CN111313113B - 一种提高串联锂离子电池组容量一致性的均衡方法 - Google Patents

一种提高串联锂离子电池组容量一致性的均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高串联锂离子电池组容量一致性的均衡方法，包括以下步骤：1)确定最差单体电池；2)对串联锂离子电池组进行充电，直至出现第一个单体电池达到充电截止电压后停止充电；3)获取最差单体电池的SOC起始点；4)进行放电直至出现第一个单体电池达到放电截止电压后停止放电；5)调整最差单体电池的SOC起始点使之处于最佳SOC起始点处，并在每次充放电循环后将最差单体电池置为最佳SOC起始点处，其余单体电池的SOC置为100％；6)当在充放电循环过程中出现一个单体电池容量达到与最差单体电池一致时，调整该单体电池与最差单体电池的最佳SOC起始点相同，并重复步骤2)‑4)。与现有技术相比，本发明具有操作简单、易于实现、可行性强等优点。

Description

一种提高串联锂离子电池组容量一致性的均衡方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池管理领域，尤其是涉及一种提高串联锂离子电池组容量一致性的均衡方法。
背景技术
电池系统作为目前储能系统的一大能量来源，其性能的好坏直接影响了用电器的使用时间长度。锂离子电池由于具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、无记忆性等优点，已经广泛的推广应用。电池系统的寿命问题是制约锂离子电池发展的瓶颈问题之一，而电池系统中单体电池寿命的不一致问题因为“短板效应”使得锂离子电池组的整体寿命下降。
目前常用的以锂离子电池组单次放电电量最大化为目标的均衡策略，即常规的顶部均衡和底部均衡。在这两种均衡方式下，锂离子电池组的不一致度均保持上升的趋势，即锂离子电池组一致性程度在恶化，表明常规的顶部均衡和底部均衡均没有打破锂离子电池组内的恶化循环效应。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高串联锂离子电池组容量一致性的均衡方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种提高串联锂离子电池组容量一致性的均衡方法，用以实现在串联锂离子电池组下各单体电池趋于寿命一致，包括以下步骤：
1)确定串联锂离子电池组中的最差单体电池；
2)对串联锂离子电池组进行充电，直至出现第一个单体电池达到充电截止电压后停止充电；
3)获取串联锂离子电池组中的最差单体电池的SOC起始点；
4)控制串联锂离子电池组按照预定工况进行放电直至出现第一个单体电池达到放电截止电压后停止放电，完成一次充放电循环；
5)调整最差单体电池的SOC起始点使之处于最佳SOC起始点处，并在每次充放电循环后将最差单体电池置为最佳SOC起始点处，其余单体电池的SOC置为100％；
6)当在充放电循环过程中出现一个单体电池容量达到与最差单体电池一致时，调整该单体电池与最差单体电池的最佳SOC起始点相同，并重复步骤2)-4)直至锂离子电池组中所有单体电池到达锂离子电池组报废的标准。
所述的步骤5)中，串联锂离子电池组中的最差单体电池的最佳SOC起始点通过以下步骤确定：
以最差单体电池的总放电能量最大为优化目标，同时以最差单体电池的放电起始点以及放电区间为约束条件，得到适应度函数，并且进行求解。
所述的适应度函数具体为：
min-ESum(SOCB,ΔDOD)
Figure GDA0002795007460000021
其中，ESum为最差单体电池在全生命周期中所能释放的能量，ΔDOD为放电区间的大小，SOCB为最差单体电池的放电起始点，SOC1为最差单体电池SOC的起始点下限，SOC2为最差单体电池SOC起始点的上限，ΔDOD1为放电区间的大小下限，ΔDOD2为放电区间的大小上限。
所述的放电区间的大小下限为80％，放电区间的大小上限为100％。
所述的步骤1)中的最差单体电池为电池容量最低的单体电池。
所述的步骤5)中，通过均衡电路并采用均衡手段实现最差单体电池的SOC调整。
所述的均衡手段包括电感均衡方式、变压器均衡方式和DC-DC均衡方式。
所述的电感均衡方式包括分布式电感均衡和集中式电感均衡，所述的变压器均衡方式包括单磁芯结构和多磁芯结构。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、操作简单、易于实现：本发明仅通过利用设置SOC起始点提高串联锂离子电池组容量一致性。
二、可行性强：本发明通过利用均衡的方式采用均衡的手段调整最差单体电池的SOC起始点，具有实际操作性。
附图说明
图1为本发明的总体方法流程框图。
图2为顶部均衡策略的锂离子电池组单体容量演变趋势仿真图。
图3为底部均衡策略的锂离子电池组单体容量演变趋势仿真图。
图4为初始SOC不一致下的串联电池组寿命状态演变趋势。
图5为电动汽车实际运行ΔDOD分布。
图6为能量均衡策略下容量衰减趋势仿真图。
图7为电感均衡电路结构示意图，其中，图(7a)为分布式电感均衡电路，图(7b)为集中式电感均衡电路。
图8为变压器均衡电路结构示意图，其中，图(8a)为单磁芯变压器均衡电路，图(8b)为多磁芯变压器均衡电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明公开一种以牺牲部分可放电量为代价的均衡方法，可实现串联锂离子电池组在全生命周期内的容量趋好和放电能量最大化。
本例针对纯电动汽车的某款单体锂离子电池A的4只串联形成的串联锂离子电池组进行分析如下：
图2和图3为顶部均衡以及底部均衡策略，锂离子电池组一致性程度在恶化，表明两者均没有打破锂离子电池组内的恶化循环效应。
图4是在串联电池组中不同的SOC起始点对单体电池容量影响，从图中可以得出结论，SOC起始点不同单体电池的容量衰减速度不同。
定义EFC为等效完整循环等于电池在放电过程中放出额定容量的电量，即：
Figure GDA0002795007460000041
式中|QDis|表示循环老化过程中在放电阶段通过的总电量大小，CNorm表示电池的额定电量。
以单体电池的总放电能量最大为优化目标，同时以工作区间为约束条件，可以得到如下式所示的适应度函数，并进行求解。
min-ESum(SOCB,ΔDOD)
Figure GDA0002795007460000042
上述的ESum为最差单体电池在全生命周期中所能释放的能量，ΔDOD为放电区间的大小，SOCB为最差单体电池的放电起始点。SOC1为最差单体电池SOC的起始点下限，SOC2为最差单体电池SOC起始点的上限。
在实车应用场景下，电池在每次放电过程中的ΔDOD并不是预先确定的，而是由驾驶员的需求决定，由于“里程焦虑”问题的存在，很少有驾驶员会将电动汽车的电量放空。图5为获取了50辆某款电动汽车在一年内的运行数据，通过数据分析提取了所有车辆每次在充电前的放电过程的ΔDOD大小并统计了频率直方图。
由图5分析可得：总体来看，80％以下的ΔDOD占比达到了90％。以上数据说明，电动汽车实际运行过程中的放电区间较少达到80％以上，从算法研究的角度，本例中选择80％ΔDOD为寿命均衡策略下的放电区间上限，即锂离子电池组单次放电过程中的可用电量不高于容量最小单体实际容量的80％，从而保证锂离子电池组内所有单体的放电起始点SOCB都可以在80％到100％的区间内任意选择。
因此ΔDOD1＝80％、ΔDOD2＝100％。
本发明中，采用的均衡手段主要有三种：即电感均衡的方式、变压器均衡的方式、DC-DC均衡的方式。
图7为电感均衡方式的电路拓扑，电感均衡的方式是指使用电感作为储能元件来转移电池单体间的能量。其中，分布式电感均衡，在相邻的两个电池单体间跨接一储能电感，通过控制开关，实现能量在电池单体间的转移。集中式电感均衡，使用一个储能电感作为电池单体间能量转移的媒介，通过对开关阵列的控制，实现电池的均衡
图8为变压器均衡方式的电路拓扑，变压器均衡的方式是使用变压器作为电池单体间能量转移的媒介，实现整组电池的均衡。有单磁芯结构和多磁芯结构，两种电路拓扑。单磁芯结构，即使用一个单原边多副边的变压器，变压器的原边线圈与整个电池组相连，每个副边与每个电池单体相连，通过对开关的时序控制，可实现能量在整组电池和单体电池间的双向均衡。多磁芯结构，即使用多个单原边单副边的变压器，其数量取决于电池组内的电池单体个数。每个电池单体均并有一个单原边单副边的变压器，通过对开关管的时序控制，可实现电池的均衡。
同样也可以采用直流变换器来进行能量转移的媒介，即采用DC-DC均衡的方式。
对初始EFC分别为100、120、140和160的4个串联锂离子电池组成的电池组进行分析，利用上述的方法寻找最佳SOC起始点，并利用上述的三种均衡的手段，并进行仿真分析得到的容量衰减趋势即为图6所示，最终容量达到了一致。

Claims (6)

1.一种提高串联锂离子电池组容量一致性的均衡方法，用以实现在串联锂离子电池组下各单体电池趋于寿命一致，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定串联锂离子电池组中的最差单体电池，所述的最差单体电池为电池容量最低的单体电池；
2)对串联锂离子电池组进行充电，直至出现第一个单体电池达到充电截止电压后停止充电；
3)获取串联锂离子电池组中的最差单体电池的SOC起始点；
4)控制串联锂离子电池组按照预定工况进行放电直至出现第一个单体电池达到放电截止电压后停止放电，完成一次充放电循环；
5)调整最差单体电池的SOC起始点使之处于最佳SOC起始点处，并在每次充放电循环后将最差单体电池置为最佳SOC起始点处，其余单体电池的SOC置为100％，串联锂离子电池组中的最差单体电池的最佳SOC起始点通过以下步骤确定：
以最差单体电池的总放电能量最大为优化目标，同时以最差单体电池的放电起始点以及放电区间为约束条件，得到适应度函数，并且进行求解；
6)当在充放电循环过程中出现一个单体电池容量达到与最差单体电池一致时，调整该单体电池与最差单体电池的最佳SOC起始点相同，并重复步骤2)-4)直至锂离子电池组中所有单体电池到达锂离子电池组报废的标准。
2.根据权利要求1所述的一种提高串联锂离子电池组容量一致性的均衡方法，其特征在于，所述的适应度函数具体为：
min-ESum(SOCB,ΔDOD)
Figure FDA0002811213480000011
其中，ESum为最差单体电池在全生命周期中所能释放的能量，ΔDOD为放电区间的大小，SOCB为最差单体电池的放电起始点，SOC1为最差单体电池SOC的起始点下限，SOC2为最差单体电池SOC起始点的上限，ΔDOD1为放电区间的大小下限，ΔDOD2为放电区间的大小上限。
3.根据权利要求2所述的一种提高串联锂离子电池组容量一致性的均衡方法，其特征在于，所述的放电区间的大小下限为80％，放电区间的大小上限为100％。
4.根据权利要求1所述的一种提高串联锂离子电池组容量一致性的均衡方法，其特征在于，所述的步骤5)中，通过均衡电路并采用均衡手段实现最差单体电池的SOC调整。
5.根据权利要求4所述的一种提高串联锂离子电池组容量一致性的均衡方法，其特征在于，所述的均衡手段包括电感均衡方式、变压器均衡方式和DC-DC均衡方式。
6.根据权利要求5所述的一种提高串联锂离子电池组容量一致性的均衡方法，其特征在于，所述的电感均衡方式包括分布式电感均衡和集中式电感均衡，所述的变压器均衡方式包括单磁芯结构和多磁芯结构。
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