CN105186590A - 锂电池主动均衡控制装置 - Google Patents

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刘胜永
于跃
赵振森
李源
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Abstract

本发明公开了锂电池主动均衡控制装置，涉及锂电池技术领域；包括DC/DC电源模块和主控单元，所述DC/DC电源模块与所述主控单元连接；其特征在于：所述主控单元分别与锂电池主动均衡模块，电压检测模块，电流检测模块和显示模块连接。本发明可以解决现有的锂电池均衡方案存在的不易于模块化、器件较多并且对SOC估算不精确的问题。

Description

锂电池主动均衡控制装置
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域；尤其是一种基于SOC的锂电池均衡的锂电池主动均衡控制装置。
背景技术
随着锂电池技术的发展和节能环保的受到各方面越来越多的重视，锂电池的应用领域越来越广阔，如便携式电子产品、电动汽车以及太阳能发电***等新能源领域。锂离子电池是至今能量比最高的蓄电池，其比重量达130小时瓦每公斤，单体电池放电电压3.6伏，均比镉镍电池高三倍。除此之外，锂离子电池有热效应小，无记忆效应，充电效率比镉镍和氢镍电池高。但是，由于其放电电压不高，在很多应用场合需要多组电池串联使用，以达到足够的输出电压和输出功率。由于电池组中各个单体电池之间存在不一致，经过连续的充放电循环后，各个单体电池的荷电状态会出现严重的不平衡，表现为单体电池之间的电压发散越来越大，这将会对电池造成永久性的损坏。
目前，锂电池均衡电路从均衡过程中电路对能量的消耗情况来看，可分为能量耗散型和能量非耗散型。能量耗散型的缺点是效率低，且无法控制分流的电流。对于能量非耗散型的均衡方案，国内采用较多的是开关电容法和DC-DC变换器法。开关电容法的缺点是可靠性不强，只能实现电压均衡，无法做到荷电状态均衡，且均衡时间长。而DC-DC变换器方案有多种拓扑，当前应用较多的方案可分为集中式变压器法和分布式均衡法。集中式变压器法是通过一个多输出的变压器将能量传递到电压最低的电池中。这种结构的均衡法的缺点是不易于模块化。分布式的结构是在每个电池单体两端并联一个均衡电路，属于放电式均衡，即能量过高的电池向整个电池组或者其余某些电池放电，其特点是易于模块化，不足之处在于器件较多。
电池的荷电状态(英文：StateofCharge,简称SOC)作为电动汽车运行时的重要参数，其准确估算可以为电池管理***和剩余里程预测提供必要的数据支持，进而有效防止电池过充、过放，延长电池寿命，降低电动汽车的运行成本。但是SOC不是可以直接测量的物理量，电池本身是封闭的电化学反应，电动汽车运行时伴随着电流的剧烈变化呈现很强的非线性导致SOC估算困难。国内外学者对锂电池的SOC估算进行了大量研究提出了多种SOC估算的科学方法。其中放电试验法能够得到较为精确的SOC估算值，但要中断电池正在进行的工作，不能应用于实车；电流积分法虽能够实时估算电池的SOC但其不能自动确定初值，且误差随时间进一步增大，会由于误差的积累导致估算不精确；开路电压法只能在电池电流为零时准确估算，需要电池静置足够长的时间，因而不能实时估算；神经网络法需要大量的训练数据及合适的训练算法,且易受干扰，不适用于电流变化剧烈的工况。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂电池主动均衡控制装置，它可以解决现有的锂电池均衡方案存在的不易于模块化、器件较多并且对SOC估算不精确的问题。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：这种锂电池主动均衡控制装置，包括DC/DC电源模块和主控单元，所述DC/DC电源模块与所述主控单元连接；所述主控单元分别与锂电池主动均衡模块，电压检测模块，电流检测模块和显示模块连接。
上述技术方案中，更为具体的方案还可以是：所述锂电池主动均衡模块包括稳压处理电路和隔离DC/DC电路；所述稳压处理电路的输入端接收从串联锂电池组输送过来的电压信号，其第一输出端与所述隔离DC/DC电路的输入端连接，其第二输出端与反相器的第二输入端连接；所述隔离DC/DC电路的输出端与高速光耦隔离电路的第二输入端连接，所述高速光耦隔离电路的输出端与所述反相器的第一输入端连接，所述反相器的输出端与开关电路的输入端连接，所述开关电路的输出端与储能电感电路的输入端连接，所述储能感电路的输出端与所述串联锂电池组连接；高速光耦隔离电路的第一输入端接收主控单元的控制信号。
更进一步：所述主控单元为TMS320F28335数字信号处理器；所述稳压处理电路为12伏稳压处理电路；所述隔离DC/DC电路为12伏转5伏隔离DC/DC电路。
进一步：所述反相器为74HC04反相器。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：由于本发明中设置有锂电池主动均衡模块，在锂电池主动均衡模块中设有升降压储能电路，它做为能量传输的载体，可以将能量由荷电状态高的电池转移至电感，再从电感转移到荷电状态低的电池，以实现能量的流动。
本发明采用无迹卡尔曼滤波(UncentedKalmanFilter,UKF)应用到锂电池SOC估算中，使估算达到更高的精度。
附图说明
图1是本发明的方框示意图。
图2是锂电池主动均衡模块的方框示意图。
图3是Thevenin模型图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述：
图1和图2所示的锂电池主动均衡控制装置，包括DC/DC电源模块1和主控单元2，DC/DC电源模块1与主控单元2连接；主控单元2分别与锂电池主动均衡模块3，电压检测模块5，电流检测模块6和显示模块4连接。
其中，锂电池的电压和电流的检测由主控单元2控制电压检测模块5和电流检测模块6进行；无迹卡尔曼滤波(UncentedKalmanFilter,简称UKF)算法的运算由主控单元2完成；主动均衡的控制由主控单元2控制锂电池主动均衡模块3完成；电池组平均荷电状态（荷电状态，简称SOC）和电池组单体电池压差最大值通过显示模块4显示。
锂电池主动均衡模块3包括稳压处理电路3-1和隔离DC/DC电路3-2；稳压处理电路3-1的输入端接收从串联锂电池组输送过来的电压信号，其第一输出端与隔离DC/DC电路3-2的输入端连接，其第二输出端与反相器3-4的第二输入端连接；隔离DC/DC电路3-2的输出端与高速光耦隔离电路3-3的第二输入端连接，高速光耦隔离电路3-3的输出端与反相器3-4的第一输入端连接，反相器3-4的输出端与开关电路3-5的输入端连接，开关电路3-5的输出端与储能电感电路3-6的输入端连接，储能电感电路3-6的输出端与串联锂电池组连接；高速光耦隔离电路3-3的第一输入端接收主控单元2的控制信号。
本实施例中，主控单元2为TMS320F28335数字信号处理器；稳压处理电路3-1为12伏稳压处理电路；隔离DC/DC电路3-2为12伏转5伏隔离DC/DC电路；反相器3-4为74HC04反相器。
12V稳压处理电路3-1是将串联锂电池组的端电压进行稳压，以给74HC04反相器3-4提供电源；12V转5V隔离DC/DC电路3-2是利用12V稳压处理电路3-1输出的电压进行转换，提供隔离的输出电压，以给高速光耦隔离电路3-3提供电源，并为开关电路3-5里面的MOSFET的S端提供基准电位；高速光耦隔离电路3-3将主控单元2输出的PWM的占空比进行隔离输出，为MOSFET提供驱动电压，同时起到隔离保护主控单元2的作用；74HC04反相器3-4的作用是：由于高速光耦隔离电路3-3的输出和主控单元2的PWM占空比的输出是反向的，经过74HC04反相器4可以得到正向的输出，使得主控单元2的PWM占空比和MOSFET的开启是同步的；开关电路3-5是由MOSFET和二极管构成，通过控制MOSFET的开关即可控制电流的流动方向和大小，其中二极管是起到反向截止的作用，避免能量逆流；储能感电路3-6的作用是：储能感电路3-6做为能量传输的载体，将能量由荷电状态高的电池转移至电感，再从电感转移到荷电状态低的电池，以实现能量的流动，储能电感串联了瞬态双向抑制二极管，以避免瞬间脉冲对电路造成的冲击。
本发明适用于串联锂电池组的均衡控制，将本发明接入串联锂电池组，即可对串联锂电池组中各节电池的电压、电流进行采集，并实时估算出各节电池的SOC，以SOC为判断依据，进行能量转移式主动均衡，当串联锂电池组中某节电池单体SOC与串联锂电池组平均SOC的差值达到2%时启动均衡***，将串联锂电池组中SOC高的电池的能量转移到SOC低的电池，直至串联锂电池组中各节电池的SOC差值均在2%以内，串联锂电池组平均SOC和串联锂电池组单体电池电压差最大值通过显示模块4显示。
电池模型的准确性是电池SOC估算的前提。Thevenin模型是最有代表性的等效电路模型，它考虑了电池内部化学反应中的极化现象，能较好的体现电池动静态特性；同时考虑了内阻受温度、电流和充放电状态的影响，能够较精确的模拟电池充放电行为，而且结构较简单，更适用于动力电池的建模与仿真。模型如图3所示。
在图3中Uoc中为开路电压；是电池的欧姆内阻；和分别是极化内阻和极化电容，U是电池的端电压。
将SOC和上的电压作为***的状态变量，以电池工作电流为***输入，电池工作电压为***输出，建立离散状态空间模型。
该模型的状态方程为：
(1)
式中，T为采样周期，为采样点k处的SOC值，为采样点处的上的电压估算值，为时间常数，为电池额定容量，为放电效率，为高斯白噪声。
输出观测方程为：
(2)
式中，开路电压Uoc与SOC存在一一对应关系，用表示该关系，该关系可以通过实验获得，为高斯白噪声，r0为电池的欧姆内阻。
实验选用单体磷酸铁锂电池，通过HPPC试验，对锂电池进行短时恒流脉冲放电，记录电池端电压的恢复过程，根据此曲线来确定与，并通过记录时间来确定电路的时间常数，最终确定电容的数值。利用非线性最小二乘可得到Thevenin电路模型的参数值如表1所示。
表1RC参数表
R 0 R 1 C1
0.032 0.004 580.1316
UKF以无迹变换(UnscentedTransform,UT)为基础，通过UT的方式实现对状态分布的逼近，这种方法避免了对非线性函数进行解析求导，同时考虑了概率传播问题，对均值和方差的逼近精确度提高到至少二阶，提高了SOC估算的精度。结合电池模型(1)(2),将UKF应用于SOC估算流程如下：
(1)***初始化
滤波初值：(3)
其中，为SOC初值和极化电压初值构成的矩阵，为状态协方差初值。
(2)产生sigma点
(4)
(5)
(6)
(7)
其中，是一个较小的正数，通常取=1；n为***状态变量个数，针对单体电池，，是一比例系数，为对应的sigma点的状态变量。
(3)确定加权系数
(8)
，(9)
(10)
其中，是二阶比例系数，通常取=1；用来合并先验信息，对于高斯白噪声***，取=2，是对应的sigma点的加权系数。
(4)时间更新(UT)
(11)
(12)
(13)
其中是矩阵平方根的第i列，为权重，为过程噪声方差，为无迹变换得到的状态更新值，为无迹变换得到的状态协方差更新值。
(5)测量更新
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
其中为测量得到的***输出，，为状态协方差，为***输出矩阵，为测量噪声方差，为测量更新后的状态协方差。
UKF通过产生Sigma点，对Sigma点进行UT，采用非线性的状态方程和观测方程，避免线性误差，提高估算精度，而且避免计算矩阵的偏导数，减少了计算量。

Claims (5)

1.一种锂电池主动均衡控制装置，包括DC/DC电源模块和主控单元，所述DC/DC电源模块与所述主控单元连接；其特征在于：所述主控单元分别与锂电池主动均衡模块，电压检测模块，电流检测模块和显示模块连接。
2.根据权利要求1所述的锂电池主动均衡控制装置，其特征在于：所述锂电池主动均衡模块包括稳压处理电路和隔离DC/DC电路；所述稳压处理电路的输入端接收从串联锂电池组输送过来的电压信号，其第一输出端与所述隔离DC/DC电路的输入端连接，其第二输出端与反相器的第二输入端连接；所述隔离DC/DC电路的输出端与高速光耦隔离电路的第二输入端连接，所述高速光耦隔离电路的输出端与所述反相器的第一输入端连接，所述反相器的输出端与开关电路的输入端连接，所述开关电路的输出端与储能电感电路的输入端连接，所述储能感电路的输出端与所述串联锂电池组连接；所述高速光耦隔离电路的第一输入端接收所述主控单元的控制信号。
3.根据权利要求1或2所述的锂电池主动均衡控制装置，其特征在于：所述主控单元为TMS320F28335数字信号处理器；所述稳压处理电路为12伏稳压处理电路；所述隔离DC/DC电路为12伏转5伏隔离DC/DC电路。
4.根据权利要求1或2所述的锂电池主动均衡控制装置，其特征在于：所述反相器为74HC04反相器。
5.根据权利要求3所述的锂电池主动均衡控制装置，其特征在于：所述反相器为74HC04反相器。
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