure BDA0002241978830000103
值均衡完成，至此整个串联锂电池组完成荷电荷量的均衡。
表2为各单体电池包中单体电池间
Figure BDA0002241978830000104
均衡控制策略表
Figure BDA0002241978830000105
5、举例说明均衡电路结合控制策略的工作过程：假设串联锂电池组只有一层电池单元组(PACK)并只有两个单体电池包
Figure BDA0002241978830000106
与
Figure BDA0002241978830000107
其中单体电池包
Figure BDA0002241978830000108
与单体电池包
Figure BDA0002241978830000109
间的
Figure BDA00022419788300001010
差值
Figure BDA00022419788300001011
大于所设定的阈值
Figure BDA00022419788300001012
并有
Figure BDA00022419788300001013
那么此时
Figure BDA00022419788300001014
根据上述均衡控制策略，则有
Figure BDA00022419788300001015
即
Figure BDA00022419788300001016
另外，假设单体电池包
Figure BDA00022419788300001017
中4节单体电池Bat11-Bat14的荷电荷量值
Figure BDA00022419788300001018
且
Figure BDA00022419788300001019
那么有即
Figure BDA00022419788300001021
同时假设单体电池包
Figure BDA00022419788300001022
中4节单体电池Bat21-Bat24的荷电荷量值不需要均衡。那么此时系统首先进行单体电池包间荷电荷量的均衡，即单体电池包中的部分能量通过电感LP1转移至单体电池包
Figure BDA00022419788300001024
中，如此反复，直至
Figure BDA00022419788300001025
表示单体电池包间
Figure BDA00022419788300001026
值完成均衡，若未完成均衡，系统会不断重复上述过程，直至
Figure BDA00022419788300001027
紧接着系统将Bat11的部分能量通过电感L1转移至Bat14中，同时系统会判断和
Figure BDA00022419788300001029
的值，根据三者的值，系统决定将某一单体电池的部分能量转移至另一单体电池中，直至表示整个串联锂电池组完成荷电荷量的均衡，若未完成均衡，系统会不断重复上述过程，直至
Figure BDA0002241978830000112
其中，如图3、图4所示，上述系统指的是整个均衡系统，其作用为控制整个均衡过程的运作，是本领域里使用的常规系统。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
此实施中，令u＝8，即对八节串联锂电池(额定容量30Ah，额定电压3.7V)在Matlab/Simulink中进行均衡控制策略的仿真验证，由式(4)、(5)可知，w＝2，v＝0，β＝α＝1，
Figure BDA0002241978830000113
中各单体锂电池初始
Figure BDA0002241978830000114
分别为
Figure BDA0002241978830000116
Figure BDA0002241978830000117
中各单体锂电池初始
Figure BDA0002241978830000118
分别
Figure BDA0002241978830000119
Figure BDA00022419788300001110
由公式(8)可知，
Figure BDA00022419788300001111
的值为0.971，的
Figure BDA00022419788300001114
值为0.97275，分别对
Figure BDA00022419788300001115
和中单体电池初始
Figure BDA00022419788300001117
进行降序排列并计算相邻
Figure BDA00022419788300001118
间的差值，
Figure BDA00022419788300001119
中，
Figure BDA00022419788300001120
Figure BDA00022419788300001121
中，
Figure BDA00022419788300001122
Figure BDA00022419788300001123
与
Figure BDA00022419788300001124
间差值阈值
Figure BDA00022419788300001125
为0.001，
Figure BDA00022419788300001126
中各相邻
Figure BDA00022419788300001127
间的差值阈值为
Figure BDA00022419788300001128
Figure BDA00022419788300001129
中各相邻
Figure BDA00022419788300001130
间的差值阈值也设置为
Figure BDA00022419788300001131
均衡电感LP1为21mH；L1＝L2＝5mH，均衡电流均设置为2000mA，由于
Figure BDA00022419788300001133
因此，根据表1可知，
Figure BDA00022419788300001134
因此，
Figure BDA00022419788300001135
不断向
Figure BDA00022419788300001136
转移能量，直至
Figure BDA00022419788300001137
Figure BDA00022419788300001138
与间完成荷电荷量的均衡。在完成电池包间的均衡后，各单体电池包单体电池间根据
Figure BDA00022419788300001140
与
Figure BDA00022419788300001141
的大小关系并结合表2，完成荷电荷量的均衡。在Matlab/Simulink中对上述控制策略及拓扑电路进行搭建，如图3、图4、图5、图6所示。
仿真结果表明，一方面，静置时串联锂电池组各单体锂电池在上述均衡控制策路的作用下较快区域趋于一致，在1000秒左右完成均衡，均衡完成后
Figure BDA00022419788300001142
最大值与最小值间的差值由0.007减小为0.0042，极差相对减小了45.7％，标准差由0.0028减小为0.0013，如图7所示。另一方面，随机电流下串联锂电池组各单体锂电池在上述均衡控制策略的作用下依然能够较快趋于一致，在1900秒左右完成均衡，均衡完成后
Figure BDA0002241978830000122
最大值与最小值间的差值同样由0.007减小为0.0042，标准差由0.0028减小为0.0013，如图8所示。
为了进一步验证所提出的均衡控制策略的快速性及高效性，将该均衡控制策略与基于极差法的均衡控制策略做了对比，串联锂电池组在静置状态下，所提出的均衡控制策略在1000秒左右完成均衡，而极差法需要1300秒完成均衡，快速性缩短了200秒，如图9所示。所提出的均衡控制策略在均衡完成后单体电池荷电荷量标准差为0.0013，极差法为0.0015，标准差相对减少了13.3％，如表3所示；串联锂电池组在随机电流下，所提出的均衡控制策略在1900秒左右完成均衡，而极差法需要2050秒完成均衡，快速性缩短了150秒，如图10所示。所提出的均衡控制策略在均衡完成后单体电池荷电荷量标准差为0.0013，极差法为0.0015，标准差相对减少了13.3％，如表4所示。
表3为相邻SOC值差值法不同条件下各单体锂电池均衡前后荷电荷量值对比
Figure BDA0002241978830000121
表4为极差法不同条件下各单体锂电池均衡前后荷电荷量值对比
Figure BDA0002241978830000131
因此本发明所提出的串联锂电池组主动均衡策略能够保证串联锂电池组中各单体锂电池SOC较快地趋于一致，从而有效的保证锂电池组的使用安全，延长其使用寿命。
以上为本发明的具体实施例，凡是利用权利说明书或附图的等效变换，均在本发明专利的保护范围内。

Claims (4)

1.以电荷量差值为均衡判据的锂电池组均衡控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一、构建均衡拓扑电路
以电感作为储能元件的双向能量流拓扑电路，该电路包括β电池单元组，β>1，各层电池单元组之间以串联的方式连接，每层电池单元组包括n个单体电池包，每层内的单体电池包以串联的方式连接，各层的各单体电池包表示为
Figure FDA0002241978820000011
每层内单体电池包包括i节单体电池，一个电感和至多16个Mosfet管，该电感正负极通过至多16个Mosfet管分别与i节单体电池的正负极相串联，该电路以电感实现能量的转移，通过控制Mosfet管的通断以及通断时间来控制均衡电流的大小和方向，将能量从
Figure FDA0002241978820000012
较高的单体电池包转移至较低的单体电池包，同时，将能量从
Figure FDA0002241978820000014
较高的单体电池转移至
Figure FDA0002241978820000015
较低的单体电池，其中，
Figure FDA0002241978820000016
表示第β层第n个单体电池包的荷电荷量均值，
Figure FDA0002241978820000017
表示第i节单体电池荷电荷量值；
步骤二、主动均衡控制策略
以串联电池单元组中各相邻单体电池包值差值和各单体电池包中各相邻单体电池
Figure FDA0002241978820000019
值差值作为均衡判据，首先对每层中的各单体电池包中的
Figure FDA00022419788200000110
值和各单体电池包中的各单体电池
Figure FDA00022419788200000111
值进行降序排列，其次求出排序后的单体电池包间各相邻
Figure FDA00022419788200000112
值的差值和排序后的各单体电池包中单体电池各相邻
Figure FDA00022419788200000113
值的差值，将各差值分别与对应的阈值作比较，可得出不同的组合状态，不同的组合状态对应不同的均衡动作，若单体电池包间各相邻
Figure FDA00022419788200000114
值之间的差值在相应阈值内，即代表单体电池包间荷电荷量值均衡完成，若未完成均衡，均衡拓扑电路会在不同组合状态间进行反复切换，通过控制Mosfet管的通断以及通断时间来控制单体电池包间的均衡电流的大小和方向，直到单体电池包间各相邻值之间的差值在相应阈值内，待单体电池包完成SOC值均衡后，各单体电池包中各单体电池间进行均衡，若各单体电池包中各单体电池间相邻
Figure FDA00022419788200000116
值之间的差值在相应阈值内，即代表整个串联电池单元组完成均衡，若未完成均衡，均衡拓扑电路会在不同组合状态间进行反复切换，通过控制Mosfet管的通断以及通断时间来控制每个单体电池包内的单体电池间的均衡电流的大小和方向，直到单体电池包内各单体池各相邻
Figure FDA0002241978820000021
值之间的差值在相应阈值内。
2.如权利要求1所述的以电荷量差值为均衡判据的锂电池组均衡控制方法，其特征在于：
Figure FDA0002241978820000022
值的具体计算方法为，共有u节单体电池需要均衡，u＞4，令表示第β层电池单元组中各单体电池荷电荷量，
1)当u是4的整数次幂倍，那么令
u＝4α+1 (1)
此时有：
Figure FDA0002241978820000024
式中，n＝1,2,...,u/4,β＝1,2,...,α
Figure FDA0002241978820000025
式中，α表示电池单元组的总层数，β表示第β层电池单元组，n表示每一层中第n个单体电池包，i表示每个单体电池包的第i节单体电池，表示第β层第n个单体电池包中各单体电池荷电荷量值的和，
Figure FDA0002241978820000027
表示第β层第n个单体电池包的荷电荷量均值；
2)当u不是4的整数次幂倍，那么令
u＝4·w+v (4)
式中，w≥1且w∈整数，|v|≤4
w≥(4α-1)max (5)
此时有：
式中，n＜w+1且n∈正整数，β＝1,2,...,α
Figure FDA0002241978820000031
式中，n＝w+1且n∈正整数，v≠0,β＝1,2,...,α
Figure FDA0002241978820000032
式中，n＜w+1
Figure DA00022419788230620
式中，n＝w+1且v≠0
当v≠0时，w+1为单体电池包的总个数，当v＝0时，w为单体电池包的总个数，v为第w+1个单体电池包中单体电池个数。
3.如权利要求1所述的以电荷量差值为均衡判据的锂电池组均衡控制方法，其特征在于：步骤二中单体电池包完成SOC值均衡的具体方法为，
首先将
Figure FDA0002241978820000034
值从大到小排序，并记相邻
Figure FDA0002241978820000035
值之间差值为
Figure FDA0002241978820000036
Figure FDA0002241978820000037
并记相邻
Figure FDA0002241978820000038
值之间的差值阈值为记
Figure FDA00022419788200000310
为
Figure FDA00022419788200000329
Figure FDA00022419788200000311
Figure FDA00022419788200000312
共有0和1两种状态，0表示单体电池包相邻
Figure FDA00022419788200000313
值之间的差值小于对应差值阈值，1表示大于对应差值阈值，构建单体电池包间
Figure FDA00022419788200000314
均衡控制策略表，根据单体电池包间
Figure FDA00022419788200000315
均衡控制策略表内各个
Figure FDA00022419788200000316
与
Figure FDA00022419788200000317
的大小关系判断出
Figure FDA00022419788200000318
处于何种状态组合，根据不同的状态组合做出不同的均衡动作，直至
Figure FDA00022419788200000319
的状态都为0，完成单体电池包间
Figure FDA00022419788200000320
值的均衡，若未完成均衡，系统将会在各个状态组合间反复切换，直至
Figure FDA00022419788200000322
的状态都为0，表示电池包间
Figure FDA00022419788200000323
值均衡完成。
4.如权利要求1所述的以电荷量差值为均衡判据的锂电池组均衡控制方法，其特征在于：步骤二中各单体电池包中各单体电池间进行均衡的方法为，
首先对各单体电池包中各单体电池
Figure FDA00022419788200000324
值进行降序排列，并记相邻值之间的差值为
Figure FDA00022419788200000326
相邻
Figure FDA00022419788200000327
值之间的差值阈值为
Figure FDA00022419788200000328
Figure FDA0002241978820000041
记
Figure FDA0002241978820000042
为
Figure FDA0002241978820000043
Figure FDA0002241978820000044
共有0和1两种状态，0表示各单体电池包中各单体电池间相邻
Figure FDA0002241978820000045
值的差值在对应差值阈值内，1表示在对应差值阈值外，构建单体电池间
Figure FDA0002241978820000046
均衡控制策略表，根据单体电池间均衡控制策略表内各个
Figure FDA0002241978820000048
与
Figure FDA0002241978820000049
的大小关系判断出
Figure FDA00022419788200000410
处于何种状态组合，系统根据不同的状态组合做出不同的均衡动作，直至
Figure FDA00022419788200000411
的状态都为0，完成单体电池间
Figure FDA00022419788200000412
值的均衡，若未完成均衡，系统将会在各个状态组合间反复切换，直至
Figure FDA00022419788200000413
的状态都为0，表示单体电池间
Figure FDA00022419788200000414
值均衡完成。
CN201911003310.8A 2019-10-22 2019-10-22 以电荷量差值为均衡判据的锂电池组均衡控制方法 Active CN110729781B (zh)

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