CN101894208A - 串联动力蓄电池均衡电路开关器件的脉冲占空比计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于串联动力蓄电池均衡电路开关器件的脉冲占空比计算方法，根据锂离子电池充电态动态模型建立的端电压与电池荷电状态之间关系，解决了均衡电路开关器件脉冲占空比计算问题使各单体电池荷电状态趋于一致。本占空比计算方法为：根据锂离子电池开路电压与电池荷电状态SOC之间关系，拟合出相应的二次曲线；然后根据蓄电池充电态动态模型，得到充电过程中电池端电压与开路电压的关系式；结合均衡充电电路得到各电池在参数检测期间的SOC值S_pn，由S_pn计算均衡模块PWM占空比，并进入SOC均衡阶段，使各单体电池荷电状态趋于一致。本发明计算方法步骤清晰，模型简单，计算效率高，具有较大的理论创新和应用价值。

Description

串联动力蓄电池均衡电路开关器件的脉冲占空比计算方法

技术领域

本发明涉及串联动力蓄电池充电均衡控制技术领域，尤其涉及均衡电路中开关器件脉冲占空比的计算方法，实现各单体电池荷电状态在充电过程中的均衡。

背景技术

串联锂离子动力蓄电池开关器件的脉冲占空比的计算，一般是以SOC与开路电压的关系为前提，在电池组充电过程中的均衡控制阶段进行计算。开路电压的测量主要采用电池开路电压法。若只利用此方式来估测电池SOC，会有所误差。为了缩短等待的时间，利用回归曲线方式，以较短的时间获得修正开路电压值，进而决定电池的容量。然而，开路电压法是测量电池在无负载状态下的电压，主要用于估计电池的初始电容量，并无法在电池充放电过程中提供准确的电池状态。电池剩余容量受输出输入电流大小及温度的影响，开路电压法无法修正这些因素，故此方法必须搭配其它方法使用，无法单独存在。同时，在电池组充电过程中的均衡控制中，参数检测阶段主要测量充电电源电流及各单体电池端电压值。检测端电压时，为得到准确的端电压值，停止各均衡模块工作，且在参数检测延时T_P的末期进行测量最佳，因为此时电池内部电化学反应趋于平稳，端电压稳定。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种串联动力蓄电池均衡电路开关器件的脉冲占空比计算方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于串联动力蓄电池均衡电路开关器件的脉冲占空比计算方法，该方法根据锂离子电池开路电压与SOC的关系，拟合出SOC与开路电压的二次多项式的关系表达式。然后根据电池充电态动态模型，推出充电过程中电池端电压与开路电压关系，再由各电池在参数检测期间的SOC值S_pn计算均衡模块PWM占空比，达到各单体电池荷电状态在充电过程中趋于一致的目的。

本发明的有益效果是：

1.根据蓄电池充电态动态模型建立的端电压与电池荷电状态之间关系，解决了均衡电路开关器件脉冲占空比计算问题

2.有效调节均衡电路开关器件PWM脉冲占空比，使各单体电池荷电状态趋于一致。

附图说明

图1是开路电压与SOC关系示意图；

图2是充电态动态模型；

图3是均衡控制流程图。

具体实施方式

本发明提供的一种串联动力蓄电池均衡电路开关器件的脉冲占空比计算方法，是在上述背景下，在电池组充电过程中的均衡控制阶段，将测得的端电压值代入式(6)得到各电池在参数检测期间的SOC值S_pn，然后通过S_pn计算得到均衡模块PWM的占空比。

下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

本发明的核心是：根据蓄电池充电态动态模型与端电压与电池荷电状态之间的关系，计算出均衡电路开关器件PWM脉冲占空比，实现电池在充电过程中SOC趋于一致。本发明目的配合本人另一发明——动力蓄电池能量非耗散型均衡充电电路，制定出相应的均衡控制策略。本发明用于串联动力蓄电池均衡电路开关器件的脉冲占空比计算方法包括以下步骤：

1、开关关断时，开关管上的电流立即降为零，则I_avn按计算公式(1)进行：

$I_{\mathrm{avn}}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{D_{n}T}\frac{V_B}{L}\mathrm{tdt}=\frac{V_B{D}_n^{2}T}{2L}---\left(1\right)$

其中I_avn为一个周期内流入均衡模块的平均电流，D_n为开关占空比，T为开关周期，V_B为电池端电压。同理，一周期内电感释放的平均电流I_Ldn的计算按公式(2)进行：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{Ldn}}=\frac{V_B{D}_n^{2}T}{2L(2N-n)},1\≤n\≤N\\ I_{\mathrm{Ldn}}=\frac{V_B{D}_n^{2}T}{2L(n-1)},N+1\≤n\≤2N\end{array}\right.---\left(2\right)$

2、在均衡电路工作期间，流入蓄电池的电流除了充电电源的充电电流外，还有各工作均衡模块的回送电流，平均电流I_bn的计算按公式(3)进行：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{bn}}=I_c+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ldi}}+\underset{i=N+1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ldi}},1\≤n\≤N\\ I_{\mathrm{bn}}=I_c+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ldi}}+\underset{i=n+1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ldi}},N+1\≤n\≤N\end{array}\right.---\left(3\right)$

3、根据锂离子电池开路电压与SOC的关系，如图1所示，SOC在20％-100％期间，与开路电压的关系可由二次多项式有效拟合：

S＝-3.712V²+31.149V-64.363(4)

考虑到电池充电动态过程中，受电池充电等效内阻及终端电阻的影响，测得的电池端电压与开路电压会有差异，于是采用电池充电态动态模型(见图2)，得到充电过程中电池端电压与开路电压关系：

V₀＝V_b-I_CR    (5)

其中R＝R_C+R_b，为电池充电态总内阻。结合式(4)与(5)得到：

S＝-3.712(V_b-I_CR)²+31.149(V_b-I_CR)-64.363(6)

4、在SOC均衡期间，为保持各电池容量平衡，使各单体电池的SOC达到总电池平均SOC的均衡目标值S_t：

$S_t=\frac{I_C{T}_S}{Q_t}+\frac{1}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{pn}}---\left(7\right)$

实际上，在SOC均衡阶段，由于受各工作均衡电路的影响，流入某一单体电池的电荷量各有差异，其实际电池容量为：

Q_Sn＝Q_pn+(I_bn-I_sn)T_S(8)

其中Q_pn为参数检测阶段的电池容量，两边同除以电池额定容量Q_t得相应的实际SOC：

$S_{\mathrm{Sn}}=S_{\mathrm{pn}}+\frac{(I_{\mathrm{bn}}-I_{\mathrm{sn}})T_S}{Q_t}---\left(9\right)$

其中S_pn为参数检测期间的SOC值，故在SOC均衡阶段，各工作均衡模块应使各单体电池实际SOC达到目标的平衡荷电状态S_t，即：

S_t＝S_Sn    (10)

将(1)、(2)、(3)式代入式(10)，可得均衡电路开关管PWM占空比：

$D_n=\left\{\begin{array}{cc}[\frac{2L{Q}_t(S_{\mathrm{pn}}-\frac{1}{2N}\underset{i=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{pi}})}{V_B{\mathrm{TT}}_S}+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{D_i^2}{2N-i}+\underset{i=N+1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{D_i^2}{i-1}{]}^{\frac{1}{2}},& 1\≤n\≤N\\ [\frac{2L{Q}_t(S_{\mathrm{pn}}-\frac{1}{2N}\underset{i=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{pi}})}{V_B{\mathrm{TT}}_S}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{D_i^2}{2N-i}+\underset{i=n+1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{D_i^2}{i-1}{]}^{\frac{1}{2}},& N+1\≤n\≤2N\end{array}\right.$

根据上述公式迭代，得到各均衡电路的有效占空比，实现电池在充电过程中SOC趋于一致。

Claims (2)

1.一种用于串联动力蓄电池均衡电路开关器件的脉冲占空比计算方法，其特征是：根据锂离子电池开路电压与SOC的关系，拟合出SOC与开路电压的二次多项式的关系表达式。然后根据电池充电态动态模型，推出充电过程中电池端电压与开路电压关系，再由各电池在参数检测期间的SOC值S_pn计算均衡模块PWM占空比，达到各单体电池荷电状态在充电过程中趋于一致的目的。

2.根据权利要求1所述用于串联动力蓄电池均衡电路开关器件的脉冲占空比计算方法，其特征是：该方法具体包括以下步骤：

(1)开关关断时，开关管上的电流立即降为零，则I_avn通过下式得到：

$I_{\mathrm{avn}}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{D_{n}T}\frac{V_B}{L}\mathrm{tdt}=\frac{V_B{D}_n^{2}T}{2L};$

其中，I_avn为一个周期内流入均衡模块的平均电流，D_n为开关占空比，T为开关周期，V_B为电池端电压。同理，一周期内电感释放的平均电流I_Ldn按下式得到：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{Ldn}}=\frac{V_B{D}_n^{2}T}{2L(2N-n)},1\≤n\≤N\\ I_{\mathrm{Ldn}}=\frac{V_B{D}_n^{2}T}{2L(n-1)},N+1\≤n\≤2N\end{array}\right..$

(2)在均衡电路工作期间，流入蓄电池的电流除了充电电源的充电电流外，还有各工作均衡模块的回送电流，平均电流I_bn的计算按下式进行：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{bn}}=I_c+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ldi}}+\underset{i=N+1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ldi}},1\≤n\≤N\\ I_{\mathrm{bn}}=I_c+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ldi}}+\underset{i=n+1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ldi}},N+1\≤n\≤N\end{array}\right..$

(3)根据锂离子电池开路电压与SOC的关系，SOC在20％-100％期间，与开路电压的关系可由以下二次多项式有效拟合：

S＝-3.712V²+31.149V-64.363。

考虑到电池充电动态过程中，受电池充电等效内阻及终端电阻的影响，测得的电池端电压与开路电压会有差异，于是采用电池充电态动态模型，得到充电过程中电池端电压与开路电压关系：

V₀＝V_b-I_CR。

其中R＝R_C+R_b，为电池充电态总内阻。从而：

S＝-3.712(V_b-I_CR)²+31.149(V_b-I_CR)-64.363。

(4)在SOC均衡期间，为保持各电池容量平衡，使各单体电池的SOC达到总电池平均SOC的均衡目标值S_t：

$S_t=\frac{I_C{T}_S}{Q_t}+\frac{1}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{pn}};$

实际上，在SOC均衡阶段，由于受各工作均衡电路的影响，流入某一单体电池的电荷量各有差异，其实际电池容量为：

Q_Sn＝Q_pn+(I_bn-I_sn)T_S；

其中Q_pn为参数检测阶段的电池容量，两边同除以电池额定容量Q_t得相应的实际SOC：

$S_{\mathrm{Sn}}=S_{\mathrm{pn}}+\frac{(I_{\mathrm{bn}}-I_{\mathrm{sn}})T_S}{Q_t};$

其中S_pn为参数检测期间的SOC值，故在SOC均衡阶段，各工作均衡模块应使各单体电池实际SOC达到目标的平衡荷电状态S_t，即：

S_t＝S_Sn

将(1)、(2)、(3)式代入式(10)，可得均衡电路开关管PWM占空比：

$D_n=\left\{\begin{array}{cc}[\frac{2L{Q}_t(S_{\mathrm{pn}}-\frac{1}{2N}\underset{i=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{pi}})}{V_B{\mathrm{TT}}_S}+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{D_i^2}{2N-i}+\underset{i=N+1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{D_i^2}{i-1}{]}^{\frac{1}{2}},& 1\≤n\≤N\\ [\frac{2L{Q}_t(S_{\mathrm{pn}}-\frac{1}{2N}\underset{i=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{pi}})}{V_B{\mathrm{TT}}_S}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{D_i^2}{2N-i}+\underset{i=n+1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{D_i^2}{i-1}{]}^{\frac{1}{2}},& N+1\≤n\≤2N\end{array}\right..$

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