CN108123508A - 一种剩余容量估算的快速电池均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种剩余容量估算的快速电池均衡方法，包括蓄电池等效电路、快速蓄电池均衡电路、均衡电路控制方法三部分。本发明基于由卡尔曼滤波器和***参数识别集成计算得到的蓄电池剩余容量，通过对开关器件占空比的控制，使蓄电池单体能够在不同层之间同时传递能量，减少均衡时间，提高均衡效率。在串联蓄电池单体数目较大时，该均衡结构在均衡时间上的优势更加明显。

Description

一种剩余容量估算的快速电池均衡方法
技术领域
本发明涉及一种蓄电池均衡方法，尤其涉及一种剩余容量估算的快速电池均衡方法。
背景技术
蓄电池单体的电压和容量均较低，在需要高压大容量的***中，一般需要将大量蓄电池单体串联成蓄电池组使用。但是由于制造工艺、工作条件等因素，蓄电池组在长时间使用后，每个单体的剩余容量会彼此不同，将严重影响蓄电池组的工作效率。因此蓄电池剩余容量均衡电路是非常重要的。
蓄电池容量均衡的方法主要有：电阻消耗均衡法、开关电容法、双向D C－D C变流器法、多绕组变压器法、多模块开关均衡法、开关电感法等。通过对以上各种方法的研究，分析其优缺点优缺点，发现均衡时间长是一个共同且严重的问题，不少方法的均衡时间达几小时之久。而且现有的蓄电池均衡技术大多数基于电压均衡，但是蓄电池工作时端电压的均衡并不意味着各电池的容量是相同的，各电池单体的容量均衡才是需要控制的目标。
发明内容
为了克服蓄电池均衡时间过长的难题，本发明提出一种基于剩余容量估算的快速电池均衡方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明基于卡尔曼滤波器与***参数辨识集成的方法计算蓄电池剩余容量，提出一种快速蓄电池容量均衡结构。基于剩余容量估算的快速蓄电池均衡方法，包括蓄电池等效电路、快速蓄电池均衡电路、均衡电路控制方法三部分。
所述蓄电池等效电路采用卡尔曼滤波器的方式建立等效明显，能够准确的反应电池特性。
所述快速蓄电池均衡电路为每个电池单体与MOSFET和一个电感相连后，再与相邻单体组成整体，形成环式结构。
所述均衡电路控制方法通过设置动态占空比，使各电池单体传递能量时间有效缩短。
本发明的有益效果是：本发明基于由卡尔曼滤波器和***参数识别集成计算得到的蓄电池剩余容量，通过对开关器件占空比的控制，使蓄电池单体能够在不同层之间同时传递能量，减少均衡时间，提高均衡效率。在串联蓄电池单体数目较大时，该均衡结构在均衡时间上的优势更加明显。
附图说明
图1蓄电池等效电路。
图2快速蓄电池均衡电路。
具体实施方案
如图1所示，电容Cs的电压Vocv为开路电压，通过对Vocv的估算得到SOC。Rs表示蓄电池在不工作时的自放电电阻。Ce和Re表示正、负极以及电极和电解液结合处在蓄电池工作时的等效电容和电阻，且均随SOC变化，这也可以说明电池在停止工作后仍需要长时间的静置才能得到稳定开路电压的原因。Rb为电解液等其他因素在蓄电池工作时的等效电阻，其阻值随SOC而变化，也受电池寿命的影响。Vb表示蓄电池的端口电压，Ib表示蓄电池的充放电电流。蓄电池工作时可以看作一个动态***，而SOC作为其中一个不可直接测量的状态变量，可以利用卡尔曼滤波器估算。卡尔曼滤波器对初值的要求并不高，即使对初始值的估算并不很准确，也能够得到准确的状态估算值，同时在有测量噪声等的干扰下仍然能够准确地进行在线估算。在等效电路中，由于Rb，Re，Ce随SOC变化明显，因此需要进行参数计算。
如图2所示，将相邻的两个单体看作一个。每个电池单体都通过MOSFET(金属氧化物半导体场效应差)和一个电感相连，相邻两个再形成一组，和另外组再通过一个MOSFET和电感相连，在数目较大时会形成一个环式结构。正是这种结构使得每个单体不但可以和相邻单体进行容量均衡，还能和相隔“较远”的单体同时进行能量交换，这样使均衡时间显著缩短，解决了传统蓄电池均衡电路均衡速度慢这个最大问题。
工作原理如下：假设SOCB1>SOCB2，SOCB4>SOCB3，并且SOCB1+SOCB2>SOCB3+SOCB4。蓄电池单体B1容量高于B2，则首先控制M1导通，M2断开，此时B1通过M1给电感L1充电；然后M1断开，M2导通，电感L1将存储的能量通过M2传递给B2。相邻单体的两个MOSFET驱动信号互补，同时加入死区，在死区时段，电感L1通过B2和M2的反并联二极管续流，也是在给B2充电。同样，单体B3和B4也采用相同的方法均衡。同时，在外环，由于SOCB1+SOCB2>SOCB3+SOCB4，令M5导通，M6断开，此时M1和M2联合给电感L2充电；然后令M5断开，M6闭合，此时电感L3给M3和M4同时充电。正是这种非相邻电池之间可以同时均衡的能力，使得此种结构的均衡时间大大缩短。在任何一环，当检测到相邻的两组电池容量相等时，即断开相应的两个开关，如当检测到SOCB1＝SOCB2时，同时断开M1和M2，此时B1和B2作为一个整体与其他电池均衡。
其控制方法为在电感、电池和MOSFET器件允许通过的电流阈值内，希望B1和B2传递能量的时间最短，将控制策略分为3步(假设B1容量高于B2)：
(1)控制占空比D为一个较大的值，此时电感电流IL迅速增大，电池B1将更多的能量存储在电感L中。
(2)当电感电流增大到一定阈值时(由电感、电池、MOSFET电流阈值确定)，控制占空比D＝D0，此时电感电流保持稳定，即一个周期内，电感从B1吸收的能量等于传递给B2的能量。由于电感电流值较大，因此传递能量速度也较快。
(3)当两电池容量相等时，关断M1和M2，此时电感仍存有部分能量；这部分能量通过B2，M2反并联二极管，R，L回路续流，将剩余容量传递给B2。由于B2容量较大，因此电感存储的能量对B2容量改变很小，两电池仍然保持容量平衡状态。

Claims (4)

1.一种剩余容量估算的快速电池均衡方法，其特征在于：包括蓄电池等效电路、快速蓄电池均衡电路、均衡电路控制方法三部分。
2.如权利要求1所述的剩余容量估算的快速电池均衡方法，其特征在于所述蓄电池等效电路采用卡尔曼滤波器的方式建立等效明显，能够准确的反应电池特性。
3.如权利要求1所述的剩余容量估算的快速电池均衡方法，其特征在于所述快速蓄电池均衡电路为每个电池单体与MOSFET和一个电感相连后，再与相邻单体组成整体，形成环式结构。
4.如权利要求1所述的剩余容量估算的快速电池均衡方法，其特征在于所述均衡电路控制方法通过设置动态占空比，使各电池单体传递能量时间有效缩短。
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