一种动力锂电池组能量均衡电路及控制方法与流程

本发明涉及动力锂电池组能量均衡技术领域，尤其涉及一种动力锂电池组能量均衡电路与均衡控制方法。

背景技术：

动力锂电池组作为飞机的储能电源，能够用于飞机起动、飞行控制与通讯导航类机载电子设备应急供电；空间电源也多采用太阳能转换为电能存储在蓄电池中，以保证航天器用电设备的持续供电。由于串联电池组中单体电池的内部特性差异、工作环境以及使用次数的不同，导致各单体电池的工作特性不同，从而造成电池组单体间产生不一致性，导致电池组产生“木桶效应”从而加剧各单体电池的性能退化，造成电池续航能力下降，严重影响电池组整体储电能力、使用寿命以及安全性。

目前，国内外研究机构在电池组均衡控制方法上大多采用基于电压均衡准则的均衡控制方法，该种方法可以有效的避免单体电池过充、过放。但是动力锂电池的电压有很长一段时间的平台期，在这段时间中电池容量变化与电压的相关性较小，从而不利于监测电池组在这段时间的一致性，均衡效率也不高。而采用基于单体电池soc均衡准则不但可以实时监控单体电池的soc，而且还可以采用基于单体电池soc的电池组均衡策略准确进行均衡控制，提高电池组的均衡效率。此外，由于均衡电路的复杂性，目前大多数研究尚未能精确的检测单体电池的工作电流，从而导致难以实现单体电池soc的准确估算。

技术实现要素：

本发明为了解决上述“背景技术”中提到的问题，提出了一种动力锂电池组能量均衡电路及控制方法，将电池选择网络和buck-boost均衡电路结合起来，可选择任意一节单体锂电池与锂电池组间或单体锂电池与单体锂电池间能量转移，实现动力锂电池组能量均衡；由于电路中只有一个均衡电路，所以可以采用表贴式采样电阻采集均衡电流(ibalance)，霍尔传感器检测母线电流(icell)，从而计算出每节单体电池的工作电流ik(ik＝icell+ibalance)，然后采用扩展卡尔曼滤波算法精确估算出每节锂电池的荷电状态soc；最后本发明提出基于单体电池soc的电池组均衡方法，通过比较电池组中各单体电池soc的差异，利用开关网络选择需要均衡的电池，采用一个buck-boost电路作为均衡电路，整个均衡方案提高了电池组的均衡效率和准确性，也提高系统的工程实用性。

本发明通过以下技术方案实现：

1.均衡电路将电池选择网络和buck-boost电路结合，实现任意一节单体锂电池与锂电池组间或单体锂电池与单体锂电池间能量转移，采用基于单体锂电池soc的电池组均衡控制方法实现动力锂电池组能量均衡。

2.由电感、电容、二极管和mosfet组成一个buck-boost均衡电路，当电池组中某节单体电池soc过高时，首先通过开关选择网络选择该电池使其与均衡电路相连；然后通过mcu产生的pwm波导通均衡电路中的mos管，使单体电池多余的能量储存在均衡电路中的电感里，当mos管关闭时，电感能量转移到电容中；通过电容将能量转移到整个电池组，也可以通过开关选择将电容中储存的能量转移到某个低电量的单体电池中。

3.采用霍尔传感器h1和表贴式采样电阻rm分别检测母线电流icell和均衡电流ibalance；其中，均衡电流检测方法为：将表贴式采样电阻rm与电感串联，将rm两端的电压通过差分放大器将电压信号的幅值范围放大至mcu的a/d采样范围内，再利用hcpl7800对信号进行隔离放大，最后通过电压跟随器将电压信号传到mcu中

4.一种动力锂电池组能量均衡控制方法，采用基于单体电池soc的均衡控制策略，其步骤为：

步骤1、利用电压传感器、电流传感器和温度传感器对单体锂电池的电压、电流和温度进行检测，然后采用扩展卡尔曼滤波算法估算单体锂电池的soc；

步骤2、根据估算得到的单体锂电池的soc，查找到电池组中soc值最大和最小的电池单体，并计算电池组的平均soc；

步骤3、计算电池组中每一节单体锂电池soc与平均值偏差δsoc，以δsoc作为是否开启均衡控制的判断依据；

步骤4、每当出现偏差δsoc超出阈值的情况，mcu确定需要均衡的电池编号，然后输出pwm波，控制相对应的开关从而进行均衡，最终实现电池单体与电池组间或电池单体与单体间能量的双向传递。

5.所述单体电池soc估算方法，采用卡尔曼滤波算法估算单体电池soc，其步骤为：

步骤1、基于锂电池性能测试和模型参数离线辨识研究所得的数据结果，选择某一特定环境应力、工作应力条件的锂电池容量、ocv-soc对应关系拟合函数、模型参数ro、rp、cp值，对ekf算法的模型系数进行初始化；

步骤2、检测锂电池的初始端电压，通过ocv-soc曲线计算出电池初始soc1，初始化第k＝1时刻状态向量为x1＝[soc1，0]^t；

步骤3、在上述初始化完成之后，以锂电池工作电流ik(ik＝icell+ibalance)作为扩展卡尔曼算法(extendedkalmanfilter，ekf)模型的控制向量，以锂电池端电压vk作为ekf算法模型的观测向量，按照kf算法原理的递推式对锂电池状态空间模型进行的递推，实现第k+1时刻状态向量xk+1的估计，从而实现第k+1时刻锂电池端电压与sock+1的在线估计；

步骤4、根据实际的端电压量测值对状态量进行量测更新和误差协方差的量测更新；

步骤5、循环步骤3，连续进行锂电池端电压与soc的在线估计。

本发明将电池选择网络和buck-boost均衡电路结合起来，可实现任意一节单体锂电池与锂电池组间或单体锂电池与单体锂电池间能量转移，实现动力锂电池组能量均衡；本发明采用霍尔传感器和表贴式采样电阻分别检测母线电流(icell)和均衡电流(ibalance)，从而计算出每节单体电池的工作电流ik(ik＝icell+ibalance)，然后采用扩展卡尔曼滤波算法精确估算出每节锂电池的荷电状态soc；最后本发明提出基于单体电池soc的均衡方法，通过比较电池组中各单体电池soc的差异，利用开关网络选择需要均衡的电池，采用一个buck-boost电路作为均衡电路，整个均衡方案提高了电池组的均衡准确性和效率，也提高系统的工程实用性。

附图说明

图1是本发明电路的拓扑结构示意图；

图2是本发明均衡电流检测电路示意图；

图3是本发明基于单体电池soc均衡控制策略流程图；

图4是本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行详细说明。

1.如图1所示，电池组1与均衡电路模块8连接，通过电池电压检测模块3、温度采集模块4、母线电流采集模块6、均衡电流采集模块7，采集到单体电池电压，电流和温度数据，mcu利用这些数据结合扩展卡尔曼算法进行soc在线估算；图中mosfet驱动模块5可以控制电池均衡模块7、电池选择网络中的开关状态。

2.如图2所示，均衡电流检测电路由差分放大器、隔离放大器和电压跟随器组成，电路根据均衡电流的大小选择合适的采样电阻，vr+与vr-分别接在采样电阻两端，通过差分放大器将电压信号的幅值范围放大至mcu的a/d采样范围内；再利用hcpl7800对差分放大信号进行隔离放大器；最后通过电压跟随器将电压信号传到mcu中。

3.电池均衡模块7是由电感、电容、二极管和mosfet组成一个buck-boost均衡电路，当电池组中某节单体电池soc过高时，首先通过开关选择网络选择该电池使其与均衡电路相连，然后通过控制器产生的pwm波导通均衡电路中的mos管，使电池单体能量储存在均衡电路中的电感里，当mos管关闭时，电感能量转移到电容中，通过电容将能量转移到整个电池组，也可以通过开关选择将电容中储存的能量转移到某个低电量的单体电池中。

4.根据单体电池soc判断需要均衡的电池，当某节单体电池soc过高时，采用升压模式进行单体电池与电池组能量转移，当某节单体电池soc过低时，采用降压模式进行电池组与单体电池的能量转移。

5.如图3所示，一种基于单体电池soc的均衡方法，其步骤为：

步骤1、利用电压传感器、电流传感器和温度传感器对单体锂电池的电压、电流和温度进行检测，然后采用扩展卡尔曼滤波算法估算单体锂电池的soc；

步骤2、根据估算得到的单体锂电池的soc，查找到电池组中soc值最大和最小的电池单体，并计算电池组的平均soc：

步骤3、计算电池组中每一节单体锂电池soc与平均值偏差δsoc，以δsoc作为是否开启均衡控制的判断依据；

步骤4、每当出现偏差δsoc超出阈值的情况，mcu确定需要均衡的电池编号，然后输出pwm波，控制相对应的开关从而进行均衡，最终实现电池单体与电池组或者电池单体与单体间能量的双向传递。

6.如图4所示，一种动力锂电池组能量均衡电路及控制方法，其步骤为：

步骤1、检测每节单体电池的电压、电流、温度；

步骤2、mcu利用这些数据结合扩展卡尔曼算法进行soc在线估算；

步骤3、通过这些电池信息系统判断电池组是否需要均衡，若需要均衡则启动均衡模块，实现电池均衡，若不需要均衡，则将采集到的电池信息到mcu中。