CN111463504B - 一种用于电池模块维护的均衡算法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的用于电池模块维护的均衡算法，其特征在于，包括以下步骤：S1，测试装置对电池模块内每个电池的电压分别进行采集，并且上传给主控单元；S2，主控单元对所获得的多个电压数据进行相应的SOC估算并将电池SOC值进行排序，S3，依次在两两相邻SOC值的第一区间之间设定均衡目标SOCx；S4，在第一区间内建立时间方程表达式；S5，从S4中的时间方程表达式中，得到第一SOCx值；S6，判断S5中得出的第一SOCx是否位于第一区间内；S7，答案为否，进入另外一个SOC值的区间，重复步骤S3‑S7，答案为是，进入下一步；S8，第一SOCx为全局最佳均衡目标。本发明的均衡算法具有在正常使用电池充放电的情况下，电池所受损害明显降低，延长了电池的使用寿命。

Description

一种用于电池模块维护的均衡算法

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种用于电池模块维护的均衡算法。

背景技术

如今在化石燃料紧张情况下，作为化石燃料需求量较大的汽车业，纷纷将目光转向了电动汽车。锂离子动力电池也在电动汽车上得到了大量的运用。但是还是有许多因素制约着电动汽车的大量的推行，例如动力电池的续航里程以及电池的寿命等因素。

电池寿命是个相当重要的考量因素。现在的动力电池寿命远远低于汽车的寿命，为了保证汽车的动力性能需要常常更换电池。动力电池更换的成本较大，这在很大程度上制约了电动汽车的发展。汽车上的电池数量较多，经常多数电池还有可用容量，却因为电池之间不均衡和为了保护电池而设置的安全电压的制约导致多数电池无法发挥作用。

造成电池之间不均衡的因素有很多，包括电压、内阻、电容、自放电率等方面，温度是一个重要的因素。通常情况下，锂离子电池对于工作环境温度要求比较高，在温度偏高10℃时，锂离子电池的寿命就会大幅减少。

由于电动汽车的电池数量较多，即使在一个电池组中也会因为位置不同而出现温度差别较大，致使电池的不均衡现象产生。续航里程与循环寿命也会因此大幅下降。系统的容量无法完全使用，造成电池系统损失，如果减缓这样的系统损失也就会大大延长电池系统的使用寿命。

在正常使用情况下，动力电池会因为各种原因导致容量的逐渐衰减，这是由锂电池的特性所决定的，这部分无法通过均衡来挽回。但是系统总的容量下降的主要原因是各电池的容量不均衡导致系统的部分可用容量无法正常使用。

发明内容

均衡可以有效地降低因容量不均衡导致的系统损失，进而延长电池系统的使用寿命，延缓电池系统的更换时期，同时增加电动汽车的续航里程。经常使用的方法主要有能量耗散法和能量转移法，能量转移法的结构较为复杂，成本较高，汽车使用较少。能量耗散法在纯电动汽车上是广泛使用，也是比较简单易行的方案。

本发明提供了一种用于电池模块维护的均衡算法来解决电池组中因各单体电池容量不均衡导致的电池组系统损失的问题。

本发明提供了一种用于电池模块维护的均衡算法，具有这样的特征，包括以下步骤：

S1，测试装置对电池模块内每个电池的电压分别进行采集，并且上传给主控单元；

S2，主控单元对所获得的多个电压数据进行相应的SOC估算并将电池SOC值进行排序，

S3，依次在两两相邻SOC值的第一区间之间设定均衡目标SOCx；

S4，在第一区间内建立时间方程表达式：

T_f＝T_c

T_f为被动均衡时间，表达式为：

其中，soc_n为最大SOC值，I_f为被动均衡电流，C为电池容量，

Tc为主动均衡时间，表达式为：

其中，

为所有SOC值低于SOCx的电芯，I_c为主动均衡电流，C为电池容量；

S5，从S4中的时间方程表达式中，得到第一SOCx值；

S6，判断S5中得出的第一SOCx是否位于第一区间内；

S7，答案为否，进入另外一个SOC值的区间，重复步骤S3-S7，答案为是，进入下一步；

S8，第一SOCx为全局最佳均衡目标。

在本发明提供的用于电池模块维护的均衡算法中，还可以具有这样的特征：其中，测试装置包括均衡器和其他相关辅助电路。

另外，在本发明提供的用于电池模块维护的均衡算法中，还可以具有这样的特征：其中，均衡器包括电压采集单元、主控单元、充电单元以及放电单元。

另外，在本发明提供的用于电池模块维护的均衡算法中，还可以具有这样的特征：其中，充电单元中充电电路只有一个，充电单元一次仅给一块电池充电，直到电池达到均衡目标才会给另外的电池充电。

另外，在本发明提供的用于电池模块维护的均衡算法中，还可以具有这样的特征：其中，放电单元包含多个放电电路，放电单元同时对所有电池放电，充电功率大于放电功率。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的用于电池模块维护的均衡算法，因为以电池SOC估算为基础，寻找最佳均衡目标，有效地提升了电池均衡能力，有利于电池模组电芯的一致性的提升，使得电池维护均衡效率提升。

所以，本发明的用于电池模块维护的均衡算法具有在正常使用电池充放电的情况下，电池所受损害明显降低，延长了电池的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的实施例中均衡算法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的用于电池模块维护的均衡算法作具体阐述。

实施例

本发明提出用于电池模组的均衡算法，电池模组是由单体电池串并联组成。本发明的算法主要为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种锂离子动力电池组均衡的算法。有利于提高电动汽车的续航里程，和改善电池的使用寿命，节约成本。

本实施例使用包含有均衡器和其他相关辅助电路的测试系统对6节锂离子动力电池组成的电池模组进行均衡测试。

均衡器中主要有电压采集单元，主控单元，充电单元，电芯放电单元等。

如图1所示，用于电池模块维护的均衡算法的流程包括电压采集、SOC估算、SOC值升序排序并划分区间、计算充放电时间、判断均衡目标值是否在区间内，得到最佳均衡目标值。

在算法开始之前，电压采集单元需要对电池模组内每个电池的电压进行采集，并且上传给主控单元。主控单元对所获得的多个电压数据进行相应的SOC估算。SOC(Stateofcharge)，即荷电状态，用来反映电池的剩余容量)。

主控单元对SOC值从小到大进行排序，依次得到电池模组内的SOC顺序，依次为SOC₁、SOC₂、SOC₃……SOC_n。

上述排序之后SOC值可以形成n-1个区间，如[SOC₁,SOC₂]，[SOC₂,SOC₃]……[SOC_n-1,SOC_n]。电池模块整体的均衡目标线可在这些区间中(包括端点)寻找。若均衡目标小于最小值或者大于最大值，均衡时间会被延长，均衡的效率会极大地下降。因此，若要减少均衡时间，均衡目标线的选择要在这些区间内选择。

本发明的目的是提高均衡的效率，就要减少均衡时间。因此均衡的目标SOCx必须设置在SOC₁和SOC_n之间。若均衡目标SOCx低于SOC₁时，所有电池必须都要放电，电池的放电的时间会大大增加，能量浪费较多；若均衡目标SOCx高于SOC_n时，所有电池必须都要充电，电池充电的时间会过长，均衡的效率也会下降。

本发明的算法的涉及均衡算法，有助于电池管理效率的提升。本发明的充电单元中电池的充电电路只有一个，充电单元一次只仅给一块电池充电，直到一块电池达到均衡目标才会给下一块电池充电；放电单元包含n个放电电路，放电单元可以同时对所有电池放电，充电功率大于放电功率。

本发明的算法是先假定均衡目标SOCx在第一个区间[SOC₁,SOC₂]内，那么SOC低于SOCx的电池就需要充电，SOC高于SOCx的电池要放电处理。假设充电的电流为Ic，放电电流为If。系统只采用一个充电单元，那么可以得到电池容量为C的低于SOCx电池需要的充电时间为

其中，

为所有SOC值低于SOCx的电芯，I_c为主动均衡电流，C为电池容量；

同样的可以得到放电所需要时间，由于每个电池会有一个单独的电池放电电路与之对应，总放电时间应该等于具有最高SOC的单体电池所需要的放电时间，即最大SOC值为SOCmax＝SOCn，即最大差值为SOCn-SOCx，则放电时间

其中，soc_n为最大SOC值，

I_f为被动均衡电流，C为电池容量。

假设均衡目标SOC_x在区间[SOC₁,SOC₂]内时，区间[SOC₁,SOC₂]内就会被SOC_x划分成两个部分，在区域[SOC₁,SOC_x]内，需要充电均衡，在区间[SOC_x,SOC_n]内，需要放电均衡。因为只有一个充电电路，充电时间应为所有低于SOC_x所有的电池的充电时间的计算值的累加，那么计算可以得到电池容量为C的低于SOC_x电池需要的充电时间为

由于放电模块的电路每个都是独立的，可以单独运行互不影响，那么放电时间是以SOC与SOC_x差值最大的时间计算，即在区间[SOC_x,SOC_n]内最大差值为SOC_n-SOC_x，则放电时间为

均衡效率的大小可以用均衡时间来衡量。均衡的时间的长短应为充电时间t_c和放电时间t_f中的较大者，若要使得均衡时间最短应使得t_c＝t_f。

若计算得出的SOC_x在SOC₁和SOC₂之间，则SOC_x即为这组电池的均衡目标；若计算得出的SOC_x不在SOC₁和SOC₂之间，那么充电时间t_c和放电时间t_f中的较大者中的最小值为SOC_x不在SOC₁和SOC₂之间的均衡时间。然后假设SOC_x在下一个区间后进行计算和判别。

类似的可以得到SOC_x假设在任意区间内的充电和放电时间。SOC_x在任意区间[SOC_i，SOC_j]，累加所有需要充电的电池的充电时间得到总充电时间

选取与SOC_x差值最大的时间计算放电时间，放电总时间

即使SOC_x不在所设定的区间内，但是在固定区间内充电和放电均衡的时间也是一定存在最少均衡所需时间的，区间端点处可计算出充放电时间的较大者的值，比较这2个值，其中的最小值是均衡时间，主控芯片要记录下这个值。

实施例中，主控单元采集到的电池模组的电压如表1所示。

表1电压数据

1)将上述电池的SOC进行升序排序，SOC从小到大依次为：0.440,0.450,0.490,0.510,0.520,0.530。下面先按照方案一进行实施。

2)先假定均衡目标在第一个区间[0.440,0.450]内，并且假设均衡目标为SOC_x。区间[0.440,0.450]内就会被SOC_x划分成两个部分，在区域[0.440,SOC_x]内，需要充电均衡，在区间[SOC_x,0.450]内，需要放电均衡。本实例使用的电池为3400mAh，标准电压3.7V，充电电流为I_c＝2A，放电电流为I_f＝150mA。根据上述计算可得充电所需时间为t_c1＝1.7SOC_x-0.748，放电时间为t_f1＝12.013-22.67SOC_x。使得t_c1＝t_f1。得到SOC_x＝0.524，可知此时的SOC_x不在第一个区间[0.440,0.450]内。区间[0.440,0.450]内较大者是t_f1，最小值是1.8115。类似可求出其他区间的充放电时间，每个区间计算得到的SOC_x和最小均衡时间如下表2。

表2各区间计算值统计

4)由上述可知在区间[0.510,0.520]中，在SOC_x值为0.516时在区间内并取得均衡时间最小值0.3153h。

5)根据表1数据，当均衡目标为SOC为0.516时，电池4、5需要放电，而电池1、2、3、6需要充电，电池模组中的多个单体电池的充放电时间最短。

通过实验验证，使用本均衡算法，本发明的算法方案可行，有利于极大缩减电池模块维护时的充放电时间，提高均衡效率。

通常，在电池模块中，高于SOC_x值的单体电池需要放电，低于SOC_x值的单体电池需要充电。如取最小SOC_x值来作为目标进行充放电，那么其它单体电池都需要放电，放电的电量会产生热量进行释放，白白浪费了。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的用于电池模块维护的均衡算法，因为以电池SOC估算为基础，寻找最佳均衡目标，有效地提升了电池均衡能力，有利于电池模组电芯的一致性的提升，使得电池维护均衡效率提升。

所以，本实施例的用于电池模块维护的均衡算法具有在正常使用电池充放电的情况下，电池所受损害明显降低，延长了电池的使用寿命。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于电池模块维护的均衡算法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，测试装置对电池模块内每个电池的电压分别进行采集，并且上传给主控单元；

S2，所述主控单元对所获得的多个电压数据进行相应的SOC估算并将所述电池SOC值进行排序，

S3，依次在两两相邻所述SOC值的第一区间之间设定均衡目标SOCx；

S4，在所述第一区间内建立时间方程表达式：

T_f＝Tc

T_f为被动均衡时间，表达式为：

其中，SOC_n为最大SOC值，I_f为被动均衡电流，C为电池容量，

Tc为主动均衡时间，表达式为：

其中，

为所有SOC值低于SOCx的电芯，I_c为主动均衡电流，C为电池容量；

S5，从S4中的时间方程表达式中，得到第一SOCx值；

S6，判断S5中得出的所述第一SOCx是否位于所述第一区间内；

S7，答案为否，进入另外一个所述SOC值的区间，重复步骤S3-S7，答案为是，进入下一步；

S8，所述第一SOCx为全局最佳均衡目标。

2.根据权利要求1所述的用于电池模块维护的均衡算法，其特征在于：

其中，所述测试装置包括均衡器和其他相关辅助电路。

3.根据权利要求2所述的用于电池模块维护的均衡算法，其特征在于：

其中，所述均衡器包括电压采集单元、主控单元、充电单元以及放电单元。

4.根据权利要求3所述的用于电池模块维护的均衡算法，其特征在于：

其中，所述充电单元中充电电路只有一个，所述充电单元一次仅给一块所述电池充电，直到所述电池达到均衡目标才会给另外的所述电池充电。

5.根据权利要求3所述的用于电池模块维护的均衡算法，其特征在于：

其中，所述放电单元包含多个放电电路，所述放电单元同时对所有所述电池放电，充电功率大于放电功率。

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