CN113328499B - 一种电池组容量均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池组容量均衡方法，包括：在电池组的充电过程中设定电池单体的一个电压阈值U_t；当电池单体的充电电压U_i大于或等于电压阈值U_t时，开始计算该电池单体的充电电流积分，直到充电结束或最小电池单体到达此阈值时结束，此时每个电池单体都有对应的充电电流积分Q_e，i；将充电电流积分的结果作为目标均衡放电电量Q_E，i；计算均衡电阻在每个时间Δt周期内的放电均衡电量，记为I_E·Δt；对目标均衡放电电量与均衡电阻在每个时间Δt周期内的放电均衡电量不断地做差，得到差值Q_{E，i_j+1}，而后对差值Q_{E，i_j+1}进行迭代，当差值大于设定值Q_d时，均衡电阻开关闭合，电池组均衡开始，当差值小于或等于设定值Q_d时，均衡电阻开关断开，电池组均衡结束。

Description

一种电池组容量均衡方法

技术领域

本发明属于动力电池技术领域，具体涉及一种电池组容量均衡方法。

背景技术

纯电动汽车的功能系统中，由于局限于单体锂电池的电压和容量，必须将成百节的电池单体串并联形成电池组，给纯电动汽车提供足够的功率和能量以满足其加速爬坡和续航里程的要求。如果电池单体间不存在差异，那么纯电动汽车的电池组和电池单体在使用寿命和安全性上是一致的。然而，由于制造工艺的不一致和使用过程中环境的不一致，电池单体间总是存在不一致性。电池单体在电池成组后，其能量密度，耐久性和安全性等性能都会因为电池单体间的不一致性而下降。成组的电池单体间不一致性在使用过程中扩大会造成电池组容量和功率的下降，可能进一步导致安全问题。为了避免这一问题，除了在成组前对电池进行筛选以保证成组电池单体间有较好的一致性外，采用在线电池单体均衡技术是防止不一致性在使用过程中扩大的有效手段。

通常采用的均衡算法主要分为两类，即基于电压的均衡算法和基于荷电状态(State of Charge，SoC)的均衡算法。

基于电压的均衡算法，由于电池单体电压可以直接测量得到，基于电压的均衡是最易于实现的，因而也为普遍采用。

其中，基于荷电状态的均衡算法在各电池单体容量一致的前提下可以得到电池组容量的充分利用，但过程中需要得到电池单体的荷电状态，其实现难度上稍大。基于电压的均衡算法和基于荷电状态的均衡算法的缺点在于：以电压或荷电状态一致为目标，由于缺乏对电池单体容量信息的掌握，因而都可能导致电池组的过均衡问题。例如，一节5Ah的电池单体A和一节10Ah的电池单体B串联，假设其初始荷电状态都为1且电压相同，放电4AH后，电池单体A的荷电状态为20％小于电池单体B的荷电状态60％，同样电池单体A的电压小于电池单体B的电压，按以电压或荷电状态一致为目标的算法，需要对A进行充电均衡或对B进行放电均衡。电池单体B将2Ah分给电池单体A，B剩余4Ah，但是由于线路的损耗，电池单体A只得到1Ah，此时电池单体A剩余2Ah，当均衡后两者电压或荷电状态一致时，此时假设均为40％，电池组进行2Ah的充电则此时电池单体A的荷电状态为80％，大于电池单体B的荷电状态60％按以电压或荷电状态一致为目标的算法，需要对A进行放电均衡或对B进行充电均衡。如果采用能量转移效率为100％的理想非能耗式均衡，这种对电池单体时而放电时而充电的均衡算法尚可以接受，但事实上能量转移的损失是不可避免的，而对能耗式均衡而言，这样的均衡算法意味着容量的损失和散热负荷的加重，因此如何避免过均衡是需要解决的问题。

为此提出基于单点电压一致的均衡方法，即当电池平均电压达到某一值时，依据该电压处各电池单体电压大小进行均衡。以放电末电压一致为目标和以充电末电压一致为目标的均衡方法都是单点电压均衡算法的特例。但目前基于电压的均衡方法和基于荷电状态的均衡方法均不能直接体现出均衡的最终目的，即保证电池容量的最大利用，因此又进一步提出基于容量的均衡算法。基于容量均衡算法可以分为两类，即基于剩余放电容量和剩余充电容量一致。这两种方法都是最小电池单体容量得到充分利用的充分条件。当然基于容量均衡的难点在于如何得到电池单体容量和荷电状态，这对于在线计算辨识而言其难度是极大的。

事实上以完全放电末电压一致为目标和以完全充电末电压一致为目标，或者以完全放电末荷电状态为0为目标和以完全充电末荷电状态为100％为目标的均衡都能够保证在最小单体容量得到充分利用。由于电动汽车的电池组通常不会放电至全空但一般会采用恒流充电至全满，因此如何以恒流充电完成电压一致为目标的均衡是需要解决的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种电池组容量均衡方法。

本发明提供了一种电池组容量均衡方法，采用均衡电阻对包括N个电池单体的电池组进行容量均衡，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤S1，在所述电池组的充电过程中设定电池单体的一个电压阈值U_t；步骤S2，当所述电池单体的充电电压U_i大于或等于所述电压阈值U_t时，开始计算该电池单体的充电电流积分，直到充电结束或最小电池单体到达此阈值时结束，此时每个电池单体都有对应的充电电流积分Q_e，i；步骤S3，将所述充电电流积分的结果作为目标均衡放电电量Q_E，i；步骤S4，计算所述均衡电阻在每个时间Δt周期内的放电均衡电量，记为I_E·Δt；步骤S5，对目标均衡放电电量与所述均衡电阻在每个时间Δt周期内的放电均衡电量不断地做差，得到差值Q_{E，i_j+1}，而后对所述差值Q_{E，i_j+1}进行迭代，当所述差值大于设定值Q_d时，所述均衡电阻开关闭合，所述电池组均衡开始，当所述差值小于或等于设定值Q_d时，所述均衡电阻开关断开，所述电池组均衡结束。

在本发明提供的电池组容量均衡方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，目标均衡放电电量Q_E，i的计算公式为：

Q_E,i＝K·Q_e,i

式中，K为小于1并用于防止过均衡的一个系数。

在本发明提供的电池组容量均衡方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S5中，差值Q_{E，i_j+1}的计算公式为：

Q_{E,i_j+1}＝Q_{E,i_j}-I_E×Δt

式中，Q_{E,i_j}是电池组中各电池单体在第j个采样周期的目标均衡电量，I_E是各电池单体的均衡电流组成的向量，Δt是每个周期的时长，Q_{E,i_j+1}则是第j+1个采样周期各电池单体的目标均衡电量。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的电池组容量均衡方法，电池组在均衡后能够使得所有电池单体达到满充电压，从而实现电池组充分均衡，使电池组的容量趋于最大利用，进而解决了由于电池单体之间的不一致性造成的能量密度下降、耐久性下降、安全性下降等性能问题，因此，采用本发明的方法均衡后的电池组能量密度、耐久性以及安全性等均提高了，使其不仅适用于纯电动汽车，还适用于非电动汽车的蓄电池组。

附图说明

图1是本发明的实施例中电池组容量均衡方法的流程图；

图2是本发明的实施例中充电结束时电池组中最小单体的电压未达到阈值的情况示意图；

图3是本发明的实施例中充电结束时电池组所有单体电压均大于阈值的情况示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

实施例：

本实施例提供了一种电池组容量均衡方法，采用均衡电阻对包括N个电池单体的电池组进行容量均衡，具体包括如下步骤：

本实施例中，电池单体的数量为4个。

步骤S1，在所述电池组的充电过程中设定电池单体的一个电压阈值U_t。

本实施例中，使用的是磷酸铁锂电池，电压阈值设定的标准是在磷酸铁锂电池充电电压曲线的末段，一般在平台期之后，这里取U_t＝3.5V(伏特)。

步骤S2，当所述电池单体的充电电压U_i大于或等于所述电压阈值U_t时，开始计算该电池单体的充电电流积分，直到充电结束或最小电池单体到达此阈值时结束，此时每个电池单体都有对应的充电电流积分Q_e，i。

如图2所示，图2为4个单体组成的磷酸铁锂电池组的充电末期曲线，采用恒流充电方式。假设电池单体1在t₁时刻达到了电压阈值U_t，充电结束时刻为t_e。

此外，图2所示为充电结束时电池组中最小单体的电压未达到阈值的情况，显然最小单体初始目标均衡电量的估计值为0。那么对于电池单体1，其初始目标均衡电量的估计值为：

Q_e,1＝I·(t_e-t₁)

图3所示为充电结束时电池组所有单体电压均大于阈值的情况。而最小单体4电压达到阈值的时刻为t_m，那么对于电池单体1，其初始目标均衡电量的估计值为：

Q_e,1＝I·(t_m-t₁)

其中，I是电池组充电电流。此时最小单体初始目标均衡电量的估计值仍为0。

然而电池组在实际使用中，充电电流并非总是固定，有时会随着工况发生变化。因此，继续使用电池组电流与时长乘积来估计目标均衡放电电量就不适用。那么通过对电流积分来估计这一值则更为准确。

对于情况充电结束时电池组中最小单体的电压未到达阈值，可表示为：

对于充电结束时电池组中最小单体的电压达到阈值，可表示为：

步骤S3，将所述充电电流积分的结果作为目标均衡放电电量Q_E，i。

本实施例中，目标均衡放电电量Q_E，i的计算公式为：

Q_E,i＝K·Q_e,i

式中，K为小于1并用于防止过均衡的一个系数。

步骤S4，计算所述均衡电阻在每个时间Δt周期内的放电均衡电量，记为I_E·Δt。

步骤S5，对目标均衡放电电量与所述均衡电阻在每个时间Δt周期内的放电均衡电量不断地做差，得到差值Q_{E，i_j+1}，而后对所述差值Q_{E，i_j+1}进行迭代，当所述差值大于设定值Q_d时，所述均衡电阻开关闭合，所述电池组均衡开始，当所述差值小于或等于设定值Q_d时，所述均衡电阻开关断开，所述电池组均衡结束。

本实施例中，其初始定义值可表示为：

ΔQ＝Q_E,i-∫I_Edt

其中，Q_E，i是每次循环中各电池单体的目标均衡电量，I_E是电池单体的均衡电流组成的向量，ΔQ则是各电池单体目标均衡电量与其已经均衡电量的差，均衡过程中，如果该值小于所设定的值，则判断该次循环中，对应序号的电池单体的均衡过程已经完成。

另外电池组的均衡过程中，电池单体对应的均衡电流积分值因为外界条件影响而清零，这将意味着该单体在已经均衡放电了一定时长，还需以之前的目标均衡电量重新再放电一次，这无疑将导致电池组过均衡的发生。

为防止类似情况出现，采用了动态迭代的策略来比较其与电池单体已经均衡掉的电量之间的差异，将目标均衡放电电量与均衡电阻在时间Δt周期的放电均衡电量做差为：

Q_{E,i_j+1}＝Q_{E,i_j}-I_E×Δt

其中，Q_{E,i_j}是电池组中各电池单体在第j个采样周期的目标均衡电量，I_E是各电池单体的均衡电流组成的向量，Δt是每个周期的时长，这里Δt＝0.25秒，Q_{E,i_j+1}则是第j+1个采样周期各电池单体的目标均衡电量。

本实施例中，设定值Q_d取为5mAh。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的电池组容量均衡方法，电池组在均衡后能够使得所有电池单体达到满充电压，从而实现电池组充分均衡，使电池组的容量趋于最大利用，进而解决了由于电池单体之间的不一致性造成的能量密度下降、耐久性下降、安全性下降等性能问题，因此，采用本实施的方法均衡后的电池组能量密度、耐久性以及安全性等均提高了，使其不仅适用于纯电动汽车，还适用于非电动汽车的蓄电池组。

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 (2)

1.一种电池组容量均衡方法，采用均衡电阻对包括N个电池单体的电池组进行容量均衡，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，在所述电池组的充电过程中设定电池单体的一个电压阈值U_t；

步骤S2，当所述电池单体的充电电压U_i大于或等于所述电压阈值U_t时，开始计算该电池单体的充电电流积分，直到充电结束或最小电池单体到达此阈值时结束，此时每个电池单体都有对应的充电电流积分Q_e，i；

步骤S3，将所述充电电流积分的结果作为目标均衡放电电量Q_E，i；

步骤S4，计算所述均衡电阻在每个时间Δt周期内的放电均衡电量，记为I_E·Δt，I_E是各电池单体的均衡电流组成的向量；

步骤S5，对目标均衡放电电量与所述均衡电阻在每个时间Δt周期内的放电均衡电量不断地做差，得到差值Q_{E，i_j+1}，而后对所述差值Q_{E，i_j+1}进行迭代，当所述差值大于设定值Q_d时，所述均衡电阻开关闭合，所述电池组均衡开始，当所述差值小于或等于设定值Q_d时，所述均衡电阻开关断开，所述电池组均衡结束；

其中，所述步骤S3中，所述目标均衡放电电量Q_E，i的计算公式为：

Q_E,i＝K·Q_e,i式中，K为小于1并用于防止过均衡的一个系数。

2.根据权利要求1所述的电池组容量均衡方法，其特征在于：

其中，所述步骤S5中，差值Q_{E，i_j+1}的计算公式为：

Q_{E,i_j+1}＝Q_{E,i_j}-I_E×Δt

式中，Q_{E,i_j}是电池组中各电池单体在第j个采样周期的目标均衡放电电量，Δt是每个周期的时长。

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