CN114243855A - 一种动力电池模组均衡系统及其控制方法 - Google Patents

一种动力电池模组均衡系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种动力电池模组均衡系统及其控制方法，当需要进行均衡时，均衡控制模块通过电池单体的电压巡检数据和串联电池模组的容量，计算通过串联电池模组的电流，进而确定电池单体的SOC，电池单体SOC最大值SOCmax分别与其余电池单体作差，判定需进行均衡补电的电池单体，根据均衡补电时间，控制开关选择控制电路接通相应端口，对需要均衡补电的电池单体分别进行补电。本发明中无电流采样的串联电池模组电流估计方法，能够消除电流采样的累计误差，简化检测电路；该方法可精确计算均衡补电量从而对需均衡补电的电池单体进行针对性快速补电；本发明可大幅提高均衡的效率与速度，提升电池模组的容量利用率。

Description

一种动力电池模组均衡系统及其控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种动力电池模组均衡系统及其控制方法。
背景技术
动力电池是电动汽车主要的能量载体和动力来源，也是电动汽车重要的组成部件。动力电池包内包含成百上千的电池单体，制造过程中难免存在内阻和容量等不一致，加上在使用过程中电池模组内单体与电池模组间因温度等条件的不同，导致电池单体以及电池模组间电压和容量的不一致性，这些不一致性造成能量或电压最小的单体限制了电池包容量，减小其容量利用效率，甚至于大大削弱电池包的可放电容量。
针对这一个问题，电动汽车动力电池包一般配置有均衡控制模块，目前主要有主动均衡和被动均衡两种方法。前者进行能量转移，而后者将高能量电池单体的多余电量以热能的方式消耗掉，以达到均衡的目的。主动均衡在串联电池之间设置有复杂的控制电路，通常以电感和电容等作为能量中转站，通过控制相关电路的依次导通，即可实现能量从高能量电池向电容或电感、电容或电感，再向低能量电池转移的过程，但能量转移过程并非一蹴而就，且能量流需要在无关电池内部流动；因此，该种方式均衡时间较长、效率不高。而被动均衡则没有复杂的能量转移电路与控制流程，以“向低看齐”为目标，通过接通高能量电池的均衡电路，将多余能量以热能方式耗散，其主要缺点是能量白白流失(当电池不一致性较差时能量散失很大)、均衡期间会产热。
综上所述，主动均衡电路与控制流程复杂，难以实现快速均衡，均衡效率不高；被动均衡在老化的电池包上能量散失更为严重。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种动力电池模组均衡系统及其控制方法，有助于提升整个电池包的能量利用率。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种动力电池模组均衡系统的控制方法，具体为：
均衡控制模块判断电池单体之间的最大电压差值是否大于所设置的电压阈值，若否，则均衡结束，否则根据当前各电池单体电压巡检数据和串联电池模组的容量，估算通过电池模组的电流值；
基于所述通过电池模组的电流值确定电池单体的SOC，电池单体SOC最大值SOCmax分别与其余电池单体作差，判定需进行均衡补电的电池单体，根据均衡补电时间对需要均衡补电的电池单体分别进行补电；
所述通过电池模组的电流值为
Figure BDA0003435290110000021
其中第i个电池单体k时刻电流的修正估计值
Figure BDA0003435290110000022
表示第i个电池单体k时刻电流的修正估计值，
Figure BDA0003435290110000023
表示第i个电池单体k时刻电流的先验估计值，Kt为卡尔曼增益，Ui,oc表示第i个电池单体的开路电压，Ri,0表示第i个电池单体的欧姆内阻，Ui,1,k表示第i个电池单体的Thevenin等效电路模型在k时刻的R1C1环路的电压，Ui,t,k表示第i个电池单体在k时刻的端电压；
所述均衡补电时间即为开关选择控制电路相应端口的闭合时间，
Figure BDA0003435290110000024
其中：Cn为电池模组的容量，Cc为所设定的补电倍率，ΔSOCj为所述SOCmax分别与其余电池单体的差值。
进一步地，当ΔSOCj＞2％，判定当前电池单体需进行均衡补电。
进一步地，所述电压巡检数据是在电池模组的温度处于15℃-40℃之间时，电压检测模块持续对各个电池单体进行电压巡检得到的。
进一步地，估算通过电池模组电流值的状态方程和量测方程为：
Figure BDA0003435290110000025
其中：Ii,k表示第i个电池单体k时刻电流，Ui,oc,k-1表示第i个电池单体在k-1时刻的开路电压，Ui,t,k-1表示第i个电池单体在k-1时刻的端电压，Ui,1,k-1表示第i个电池单体的Thevenin等效电路模型在k-1时刻的R1C1环路的电压，Q为过程噪声，ΔRi,0表示第i个电池单体与端电压最低电池单体的欧姆内阻R0差值，Ui,t,k表示第i个电池单体在k时刻的端电压，Umin,t,k-1表示端电压最低电池单体在k-1时刻的端电压，Ri,0表示第i个电池单体的欧姆内阻。
进一步地，所述电压阈值为0.01V。
进一步地，所述通过电池模组的电流值是在各电池单体电流值的最大差值小于所设置的电流阈值时确定的，所述电流阈值为1mA。
一种动力电池模组均衡系统，包括串联通信连接的电压检测模块、电池管理系统、均衡控制模块以及开关选择控制电路，所述开关选择控制电路与串联电池模组电连接，所述开关选择控制电路还通过均衡端口与均衡降压DC/DC电连接，均衡降压DC/DC与超级电容器电连接，电池管理系统还与温度传感器通信连接，温度传感器贴附于每一个电池单体上。
上述技术方案中，所述均衡降压DC/DC与均衡端口﹢连接的线路上设有限流器。
上述技术方案中，所述超级电容器替换为小型蓄电池或飞轮电池或充电机或燃料电池。
本发明的有益效果为：本发明通过各电池单体电压巡检数据和串联电池模组的容量，估算通过电池模组的电流值，进而确定电池单体的SOC，电池单体SOC最大值SOCmax分别与其余电池单体作差，判定需进行均衡补电的电池单体，根据均衡补电时间对需要均衡补电的电池单体分别进行补电；本发明无需检测串联电池模组的电流，尤其是在多个电池模组的情况下简化了检测电路，避免电流测量的累计误差对SOC计算的影响，抗环境因素干扰能力更强；另外，根据电池单体SOC和电池模组容量对最低能量电池单体进行均衡补电，提高了均衡补电的准确性和均衡效率并大大降低了能量的损耗。
附图说明
图1为本发明所述动力电池模组均衡系统框图；
图2为本发明所述动力电池模组均衡系统的控制方法流程图；
图3为本发明所述Thevenin等效电路模型图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明一种动力电池模组均衡系统，包括串联电池模组、电池管理系统、均衡控制模块、超级电容器、均衡降压DC/DC、电压检测模块、开关选择控制电路、限流器以及温度传感器；串联电池模组与开关选择控制电路的端口电连接，具体的，每个电池单体正负极分别与开关选择控制电路相邻的端口电连接；开关选择控制电路通过均衡端口与均衡降压DC/DC电连接，均衡降压DC/DC还与超级电容器电连接；限流器设置在均衡端口﹢与均衡降压DC/DC连接的线路上；开关选择控制电路通过检测端口与电压检测模块电连接；电压检测模块、电池管理系统、均衡控制模块以及开关选择控制电路串联通信连接；电池管理系统还与温度传感器通信连接，温度传感器贴附于每一个电池单体之上。
在电池单体电压巡检过程中，开关选择控制电路依次接通相邻的两个端口(端口1和端口2、端口2和端口3、……、端口N和端口N+1)，而两检测端口(包括检测端口﹢、检测端口﹣)常接通，所以依次接通了电压检测模块与串联电池模组内每一个电池单体(依次：单体1、单体2、……、单体N)的电压检测通路，电压检测模块对串联电池模组内所有电池单体在毫秒级别内完成电压巡检，电池管理系统对电压巡检数据进行储存并将该数据发送给均衡控制模块。当串联电池模组内有电池单体需要进行均衡补电时，停止电压巡检，均衡控制模块根据接收到的电压巡检数据计算均衡补电时间，并发送PWM信号给开关选择控制电路，均衡端口﹢、均衡端口﹣以及与电池单体并联的相邻端口被接通(单体1需要均衡补电时，即接通端口1和端口2)，此时处于超级电容器内的电能经过均衡降压DC/DC、限流器、开关选择控制电路流入需要均衡补电的电池单体，端口接通时间即为均衡补电时间。当串联电池模组内有多个电池单体需要均衡补电，重复以上步骤，单次仅对一个电池单体进行均衡补电。
如图2所示，本发明一种动力电池模组均衡系统的控制方法，具体包括如下步骤：
步骤(1)，电池管理系统采集电池模组温度信息；
步骤(2)，当电池模组的温度在15℃-40℃之间，由电压检测模块持续对各个电池单体进行电压巡检，并将电压巡检数据发送给电池管理系统，电池管理系统对数据进行储存并将该数据发送给均衡控制模块；
步骤(3)，均衡控制模块判断电池单体之间的最大电压差值是否大于所设置的电压阈值(本实施例优选为0.01V)，若是，则进行下一步，否则均衡结束；
步骤(4)，均衡控制模块根据当前各电池单体电压巡检数据和串联电池模组的容量(存储在电池管理系统中)，基于卡尔曼滤波算法估算通过电池模组的电流值，具体为：
步骤(4.1)，为每一个电池单体建立Thevenin等效电路模型(如图3所示)，等效电路模型的主要参数包括欧姆内阻R0、扩散内阻R1和扩散电容C1；Thevenin等效电路模型的连续时间方程
Figure BDA0003435290110000041
将连续时间方程在时域上进行离散化，得到离散方程：
Figure BDA0003435290110000042
其中U1表示R1C1环路上的电压，Ut表示电池单体端电压，τ＝R1C1为时间常数，Δt为电压采样时间步长，Uoc表示电池单体的开路电压，It表示电池单体电流；
步骤(4.2)，采用带遗传因子的递推最小二乘法对Thevenin等效电路模型进行在线参数辨识，包括欧姆内阻R0、扩散内阻R1和扩散电容C1；
步骤(4.3)，根据所获取的电池单体的电压巡检数据，以及辨识得到的Thevenin等效电路模型参数，得到用于估算电池模组电流的状态方程和量测方程：
Figure BDA0003435290110000051
再基于卡尔曼滤波，得到完整电池模组的电流估算流程，具体为：
Figure BDA0003435290110000052
其中：Ii,k表示第i个电池单体k时刻电流，Ui,oc,k-1表示第i个电池单体在k-1时刻的开路电压，Ui,t,k-1表示第i个电池单体在k-1时刻的端电压，Ui,1,k-1表示第i个电池单体的Thevenin等效电路模型在k-1时刻的R1C1环路的电压，Q为过程噪声，R为量测噪声，ΔRi,0表示第i个电池单体与端电压最低电池单体的欧姆内阻R0差值，Ui,t,k表示第i个电池单体在k时刻的端电压，Umin,t,k-1表示端电压最低电池单体在k-1时刻的端电压，Ri,0表示第i个电池单体的欧姆内阻，
Figure BDA0003435290110000053
表示第i个电池单体k时刻电流的先验估计值，P为协方差矩阵，F为状态转移矩阵，
Figure BDA0003435290110000054
表示第i个电池单体k时刻电流的修正估计值，Kt为卡尔曼增益，Ui,oc表示第i个电池单体的开路电压，Ui,1,k表示第i个电池单体在k时刻的端电压，H为单位矩阵，第i个电池单体的Thevenin等效电路模型在k时刻的R1C1环路的电压
Figure BDA0003435290110000055
步骤(4.4)，判断算得到各电池单体电流值的最大差值是否小于所设置的电流阈值(本实施例优选为1mA)，若是：取电流平均值，即通过电池模组的电流为
Figure BDA0003435290110000061
否则返回步骤(4.2)，以新时刻采样电压重新进行相应步骤。
步骤(5)，按公式
Figure BDA0003435290110000062
和开路电压法，确定电池单体的SOC，其中Cn为电池模组的容量，SOCi,k表示第i个电池单体k时刻的SOC值，电池单体的初始SOC值是经过长时间静置后查OCV-SOC关系图获得；
OCV-SOC关系图的获取过程为：
通过开路电压(OCV)测试，获取20个OCV数据点，并采用多项式拟合的方法获取各电池单体的OCV-SOC关系图，所采用的六阶多项式为：
OCV＝f(SOC)＝k0+k1·SOC+k2·SOC2+k3·SOC3+k4·SOC4+k5·SOC5+k6·SOC6 (1)
其中：k0、k1、k2、k3、k4、k5和k6均为常数。
步骤(6)，电池单体SOC最大值SOCmax分别与其余电池单体作差，记为ΔSOCj(j＝1,2,……N-1)，当ΔSOCj＞2％，即判定当前电池单体(第j个电池单体)需进行均衡补电；均衡控制模块根据所判定的需均衡补电的电池单体，进一步计算其均衡补电时间，即开关选择控制电路相应端口的闭合时间(毫秒)：
Figure BDA0003435290110000063
其中Cc为所设定的补电倍率。
步骤(7)，均衡控制模块发送PWM信号给开关选择控制电路，如果此时单体1需要补电，均衡端口﹢、均衡端口﹣、端口1和端口2均被接通，端口接通时间为上述计算得到的均衡补电时间，此时处于超级电容器内的电能经过均衡降压DC/DC、限流器、开关选择控制电路流入需要均衡补电的电池单体。当多个电池单体需要均衡补电时，均衡控制模块分别计算均衡补电时间，控制相应端口依次接通，对需要均衡补电的电池单体进行补电，直至没有电池单体需要均衡补电。
在本发明中，串联电池模组不需要进行电流采样，仅有电压检测模块对各个电池单体进行实时电压巡检，其电压巡检数据发送给电池管理系统进行储存；超级电容器作为均衡补电的能量储存单元，具有响应速度快的优点，该均衡系统可根据所计算得到的补电时间进行离线补电或利用其他能量储存单元(如小型蓄电池、飞轮电池、充电机、燃料电池等)对其进行在线补电；当电池单体最大电压差大于所设置的阈值时，均衡控制模块才开启，并进行单体等效电路模型的参数辨识、电池模组电流和电池单体SOC的估算，当阈值设置较小时，均衡操作更为频繁，从而保证较好的电池一致性，但以较大的计算负担为代价；该均衡系统可以应用到先串后并的电池包，从而实现对电池包内每一个电池单体的均衡；同时该均衡系统可以运用到先并后串的电池包，即将并联的电池模组视为本发明中所描述的“电池单体”即可完成对各个并联构型的电池模组的均衡；Thevenin等效模型被用于建立电池组模型，为了获得更高的电流估算精度，可采用二阶、三阶RC环路等效电路模型以模拟更加准确的电池电压响应，进一步估算得到更精确的电流值。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种动力电池模组均衡系统的控制方法，其特征在于：
均衡控制模块判断电池单体之间的最大电压差值是否大于所设置的电压阈值，若否，则均衡结束，否则根据当前各电池单体电压巡检数据和串联电池模组的容量，估算通过电池模组的电流值；
基于所述通过电池模组的电流值确定电池单体的SOC，电池单体SOC最大值SOCmax分别与其余电池单体作差，判定需进行均衡补电的电池单体，根据均衡补电时间对需要均衡补电的电池单体分别进行补电；
所述通过电池模组的电流值为
Figure FDA0003435290100000011
其中第i个电池单体k时刻电流的修正估计值
Figure FDA0003435290100000012
Figure FDA0003435290100000013
表示第i个电池单体k时刻电流的修正估计值，
Figure FDA0003435290100000014
表示第i个电池单体k时刻电流的先验估计值，Kt为卡尔曼增益，Ui,oc表示第i个电池单体的开路电压，Ri,0表示第i个电池单体的欧姆内阻，Ui,1,k表示第i个电池单体的Thevenin等效电路模型在k时刻的R1C1环路的电压，Ui,t,k表示第i个电池单体在k时刻的端电压；
所述均衡补电时间即为开关选择控制电路相应端口的闭合时间，
Figure FDA0003435290100000015
其中：Cn为电池模组的容量，Cc为所设定的补电倍率，ΔSOCj为所述SOCmax分别与其余电池单体的差值。
2.根据权利要求1所述的动力电池模组均衡系统的控制方法，其特征在于，当ΔSOCj＞2％，判定当前电池单体需进行均衡补电。
3.根据权利要求1所述的动力电池模组均衡系统的控制方法，其特征在于，所述电压巡检数据是在电池模组的温度处于15℃-40℃之间时，电压检测模块持续对各个电池单体进行电压巡检得到的。
4.根据权利要求1所述的动力电池模组均衡系统的控制方法，其特征在于，估算通过电池模组电流值的状态方程和量测方程为：
Figure FDA0003435290100000016
其中：Ii,k表示第i个电池单体k时刻电流，Ui,oc,k-1表示第i个电池单体在k-1时刻的开路电压，Ui,t,k-1表示第i个电池单体在k-1时刻的端电压，Ui,1,k-1表示第i个电池单体的Thevenin等效电路模型在k-1时刻的R1C1环路的电压，Q为过程噪声，ΔRi,0表示第i个电池单体与端电压最低电池单体的欧姆内阻R0差值，Ui,t,k表示第i个电池单体在k时刻的端电压，Umin,t,k-1表示端电压最低电池单体在k-1时刻的端电压，Ri,0表示第i个电池单体的欧姆内阻。
5.根据权利要求1所述的动力电池模组均衡系统的控制方法，其特征在于，所述电压阈值为0.01V。
6.根据权利要求1所述的动力电池模组均衡系统的控制方法，其特征在于，所述通过电池模组的电流值是在各电池单体电流值的最大差值小于所设置的电流阈值时确定的，所述电流阈值为1mA。
7.一种实现权利要求1-6任一项所述的动力电池模组均衡系统的控制方法的均衡系统，其特征在于，包括串联通信连接的电压检测模块、电池管理系统、均衡控制模块以及开关选择控制电路，所述开关选择控制电路与串联电池模组电连接，所述开关选择控制电路还通过均衡端口与均衡降压DC/DC电连接，均衡降压DC/DC与超级电容器电连接，电池管理系统还与温度传感器通信连接，温度传感器贴附于每一个电池单体上。
8.根据权利要求7所述的均衡系统，其特征在于，所述均衡降压DC/DC与均衡端口﹢连接的线路上设有限流器。
9.根据权利要求7所述的均衡系统，其特征在于，所述超级电容器替换为小型蓄电池或飞轮电池或充电机或燃料电池。
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