CN117559600A - 一种锂电池组内组间双层电感均衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂电池组内组间双层电感均衡控制方法，通过测量电池组内电池单体的最大电压差和两个电池组间的电压差，然后对电池组内电池单体的最大电压差和两个电池组间的电压差的大小进行判断，最后利用模糊逻辑控制器分别调节电池组内电池单体间的能量转移路径和调节两个电池组间的能量转移路径，本发明涉及的锂电池组内组间双层电感均衡控制方法，与传统的单层锂电池组均衡电路相比，算法简单，可以实现组内和组间同时进行电压均衡操作，可以提高电池组的均衡速度和能量利用率，减小能量损失。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池组主动均衡技术领域，具体为一种锂电池组内组间双层电感均衡控制方法。
背景技术
现在的电池均衡技术可以分为两种：一种是能量耗散型均衡，即被动均衡，这种均衡方式是通过电阻分流的方式将电量较高的电池的电量耗散出去，这种方式结构简单但会导致电能的浪费；另一种方式就是非能量耗散型均衡，即主动均衡，主动均衡又电池SOC均衡、电池容量均衡和电池电压均衡，主动均衡效率较高，能量会由高的电池转移到低的电池。
均衡的对象即电池指标的选取，会直接影响到电池均衡的速度效率，均衡的对象包括以下几种：
(1)电池SOC均衡：电池的荷电状态是均衡最为直接的指标，直接反映出了电池的剩余电量，该方式是以电池单体的SOC作为均衡对象，使其达到一致水平。
(2)电池容量均衡：该方式是将电池单体的容量进行均衡，对整体电池组的容量进行最大化处理。
(3)电池电压均衡：电池单体的电压值是判断对外供电能力最直观的指标，并且它与电池荷电状态呈严格的正相关。
对比以上三种主动均衡控制方式，电池SOC均衡对算法的精度要求高，且电池荷电状态难以直接测量；电池容量均衡容易对电池单体过充电，虽然可以实现均衡，但是损伤了电池的寿命；电池电压均衡获取简单且精度较高，可以避免对电池进行过充和过放，并且能够准确反映电池的荷电状态，所以综上所述，发明人选择对电池电压这一指标进行均衡，提出了一种锂电池组内组间双层电感均衡控制方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种锂电池组内组间双层电感均衡控制方法，具备均衡效果好等优点，解决了传统均衡效果较差的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种锂电池组内组间双层电感均衡控制方法，包括以下具体步骤：
步骤1：将2n个电池单体平均分为两组，n＞1，n为正整数，通过电压测量元件采集电池单体的电压；
步骤2：根据式(1)和式(2)计算得到电池组内电池单体的最大电压差和两个电池组间的电压差：
Δv1＝vmax-vmin式(1)
其中vmax为电池单体中电压最高的电压数值，vmin为电池单体中电压最低的电压数值，v1至vn为其中一个电池组内电池单体的电压数值，vn+1至v2n为其中另一个电池组内电池单体的电压数值，Δv1为电池组内电池单体的最大电压差，Δv2为两个电池组间的电压差；
步骤3：分别判断Δv1的数值和Δv2的数值是否大于阈值电压Xv，若否，则进入步骤2，若是，则进入步骤4；
步骤4：当Δv1的数值大于Xv时，利用模糊逻辑控制器调节电池组内电池单体间的能量转移路径，由电池组内电压数值最高的电池单体转移到其余电池单体中，当Δv2的数值大于Xv时，利用模糊逻辑控制器调节两个电池组间的能量转移路径，由电池组间电压较高的一组转移到电池组间电压较低的一组中。
进一步，步骤4所述锂电池组内组间双层电感均衡电路结构为：电池单体B1-B2n串联并分为两组，B1-Bn为第一组，Bn+1-B2n为第二组，两组电池数量相等；
组内均衡的电路结构为：
电池单体B1-B2n中任一电池单体Bi与电压测量元件Vi并联，所述电池单体Bi的正极与电感元件Li的一端连接，所述电感元件Li的另一端连接开关管Qi的D极和二极管Di的正极，所述二极管Di的负极连接电池单体B1的正极；所述开关管Qi的S极连接电池单体Bi的负极；所述电感元件Li的一端还连接开关管Qi-1的S极；其中，i＞1，i为正整数；
当i＝2时，所述电感元件L2的一端连接电感元件L1的另一端；所述电池单体B1与电压测量元件V1并联，所述电池单体B1的正极连接开关管Q1的D极，所述开关管Q1的S极连接电感元件L1的一端和二极管D1的负极，所述二极管D1的正极与电池单体B2n的负极相连；
组间均衡的电路结构为：
所述电池单体B1的正极连接开关管Q2n+1的D极，所述开关管Q2n+1的S极与电感L2n+1的一端相连；所述电池单体Bn的负极与开关管Q2n+2的S极连接，所述开关管Q2n+2的D极连接电感L2n+1的一端相连；所述电感L2n+1的另一端连接电池单体Bn+1的正极和电池单体Bn的负极。
进一步，步骤4所述模糊逻辑控制器输入变量包括电池组内电池单体的最大电压差Δv1和电池组间的电压差Δv2，所述模糊逻辑控制器根据电池组内电池单体的最大电压差Δv1和电池组间的电压差Δv2获得输出变量开关管频率；
所述电池组内电池单体的最大电压差Δv1和电池组间的电压差Δv2的论域D均设置为[0，0.5]，通过模糊语言对输入变量进行描述，模糊语言的集合为小(small)、中(middle)和大(large)3个等级；
所述开关管频率的论域设置为[0，5]，通过模糊语言对输出变量进行描述，模糊语言的集合为小(small)，中(middle)，大(large)和超大(very large)4个等级。
进一步，步骤4所述利用模糊逻辑控制器调节电池组内电池单体间能量转移路径的方法包括以下具体步骤：
当电池单体B1电压最高时，并且满足电池单体电压最大值减去电池单体电压最小值的差大于0.01v，开关管Q1导通，B1储能电感L1进行充电，充电结束后，关断开关管Q1，储能电感L1对电池B2-B2n进行充电，完成能量转移；
当除了B1以外的电池Bi电压最高时，并且满足电池单体电压最大值减去电池单体电压最小值的差大于0.01v，开关管Qi导通，电池Bi对储能电感Li进行充电，充电结束后，关断开关管Qn，储能电感Ln对电池B1-Bi-1进行充电，完成能量转移。
进一步，所述步骤4所述利用模糊逻辑控制器调节两个电池组间能量转移路径的方法包括以下具体步骤：
当第一组电池的平均电压比第二组电池的平均电压高时，并且满足平均值之差大于0.01v，开关管Q2n+1导通，第一组电池对电感L2n+1进行充电，充电结束后，开关管Q2n+1关断，开关管Q2n+2导通，电感L2n+1对第二组电池进行充电，完成能量转移；
当第二组电池的平均电压比第一组电池的平均电压高时，并且满足平均值之差大于0.01v，开关管Q2n+2导通，第二组电池对电感L2n+2进行充电，充电结束后，开关管Q2n+2关断，开关管Q2n+1导通，电感L2n+1对第一组电池进行充电，完成能量转移。
与现有技术相比，本申请的技术方案具备以下有益效果：
该锂电池组内组间双层电感均衡控制方法，与传统的单层锂电池组均衡电路相比，可以实现组内和组间同时进行电压均衡操作，可以提高电池组的均衡速度和能量利用率，减小能量损失。
附图说明
图1为本发明锂电池组内组间双层电感均衡电路结构图；
图2为本发明隶属度输入函数Δv1图；
图3为本发明隶属度输入函数Δv2图；
图4为本发明隶属度输入函数输出图；
图5为本发明电路具体实验结构图；
图6为本发明双层组内组间电感均衡电路静置均衡图；
图7为本发明双层组内组间电感均衡电路放电均衡图；
图8为本发明双层组内组间电感均衡电路充电均衡图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本实施例中的一种锂电池组内组间双层电感均衡控制方法，包括以下具体步骤：
步骤1：将2n个电池单体平均分为两组，n＞1，n为正整数，通过电压测量元件采集电池单体的电压；
步骤2：根据式(1)和式(2)计算得到电池组内电池单体的最大电压差和两个电池组间的电压差：
Δv1＝vmax-vmin式(1)
其中vmax为电池单体中电压最高的电压数值，vmin为电池单体中电压最低的电压数值，v1至vn为其中一个电池组内电池单体的电压数值，vn+1至v2n为其中另一个电池组内电池单体的电压数值，Δv1为电池组内电池单体的最大电压差，Δv2为两个电池组间的电压差；
步骤3：分别判断Δv1的数值和Δv2的数值是否大于阈值电压Xv，若否，则进入步骤2，若是，则进入步骤4；
步骤4：当Δv1的数值大于Xv时，利用模糊逻辑控制器调节电池组内电池单体间的能量转移路径，由电池组内电压数值最高的电池单体转移到其余电池单体中，当Δv2的数值大于Xv时，利用模糊逻辑控制器调节两个电池组间的能量转移路径，由电池组间电压较高的一组转移到电池组间电压较低的一组中。
步骤4锂电池组内组间双层电感均衡电路结构为：电池单体B1-B2n串联并分为两组，B1-Bn为第一组，Bn+1-B2n为第二组，两组电池数量相等；
组内均衡的电路结构为：
电池单体B1-B2n中任一电池单体Bi与电压测量元件Vi并联，电池单体Bi的正极与电感元件Li的一端连接，电感元件Li的另一端连接开关管Qi的D极和二极管Di的正极，二极管Di的负极连接电池单体B1的正极；开关管Qi的S极连接电池单体Bi的负极；电感元件Li的一端还连接开关管Qi-1的S极；其中，i＞1，i为正整数；
当i＝2时，电感元件L2的一端连接电感元件L1的另一端；电池单体B1与电压测量元件V1并联，电池单体B1的正极连接开关管Q1的D极，开关管Q1的S极连接电感元件L1的一端和二极管D1的负极，二极管D1的正极与电池单体B2n的负极相连；
组间均衡的电路结构为：
电池单体B1的正极连接开关管Q2n+1的D极，开关管Q2n+1的S极与电感L2n+1的一端相连；电池单体Bn的负极与开关管Q2n+2的S极连接，开关管Q2n+2的D极连接电感L2n+1的一端相连；电感L2n+1的另一端连接电池单体Bn+1的正极和电池单体Bn的负极。
步骤4模糊逻辑控制器输入变量包括电池组内电池单体的最大电压差Δv1和电池组间的电压差Δv2，模糊逻辑控制器根据电池组内电池单体的最大电压差Δv1和电池组间的电压差Δv2获得输出变量开关管频率，由于输入变量为两个，输出变量为一个，会产生三个论域，但两个输入变量的论域相同，故将两个输入变量的论域合并；
电池组内电池单体的最大电压差Δv1和电池组间的电压差Δv2的论域D均设置为[0，0.5]，通过模糊语言对输入变量进行描述，模糊语言的集合为小(small)、中(middle)和大(large)3个等级；
开关管频率的论域设置为[0，5]，通过模糊语言对输出变量进行描述，模糊语言的集合为小(small)，中(middle)，大(large)和超大(verylarge)4个等级。
具体的，锂电池组内组间双层电感均衡电路通过模糊逻辑控制器控制开关管频率来实现具体的控制，模糊逻辑控制的核心在于模糊逻辑控制器，模糊逻辑控制器的功能在于可以将自然语言进行输入后，输出被控对象所需要的计算机算法语言，具体步骤为：首先通过计算机对被控量进行采取，然后与给定值做差得到误差信号E；再将误差信号进行模糊化，变成一个模糊量，进而得到误差E的一个模糊语言集合的子集e；最后将e和模糊规则R结合形成模糊决策得到模糊控制量u。为了给被控对象加以比较精确的控制，需要将模糊量u进行去模糊化处理后转化成精确值，然后将精确量送给执行机构对被控对象进行控制。不断循环上述过程，就可以实现对被控对象的模糊控制。
若对论域D中的任一元素x，都有一个数A(x)∈[0，1]与之对应，则称A为U上的模糊集，A(x)称为x对A的隶属度。当x在U中变动时，A(x)就是一个函数，称为A的隶属度函数。隶属度A(x)越接近于1，表示x属于A的程度越高，A(x)越接近于0表示x属于A的程度越低，常见的模糊值隶属度函数有三角型函数、梯型函数、高斯型函数、Z型函数等，输入函数选择高斯型函数作为模糊逻辑控制输入的隶属度函数，隶属度函数如图2-4所示，高斯型函数对比其它隶属度函数具有很好的光滑性和对称性，图形中没有零点具有比较清晰的物理意义。
通过电池组内电池单体的最大电压差Δv1和电池组间的电压差Δv2与开关管频率的关系可得出9条模糊控制规则，涵盖了所有电池单体之间和电池组之间电压差的情况以及它们这些情况所对应的开关管频率的大小，如下表1所示；
表1模糊控制规则
lf表示若，and表示且，then表示则，Mode表示输出变量，M10、M20、M30和M40分别为开关管的频率，由于开关管的频率越小则充电电流越大，故M10、M20、M30和M40对应的模糊语言分别为“very large”、“large”、“middle”和“small”。
根据表1模糊控制规则，可得如下模糊控制规则表2；
表2模糊规则控制表
通过上述模糊规则控制表可知，开关管频率由电池组内电池单体的最大电压差Δv1和电池组间的电压差Δv2共同决定，当电池组内电池单体的最大电压差Δv1和电池组间的电压差Δv2都比较大时，如电池之间整体的电压差较大，开关管频率越低；如电池之间整体的电压差较小，开关管频率则会越高；当电池组内电池单体的最大电压差Δv1和电池组间的电压差Δv2一大一小时，整体电压差适中，开关管频率适中。
步骤4利用模糊逻辑控制器调节电池组内电池单体间能量转移路径的方法包括以下具体步骤：
当电池单体B1电压最高时，并且满足电池单体电压最大值减去电池单体电压最小值的差大于0.01v，开关管Q1导通，B1储能电感L1进行充电，充电结束后，关断开关管Q1，储能电感L1对电池B2-B2n进行充电，完成能量转移；
当除了B1以外的电池Bi电压最高时，并且满足电池单体电压最大值减去电池单体电压最小值的差大于0.01v，开关管Qi导通，电池Bi对储能电感Li进行充电，充电结束后，关断开关管Qn，储能电感Ln对电池B1-Bi-1进行充电，完成能量转移。
步骤4利用模糊逻辑控制器调节两个电池组间能量转移路径的方法包括以下具体步骤：
当第一组电池的平均电压比第二组电池的平均电压高时，并且满足平均值之差大于0.01v，开关管Q2n+1导通，第一组电池对电感L2n+1进行充电，充电结束后，开关管Q2n+1关断，开关管Q2n+2导通，电感L2n+1对第二组电池进行充电，完成能量转移；
当第二组电池的平均电压比第一组电池的平均电压高时，并且满足平均值之差大于0.01v，开关管Q2n+2导通，第二组电池对电感L2n+2进行充电，充电结束后，开关管Q2n+2关断，开关管Q2n+1导通，电感L2n+1对第一组电池进行充电，完成能量转移。
电路具体实验结构(如图5所示)
实验电路图取n＝2，则共有四块电池。电池单体B1-B4中任一电池单体与对应的电压测量元件V1-V4并联，模糊逻辑控制器分别通过引脚S1-S6与开关管Q1-Q6相连，通过输出电流大小控制开关管的开关频率。
电路均衡分为组内和组间：
组内均衡电路结构为：电池单体B1的正极连接开关管Q1的D极，开关管Q1的S极连接电感元件L1的一端和二极管D1的负极，二极管D1的正极与电池单体B4的负极相连，电感元件L2的一端连接电感元件L1的另一端；电池B2的正极接L2的一端，B2的负极接Q2的S极二极管D2的正极接电感L2的另一端和Q2的D极；电池B3的正极接L3的一端，B3的负极接Q3的S极二极管D3的正极接电感L3的另一端和Q3的D极，电感L3接在开关管Q2的S级；电池B4的正极接L4的一端，B4的负极接Q4的S极二极管D4的正极接电感L4的另一端和Q4的D极，电感L4接在开关管Q3的S级。
组间均衡电路结构为：电池单体B1的正极连接开关管Q5的D极，开关管Q5的S极与电感L5的一端相连；电池单体B2的负极与开关管Q6的S极连接，开关管Q6的D极连接电感L5的一端相连；电感L5的另一端连接电池单体B3的正极和电池单体B2的负极。
静置均衡实验
在静置均衡实验中，采用组内同步均衡，电池电压分别为4v、3.5v、3v、2.5v，根据仿真结果，组内同步均衡在346s时完成了均衡(如图6所示)。
四个主动均衡电池的初始电压Ustart为：
Ustart＝4v+3.5v+3v+2.5v＝13v
四个主动均衡电池的最终均衡电压Ufinish为：
Ufinish＝3v+3v+3v+3v＝12v
根据上式计算出有源均衡的能量利用率为12v/13v＝92.31％。
放电均衡实验
在放电均衡实验中，采取与第一组的电池相同的初始电压，电池电压分别为4v，3.5v，3v，2.5v，根据仿真实验结果，锂电池组内组间双层电感均衡电路在358s时完成了均衡，均衡电压为2.96v(如图7所示)。
充电均衡实验
在充电均衡实验中，是针对电池组充电的电池均衡实验。根据充电期间的热失控发生机理可知，控制热失控必须控制单元电池的充电电压和充电电流，充电电压和充电电流为单元电池的实时电压，电池均衡技术的功能和任务就是通过对电压和电流的调节实现的。当分流电流满足分流要求时才能有效控制低容量电池的电压和发热量，对电池组充电均衡能力要求较高，电池组中每个单元电池的绝对电压和相对电压差与个单元实际容量分布密切关联，并且始终是处于动态变化中。
在充电均衡实验中，采取与第一组的电池相同的初始电压，电压分别为4v，3.5v，3v，2.5v。根据仿真实验结果，锂电池组内组间双层电感均衡电路在343s时完成了均衡，均衡电压为3.05v(如图8所示)。
该锂电池组内组间双层电感均衡控制方法，与传统的单层锂电池组均衡电路相比，可以实现组内和组间同时进行电压均衡操作，可以提高电池组的均衡速度和能量利用率，减小能量损失。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种锂电池组内组间双层电感均衡控制方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤1：将2n个电池单体平均分为两组，n＞1，n为正整数，通过电压测量元件采集电池单体的电压；
步骤2：根据式(1)和式(2)计算得到电池组内电池单体的最大电压差和两个电池组间的电压差：
Δv1＝vmax-vmin式(1)
其中vmax为电池单体中电压最高的电压数值，vmin为电池单体中电压最低的电压数值，v1至vn为其中一个电池组内电池单体的电压数值，vn+1至v2n为其中另一个电池组内电池单体的电压数值，Δv1为电池组内电池单体的最大电压差，Δv2为两个电池组间的电压差；
步骤3：分别判断Δv1的数值和Δv2的数值是否大于阈值电压Xv，若否，则进入步骤2，若是，则进入步骤4；
步骤4：当Δv1的数值大于Xv时，利用模糊逻辑控制器调节电池组内电池单体间的能量转移路径，由电池组内电压数值最高的电池单体转移到其余电池单体中，当Δv2的数值大于Xv时，利用模糊逻辑控制器调节两个电池组间的能量转移路径，由电池组间电压较高的一组转移到电池组间电压较低的一组中。
2.如权利要求1所述的一种锂电池组内组间双层电感均衡控制方法，其特征在于：步骤4所述锂电池组内组间双层电感均衡电路结构为：电池单体B1-B2n串联并分为两组，B1-Bn为第一组，Bn+1-B2n为第二组，两组电池数量相等；
组内均衡的电路结构为：
电池单体B1-B2n中任一电池单体Bi与电压测量元件Vi并联，所述电池单体Bi的正极与电感元件Li的一端连接，所述电感元件Li的另一端连接开关管Qi的D极和二极管Di的正极，所述二极管Di的负极连接电池单体B1的正极；所述开关管Qi的S极连接电池单体Bi的负极；所述电感元件Li的一端还连接开关管Qi-1的S极；其中，i＞1，i为正整数；
当i＝2时，所述电感元件L2的一端连接电感元件L1的另一端；所述电池单体B1与电压测量元件V1并联，所述电池单体B1的正极连接开关管Q1的D极，所述开关管Q1的S极连接电感元件L1的一端和二极管D1的负极，所述二极管D1的正极与电池单体B2n的负极相连；
组间均衡的电路结构为：
所述电池单体B1的正极连接开关管Q2n+1的D极，所述开关管Q2n+1的S极与电感L2n+1的一端相连；所述电池单体Bn的负极与开关管Q2n+2的S极连接，所述开关管Q2n+2的D极连接电感L2n+1的一端相连；所述电感L2n+1的另一端连接电池单体Bn+1的正极和电池单体Bn的负极。
3.如权利要求2所述的一种锂电池组内组间双层电感均衡控制方法，其特征在于：步骤4所述模糊逻辑控制器输入变量包括电池组内电池单体的最大电压差Δv1和电池组间的电压差Δv2，所述模糊逻辑控制器根据电池组内电池单体的最大电压差Δv1和电池组间的电压差Δv2获得输出变量开关管频率；
所述电池组内电池单体的最大电压差Δv1和电池组间的电压差Δv2的论域D均设置为[0，0.5]，通过模糊语言对输入变量进行描述，模糊语言的集合为小(small)、中(middle)和大(large)3个等级；
所述开关管频率的论域设置为[0，5]，通过模糊语言对输出变量进行描述，模糊语言的集合为小(small)，中(middle)，大(large)和超大(very large)4个等级。
4.如权利要求3所述的一种锂电池组内组间双层电感均衡控制方法，其特征在于：步骤4所述利用模糊逻辑控制器调节电池组内电池单体间能量转移路径的方法包括以下具体步骤：
当电池单体B1电压最高时，并且满足电池单体电压最大值减去电池单体电压最小值的差大于0.01v，开关管Q1导通，B1储能电感L1进行充电，充电结束后，关断开关管Q1，储能电感L1对电池B2-B2n进行充电，完成能量转移；
当除了B1以外的电池Bi电压最高时，并且满足电池单体电压最大值减去电池单体电压最小值的差大于0.01v，开关管Qi导通，电池Bi对储能电感Li进行充电，充电结束后，关断开关管Qn，储能电感Ln对电池B1-Bi-1进行充电，完成能量转移。
5.如权利要求4所述的一种锂电池组内组间双层电感均衡控制方法，其特征在于：所述步骤4所述利用模糊逻辑控制器调节两个电池组间能量转移路径的方法包括以下具体步骤：
当第一组电池的平均电压比第二组电池的平均电压高时，并且满足平均值之差大于0.01v，开关管Q2n+1导通，第一组电池对电感L2n+1进行充电，充电结束后，开关管Q2n+1关断，开关管Q2n+2导通，电感L2n+1对第二组电池进行充电，完成能量转移；
当第二组电池的平均电压比第一组电池的平均电压高时，并且满足平均值之差大于0.01v，开关管Q2n+2导通，第二组电池对电感L2n+2进行充电，充电结束后，开关管Q2n+2关断，开关管Q2n+1导通，电感L2n+1对第一组电池进行充电，完成能量转移。
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