CN110931904B - 一种锂电池充放电控制方法 - Google Patents

一种锂电池充放电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种锂电池充放电控制方法，包括以下步骤：采集锂电池的电压和电流，并根据所述电压和电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大充电功率；采集锂电池的电压和电流，并根据所述电压和电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大放电功率；根据锂电池的最大放电电流和最小放电电压得到参考最大放电功率；根据持续采集的电压和电流获得持续放电功率和瞬间放电功率；根据所述持续放电功率和瞬间放电功率通过PID调节算法调节，得到调节最大放电功率；取三者最小的功率为锂电池的最大放电功率。本发明的方法可以更好的监控锂电池充放电状态，从而进行对应充放电保护，提高锂电池运行过程中的安全性，以及提升锂电池寿命。

Description

一种锂电池充放电控制方法
技术领域
本发明涉及新能源电池技术领域，特别是涉及一种锂电池充放电控制方法。
背景技术
锂电池具有自放电小、电压高、质量轻、无污染以及使用寿命长等独特优点，随着锂电池技术的发展和节能环保的重视和普及，锂电池组作为储能设备的应用越来越广泛，如电动车、混动力汽车、不间断电源以及太阳能发电系统等新能源领域。
随着锂离子电池的大量使用，对其性能的要求也越来越高，而电池的主要性能是其充电及放电特性。由于动力锂离子电池高昂的成本及内部结构的复杂性，长时间的充电及放电会对锂离子电池造成永久损坏：如过度放电极易造成其内部结构塌陷，从而导致其容量损失，性能下降，寿命降低；而过度充电则会使得一些锂离子再也无法释放出来，容易发生爆炸。因此需要对锂离子电池充放电进行合理、有效的控制。
发明内容
基于此，本发明提供一种锂电池充放电控制方法，可以更好的监控锂电池充放电状态，从而进行对应充放电保护，提高锂电池运行过程中的安全性，以及提升锂电池寿命。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种锂电池充放电控制方法，包括以下步骤：
采集锂电池的电压和电流，并根据所述电压和电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大充电功率；
将所述理论最大充电功率与参考最大充电功率做比较，取两者之间最小的充电功率为最大充电功率；
采集锂电池的电压和电流，并根据所述电压和电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大放电功率；
根据锂电池的最大放电电流和最小放电电压得到参考最大放电功率；
根据持续采集的电压和电流获得持续放电功率和瞬间放电功率；根据所述持续放电功率和瞬间放电功率通过PID调节算法调节，得到调节最大放电功率；
取理论最大放电功率、参考最大放电功率和调节最大放电功率，三者最小的功率为锂电池的最大放电功率；
检测锂电池的实际充电放电过程中的电压和电流值，若实际充电功率超过所述最大充电功率，则对所述锂电池进行对应保护措施；若实际放电功率超过所述最大放电功率，则对所述锂电池进行对应保护措施。
作为上述方案的进一步改进为：
所述根据所述电压和电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大充电功率的步骤包括：
根据最大充电电压和最大充电电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大充电功率。
上述方案中，优选地，所述根据所述电压和电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大放电功率的步骤具体包括：
根据电池当前电压和最大放电电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大放电功率。
上述方案中，优选地，所述检测锂电池的实际充电放电过程中的电压和电流值的步骤之前还包括：
检测锂电池的实时电芯温度，当所述电芯温度在50℃-55℃时，降低充电功率，当所述电芯温度＞55℃，停止充电。
上述方案中，优选地，所述所述检测锂电池的实际充电放电过程中的电压和电流值的步骤之前还包括：
根据电池管理系统发送的电压和电流限制条件，计算出当前驱动电机允许的放电功率。
由以上方案可以看出，本发明的锂电池充放电控制方法，通过PID调节(PIDregulating)算法对采集的电压和电流数据进行调节计算理想的最大充电功率，降低误差和偏差，同时和实际参考功率做比较，取其中更小的功率数据为最大充电功率。可以使得到的充电功率更为精确，更符合电池的实际情况。
通过PID调节算法对采集的电压和电流数据进行调节计算理想的最大放电电功率，同时根据锂电池的最大放电电流和最小放电电压得到参考最大放电功率；通过PID调节算法调节采集到的电池持续放电功率和瞬间放电功率，得到调节最大放电功率；取其三者最小的功率为锂电池的最大放电功率，可以使得到的放电电功率更为精确，更符合电池的实际情况。
附图说明
图1为本发明实施例锂电池充放电控制方法的充电功率获取流程示意图；
图2为本发明实施例锂电池充放电控制方法的放电电功率获取流程示意图；
图3为本发明实施例锂电池充放电控制方法的的整体运作流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体的实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述。
参见图1至图3所示，本发明的实施例首先以一个具体优化的实施例的方式说明下本发明的模组结构和原理。
本发明基于32位硬件平台进行开发，搭建了一种锂离子电池充放电控制方法，主要工作包括策略指标的确定、控制策略流程确定、充放电过程诊断与保护功能。
如图1和图2所示，为充电和放电的最大功率计算的一个简易过程。
采集锂电池的电压和电流，并根据所述电压和电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大充电功率；
将所述理论最大充电功率与参考最大充电功率做比较，取两者之间最小的充电功率为最大充电功率；
采集锂电池的电压和电流，并根据所述电压和电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大放电功率；
根据锂电池的最大放电电流和最小放电电压得到参考最大放电功率；
根据持续采集的电压和电流获得持续放电功率和瞬间放电功率；根据所述持续放电功率和瞬间放电功率通过PID调节算法调节，得到调节最大放电功率；
取理论最大放电功率、参考最大放电功率和调节最大放电功率，三者最小的功率为锂电池的最大放电功率。
由此，得到我们需要的最大充放电功率，在实际使用中，新能源车运行时，可以根据这个最大充放电功率来限制电池的充放电功率，从而使得更为电池安全，也可以提升电池寿命。
本发明实施例的方法的整体流程如图3所示。
其中策略指标主要基于电池电压、电流、充放电功率等变量，也可以通过容量、SOC(电池荷电状态)等其他的变量相结合，经过PID调解计算出最大充、放电功率，并与参考值进行比较后取小者，以此作为实际最终输出的最大充、放电功率。参考值为出厂时电池电芯最大允许功率。
控制策略流程，包括系统的初始化、判断电池状态、计算并确定充放电功率、实时电量计算、电压/电流/温度等定时检测，如出现故障及时进行保护。同时充电过程需结合充电均衡策略进行控制，放电过程中控制放电速率及放电深度。
放电功率计算:
放电功率计算模块需要根据BMS(电池管理系统)发送的电压和电流限制条件，计算出当前驱动电机允许的放电功率，从而避免电池系统出现过放。其中放电电流保护过程是，先计算出放电电流的setpoint值，然后结合实际电流值，通过PID运算得到调节值，该调节值跟前馈计算值求和得到最终允许的放电功率。
放电功率计算模块需要计算出电池放电电流的setpoint初值，放电功率计算模块将BMS发送过来的放电电流限制值减去偏移值得到setpoint初值。
放电功率计算模块通过常数1减去放电电流系数所得到值，与BMS发送过来的放电电流限值相乘得到偏移初值，然后将该初值与最大偏移电流偏移值比较，取较小者作为最终电流偏移值。
将放电电流setpoint初值与直流母线电压求积得到功率值。放电功率计算模块，将该功率值减去电器消耗功率得到的结果与放电电流使能阈值比较，得到放电电流使能标志位。
放电功率计算模块检测到的放电电流使能标志位是FALSE时，会将最终放电电流setpoint值设为零，否则将setpoint初值进行斜率限制及最大值限制后，赋值给最终放电电流setpoint值。
放电功率计算模块将得到的最终放电电流setpoint值与直流母线电压求积，减去电器消耗功率，然后将结果只限制在大于零的范围，得到放电功率前馈值。
电池放电功率计算模块，需要对接受到BMS的放电电流限制在小于零的范围，然后取反，确保进行PID运算的电流符号为负。
电池放电功率计算模块，需要根据setpoint最终值与当前电流值求差，进行PID运算，求得功率调节值。
电池放电功率计算模块，将得到的前馈功率值与功率调节值求和，然后对该结果限制在合理的范围，得到放电电流功率保护值。
电池放电功率计算模块，根据BMS发送的放电电流限制值与直流母线求积，然后减去电器消耗功率，然后将该结果进行限制，得到进行放电保护的功率值。
电池放电功率计算模块，用BMS发送的电池最低放电电压除以当前直流母线的电压，然后对该结果进行限制，得到电压相对系数。
电池放电功率计算模块，用电压相对系数，查放电电压保护功率系数表，求得功率修正系数，然后利用该系数与得到的放电保护功率值相乘得到最终放电电压保护功率值。
电池放电功率计算模块，用BMS发送的放电电流限制值除以当前直流母线的电流，然后对该结果进行限制，得到电流相对系数。
电池放电功率计算模块，用电流相对系数，查放电电流保护功率系数表，求得功率修正系数，然后利用该系数与得到的放电保护功率值相乘得到最终放电电流保护功率值。
电池放电功率计算模块，将所有得到的放电功率比较，取较小者，然后将结果乘以驱动效率系数，并将结果加以限制，得到综合放电功率限制值。
充电功率计算
充电功率计算模块需要根据BMS发送的电压和电流限制条件，计算出当前驱动电机允许的充电功率，从而避免电池系统出现过充。其中充电电流保护过程是，先计算出充电电流的setpoint值，然后结合实际电流值，通过PID运算得到调节值，该调节值跟前馈计算值求和得到最终允许的充电功率。
充电功率计算模块需要计算出电池充电电流的setpoint初值，充电功率计算模块将BMS发送过来的充电电流限制值减去偏移值得到setpoint初值。
充电功率计算模块通过常数1减去充电电流系数所得到值，与BMS发送过来的充电电流限值相乘得到偏移初值，然后将该初值与最大偏移电流偏移值比较，取较小者作为最终电流偏移值。
充电功率计算模块将得到的充电电流setpoint初值与直流母线电压求积得到功率值。充电功率计算模块，将计算结果进行斜率限制及最大值限制后，赋值给最终充电电流setpoint值。
充电功率计算模块将得到的最终充电电流setpoint值与直流母线电压求积，加上电器消耗功率，得到充电功率前馈值。
电池充电功率计算模块，需要对接受到BMS的充电电流限制在小大于零的范围，确保进行PID运算的电流符号为正。
电池充电功率计算模块，需要根据setpoint最终值与当前电流值求差，进行PID运算，求得功率调节值。
电池充电功率计算模块，将得到的前馈功率值与功率调节值求和，然后对该结果限制在合理的范围，得到充电电流功率保护值。
电池充电功率计算模块，根据BMS发送的充电电流限制值与允许偏移电流偏移值求和，然后与直流母线电压求积，然后加上电器消耗功率，得到进行充电保护的功率值。
电池充电功率计算模块，用BMS发送的当前直流母线的电压除以电池最高充电电压，然后对该结果进行限制，得到电压相对系数。
电池充电功率计算模块，用电压相对系数，查充电电压保护功率系数表，求得功率修正系数，然后利用该系数与得到的充电保护功率值相乘得到最终充电电压保护功率值。
电池充电功率计算模块，用当前直流母线的电流除以BMS发送的充电电流限制值，然后对该结果进行限制，得到电流相对系数。
电池充电功率计算模块，用电流相对系数，查充电电流保护功率系数表，求得功率修正系数，然后利用该系数与得到的充电保护功率值相乘得到最终充电电流保护功率值。
电池放电功率计算模块，将所有得到放电功率比较，取较小者，然后将结果除以驱动效率系数，并将结果加以限制，得到综合充电功率限制值。
对于充放电的温度影响情况，本发明的实施例也考虑了对应情况，下面进行说明。
首先，BMS(电池管理系统)与充电设备建立实时通讯，充电过程中BMS负责实时检测各电池模块电压、温度以及充电电流，当电池温度＞50℃时，降功率充电，温度＞55℃，禁止充电。
充电过程末端限流策略，可根据电池调整阀值与电流值：
最高电池单体电压每次达到90％的SOC时开始降电流，按步长10A降流至0.1C，5S的时间给充电桩调整，期间不下调充电电流；最大单体电压达95％的SOC，充电电流降至5A，当最高电体电压达到最大值时，持续10s，充电完成，SOC置为100％。
快充加热
a.加热过程需判断电池组温差，当温差大于10℃时应停止加热。当温差小于等于5℃
时恢复加热；
b.启动加热继电器动作顺序：
闭合总负继电器；
BMS闭合快充继电器；
检测到充电电流2A闭合加热接触器；
500ms后，断开总负接触器。
c.当最低温度≤0℃时，只加热不充电，加热电压为最高允许充电电压，请求电流为
加热膜需求电流(根据电池厂的加热膜规格确定)，断开总负接触器；
d.当最低电池温度＞5℃时，断开加热继电器，开始正式充电。
慢充加热
a.加热过程需判断电池组温差，当温差大于10℃时应停止加热。当温差小于等于5℃时恢复加热；
b.当最低温度≤0℃。闭合加热继电器，发送高压附件继电器请求闭合信号给VCU(新能源汽车整车控制器)；
c.VCU控制闭合高压附件继电器；
d.当最低电池温度＞5℃时，闭合负极继电器，等待500ms，断开加热继电器，充电。
机控制模式进入“开启状态”，开始正式充电。
本实施例方法中的放电过程诊断与保护功能，主要可以包括过欠压保护、过温保护、过流保护、防过充/放保护等。
由以上方案可以看出，本发明的锂电池充放电控制方法，由以上方案可以看出，本发明的锂电池充放电控制方法，通过PID调节(PID regulating)算法对采集的电压和电流数据进行调节计算理想的最大充电功率，降低误差和偏差，同时和实际参考功率做比较，取其中更小的功率数据为最大充电功率。可以使得到的充电功率更为精确，更符合电池的实际情况。
通过PID调节算法对采集的电压和电流数据进行调节计算理想的最大放电电功率，同时根据锂电池的最大放电电流和最小放电电压得到参考最大放电功率；通过PID调节算法调节采集到的电池持续放电功率和瞬间放电功率，得到调节最大放电功率；取其三者最小的功率为锂电池的最大放电功率，可以使得到的放电电功率更为精确，更符合电池的实际情况。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种锂电池充放电控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集锂电池的电压和电流，并根据所述电压和电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大充电功率；
将所述理论最大充电功率与参考最大充电功率做比较，取两者之间最小的充电功率为最大充电功率；
采集锂电池的电压和电流，并根据所述电压和电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大放电功率；
根据锂电池的最大放电电流和最小放电电压计算得到参考最大放电功率；
根据持续采集的电压和电流获得持续放电功率和瞬间放电功率；根据所述持续放电功率和瞬间放电功率通过PID调节算法调节，得到调节最大放电功率；
取理论最大放电功率、参考最大放电功率和调节最大放电功率，三者最小的功率为锂电池的最大放电功率；
检测锂电池的实际充电放电过程中的电压和电流值，若实际充电功率超过所述最大充电功率，则对所述锂电池进行对应保护措施；若实际放电功率超过所述最大放电功率，则对所述锂电池进行对应保护措施；
所述根据所述电压和电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大充电功率的步骤包括：
根据最大充电电压和最大充电电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大充电功率；
所述根据所述电压和电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大放电功率的步骤具体包括：
根据电池当前电压和最大放电电流通过PID调节算法得到所述锂电池的理论最大放电功率；
所述检测锂电池的实际充电放电过程中的电压和电流值的步骤之前还包括：
检测锂电池的实时电芯温度，当所述电芯温度在50℃-55℃时，降低充电功率，当所述电芯温度＞55℃，停止充电。
2.根据权利要求1所述的锂电池充放电控制方法，其特征在于，所述检测锂电池的实际充电放电过程中的电压和电流值的步骤之前还包括：
根据电池管理系统发送的电压和电流限制条件，计算出当前驱动电机允许的放电功率。
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