CN111746350A - 一种电池箱soc均衡管理系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池箱SOC均衡管理系统及控制方法，包括等效模型和温控电池箱，等效模型采用二阶模型，温控电池箱包括电池槽、温度传感器、空气压缩单元和电池箱、冷却水槽和空气管道，电池箱内矩阵排列设有多排相互间隔的电池槽，电池槽内放置有动力电池，电池箱点内设有温度传感器；电池槽相互之间的间隔内设有冷却水槽和空气管道，空气管道连接有空气压缩单元；空气压缩单元包括压力泵、第一换热器、膨胀机构、第二换热器、风吹机构和热电阻加热器。本发明的一种电池箱SOC均衡管理系统及控制方法，可以快速解决动力电池的散热问题，运行稳定且成本低，大大提高动力电池的使用寿命，同时实现了电池组的均衡管理。

Description

一种电池箱SOC均衡管理系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种电池箱SOC均衡管理系统及控制方法，属于新能源汽车领域。
背景技术
随着科学技术的进步，近些年电动汽车得到了较好的发展，且电动汽车保有量仍在成倍数逐年提升。故而动力电池的温度控制成了较为关键的技术。
动力电池的冷却大都是采取单一的冷却方式，没有实行分层冷却，不能实现最佳的冷却效果。同时动力电池也很少有学者提出升温控制，升温对于在寒冷天气状态下尤为重要。
目前，动力电池的冷却大都是采取单一的冷却方式，没有实行分层冷却，不能实现最佳的冷却效果。同时动力电池也很少有学者提出升温控制，升温对于在寒冷天气状态下尤为重要。动力电池均衡控制系统方面多数是进行单一的单体电池均衡或是对整体电池组进行均衡，但均不能有效的控制动力电池的均衡。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种电池箱SOC均衡管理系统及控制方法，解决了动力电池难以快速散热的问题，同时该均衡系统能够解决电池高低电压不一致性问题，大大提高动力电池的使用寿命。
技术方案：本发明所述的一种电池箱SOC均衡管理系统，包括等效模型和电池箱结构，所述的等效模型采用二阶模型；
所述的电池箱结构包括温控电池箱，所述温控电池箱包括电池槽、温度传感器、空气压缩单元和电池箱、冷却水槽和空气管道，所述电池箱内矩阵排列设有多排相互间隔的电池槽，所述电池槽内放置有动力电池，所述电池箱点内设有温度传感器；所述电池槽相互之间的间隔内设有冷却水槽和空气管道，所述空气管道连接有空气压缩单元；
所述的空气压缩单元包括压力泵、第一换热器、膨胀机构、第二换热器、风吹机构和热电阻加热器，所述压力泵的输出端与所述第一换热器的输入端连接，所述第一换热器的输出端与所述膨胀机构的输入端连接，所述膨胀机构的输出端与所述第二换热器的输出端连接，所述第二换热器的输出端与压力泵输入端连接，所述风吹机构安装于所述第二换热器和热电阻加热器的一侧。
进一步的，所述冷却水槽安装于单体动力电池的中部，且呈“S”型结构布置。
进一步的，所述空气管道安装于单体动力电池的上部和下部，且呈“S”型结构布置。
进一步的，所述温度传感器位于所述电池箱的中心，用于检测所述电池箱内的温度。
进一步的，所述风吹机构安装于所述第二换热器和热电阻加热器的同一侧。
进一步的，所述第二换热器和热电阻加热器并列布置。
本发明还公开了一种电池箱SOC均衡管理系统的控制方法，包括荷电状态SOC的估算方法和均衡控制方法；
所述的荷电状态SOC的估算方法采用自适应遗忘因子递推最小二乘法，扩展卡尔曼滤波和安时积分法组合的动态电池模型的SOC估算方法；
所述的均衡控制方法包括两端控制策略，按照先模块内再模块间的顺序进行均衡。
进一步的，所述的荷电状态SOC的估算方法具体包括：
(1)首先对SOC值与协方差进行初始化，在此时刻下无需UT变换，可以通过EKF直接进行协方差的预测，下一时刻的预测值通过安时积分法获得：
Xk -＝Xk-1-Bik+wk
Pk -＝A·Pk-1·AT+Q1
(2)在k时刻对荷电状态进行UT变换，有UT生成Sigma点：
Figure BDA0002558727340000031
(3)对k时刻生成的2n+1个Sigma点通过方程式进行计算，可以得到k时刻Sigma点集合：
Xk＝Xk-1 ++Dik
Figure BDA0002558727340000032
(4)计算加权系数，可得到荷电状态值与协方差值：
Figure BDA0002558727340000033
(5)再进行加权计算，可得到输出变量的估计值即电压估计值均值和协方差：
Figure BDA0002558727340000034
(6)用安时积分法，计算荷电状态值如下：
Figure BDA0002558727340000041
由Peukert方程推算得到如下：
Figure BDA0002558727340000042
即
Figure BDA0002558727340000043
(7)重复以上步骤1-6，即可得到有UKF与安时积分法计算得到的修正荷电状态SOC值。
进一步的，所述的均衡控制方法具体包括：
将模块内单体锂电池的估算SOC值与模块内平均SOC值进行比较，当任意单体锂电池的SOC与模块内平均SOC存在差值时，所设计的基于差值传递补偿的均衡控制策略，将进行差值补偿，完成对电池模块内SOC值的调整，达到重新分配各单体电池的充放电速率的目的，实现电源模块储能系统的动态均衡。
进一步的，所述的均衡控制方法具体还包括：
将各电池模块整体的估算SOC值与电池组内模块的平均SOC值进行比较，当任意电池模块的SOC与电池组内模块的平均SOC存在差值时，所设计的基于差值传递补偿的均衡控制策略，将进行差值补偿，高SOC向电池组充电，电池组向低SOC进行充电，完成对电池模块内SOC值的调整，达到重新分配各单体电池的充放电速率的目的，实现电源模块储能系统的动态均衡。
有益效果：本发明的一种电池箱SOC均衡管理系统及控制方法，可以快速解决动力电池的散热问题，运行稳定且成本低，大大提高动力电池的使用寿命，同时实现了电池组的均衡管理。
附图说明
图1是本发明电池箱结构的总体结构示意图；
图2是本发明空气压缩单元结构原理示意图；
图3是本发明热电阻加热器控制原理图；
图4是本发明冷却水槽的布置实体示意图；
图5是本发明空气管道的布置实体示意图；
图6是本发明冷却水槽与空气管道共同布置时的实体示意图；
图7是本发明单体电池SOC算法流程图；
图8是本发明二阶RC等效电路模型图；
图9是本发明均衡控制流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1到图6以及图8所示的一种电池箱SOC均衡管理系统，包括等效模型和电池箱结构，所述的等效模型采用二阶模型，同时对传统的二阶RC模型进行相应的改良，改良后的二阶模型如图8所示。
电池箱结构包括温控电池箱，如图1所示，所述温控电池箱包括电池槽1、温度传感器2、空气压缩单元7和电池箱8、冷却水槽9和空气管道10，所述电池箱8内矩阵排列设有多排相互间隔的电池槽1，所述电池槽1内放置有动力电池，所述电池箱8点内设有温度传感器2；所述电池槽1相互之间的间隔内设有冷却水槽9和空气管道10，所述空气管道10连接有空气压缩单元7。电池箱8内部分布有电池槽1，用于安装动力电池，同时可以作为冷却水槽9与空气管道10的支撑部分。
如图2所示，所述的空气压缩单元7包括压力泵71、第一换热器72、膨胀机构73、第二换热器74、风吹机构75和热电阻加热器76，所述压力泵71的输出端与所述第一换热器72的输入端连接，所述第一换热器72的输出端与所述膨胀机构73的输入端连接，所述膨胀机构73的输出端与所述第二换热器74的输出端连接，所述第二换热器74的输出端与压力泵71输入端连接，所述风吹机构75安装于所述第二换热器74和热电阻加热器76的一侧。
压力泵71为冷凝剂的流动提供动力，形成高温高压气体冷凝剂；所述第一热交换器72与压力泵71相连，并将冷凝剂液化；所述膨胀机构73与第一热交换器72相连，对冷凝剂进行节流降压；所述第二热交换器74一侧跟膨胀机构73相连，冷凝剂在此气化吸热，降低周围空气温度，另一侧与压力泵71相连，实现冷凝剂工作循环；所述风吹机构75安装于第二热交换器74的外侧，将经第二热交换器74降温的冷空气吹入电池箱8内；所述热电阻加热器76与第二热交换器74并列布置，热电阻加热器控制原理如图3所示。
本实施例中优选地，如图1和图4所示，所述冷却水槽9安装于单体动力电池的中部，且呈“S”型结构布置。冷却水槽输入端3从电池箱8其中一个侧部输入，冷却水槽输出端4分别从两侧输出。
本实施例中优选地，如图1和图4所示，所述空气管道10安装于单体动力电池的上部和下部，且呈“S”型结构布置。空气管道输入端5从电池箱8其中一个侧部输入，空气管道输出端6分别从两侧输出。
本实施例中优选地，所述温度传感器2位于所述电池箱8的中心，用于检测所述电池箱8内的温度。
本发明的电池箱的工作原理为：
在冬季电池箱体温度很低时，接通热电阻加热器76开关，使周围空气温度升高，再通过风吹机构75将高温气体吹入电池箱8，保证在温度较低时电池具有良好的放电性能，达到续航的目的；所述空气管道10布置于电池箱8内，供冷热空气流动散热。
所述温控电池箱8在高温状态下，通过对单体电池中部进行水冷(冷却水槽冷却)，能够带走电池较多的热量，使最高温度快速降低。电池组温度相对较低的上部下部进行风冷(空气管道)，风冷效果虽比不上水冷，但上下部分的温度原本就低于中部，经风冷与水冷后刚好能够使得上中下三部分热量接近，使电池组整体满足电池热管理定律(即通过热管理定律可以减小整个电池组的温差，减小环境对电池的影响，使电池一致性增强)。
所述温控电池箱8在低温状态下电池组的上下部分较中部温度更低，上下部低温使得电池组充放电效果较差，此时热电阻加热器76开始工作，使周围空气温度升高，通过风吹机构75将热空气吹入空气管道10，对电池组上下部分进行升温，保证电池工作在合适温度范围内，提高电池的冷态特性。
所述水冷与风冷的区别在于，水冷却槽9流动路径是电池温度较高的中部，风冷管道10流动路径是温度相对较低的电池上部与下部，实现分层冷却与最优冷却。
本实施例的一种电池箱SOC均衡管理系统的控制方法，包括：
荷电状态SOC的估算方法和均衡控制方法；
如图7所示，所述的荷电状态SOC的估算方法采用自适应遗忘因子递推最小二乘法，扩展卡尔曼滤波和安时积分法组合的动态电池模型的SOC估算方法。
如图9所示，所述的均衡控制方法包括两端控制策略，按照先模块内再模块间的顺序进行均衡。
本实施例中，所述的荷电状态SOC的估算方法具体包括：
(1)首先对SOC值与协方差进行初始化，在此时刻下无需UT变换，可以通过EKF直接进行协方差的预测，下一时刻的预测值通过安时积分法获得：
Xk -＝Xk-1-Bik+wk
Pk -＝A·Pk-1·AT+Q1
(2)在k时刻对荷电状态进行UT变换，有UT生成Sigma点：
Figure BDA0002558727340000081
(3)对k时刻生成的2n+1个Sigma点通过方程式进行计算，可以得到k时刻Sigma点集合：
Xk＝Xk-1 ++Dik
Figure BDA0002558727340000082
(4)计算加权系数，可得到荷电状态值与协方差值：
Figure BDA0002558727340000083
(5)再进行加权计算，可得到输出变量的估计值即电压估计值均值和协方差：
Figure BDA0002558727340000084
(6)用安时积分法，计算荷电状态值如下：
Figure BDA0002558727340000085
由Peukert方程推算得到如下：
Figure BDA0002558727340000086
即
Figure BDA0002558727340000087
(7)重复以上步骤1-6，即可得到有UKF与安时积分法计算得到的修正荷电状态SOC值。
本实施例中，所述的均衡控制方法具体包括：
将模块内单体锂电池的估算SOC值与模块内平均SOC值进行比较，当任意单体锂电池的SOC与模块内平均SOC存在差值时，所设计的基于差值传递补偿的均衡控制策略，将进行差值补偿，完成对电池模块内SOC值的调整，达到重新分配各单体电池的充放电速率的目的，实现电源模块储能系统的动态均衡。
将各电池模块整体的估算SOC值与电池组内模块的平均SOC值进行比较，当任意电池模块的SOC与电池组内模块的平均SOC存在差值时，所设计的基于差值传递补偿的均衡控制策略，将进行差值补偿，高SOC向电池组充电，电池组向低SOC进行充电，完成对电池模块内SOC值的调整，达到重新分配各单体电池的充放电速率的目的，实现电源模块储能系统的动态均衡。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种电池箱SOC均衡管理系统，其特征在于：包括等效模型和电池箱结构，所述的等效模型采用二阶模型；
所述的电池箱结构包括温控电池箱，所述温控电池箱包括电池槽(1)、温度传感器(2)、空气压缩单元(7)和电池箱(8)、冷却水槽(9)和空气管道(10)，所述电池箱(8)内矩阵排列设有多排相互间隔的电池槽(1)，所述电池槽(1)内放置有动力电池，所述电池箱(8)点内设有温度传感器(2)；所述电池槽(1)相互之间的间隔内设有冷却水槽(9)和空气管道(10)，所述空气管道(10)连接有空气压缩单元(7)；
所述的空气压缩单元(7)包括压力泵(71)、第一换热器(72)、膨胀机构(73)、第二换热器(74)、风吹机构(75)和热电阻加热器(76)，所述压力泵(71)的输出端与所述第一换热器(72)的输入端连接，所述第一换热器(72)的输出端与所述膨胀机构(73)的输入端连接，所述膨胀机构(73)的输出端与所述第二换热器(74)的输出端连接，所述第二换热器(74)的输出端与压力泵(71)输入端连接，所述风吹机构(75)安装于所述第二换热器(74)和热电阻加热器(76)的一侧。
2.根据权利要求1所述的一种电池箱SOC均衡管理系统，其特征在于：所述冷却水槽(9)安装于单体动力电池的中部，且呈“S”型结构布置。
3.根据权利要求1所述的一种电池箱SOC均衡管理系统，其特征在于：所述空气管道(10)安装于单体动力电池的上部和下部，且呈“S”型结构布置。
4.根据权利要求1所述的一种电池箱SOC均衡管理系统，其特征在于：所述温度传感器(2)位于所述电池箱(8)的中心，用于检测所述电池箱(8)内的温度。
5.根据权利要求1所述的一种电池箱SOC均衡管理系统，其特征在于：所述风吹机构(75)安装于所述第二换热器(74)和热电阻加热器(76)的同一侧。
6.根据权利要求1所述的一种电池箱SOC均衡管理系统，其特征在于：所述第二换热器(74)和热电阻加热器(76)并列布置。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种电池箱SOC均衡管理系统的控制方法，其特征在于：包括荷电状态SOC的估算方法和均衡控制方法；
所述的荷电状态SOC的估算方法采用自适应遗忘因子递推最小二乘法，扩展卡尔曼滤波和安时积分法组合的动态电池模型的SOC估算方法；
所述的均衡控制方法包括两端控制策略，按照先模块内再模块间的顺序进行均衡。
8.根据权利要求7所述的一种电池箱SOC均衡管理系统的控制方法，其特征在于：所述的荷电状态SOC的估算方法具体包括：
(1)首先对SOC值与协方差进行初始化，在此时刻下无需UT变换，可以通过EKF直接进行协方差的预测，下一时刻的预测值通过安时积分法获得：
Xk -＝Xk-1-Bik+wk
Pk -＝A·Pk-1·AT+Q1
(2)在k时刻对荷电状态进行UT变换，有UT生成Sigma点：
Figure FDA0002558727330000021
(3)对k时刻生成的2n+1个Sigma点通过方程式进行计算，可以得到k时刻Sigma点集合：
Xk＝Xk-1 ++Dik
Figure FDA0002558727330000031
(4)计算加权系数，可得到荷电状态值与协方差值：
Figure FDA0002558727330000032
(5)再进行加权计算，可得到输出变量的估计值即电压估计值均值和协方差：
Figure FDA0002558727330000033
(6)用安时积分法，计算荷电状态值如下：
Figure FDA0002558727330000034
由Peukert方程推算得到如下：
Figure FDA0002558727330000035
即
Figure FDA0002558727330000036
(7)重复以上步骤1-6，即可得到有UKF与安时积分法计算得到的修正荷电状态SOC值。
9.根据权利要求7所述的一种电池箱SOC均衡管理系统的控制方法，其特征在于：所述的均衡控制方法具体包括：
将模块内单体锂电池的估算SOC值与模块内平均SOC值进行比较，当任意单体锂电池的SOC与模块内平均SOC存在差值时，所设计的基于差值传递补偿的均衡控制策略，将进行差值补偿，完成对电池模块内SOC值的调整，达到重新分配各单体电池的充放电速率的目的，实现电源模块储能系统的动态均衡。
10.根据权利要求7所述的一种电池箱SOC均衡管理系统的控制方法，其特征在于：所述的均衡控制方法具体还包括：
将各电池模块整体的估算SOC值与电池组内模块的平均SOC值进行比较，当任意电池模块的SOC与电池组内模块的平均SOC存在差值时，所设计的基于差值传递补偿的均衡控制策略，将进行差值补偿，高SOC向电池组充电，电池组向低SOC进行充电，完成对电池模块内SOC值的调整，达到重新分配各单体电池的充放电速率的目的，实现电源模块储能系统的动态均衡。
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