CN104821632A - 一种电池***充电电压均衡控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池***充电电压均衡控制方法及***，属于电池充放电技术领域。该方法包括以下步骤：步骤一：电池***中各个电池组开关断开；步骤二：检测每一个电池组的功率数据信号；步骤三：对电池组功率进行平均一致性协议算法计算，得到平均功率；步骤四：通过计算平均功率和实际功率的误差值，得到能够调节功率平衡的控制信号；步骤五：根据控制信号，通过控制均衡模块电路实现电池组的充放电，从而达到功率平衡，实现充电电压均衡控制。本发明摆脱了固定的配置，重构了多单元电池***，利用通信网络层的信息交互和能量总线层的能量相互交互，应用分布式协调控制理论，实现了电池组电压平衡***的智能化、简单化。

Description

一种电池***充电电压均衡控制方法及***

技术领域

本发明属于电池充放电技术领域，涉及一种电池***充电电压均衡控制方法及***。

背景技术

可充电电池在各个领域的应用越来越广泛，如电动汽车和混合动力车等，在电池供电的***中，延长电池使用寿命是非常重要的，其中与电池寿命息息相关的是电压的平衡问题。

一般的可充电式蓄电池单节电池的电压低，在一些需要高压供电的***上必须使用同类电池多节串联的方式实现高压供电。一般的电池组通常是由数个或数十个单元电池串联而成，若是单个电池的容量或内阻所致的充放电状态与其它单元电池的不匹配，则该单元电池经过多次的充放电周期后，其充电和放电状态将越来越偏离其它单元电池，使得电压不平衡而最终导致该单元电池损坏，进而整个电池组损坏。

电压平衡的方法分为两种：第一种是最常用被动的平衡方式，该方法的电路结构简单，均衡过程一般在充电过程中完成，但该方法不能对容量相对低的单体电池补充电量，存在能量浪费的缺点并产生发热管理的问题。第二种是主动均衡方法，是指串联电池组在充放电时，电压较高的电池的电能不会被电阻消耗掉，其能量通过载体传递给电压较低的电池，实现了埋电池组的均衡充放电。

目前已有许多相关充放电电池的方案申请了专利，比如：申请号为CN201410132367，发明名称为智能电池组；申请号为CN201210125656，发明名称为具有自动平衡能力的智能电池模块及电池组；申请号为CN98120388，发明名称为电子设备中智能电池的充电和放电方法；申请号为CN201220375806，发明名称为一种主动均衡充放电的智能电池模组及***；申请号为CN200810181330，发明名称为一种电池***的电压平衡装置及电压平衡方法；申请号为CN201210018789，发明名称为电池电压平衡电路及具电池电压平衡功能的电池模块，等等。

这些专利有的提出了主动式的电压平衡方法，然而大部分采用的是增加各种物理模块装置，如比较电路、延迟电路、绕组变压器、变流器等等，虽然对于电压的平衡有一定的效果，但一般都是对电池组进行依次排列式的检测、传输、控制，这样的调节控制过程不免需要一些时间的延迟，此外增加的各种模块装置也会使电路的结构较为复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电池***充电电压均衡控制方法及***，该方法通过控制电池***的功率一致使得电池组的电压在充放电过程中达到一致平衡。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电池***充电电压均衡控制方法，包括以下步骤：步骤一：电池***中各个电池组开关断开；步骤二：检测每一个电池组的功率数据信号；步骤三：对电池组功率进行平均一致性协议算法计算，得到平均功率；步骤四：通过计算平均功率和实际功率的误差值，得到能够调节功率平衡的控制信号；步骤五：根据控制信号，通过控制均衡模块电路实现电池组的充放电，从而达到功率平衡，实现充电电压均衡控制。

进一步，在步骤三中，通过平均一致性协议算法得到各电池组的平均电功率P_i ^*，具体包括：

假设电池组为一个节点，用P_i表示每个电池组的功率，P_i(0)为初始功率；离散化后，当***在k时刻达到一致时，即i节点和j节点的功率一致：

$\underset{t\→\mathrm{\∞}}{\lim }\left(P_j\right(k)-P_i\left(k\right))=0,\∀i\≠j$

***的动态结构模型如下：

P_i(k+1)＝P_i(k)+εu_i(k)

其中，u_i(k)为功率一致性控制协议。

运用标准化的一致性算法：

$u_i(k+1)=\underset{j\∈N_i}{\Σ}{a}_{ij}\left(P_j\right(k)-P_i\left(k\right))---\left(1\right)$

其中a_ij为邻接矩阵A的元素；假设各个电池组之间的信息拓扑为强连通平衡图，则通过上述的一致性算法计算，各个电池组的功率P_i最终达到了初始功率平均值的一致，即经过一致性算法计算得到平均电功率P_i ^*，其中

进一步，在步骤五中，通过控制均衡模块电路实现电池组的充放电，从而达到功率平衡，实现充电电压均衡控制；具体包括：

采用PI控制器，其中的控制作用可表示如下：

${\mathrm{\Δ}}_i\left(k\right)=\frac{K_P\left(P_i^{*}\right(k)-P_i\left(k\right))}{100}+\frac{\ΣK_I\left(P_i^{*}\right(k)-P_i\left(k\right))T}{100}+{\mathrm{\Δ}}_i\left(0\right)$

其中，Δ_i为各个均衡模块的占空比，Δ_i(0)为初始值，K_P为控制器的比例系数，K_I为控制器的积分系数，T为所设置的均衡周期。

本发明还提供了一种电池***充电电压均衡控制***，该***包括物理层和网络层；物理层包括电压检测电路、信号处理电路、通讯模块、均衡电路；网络层包括控制器和通信模块；

电压检测电路对智能电池组模块进行检测，得到每个相应储能单元组的电压值，由各个组的电压值可以得到相应的功率值，每个组的功率值经过信号处理电路进行处理，转换为数字信号；数字信号通过通讯模块传输给网络层，作为其输入信号；网络层的控制器对数字信号进行算法计算处理之后，使得功率值达到平均一致，并产生相应控制信号，最终所得到的相应控制信号经过处理再由通讯模块传输给物理层，作为电路信号控制智能电池组中的均衡电路的开关，从而使得智能电池充放电的电压平衡。

进一步，所述通讯模块采用无线通讯模块。

本发明的有益效果在于：本发明所述的方法和***摆脱了固定的配置，重构了多单元电池***，该方法利用通信网络层的信息交互和能量总线层的能量相互交互，应用分布式协调控制理论，实现了电池组电压平衡***的智能化、简单化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述***的整体设计框图；

图2为均衡电路示意图；

图3为***反馈控制框图；

图4为本发明所述方法的整体流程图；

图5为本发明所述***的硬件设计框图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明为了减小电压波动对电池各项性能指标的不利影响，考虑到电池的荷电状态，通过结合网络控制和分布式协调控制的相关知识，化繁为简，运用一致性算法协议实现了***内部能量均衡从而解决了输出电压不平衡的问题，同时通过总线传输的形式实现了电能充放电的合理利用，避免浪费的同时解决了由于电压不平衡而导致的电池寿命缩短现象。

在本实施例中，一个可充放电的电池***由储能单元、电池开关电路和电池组均衡电路组成。其中储能单元由n个储能电池组串联组成，每个储能电池组单元由m个电池d_ij(i＝1,2,...,n；j＝1,2,...,m)并联而成。每个储能单元i(i＝1,2,...,n)都对应的有一个切换开关S_i，即有n个总的电池开关(若第i个储能电池组处于正常运作状态时，那么其切换开关S_i将处于断开状态；相反的，若m个电池均不处于充放电状态时，开关S_i处于闭合即短路)。其中均衡模块电路，用于管理单个电池组的充放电，实现了电池组间的电能能量的传输，避免电能的浪费，实现能量的均衡，此外均衡模块电路独立于电池***供电电路(即实现电池***的内部能量均衡)。

将每个电池组及其均衡模块看成一个节点，根据不同的需求来设计一个连通的稀疏网络通信拓扑。通过该网络通信***，各个电池组之间可以交互相互的电压和功率信息。采用分布式协调控制策略解决各个电池组的电压/功率平衡问题。数据传递信息的过程可以采用电阻式(电容式)接触通讯模型、无线电频率传输、光纤传输等，在本实施例中，多智能体间的通讯采用无线通讯的模式，这样增加了***的灵活性和快捷性。

上述内容的理论基础如下：

图型结构是一种复杂的非线性数据结构。图型结构(简称图)的二元组定义为:G＝(V,ε)，其中V是非空的顶点集合，ε是V上二元关系的集合,其中V＝[v₁,…,v_n]，边(v_j,v_i)∈ε代表的是节点i能获得节点j的信息。若结点i不能获得任意节点的信息，但有节点j可以接受到它的信息，则将其称为源结点。当且仅当结点i能获得结点j的信息，则称结点j是结点i的邻居。在一个图中，如果从顶点U到顶点V有路径，则称U和V是连通的。连通且不含圈的无向图称为树，若T是包含图G的全部顶点的子图，它又是树，则称T是G的生成树。图G＝(V,ε)有生成树的充要条件是图G是连通的。

A＝[a_ij]为邻接矩阵，a_ij是描述边(i,j)的权重，当(v_j,v_i)∈ε，i≠j时，a_ij＞0，否则，a_ij＝0。节点i的入度和出度分别定义为和若入度与出度相等，则成该图为平衡图，A称为平衡矩阵。此外L＝D-A为拉普拉斯矩阵，是描述***拓扑结构的矩阵，其中为入度矩阵。此外，拉普拉斯矩阵的第二大特征值λ₂是决定动态***图中响应速度的关键指标。

图1为本发明所述***的整体设计框图，如图所示，该***分为物理层和网络层两部分。由图可知物理层由n个储能组相串联和相应的开关电路组成，每个储能组i(i＝1,2,...,n)又由m个电池并联而成。此外，网络层所设计的拓扑图为多种拓扑类型中的一种，各个节点(视为一个智能体)之间通过双向无线通讯数据传输。物理层中的储能组，向网络层中相应的智能体发送相应储能组的电功率信息，然后，经过多智能体的一致性算法得到了平均电功率P_i ^*，然后通过计算平均功率和实际功率的误差值，得到能够调节功率平衡的控制信号，通过控制均衡模块电路实现电池组的充放电，最后网络层中的智能体向相应的储能组单元发送该控制信号，用以控制开关电路的闭合。

图2为均衡电路示意图，由图2可知均衡电路由三大部分组成：变压器，滤波电容和开关管。当某一个电池组中的电池能量较高时，由智能网络层中的控制器发出的控制信号来控制开关Q，则相应的另一个Q1则类似于二极管，此时电池组处于放电状态，能量转移到Bus总线上，通过Bus总线传输给此时电池组能量较低的电池组。对于能量低的电池组，由智能网络层中的控制器发出的控制信号来控制开关Q1，则相应的另一个Q则类似于二极管，此电池组此时处于充电状态。通过能量总线实现了电池组间的能量传递，继而实现了电池***的无损耗充放电。此外均衡模块电路独立于电池***供电电路(即实现电池***的内部能量均衡)。

图4为本发明所述方法的整体流程图，如图所示，本发明所述的电池***充电电压均衡控制方法，包括以下步骤：步骤一：电池***中各个电池组开关断开；步骤二：检测每一个电池组的功率数据信号；步骤三：对电池组功率进行平均一致性协议算法计算，得到平均功率；步骤四：通过计算平均功率和实际功率的误差值，得到能够调节功率平衡的控制信号；步骤五：根据控制信号，通过控制均衡模块电路实现电池组的充放电，从而达到功率平衡，实现充电电压均衡控制。

其中，在步骤三中，通过平均一致性协议算法得到各电池组的平均电功率P_i ^*，具体包括：

假设电池组为一个节点，用P_i表示每个电池组的功率，P_i(0)为初始功率；离散化后，当***在k时刻达到一致时，即i节点和j节点的功率一致：

$\underset{t\→\mathrm{\∞}}{\lim }\left(P_j\right(k)-P_i\left(k\right))=0,\∀i\≠j$

***的动态结构模型如下：

P_i(k+1)＝P_i(k)+εu_i(k)

其中，u_i(k)为功率一致性控制协议。

运用标准化的一致性算法：

$u_i(k+1)=\underset{j\∈N_i}{\Σ}{a}_{ij}\left(P_j\right(k)-P_i\left(k\right))$

其中a_ij为邻接矩阵A的元素；假设各个电池组之间的信息拓扑为强连通平衡图，则通过上述的一致性算法计算，各个电池组的功率P_i最终达到了初始功率平均值的一致，即经过一致性算法计算得到平均电功率P_i ^*，其中

在步骤五中，通过控制均衡模块电路实现电池组的充放电，从而达到功率平衡，实现充电电压均衡控制；具体包括：

采用PI控制器，其中的控制作用可表示如下：

${\mathrm{\Δ}}_i\left(k\right)=\frac{K_P\left(P_i^{*}\right(k)-P_i\left(k\right))}{100}+\frac{\ΣK_I\left(P_i^{*}\right(k)-P_i\left(k\right))T}{100}+{\mathrm{\Δ}}_i\left(0\right)$

其中，Δ_i为各个均衡模块的占空比，Δ_i(0)为初始值，K_P为控制器的比例系数，K_I为控制器的积分系数，T为所设置的均衡周期。

图3为***反馈控制框图，通过一致性算法得到的平均一致功率值为***的输入，然后计算平均功率和实际功率的误差值，通过PI控制算法得到能够调节功率平衡的控制信号，通过控制模块电路实现电池组的充放电控制。

图5为本发明所述***的硬件设计框图，智能电池组模块通过电压检测电路，检测得到每个相应储能单元组的电压值，则由各个组的电压值可以得到相应的功率值，每个组的功率值经过信号处理转换为数字信号，通过无线通讯的传输给网络层，作为其输入信号，经过控制器的算法计算处理之后，使得功率值达到平均一致，最终所得到的相应控制信号经过处理再由无线通讯传输给物理层，作为电路信号控制智能电池组中的均衡电路的开关，从而使得智能电池充放电的电压平衡。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种电池***充电电压均衡控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：电池***中各个电池组开关断开；

步骤二：检测每一个电池组的功率数据信号；

步骤三：对电池组功率进行平均一致性协议算法计算，得到平均功率；

步骤四：通过计算平均功率和实际功率的误差值，得到能够调节功率平衡的控制信号；

步骤五：根据控制信号，通过控制均衡模块电路实现电池组的充放电，从而达到功率平衡，实现充电电压均衡控制。

2.根据权利要求1所述的一种电池***充电电压均衡控制方法，其特征在于：在步骤三中，通过平均一致性协议算法得到各电池组的平均电功率P_i ^*，具体包括：

假设电池组为一个节点，用P_i表示每个电池组的功率，P_i(0)为初始功率；离散化后，当***在k时刻达到一致时，即i节点和j节点的功率一致：

$\underset{t\→\∞}{\lim }(P_j\left(k\right)-P_i\left(k\right))=0,\∀i\≠j$

***的动态结构模型如下：

P_i(k+1)＝P_i(k)+εu_i(k)

其中，u_i(k)为功率一致性控制协议；

运用标准化的一致性算法：

$u_i(k+1)=\underset{j\∈N_i}{\mathrm{\Σ}}{a}_{\mathrm{ij}}(P_j\left(k\right)-P_i\left(k\right))$

其中a_ij为邻接矩阵A的元素；假设各个电池组之间的信息拓扑为强连通平衡图，则通过上述的一致性算法计算，各个电池组的功率P_i最终达到了初始功率平均值的一致，即经过一致性算法计算得到平均电功率P_i ^*，其中

3.根据权利要求2所述的一种电池***充电电压均衡控制方法，其特征在于：在步骤五中，通过控制均衡模块电路实现电池组的充放电，从而达到功率平衡，实现充电电压均衡控制；具体包括：

采用PI控制器，其中的控制作用可表示如下：

${\mathrm{\Δ}}_i\left(k\right)=\frac{K_P({P_i}^{*}\left(k\right)-P_i\left(k\right))}{100}+\frac{\mathrm{\Σ}{K}_I({P_i}^{*}\left(k\right)-P_i\left(k\right))T}{100}+{\mathrm{\Δ}}_i\left(0\right)$

其中，Δ_i为各个均衡模块的占空比，Δ_i(0)为初始值，K_P为控制器的比例系数，K_I为控制器的积分系数，T为所设置的均衡周期。

4.一种电池***充电电压均衡控制***，其特征在于：包括物理层和网络层；物理层包括电压检测电路、信号处理电路、通讯模块、均衡电路；网络层包括控制器和通信模块；

电压检测电路对智能电池组模块进行检测，得到每个相应储能单元组的电压值，由各个组的电压值可以得到相应的功率值，每个组的功率值经过信号处理电路进行处理，转换为数字信号；数字信号通过通讯模块传输给网络层，作为其输入信号；网络层的控制器对数字信号进行算法计算处理之后，使得功率值达到平均一致，并产生相应控制信号，最终所得到的相应控制信号经过处理再由通讯模块传输给物理层，作为电路信号控制智能电池组中的均衡电路的开关，从而使得智能电池充放电的电压平衡。

5.根据权利要求4所述的一种电池***充电电压均衡控制***，其特征在于：所述通讯模块采用无线通讯模块。