CN110401247A

CN110401247A - 一种电池主动均衡方法

Info

Publication number: CN110401247A
Application number: CN201910723818.9A
Authority: CN
Inventors: 贾明钋; 张晓威
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2019-11-01

Abstract

本发明公开了一种电池主动均衡方法，其特征在于，包括：根据电池包各个单体SOC值，计算电池包平均SOC值；将每个单体SOC值与平均SOC值进行比较；若单体SOC与平均SOC差值大于等于第一阈值，则主控制器向均衡控制器发送放电指令；若单体SOC值与平均SOC差值小于等于第二阈值，则主控制器向均衡控制器发送充电指令。本发明均衡优化方法基于电池电荷状态进行均衡，而非基于电池电压，故基于SOC的均衡方法可适用于多种电池类型，同时，本发明均衡方法可帮助电池包均衡单体工作温差，从而使电芯电化学特性尽量保持一致，减少不均衡现象的产生。

Description

一种电池主动均衡方法

技术领域

电池主动均衡技术领域，具体是一种电池均衡方法。

背景技术

现有主动均衡技术主要通过检测电池电压差异或容量差异，并通过电子元器件(DC/DC或电容器)来实现单体与单体、单体与模组、模组与单体之间的能量交换，从而将电荷从电量较高的地方转移至电量较低处，实现电池包均衡。但这些方法无法从根源上消除电池差异性。由于电池包在使用过程中始终在不停的充放电，处于不同位置的单体电芯会工作在不同的温度之下，进而造成内部化学性质差异，久而久之，则表现出电池电压或容量差异。所以，主动均衡技术不仅需要专注于平衡电池之间显性差异，更需要均衡整包工作环境温度，从根本上阻止电池的不平衡现象的发生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种电池均衡方法，不仅可在一定范围内均衡电池显性容量差异，更将电池差异影响因子纳入考虑范围，在均衡容量差异的同时，尽可能的降低主动均衡能量耗散，从而降低单体温度和温差，从根本上阻止不均衡现象的产生。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种电池主动均衡方法，其特征在于，包括：

根据电池包各个单体SOC值，计算电池包平均SOC值；

将每个单体SOC值与平均SOC值进行比较；若单体SOC与平均SOC差值大于等于第一阈值，则主控制器向均衡控制器发送放电指令；若单体SOC值与平均SOC差值小于等于负第二阈值，则主控制器向均衡控制器发送充电指令。

主控制器接收采集的电池包总电流；

计算单体均衡电流；

构建代价函数J：

其中代表SOC差异项，当SOC差异越大时，其值越大；t代表时间；c为单体电池编号；N为电池串联个数，SOC_c(t)为编号为c的电池在t时刻的SOC值；为t时刻所有电池的SOC平均值。

其中代表功率耗散项，当功耗越大时，其值越大；P_{c_loss}代表c电池功耗；R_bat为电池内阻；i_c(t)为t时刻电池净流出电流。

T为工况持续时间；P、Q分别为SOC差异项、功耗项的权重值。

建立线性约束条件：

SOC(0)＝SOC_initial

SOC_min≤SOC(k)≤SOC_max

i_{dc_min}≤i_c,balancing(k)≤i_{dc_max}

i_{c_min}≤i_c(k)≤i_{c_max}

c∈{1,2...N},k∈{0,ΔT，2ΔT...T}

其中SOC(k+1)、SOC(k)、SOC(0)分别为k+1、k、0时刻的SOC值；ΔT为时间间隔；η为库伦系数；Cn为电池额定容量；i_c(k)为k时刻电池净流出电流(放电为正，充电为负)；SOC_initial为SOC初始值；i_c,balancing(k)为k时刻单体均衡电流；i_pack(k)为k时刻电池包总电流；SOC_min、SOC_max为SOC下限、上限值；i_{dc_min}、i_{dc_max}为DC/DC允许通过电流的下限、上限值；i_{c_min}、i_{c_max}为单体电池所能承受的电流下限、上限值；c代表单体电池编号；k代表时刻；N为电池串联个数；T为运算最大周期；P、Q均为实数。

通过线性规划方法，找到当前电池包总电流所对应的均衡电流最优解，在此最优解下，得到更新的单体SOC值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明均衡优化方法基于电池电荷状态(SOC)进行均衡，而非基于电池电压。某些电池种类，例如磷酸铁锂电池在电压平台期压差较小，但容量可能相差较大，故基于SOC的均衡方法可适用于多种电池类型；

2.均衡方法可自动识别电池包内单体SOC差异，并实现自动开启与关闭；

3.均衡方法在充电、放电过程中均可实现；

4.均衡方法可适用于包括磷酸铁锂电池在内的多种电池类型；

5.均衡方法可通过检测实际工况，减少当前工况下因主动均衡产生的能量耗散；

6.均衡方法可帮助电池包减少产热，进而降低电池最高工作温度；

7.均衡方法可帮助电池包均衡单体工作温差，从而使电芯电化学特性尽量保持一致，减少不均衡现象的产生。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是未开启均衡算法时三个电池的SOC变化图；

图3是开启均衡算法时三个电池的SOC变化图；；

图4是在工况结束时，未开启均衡算法与开启均衡算法两者电池包未使用容量及能量耗散对比图；

图5是未开启均衡算法时三个电池的温度变化图；

图6是开启均衡算法时三个电池的温度变化图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明：

使用美国城市动态实车工况(UDDS)循环采集的电流、电压采集数据，对均衡方法进行仿真；

设置三个串联电芯(一号电池、二号电池和三号电池)初始不同的SOC值分别为0.9/0.88/0.87，造成初始可用容量差。

本发明电池均衡方法，具体过程如下，参见图1：

均衡算法模块首先进入编译环境初始化；

之后依次初始化通信接口、SOC计算模块，其中通信接口用于均衡模块和电池管理***主控制器进行信息交互，SOC计算模块用于实时电荷状态计算；

在每一个k时刻，利用约束条件中的SOC计算方法，得到三个单体SOC计算值后，取三者平均SOC值；

将每个单体SOC值与平均SOC值进行比较；

若单体SOC与平均SOC差值大于等于第一阈值，则主控制器向均衡控制器发送放电指令；

若单体SOC与平均SOC差值小于等于第二阈值，则主控制器向均衡控制器发送充电指令；

第一阈值和第二阈值根据电池包要求压差设置，第一阈值可取值为0.01～0.03；第二阈值可取值为-0.03～-0.01。在本实施例中，第一阈值取值0.01，第二阈值取值-0.01。

主控制器接收采集的电池包总电流；

构建代价函数J：

其中代表SOC差异项，当SOC差异越大时，其值越大；t代表时间；c为单体电池编号；N＝3为电池串联个数，SOC_c(t)为编号为c的电池在t时刻的SOC值；为t时刻所有电池的SOC平均值。

T＝4.8h为工况持续时间；P、Q分别为SOC差异项、功耗项的权重值，P＝200，Q＝1。

建立线性约束条件：

SOC(0)＝SOC_initial

SOC_min≤SOC(k)≤SOC_max

i_{dc_min}≤i_c,balancing(k)≤i_{dc_max}

i_{c_min}≤i_c(k)≤i_{c_max}

c∈{1,2...N},k∈{0,ΔT，2ΔT...T}

其中SOC(k+1)、SOC(k)、SOC(0)分别为k+1、k、0时刻的SOC值；ΔT＝0.1s为时间间隔；η＝1为库伦系数；Cn＝5.4Ah为电池额定容量；i_c(k)为k时刻电池净流出电流(放电为正，充电为负)；SOC_initial为SOC初始值，三个电芯为别为0.9/0.88/0.87；i_c,balancing(k)为k时刻单体均衡电流；i_pack(k)为k时刻电池包总电流；SOC_min＝0.05、SOC_max＝0.95为SOC下限、上限值；i_{dc_min}＝-26.5A、i_{dc_max}＝26.5A为DC/DC允许通过电流的下限、上限值；i_{c_min}＝-50A、i_{c_max}＝50A为单体电池所能承受的电流下限、上限值；c代表单体电池编号；k代表时刻；N＝3为电池串联个数；T＝4.8h为工况持续时间；P＝200、Q＝1。

将更新的信息发送给PC，并重复步骤3-9，直至放电完成。

图2、图3分别表示未开启均衡算法及开启均衡算法时三个电池的SOC变化图；比较结果可知，此均衡方法可快速均衡电池SOC差异；

图4表示在工况结束时，未开启均衡算法与开启均衡算法两者的电池包未使用容量及能量耗散；对比图可知，此均衡方法可减少整包未使用容量，并且降低因均衡产生的能量耗散；

图5、图6分别表示未开启均衡算法及开启均衡算法时三个电池的温度变化图，对比可知，此均衡算法可将三个电池工作最高温度从81℃降低至75℃；而且可将三个电池工作温差从28℃降低至17℃。

Claims

1.一种电池主动均衡方法，其特征在于，包括：

根据电池包各个单体SOC值，计算电池包平均SOC值；

将每个单体SOC值与平均SOC值进行比较；若单体SOC与平均SOC差值大于等于第一阈值，则主控制器向均衡控制器发送放电指令；若单体SOC值与平均SOC差值小于等于第二阈值，则主控制器向均衡控制器发送充电指令。

2.根据权利要求1所述的电池主动均衡方法，其特征在于：所述单体SOC值在均衡开始时为初始单体SOC值，在均衡过程中为更新的单体SOC值，更新的单体SOC值的获取步骤为：

根据主控制器接收采集的电池包总电流，计算单体均衡电流；

构建代价函数J：

其中代表SOC差异项，当SOC差异越大时，其值越大；t代表时间；c为单体电池编号；N为电池串联个数，SOC_c(t)为编号为c的电池在t时刻的SOC值；为t时刻所有电池的SOC平均值；

其中代表功率耗散项，当功耗越大时，其值越大；P_{c_loss}代表c电池功耗；R_bat为电池内阻；i_c(t)为t时刻电池净流出电流；

T为工况持续时间；P、Q分别为SOC差异项、功耗项的权重值；

建立线性约束条件，通过线性规划方法，找到当前电池包总电流所对应的均衡电流最优解，在此最优解下，得到更新的单体SOC值。

3.根据权利要求2所述的电池主动均衡方法，其特征在于：所述建立的线性约束条件为：

其中SOC(k+1)、SOC(k)、SOC(0)分别为k+1、k、0时刻的SOC值；ΔT为时间间隔；η为库伦系数；Cn为电池额定容量；i_c(k)为k时刻电池净流出电流(放电为正，充电为负)；SOC_initial为SOC初始值；i_c,balancing(k)为k时刻单体均衡电流；i_pack(k)为k时刻电池包总电流；SOC_min、SOC_max为SOC下限、上限值；i_{dc_min}、i_{dc_max}为DC/DC允许通过电流的下限、上限值；i_{c_min}、i_{c_max}为单体电池所能承受的电流下限、上限值。

4.根据权利要求1-3任一所述的电池主动均衡方法，其特征在于：所述第一阈值和第二阈值根据电池包要求压差设置。

5.根据权利要求4所述的电池主动均衡方法，其特征在于：所述第一阈值为0.01～0.03；所述第二阈值为-0.03～-0.01。