CN112886666A - 一种适于级联锂电池组的分散式主动均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适于级联锂电池组的分散式主动均衡方法，将级联电池组中每个电池单体分别通过一个均衡器与直流母线相连，每个均衡器均包括独立的控制器、采样电路、供电电路、驱动电路和主电路，主电路的输入端与对应的电池单体连接，主电路的输出端与直流母线连接。本发明解决了现有级联电池组均衡方法在出现集中控制器故障或通讯故障时不能实现均衡的技术问题，提高了均衡方法的可靠性；且其能通过配置C、K、R参数使均衡器工作在高效率上并且加快均衡速度或提高均衡精度。本发明采用总线式结构，其能实现所有电池单体同时均衡从而大幅度提高均衡速度；本发明采用模块化设计可根据级联电池组规模任意配置，扩展性强。

Description

一种适于级联锂电池组的分散式主动均衡方法
技术领域
本发明涉及锂电池、电力电子技术领域，特别涉及一种适用于级联锂电池组的分散式主动均衡方法。
背景技术
锂电池拥有着诸多优点，在各个领域都有着广泛的使用。单个电池因单体容量小和电压低的特点导致在很多领域不适用，所以必须串联电池来增加电压或并联电池增加容量即形成电池组来满足要求。由于生产制造过程或运行过程中各个电池单体的一些参数如内阻、容量、电压会产生差异，称之为不一致性，不一致性会使各个单体的电压和SOC(Stateof charge，荷电状态)出现差异。这有可能导致电池组中个别电池单体过充或过放从而影响电池寿命甚至出现安全事故。所以使用适当的电池均衡方法是重要的。
为了解决电池均衡问题，现在一般有两种解决方法，其一是被动均衡即将SOC高的单体与电阻相连使多余的能量转换成热能耗散掉，这种方法成本低且简单是现在商业应用的主流。但是被动均衡方法的缺点是多余的能量被无故消耗掉使得能效低并且当需要耗散掉的能量过多时需要冷却***进行降温。而另一种方法为主动均衡，其通过电能变换装置将电池单体或电池串的能量转移到另一个电池单体或电池组，这样多余的能量可以尽可能利用上。
现在大多数主动均衡方法都使用集中式即采样电路将各个电池的电压或SOC等信息传递给一个控制器，控制器通过分析各个电池单体的电压或SOC差异统一给出均衡指令。这种方法能知晓所有电池单体的信息从而做出相对最优的解，但是由于依赖于所有单体的信息所以当出现通信故障或集中控制器失效时均衡将失效。
为了解决现有技术中当通信故障或集中控制器失效时电池不能均衡的问题，已有多篇论文和专利进行研究并提出了相应解决方法，例如：
1、申永鹏等人在发表的“动力电池组分散式主动均衡控制***”论文中提出了“单体解耦-分散式控制器串联”结构，N个单体组分别与一个分散式控制器并联，N个分散式控制器的输出端以串联的方式连接以产生母线电压，单体组及分散式控制器的组合称之为智能单体。虽然其没有集中控制器从而解决了现有技术中集中控制器失效时电池不能均衡的问题，但其仍然依赖于通信线路。
2、Damien F.Frost等人发表的“Completely Decentralized Active BalancingBattery Management System”的文章中，每个电池单体与一个控制器、一个电感、两个电力电子器件及采样电路组成智能单元，每个智能单元级联成电池组。当每个智能单元切入和切出电池组时，其电压都能被电感感测到，从而计算电感电压波形变化差即可知道切入或切出电池组的智能单元的端电压。控制器感测本地电感电压变化，从而在不依靠任何通信的情况下知晓整个电池组的平均电压和自身电压进而实现电池均衡。但是其缺点是智能单元数量越多，开关频率则必须越低以保证有足够的采样点去采集电感上电压。并且其实质是多个降压变换器串联在一起，所以只能利用一部分电池组电压，有可能导致无法满足负载电压要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中当通信故障或集中控制器失效时电池不能均衡的问题，提供一种适于级联锂电池组的分散式主动均衡方法，以实现在不需要通信或集中控制器的条件下解决电池的主动均衡问题。
本发明适于级联锂电池组的分散式主动均衡方法，将级联电池组中每个电池单体分别通过一个均衡器与直流母线相连，每个均衡器均包括独立的控制器、采样电路、供电电路、驱动电路和主电路，主电路的输入端与对应的电池单体连接，主电路的输出端与直流母线连接，供电电路对控制器及采样电路供电，采样电路对该均衡器的输入电压、输入电流和输出电压进行采样，控制器处理采样电路的采样数据并向驱动电路发送控制信号，驱动电路生成驱动信号驱动主电路；
所述均衡器采用电压电流双闭环控制，控制器根据如下公式计算电压环参考值
Figure BDA0002938930750000031
Figure BDA0002938930750000032
其中j为均衡器的序号，j＝1,2,3,…,n；Vij为均衡器的输入电压，也是对应电池单体的实时端电压，由采样电路采得；Iij为均衡器的平均输入电流，平均输入电流由对采样电路采得的输入电流进行数字低通滤波得到，平均输入电流即均衡电流，方向以电池单体放电为正；C、K、R为常数；
将电流环参考值和平均输入电流进行作差比较，将差值输入控制器的PID调节器，将PID调节器的输出值送往控制器的PWM发生器，由其产生PWM信号后输入驱动电路从而生成驱动信号驱动主电路；
均衡器的控制策略包括：
当均衡电流的绝对值小于Ioff且电压环参考值与均衡器的输出电压的差的绝对值小于Voff时，关闭该均衡器的驱动电路和PID调节器从而关闭均衡；当电压环参考值与均衡器的输出电压的差的绝对值大于Von时，则打开该均衡器的驱动电路和PID调节器从而重新加入均衡，其中Ioff是关闭均衡的阈值电流，Voff是关闭均衡的阈值电压，Von是打开均衡的阈值电压，三者都应由实际需求确定并且Von>Voff。
进一步，所述主电路的结构为双向隔离变换器，所述驱动电路为将控制器输出的低压PWM信号转换为隔离的高压PWM信号去驱动变换器的开关管电路。
本发明的有益效果：
1、本发明适于级联锂电池组的分散式主动均衡方法，其取消了集中控制器和通信链路，并且每个电池单体都有一个独立的均衡器与母线连接，从而避免了现有技术中级联电池组在出现集中控制器或通讯故障就不能实现均衡的问题。
2、本发明可以通过配置C、K、R参数使均衡器工作在高效率上并且加快均衡速度或提高均衡精度。
3、本发明采用总线式结构，其能实现所有电池单体同时均衡从而大幅度提高均衡速度。
4、本发明采用模块化设计可根据级联电池组规模任意配置，扩展性强。
附图说明
图1为分散式电池主动均衡的***结构和控制框图。图中包括n个级联在一起的电池单体、n个均衡器、一个直流母线，其中每个均衡器包括独立的控制器、采样电路、供电电路、驱动电路和主电路。每个电池单体分别与均衡器输入端相连、均衡器输出端挂在直流母线上。
图2为各均衡器中主电路的结构和控制框图。
图3为级联电池组为恒阻设备供电条件下的实验波形图。
图4为级联电池组恒流充电条件下的实验波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本实施例中适于级联锂电池组的分散式主动均衡方法，如图1所示，其将级联电池组中每个电池单体分别通过一个均衡器与直流母线相连，每个均衡器均包括独立的控制器、采样电路、供电电路、驱动电路和主电路，主电路的输入端与对应的电池单体连接，主电路的输出端与直流母线连接，供电电路对控制器及采样电路供电，采样电路对该均衡器的输入电压、输入电流和输出电压进行采样，控制器处理采样电路的采样数据并向驱动电路发送控制信号，驱动电路生成驱动信号驱动主电路。本实施例中，所述主电路的结构为双向隔离CUK变换器，所述驱动电路为将控制器输出的低压PWM信号转换为隔离的高压PWM信号去驱动变换器的开关管电路；如图2所示，驱动电路将控制器输出的低压互补带死区的PWM信号转换为隔离高压PWM信号分别驱动双向隔离CUK变换器的两个场效应晶体管。
本实施例中适于级联锂电池组的分散式主动均衡方法的均衡原理为：
各均衡器处于稳定状态时，均衡器的输出电压等于电压环参考值，而当各电池不均衡时则各均衡器的电压环参考值不相同，所以直流母线上各点上出现大偏差从而出现环流，即电流从电压大的端向电压小的端流动。因直流母线电阻较小，即使较小的偏差也会导致大电流，从而实现SOC大的电池单体向SOC小的电池单体充电。
而当快均衡完时，由于直流母线上线路阻抗较小，所以在直流母线电流较小时可以认为直流母线上电压处处相等。因当均衡器处于稳定状态时输出电压等于电压环参考值，所以得到：
C+K*Vi1+R*Ii1＝C+K*Vi2+R*Ii2＝…＝C+K*Vin+R*Iin
将C抵消掉从而得到：
K*Vi1+R*Ii1＝K*Vi2+R*Ii2＝…＝K*Vin+R*Iin
当快均衡完成时均衡电流极小，从而R*Iij这一项可以忽略不记，j＝1,2,3,…,n，得到：
K*Vi1＝K*Vi2＝…＝K*Vin
从而得到各个电池单体的端电压相等，而这时各个电池处于相同条件下，所以可以认为各电池单体SOC相等。
对均衡器输入电压、输出电压、输入电流进行采样，之后对输入电流进行数字低通滤波从而得到平均输入电流。再经过计算得到电压环参考值，之后与采样来的输出电压进行比较，之间的差值送往PID控制器，对PID控制器输出值进行限幅之后作为电流环的参考与输入平均电流进行比较。电流环的输出值送往PWM发生器后生成互补带死区的PWM信号后经驱动电路分别驱动CUK变换器的两个MOSFET。
本实施例中，所述均衡器采用电压电流双闭环控制，控制器根据如下公式计算电压环参考值
Figure BDA0002938930750000051
Figure BDA0002938930750000061
其中j为均衡器的序号，j＝1,2,3,…,n；Vij为均衡器的输入电压，也是对应电池单体的实时端电压，由采样电路采得；Iij为均衡器的平均输入电流，平均输入电流由对采样电路采得的输入电流进行数字低通滤波得到，平均输入电流即均衡电流，方向以电池单体放电为正；C、K、R为常数，且每个均衡器的参数K、C、R都是一样的。可以选择C和K的值来确定母线电压范围从而使均衡器处在高效率点。增大K可以加快均衡速度但是会降低均衡精度，所以需要根据性能指标要求合理选择。一般锂电池模型为：
V＝Voc-Ro*i
可以看出电流越大其端电压与开路电压Voc偏差越大，从而减小均衡速度，所以最好是刚好补偿掉内阻。但由于内阻一般很难测量，所以补偿量R可以选择为锂电池内阻的标称值的K-1倍甚至更小以避免补偿过度。
由于锂电池有最大充放电电流限制，所以需要对均衡电流进行限制。将电压环参考值和采样得到的输入电压进行作差比较，将差值输入控制器的PID调节器，对PID调节器的输出值进行限幅并将限幅之后的值作为电流环参考值，其中限幅值为：
I+＝Imax-I
I-＝-I-Imax
其中Imax为电池单体的最大充放电电流，I为级联电池组电流，I+为正限幅值，I-为负限幅值；将电流环参考值和平均输入电流进行作差比较，将差值输入PID调节器，将PID调节器的输出值送往PWM发生器，由其产生PWM信号后输入驱动电路从而生成驱动信号驱动主电路。
均衡器的控制策略包括：
当均衡电流的绝对值小于Ioff且电压环参考值与均衡器的输出电压的差的绝对值小于Voff时，关闭该均衡器的驱动电路和控制器从而关闭均衡；当电压环参考值与均衡器的输出电压的差的绝对值大于Von时，则打开该均衡器的驱动电路和控制器从而重新加入均衡，其中Von>Voff。其中Ioff和Voff是关闭均衡的阈值电流和电压，Von是打开均衡的阈值电压，三者都应由实际需求确定并且Von>Voff。若对均衡精度要求低或追求均衡速度可以将Ioff和Voff适当调大，若对均衡精度要求高可将其调小。
以由三个容量为2Ah的18650锂电池组成的级联电池组进行均衡为例，在级联电池组给阻值为40欧姆的恒阻设备供电的条件下均衡的实验波形图如说明书附图3所示。在开始实验前测得各电池开路电压分别为Vi1＝3.733V、Vi2＝3.962V、Vi3＝3.863V。在0到t1期间(0<t<t1)，级联电池组未给外部设备供电；从t1开始(t>t1)，级联电池组给外部设备供电，可以看到在t1时刻各端电压瞬间减小；在0到t2期间(0<t<t2)，均衡器输出端未挂在母线上即未开始均衡，可以看到各个均衡电流都为0；在t2时刻，各均衡器输出端挂在母线上并开始均衡，可以看到端电压最高的第二电池单体(对应图中V2)和端电压次高的第三电池单体(对应图中V3)向端电压最低的第一电池单体(对应图中V1)充电，电池单体间电压偏差越大其均衡电流越大，第二电池单体与第一电池单体的端电压差比第三电池单体与第一电池单体的端电压差大所以可以看到均衡电流I2比I3大。在t2时刻之后，各端电压基本相差不大，这是锂电池特性导致的并不代表均衡完成，这时控制策略里的补偿项开始起作用，使各均衡电流不至于过小。可以看到各均衡电流随着均衡时间不断减小直至都十分接近0，这时可以认为均衡基本完成。结束后静置一小时测得各电池单体开路电压分别为Vi1＝3.514V、Vi2＝3.520V、Vi3＝3.518V，其开路电压偏差最大为0.006V。
外部电源给级联电池组以0.5A恒流充电的条件下均衡的实验波形图如说明书附图4所示。在开始实验前测得各电池开路电压分别为Vi1＝3.518V、Vi2＝3.413V、Vi3＝3.681V。在0到t1期间(0<t<t1)，级联电池组未充电；从t1开始(t>t1)，级联电池组充电，可以看到在t1时刻各端电压瞬间上升；在0到t2期间(0<t<t2)，均衡器输出端未挂在母线上即未开始均衡，可以看到各个均衡电流都为0；在t2时刻，各均衡器输出端挂在母线上并开始均衡，可以看到端电压最高的第三电池单体(对应图中V3)给端电压次低的第一电池单体(对应图中V1)和端电压最低的第二电池单体(对应图中V2)充电；由于电池单体间电压偏差越大其均衡电流越大，而第二电池单体与第三单体的端电压差比第一电池单体与第三单体的端电压差大所以可以看到均衡电流I2比均衡电流I1大。在t2时刻之后，各端电压基本相差不大，这是锂电池特性导致的并不代表均衡完成，这时控制策略里的补偿项开始起作用，使各均衡电流不至于过小。可以看到各均衡电流随着均衡时间不断减小直至几乎等于0，这时可以认为均衡基本完成。结束后静置一小时测得各电池单体开路电压分别为Vi1＝3.736V、Vi2＝3.735V、Vi3＝3.732V，其开路电压偏差最大为0.004V。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种适于级联锂电池组的分散式主动均衡方法，其特征在于：将级联电池组中每个电池单体分别通过一个均衡器与直流母线相连，每个均衡器均包括独立的控制器、采样电路、供电电路、驱动电路和主电路，主电路的输入端与对应的电池单体连接，主电路的输出端与直流母线连接，供电电路对控制器及采样电路供电，采样电路对该均衡器的输入电压、输入电流和输出电压进行采样，控制器处理采样电路的采样数据并向驱动电路发送控制信号，驱动电路生成驱动信号驱动主电路；
所述均衡器采用电压电流双闭环控制，根据如下公式计算电压环参考值
Figure FDA0002938930740000011
Figure FDA0002938930740000012
其中j为均衡器的序号，j＝1,2,3,…,n；Vij为均衡器的输入电压，也是对应电池单体的实时端电压，由采样电路采得；Iij为均衡器的平均输入电流，平均输入电流由对采样电路采得的输入电流进行数字低通滤波得到，平均输入电流即均衡电流，方向以电池单体放电为正；C、K、R为常数；
将电压环参考值和采样得到的输入电压进行作差比较，将差值输入控制器的PID调节器，对PID调节器的输出值进行限幅并将限幅之后的值作为电流环参考值，其中限幅值为：
I+＝Imax-I
I-＝-I-Imax
其中Imax为电池单体的最大充放电电流，I为级联电池组电流，I+为正限幅值，I-为负限幅值；
将电流环参考值和平均输入电流进行作差比较，将差值输入控制器的PID调节器，将PID调节器的输出值送往控制器的PWM发生器，由其产生PWM信号后输入驱动电路从而生成驱动信号驱动主电路；
均衡器的控制策略包括：
当均衡电流的绝对值小于Ioff且电压环参考值与均衡器的输出电压的差的绝对值小于Voff时，关闭该均衡器的驱动电路和PID调节器从而关闭均衡；当电压环参考值与均衡器的输出电压的差的绝对值大于Von时，则打开该均衡器的驱动电路和PID调节器从而重新加入均衡，其中Ioff是关闭均衡的阈值电流，Voff是关闭均衡的阈值电压，Von是打开均衡的阈值电压，三者都应由实际需求确定并且Von>Voff。
2.根据权利要求1所述的适于级联锂电池组的分散式主动均衡方法，其特征在于：所述主电路的结构为双向隔离变换器，所述驱动电路为将控制器输出的低压PWM信号转换为隔离的高压PWM信号去驱动变换器的开关管电路。
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