CN106953394B - 一种基于锂离子电池单体soc和单体容量的均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法，通过设定目标SOC，可以灵活地设定电池***中每个电池单体单元的工作的SOC窗口，并且通过从电池参数的角度考虑均衡判断，提高均衡效率同时避免误均衡。而目标电量差则用于具体判断每一个电池单体或者电池组串与目标电池单体的电量差是否在允许范围之内，如果超过这个范围则可以考虑开启均衡；这样就使电池***中的每个电池单体单元工作在最合适的SOC窗口，实现电池单体单元更长的使用寿命和更高的均衡效率，可以提高电池***的经济性。

Description

一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法。

背景技术

锂离子电池作为能量储存***被广泛的应用于新能源汽车和储能***中,由于局限于单体锂电池的电压和容量，必须将电池单体串联、并联、或者通过一定的串并联组合形成电池***，给电动汽车提供足够的功率和能量以满足其动力和续航里程的要求；如果电池单体间在实际应用中不存在差异，那么电动汽车的电池组和电池单体在使用寿命和安全性上是一致的；但是在实际应用中，由于制造工艺和使用过程环境的不一致，电池单体间总是存在不一致性，并且由于实际使用中的老化程度和状态也不一样，电池单体的差异性往往会越来越大；这些电池单体的差异性往往表现为在同一电池***中，每个电池组串的电压不同，并且电压差异性的现象在实际使用中会经常改变并且无法预测。

在电池***中锂电池单体必须被安全的使用，这意味着每个电池单体的电压在使用时必须保持在安全电压范围之内，即充电时低于高安全电压门限值，放电时高于低安全电压门限值。但是，在多于一个电池组串的实际应用中，由于需要保证每一个电池单体或者电池组串工作在安全电压范围之内，不同电池单体或者电池组串的差异性及电压差异性会限制真个电池***的使用电压范围；这意味着随着电池差异性的扩大，电池***的容量会快速减少；对于新能源汽车，这意味着电力驱动的行驶里程会快速减少，在极限情况下，这意味着这个电池***需要维护甚至报废。

而现有技术中对电池均衡的算法主要是基于电池单体电压的均衡；此方法中由于电池单体电压可以直接测量得到，因此基于电压的均衡是最易于实现的，所以也为普遍采用；这种方法往往在电池***处于充电或者静置状态时，通过使用均衡电阻和一个开关，对具有较高电压的电池单体或者电池组串进行放电；这种方法往往把同一电池***中的每个电池单体或者电池组串的电压趋向相同作为均衡目标，所以使用电池单体或者电池组串的电压作为主要判断依据，对是否需要对这个电池单体进行均衡进行判断。

在均衡时间足够状况下，基于电池单体电压的均衡能够把电池***中的电池单体均衡到同一电压等级；并且这些电池单体在静置时表现为电压处于同一等级，看起来似乎是均衡过的结果；但是，这种方法并没有从根本上考虑过在实际使用中电池单体差异性产生的原因，并从电池单体差异性的角度来设计均衡方法；在同一电池***中，不同电池单体的初始容量和初始内阻是不同的；同时每个电池单体的自放电率也是不同的；并且在实际使用中，每个电池单体的工作环境也是不同的，这意味着在实际使用中电池单体的容量和内阻会在老化过程中不断改变；这些因素和其他一些因素，造成了同一电池***中不同电池单体差异性，包含电池单体容量、内阻和自放电率等的不同。

而在实际使用中，基于电池单体电压的均衡的缺点主要有：1）基于电压的均衡往往把电池***中的电池单体处于同一电压等级作为均衡目标，但是某个时刻相同的电压等级并等同电池单体的电化学特性比如单体容量和单体内阻相同；这意味着这种方法只关心电池单体的外部电压而不是锂电池的电化学特性；2）基于电池单体电压的均衡通过测量的电压选择需要被均衡的电池单体，但是通过电压判断需要均衡的单体，在下一次判断中也可能变成不需要均衡的单体，而当前判断不需要均衡的单体，在下一次判断中也可能变成需要均衡的单体；这意味着这种方法有时是自我矛盾的，并且均衡判断往往不能把真正需要均衡的电池单体选择出来；3）基于电池单体电压的均衡往往被设计成在电池***处于充电或者静置状态下进行均衡，因为这种方法认为在放电状态下高电压的电池单体意味着高SOC(State Of Charge)或者更多的剩余电量，放电过程中无法挑选出需要被均衡的电池单体；这意味着这种方法限制了实际应用中可以进行均衡的时间，这种方法一般不支持电池***全时均衡；4）当电池***处于充电初期时，一些电池单体的电压往往会比其他电池电压高，但是到了充电后期情况可能会改变，之前电压较低的电池单体在充电后期可能电压较高，这往往是电池单体容量不一致导致的，这意味着基于电池单体电压的均衡最好在充电后期或者静置状态下进行。这也限制了实际应用中可以进行均衡的时间，同时，如果在静置状态下进行均衡来增加均衡时间，这也意味着增加了维持整个***工作的时间和能耗；5）当电池***处于充电状态时，基于电池单体电压的均衡不考虑电池单体内阻的差异性，电池单体的端电压在直流充放电的情况下可以近似计算为Vt = Vocv+I*Rdc (Vt表示端电压；Vocv为电池单体在当前状态下的开路电压；I为充放电电流，充电为正值，放电为负值；Rdc为电池单体或者电池组串的直流内阻)；这意味着如果电池单体的直流内阻是不同的，那么在实际使用中电池单体或者电池组串的端电压不仅不仅取决于开路电压Vocv，也取决于直流内阻Rdc和充放电电流I，这也意味着在充电状态下电压较高的电池单体，在静置状态下可能电压并不是较高的，因为充电电流I和电池内阻I的存在；而且，即使在同一个充放电循环中，电池单体的直流内阻Rdc也不是一个固定值，在同一循环中，同一电池单体在不同SOC时的直流内阻Rdc也是不同的，基于电池单体电压的均衡没有把电池单体的直流内阻考虑在内，这增加了错误判断需要均衡的几率；6）基于电池单体电压的均衡在充电状态下或者静置状态下，往往将充电截止电压或者静置电压作为均衡目标，然后，电池单体的初始容量并不相同，并且在实际使用中这种单体容量差异会越来越大；如果电池***中的所有单体被均衡到了同一电压等级，在下一次放电状态下，容量比较小的电池单体常常会较快到达低电压门限值，同时，容量较大的电池单体不会到达低电压门限值；这种现象在实际使用中非常常见，这表明容量较大的电池单体或者电池组串在实际使用中常常工作在SOC窗口[SOC_Low, SOC_High]，其中SOC_High常常能到达电池***的SOC高门限值（常常为100%），但是SOC_Low常常比电池***的SOC低门限值（常常为0%）高；但是，在实际使用中，电池单体或者电池组串的最佳工作SOC窗口并不是从SOC高门限值到一个较低的值；基于电池单体电压的均衡并没有考虑电池单体容量的差异，并且并没有考虑锂电池单体最佳工作SOC窗口，这意味着基于电池单体电压的均衡并没有考虑电池***的经济性，如电池***的寿命、维护和循环利用等。

发明内容

本发明的目的是为提供一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法，使电池***中每个电池单体单元工作在计算或者设定的目标SOC作为中间值的SOC窗口内，来实现电池单体单元更长的使用寿命和更高的均衡效率。

本发明通过以下技术方案实现：一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法，步骤如下：

步骤a）检测电池***中每个电池单体单元的当前容量，并得出当前容量最低的电池单体单元；

步骤b）针对目标电池***中的电池，使用预先设定的目标SOC作为目标SOC；

步骤c）计算得出每个电池单体单元的当前荷电状态SOC和目标SOC的差值，即差值=电池单体单元当前荷电状态SOC–目标SOC；并且还需要计算出当前容量最低的电池单体单元和目标SOC的最低差值，即最低差值=当前容量最低的电池单体单元–目标SOC；

步骤d）通过差值和每个电池单体单元的当前容量计算得出当前每个电池单体单元与目标SOC之间相差的差值电量；即差值电量=差值*电池单体单元的当前容量；并且计算出当前容量最低的电池单体单元和目标SOC的最低差值电量，即最低差值电量=最低差值*当前容量最低的电池单体单元；

步骤e）将计算得出的差值电量和最低差值电量作为输入，通过比较两者的大小来判断每个电池单体单元是否需要被均衡，来实现每个电池单体单元都工作在以目标SOC为中间值的SOC窗口中；若差值电量减去最低差值电量的值大于目标电量差时，则开启这个电池单体单元的均衡；同时也通过差值电量和最低差值电量的差值来计算所需要均衡的电池单体单元需要的均衡时间并用于均衡输出控制；若差值电量减去最低差值电量的值大于目标电量差时，则计算均衡时间={差值电量-最低差值电量-目标电量差}/均衡电流；

步骤f）回到步骤a进行下一次循环。

作为优选，所述步骤b中目标SOC为SOC窗口的中间值，所述步骤b中目标SOC也可以为电池单体单元容量的45%至60%之间，以保证电池工作在SOC窗口中，实现电池单体更长的使用寿命或更高的均衡效率。

作为优选，所述电池单体单元为电池单体或电池组串，用于减少电池差异性。

作为优选，所述步骤a中还可以计算出每个电池单体单元的SOC和单体内阻以便于更准确的计算每个电池单体单元的当前容量。

作为优选，所述步骤e中目标电量差为预先设定的值或0，方便使用者自行设定目标电量差来判断当前每一个电池单体或者电池组串与其目标SOC的电量差，与目标电池单体或者电池组串与其目标SOC的电量差的差值是否在允许范围之内，如果超过这个范围则可以考虑开启这个电池单体或者电池组串的均衡。

作为优选，所述步骤e中均衡时间实施时一次均匀完成，也可以分步逐次完成；保证使用者可灵活设定均衡时间完成的方式，提高均衡效率同时避免误均衡。

本发明通过设定目标SOC，可以灵活地设定电池***中每个电池单体单元的工作的SOC窗口，并且通过从电池参数的角度考虑均衡判断，提高均衡效率同时避免误均衡。而目标电量差则用于具体判断每一个电池单体或者电池组串与目标电池单体的电量差是否在允许范围之内，如果超过这个范围则可以考虑开启均衡；这样就使电池***中的每个电池单体单元工作在最合适的SOC窗口，实现电池单体单元更长的使用寿命和更高的均衡效率，可以提高电池***的经济性。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：1）采取均衡是基于电池***中每个电池单体单元的SOC和当前容量来计算判断，提高准确性；2）通过对电池***中每个电池单体单元与当前容量最低的电池单体单元比较，使用电池***中当前容量最低的电池单体单元作为均衡依据，判断出每个电池单体单元是否需要均衡，并提高均衡效率和延长电池***寿命；3）目标SOC是通过使用验证的目标SOC设定值或者是使用验证过的计算方法计算出目标SOC值，以用来作为每个电池单体单元的工作SOC窗口的中间值；4）使用目标电量差来判断当前每个电池单体单元与其目标SOC的电量差，与目标电池单体单元与其目标SOC的电量差的差值是否在允许范围之内，如果超过这个范围则可以考虑开启这个电池单体或单元的均衡；5）每个电池单体单元都分别设置有目标SOC和工作SOC窗口，实现每个电池单体单元都工作在各自最佳的SOC窗口内；6）估算均衡需要的时间，用当前每一个电池单体或者电池组串与其目标SOC的电量差，与目标电池单体或者电池组串与其目标SOC的电量差的差值，与目标电量差进行减法得到的差值，除以均衡电流来计算当前这个电池单体均衡需要的总体时间。

具体实施方式

下面结合、具体实施方式，对本发明作进一步描述：一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法，步骤如下：

步骤a）检测电池***中每个电池单体单元的当前容量Celln_Cap，并得出当前容量最低的电池单体单元Cell_Cap_Min；

步骤b）针对目标电池***中的电池，使用预先设定的目标SOC作为目标SOC Cell_Target_SOC；

步骤c）计算得出每个电池单体单元的当前荷电状态SOC Celln _SOC和目标SOCCell_Target_SOC的差值Celln _SOC_Diff，即差值Celln _SOC_Diff=电池单体单元当前荷电状态SOC Celln _SOC–目标SOC Cell_Target_SOC；并且还需要计算出当前容量最低的电池单体单元Cell_Cap_Min和目标SOC Cell_Target_SOC的最低差值Cell_SOC_Diff_Target，即最低差值Cell_SOC_Diff_Target=当前容量最低的电池单体单元Cell_Cap_Min–目标SOC Cell_Target_SOC；

步骤d）通过差值Celln_SOC_Diff和每个电池单体单元的当前容量Celln_Cap计算得出当前每个电池单体单元与目标SOC Cell_Target_SOC之间相差的差值电量Celln_Q_Diff；即差值电量Celln_Q_Diff=差值Celln_SOC_Diff*电池单体单元的当前容量Celln_Cap；并且计算出当前容量最低的电池单体单元Cell_Cap_Min和目标SOC Cell_Target_SOC的最低差值电量Celln_Q_Diff_Target，即最低差值电量Celln_Q_Diff_Target=最低差值Cell_SOC_Diff_Target*当前容量最低的电池单体单元Cell_Cap_Min；

步骤e）将计算得出的差值电量Celln_Q_Diff和最低差值电量Celln_Q_Diff_Target作为输入，通过比较两者的大小来判断每个电池单体单元是否需要被均衡，来实现每个电池单体单元都工作在以目标SOC Cell_Target_SOC为中间值的SOC窗口中；若差值电量Celln_Q_Diff减去最低差值电量Celln_Q_Diff_Target的值大于目标电量差Celln_Target_ Q_Diff时，则开启这个电池单体单元的均衡；同时也通过差值电量Celln_Q_Diff和最低差值电量Celln_Q_Diff_Target的差值来计算所需要均衡的电池单体单元需要的均衡时间并用于均衡输出控制；若差值电量Celln_Q_Diff减去最低差值电量Celln_Q_Diff_Target的值大于目标电量差Celln_Target_ Q_Diff时，则计算均衡时间t={差值电量Celln_Q_Diff-最低差值电量Celln_Q_Diff_Target-目标电量差Celln_Target_ Q_Diff}/均衡电流I；

步骤f）回到步骤a进行下一次循环。

本实施方式中，所述步骤b中目标SOC Cell_Target_SOC为SOC窗口的中间值；所述步骤b中目标SOC Cell_Target_SOC为电池单体单元容量的45%至60%之间；所述电池单体单元为电池单体；所述电池单体单元为电池组串；所述步骤a中还可以计算出每个电池单体单元的SOC Celln_SOC和单体内阻Celln_DCIR以便于计算；所述步骤e中目标电量差Celln_Target_ Q_Diff为预先设定的值；所述步骤e中目标电量差Celln_Target_ Q_Diff为0；所述步骤e中均衡时间t实施时一次均匀完成；所述步骤e中均衡时间t实施时分步逐次完成。

本实施方式中，所述目标SOC对于每个电池***中的每个电池单体单元可以是相同值也可以是不同的值，以用来适应不通过电池单体单元的差异性。

本实施方式中，本方法是基于锂离子电池单体单元SOC和单体容量进行均衡，是一种基于锂电池电化学特性的均衡方法，通过考虑电池单体单元SOC和电池单体容量，对锂电池进行均衡；这种方法主要考虑电池单体单元的SOC和电池单体容量作为主要考虑因素进行均衡判断，同时在电池单体单元内阻也被用来计算电池单体SOC；通过计算电池***中每一个电池单体单元的电化学状态，这种方法可以实现全时均衡，并提高均衡判断的准确性；同时本方法通过SOC窗口的灵活计算，能够改善电池***在实际使用中的经济性；而电池***的容量则取决于电池***中当前具有最小容量的电池单体单元，基于锂离子电池单体单元SOC和单体容量的均衡方法通过建立一种使每个电池单体单元工作在最佳SOC窗口的方法，来延长电池单体或者电池组串的使用寿命，同时提高均衡效率。

本实施方式中，电池***会对***中每一个电池单体单元与具有最低容量的电池单体单元Cell_Cap_Min进行比较，从而判断出每一个比较完成的电池单体单元是否需要均衡，并且提高均衡的效率和延长电池***寿命。

本实施方式中，电池***计算出每个电池单体单元的SOC Celln_SOC和单体内阻Celln_DCIR，并且计算出每个电池单体单元的当前容量Celln_Cap，且找出具有最低容量的电池单体单元Cell_Cap_Min；接着针对目标电池***中的电池，使用电池单体单元的当前容量Celln_Cap的50%来作为其目标SOC Cell_Target_SOC，然后计算出每个电池单体单元当前荷电状态SOC Celln_SOC和目标SOC Cell_Target_SOC的差值Celln _SOC_Diff，并得出当前容量最低的电池单体单元与目标SOC Cell_Target_SOC的最低差值Cell_SOC_Diff_Target；接着在计算出每个电池单体单元与目标SOC Cell_Target_SOC之间相差的差值电量Celln_Q_Diff，对于当前容量最小的电池单体单元，也计算出其与目标SOC Cell_Target_SOC之间的最低差值电量Celln_Q_Diff_Target，然后将计算得出的差值电量Celln_Q_Diff和最低差值电量Celln_Q_Diff_Target作为输入并计算它们之间的差值，若差值电量Celln_Q_Diff减去最低差值电量Celln_Q_Diff_Target的值大于目标电量差Cell_Target_Q_Diff的值0，就可以开启这个电池单体单元的均衡，但同时计算所需均衡的均衡时间t，均衡时间（t）=（差值电量Celln_Q_Diff-最低差值电量Celln_Q_Diff_Target-目标电量差Celln_Target_ Q_Diff）/均衡电流I，并且在均衡时间t内直接一次完成所需电池单体单元的均衡，完成均衡操作，然后重复循环操作，用以保证全时均衡，并提高均衡判断的准确性，额每个电池单体单元都工作在最佳SOC窗口，来延长电池单体单元的使用寿命，同时提高均衡效率。

本实施方式中，均衡电流I为电池***计算得出的均衡电流的大小，Celln中的n=1, 2, 3, … , Max Cell Number；Cell则代表电池***中的电池单体单元；目标SOCCell_Target_SOC则为一个通过验证的设定值，优选为50%或SOC窗口的中间值，但是目标SOC Cell_Target_SOC对于同一电池***中的每个电池单体单元可以是相同的值，也可以是不同的值，因每个电池单体单元可的差异性而定；最低差值电量Celln_Q_Diff_Target则为目标电量差，可以是0或者一个预先设定的值。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法，其特征在于，步骤如下：

步骤a）检测电池***中每个电池单体单元的当前容量（Celln_Cap），并得出当前容量最低的电池单体单元（Cell_Cap_Min）；

步骤b）针对目标电池***中的电池，使用预先设定的目标SOC作为目标SOC（Cell_Target_SOC）；

步骤c）计算得出每个电池单体单元的当前荷电状态SOC（Celln _SOC）和目标SOC（Cell_Target_SOC）的差值（Celln _SOC_Diff），即差值（Celln _SOC_Diff）=电池单体单元当前荷电状态SOC（Celln _SOC）–目标SOC（Cell_Target_SOC）；并且还需要计算出当前容量最低的电池单体单元（Cell_Cap_Min）的当前荷电状态和目标SOC（Cell_Target_SOC）的最低差值（Cell_SOC_Diff_Target），即最低差值（Cell_SOC_Diff_Target）=当前容量最低的电池单体单元（Cell_Cap_Min）的当前荷电状态–目标SOC（Cell_Target_SOC）；

步骤d）通过差值（Celln_SOC_Diff）和每个电池单体单元的当前容量（Celln_Cap）计算得出当前每个电池单体单元与目标SOC（Cell_Target_SOC）之间相差的差值电量（Celln_Q_Diff）；即差值电量（Celln_Q_Diff）=差值（Celln_SOC_Diff）*电池单体单元的当前容量（Celln_Cap）；并且计算出当前容量最低的电池单体单元（Cell_Cap_Min）和目标SOC（Cell_Target_SOC）的最低差值电量（Celln_Q_Diff_Target），即最低差值电量（Celln_Q_Diff_Target）=最低差值（Cell_SOC_Diff_Target）*当前容量最低的电池单体单元（Cell_Cap_Min）的当前容量；

步骤e）将计算得出的差值电量（Celln_Q_Diff）和最低差值电量（Celln_Q_Diff_Target）作为输入，通过比较两者的大小来判断每个电池单体单元是否需要被均衡，来实现每个电池单体单元都工作在以目标SOC（Cell_Target_SOC）为中间值的SOC窗口中；若差值电量（Celln_Q_Diff）减去最低差值电量（Celln_Q_Diff_Target）的值大于目标电量差（Celln_Target_ Q_Diff）时，则开启这个电池单体单元的均衡；同时也通过差值电量（Celln_Q_Diff）和最低差值电量（Celln_Q_Diff_Target）的差值来计算所需要均衡的电池单体单元需要的均衡时间并用于均衡输出控制；若差值电量（Celln_Q_Diff）减去最低差值电量（Celln_Q_Diff_Target）的值大于目标电量差（Celln_Target_ Q_Diff）时，则计算均衡时间（t）={差值电量（Celln_Q_Diff）-最低差值电量（Celln_Q_Diff_Target）-目标电量差（Celln_Target_ Q_Diff）}/均衡电流（I）；

步骤f）回到步骤a进行下一次循环。

2.根据权利要求1所述的一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法，其特征在于：所述步骤b中目标SOC（Cell_Target_SOC）为电池单体单元容量的45%至60%之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法，其特征在于：所述电池单体单元为电池单体。

4.根据权利要求1所述的一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法，其特征在于：所述电池单体单元为电池组串。

5.根据权利要求1所述的一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法，其特征在于：所述步骤a中还可以计算出每个电池单体单元的SOC（Celln_SOC）和单体内阻（Celln_DCIR）以便于计算。

6.根据权利要求1所述的一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法，其特征在于：所述步骤e中目标电量差（Celln_Target_ Q_Diff）为预先设定的值。

7.根据权利要求1所述的一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法，其特征在于：所述步骤e中目标电量差（Celln_Target_ Q_Diff）为0。

8.根据权利要求1所述的一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法，其特征在于：所述步骤e中均衡时间（t）实施时一次均匀完成。

9.根据权利要求1所述的一种基于锂离子电池单体SOC和单体容量的均衡方法，其特征在于：所述步骤e中均衡时间（t）实施时分步逐次完成。