CN111301226A - 电动汽车动力电池主动均衡装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了电动汽车动力电池主动均衡装置及方法，该装置包括改进型Buck‑Boost均衡电路结构和模糊控制器，改进型Buck‑Boost电路拓扑结构包括多组Buck‑Boost均衡电路，多组均衡电路之间相互独立，Buck‑Boost均衡电路用于串联电池组；模糊控制器包括依次连接的输入输出变量确定模块、精准量的模糊化模块、模糊规则集建立模块和输出量反模糊化模块；本发明对传统的Buck‑Boost拓扑结构均衡电路结构进行改进，提出一种基于改进型级联式Buck‑Boost结构的均衡装置，该装置可在相邻单体、不相邻单体之间同时实现能量转移，均衡速度显著提升。

Description

电动汽车动力电池主动均衡装置及方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车电子领域，特别涉及一种电动汽车动力电池主动均衡装置及方法。
背景技术
作为电动汽车的核心，动力电池性能的优劣在很大程度上决定着电动汽车的整体性能，成为电动汽车发展的主要影响因素。目前，电池一般都存在一致性差异，尤其是在动态工况下，电池组一致性变差是一个必然的过程。为了充分使用电池能量，延长电池使用寿命，必须通过均衡技术和方法，使各单体电池基本上同时放空、同时充满，达到各单体电池的剩余能量趋于一致。目前均衡方式种类繁多，性能特点各异，但分析结果表明现有的均衡方法均无法在均衡速度、均衡效率与电路复杂程度方面实现兼顾。
目前，常见的主动均衡方式有集中电容式、集中电感式、双向反激变压器式和主动并联式等等。其中，基于电容的均衡方案通常需要较多的开关器件，均衡电路较为复杂，且均衡能力受电池单体间电压差异的影响；基于变压器的均衡方案，它可实现单体对整体，整体对单体，单体对单体等任意数量的单体的均衡，均衡速度快，但变压器体积大，同轴多绕组变压器存在难于设计，扩展性差；基于电感的均衡拓扑，其均衡能力不受电池单体间电压差异的影响，结构简单，成本合理，比如Buck-Boost均衡结构，但能量只能在相邻单体中传递，若待均衡单***置不相邻，则均衡时间长，均衡效率低。
参见图1，图1为传统的Buck-Boost均衡电路拓扑结构，该结构采用双向非耗散型分流电路，通过控制PWM，实现在相邻单体电池中，将能量从较高单体转移到较低单体中，通过换流的形式实现能量的双向传递。开关器件的通断由控制器输出的PWM脉冲进行控制，调节PWM占空比的大小，即可调节能量转移的速度。
相邻单体电池需要均衡时，传统Buck-Boost均衡电路的工作过程如下：假设SOCB1>SOCB2时，开关管Q1导通，单体电池B1对储能电感L1充电，完成部分能量转移；当Q1关断后，Q2导通，此时电感L1充当电源，将能量转移到单体电池B2，实现SOC均衡。同理，单体电池B2的能量将会转移到单体B1中。
不相邻单体电池需要均衡时，假设SOCB1>SOCB4，则需要通过B1、B2、B3、B4四节电池依次传递能量，即三组拓扑结构工作，最终实现均衡。这种均衡方式严重影响均衡速度，并且开关器件的通断和储能元件在工作过程中会产生损耗，降低均衡效率，影响均衡精度。
发明内容
本发明提供一种电动汽车动力电池主动均衡装置及方法，解决现有技术中只能均衡相邻单体电池、均衡效率不高的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
电动汽车动力电池主动均衡装置，包括改进型Buck-Boost均衡电路结构和与改进型Buck-Boost均衡电路结构连接的模糊控制器，改进型Buck-Boost电路拓扑结构包括多组Buck-Boost均衡电路，多组均衡电路之间相互独立，所述Buck-Boost均衡电路用于串联电池组；单个Buck-Boost均衡电路由开关管Q1、开关管Q2、电感L1构成；开关管Q1、电感L1和单体电池B1构成一个回路，开关管Q2、电感L1和单体电池B2构成一个回路，两个回路共用电感L1；所述模糊控制器包括依次连接的输入输出变量确定模块、精准量的模糊化模块、模糊规则集建立模块和输出量反模糊化模块。
电动汽车动力电池主动均衡方法，包括如下步骤：
步骤一：连接电池单体并上电；
步骤二：测量电池单体电池电压、串联电池组电流参数，并估计出单体电池的起始电池剩余电量SOC；
步骤三：计算相邻两节电池的SOC差值△SOC和电池组SOC的平均值
Figure BDA0002432537780000022
；
步骤四：判断是否达到均衡阈值η，均衡阈值η的判断公式如下：
Figure BDA0002432537780000021
其中，η为SOC的均衡阈值；SOCi(0)、SOCi(t)分别表示第i个单体电池的初始SOC和t时刻的SOC值；
当△SOC大于设定的均衡阈值，开启均衡模块，当△SOC不大于设定的均衡阈值，重复步骤二。
本发明的有益效果：
1.本发明对传统的Buck-Boost拓扑结构均衡电路结构进行改进，提出一种基于改进型级联式Buck-Boost结构的均衡装置，该装置可在相邻单体、不相邻单体之间同时实现能量转移，均衡速度显著提升；
2.本发明采用模糊逻辑推理，以电池的SOC作为均衡变量，通过量化指标来判断均衡模式，通过均衡电流大小控制MOSFET的开通和关断，从而提高均衡精度；
3.经过仿真和实验验证，本发明的均衡结构及均衡算法，对电动汽车串联电池组进行有效均衡，实时性好，结果可靠，均衡效率高。
附图说明
图1是传统的Buck-Boost均衡拓扑电路图；
图2是本发明改进型Buck-Boost均衡拓扑电路；
图3是模糊控制器的结构图；
图4是本发明均衡控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附和实施例对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式包括但不限于以下实施例表示的范围。
参见图2，图2是本发明改进型Buck-Boost电路拓扑结构的均衡装置，该均衡方法采用将串联电池组单体分层的结构，相邻单体电池形成一组拓扑结构，相邻两组形成新的一组结构，如图所示，B1和B2，B3和B4分别形成一组均衡结构，而B1+B2和B3+B4又形成一组均衡结构，以此类推。当单体电池数量较大时，会形成一个环式结构。
改进型Buck-Boost均衡拓扑电路，可实现各组结构独立工作，即任意一组结构的均衡工作与其它组互不影响，内环的均衡工作与外环也互不影响。如B1和B2均衡时，B3和B4可同时均衡，在外环，B1+B2和B3+B4同时均衡，B1+B2+B3+B4和B5+B6+B7+B8也可进行同时工作。这种结构可以同时实现相邻单体与不相邻单体之间进行均衡，还能和相隔“较远”的单体同时进行能量交换，均衡时间显著缩短，解决了传统电池均衡电路均衡速度慢的问题。
以4节单体电池串联结构为例，改进型Buck-Boost均衡结构的工作过程如下：假设SOCB1>SOCB2，SOCB4>SOCB3，并且SOCB1+SOCB2>SOCB3+SOCB4。
在内环，SOCB1>SOCB2，令Q1导通，Q2断开，此时单体电池B1给电感L1充电；然后Q1断开，Q2导通，储能电感L1给单体B2充电。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Q2的反并联二极管续流，继续给B2充电，最终实现相邻两节单体电池的SOC均衡。同理，实现单体电池B3和B4之间均衡。
同时，在外环，由于SOCB1+SOCB2>SOCB3+SOCB4，令Q5导通，Q6断开，此时Q1和Q2联合给电感L3充电；然后令Q5断开，Q6导通，此时电感L3给Q3和Q4同时充电。外环与内环的拓扑电路同时进行工作，实现四节单体电池的均衡。
在任何一环，当检测到相邻的两组电池SOC相等时，即断开相应的两个开关管，如当检测到SOCB1＝SOCB2时，同时断开Q1和Q2，此时B1和B2作为一个整体与其他电池均衡。
改进型Buck-Boost均衡拓扑针对传统结构只能均衡相邻两节电池的缺陷，实现了不相邻单体电池的均衡，均衡速度显著增加。
参见图3，图3是模糊控制器结构图，本发明以电池的SOC作为均衡变量，通过量化指标来判断是否需要开启均衡模块，均衡电流的大小控制MOSFET的开通和关断，从而提高均衡精度。
(1)模糊控制器是以相邻两节电池的SOC差值△SOC和电池组均衡目标
Figure BDA0002432537780000048
为输入变量，将电池均衡电流Iequ作为输出变量。其中，均衡***需要计算：
△SOC＝SOCi-SOCi-1 (1)
Figure BDA0002432537780000041
输出变量与输入变量的关系如式(3)，其大小直接决定了均衡时间和均衡效率。
Figure BDA0002432537780000042
(2)模糊控制器的输入输出量△SOC、
Figure BDA0002432537780000043
Iequ的模糊论域分别为[0，0.5]、[0，1]、[0，6]。为了提高模糊控制的精度，将△SOC的基本分为{0，0.05，0.1，0.15，0.2，0.5}五个区域，将
Figure BDA0002432537780000044
的基本论域细分为{0，0.2，0.4，0.6，1}四个区域，将Iequ的基本论域细分为{0，1，2，3，4，6}五个区域。
输入输出参数论域的模糊集合定义如下
△SOC＝{SS，S，M，B，BB}
Figure BDA0002432537780000045
Iequ＝{SS，S，M，B，BB}
(3)模糊控制规则的建立由模糊集合的子集个数决定，表1所示的15条控制规则表示不同输入变量得到不同的均衡电流。
表1模糊控制规则表
Figure BDA0002432537780000046
(4)对模糊输出应用重心法[10]进行反模糊化，计算出输出的均衡电流Iequ的表达式如式(4)所示，
Figure BDA0002432537780000047
其中，μ(z)为模糊推理的输出结果，是变量z的隶属度函数。
结合图4，均衡控制策略具体估算过程包括以下步骤：
步骤一：连接电池单体并上电；
步骤二：测量电池的单体电池电压、串联电池组电流参数，并估计出单体电池的起始电池剩余电量SOC；
步骤三：计算相邻两节电池的SOC差值△SOC和电池组SOC的平均值
Figure BDA0002432537780000052
；
步骤四：判断是否达到均衡阈值。
考虑均衡精度和估算误差，引入式(5)设定均衡阈值η，
Figure BDA0002432537780000051
其中，η为SOC的均衡阈值；SOCi(0)、SOCi(t)分别表示第i个单体电池的初始SOC和t时刻的SOC值。
当△SOC大于设定的均衡阈值，开启均衡模块，当△SOC不大于设定的均衡阈值，重复步骤二。
基于模糊控制的均衡算法可以根据电池组单体电池SOC的分布情况，输出不同的隶属度函数，不同的输入变量产生不同的输出量，从而灵活地调节均衡电路的电流，对动力电池组进行有效的均衡控制，提高均衡效率。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (2)

1.电动汽车动力电池主动均衡装置，包括改进型Buck-Boost均衡电路结构和与改进型Buck-Boost均衡电路结构连接的模糊控制器，其特征在于，改进型Buck-Boost电路拓扑结构包括多组Buck-Boost均衡电路，多组均衡电路之间相互独立，所述Buck-Boost均衡电路用于串联电池组；单个Buck-Boost均衡电路由开关管Q1、开关管Q2、电感L1构成；开关管Q1、电感L1和单体电池B1构成一个回路，开关管Q2、电感L1和单体电池B2构成一个回路，两个回路共用电感L1；所述模糊控制器包括依次连接的输入输出变量确定模块、精准量的模糊化模块、模糊规则集建立模块和输出量反模糊化模块。
2.电动汽车动力电池主动均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：连接电池单体并上电；
步骤二：测量电池单体电池电压、串联电池组电流参数，并估计出单体电池的起始电池剩余电量SOC；
步骤三：计算相邻两节电池的SOC差值△SOC和电池组SOC的平均值
Figure FDA0002432537770000012
步骤四：判断是否达到均衡阈值η，均衡阈值η的判断公式如下：
Figure FDA0002432537770000011
其中，η为SOC的均衡阈值；SOCi(0)、SOCi(t)分别表示第i个单体电池的初始SOC和t时刻的SOC值；
当△SOC大于设定的均衡阈值，开启均衡模块，当△SOC不大于设定的均衡阈值，重复步骤二。
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