CN109866655B - 一种分布式电池组均衡控制***的控制方法 - Google Patents

一种分布式电池组均衡控制***的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种分布式电池组均衡控制***的控制方法，采用单体电池电源模块串联的分布式储能的电池组结构，通过对单体电池电源模块的统一控制，将传统的电池组中组内均衡及组间均衡的均衡控制转化为对单体电池电源模块的统一均衡控制，降低了电池组均衡***的复杂度，基于功率分配理念，根据单体锂电池的端电压、容量，SOC参数设计电池组均衡的权重因子，通过对调节单体锂电池端充电/放电速率，实现电池组均衡，消除了传统电池组组内均衡中单体电池的能量传递过程所造成的功率损失，提高了电池组中的电池能量利用率。

Description

一种分布式电池组均衡控制***的控制方法
技术领域
本发明属于电池储能领域，具体而言涉及一种分布式电池组均衡控制***及其控制方法。
背景技术
由于环境与能源的双重危机不断加深，节能与环保成为人类社会发展的重要课题，传统的燃油汽车将会逐渐被以纯电动汽车为代表的新能源汽车所取代。由于锂电池有高工作电压，高比能量和高循环寿命的特点，通常被以纯电动汽车为主的新能源汽车作为主要动力能源。
目前为满足电动汽车大电压大功率的需求，电动汽车通常是采用大量单体锂电池进行各种形式的串并联组成电池组进行供电，但由于锂电池在生产过程、存放条件以及使用过程中存在的差异，会导致电池组内个别电池出现充放电程度不一致性的情况。这种不一致性会导致电池组内个别单体锂电池的过冲/过放，缩短了电池的使用寿命。因此设计电池组均衡控制策略减小单体电池间的不一致性，对于提高电池的使用寿命具有十分重要的意义。
目前传统的电池组均衡主要采用在电池组中设计主动均衡控制的单体锂电池串并联连接的电路，通过电池管理***实时监测单体电池，实施电池组的均衡控制。然而传统的电池组均衡控制采用复杂的组内均衡及组间均衡的均衡控制形式，其中电池组组内均衡是通过单体电池间的电池能量传递实现电池组内的均衡，不可避免的造成了延传递路径造成的功率损失，降低了电池组的电池能量利用率。为了消除传统均衡控制中功率损失的弊端，降低传统均衡控制***的复杂程度，需要设计一种新的电池组结构，以及设计一种简单可行的均衡控制方案。
发明内容
针对传统的电池组均衡控制中存在的缺陷，本发明设计了一种分布式电池组均衡控制***及其控制方法。本发明通过对调节单体锂电池端充电/放电速率，实现电池组均衡，消除了传统电池组组内均衡中单体电池的能量传递过程所造成的功率损失，提高了电池组中的电池能量利用率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种分布式电池组均衡控制***，其特征在于，包括N个单体电池电源模块、N个故障开关和一中心控制器，电池电源模块输出端串联连接，为直流母线和负载端提供输出电压和输出功率；其中每个电池电源模块包括依次连接的一单体锂电池、一DC-DC转换器和一微处理器；中心处理器通过负载要求和电池组充放电程度的监控向各微处理器发送控制指令，微处理器输入端接收中心处理器的指令，输出端连接PWM驱动的输入端，向其提供占空比，PWM输出端连接DC-DC转换器的输入端对DC-DC转换器进行控制。
优选地，每个DC-DC转换器由两个晶闸管开关、一个电感和一个电容组成，PWM输出端连接DC-DC转换器的输入端将互补的两个PWM信号分别输入两个晶闸管开关中对DC-DC转换器进行控制。
一种分布式电池组均衡控制***的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，利用扩展卡尔曼算法在线估算电池组中各单体锂电池的SOC值；
步骤2，中心处理器采集单体锂电池的SOC、端电压，根据设计的基于功率分配理念的权重因子，将其发送给微处理器；
步骤3，微处理器接收权重因，通过电压调节控制向DC-DC转换器输出占空比，对单体电池电源模块的输出电压进行控制，从而控制单体锂电池的充电/放电速率，实现电池组的均衡。
优选地，骤1包括以下步骤：
步骤11：建立等效电路电池模型
Figure GDA0002471814290000031
Figure GDA0002471814290000032
其中，T为采样时间，η为传递效率，R0、Rp和Cp分别为电池模型的内阻，极化电阻和极化电容，Wk和Vk分别为***的过程噪声和测量噪声；
步骤12：采集单体锂电池的端电压；
步骤13：采用扩展卡尔曼滤波方法在线估算单体锂电池的SOC
Figure GDA0002471814290000033
其中
Figure GDA0002471814290000034
C＝(a1) D＝R0 uk＝I(t) yk＝Vcell-b，
a、b为电池开路电压与SOC分段函数中的系数，Vcell为电池端电压，I(t)为电池端输出电流，R0、RP和CP分别为电池模型的内阻，极化电阻和极化电容,T为采样时间,Cn为电池标称容量，Q、R分别为过程噪声和测量噪声的协方差矩阵，I为单位矩阵，Kk为卡尔曼增益矩阵。
优选地，步骤2包括以下步骤：
步骤21：采集单体锂电池的端电压；
步骤22：采集在线估算的单体锂电池的SOC；
步骤23：将单体锂电池的端电压、标称容量，SOC参数作为变量设计权重因子关系式：
ωi＝SOCi·Vcell,i·Qi·σi
其中ωi为权重因子。SOCi为各单体锂电池的SOC估算值，Vcell,i为各单体锂电池的端电压σi为锂电池单体的安全参数，代表单体锂电池健康状态，其值为0或1，在安全状态下σi＝1，当σi＝0时，在电池组中断开对应单体锂电池。
优选地，步骤3包括以下步骤：
步骤31：负载电压Vbus通过输出电压分配权重因子ωi，导出电池电源模块的输出参考电压Vdc,i-ref；
M＝ω1+ω2+…+ωN
Figure GDA0002471814290000041
其中，ωi为输出电压分配权重因子，Vbus为负载端电压，Vdc,i-ref为电池电源模块的输出参考电压。
步骤32：采用电压电流双闭环控制回路，根据计算得到的Vdc,i-ref对电池电源模块的输出电压Vdc,i进行稳压控制。
优选地，步骤3中，采用电压电流双闭环控制，以单体电池电源模块电容输出电压Vdc,i作为电压环的输入信号，其输出值Ii-ref作为电流输入信号，通过双闭环的PI控制得到对应的升压转换器的占空比Di。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明采用单体电池电源模块串联的分布式储能的电池组结构，通过对单体电池电源模块的统一控制，将传统的电池组中组内均衡及组间均衡的均衡控制转化为对单体电池电源模块的统一均衡控制，降低了电池组均衡***的复杂程度，基于功率分配理念，根据单体锂电池的端电压、容量，SOC参数设计电池组均衡的权重因子，通过对调节单体锂电池端充电/放电速率，实现电池组均衡，消除了传统电池组组内均衡中单体电池的能量传递过程所造成的功率损失，提高了电池组中的电池能量利用率。具体优点如下：
1、本发明采用单体电池电源模块串联的分布式结构，通过对单体电池电源模块的统一均衡控制，改变了传统的电池组中组内均衡及组间均衡的均衡控制形式，降低了电池组均衡***的复杂程度；
2、根据均衡权重因子，可自动调节电池组中各单体锂电池的充电/放电速率，消除了传统电池组组内均衡中单体锂电池间的能量传递所造成的能量损失，提高了电池组的能量利用率；
3、采用单体电池模块化的概念，便于对电池组的扩展以及电池组内受损电池的更换。
附图说明
图1为本发明分布式电池组结构图；
图2为本发明电池组的均衡控制示意图；
图3为本发明中心处理器控制示意图
图4为本发明微处理器控制示意图；
图5为本发明仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清楚明确，下面结合附图对本发明的电池组均衡控制进行详细描述：
如图1所示，本发明一种分布式电池组均衡控制***，包括N个单体电池电源模块，N个故障开关及一个中心控制器组成，电池电源模块输出端串联连接；其中每个电池电源模块，采用模块化电池电源的概念，由1个单体锂电池，1个DC-DC转换器和1个微处理器组成。其中每个DC-DC转换器由2个晶闸管开关1个电感和1个电感组成。
具体地，单体锂电池作为一个动力电池单元，连接一个故障开关、一个DC-DC转换器以及一个微处理器组成一个电池电源模块，每个DC-DC转换器由2个MOSFET开关，1个电感和1个电容组成。每个单体电池电源模块输出端相互串联，为直流母线和负载端提供更高的输出电压和输出功率。中心处理器通过负载要求和电池组充放电程度的监控向各微处理器发送控制指令，微处理器输入端接收中心处理器的指令，输出端连接PWM驱动的输入端，向其提供占空比，PWM输出端连接DC-DC转换器的输入端(将互补的两个PWM信号分别输入2个MOSFET中)对DC-DC转换器进行控制。
如图2所示，本发明还提供一种分布式电池组均衡控制方法包括以下步骤：
步骤1、单体锂电池SOC在线估算；
步骤2、中心处理器控制设计；
步骤3、微处理器控制设计。
图2所示为电池组的均衡控制示意图。利用扩展卡尔曼算法在线估算电池组中各单体锂电池的SOC值，中心处理器采集单体锂电池的SOC、端电压，根据设计的基于功率分配理念的权重因子，将其发送给微处理器，微处理器接收权重因，通过电压调节控制向DC-DC转换器输出占空比，对单体电池电源模块的输出电压进行控制，从而控制单体锂电池的充电/放电速率，实现电池组的均衡。优选的步骤1具体过程包括：
步骤11：建立等效电路电池模型
Figure GDA0002471814290000061
Figure GDA0002471814290000071
其中T为采样时间，η为传递效率，R0、Rp和Cp分别为电池模型的内阻，极化电阻和极化电容。Wk和Vk分别为***的过程噪声和测量噪声。
步骤12：采集单体锂电池的端电压；
步骤13：采用扩展卡尔曼滤波方法在线估算单体锂电池的SOC
Figure GDA0002471814290000072
其中
Figure GDA0002471814290000073
C＝(a 1) D＝R0 uk＝I(t) yk＝Vcell-b；
a、b为电池开路电压与SOC分段函数中的系数，Vcell为电池端电压，I(t)为电池端输出电流，R0、RP和CP分别为电池模型的内阻，极化电阻和极化电容,T为采样时间,Cn为电池标称容量，Q、R分别为过程噪声和测量噪声的协方差矩阵，I为单位矩阵，Kk为卡尔曼增益矩阵。
图3为中心处理器控制示意图。中心处理器根据功率分配理念，为满足电池组均衡目标，产生涉及单体锂电池的端电压Vcell,i，容量Q，SOC等参数的电池组均衡的权重因子如图3所示，ωi＝SOCi·Vcell,i·Qi·σi，SOCi为各单体锂电池的SOC估算值，Vcell,i为各单体锂电池的端电压σi为锂电池单体的安全参数，代表单体锂电池健康状态，其值为0或1，在安全状态下σi＝1，当σi＝0时，在电池组中断开对应的单体锂电池。优选的步骤2中心处理器控制设计具体过程包括：
步骤21：采集单体锂电池的端电压；
步骤22：采集在线估算的单体锂电池的SOC；
步骤23：将单体锂电池的端电压、标称容量，SOC参数作为变量设计权重因子关系式：
ωi＝SOCi·Vcell,i·Qi·σi
其中ωi为权重因子。SOCi为各单体锂电池的SOC估算值，Vcell,i为各单体锂电池的端电压σi为锂电池单体的安全参数，代表单体锂电池健康状态，其值为0或1，在安全状态下σi＝1，当σi＝0时，在电池组中断开对应单体锂电池。
图4为微处理器控制示意图，微处理器接收中心处理器的权重因子通过电压分配控制生成Vdc,i-ref，在采用电流电压双闭环控制对单体电池电源模块输出电压Vdc,i进行调节。采用电压电流双闭环控制，以单体电池电源模块电容输出电压Vdc,i作为电压环的输入信号，其输出值Ii-ref作为电流输入信号，通过双闭环的PI控制得到对应的升压转换器的占空比Di。应注意的是在采用升压DC-DC转换器时，由于Di≥0，应限制Vdc,i-ref≤Vcell,i，并防止升压DC-DC转换器的超调控制，Vdc,i-ref≤5Vcell,i。在采用降压DC-DC转换器时，可省去占空比范围的设置。
优选的步骤3微处理器控制设计具体过程包括：
步骤31：负载电压Vbus通过设计的输出电压分配权重因子ωi，导出电池电源模块的输出参考电压Vdc,i-ref。
M＝ω1+ω2+…+ωN
Figure GDA0002471814290000081
其中，ωi为输出电压分配权重因子，Vbus为负载端电压，Vdc,i-ref为电池电源模块的输出参考电压。
步骤32：采用电压电流双闭环控制回路，根据计算得到的Vdc,i-ref对电池电源模块的输出电压Vdc,i进行稳压控制。
图5为根据所提出的电池组均衡控制方案得到的电池组内各单体锂电池的变化曲线，从图中可以发现，电池组中各单体锂电池的SOC在均衡过程中都不断接近，电池组中单体锂电池的SOC不一致性得到有效保证，最终达到电池组的均衡。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (2)

1.一种分布式电池组均衡控制***的控制方法，其特征在于，所述***包括N个单体电池电源模块、N个故障开关和一中心控制器，电池电源模块输出端串联连接，为直流母线和负载端提供输出电压和输出功率；其中每个电池电源模块包括依次连接的一单体锂电池、一DC-DC转换器和一微处理器；中心处理器通过负载要求和电池组充放电程度的监控向各微处理器发送控制指令，微处理器输入端接收中心处理器的指令，输出端连接PWM驱动的输入端，向其提供占空比，PWM输出端连接DC-DC转换器的输入端对DC-DC转换器进行控制；
所述控制方法，包括以下步骤：
步骤1，利用扩展卡尔曼算法在线估算电池组中各单体锂电池的SOC值；
步骤2，中心处理器采集单体锂电池的SOC、端电压，根据设计的基于功率分配理念的权重因子，将其发送给微处理器；
步骤3，微处理器接收权重因，通过电压调节控制向DC-DC转换器输出占空比，对单体电池电源模块的输出电压进行控制，从而控制单体锂电池的充电/放电速率，实现电池组的均衡；
步骤11：建立等效电路电池模型
Figure FDA0002458164870000011
Figure FDA0002458164870000012
其中，T为采样时间，η为传递效率，R0、Rp和Cp分别为电池模型的内阻，极化电阻和极化电容，Wk和Vk分别为***的过程噪声和测量噪声；
步骤12：采集单体锂电池的端电压；
步骤13：采用扩展卡尔曼滤波方法在线估算单体锂电池的SOC
Figure FDA0002458164870000021
其中
Figure FDA0002458164870000022
C＝(a 1)D＝R0 uk＝I(t) yk＝Vcell-b，
a、b为电池开路电压与SOC分段函数中的系数，Vcell为电池端电压，I(t)为电池端输出电流，R0、RP和CP分别为电池模型的内阻，极化电阻和极化电容,T为采样时间,Cn为电池标称容量，Q、R分别为过程噪声和测量噪声的协方差矩阵，I为单位矩阵，Kk为卡尔曼增益矩阵；
步骤2包括以下步骤：
步骤21：采集单体锂电池的端电压；
步骤22：采集在线估算的单体锂电池的SOC；
步骤23：将单体锂电池的端电压、标称容量，SOC参数作为变量设计权重因子关系式：
ωi＝SOCi·Vcell,i·Qi·σi
其中ωi为权重因子；SOCi为各单体锂电池的SOC估算值，Vcell,i为各单体锂电池的端电压σi为锂电池单体的安全参数，代表单体锂电池健康状态，其值为0或1，在安全状态下σi＝1，当σi＝0时，在电池组中断开对应单体锂电池；
步骤3包括以下步骤：
步骤31：负载电压Vbus通过输出电压分配权重因子ωi，导出电池电源模块的输出参考电压Vdc,i-ref；
M＝ω1+ω2+...+ωN
Figure FDA0002458164870000031
其中，ωi为输出电压分配权重因子，Vbus为负载端电压，Vdc,i-ref为电池电源模块的输出参考电压；
步骤32：采用电压电流双闭环控制回路，根据计算得到的Vdc,i-ref对电池电源模块的输出电压Vdc,i进行稳压控制；
步骤3中，采用电压电流双闭环控制，以单体电池电源模块电容输出电压Vdc,i作为电压环的输入信号，其输出值Ii-ref作为电流输入信号，通过双闭环的PI控制得到对应的升压转换器的占空比Di。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，每个DC-DC转换器由两个晶闸管开关、一个电感和一个电容组成，PWM输出端连接DC-DC转换器的输入端将互补的两个PWM信号分别输入两个晶闸管开关中对DC-DC转换器进行控制。
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