CN113839439B - 全时段电池组均衡控制方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全时段电池组均衡控制方法、装置及存储介质,该均衡控制方法包括如下步骤通过电池组中每个电池的电特性估算每个电池的SOC；在电池组充电过程中比较电池的电压与预设电压；在电池的电压大于等于预设电压时，计算电芯的充电能量对充电时间的积分得到电芯的目标均衡量；根据电池组的最低单体电池电压与预设电压的比较结果，判断电池组是否需要均衡；在电池组的最低单体电池电压小于所述预设电压时，在全时段按照所述目标均衡量对电池组进行能量均衡。本发明利用单体电池容量精确策略和平衡状态下SOC容量预估，精确计算电池能量目标均衡量并进行电池组均衡，避免能量反复平衡，从而减小能量损耗，提高能量平衡效益。
Description
技术领域
本发明涉及电池组管理技术领域，特别涉及一种全时段电池组均衡控制方法、装置及存储介质。
背景技术
锂离子电池具有较高的功率密度和能量密度，被广泛应用于电动汽车和微电网储能系统中。由于单个锂离子电池的容量小、电压低，因此通常将若干个电池串并联组成高电压、大容量的电池组。单体电池的额定电压只有几伏特，如锂电池的额定电压为3.7V，当需要运用到较高压的环境时就不得不把单体电池串联起来，以满足电压等级的需求。而电池的不一致性，将导致电池在充放电时的电压和电量的不均衡。如果不采取均衡措施，串联单体电池间的不均衡程度会随着充放电循环次数的增加而加剧，电池组的充放电容量也会逐渐降低，最终使电池组提前报废，因此采取有效的均衡措施对于延长电池组的使用寿命、提高电池组的充放电容量具有重要意义。
电池组均衡的判断依据主要有：电压、SOC和容量。根据判断依据的不同，电池组均衡的策略可分为以电压一致为均衡目标的均衡策略、以SOC一致为均衡目标的均衡策略和以容量一致为均衡目标的均衡策略。目前，因为电压可以直接测量得到，所以以电压一致为均衡目标的均衡策略的应用是最广泛的，但是，由于电池的电压滞回特性，仅仅依靠电压并不能很好的反映电池组的一致性。
以SOC一致为均衡目标的传统均衡策略有相邻比值均衡策略和最值均衡策略。相邻比值均衡策略就是，比较相邻单体电池SOC值的大小，然后通过均衡器把能量较高的单体电池的能量转移到能量较低的单体电池。该均衡策略控制简单，容易实现，但是该均衡策略并不考虑整个电池组的能量分布情况，只考虑相邻两个单体电池的能量的高低，导致单体电池间的能量反复来回传递，使整体的能量转移效率变低。最值均衡策略就是，SOC最高的单体电池通过均衡电路往SOC最低的单体电池转移能量。对于一致性较好电池组，该均衡策略的能量转移效率较高。但是由于每次只能把一个单体电池的能量转移到另一个单体电池，所以，当电池组的一致性越差，不一致的单体电池的数量越多时，越容易导致控制逻辑混乱、均衡时间变长、能量转移效率变低。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种均衡效率高，减小能量损耗，提高能量平衡效应的全时段电池组均衡控制方法。
本发明的第二目的在于提供一种全时段电池组均衡控制装置。
本发明的第三目的在于提供一种计算机可读介质。
为实现上述目的，本发明的全时段电池组均衡控制方法，包括如下步骤：
通过电池组中每个电池的电特性估算每个电池的SOC；
在电池组充电过程中比较电池的电压与预设电压；
在电池的电压大于等于预设电压时，计算电芯的充电能量对充电时间的积分得到电芯的目标均衡量；
根据电池组的最低单体电池电压与预设电压的比较结果，判断电池组是否需要均衡；
在电池组的最低单体电池电压小于所述预设电压时，在充电、放电全时段按照所述目标均衡量对电池组进行能量均衡。
进一步，还包括：
记录在电池组充电过程电池的电压大于等于预设电压均值的第一时刻；
记录在电池组充电过程电池组的最高单体电池电压等于充电截止电压的第二时刻；
根据第二时刻和第一时刻的差值计算电芯的充电时间。
进一步，还包括：
根据估算的每个电池SOC判断电池组的电池一致性；
在电池组的电池一致性满足预定条件，按照电池额定电压的95％设定所述预设电压；
在电池组的电池一致性不满足预定条件，按照电池额定电压的85％设定所述预设电压。
进一步，在充电、放电全时段按照所述目标均衡量对电池组进行能量均衡包括：
按照所述目标均衡量和电池组电池状态分配电池的均衡对象和均衡电流；
根据均衡对象和均衡电流控制外部均衡电路控制开关的导通程度。
本发明的第二方面提供一种全时段电池组均衡控制装置，包括一个或多个处理器；以及
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如第一方面所述的均衡控制方法。
本发明第三方面提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如第一方面所述的均衡控制方法。
本发明利用单体电池SOC容量精确策略和平衡状态下SOC容量预估，精确计算电池能量目标均衡量并按照目标均衡量进行电池组均衡，避免能量反复平衡，从而减小能量损耗，提高能量平衡效益。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的全时段电池组均衡控制方法的流程图；
图2为本发明充满电电池电压分布示意图；
图3为本发明另一实施例的全时段电池组均衡控制方法的流程图；
图4为本发明另一实施例的全时段电池组均衡控制方法的流程图；
图5为本发明另一实施例的全时段电池组均衡控制方法的流程图；
图6为本发明外部均衡电路的结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
如图1所示，本发明的全时段电池组均衡控制方法，包括如下步骤：
步骤S110：通过电池组中每个电池的电特性估算每个电池的SOC。电池组提供自身电池电特性参数，例如电压、电流温度等信息，通过电池组中每个电池的电特性估算每个电池的SOC。
步骤S120：在电池组充电过程中比较电池的电压与预设电压Vstep1，参见图2。
步骤S130：在电池的电压大于等于预设电压时，计算电芯的充电能量对充电时间的积分得到电芯的目标均衡量。
步骤S140：根据电池组的最低单体电池电压与预设电压的比较结果，判断电池组是否需要均衡；
步骤S150：在电池组的最低单体电池电压小于所述预设电压时，在充电、放电全时段按照所述目标均衡量对电池组进行能量均衡。否则，电池组不进行能量均衡。
在充电过程中电压曲线比较稳定，在此过程计算出每节电池需要均衡的电量，并将均衡电量存储在Flash芯片中，在充电、放电状态下利用计算出的均衡量对电池组单体实现实时均衡，避免电池能量的反复充放，从而使均衡效率达到最高。
在步骤S120中预设电压Vstep1电压的设定原则为根据该电池组的使用状态和阶段，认为电池充满电的情况下，电池组单体电池的平均电压值是使用者根据图2中电池组的使用状态和阶段决定。如图3所示，预设电压Vstep1的设置步骤包括：
步骤S310：根据估算的每个电池SOC判断电池组的电池一致性。
步骤S320：在电池组的电池一致性满足预定条件，按照电池额定电压的95％设定所述预设电压。电池组的电池一致性满足预定条件表示电池组的电池一致性较好，此时可以将预设电压设定相对高一些。
步骤S330：在电池组的电池一致性不满足预定条件，按照电池额定电压的85％设定所述预设电压。电池组的电池一致性不满足预定条件表示电池组的电池一致性不好，此时将预设电压设定相对低。
在步骤S150中电池组的最低单体电池电压Vmin<预设电压Vstep1,则表示当下电池组电量需要均衡。例如，参见图2电池1、电池2电压值较高，电池3电压值低于预设电压，需要电池1、电池2向外输出均衡能量，电池1、电池2的目标均衡量由步骤S130中计算得出。
如图4所示，在步骤S130中确定充电时间步骤包括：
步骤S410：记录在电池组充电过程电池的电压大于等于预设电压均值的第一时刻。
步骤S420：记录在电池组充电过程电池组的最高单体电池电压等于充电截止电压的第二时刻。当电池组的最高单体电池电压Vmax等于截止电压Vcut时，为使电池组维持在安全稳定状态，充电过程停止，此时段积分得到的能量值作为该单体电池的目标均衡量。
步骤S430：根据第二时刻和第一时刻的差值计算电芯的充电时间。
如图5所示，步骤S130还包括步骤S510和步骤S520。
步骤S510：按照所述目标均衡量和电池组电池状态分配电池的均衡对象和均衡电流。
步骤S520：根据均衡对象和均衡电流控制外部均衡电路控制开关的导通程度。如图6所示，电池组外部均衡电路由一个大的电容器通过控制开关与每个单体电池相连，控制开关为可双向导通的晶体管开关，可通过控制器设定PWM开关信号控制每个单体电池均衡电流的大小。当获得每个单体电池的目标均衡电量后，根据单体电池的状态控制其开关的通断，并根据其目标均衡电量的大小控制PWM的占空比，从而控制均衡电流的大小，使电池单体的电量与目标电量差别较大的，均衡电流就大，当均衡达到截止条件时，均衡过程停止。整个均衡能量通过外部大的电容去缓冲。通过调节控制开关占空比就可以调节均衡电流，均衡电流易控制，通过较小的均衡电流(100mA左右)，实现了传统5A主被动均衡系统相同效果的电池均衡能力，有效提高了系统效率、可靠性与集成度。
本发明的第二方面提供一种全时段电池组均衡控制装置，包括一个或多个处理器；以及
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如第一方面所述的均衡控制方法。
本发明第三方面提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如第一方面所述的均衡控制方法。该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的均衡控制装置中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现如上述实施例中所述的均衡控制方法。
综上，本发明利用单体电池SOC容量精确策略和平衡状态下SOC容量预估，精确计算电池能量目标均衡量并按照目标均衡量进行电池组均衡，避免能量反复平衡，从而减小能量损耗，提高能量平衡效益。
根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)执行时，执行本申请的系统中限定的上述功能。
需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本发明实施例中所涉及到的模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的模块也可以设置在处理器中。其中，这些模块的名称在某种情况下并不构成对该模块本身的限定。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、触控终端、或者网络设备等)执行根据本发明实施方式的方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (5)
1.全时段电池组均衡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过电池组中每个电池的电特性估算每个电池的SOC；
在电池组充电过程中比较电池的电压与预设电压；
记录在电池组充电过程电池的电压大于等于预设电压均值的第一时刻；
记录在电池组充电过程电池组的最高单体电池电压等于充电截止电压的第二时刻；
根据第二时刻和第一时刻的差值计算电芯的充电时间；
在电池的电压大于等于预设电压时，计算电芯的充电能量对充电时间的积分得到电芯的目标均衡量；
根据电池组的最低单体电池电压与预设电压的比较结果，判断电池组是否需要均衡；
在电池组的最低单体电池电压小于所述预设电压时，在充电、放电全时段按照所述目标均衡量对电池组进行能量均衡。
2.如权利要求1所述的全时段电池组均衡控制方法，其特征在于，还包括：
根据估算的每个电池SOC判断电池组的电池一致性；
在电池组的电池一致性满足预定条件，按照电池额定电压的95％设定所述预设电压；
在电池组的电池一致性不满足预定条件，按照电池额定电压的85％设定所述预设电压。
3.如权利要求1所述的全时段电池组均衡控制方法，其特征在于，在充电、放电全时段按照所述目标均衡量对电池组进行能量均衡包括：
按照所述目标均衡量和电池组电池状态分配电池的均衡对象和均衡电流；
根据均衡对象和均衡电流控制外部均衡电路控制开关的导通程度。
4.全时段电池组均衡控制装置，其特征在于，包括一个或多个处理器；以及
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求1-3任一所述的均衡控制方法。
5.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-3任一所述的均衡控制方法。
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| 动力锂电池均衡充电关键技术研究;雷桥;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》(第01期);第C042-3625页 * |
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