CN103887853A - 一种锂离子电池组均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池组均衡控制方法。通过电池组单体电池的内部参数和SOC值的精确估计，作为电池组均衡控制算法的参考量；通过均衡控制方案解决电池组过充过放可能带来的安全问题，提高电池组的寿命和性能。本发明可对锂动力电池组的工作状态、性能进行均衡控制，建立基于SOC估计值的主动均衡控制方法，采用电子技术和计算机控制技术设计智能锂动力电池组均衡控制方法。发明成果的实施对于促进锂动力电池的推广、提高锂动力电池组的能量储存能力、利用率和循环寿命有着重要的现实意义，同时克服锂动力电池组均衡控制***的缺点，推动基于锂动力电池的新能源电动车技术的应用和推广。

Description

一种锂离子电池组均衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，更具体说，它涉及一种锂离子电池组均衡控制方法。 

背景技术

新能源产业是国民经济战略性、先导性产业，对拉动经济增长、调整产业结构、推动工业转型升级、突破能源瓶颈约束具有十分重要的作用。二十世纪九十年代以来，锂离子电池作为新能源产业的发展方向之一，受到越来越多国内外研究者的重视，并取得了重大的研究进展，我国已在“十五”及“十一五”期间把研制开发动力储能锂离子电池列入重大科技攻关项目，经费强度近10亿元。目前国内外致力于研究锂离子电池作为辅助动力源，争取在航天、军工、可再生能源***储能等大型应用环境取得更大突破。 

锂离子电池具有以下优良的性能特点：电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小，但是由于锂离子电池组呈模块化，所以在实际应用中会牵涉到安全性能和电池循环寿命等新的问题，这些问题如果得不到及时解决，它将制约着锂动力电池组在新能源汽车中的应用。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构合理，控制精度高，充放电效果好的锂离子电池组均衡控制方法。 

这种锂离子电池组均衡控制方法： 

步骤1，数据处理与单体SOC计算值；结合Ah法计算剩余容量的方法，定义锂离子电池单体SOC计算表达式如下： 

$\mathrm{SOC}\left(t\right)=\mathrm{SOC}\left(t_0\right)+\stackrel{`}{O_{t_0}^t}\frac{\mathrm{hI}\left(t\right)}{Q_0}\mathrm{dt}---\left(1\right)$

式中，SOC(t)为实时单体电池SOC值，SOC(t₀)为初始SOC值，h为充放电系数，I(t)为电池充放电电流； 

步骤1-1，结合锂离子电池二阶电路等效模型，建立数学模型方程为： 

${\stackrel{\·}{V}}_f=-\frac{1}{R_f{C}_f}{V}_f+\frac{1}{C_f}{I}_B---\left(2\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_S=-\frac{1}{R_S{C}_S}{V}_S+\frac{1}{C_S}{I}_B---\left(3\right)$

式中，R_f、C_f和R_s、C_s分别表示极化参数和浓差参数，V_f和V_s表示极化电压和浓差电压； 

步骤1-2，通过锂离子电池测试仪得到准确的内阻参数值，由表达式(2)和(3)得出极化内阻和浓差内阻上的动态电压计算值； 

步骤1-3，通过电池参数测试模块得到的电池电压、电流和温度值，由表达式(3)得到单体电池SOC动态计算表达式： 

$V_{\mathrm{SOC}}^{\·}=-\frac{1}{R_{\mathrm{sd}}{C}_b}{V}_{\mathrm{SOC}}+\frac{1}{C_b}{I}_B---\left(4\right)$

式中，V_SOC为电池等效电路总电压，其表示电池SOC值的函数关系； 

步骤1-4，由表达式(4)，结合步骤1-2测量的单体电池电压/电流参数值，计算实时单体电池SOC值； 

步骤2，利用步骤1得到的单体电池实时SOC值进行单体电池充放电均衡； 

步骤2-1，根据步骤1得到的SOC值进行单体电池排序，设置SOC最低门限值为0.4进行判断； 

步骤2-2，检测SOC值大于0.4的单体电池数量n，若n≤6，实行均衡控制初始化程序； 

步骤2-3，根据步骤2-2初始化后，计算每个单体电池间SOC值差值；单体电池SOC值小于1(SOC≤1)，且差值大于0.2(ΔSOC≥0.2)，开启均衡控制电路的相应继电器；以放电均衡为例，设单体电池SOC值分别为SOC(Bi),i＝1,2,...,6； 

(1)计算相邻单体电池SOC差值： 

ΔSOC(1,2)＝SOC(B1)-SOC(B2) 

ΔSOC(2,3)＝SOC(B2)-SOC(B3) 

...... 

(2)利用抗差滤波器对计算得到的差值ΔSOC(k,k+1)进行判断，消除伪误差值；设量测差值为ΔSOC(i)，i＝1,2,...5差值的权系数为{P_i}，则根据最小二乘法得到门限计算公式： 

ΣP_iΔSOC²(i)＝min 

(3)引入抗差计算方法中的M估计准则，门限计算公式为： 

Σρ(ΔSOC(i))＝min 

令

权因子计算公式为： 

(4)重新计算单体电池SOC值差值权系数，可得

当满足最小二乘估计门限公式如下，可判断误差值为有效误差： 

$\mathrm{\Σ}\stackrel{\‾}{P}\mathrm{\Δ}{\mathrm{SOC}}^2\left(i\right)=\min$

(5)剔除伪误差值，若ΔSOC(i)≥0.2的差值数大于2个，即需要均衡放电的单体电池多于3个，则对ΔSOC(·)进行从大到小的排序，差值较大的2个单体电池首先进行均衡策略控制； 

(6)对需要进行均衡策略控制的2个单体电池进行再次SOC值大小判断，若SOC(Bi)较大，开启相应继电器开关； 

(7)实时监测其它单体电池SOC值和相对应的ΔSOC(·)，循环进行判断直到SOC≤0.4，进行单体电池放电或充电补充，完成均衡充放电的目的； 

步骤2-4，判断循环次数i是否超过电池串联最大值，若是等待，若不是，继续计算单体电池SOC值和SOC差值，进行下一个均衡控制开关的控制步骤。 

本发明的有益效果是：通过电池组单体电池的内部参数和SOC值的精确估计，作为电池组均衡控制算法的参考量；通过均衡控制方案解决电池组过充过放可能带来的安全问题，提高电池组的寿命和性能。本发明可对锂动力电池组的工作状态、性能进行均衡控制，建立基于SOC估计值的主动均衡控制方法，采用电子技术和计算机控制技术设计智能锂动力电池组均衡控制方法。发明成果的实施对于促进锂动力电池的推广、提高锂动力电池组的能量储存能力、利用率和循环寿命有着重要的现实意义，同时克服锂动力电池组均衡控制***的缺点，推动基于锂动力电池的新能源电动车技术的应用和推广。 

附图说明

图1为SOC估计算法流程图； 

图2为基于SOC的均衡模块电路原理图； 

图3为主控制程序流程图； 

图4为OCV-SOC充放电拟合曲线； 

图5为单体电池(10个)放电实验6个时间点的电压对比图； 

图6为单体电池(6个)均衡充电控制效果图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。虽然本发明将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本发明限制在所述实施例中。相反，本发明将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本发明的范围内的替换物、改进型和等同物。 

电池组均衡控制方案： 

步骤1，数据处理与单体SOC计算值。本发明结合Ah法计算剩余容量的方法，定义锂离子电池单体SOC计算表达式如下： 

$\mathrm{SOC}\left(t\right)=\mathrm{SOC}\left(t_0\right)+\stackrel{`}{O_{t_0}^t}\frac{\mathrm{hI}\left(t\right)}{Q_0}\mathrm{dt}---\left(1\right)$

式中，SOC(t)为实时单体电池SOC值，SOC(t₀)为初始SOC值，h为充放电系数，I(t)为电池充放电电流。 

步骤1-1，本发明结合锂离子电池二阶电路等效模型，建立数学模型方程为： 

${\stackrel{\·}{V}}_f=-\frac{1}{R_f{C}_f}{V}_f+\frac{1}{C_f}{I}_B---\left(2\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_S=-\frac{1}{R_S{C}_S}{V}_S+\frac{1}{C_S}{I}_B---\left(3\right)$

式中，R_f、C_f和R_s、C_s分别表示极化参数和浓差参数，V_f和V_s表示极化电压和浓差电压。 

步骤1-2，利用锂离子电池测试仪得到准确的内阻参数值，由表达式(2)和(3)得出极化内阻和浓差内阻上的动态电压计算值； 

步骤1-3，利用本发明设计的电池外部参数测试模块如图3，得到的电池电压、电流和温度值，由表达式(3)得到单体电池SOC动态计算表达式： 

$V_{\mathrm{SOC}}^{\·}=-\frac{1}{R_{\mathrm{sd}}{C}_b}{V}_{\mathrm{SOC}}+\frac{1}{C_b}{I}_B---\left(4\right)$

式中，V_SOC为电池等效电路总电压，其表示电池SOC值的函数关系。 

步骤1-4，由表达式(4)，结合步骤1-2测量的单体电池电压/电流参数值，计算实时单体电池SOC值。 

步骤2，利用步骤1得到的单体电池实时SOC值进行单体电池充放电均衡，实现总流程图如图1所示，均衡电路硬件电路图如图2所示。 

步骤2-1，图1显示，根据步骤1得到的SOC值进行单体电池排序，设置SOC最低门限值为0.4进行判断。 

步骤2-2，检测SOC值大于0.4的单体电池数量n，若n≤6，实行均衡控制初始化程序。 

步骤2-3，根据步骤2-2初始化后，计算每个单体电池间SOC值差值。单体电池SOC值小于1(SOC≤1)，且差值大于0.2(ΔSOC≥0.2)，开启均衡控制电路的相应继电器，如图2所示开关S1-S6。以放电均衡为例，假设单体电池SOC值分别为SOC(Bi),i＝1,2,...,6。 

(1)计算相邻单体电池SOC差值： 

ΔSOC(1,2)＝SOC(B1)-SOC(B2) 

ΔSOC(2,3)＝SOC(B2)-SOC(B3) 

...... 

(2)利用抗差滤波器对计算得到的差值ΔSOC(k,k+1)进行判断，消除伪误差值。假设量测差值为ΔSOC(i)，i＝1,2,...5差值的权系数为{P_i}，则根据最小二乘法得到门限计算公式： 

ΣP_iΔSOC²(i)＝min 

(3)引入抗差计算方法中的M估计准则，门限计算公式为： 

Σρ(ΔSOC(i))＝min 

令

权因子计算公式为： 

(4)重新计算单体电池SOC值差值权系数，可得当满足最小二乘估计门限公式如下，可判断误差值为有效误差： 

$\mathrm{\Σ}\stackrel{\‾}{P}\mathrm{\Δ}{\mathrm{SOC}}^2\left(i\right)=\min$

(5)剔除伪误差值，若ΔSOC(i)≥0.2的差值数大于2个，即需要均衡放电的单体电池多于3个，则对ΔSOC(·)进行从大到小的排序，差值较大的2个单体电池首先进行均衡策略控制； 

(6)对需要进行均衡策略控制的2个单体电池进行再次SOC值大小判断，若SOC(Bi)较大，开启继电器开关Si(i＝1,2,…,6)，同时开启K0，并根据外界电压和容量需求相继开启K1-K3； 

(7)实时监测其它单体电池SOC值和相对应的ΔSOC(·)，循环进行判断直到SOC≤0.4，进行单体电池放电或充电补充，完成均衡充放电的目的。 

步骤2-4，根据图2和步骤2-3，基于滤波器计算的单体SOC值为均衡控制过程的基础，策略主要控制三个继电器开关，单体电池连接开关S1-S6，放电电阻连接开关K0，输出总电压控制开关K1-K4。 

步骤2-5，判断循环次数i是否超过电池串联最大值，若是等待，若不是，继续计算单体电池SOC值和SOC差值，进行下一个均衡控制开关的控制步骤。 

如图1所示为SOC估计算法流程图： 

(1)均衡控制硬件电路和控制方案主要根据单体电池SOC值进行设计，并且控制相关继电器的启动与停止，工作流程如下： 

(2)电池组开始工作，等待单体电池充放电指示标志，即根据单体电池电流大小判断是否正常工作； 

(3)若无指示标志，继续等待，若电池正常充放电工作，利用电池三个参数进行单体电池SOC值估计，并根据每个电池的SOC值进行排序； 

(4)初始化循环次数i＝0，用于判断均衡控制开关的开启关闭次数； 

(5)判断循环次数i是否超过电池串联最大值，若是等待，若不是，继续计算单体电池间的SOC值； 

(6)单体电池SOC值大于1，且差值大于0.2，开启均衡控制电路的相应继电器，进行放电或充电补充，完成均衡充放电的目的。 

如图2所示为均衡控制决策模块和充放电控制保护硬件电路图： 

该模块电路包括继电器开关Si、DC/DC电压逆变器、均衡放电网络和断电保护电路。根据单体锂离子电池的实际特性，本发明设计了成本低廉、便于产业化实现的复合均衡控制硬 件电路。 

(1)组成：均衡电路主要由继电器开关组成的继电器网络、放电电阻网络、均衡DC/DC电源电压转换器构成。 

(2)工作原理：根据上级均衡控制决策模块得到的控制信号，控制10个单体锂离子电池是否充放电硬件电路中。 

(3)创新点：以实时单体电池SOC值为基础，以基于电池单体SOC值放电策略、均衡电阻放电控制策略、输出电压控制策略三个控制模块为前提，达到10个单体锂离子电池均衡充放电的目的，提高电池组总功率，延长电池寿命。电阻R作为均衡放电电阻，开关ki控制输入到DC/DC逆变器的总电压，最后提供给负载作为总电源。 

如图3所示为主控制程序模块方案，主控制模块方案实现功能如下： 

(1)初始化采集器、均衡电路和主控芯片，采集电池电流、电压和温度数据； 

(2)根据采集的电池单体电压/电流状态信息，判断电池当前状态，若电池电流不等于0，可判断电池工作在充放电状态，进行基于Ah估计方法的SOC数值计算； 

(3)充放电工作状态下，继续判断电流，若大于0，则电池工作在放电状态，若小于0，则电池工作中充电状态； 

(4)根据采集的电池单体信息、回路电流大小和实时估算的电池SOC值，在电池组充电或者放电状态下，确定是否开启均衡控制算法，从而实现电池的充电、放电实现有效控制和管理，保证电池的安全高效的使用； 

(5)利用SPI通信模块和CAN通信模块进行上位机通信。 

实际电池组均衡控制方法测试： 

步骤1，建立锂离子电池外部参数计算模型，充放电实验设置电流值I_B＝1500mA(放电倍率为1C)。 

步骤1-1，根据动态端电压测试数据、电池充放电容量数值，利用实验数据进行基于最小二乘的MATLAB曲线拟合得到二阶方程拟合，图4为充电曲线对比图和放电曲线对比图。仿真参数计算如下，其中参数a表示放电OCV-SOC参数拟合结果，参数b表示充电OCV-SOC参数拟合结果，可求得拟合方程如式(5)和(6)所示。 

a＝36.1425-198.4752 263.2273 

b＝1.0e+003*0.9296-5.5797 8.3471 

放电：V_OC(SOC)＝36.1425-198.472SOC+263.2273SOC²  (5) 

充电：V_OC(SOC)＝929.6-5579.7SOC+8347.1SOC²  (6) 

SOC＝[0-1]，OCV为mV单位。 

步骤1-2，根据多次充放电实验，选取其中三次数据并利用锂离子电池测试仪，得到等效电路模型的欧姆电阻R₀，极化参数R_f、C_f和浓差参数R_s、C_s值如下： 

(1)第一次放电周期参数值： 

R₀＝(3.3779-3.3333)V/0.75A＝0.0446V/0.75A＝0.0595Ω 

R_f＝91.23mW，R_s＝84.17mW 

(2)第二次放电周期参数值： 

R₀＝(3.3537-3.3097)/0.75A＝0.044V/0.75A＝0.0587Ω 

R_f＝74.81mW，R_s＝78.52mW 

(3)第三次放电周期参数值： 

R₀＝(3.3469-3.3026)/0.75A＝0.0443V/0.75A＝0.0590Ω 

R_f＝63.85mW，R_s＝70.23mW 

(4)充放电周期参数平均值： 

时间常数t_f＝[78.50s，85.23s,83.16s]t_s＝[585.8s,641.3s,627.6s] 

浓差极化内阻： 

电流/浓差极化电阻乘积R_fC_f＝[68.42536，56.1043，47.8860] 

电流/电化学极化电阻乘积R_sC_s＝[63.1276，58.8902，52.6750] 

电阻参数R₀＝59.1mΩ，R_f＝76.63mW，R_s＝77.64mW 

步骤2，单体电池SOC动态估计值，充放电实验设置电流值I_B＝3000mA(放电倍率为1C)。步骤2-1，根据等效电路原理和表达式(2)和(3)，推出单体电池端电压表达式为： 

V_B＝V_OC(SOC)-R₀I_B-V_f-V_S

步骤2-2，根据电池测试仪测得的实时电池电压、电流和温度值，结合步骤1计算内部参数值、表达式(5)和(6)，得到SOC估计值如表1： 

表12C放电试验欧姆内阻/电压/SOC关系数据 

步骤3，基于SOC值的均衡控制 

利用步骤2-2得到的单体电池实时SOC值对电池进行排序，设置SOC最低门限值为0.4进行判断，实施本发明提出的均衡控制方案。 

图5表示电池组均衡充放电单体电池6个时间点的电压值。实验设置放电10min，静置5min，充电10min，以此为一个充放电循环。取10个电池样本，在t₀、t₁、t₂、t₃、t₄、t₅6个时间点进行电池端电压的测量，得到以下结论： 

(1)放电开始前，单体电池初始电压V(t₀)存在差异，电池#2端电压最大(3.43V)，电池#7电压最小(3.35V)，差值最大值为80mV； 

(2)放电起始点电压V(t₁+)，电池#2端电压最大(3.198V)，电池#2端电压最小(2.988V)，差值最大值为200mV； 

(3)放电中期电压V(t₂)和放电末期电压V(t₃-)，单体电池端电压差值最大值分别为100mV和80mV，可见随着均衡控制器的工作，电池放电端电压趋于相同； 

(4)放电末期电压V(t₄)和静置时期电压V(t₅)，最大差值只有5mV-10mV左右，表示本发明设计的均衡电路单体电池的均衡精度可以达到5mV-20mV。 

图6表示6个单体电池均衡充电控制过程中，电压关系曲线。横坐标为时间(0-500s)，纵坐标为单体电池端电压值。图中曲线和数据可知，充电初期6个单体电池电压值存在明显差异；随着充电时间的延长，均衡控制***根据单体电池的实时SOC值进行充电均衡控制，达到单 体电池端电压差值减小的目的；在充电350s时左右，6个单体电池端电压差值最小；充电结束时间段，电池端电压瞬间上升，出现电压差异，3个电池收敛于4.0V左右，3个电池收敛于3.8V左右。说明均衡电路硬件设计与均衡算法对于锂离子电池正常工作状态下的充放电具有较好的控制效果。 

得出的技术指标： 

(1)电子负载 

功率范围：10KW              电流范围：50A,100A,200A,400A,1000A电压范围：100V,200V,400V 

(2)电池组容量及SOC估算精度 

容量范围：1.5Ah～15Ah       SOC估计精度：5％ 

(3)单体电池电压保护 

单体电池欠压保护值：2.75V 单体电池过压保护值：3.9V或4.25V 

(4)单体电池过流保护值 

3A(可恢复) 

(5)单体电池参数测量精度 

电压控制精度：0.5％FS      电流控制精度：0.5％FS 

(6)电池组均衡控制 

电池均衡精度：5mV-20mV     单体电池均衡电流：1.5A(MAX15A) 

(7)电池组温度控制 

电池组温度保护值：65℃     额定工作环境温度：－20℃～50℃ 

额定工作环境相对湿度：<80％ 。

Claims (1)

1.一种锂离子电池组均衡控制方法，其特征在于： 

步骤1，数据处理与单体SOC计算值；结合Ah法计算剩余容量的方法，定义锂离子电池单体SOC计算表达式如下： 

式中，SOC(t)为实时单体电池SOC值，SOC(t₀)为初始SOC值，h为充放电系数，I(t)为电池充放电电流； 

步骤1-1，结合锂离子电池二阶电路等效模型，建立数学模型方程为： 

式中，R_f、C_f和R_s、C_s分别表示极化参数和浓差参数，V_f和V_s表示极化电压和浓差电压； 

步骤1-2，通过锂离子电池测试仪得到准确的内阻参数值，由表达式(2)和(3)得出极化内阻和浓差内阻上的动态电压计算值； 

步骤1-3，通过电池参数测试模块得到的电池电压、电流和温度值，由表达式(3)得到单体电池SOC动态计算表达式： 

式中，V_SOC为电池等效电路总电压，其表示电池SOC值的函数关系； 

步骤1-4，由表达式(4)，结合步骤1-2测量的单体电池电压/电流参数值，计算实时单体电池SOC值； 

步骤2，利用步骤1得到的单体电池实时SOC值进行单体电池充放电均衡； 

步骤2-1，根据步骤1得到的SOC值进行单体电池排序，设置SOC最低门限值为0.4进行判断； 

步骤2-2，检测SOC值大于0.4的单体电池数量n，若n≤6，实行均衡控制初始化程序； 

步骤2-3，根据步骤2-2初始化后，计算每个单体电池间SOC值差值；单体电池SOC值小于1(SOC≤1)，且差值大于0.2(ΔSOC≥0.2)，开启均衡控制电路的相应继电器；以放电均衡为例，设单体电池SOC值分别为SOC(Bi),i＝1,2,...,6； 

(1)计算相邻单体电池SOC差值： 

ΔSOC(1,2)＝SOC(B1)-SOC(B2) 

ΔSOC(2,3)＝SOC(B2)-SOC(B3) 

...... 

(2)利用抗差滤波器对计算得到的差值ΔSOC(k,k+1)进行判断，消除伪误差值；设量测差值为ΔSOC(i)，i＝1,2,...5差值的权系数为{P_i}，则根据最小二乘法得到门限计算公式：ΣP_iΔSOC²(i)＝min 

(3)引入抗差计算方法中的M估计准则，门限计算公式为：Σρ(ΔSOC(i))＝min 

令

权因子计算公式为： 

(4)重新计算单体电池SOC值差值权系数，可得当满足最小二乘估计门限公式如下，可判断误差值为有效误差： 

(5)剔除伪误差值，若ΔSOC(i)≥0.2的差值数大于2个，即需要均衡放电的单体电池多于3个，则对ΔSOC(·)进行从大到小的排序，差值较大的2个单体电池首先进行均衡策略控制；(6)对需要进行均衡策略控制的2个单体电池进行再次SOC值大小判断，若SOC(Bi)较大，开启相应继电器开关； 

(7)实时监测其它单体电池SOC值和相对应的ΔSOC(·)，循环进行判断直到SOC≤0.4，进行单体电池放电或充电补充，完成均衡充放电的目的； 

步骤2-4，判断循环次数i是否超过电池串联最大值，若是等待，若不是，继续计算单体电池SOC值和SOC差值，进行下一个均衡控制开关的控制步骤。 

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