CN117691723B - 一种级联架构主动均衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种级联架构主动均衡控制方法，多个单体电池级联构成电池组，相邻两个单体电池之间设置一个均衡模块，所述均衡模块用于执行能量上传操作或者能量下传操作；至少包括如下步骤：步骤S1：控制单元获取每个单体电池的电压信息并以此计算每个单体电池相对电池组整体的偏离信息；步骤S2：根据每个单体电池的偏离信息同时控制每个均衡模块按照预设策略同时执行均衡操作。采用本发明的技术方案，所有需要工作的均衡模块同时工作，也即能量同步传输，不存在先传递一级，再传递下一级的情况，时间效率高。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，尤其涉及一种级联架构主动均衡控制方法。
背景技术
由于蓄电池、超级电容等蓄电装置（为了说明方便，以下都用电池、电池组代替）的单体电压和容量都较低，在大***里难以直接使用，实际应用中往往需要多节电池串联以提高电压，多节电池并联以提高容量。
由于生产环境、工艺参数、原材料都难以做到完全一致，致使生产出来的每个单体电池都存在差异。并且由于使用环境的差别，单体电池之间的差异会随着时间延长越来越大。N个单体电池串联成组后，整个电池组的容量小于其中最差电池容量的N倍，难以发挥电池组该有的性能。为了最大化电池组的可用性能，必须给电池组增加均衡电路。由于电动汽车、储能电站等应用场景使用的都是大容量电池，传统的被动均衡方式难以胜任，主动均衡应用是行业的趋势，主动均衡都是用DC/DC电路完成功能。如图1所示，为现在行业上的通用解决方案，由于电池组中，电池串数很多，每相邻两节电池之间加一个均衡模块，n串电池组用n-1个均衡模块。每个均衡模块通常有BKEN、BSTEN两个使能脚，由MCU通过隔离器件控制其工作状态：BKEN=1，BSTEN=0，能量下传；BKEN=0，BSTEN=1，能量上传；BKEN=0，BSTEN=0，停止工作。每个均衡模块依据它对应两节电池的电压差做出均衡动作：比如均衡模块1的上电池（电池2）电压大于下电池（电池1）的电压，均衡模块的BKEN拉高，BSTEN拉低，能量下传，把电池2能量传递到电池1；如果均衡模块1的上电池（电池2）电压小于下电池（电池1）的电压，均衡模块的BKEN拉低，BSTEN拉高，能量上传，把电池1能量传递到电池2；如果电池2和电池1的压差在均衡启动阈值范围内，BKEN和BSTEN都拉低，均衡停止工作。
现有技术至少存在缺点：
（1）需要均衡的多节电池不相邻，并且他们之间的电池一致性较好时，需要先把电压高的电池能量传递到相邻电池，造成电压差后，再从相邻电池传递到次相邻电池，如此一节一节传递，时间效率低；
（2）电池电压采样有误差，通常为几个mV，每个均衡模块只管理相邻两节电池，都会累积一点电压误差，整个电池组的电压误差会达到很大，特别是高串数的电池***，会累积到几十mV，甚至几百mV级别，对于单体电池上下限工作电压范围只有1V左右的二次电池而言，电压误差对应的SOC有百分之4,5十，特别是电压平台比较平的磷酸铁锂电池，SOC误差会更大，严重的会达到百分之7,8十。失去电池均衡功能的意义，甚至起反作用；
（3）每个均衡模块的工作只依据本模块的两节电池电压，而不是整个***的电池电压分布，会引起工作方向错误，增加损耗，降低均衡的能量效率和时间效率，甚至引起能量来回震荡，无法收敛。如表1所示，从电压分布看，第7,8,9,10节电池电压偏高，其他节电池电压偏低，能量应该从这几节往两边传输。模块1/4本应该工作于能量下传状态，却工作在能量上传状态；模块5本应该工作于能量下传状态，却没工作；模块9/11本应该工作于能量上传状态，却工作于能量下传状态；
表1电池电压分布&均衡工作状态
（4）如表1所示，电池1/2/3/4/5/6都有充电的需要，也即整体能量下传，但是由于bat5和bat6电池电压相同，均衡模块5不工作，致使能量下传路径受阻；
（5）每个均衡模块都各自独立工作，没有相互协调，即使工作状态都是正确的，由于电池电压与SOC的非线性关系，也会存在局部环节能量来不及传输，而出现电压一致性暂时变差的现象，给现场用户带来迷惑，无法判断工作正常与否，也给排查问题增加困难；
（6）主动均衡模块也有损耗，会有温升，而主动均衡BMS通常都安装在密闭的外壳里边，散热条件不好，当多个均衡模块同时工作时，温升大幅度上升，触发过温保护，过温的均衡模块会暂时停止工作，能量传输链路中断，导致电池电压一致性暂时发散，给现场用户带来迷惑，无法判断工作正常与否，也给排查问题增加困难；
（7）均衡模块工作没有优先级，轻重缓急之分。降低均衡的前期效果和延长均衡时间；
故，为了克服现有技术存在的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，提供一种级联架构主动均衡控制方法，均衡模块根据每个单体电池相对电池组整体的偏离信息执行均衡策略；每个均衡模块都按照预设时序周期性工作，所有需要工作的均衡模块同时工作，也即能量同步传输，均衡效率高。
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：
一种级联架构主动均衡控制方法，多个单体电池级联构成电池组，相邻两个单体电池之间设置一个均衡模块，所述均衡模块用于执行能量上传操作或者能量下传操作；至少包括如下步骤：
步骤S1：控制单元获取每个单体电池的电压信息并以此计算每个单体电池相对电池组整体的偏离信息；
步骤S2：根据每个单体电池的偏离信息同时控制每个均衡模块按照预设策略同时执行均衡操作；
其中，步骤S1包括：
步骤S11：根据每个单体电池的电压信息计算电池组平均电压；
步骤S12：计算每个单体电池与电池组平均电压的偏差，也即，单体电池n的电压与整串电池组的平均电压/>偏差为：/>；
步骤S13：计算每个单体电池的离差，单体电池n的离差为单体电池1到单体电池n的累积偏差和：；其中，离差/>的符号决定第n个均衡模块的工作模式，为正数，执行能量上传操作，/>为负数，执行能量下传操作；步骤S2中，每个均衡模块按照相同的均衡周期T同步工作，每个均衡周期T设置均衡期T1和间歇期T2；其中，间歇期T2内所有均衡模块都停止工作；均衡期T1为均衡模块在一个均衡周期T内的允许最大工作时间，分为工作期Ta和不工作期Tb，工作期的占空比为d，不工作期的占空比为1-d。
任一均衡周期T中，均衡模块n的工作期占空比dn，由其离差值计算的离差占空比决定；其中，最大离差值/>；
还包括：
计算所需开启的均衡模块离差占空比总和：；
计算温度控制系数：，当/>＜S时/>的值取1，S为BMS中均衡模块可同时工作而不触发过温保护的最大数量；
每个均衡模块的工作期占空比为其离差占空比和温度控制系数的乘积，也即，均衡模块n的工作期占空比为：，以此控制BMS均衡模块的总发热量而不触发过温保护。
作为进一步的改进方案，任一均衡周期T中，离差大的均衡模块，均衡工作时间长，也即传递能量多，离差小的均衡模块，均衡工作时间短。
作为进一步的改进方案，所有均衡模块的温度控制系数取相同数值。
作为进一步的改进方案，还包括：
将电池组中最高单体电压和最低单体电压的差值作为单体电压极差，并设定一个阈值，当极差超过该阈值均衡***就开始工作，而不管其离差值的大小，均衡模块都根据对应离差正负值执行均衡操作。
作为进一步的改进方案，均衡周期T中，间歇期T2内所有均衡模块都停止工作，用于电池极化电压恢复，电压采样和均衡算法计算；均衡期T1中，执行均衡操作时，均衡电流大小由硬件电路决定。
作为进一步的改进方案，BMS中设置多级均衡架构。
与现有技术相比较，本发明至少具备以下有益效果：
1.采用本发明算法，所有需要工作的均衡模块同时工作，也即能量同步传输，不存在先传递一级，再传递下一级的情况，时间效率高；
2. 均衡控制以电压极差为启动阈值，每节电池电压都是与平均电压相比，不是两两相邻比较，没有误差累积问题；同时，均衡模块工作状态是依据整体的电压分布情况，而非局部几节电池，均衡***协调性好，无均衡误动作状态，效率高；不会因为局部几节电池电压接近而使整体的能量传输路径中断；
3. 所有均衡模块协调工作，需要传输大量能量的占空比大，只需传输少量能量的占空比小，电池电压收敛不震荡，便于维护分析；
4. 温度控制系数保证均衡模块不触发过温保护，所有模块都有工作机会，根据轻重缓急，离差大的多工作，离差小的少工作，既能充分发挥BMS热容量，又能保证能量传输路径不因过温保护而受阻。
附图说明
图1为现有技术中主动均衡架构的结构框图；
图2为本发明一具体实施例级联架构主动均衡控制方法的流程框图；
图3为本发明一具体实施例中主动均衡工作策略时序示意图；
图4为本发明一具体实施例中两级均衡架构的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。
BMS中，多个单体电池级联构成电池组，相邻两个单体电池之间设置一个均衡模块，均衡模块用于对相邻两个单体电池执行均衡操作，也即，每个单体电池不工作、执行能量上传操作（放电）或者能量下传操作（充电）；现有技术根据相邻两个单体电池之间的电压差执行均衡操作，导致均衡效率低。
为了进一步提高均衡效率，本发明提出了一种级联架构主动均衡控制方法，参见图2，所示为本发明级联架构主动均衡控制方法的流程框图，至少包括如下步骤：
步骤S1：控制单元获取每个单体电池的电压信息并以此计算每个单体电池相对电池组整体的偏离信息；
步骤S2：根据每个单体电池的偏离信息同时控制每个均衡模块按照预设策略同时执行均衡操作。
采用上述技术方案，所有需要工作的均衡模块同时工作，也即能量同步传输，不存在先传递一级，再传递下一级的情况，时间效率高。
上述技术方案中，步骤S1包括：
步骤S11：根据每个单体电池的电压信息计算电池组平均电压；
步骤S12：计算每个单体电池与电池组平均电压的偏差，也即，单体电池n的电压与整串电池组的平均电压/>偏差为：/>；
步骤S13：计算每个单体电池的离差，单体电池n的离差为单体电池1到单体电池n的累积偏差和：；其中，离差/>的符号决定第n个均衡模块的工作模式，为正数，执行能量上传操作，/>为负数，执行能量下传操作。采用上述技术方案，均衡算法基于***电压分布，所有均衡模块都按照算法设定条件工作，首先将单体电池电压极差（整个电池串***中，最大单体电压-最小单体电压）控制在设定死区以内，均衡模块工作的方向判断完全由离差决定。
这里再陈述下本发明均衡模块算法概念定义：
均衡模块n对电池组中的第n节和n+1节电池进行管理，如模块1均衡第1,2节电池，模块2均衡第2,3节电池，模块3均衡第3,4节电池，以此类推。
单体电池n的电压与整串电池组的平均电压/>偏差为：/>；
单体电池1到单体电池n的离差为：。
本发明根据单体电池的极差和离差执行均衡操作。作为进一步的改进方案，步骤S2中，每个均衡模块按照相同的均衡周期T同步工作，每个均衡周期T设置均衡期T1和间歇期T2；其中，间歇期T2内所有均衡模块都停止工作；均衡期T1为均衡模块在一个均衡周期T内的允许最大工作时间，分为工作期Ta和不工作期Tb，工作期的占空比为d，不工作期的占空比为1-d。
参见图3，所示为一种优选实施方式中，均衡模块工作的时序图。所有均衡模块按周期性工作，每个均衡周期T分成均衡期T1和间歇期T2；间歇期T2内所有均衡模块都停止工作，用于电池极化电压恢复，电压采样和均衡算法计算；均衡期T1为均衡模块在一个均衡周期T内的允许最大工作时间，分为工作期Ta和不工作期Tb，工作期的占空比为d，不工作期的占空比为1-d；均衡电流大小由硬件电路决定，只要工作，就是恒定电流I。进一步的，均衡模块可以为Buck-boost，也可以为Flyback等，不限制拓扑架构。当然，图3中的均衡期T1和间歇期T2顺序可以对调，工作期Ta和不工作期Tb顺序可以对调。
作为进一步的改进方案，还包括：
计算最大离差值；
任一均衡周期T中，均衡模块n的工作期占空比dn，由其离差值计算的离差占空比决定。
优选的，任一均衡周期T中，离差大的均衡模块，均衡工作时间长，也即传递能量多，离差小的均衡模块，均衡工作时间短。该算法思路为，离差大的节点，均衡工作时间长，也即传递能量多，离差小的节点，均衡工作时间短，也即传递能量少，保证整个能量传输路径畅通不拥堵。
作为进一步的改进方案，还包括：
计算所需开启的均衡模块离差占空比总和：；
计算温度控制系数：，当/>＜S时，/>的值取1，S为BMS中均衡模块可同时工作而不触发过温保护的最大数量；
每个均衡模块的工作期占空比为其离差占空比和温度控制系数的乘积，也即，均衡模块n的工作期占空比为：，以此控制BMS从控的总发热量而不触发过温保护。
采用上述技术方案，整个***中，所有需要工作的均衡模块都可以工作，不限制数量，但控制BMS从控的总发热量而不触发过温保护，防止个别均衡模块因过温保护而使能量传输路径中断。
作为优选的，所有均衡模块的温度控制系数取相同数值。
本发明上述技术方案，提出了：（1）均衡期和间歇期的分时策略，均衡工作期和不工作期的占空比调节机制；（2）采用极差决定均衡启动与否；（3）离差计算方法；（4）离差正负决定均衡工作状态，协调电池组的整体均衡；（5）离差大小决定均衡模块工作占空比，协调各个均衡模块的能量传输数量；（6）温度控制系数保证不触发过温保护，保证所有模块都能工作，能量传输路径畅通。
接下来，以上述表1所示电池电压分布数据，按照本发明算法重新计算均衡模块工作状态及离差占空比，如表2所示。
表2本发明算法实例
可以看出，第1/2/3/4/5/6节电池电压偏低，均衡模块1/2/3/4/5/6的工作状态全部变成了下传；第11/12节电池电压偏低，均衡模块9/10/11的工作状态都变成了上传，相比于传统基于电压算法的工作状态，明显更符合整体的电压分布情况，提高均衡效率，避免能量来回震荡。
第7节电池需要往第1/2/3/4/5/6节电池传递大量的能量，其对应的均衡模块6（管理第6/7节电池）离差占空比最大，且为能量下传，与其电压最高，且处在中间位置的情况相符合。第12节电池电压比第11节高，但是比平均电压低，所以模块11虽然工作于上传状态，但是其离差占空比比较小，符合整体电压分布情况。
作为进一步的改进方案，将电池组中最高单体电压和最低单体电压的差值作为单体电压极差，并设定一个阈值，当极差超过该阈值均衡***就开始工作，而不管其离差值的大小，均衡模块都根据对应离差正负值执行均衡操作。
作为进一步的改进方案，均衡***不局限于一级架构，也可用于多级架构，参见图4，所示为BMS中设置两级均衡架构的示意图。其中，均衡模块1表述第一层级的均衡结构，均衡模块2表述第二层级的均衡结构，通常每个均衡模块1控制相邻两个单体电池，每个均衡模块2控制相邻的两个电池单元，每个电池单元包括多个单体电池。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种级联架构主动均衡控制方法，多个单体电池级联构成电池组，相邻两个单体电池之间设置一个均衡模块，所述均衡模块用于执行均衡操作；其特征在于，至少包括如下步骤：
步骤S1：控制单元获取每个单体电池的电压信息并以此计算每个单体电池相对电池组整体的偏离信息；
步骤S2：根据每个单体电池的偏离信息同时控制每个均衡模块按照预设策略同时执行均衡操作；
其中，步骤S1包括：
步骤S11：根据每个单体电池的电压信息计算电池组平均电压；
步骤S12：计算每个单体电池与电池组平均电压的偏差，也即，单体电池n的电压/>与整串电池组的平均电压/>偏差为：/>；
步骤S13：计算每个单体电池的离差，单体电池n的离差为单体电池1到单体电池n的累积偏差和：；通过离差/>决定第n个均衡模块的工作模式，其中，/>为正数，执行能量上传操作，/>为负数，执行能量下传操作；
步骤S2中，每个均衡模块按照相同的均衡周期T同步工作，每个均衡周期T设置均衡期T1和间歇期T2；其中，间歇期T2内所有均衡模块都停止工作；均衡期T1为均衡模块在一个均衡周期T内的允许最大工作时间，分为工作期Ta和不工作期Tb，工作期的占空比为d，不工作期的占空比为1-d；
任一均衡周期T中，均衡模块n的工作期占空比dn，由其离差值计算的离差占空比决定，其中，最大离差值/>；
还包括：计算所需开启的均衡模块离差占空比总和：；
计算温度控制系数：，当/>＜S时，/>的值取1，S为BMS中均衡模块可同时工作而不触发过温保护的最大数量；
每个均衡模块的工作期占空比为其离差占空比和温度控制系数的乘积，也即，均衡模块n的工作期占空比为：，以此控制BMS均衡模块的总发热量而不触发过温保护。
2.根据权利要求1所述的一种级联架构主动均衡控制方法，其特征在于，任一均衡周期T中，离差大的均衡模块，均衡工作时间长，离差小的均衡模块，均衡工作时间短。
3.根据权利要求1所述的一种级联架构主动均衡控制方法，其特征在于，所有均衡模块的温度控制系数取相同数值。
4.根据权利要求2所述的一种级联架构主动均衡控制方法，其特征在于，还包括：
将电池组中最高单体电压和最低单体电压的差值作为单体电压极差，并设定一个阈值，当极差超过该阈值均衡***就开始工作，均衡模块都根据对应离差正负值执行均衡操作。
5.根据权利要求1所述的一种级联架构主动均衡控制方法，其特征在于，均衡周期T中，间歇期T2内所有均衡模块都停止工作，用于电池极化电压恢复、电压采样和均衡算法计算；均衡期T1中，执行均衡操作时，均衡电流大小由硬件电路决定。
6.根据权利要求1所述的一种级联架构主动均衡控制方法，其特征在于，BMS中设置多级均衡架构。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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