CN1610211A - 基于混沌控制的车载蓄电池管理方法 - Google Patents

Abstract

一种基于混沌控制的车载蓄电池管理方法，蓄电池没有附加保护电路，通过下述的充放电规则对蓄电池进行管理：(1)电池组的充电上限为SOC＝90～100％，除第一次充电到SOC＝110％，之后每次使用中充电≥90％即停止充电；(2)用总能量的30～60％作为动态充放电范围，保证蓄电池的荷电状态在30～60％之间循环；(3)充放电循环的周期须保持一种节律状态，即每次充电并经间歇一定时间后，再进行若干次间歇放电，充电电流的最大幅值＝第一次充电时温升+3℃～5℃的电流幅值，一般为3C～4C倍率电流值。解决电池组不依靠外界保护电路，而是利用电池内部的电化学反应动力学处于自适应调整，使电池容量自动回升的技术问题。

Description

基于混沌控制的车载蓄电池管理方法

技术领域：

本发明属于动力电池的应用，特别是关于车载供电系统对动力电池组的充放电控制。

背景技术：

近年来国产新型动力电池发展很快，譬如镍氢电池主要优点是比能量或比功率都大大超过镍镉电池，且无记忆效应。新型动力电池在与镍镉电池同等性能价格比条件下，由于制作工艺复杂，受自动化配套生产水平的局限，尚存在一些不足，以镍氢电池为例，存在有以下四种不足：

1、电池常温下自放电现象比较严重，如45Ah电池在标准充电至45.25Ah后，于常温下开路放置28天，其剩余电量只有36.45Ah，若将其作为备用电池，那末在28天之内就必须对电池作化成维护，这就不存在免维护意义了。

2、电池均一性较差，由45Ah组成的220V电池组充电到266.8V时，各单体电池之间就存在电压差。放置19小时再充电时，由于自放电不均等，各单体电池的电压差别更大。若要以单体电池为单位进行均衡，则需附加线路非常复杂的管理电路。通常加设的管理电路以模块为单位进行模块间电压的均衡，但实际效果并不理想。

3、电池的高温充电性能较差。当环境温度达到50℃时，充电效率骤降，45Ah电池以20A充电1小时后出现负增长(即电充不进去)，所以使用中除了限制电池的环境温度之外，还必须限制充电电流，避免大电流充电时温升骤增。

4、电池耐用强充性差。新型动力电池均为密封式结构，连续长时间的充电或放电使电池内极柱发热，不仅影响充放电效率并且以正反馈形式加剧，最终导至电池的损坏。

由于目前还不可能对每个单体电池进行保护，因此上述问题通常是考虑以电池模块为单位配备保护电路，用来限制充放电电流和温升，试图通过外界干预和控制外部条件来限定电池工作状态，其结果是收效甚微，不仅无法发挥新型动力电池内部结构和材料的创新带来的高储能特性优势，相反，电池在不同场合的应用要依靠各种保护电路，大大增加了不必要的成本，又使整体结构复杂化。例如想要用高性能电池替换德国高速磁浮列车上所用的镍镉电池，除了考虑与控制系统适配外，电池本身必须附加保护电路，显然在原装的结构里是无法接纳的。

造成上述问题的桎梏在于目前普通使用的电池管理方法，该传统的管理方法如下：

1、电池始终保持在满荷电状态，通常充电到SOC(STATE OFCHARGE荷电状态，又称残余电量)＝100％，然后用小电流浮充到SOC＝110％。由于各单体电池充电特性的不均一性，会导致部分电池过充并发热损坏。

2、随放随充，耗去多少及时补回多少。作备用电池时充电一般在车辆停止运行之后，自放电大的电池不能作为长时间的备用。

3、电池工作环境温度在10℃～50℃之间，低于10℃就加温超过50℃就停止使用，直至电池温度下降至可工作温度。这种方式不能使电池自动调节温度，对于必需工作在快速充电状态下的新型动力电池因为必须附加温度保护而限止了推广应用。

发明内容：

本发明提出了一种基于混沌控制的电池管理方法，目的在于解决电池组不依靠外界保护电路，而是利用电池内部的电化学反应动力学处于自适应调整，使电池容量自动回升的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于混沌控制的车载蓄电池管理方法，其特征在于：不必对蓄电池配置附加保护电路，而是通过下述的充放电规则对蓄电池进行管理：

(1)电池组的充电上限为SOC＝90～100％，除第一次充电到SOC＝110％，之后每次使用中充电≥90％即停止充电；

(2)用总能量的30～60％作为动态充放电范围，保证蓄电池的荷电状态在30～60％之间循环；

(3)充放电循环的周期须保持一种节律状态，即每次充电并经间歇一定时间后，再进行若干次间歇放电，充电电流的最大幅值＝第一次充电时温升+3℃～5℃的电流幅值，一般为3C～4C倍率电流值。

其特征在于：

(1)由具有CPU、ROM和RAM部件并通过485接口与充电机和功率开关板进行信息交互连接的智能处理器执行该管理方法；

(2)功率开关板根据CPU的判断程序执行充电机对电池组、电池组对负载以及充电机对负载之间的接通和断开，把充电电流I_in输入电池组或者使流出电池组的放电电流I_out接入负载。

其特征在于：该智能处理器按下式公式计算电池残余电量；

$\mathrm{SOC}=\mathrm{\γ}\left(T\right)q\left(T_0\right)+\mathrm{\α}(T,I_{\mathrm{in}},U){\∫}_0^t{I}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\mathrm{dt}-\mathrm{\β}(T,I_{\mathrm{out}},U){\∫}_0^t{I}_{\mathrm{out}}\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中：γ(T)是温度为T时的电池组自放电系数；

T是充放电结束时，实时记录的电池组温度；

q(T_o)是温度为25℃时电池组满荷电量时的安时数；

α(T)是温度为T时电池组充电效率，由经验确定；

β(T)是温度为T时电沁组放电效率，由经验确定；

I_in(t)是流入电池组的充电电流；

I_out(t)是流出电池组的放电电流；

本发明具有下述优点：

1、基于混沌控制的新型动力电池管理方法可以有效的避免动力电池整组充电的不均一性，因为它只在第一次充满到SOC＝110％，以后每次都只充电到SOC＝90％～100％，在电池组发生不均一性电压之前取一个一致的电压，作为最大充电电压基准。每次都达到这一基准时，各电池的电压是均衡的。

2、能够大大降低自放电的影响，当设定的能量经过若干次放电之后，自放电被连续的各次放电所分摊，能量用完后即进行充电回补，有效地避免了自放电。

3、电池工作在节律控制下的充放电状态，为电池本身体提供了自适应调节机会，温升能够自动限制在3℃～5℃，不超过5℃。

4、当工况需要快速强充时，节律式充放电控制规则能够避免连续发热引起的充电效率下降。电池充放电效率高且温升自动控制是提高使用寿命的基本必要条件。

5、本方法普遍适用于各种电池组成的储能装置，能够不附加电池保护电路，简化硬件和接口的配置，大大降低电池组的使用成本。

6、特别对轨道交通和磁浮列车，运行在非常有规律的定时启动-加速-恒速-减速-停站这样的重复状态下，应用本发明就能够轻易实现用电池取代辅助供电的供电轨。

附图说明：

图1是本发明的程序框图。

图2是本发明的基本硬件配置示意图。

具体实施方式：

请参阅图1和图2所示，本发明由具有CPU(计算机中央处理器)、ROM(只读存储器)和RAM(随机存取存储器)的智能处理器执行，该智能处理器通过485通信接口分别与充电机和功率开关模块连接。当该智能处理器启动系统程序后，CPU和RAM首次对电池组的SOC(残余电量)取值，若该SOC＜110％电池组额定电容量，则启动充电机和功率开关模块开通充电机通向蓄电池组的开关1，充电机由电压调节器升压至1.15-1.2倍电池端电压向蓄电池充电，直至浮充到SOC＝110％电池组额定电容量时停止充电，并记录该第一次充电时电池组的温升值。若该SOC≥100％额定电容量，则该智能处理器启动功率开关模块，使蓄电池组通向负载的开关2开通，而充电机通向蓄电池组的开关1被断开，蓄电池间歇性地向负载供电若干次，在此期间CPU和RAM不断计算和记录SOC的瞬时值，其计算公式为：

$\mathrm{SOC}=\mathrm{\γ}\left(T\right)q\left(T_0\right)+\mathrm{\α}(T,I_{\mathrm{in}},U){\∫}_0^t{I}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\mathrm{dt}-\mathrm{\β}(T,I_{\mathrm{out}},U){\∫}_0^t{I}_{\mathrm{out}}\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中：γ(T)是温度为T时的电池组自放电系数；

T是充放电结束时，实时记录的电池组温度；

q(T_o)是温度为25℃时电池组满荷电量时的安时数；

α(T)是温度为T时电池组充电效率；

β(T)是温度为T时电沁组放电效率；

I_in(t)是流入电池组的充电电流；

I_out(t)是流出电池组的放电电流；

电池组的温度T、充电电流I_in(t)、放电流I_out(t)分别由温度传感器、电流互感器、电压传感器经485通信接口传至智能处理器，由积分电路处理。γ(T)、α(T)、β(T)是根记录在ROM中的由电池生产厂提供的温度、电流、电压特性资料，经智能处理器检索确定的。

当CPU和RAM计算和记录到SOC小于设置值(例如用电池组额定容量的30％为动态充放电范围，则SOC的设置值为70％，如用60％为动态放电范围设置值为40％)，启动充电机和功率开关模块，开通充电机通向电池组的开关1，关闭电池组通向负载的开关2，充电机的电压经电压调节器升至电池端电压的1.15～1.25倍向电池充电，充电电流经电流调节器调节的最大幅值为第一次充电时电池组温升高3℃～5℃的电流幅值，通常该最大的充电流为3C～4C倍率的电流值，直至电池组的SOC≥90％时，关闭充电机，启动功率开关模块，切断充电机通向电池组的开关1，开通电池组通向负载的开关2。重复上述间歇放电过程，直至程序结束。

Claims (3)

1、一种基于混沌控制的车载蓄电池管理方法，其特征在于：不必对蓄电池配置附加保护电路，而是通过下述的充放电规则对蓄电池进行管理：

(1)电池组的充电上限为SOC＝90～100％，除第一次充电到SOC＝110％，之后每次使用中充电≥90％即停止充电；

(2)用总能量的30～60％作为动态充放电范围，保证蓄电池的荷电状态在30～60％之间循环；

(3)充放电循环的周期须保持一种节律状态，即每次充电并经间歇一定时间后，再进行若干次间歇放电，充电电流的最大幅值＝第一次充电时温升+3℃～5℃的电流幅值，一般为3C～4C倍率电流值。

2、根据权利1所述的车载蓄电池管理方法，其特征在于：

(1)由具有CPU、ROM和RAM部件并通过485接口与充电机和功率开关板进行信息交互连接的智能处理器执行该管理方法；

(2)功率开关板根据CPU的判断程序执行充电机对电池组、电池组对负载以及充电机对负载之间的接通和断开，把充电电流I_in输入电池组或者使流出电池组的放电电流I_out接入负载。

3、根据权利2所述的车载蓄电池管理方法，其特征在于：该智能处理器按下式公式计算电池残余电量；

$\mathrm{SOC}=\mathrm{\γ}\left(T\right)q\left(T_0\right)+\mathrm{\α}(T,I_{\mathrm{in}},U){\∫}_0^t{I}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\mathrm{dt}-\mathrm{\β}(T,I_{\mathrm{out}},U){\∫}_0^t{I}_{\mathrm{out}}\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中：γ(T)是温度为T时的电池组自放电系数；

      T是充放电结束时，实时记录的电池组温度；

q(T_o)是温度为25℃时电池组满荷电量时的安时数；

α(T，Iout，U)是温度为T时电池组充电效率，由经验确定；

β(T，Iout，U)是温度为T时电池组放电效率，由经验确定；

I_in(t)是流入电池组的充电电流；

I_out(t)是流出电池组的放电电流；

Images