CN110880622A - 一种电池组的均衡控制方法 - Google Patents

一种电池组的均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池组的均衡控制方法，其通过预处理模块，基于荷电状态的均衡信息计算模块，基于充电末端电压的均衡信息计算模块和均衡开启关闭控制模块这四个模块来控制电池组的均衡。本发明的优点：均衡控制策略以电压及电池荷电状态作为均衡变量，电压作为均衡变量，电压可以直接测量得到，运算简单，响应速度快，电压在工作状态下波动较大，所以电压并不能全面的衡量电池一致性。同时采用电池荷电状态作为电池均衡变量可以使得电池在可放电电量上保持一致，从而能够更好的提高电池的能量利用率，并且允许在充电开始的时候开启均衡，提高均衡效率。

Description

一种电池组的均衡控制方法
技术领域
本发明涉及一种电池组的均衡控制方法，属于电池均衡技术领域。
背景技术
锂电池在电动汽车、储能***等领域使用时，由于受单体电池的电压、容量的限制，必须经过相应的串并联来组成电池组以提升总电压和总容量。电池组中的每节单体电池必然会产生不一致性，其原因主要在于以下两个方面：1电池生产制造过程导致的不一致：这主要指的是电池不一致性的先天部分。作为化工产品，受材料，工艺等因素的制约，电池出厂时存在一定的不一致性。例如，不同批次的电池原材料可能导致电池材料的化学特性存在一定的不一致；又如，即使同一批次的原材料，由于研磨，搅拌工艺的原因，也可能导致电极材料的颗粒大小，导电性等存在不一致性；再如，在电池化成过程中，电极附近所形成的SEI膜具有一定的随机性，也会导致电池的不一致性。这些不一致性可以表现在电池性能的多个方面：一方面，电池容量不一致，另一方面，电池的自放电系数不一致。2电池的工作环境导致的不一致：这主要指的是电池不一致性的后天部分。电池的性能受工作环境的影响较大，影响电池性能的因素包括温度，振动等多个方面，其中温度是影响动力电池不一致性的重要因素。电池包内部的温度场分布很难做到均匀，短期来看，温度场的不均匀可能导致单体电池的有效容量及充放电性能产生不一致；长期来看，这样的不均匀可能导致电池化学性能衰退的不一致，也就是每个电池的老化程度不一致。
而电池组在使用过程中，出于安全考虑，电池管理***以电压最低的那个电池低于放电过压保护阈值为禁止放电的标准，而以电压最高的那个电芯高于充电过压保护阈值为禁止充电的标准。充电时，个别单体电池先到达充电截止电压，完成充电，放电时，个别单体电池先到达放电截止电压，停止放电，这大大降低了电池组的可用的能量。并且随着充放电次数增多，各电池之间的电压差越来越大，电池组可供有效使用的电量就越来越少。
为了避免电池的一致性变差，常用的解决方式是在电池组内部设计均衡电路，通过均衡电路控制每一节单体电池在不一致时能够均衡到一致。目前均衡电路可以按照不同的方式进行分类，1按电池组工作状态分类，可以分为充电均衡即电池在充电过程中开启均衡和放电均衡即电池在放电过程中开启均衡和双向均衡即在整个充放电过程中开启均衡。2按均衡的主动性分类，可以分为主动均衡和被动均衡，主动均衡是均衡装置能够自动根据电池组的状态主动开启均衡操作，而被动均衡则不能主动判断电池组的状态而只是被动的开启均衡操作。3按能量方式分类，可以分为能量耗散型和能量非耗散型，即通常所说的被动均衡和主动均衡方式。主动均衡多采用储能元件，开关元件以及二极管等组成，将电芯能量高的能量转移到能量低的电芯中，这种方式不会造成电池的能量损失，但是主动均衡的电路复杂，集成度不高，稳定性低且成本高。被动均衡通过开关元件以及耗散电阻组成，将能量高的电芯的能量通过并联的电阻释放掉，这种方式消耗了电池的能量，造成电池的利用率降低，但是其实现方式简单可靠，集成度高。
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，所以也被普遍采用。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，对是否需要对这个单体电池进行均衡进行判断。
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如果只把充电末端电压对齐，由于此时接近充满的状态，会导致可以用来开启均衡的时间很少，均衡效率很低。2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Rdc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，这增加了错误判断均衡的几率。所以，如果计算均衡信息的时候，只考虑电压值而没有考虑到每个单体电池的荷电量不一样，就会导致均衡信息计算不准确。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种电池组的均衡控制方法。
本发明通过下述方案实现：一种电池组的均衡控制方法，其通过预处理模块，基于荷电状态的均衡信息计算模块，基于充电末端电压的均衡信息计算模块和均衡开启关闭控制模块这四个模块来控制电池组的均衡。
所述预处理模块由电流处理子模块，温度处理子模块，长时间静置判定子模块组成。
所述长时间静置判定子模块判断在***重新上电前一定时间内且如果上电时刻的实时时钟的时间减去上一次下电时刻的实时时钟的时间是否大于SOC静态修正时间阈值，若大于则判定长时间静置标志位置位，若小于则标志位清零。
所述基于荷电状态的均衡信息计算模块由均衡信息计算功能使能判定子模块、计算均衡时间矩阵子模块、当在均衡时更新均衡的剩余时间子模块、输出需要下电存储的电芯序列和时间子模块、计算均衡时间最长的那颗电芯序号子模块五个子模块组成。
所述均衡信息计算功能使能判定子模块判定单体电流的绝对值是否小于等于小电流阈值，***最小温度是否大于等于使能OCV查表的最低温度，***最高电压是否小于等于SOC修正低端电压阈值，长时间静置静置标志位是否置位，以上四个条件是否都满足，如果满足则均衡信息计算功能使能标志位置位，如果不满足则把均衡信息计算功能使能标志位给清零。
所述计算均衡时间矩阵子模块在均衡信息计算功能使能置位时，使用输入的电压信号组和***最低电压通过查表获得输入所有电芯的SOC差值，选出以上SOC差值大于过大SOC差值的电芯作为需要均衡的电芯，计算以上电芯的均衡时间：根据以下公式计算相应电芯需要的均衡时间：
Figure BDA0002234872900000041
上式中，Δsoc为对应电芯SOC与最低SOC的差值，Cnom为电芯的标称容量，Npara为电芯并联数，Ibai为均衡电流，Tcall为均衡模块的调度周期。
所述当在均衡时更新均衡的剩余时间子模块在均衡信息计算功能使能标志位为置位状态时，更新的计算的均衡时间矩阵为以上的计算的均衡时间矩阵，下一步选出需要更新的电芯序号为电压等于最高电压的那颗电芯的序号，如果均衡信息计算功能使能标志位清零，更新的计算的均衡时间矩阵为下一步计算的均衡时间矩阵；下一步选出需要更新的电芯序号为上电初始电芯的序号或者上次在开启均衡的那颗电芯序号；再更新均衡时间矩阵：在一个调度周期内，如果处于均衡开启则均衡剩余时间减去一个调用周期，并判断如果最大最小电压的压差小于停止均衡压差值，则均衡时间清零。输出需要下电存储的电芯序列和时间子模块，将均衡时间大于均衡时间需要存储的下限时间值的均衡时间存储起来。
所述计算均衡时间最长的那颗电芯序号子模块，把剩余均衡时间矩阵减去其最小值得到所有均衡时间差值矩阵，把剩余均衡时间矩阵的最大值减去最小值得到最大最小均衡时间差值，最大最小均衡时间差值大于均衡开启时间阈值，并找到剩余均衡时间最长的那颗电芯序号：从所有均衡时间差值矩阵找到等于最大最小均衡时间差值的那颗电芯，并作为基于SOC的均衡计算得到的待均衡电芯。
所述基于充电末端电压的均衡计算模块，由充电末端判断子模块和根据电压来计算需要均衡的电芯序号子模块组成，充电末端判断子模块，如果***最高电压大于充电末端电压阈值，则把充电末端标志位置位，根据电压来计算需要均衡的电芯序号子模块，输入的电压信号组减去***最低电压得到所有电压差矩阵，***最高电压减去***最低电压得到最大最小电压差值，如果最大最小电压差大于开始均衡压差值，需要均衡的电芯序号为最大电压的那颗电芯的序号，直到最大最小电压差值小于停止均衡压差值。
所述均衡开启关闭控制模块由间隔一段时间开启关闭均衡子模块组成。每隔均衡开启时间的上限时间后，开启和关闭均衡，并判定是否在充电末端标志位置位，如果是则需要均衡的电芯序号为基于充电末端电压的计算值，否则为基于荷电状态的计算值。
本发明的有益效果为：将均衡控制策略以电压及电池荷电状态作为均衡变量，电压作为均衡变量，电压可以直接测量得到，运算简单，响应速度快，电压在工作状态下波动较大，所以电压并不能全面的衡量电池一致性。同时采用电池荷电状态作为电池均衡变量可以使得电池在可放电电量上保持一致，从而能够更好的提高电池的能量利用率，并且允许在充电开始的时候开启均衡，提高均衡效率。
附图说明
图1为本发明一种电池组的均衡控制方法的结构示意图。
图2为本发明一种电池组的均衡控制方法中均衡信息计算功能使能判定子模块的逻辑流程图。
图3为本发明一种电池组的均衡控制方法中当在均衡时更新均衡的剩余时间子模块的逻辑流程图。
具体实施方式
下面结合图1-3对本发明进一步说明，但本发明保护范围不局限所述内容。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征，在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱，应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关***或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例，另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
以磷酸铁锂电池组的被动均衡为例。
通过下述方案实现：一种电池组的均衡控制方法，通过预处理模块，基于荷电状态的均衡信息计算模块，基于充电末端电压的均衡信息计算模块和均衡开启关闭控制模块这四个模块来控制电池组的均衡。
其中，预处理模块由电流处理子模块，温度处理子模块，长时间静置判定子模块组成。
进一步地，长时间静置判定子模块，在***重新上电后的前1S做如下判断，是否上电时刻的实时时钟RTC时间减去上一次下电时刻的实时时钟RTC时间的差值大于SOC静态修正时间阈值1小时，如果是则把长时间静置标志位给置位，如果不是则把长时间静置标志位给清零。
其中，基于荷电状态的均衡信息计算模块由均衡信息计算功能使能判定子模块，计算均衡时间矩阵子模块，当在均衡时更新均衡的剩余时间子模块，输出需要下电存储的电芯序列和时间子模块，计算均衡时间最长的那颗电芯序号子模块这几个子模块组成。
进一步地，均衡信息计算功能使能判定子模块，其逻辑流程如图2所示，步骤S11判断单体电流取绝对值是否小于等于小电流阈值2A，如果不是则把均衡信息计算功能使能标志位给清零，如果是则进行下一步，步骤S12判断***最小温度是否大于等于使能OCV查表的最低温度10度，如果不是则把均衡信息计算功能使能标志位给清零，如果是则进行下一步，步骤S13判断***最高电压是否小于等于SOC修正低端电压阈值3.28V，如果不是则把均衡信息计算功能使能标志位给清零，如果是则进行下一步，步骤S14判断长时间静置静置标志位是否置位，如果不是则把均衡信息计算功能使能标志位给清零，如果是则把均衡信息计算功能使能标志位给置位。
进一步地，计算均衡时间矩阵子模块，首先判断均衡信息计算功能使能标志位是否置位，如果是则使用所有电池的电压值和最低电压值通过SOC-OCV数据表查表获得所有电池的SOC值和最低的SOC值，把所有电池的SOC值减去最低的SOC值得到所有电池的SOC最低差值，选出以上SOC最低差值大于过大SOC差值6％的电池作为需要均衡的电池，并计算以上电池需要开启均衡的时间，计算公式如下：,
Figure BDA0002234872900000071
上式中，Cnom为电池的标称容量(单位为Ah)，90Ah，Npara为电芯并联数，2并，Δsoc为对应电池SOC与最低SOC的差值(单位为％)，Ibai为均衡电流(单位为A)，0.05A，Tcali为均衡模块的调度周期(单位为S)，0.1S。
进一步地，当在均衡时更新均衡的剩余时间子模块，如图3所示，步骤S21，如果均衡信息计算功能使能标志位为置位状态，则更新的计算的均衡时间矩阵为以上的计算的均衡时间矩阵，再选出需要更新的电芯序号为电压等于最高电压的那颗电池的序号。步骤S22，如果均衡信息计算功能使能标志位位清零状态，更新的计算的均衡时间矩阵为下一步计算的均衡时间矩阵，再选出需要更新的电芯序号为上电初始电芯或者上次在开启均衡的那颗电池序号。步骤S23，再更新均衡时间矩阵：在一个调度周期内判断，如果处于均衡开启则均衡剩余时间减去一个调用周期0.1S，步骤S24，判断如果最大最小电压的压差小于停止均衡压差值15mV，则均衡时间清零。
进一步地，输出需要下电存储的电芯序列和时间子模块，把均衡时间大于均衡时间需要存储的下限0.5小时的均衡时间存储起来，数量为5个。
进一步地，计算均衡时间最长的那颗电芯序号子模块，把剩余均衡时间矩阵减去其最小值得到所有均衡时间差值矩阵，把剩余均衡时间矩阵的最大值减去最小值得到最大最小均衡时间差值，最大最小均衡时间差值大于均衡开启时间阈值30分钟，并找到剩余均衡时间最长的那颗电芯序号：从所有均衡时间差值矩阵找到等于最大最小均衡时间差值的那颗电芯，并作为基于SOC的均衡计算得到的待均衡电芯。
其中，基于充电末端电压的均衡计算模块，由充电末端判断子模块和根据电压来计算需要均衡的电芯序号子模块组成。
进一步地，充电末端判断子模块，如果***最高电压大于充电末端电压阈值3.6V，则把充电末端标志位置位。
进一步地，根据电压来计算需要均衡的电芯序号子模块，输入的电压信号组减去***最低电压得到所有电压差矩阵，***最高电压减去***最低电压得到最大最小电压差值，如果最大最小电压差大于开始均衡压差值20mV，需要均衡的电芯序号为最大电压的那颗电芯的序号，直到最大最小电压差值小于停止均衡压差值15mV。
其中，均衡开启关闭控制模块由间隔一段时间开启关闭均衡子模块。每隔均衡开启时间的上限时间0.5H后，开启和关闭均衡，并判定是否在充电末端标志位置位，如果是则需要均衡的电芯序号为基于充电末端电压的计算值，否则为基于荷电状态的计算值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池组的均衡控制方法，其特征在于：其通过预处理模块，基于荷电状态的均衡信息计算模块，基于充电末端电压的均衡信息计算模块和均衡开启关闭控制模块这四个模块来控制电池组的均衡。
2.根据权利要求1所述的一种电池组的均衡控制方法，其特征在于：所述预处理模块由电流处理子模块，温度处理子模块，长时间静置判定子模块组成。
3.根据权利要求2所述的一种电池组的均衡控制方法，其特征在于：所述长时间静置判定子模块判断在***重新上电前一定时间内且如果上电时刻的实时时钟的时间减去上一次下电时刻的实时时钟的时间是否大于SOC静态修正时间阈值，若大于则判定长时间静置标志位置位，若小于则标志位清零。
4.根据权利要求1所述的一种电池组的均衡控制方法，其特征在于：所述基于荷电状态的均衡信息计算模块由均衡信息计算功能使能判定子模块、计算均衡时间矩阵子模块、当在均衡时更新均衡的剩余时间子模块、输出需要下电存储的电芯序列和时间子模块、计算均衡时间最长的那颗电芯序号子模块五个子模块组成。
5.根据权利要求4所述的一种电池组的均衡控制方法，其特征在于：所述均衡信息计算功能使能判定子模块判定单体电流的绝对值是否小于等于小电流阈值，***最小温度是否大于等于使能OCV查表的最低温度，***最高电压是否小于等于SOC修正低端电压阈值，长时间静置静置标志位是否置位，判断以上四个条件是否都满足，如果满足则均衡信息计算功能使能标志位置位，如果不满足则把均衡信息计算功能使能标志位给清零。
6.根据权利要求4所述的一种电池组的均衡控制方法，其特征在于：所述计算均衡时间矩阵子模块在均衡信息计算功能使能置位时，使用输入的电压信号组和***最低电压通过查表获得输入所有电芯的SOC差值，选出以上SOC差值大于过大SOC差值的电芯作为需要均衡的电芯，计算以上电芯的均衡时间。
7.根据权利要求4所述的一种电池组的均衡控制方法，其特征在于：所述当在均衡时更新均衡的剩余时间子模块在均衡信息计算功能使能标志位为置位状态时，更新的计算的均衡时间矩阵为以上的计算的均衡时间矩阵，选出需要更新的电芯序号为电压等于最高电压的那颗电芯的序号，输出需要下电存储的电芯序列和时间子模块，将均衡时间大于均衡时间需要存储的下限时间值的均衡时间存储起来。
8.根据权利要求4所述的一种电池组的均衡控制方法，其特征在于：所述计算均衡时间最长的那颗电芯序号子模块，把剩余均衡时间矩阵减去其最小值得到所有均衡时间差值矩阵，把剩余均衡时间矩阵的最大值减去最小值得到最大最小均衡时间差值，最大最小均衡时间差值大于均衡开启时间阈值，并找到剩余均衡时间最长的那颗电芯序号，从所有均衡时间差值矩阵找到等于最大最小均衡时间差值的那颗电芯，并作为基于SOC的均衡计算得到的待均衡电芯。
9.根据权利要求1所述的一种电池组的均衡控制方法，其特征在于：所述基于充电末端电压的均衡计算模块，由充电末端判断子模块和根据电压来计算需要均衡的电芯序号子模块组成，充电末端判断子模块的工作流程是如果***最高电压大于充电末端电压阈值，则把充电末端标志位置位，根据电压来计算需要均衡的电芯序号子模块，输入的电压信号组减去***最低电压得到所有电压差矩阵，***最高电压减去***最低电压得到最大最小电压差值。
10.根据权利要求1所述的一种电池组的均衡控制方法，其特征在于：所述均衡开启关闭控制模块由间隔一段时间开启关闭均衡子模块组成，每隔均衡开启时间的上限时间后，开启和关闭均衡，并判定是否在充电末端标志位置位，如果是则需要均衡的电芯序号为基于充电末端电压的计算值，否则为基于荷电状态的计算值。
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