锂电池均衡控制策略优化方法与流程

本发明涉及电池储能技术领域，具体涉及一种锂电池均衡控制策略优化方法。

背景技术：

锂电池具有高能量密度、无污染、无记忆效应等特点，被广泛应用于规模储能领域。为得到较高的输出电压和输出功率，必须将锂电池串并联使用。随着循环充放电次数的增加，电池组中的单体电池逐渐呈现出差异性，必须对锂电池进行均衡管理，否则会导致电池组可用容量下降，电池组性能的加速劣化，严重时会导致BMS失效及电池组报废。目前均衡管理主要集中在设计硬件电路和实现系统控制方面，以获得高能量转换效率和均衡速度，而忽略了均衡参数对电池不一致性改善的具体影响。

急需一种电池均衡控制策略优化方法，明确均衡参数取值对电池容量差异变化的影响，筛选最优均衡工况，延长电池组循环寿命，降低电池使用成本。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锂电池均衡控制策略优化方法，结合均衡参数对电池容量差异变化的影响，确定最优均衡工况。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种锂电池均衡控制策略优化方法，包括步骤：

将经过配组的电池串联成电池组，并为电池组配备电池管理系统和主动均衡模块，选电池组中任一单体电池记为cell1，对cell1分别执行以下操作：

将cell1的容量减少预定百分比的电量，将电流倍率设置为多个等级，分别对电池组进行充放电，并在充放电过程中对电池进行均衡管理，记录容量较低电池的均衡电流、均衡时间、总线电流、总线电压和充放电时长，确定同一电流倍率下，充电和放电过程中单体电池之间容量差异变化规律；比较不同电流倍率下，单体电池之间容量差异、均衡时间比和均衡电流比的变化情况和函数关系；

在同一充放电倍率条件下，改变均衡启动阈值，比较cell1的均衡总时长、均衡能量和电池容量差异变化情况；

分别将cell1的容量减小不同等级，并在不同电流倍率条件下完成充放电，记录cell1的均衡电流、均衡时间、总线电流、总线电压和充放电时长，比较在不同容量等级和不同电流倍率时，电池容量差异的变化规律和函数关系；

在上述变化规律基础上，以实现单体电池之间容量差异最小化为目标，制定均衡控制策略优化方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明是一套完整的锂电池均衡控制策略优化方法，定量分析主要均衡参数对减小电池容量差异的影响规律，在此基础上制定均衡控制策略优化方案，将充放电过程分为若干部分，分段进行均衡管理，有效提高均衡效果，延长电池组的循环寿命，降低电池使用成本。本发明适用于充放电总线电流值变化频繁以及充放电切换频繁等复杂工况下对电池的均衡管理，例如电动汽车启动和制动，以及电动汽车忽然加速和减速时。

附图说明

图1是本发明锂电池均衡控制策略优化方法的框架图；

图2是电池均衡示意图；

图3是外部补充式主动均衡电路示意图；

图4是充放电均衡前后，均衡电流比与电池容量差异变化比例之间的关系。

具体实施方式

本发明提供一种锂电池均衡控制策略优化方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

如图1所示，本锂电池均衡控制策略优化方法，包括以下内容：

(1)将经过配组的电池串联成组，配备电池管理系统和主动均衡模块，将Cell 1单体电池的容量减少10％(如图2)。将电流倍率设置为0.25/0.5/0.75/1/2C，分别对电池组进行充放电。采用外部补充式主动均衡方式，均衡电路见图3，在充放电过程中对电池进行均衡管理，记录Cell 1的均衡电流、均衡时间、充放电时长、单体电池电压变化情况。计算Cell 1的均衡电量、充放电电量、均衡电流比、均衡时间比、电池容量差异变化值。分析在同一电流倍率下，充电和放电过程中单体电池之间容量差异变化规律。比较在不同电流倍率下，单体电池之间容量不一致性、均衡时间比和均衡电流比变化规律及其之间的函数关系。

(2)将充放电电流倍率设置为0.25C，分别设置均衡启动阈值为0.01/0.03/0.05V，获得Cell 1单体电池均衡总时长、均衡能量和电池容量差异变化情况。分析得到单体电池之间容量差异减小值最大时对应的均衡启动阈值。

(3)分别将Cell 1的容量减小5/10/15/20％，在0.25/0.5/0.75/1/2C电流倍率条件下完成充放电，记录Cell 1的均衡电流、均衡时间、总线电流和充放电时长，比较在不同容量差异等级和电流倍率时，电池容量差异变化规律，及其之间的函数关系。

所述的主动均衡模块采用均衡能量由外部补充的均衡方式，如图2所示，包括主动均衡电路和外部辅助电源，主动均衡电路的硬件包括DC/DC隔离开关电源模块、肖特基二极管、限流电阻和信号调理电路。主动均衡电路软件采用PWM控制方式，以单体电池平均电压作为基准，当单体电池电压比平均电压高或低于一定值时启动均衡。本发明不仅适用于外部补充能量式主动均衡，同样适用于其他形式的主动均衡，以及被动均衡和主动与被动相结合的混合式均衡。

所述的均衡时间比，是指均衡时长与充放电时长的比值，这一指标体现均衡总时长占充放电时长的比例，即相对均衡时间。

所述的均衡电流比，是指均衡电流与充放电电流的比值，这一指标体现相对均衡电流，有利于对均衡电流进行无量纲化比较。

所述的均衡电流可以是恒定的，亦可以是变化的。本发明采用变化的均衡电流产生方法，均衡电流由单体电池电压、DC/DC隔离电源模块输出电压以及限流电阻决定。

由于均衡软件采用PWM控制方式，将单体电池电压与平均电压作比较，如果差值超过均衡阈值，则启动均衡。均衡为脉冲方式，所述的均衡总时长，是指充电或者放电时均衡工作时间之和。本发明将平均电压作为比较基准，亦可将电池平均SOC(State of Charge)作为基准。

所述的单体电池之间容量差异变化情况，可通过如下公式获得：

ΔQ＝(Qini-Qini_cell1)-(Qend-Qend_cell1) (1)

Qend＝Qini+Qcha (2)

Qend_cell1＝Qini_cell1+Qcha+Qbal (3)

公式1-4为充电时单体电池容量差异变化计算公式，其中Qini_cell1和Qini分别是均衡之前，上述电池组中容量较低的单体电池(Cell 1)容量和其他单体电池容量。Qcha是电池充电过程中，充电器充入容量。Qbal是均衡电量。Qend and Qend_cell1分别是均衡之后，上述电池组中容量较低的单体电池容量(Cell 1)和其他单体电池容量。△Q为均衡前后容量较低的单体电池容量和其他单体电池容量差异变化值。t为均衡前后电池容量差异变化值占电池额定容量的比例。由于采用外部补充均衡方式，所以均衡电量全部来源于外部辅助电源，△Q＝Qbal。公式1-4为充电时公式，放电公式略有不同。采用不同的均衡方式，电池容量差异变化计算公式不同，可根据实际情况做出调整。

以充放电均衡前后均衡电流比与电池容量差异变化比例之间的关系为例，说明如何进行分析。图4由表1数据得到。由表1和图4可知：(1)放电均衡电流大于充电均衡电流；(2)均衡电流比与电池容量差异变化比例正相关，在均衡电流变化较小的情况下，小电流倍率充放电时，t值最大，均衡效果显著，即均衡电流与充放电电流的比值较大时，均衡对电池容量差异改善作用越好；(3)放电时的均衡效果明显优于充电均衡。

表1初始荷电状态为10％时，充放电电流、均衡电流和t值对比数据

由上述方法可得到锂电池均衡控制策略优化方案：在线均衡时，按照电流倍率，将充放电过程分为若干部分，每一部分采用不同的均衡控制策略。将实验中0.25C充放电时的均衡电流比(充电为1.097/5＝0.2194，放电为1.378/5＝0.2756)作为最优值，根据BMS检测到的电池组总线充放电电流，计算最优均衡电流值，bms再通过均衡模块控制均衡电流输出，从而设置任何充放电电流倍率下的均衡电流。根据每部分电池总线电流值，时刻调整均衡电流值，使均衡效果达到最佳，最大限度缩小电池组中单体电池之间的容量差异。在均衡电量一定的情况下，均衡时间由均衡电流决定。根据实验数据，充电时在电池容量差异达到10％，放电时电池容量差异达到15％时启动均衡，对于电池容量差异改善作用最佳。最佳均衡阈值为0.03V。离线均衡时，充放电电流设置为0.25C，充放电均衡电流比设置为0.195和0.22。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。