CN111355284A - 一种锂电池组层级控制的能量均衡方法 - Google Patents

一种锂电池组层级控制的能量均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂电池组层级控制的能量均衡方法，属于电池均衡技术领域。一个电池组包含有多块电池，在充放电过程中，各电池荷电状态(SOC)不一致，需要进行能量均衡使荷电状态趋于一致。在进行能量均衡的过程中，会计算出单体电池与电池组的荷电状态值和平均值，并以荷电状态平均值与各单体(组)荷电状态值的差值为判断条件，判断电池组是否需要进行能量均衡。当均衡完成时，使目标电池组各单体电池荷电状态趋于一致。在多数量电池串联的电池组中，通过对目标电池组进行分组，进行组内与组间层级能量均衡，简化均衡结构，提高均衡效率。

Description

一种锂电池组层级控制的能量均衡方法
技术领域
本发明属于电池均衡技术领域，涉及一种锂电池组层级控制的能量均衡方法。
背景技术
锂电池具有体积小、高比能和高安全性的特点，目前，锂电池已广泛应用于各种充放电场合。单个锂电池电压低容量小，难以满足要求。通常，将锂电池串联起来以满足不同场合的电压需求。生产工艺的略微差异会造成单体电池的初始状态有略微不同，电池长时间充放电后电池单体电压与容量的差异会更加凸显，电池工作时，由于电池内阻的存在，电池的发热也会导致电池间的容量与电压差异，以上原因都降低了电池组的效率且加剧了电池组的寿命消耗。串联的电池组，其中某一节电池因能量不均衡失效，如未及时发现并处理，将会造成整个电池组的报废。
为了确保电池组性能良好且足够耐用，需要对电池组进行有效的控制与管理。对电池组中单体电池之间进行能量均衡能够有效解决以上问题，能量均衡能够减少锂电池组单体电池容量与电压的差异所引起的不一致性及其对整体性能的影响。传统的通过电阻放电的耗散型能量均衡方法能耗严重，造成了能量的浪费，并且电阻发热会到导致电池系统温度升高，影响整个电池系统的正常运行。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锂电池组层级控制的能量均衡方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种锂电池组层级控制的能量均衡方法，该方法包括以下步骤：
S1：电池信息采集电路采集整个均衡系统的温度T和单体电池与电池组的开路电压OCV，将数据上传到组内和组间MCU；
S2：组内或组间MCU根据上传的温度数据作出判断，当温度0＜T＜50℃，系统正常运行；
S3：依据OCV-SOC的关系，组内MCU计算得到单体电池的荷电状态值SOCi，并计算出组内平均荷电状态SOCarv1；
S4：当任意单体电池满足|SOCarv1-SOCi|＞4％，组内MCU发送指令，进行组内能量均衡；
S5：能量均衡时，MCU控制开关矩阵，让单体电池间进行能量均衡cell-to-cell；
S6：当组内均衡完成后，各组内单体电池的荷电状态趋于一致。
可选的，所述S6后还包括：
S7：组间MCU根据各组SOCn计算出第二层平均荷电状态值SOCarv2，当任意电池组满足|SOCarv2-SOCn|＞4％，组间MCU发送指令控制组间开关矩阵进行第二层组间能量均衡。
可选的，所述S7后还包括：
S8：当第二层组间能量均衡完成后，按S2进行第三层、第四层，直到最高层能量均衡。
可选的，当所述任意单体电池满足|SOCarv1-SOCi|＞4％，组内能量均衡启动；
当所有单体电池都不满足|SOCarv1-SOCi|＞4％时，则该锂电池系统不需进行能量均衡；当任意电池组满足|SOCarv2-SOCn|＞4％，组间能量均衡启动，当所有电池组均不满足该条件时，则锂电池系统经过步骤S1-S6即达到能量均衡状态。
可选的，所述MCU控制开关矩阵是通过控制开关矩阵中开关管的开通与关断达到控制效果。
可选的，经过所述组内能量均衡后，各组内单体电池荷电状态值趋于一致，等于SOCarv1；经过组间能量均衡后，各组内单体电池荷电状态值趋于一致，任意两单体电池间的荷电状态值之差不超过4％。
基于所述方法的锂电池组层级控制的能量均衡系统，所述锂电池组包括n个单体电池，并对n个单体电池进行分组，分组规则为：每组包括3个单体电池；
均衡电路包括组内均衡电路与组间均衡电路，组内均衡电路包括组内电池信息采集电路、组内开关矩阵和组内MCU，组间均衡电路包括组间电路信息采集电路、组间开关矩阵和组间MCU。
可选的，所述电池信息包括电池温度和电池开路电压，电路信息包括完成组内能量均衡后的各电池组的开路电压。
本发明的有益效果在于：本发明包括电池组、组内能量均衡电路和组间能量均衡电路，电池组包括n个(n＝3m，m＝1，2，3…)单体电池，每3个单体电池为一组；组内能量均衡包括组内电池信息采集电路、组内开关矩阵、组内MCU；组间能量均衡包括组间电路信息采集电路、组间开关矩阵与组间MCU。电池信息采集电路包括温度采集与电池开路电压采集。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的锂电池组层级拓扑图；
图2为基于开关矩阵的电感式能量均衡拓扑图；
图3为系统流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图3，为一种锂电池组层级控制的能量均衡方法。
本发明通过将锂电池分组，然后进行层层能量均衡，以达到提高整个锂电池组的能量均衡的效率。
图1所示为锂电池组层级拓扑图，其中A1,A2...An为锂电池，B1,B2...By为组间能量均衡器，C1...Cz，D1,D2,D3,E为各层级能量均衡器。
为便于叙述与理解，以下描述皆用第一、第二、第三组电池描述。
首先，电池信息采集电路采集单体电池的温度与电压并将数据上传到第一组组内MCU；
进一步地，第一组组内MCU根据电池温度判断整个能量均衡系统是否能够正常工作，当电池温度0＜T≤50℃时，系统正常工作。
进一步地，第一组组内MCU根据单体电池电压计算出单体电池的SOCi(i＝1,2,3)，然后计算得到第一组组内平均荷电状态SOCarv1，当任意单体电池满足|SOCarv1-SOCi|＞4％，第一组组内MCU发出指令，控制第一组组内开关矩阵进行组内能量均衡。第二、第三组过程相同。特别地，当某组内不满足|SOCarv1-SOCi|＞4％，则该组内不进行能量均衡。若所有电池组均不满足此均衡条件，则整个锂电池系统能量均衡，不需要进行能量均衡。
图2所示为基于开关矩阵的电感式能量均衡拓扑图。
由图2，组内能量均衡原理如下：
状态0：全部开关管处于关断状态，此状态下，电感支路无电流；
状态1：单体电池对电感充电，在状态0基础上，导通开关管(2X-1)和开关管2X，使第X节单体电池对电感进行充电(X＝1,2,3)。
状态2：电感对电池组充电阶段，在状态1基础上，关断全部开关管，电感通过上下两只二极管续流对电池组放电；特别地，若在状态2下，电感电流下降至0时开关管未动作，则能量均衡过程结束，进入状态0，实现单体电池对电池组充电。
状态3：电感对单体电池放电阶段，在状态2基础上，导通第(2Y-2)和第(2Y+1)号开关管，使电感对第Y节电池进行充电。特别地，Y＝1时仅开通(2Y+1)号开关管，Y＝3时，仅开通(2Y-2)号开关管。
能量均衡过程：状态1→2→3→2→1
当第一、第二、第三组内能量均衡完成，第二层组间MCU根据各组电压计算得到各组SOCn(n＝1,2,3)。
计算第二层组间平均荷电状态SOCarv2，当任一组|SOCarv2-SOCn|＞4％，第二层组间MCU控制组间开关矩阵进行第二层能量均衡。
组间能量均衡原理和过程与组内能量均衡相同，此处不再赘述。
当第二层组间能量均衡完成后，依次进行第三层、第四层……直到最高层。
自此，整个电池组能量均衡完成。
上述锂电池组层级控制的能量均衡方法采用多层级主动均衡方法，提高了锂电池组能量均衡效率，根据电池的电压计算SOC，以SOC为均衡目标，具有良好的普适性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种锂电池组层级控制的能量均衡方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：电池信息采集电路采集整个均衡系统的温度T和单体电池与电池组的开路电压OCV，将数据上传到组内和组间MCU；
S2：组内或组间MCU根据上传的温度数据作出判断，当温度0＜T＜50℃，系统正常运行；
S3：依据OCV-SOC的关系，组内MCU计算得到单体电池的荷电状态值SOCi，并计算出组内平均荷电状态SOCarv1；
S4：当任意单体电池满足|SOCarv1-SOCi|＞4％，组内MCU发送指令，进行组内能量均衡；
S5：能量均衡时，MCU控制开关矩阵，让单体电池间进行能量均衡cell-to-cell；
S6：当组内均衡完成后，各组内单体电池的荷电状态趋于一致。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池组层级控制的能量均衡方法，其特征在于，所述S6后还包括：
S7：组间MCU根据各组SOCn计算出第二层平均荷电状态值SOCarv2，当任意电池组满足|SOCarv2-SOCn|＞4％，组间MCU发送指令控制组间开关矩阵进行第二层组间能量均衡。
3.根据权利要求2所述的一种锂电池组层级控制的能量均衡方法，其特征在于，所述S7后还包括：
S8：当第二层组间能量均衡完成后，按S2进行第三层、第四层，直到最高层能量均衡。
4.根据权利要求1所述的一种锂电池组层级控制的能量均衡方法，其特征在于，当所述任意单体电池满足|SOCarv1-SOCi|＞4％，组内能量均衡启动；
当所有单体电池都不满足|SOCarv1-SOCi|＞4％时，则该锂电池系统不需进行能量均衡；当任意电池组满足|SOCarv2-SOCn|＞4％，组间能量均衡启动，当所有电池组均不满足该条件时，则锂电池系统经过步骤S1-S6即达到能量均衡状态。
5.根据权利要求1所述的一种锂电池组层级控制的能量均衡方法，其特征在于，所述MCU控制开关矩阵是通过控制开关矩阵中开关管的开通与关断达到控制效果。
6.根据权利要求1所述的一种锂电池组层级控制的能量均衡方法，其特征在于，经过所述组内能量均衡后，各组内单体电池荷电状态值趋于一致，等于SOCarv1；经过组间能量均衡后，各组内单体电池荷电状态值趋于一致，任意两单体电池间的荷电状态值之差不超过4％。
7.基于权利要求1～6中任一项所述方法的锂电池组层级控制的能量均衡系统，其特征在于，所述锂电池组包括n个单体电池，并对n个单体电池进行分组，分组规则为：每组包括3个单体电池；
均衡电路包括组内均衡电路与组间均衡电路，组内均衡电路包括组内电池信息采集电路、组内开关矩阵和组内MCU，组间均衡电路包括组间电路信息采集电路、组间开关矩阵和组间MCU。
8.根据权利要求7所述的一种锂电池组层级控制的能量均衡系统，其特征在于，所述电池信息包括电池温度和电池开路电压，电路信息包括完成组内能量均衡后的各电池组的开路电压。
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