一种电池组主动均衡控制方法、系统及装置与流程

本发明涉及电池管理技术领域，尤其是一种电池组主动均衡控制方法、系统及装置。

背景技术

由于制造技术的局限，电池组在长期使用过程中，包内电池单体之间的温度差异会逐渐增大，这会导致电池组内的单体电池出现较强的不一致性，而根据木桶效应，性能最差的一节单体电池决定了整包电池的性能；另外，一致性差的电池组的整体老化速度也更快，导致电池组的寿命低。

为了缓解木桶效应，现有技术是对电池组进行主动均衡，主动均衡是指将电池组中某个单体电池的剩余能量转移到另一个能量不足的单体电池中去。

现有的主动均衡控制方法，往往仅对电压曲线陡峭的三元电池有效，而对电压曲线非常平缓的磷酸铁锂电池效果较差，因此现有的电池组主动均衡控制方法的适用范围小。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种能够提高电池组寿命且适用范围广的电池组主动均衡控制方法、系统及装置。

本发明所采取的第一技术方案是：

一种电池组主动均衡控制方法，包括以下步骤：

计算每个批次的单体电池与电池组之间的参考均衡电流比；其中，所述批次包括充电批次、工作批次和歇息批次；

计算任一批次中每个时刻的单体电池与电池组之间的实际均衡电流比；

执行预设的跟踪算法，以使实际均衡电流比能够实时跟踪对应批次的参考均衡电流比；

根据跟踪结果，对电池组进行均衡控制。

进一步，所述计算每个批次的单体电池与电池组之间的参考均衡电流比这一步骤中，所述参考均衡电流比的理论最优解的计算过程包括以下步骤：

计算电池组中的电池串数；

计算电池组中每个单体电池的健康状态，所述单体电池的健康状态的计算公式为：

soh＝q/qrated，

其中，soh代表单体电池的健康状态；q代表单体电池的当前容量；qrated代表单体电池的标准容量；

根据电池组中的电池串数和每个单体电池的健康状态，计算每个单体电池与电池组之间的参考均衡电流比的理论最优解，所述参考均衡电流比的理论最优解的计算公式为：

其中，代表第j个单体电池的参考均衡电流比的理论最优解；n为电池组中的电池串数；sohj表示第j个单体电池的健康状态。

进一步，所述计算每个批次的单体电池与电池组之间的参考均衡电流比这一步骤，其具体为：

采用批次间迭代的方法计算单体电池与电池组之间的参考均衡电流比。

进一步，所述采用批次间迭代的方法计算单体电池与电池组之间的参考均衡电流比这一步骤，包括以下步骤：

对电池组的状态进行分类；

根据电池组状态的切换情况，确定电池组的批次；

根据电池组的批次，采用批次间迭代方法计算单体电池与电池组之间的参考均衡电流比。

进一步，所述对电池组的状态进行分类这一步骤，包括以下步骤：

计算电池组在预设时间范围内的平均电流；

判断电池组的平均电流是否为0，若是，则确定电池组处于歇息状态；反之，则执行下一步骤；

判断电池组的平均电流是否大于0，若是，则确定电池组处于充电状态；反之，则确定电池组处于工作状态。

进一步，所述根据电池组状态的切换情况，确定电池组的批次这一步骤，其具体为：

若在第一时刻，电池组的状态从其他状态转入工作状态，则确定第一时刻为工作批次的开始时刻；

若在第二时刻，电池组的状态从工作状态转入其他状态，则确定第二时刻为工作批次的结束时刻；

若在第三时刻，电池组的状态从其他状态转入充电状态，则确定第三时刻为充电批次的开始时刻；

若在第四时刻，电池组的状态从充电状态转入其他状态，则确定第四时刻为充电批次的结束时刻；

若在第五时刻，电池组的状态从其他状态转入歇息状态，则确定第五时刻为歇息批次的开始时刻；

若在第六时刻，电池组的状态从歇息状态转入其他状态，则确定第六时刻为歇息批次的结束时刻。

进一步，所述执行预设的跟踪算法，以使实际均衡电流比能够实时跟踪对应批次的参考均衡电流比这一步骤，其具体为：

计算单体电池的实际均衡电流比与参考均衡电流比的跟踪误差，所述跟踪误差的计算公式为：

e^bcr(k)＝bcr^ref-bcr(k)，

其中，e^bcr(k)代表单体电池的实际均衡电流比与参考均衡电流比在k时刻的跟踪误差；bcr^ref代表单体电池的参考均衡电流比；bcr(k)代表单体电池与电池组在k时刻的实际均衡电流比；

单体电池与电池组在k时刻的实际均衡电流比bcr(k)的定义式为：

其中，i(l)表示单体电池在l时刻的均衡电流，i(l)表示l时刻的电池组电流。

进一步，所述根据跟踪结果，对电池组进行均衡控制这一步骤，其具体为：

判断电池组是否处于平台区，若是，则采用基于bcr的均衡方法对电池组进行均衡控制；反之，则采用基于电压的均衡方法对电池组进行均衡控制；

其中，所述采用基于bcr的均衡方法对电池组进行均衡控制这一步骤，其具体为：

在电池组处于工作状态时，对跟踪误差数值最小的单体电池进行充电处理；

在电池组处于充电状态时，对跟踪误差数值最小的单体电池进行放电处理；

所述采用基于电压的均衡方法对电池组进行均衡控制这一步骤，其具体为：

在电池组处于工作状态时，对电池电压最低的单体电池进行充电处理；

在电池组处于充电状态时，对电池电压最高的单体电池进行放电处理。

本发明所采取的第二技术方案是：

一种电池组主动均衡控制系统，包括：

第一计算模块，用于计算每个批次的单体电池与电池组之间的参考均衡电流比；其中，所述批次包括充电批次、工作批次和歇息批次；

第二计算模块，用于计算任一批次中每个时刻的单体电池与电池组之间的实际均衡电流比；

跟踪模块，用于执行预设的跟踪算法，以使实际均衡电流比能够实时跟踪对应批次的参考均衡电流比；

均衡控制模块，用于根据跟踪结果，对电池组进行均衡控制。

本发明所采取的第三技术方案是：

一种电池组主动均衡控制装置，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于加载程序，以执行如第一技术方案所述的一种电池组主动均衡控制方法。

本发明的有益效果是：本发明首先确定了单体电池与电池组之间的参考均衡电流比和实际均衡电流比，然后通过跟踪算法进行实时跟踪，最后实现对电池组的均衡控制，本发明能够实现对磷酸铁锂电池的高效主动均衡，适用范围广；另外，本发明基于时间方向和批次方向实现对磷酸铁锂电池的开环均衡和闭环更新，提高了电池组内单体电池之间的一致性，能够提高电池组的寿命。

附图说明

图1为本发明一种电池组主动均衡控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，本发明一种电池组主动均衡控制方法，包括以下步骤：

计算每个批次的单体电池与电池组之间的参考均衡电流比；其中，所述批次包括充电批次、工作批次和歇息批次；

计算任一批次中每个时刻的单体电池与电池组之间的实际均衡电流比；

执行预设的跟踪算法，以使实际均衡电流比能够实时跟踪对应批次的参考均衡电流比；

根据跟踪结果，对电池组进行均衡控制。

进一步作为优选的实施方式，所述计算每个批次的单体电池与电池组之间的参考均衡电流比这一步骤中，所述参考均衡电流比的理论最优解的计算过程包括以下步骤：

计算电池组中的电池串数；

计算电池组中每个单体电池的健康状态，所述单体电池的健康状态的计算公式为：

soh＝q/qrated，

其中，soh代表单体电池的健康状态；q代表单体电池的当前容量；qrated代表单体电池的标准容量；

根据电池组中的电池串数和每个单体电池的健康状态，计算每个单体电池与电池组之间的参考均衡电流比的理论最优解，所述参考均衡电流比的理论最优解的计算公式为：

其中，代表第j个单体电池的参考均衡电流比的理论最优解；n为电池组中的电池串数；sohj表示第j个单体电池的健康状态。

进一步作为优选的实施方式，所述计算每个批次的单体电池与电池组之间的参考均衡电流比这一步骤，其具体为：

采用批次间迭代的方法计算单体电池与电池组之间的参考均衡电流比。

进一步作为优选的实施方式，所述采用批次间迭代的方法计算单体电池与电池组之间的参考均衡电流比这一步骤，包括以下步骤：

对电池组的状态进行分类；

根据电池组状态的切换情况，确定电池组的批次；

根据电池组的批次，采用批次间迭代方法计算单体电池与电池组之间的参考均衡电流比。

进一步作为优选的实施方式，所述对电池组的状态进行分类这一步骤，包括以下步骤：

计算电池组在预设时间范围内的平均电流；

判断电池组的平均电流是否为0，若是，则确定电池组处于歇息状态；反之，则执行下一步骤；

判断电池组的平均电流是否大于0，若是，则确定电池组处于充电状态；反之，则确定电池组处于工作状态。

进一步作为优选的实施方式，所述根据电池组状态的切换情况，确定电池组的批次这一步骤，其具体为：

若在第一时刻，电池组的状态从其他状态转入工作状态，则确定第一时刻为工作批次的开始时刻；

若在第二时刻，电池组的状态从工作状态转入其他状态，则确定第二时刻为工作批次的结束时刻；

若在第三时刻，电池组的状态从其他状态转入充电状态，则确定第三时刻为充电批次的开始时刻；

若在第四时刻，电池组的状态从充电状态转入其他状态，则确定第四时刻为充电批次的结束时刻；

若在第五时刻，电池组的状态从其他状态转入歇息状态，则确定第五时刻为歇息批次的开始时刻；

若在第六时刻，电池组的状态从歇息状态转入其他状态，则确定第六时刻为歇息批次的结束时刻。

进一步作为优选的实施方式，所述执行预设的跟踪算法，以使实际均衡电流比能够实时跟踪对应批次的参考均衡电流比这一步骤，其具体为：

计算单体电池的实际均衡电流比与参考均衡电流比的跟踪误差，所述跟踪误差的计算公式为：

e^bcr(k)＝bcr^ref-bcr(k)，

其中，e^bcr(k)代表单体电池的实际均衡电流比与参考均衡电流比在k时刻的跟踪误差；bcr^ref代表单体电池的参考均衡电流比；bcr(k)代表单体电池与电池组在k时刻的实际均衡电流比；

单体电池与电池组在k时刻的实际均衡电流比bcr(k)的定义式为：

其中，i(l)表示单体电池在l时刻的均衡电流，i(l)表示l时刻的电池组电流。

进一步作为优选的实施方式，所述根据跟踪结果，对电池组进行均衡控制这一步骤，其具体为：

判断电池组是否处于平台区，若是，则采用基于bcr的均衡方法对电池组进行均衡控制；反之，则采用基于电压的均衡方法对电池组进行均衡控制；

其中，所述采用基于bcr的均衡方法对电池组进行均衡控制这一步骤，其具体为：

在电池组处于工作状态时，对跟踪误差数值最小的单体电池进行充电处理；

在电池组处于充电状态时，对跟踪误差数值最小的单体电池进行放电处理；

所述采用基于电压的均衡方法对电池组进行均衡控制这一步骤，其具体为：

在电池组处于工作状态时，对电池电压最低的单体电池进行充电处理；

在电池组处于充电状态时，对电池电压最高的单体电池进行放电处理。

与图1的方法相对应，本发明一种电池组主动均衡控制系统，包括：

第一计算模块，用于计算每个批次的单体电池与电池组之间的参考均衡电流比；其中，所述批次包括充电批次、工作批次和歇息批次；

第二计算模块，用于计算任一批次中每个时刻的单体电池与电池组之间的实际均衡电流比；

跟踪模块，用于执行预设的跟踪算法，以使实际均衡电流比能够实时跟踪对应批次的参考均衡电流比；

均衡控制模块，用于根据跟踪结果，对电池组进行均衡控制。

与图1的方法相对应，本发明一种电池组主动均衡控制装置，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于加载程序，以执行本发明的一种电池组主动均衡控制方法。

本发明适合于在无模型条件下对磷酸铁锂电池进行均衡控制，通过电池充放电的重复特性，利用批次控制算法实现电池主动均衡。本发明定义了均衡电流比，以均衡电流比为指标，在时间方向上对磷酸铁锂电池进行开环均衡，在批次方向上对均衡目标进行闭环更新。本发明的方法，可以在不对磷酸铁锂电池进行建模的条件下，实现对电池组的高效主动均衡。具体的，本发明一种电池组主动均衡控制方法的实施步骤如下：

s1、计算每个批次的单体电池与电池组之间的参考均衡电流比；其中，所述批次包括充电批次、工作批次和歇息批次；

其中，本发明中单体电池j在k时刻的均衡电流比bcrj(k)的定义式为：

其中，ij(l)表示单体电池j在l时刻的均衡电流，i(l)表示l时刻的电池组电流；在实际应用中，均衡电流的测量难度较大，此时可以用数据手册提供的参考值来替代。

本发明的参考均衡电流比的理论最优解的计算过程包括以下步骤：

s101、计算电池组中的电池串数；

s102、计算电池组中每个单体电池的健康状态，所述单体电池的健康状态的计算公式为：

soh＝q/qrated，

其中，soh代表单体电池的健康状态；q代表单体电池的当前容量；qrated代表单体电池的标准容量；

s103、根据电池组中的电池串数和每个单体电池的健康状态，计算每个单体电池与电池组之间的参考均衡电流比的理论最优解，所述参考均衡电流比的理论最优解的计算公式为：

其中，代表第j个单体电池的参考均衡电流比的理论最优解；n为电池组中的电池串数；sohj表示第j个单体电池的健康状态。

在实际应用中，无需计算参考均衡电流比的理论最优解，步骤s101-s103仅用于定义参考均衡电流的理论最优解。而本发明在实际应用中，具体是采用批次间迭代的方法计算单体电池与电池组之间的参考均衡电流比，即所述步骤s1具体包括以下步骤：

s111、取m个时刻采样点，计算出单体电池在k时刻的平均电流iavg(m,k)，所述平均电流的计算公式为：

s112、根据计算得到的平均电流的大小，将电池组的状态分为充电状态、工作状态和歇息状态；

所述步骤s112具体为：当平均电流大于0时，确定电池组的状态为充电状态；

当平均电流小于0时，确定电池组的状态为工作状态；

当平均电流等于0时，确定电池组的状态为歇息状态。

s113、根据电池组状态的切换情况，确定电池组的批次；

所述步骤s113具体为：

若在第一时刻，电池组的状态从其他状态转入工作状态，则确定第一时刻为工作批次的开始时刻；

若在第二时刻，电池组的状态从工作状态转入其他状态，则确定第二时刻为工作批次的结束时刻；

若在第三时刻，电池组的状态从其他状态转入充电状态，则确定第三时刻为充电批次的开始时刻；

若在第四时刻，电池组的状态从充电状态转入其他状态，则确定第四时刻为充电批次的结束时刻；

若在第五时刻，电池组的状态从其他状态转入歇息状态，则确定第五时刻为歇息批次的开始时刻；

若在第六时刻，电池组的状态从歇息状态转入其他状态，则确定第六时刻为歇息批次的结束时刻。

s114、根据电池组的批次，采用批次间迭代方法计算单体电池与电池组之间的参考均衡电流比；

所述参考均衡电流比的收敛计算方法的计算公式为：

其中，表示第s+1个批次里每一个单体电池的参考均衡电流比组成的向量；表示第s个批次里每一个单体电池的参考均衡电流比(例如第j个电梯电池的参考均衡电流比)组成的向量，本实施例将第一个批次的初始值赋值为0；γ＝1；其中i表示单位矩阵，soc表示单体电池的剩余电量百分比，ocv表示当前soc下的电池开路电压，δ是一个正实数，表示裕量；表示在s批次t1时刻电池组平均电压组成的n维向量，vs(t1)表示电池组在s批次t1时刻的电压向量；t1泛指当前批次结束的时刻。

基于上述收敛计算方法的计算公式，当满足s→∞的条件时，收敛到bcr^*(即参考均衡电流比的理论最优解)。

再者，当单体电池的剩余电量百分比(即soc)为已知条件时，本发明的参考均衡电流比可采用以下计算公式来计算：

其中，表示单体电池的soc在s批次t1时刻的平均值所组成的向量，socs(t1)表示单体电池soc在s批次t1时刻所组成的向量。

另外，本发明采用批次间迭代的方法计算单体电池与电池组之间的参考均衡电流比这一步骤中，参考均衡电流比的更新策略还可以采用以下计算公式来实现：

其中，bcrs表示s批次的实际电流均衡比。

s2、计算任一批次中每个时刻的单体电池与电池组之间的实际均衡电流比，所述实际均衡电流比的计算公式为：

其中，i(l)表示单体电池在l时刻的均衡电流，i(l)表示l时刻的电池组电流；

s3、执行预设的跟踪算法，以使实际均衡电流比能够实时跟踪对应批次的参考均衡电流比；

所述步骤s3具体为：计算单体电池的实际均衡电流比与参考均衡电流比的跟踪误差，所述跟踪误差的计算公式为：

e^bcr(k)＝bcrre^f-bcr(k)，

其中，e^bcr(k)代表单体电池的实际均衡电流比与参考均衡电流比在k时刻的跟踪误差；bcr^ref代表单体电池的参考均衡电流比；bcr(k)代表单体电池与电池组在k时刻的实际均衡电流比。

s4、根据跟踪结果，对电池组进行均衡控制。

所述步骤s4具体为：

判断电池组是否处于平台区，若是，则采用基于bcr的均衡方法对电池组进行均衡控制；反之，则采用基于电压的均衡方法对电池组进行均衡控制；

其中，所述判断电池组是否处于平台区这一步骤，其具体为：

判断这一判定条件是否成立，若是，则电池组处于平台区；反之，则电池组不处于平台区。其中，res表示电压采样的最小有效分辨率。

所述采用基于bcr的均衡方法对电池组进行均衡控制这一步骤，其具体为：

在电池组处于工作状态时，对跟踪误差数值最小的单体电池进行充电处理；

在电池组处于充电状态时，对跟踪误差数值最小的单体电池(而非绝对值最小的单体电池)进行放电处理；例如：计算得到4个单体电池的跟踪误差数值分别为[-1，-0.01，0.001，0.2]，则本发明对跟踪误差数值为-1的单体电池进行放电处理。

所述采用基于电压的均衡方法对电池组进行均衡控制这一步骤，其具体为：

在电池组处于工作状态时，对电池电压最低的单体电池进行充电处理；

在电池组处于充电状态时，对电池电压最高的单体电池进行放电处理。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。