一种锂电池组无层级主被动均衡电路及方法

摘要

本发明涉及一种锂电池组无层级主被动均衡电路及方法。包括均衡方向选择电路，开关阵列，含有三路容量差异化的LC谐振储能及能量转移支路，被动均衡电路采用电阻分流式结构以及包含由电压电流和温度组成的测控电路。无层级主被动均衡方法加入温度干扰因素，得出以电压、SOC和温度作为输入量的的动态式双阈值判据，以荷电状态(SOC)为分界标准，分别接入主、被动均衡电路，达到减少无效循环充放电次数的目的，从而提高均衡效率，延缓锂离子电池组循环使用寿命的降低速度。本发明可以减少无用循环充放电次数，缩短均衡时间，充电状态下均衡时间相较于单阈值电压均衡方法缩短了15％左右，放电状态下均衡时间缩短了19％左右。

说明书

技术领域

本发明属于电池均衡技术领域，具体涉及一种锂电池组无层级主被动均衡电路及方法。

背景技术

在新能源开发利用和储能技术需求量与日俱增的时代下，锂离子电池作为极具发展价值的环保型储能元件，被广泛应用于电动汽车、便捷式电子产品、军事、航空等各大领域。锂离子电池是一种可充电电池，具有能量密度高、自放电率小、工作电压高、寿命长等优点，在需要储能装置的工业环境下效果更加明显。为满足不同电压与功率的需求，锂离子电池常采用串并联的方式,进而暴露出不同工况下各单体电池不一致性的问题，若干次循环充放电后这一现象会加剧。不一致性产生的主要原因是电池内阻、容量和电压的参差不齐，尤其是在大数量电池组使用过程中。为提高能量利用率，减小不一致性对电池寿命和可用容量的影响，常搭配合适的电池管理系统对电池组进行控制。其中，单体电池间的均衡技术尤为重要。

锂电池组均衡的主要研究方向分为均衡系统控制策略和均衡拓扑结构设计两个方面。在均衡策略中，常采用电压或者荷电状态(SOC)作为判断电池是否需要均衡的依据，此外电池容量或者剩余容量以及开路电压等也可作为均衡判据。上述策略的缺点在于：

(1)电池电压相对容易获得，但受工作条件等因素影响较大，难以提供准确的参数用于均衡系统；

(2)SOC均衡控制策略受电池工作状态的影响较小，但其均衡性能与SOC估计的精度有关；

(3)电池容量或者剩余容量作为均衡判据，极易在每个单体电池充入或放出相同的电量时出现单体电池电压或者荷电状态的极端变化现象；

(4)依据开路电压建立均衡控制策略，各类型电池的充放电特性曲线不一致并且易受工况环境的影响，而且在测量电池开路电压的静置期间，极易产生因误差波动不稳定而导致的精度失准问题。

发明内容

为了满足均衡控制系统对精度和速度的要求，本发明提出了一种锂电池组无层级主被动均衡电路及方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种锂电池组无层级主被动均衡电路，其特征在于，包括

主动均衡方向选择电路：包括四个双向MOSFET开关管K

开关阵列：由N+1个双向MOSFET开关管Q

LC谐振储能及能量转移支路：由若干电容、开关管以及一个总控电感组成的含有三路容量差异化的LC谐振储能及能量转移电路；

被动均衡电路采用电阻分流式结构，将每个单体电池B

控制模块：采集并比较电池组中各个单体电池的荷电状态SOC和电压U的大小，根据控制策略得到动态式均衡阈值曲线，在每个采样时刻进行相应数据的调整对比。若达到均衡条件，将均衡脉冲信号加在开关管上，启动均衡过程；

执行模块包括主动均衡方向选择电路、开关阵列以及LC谐振储能及能量转移支路，主控制器发送指令控制上述执行模块电路中参与工作的开关管栅极，实现导通关断，恒流源的正负极接在整个电池组的正负两端，既提供初始元器件激活电能，又可给整个电池组充电，电感和电容执行储能命令。仿真过程中用一对反向串联的MOSFET来代替双向导通开关，关断缓冲电阻用以保护均衡电路不会发生短路。

在上述的锂电池组无层级主被动均衡电路，所述LC谐振储能及能量转移装置为电感线圈和电容器。

在上述的锂电池组无层级主被动均衡电路，电池选用Simulink自带的锂离子电池模型，电池组的充放电由可调节恒流源提供。

一种锂电池组无层级主被动均衡的方法，其特征在于，包括：动态式双阈值均衡判据的提取和主被动均衡电路参与工作区间，其中阈值判据提取的具体步骤如下：

S1:建立符合电池动态曲线特性规律的二阶RC电池模型，演算电池稳态特性和暂态特性，列出开路电压与端电压之间的数学表达式关系：V＝U

S2:根据电池模型和测得的电池电压电流值，得出电池系统状态方程：

S3:加入温度干扰因素，在恒温箱中测量并绘制出五个区间温度下的电池特性状态曲线，使用高阶拟合方法以及数据对比处理方法，得出对于锂离子电池OCV-SOC曲线的温度修正电势差ΔE(soc)，其表达式为：ΔE(soc)＝S+B

S4:对度量尺度不同的关键输入信息(端电压和SOC)做归一化处理，等间距采集测量范围内，对存在自变量与因变量线性关系的区间段使用逐差法进行数据归类，建立包含有端电压和SOC两个变量和阈值的关系式：U

S5:双阈值大小选择的流程，在确定OCV最小变化率和SOC最大变化率后，首次根据设定荷电状态和电压差值，估算所对应的SOC值和电压值的变化范围ΔSOC和ΔU，在下一个周期进行阈值大小确定时，将按照上一周期输出的阈值大小作为设定差值，准确快速地订正阈值数值；

S6:实时监测电池电流值和端电压值，防止单方面的电流电压过冲现象造成的判据失准问题，对此时的电流进行SOC估算，对端电压差值进行开路电压换算，两项结果作为校验双阈值取值正确合理性的依据；

S7:动态式的双阈值曲线在主控制器中产生，并控制达到阈值要求的对应单体电池的开关管导通，实现电池组内的均衡。

在上述的一种锂电池组无层级主被动均衡的方法，温度区间从零下15℃到45℃分成五档位，分别为：-15℃到0℃、0℃到5℃、5℃到25℃以及25℃到45℃，其他区间默认为异常状态并会产生温度预警。

在上述的一种锂电池组无层级主被动均衡的方法，电池数据采集模块负责采集各单体电池的端电压，电池组的总电流以及总温度,数据收录于电池主控制器当中；

在上述的一种锂电池组无层级主被动均衡的方法，以测得的单体电池端电压、温度以及计算所得的SOC值作为输入，通过主控制器预测计算出符合此环境状态下的动态阈值定量曲线。

在上述的一种锂电池组无层级主被动均衡的方法，主被动均衡电路参与工作区间具体是：锂离子电池组的整个充放电过程依据SOC分成0到0.15，0.15到0.85和0.85到1三个阶段，被动均衡参加SOC在0.15以下和0.85以上的充电阶段，主动均衡参加SOC0.15到0.85充电阶段以及全放电阶段。

本发明的有益效果是：针对无层级主被动混合均衡电路，设计了一种基于动态式双阈值的锂电池组均衡方法，减少了相同电池间反复充放电的次数，缩短了均衡时间；此外，均衡阈值包含电池的电压、SOC以及环境温度，多维度考虑均衡判据开启条件，提高精度的同时减少了电池电量表征的虚余容量。

附图说明

图1是本发明的实验基础电路，主被动混合均衡电路。

图2是建立的二阶RC等效电池模型在描述电池荷电状态全程中具有较高的精度，并且可得出契合度较高的电压值，通过将模型电压源受控于实验所设置的荷电状态，并确保电池的特性曲线适用于受控电压源。

图3是电池SOC估算流程。

图4中，GRA(SOC)表示单位SOC内OCV变化率的曲线图，针对ΔSOC阈值大小的选择。GRA(OCV)表示单位OCV内SOC变化率的曲线图，针对ΔU阈值大小的选择。两条曲线目的在于找到OCV最小变化率和SOC最大变化率。

图5是双阈值大小选择的流程。

图6选择三种确定阈值的方法：根据以往经验固定阈值、以电压或者SOC作为单阈值的动态调节阈值、电压和SOC耦合动态调节阈值。

图7动态式双阈值判据中的电压差阈值变化图。

图8动态式双阈值判据中的SOC差阈值变化图。

图9静置状态下的八节电池均衡。

图10a是充电状态下的八节电池均衡图(以动态式双阈值判据下的均衡图)。

图10b是充电状态下的八节电池均衡图(以电压为单阈值判据的均衡图)。

图11a是放电状态下的八节电池均衡图(以动态式双阈值判据下的均衡图)

图11b是放电状态下的八节电池均衡图(以荷电状态SOC为单阈值判据的均衡图)。

具体实施方式

下面将对本发明做进一步说明。

本发明提供一种锂电池组无层级主被动均衡电路，主动均衡电路是基于LC振荡电路原理，其电路中含有三个部分，一是四个双向MOSFET开关管组成的均衡方向选择电路，二是N+1个双向MOSFET开关管组成的开关阵列(N为电池组数目)，三是含有三路容量差异化的LC谐振储能及能量转移支路，被动均衡电路采用电阻分流式结构，将每个单体电池并联一个由电阻和开关串联组成的环节，电池组两侧分别与主被动均衡电路连接，通过开断开关阵列中对应单体电池的MOSFET管，达到电池组内均衡效果。

本发明还提供了一种锂电池组无层级主被动均衡的方法，包括：动态式双阈值均衡判据的提取和主被动均衡电路参与工作区间，其中阈值判据提取的具体步骤如下：

步骤一：建立符合电池动态曲线特性规律的电池模型，演算电池稳态特性和暂态特性，式(1)(2)(3)为端电压和开路电压的换算过程，U

V＝U

步骤二：根据电池的实际性能对模型参数进行辨识，方法可选用脉冲放电试验；这里需要辨识的参数有：R

步骤三：根据电池模型和测得的电池电压电流值，得出电池系统状态方程，由离散化公式(4)(5)、状态量方向梯度和矩阵，推导出电池SOC的估算公式。

τ

公式(4)中，j是序列控制数，T是控制周期，ρ

步骤四：加入温度干扰因素，在恒温箱中测量并绘制出五个区间温度下的电池特性状态曲线，使用高阶拟合方法以及数据对比处理方法，得出对于锂离子电池OCV-SOC曲线的温度修正电势差ΔE(soc)；此处的温度修正电势函数是单纯与荷电状态相关联，公式为：

ΔE(soc)＝S+B

公式(6)中，ΔE(soc)为温度修正电势差，S和B

步骤五：公式(7)是锂离子电池关于温度、端电压以及SOC的连接枢纽，电池温度电池模型中的端电压和SOC的计算问题解决以后，需要将这两个变量和阈值的确定联系起来，得出最终的动态式双阈值预测模型。

式(7)中各参数都随时间变化的动态参数，U

步骤六：对度量尺度不同的关键输入信息(端电压和SOC)做归一化处理，目的在于减轻这两种数据间因倍数相差太大而引起的模型精度问题。归一化处理方法如公式(8)所示。

公式(8)中，Var表示端电压或者SOC归一化后的数值，T

步骤七：等间距采集测量范围内，对存在自变量与因变量线性关系的区间段使用逐差法进行数据归类；

步骤八：双阈值大小选择的流程，在确定OCV最小变化率和SOC最大变化率后，首次根据设定荷电状态和电压差值，估算所对应的SOC值和电压值的变化范围ΔSOC和ΔU；在下一个周期进行阈值大小确定时，将按照上一周期输出的阈值大小作为设定差值，准确快速地订正阈值数值。

步骤九：实时监测电池电流值和端电压值，防止单方面的电流电压过冲现象造成的判据失准问题，对此时的电流进行SOC估算，对端电压差值进行开路电压换算，两项结果作为校验双阈值取值正确合理性的依据。

步骤十：动态式的双阈值曲线在主控制器中产生，并控制达到阈值要求的对应单体电池的开关管导通，实现电池组内的均衡。

锂离子电池组的整个充放电过程依据SOC分成0到0.15，0.15到0.85和0.85到1三个阶段，被动均衡参加SOC在0.15以下和0.85以上的充电阶段，主动均衡参加SOC0.15到0.85充电阶段以及全放电阶段。

具体案例

在Matlab/Simulink下构建主被动均衡混合电路仿真模型，主动均衡电路带有三路容量差异化的LC谐振部分，被动均衡电路采用耗散电阻分流方式。以八节标称电压为3.7V，充电截止电压为4.2V，放电截止电压为2.8V的锂离子电池组成电池组。电池组与均衡电路之间利用N+1个双向MOSFET开关管组成的开关阵列建立联系。仿真模型中还包括1个控制模块、1个过渡模块、3个执行模块、和1个恒流源。实验模型具体模块介绍：

(1)控制模块的作用是采集并比较电池组中各个单体电池的荷电状态SOC和电压U的大小，根据控制策略得到动态式均衡阈值曲线，在每个采样时刻进行相应数据的调整对比。若达到均衡条件，将均衡脉冲信号加在开关管上，启动均衡过程；

(2)执行模块包括开关管、恒流源、电感、电容。仿真过程中用一对反向串联的MOSFET来代替双向导通开关，关断缓冲电阻用以保护均衡电路不会发生短路。

(3)电池选用Simulink自带的锂离子电池模型，电池组的充放电由可调节恒流源提供。

(4)Matlab-Function模块中的程序是对8节单体电池的SOC值和U值进行统计运算，计算各单体电池SOC最大值和最小值的差值，以及各单体电池电压最大值以及最小值的差值。最终得出的数据有：最大电压差值、最大SOC差值、确定拥有最大差值两节电池的序号、阈值f(soc,u)与归一化SOC和U的拟合精度k

均衡实验从三个电池状态(静置、充电、放电)、两种度量单位(电压和SOC)以及两种判据类型(单阈值和动态双阈值)进行多角度的对比分析，情况如下：

(1)以电压为度量单位，时间为采样形式，动态式双阈值为判据，在电池组静置状态下，电池组中最大电压差为94mV，低电量电池1的电压明显增加，高电量电池7和电池8的电压下降趋势较缓，整个电池组在5940s左右达到均衡。由此可见，提出的控制策略可以达到预期的均衡效果，均衡结束后的各单体电池间的电压波动在5mV内。

(2)以电压为度量单位，时间为采样形式，动态式双阈值为判据，在电池组充电状态下，初始电池间的最大电压差值为125mV，在3880s附近达到理想的均衡效果，最终电压保持在4.19V左右，并且八节电池间的电压差不超过7mV。其中，在整个电池组的SOC达到90％以上时充电电压上升曲线出现了明显的缓和迹象。

(3)以电压为度量单位，时间为采样形式，电压单阈值为判据，在电池组充电状态下，在均衡结束后电池间的电压波动较大，最大电压差达到14mV,均衡时间也较长，动态式双阈值判据均衡的时间缩短了近15％。

(4)以SOC为度量单位，时间为采样形式，动态式双阈值为判据，在电池组放电状态下，单体电池的初始最大SOC差值为20.11％。在经过3200s后，电池组的SOC达到均衡效果，此时电感均衡电流为零，均衡结束，各单体电池的SOC差值在1.37％之内，均衡效果明显。

(5)以SOC为度量单位，时间为采样形式，SOC单阈值为判据，在电池组放电状态下，以SOC单阈值为判据的均衡电池组中电池间的最终SOC值波动较大，最大SOC差值达到1.85％，在4000s后达到均衡要求。反观动态式双阈值方法的均衡电池组除组内波动小外，均衡时间也缩短了19％左右。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。