一种串联电池组双电压直接均衡控制方法与流程

本发明涉及一种串联电池组均衡控制方法，适用于新能源汽车或微电网储能系统中电池管理系统。

背景技术：

由于电池组中单体电池的不一致性，导致电池组充电完成后，部分单体电池并未充满；电池组放电完成后，部分单体电池并未放完，结果，电池组的实际可用容量比各单体电池的容量之和减小，并且，电池组的循环寿命也受到影响，均衡电路的作用即是减小单体电池不一致性对整体电池组的影响，进而提高电池组能量利用率，延长电池组使用寿命。

电池组均衡作为电池管理系统最重要的功能，国内外众多学者对其进行了研究。均衡技术的研究包括均衡电路结构的研究和均衡控制方法的研究。本

技术实现要素：
涉及均衡控制方法的研究。对于均衡电路控制方法的研究，重点是确定均衡指标，目前常见的均衡指标包含电池端电压、电池soc或电池内阻等。

北京交通大学姜久春、张彩萍教授团队对串联电池组均衡诊断及一致性进行研究，提出soc变化相比于容量、端电压、内阻，对电池组的一致性影响更大，更能反映电池组的不一致性，并未否定端电压、容量也会对一致性产生影响。合肥工业大学刘新天研究员设计出了一种新型的基于功率电感的均衡拓扑，均衡效果良好，但未见从原理上阐明选择soc作为均衡指标的原因。香港理工大学yuanmao等人提出利用电容传递均衡能量的拓扑结构，以电池端电压作为均衡指标，虽然具有较高的精度，但并未解释选择端电压作为均衡指标的原因。韩国浦项科技大学kyung-minlee等人，马来西亚国家能源大学mohammad等人和我国山东大学张成辉等人设计出了基于变压器的主动均衡电路，以电池端电压作为均衡指标，虽然其具有良好的均衡效果，但变压器型均衡电路扩展性较差，当电池组包含的单体电池数量变化时，需要重新设计电路，并且变压器可能存在漏磁现象。香港理工大学dah-chuan等人同时利用电感、电容设计出了高精度的均衡拓扑，虽然精度较高，但其结构复杂，可能并不适合实际应用。

总体而言，目前均衡控制方法的研究多以单体电池端电压为均衡指标，未来，设计可以快速直接均衡的拓扑结构，探索更能反映电池组一致性的均衡指标，是电池组均衡技术的研究目标。

发明内容

本发明涉及均衡控制方法的研究，以电池端电压作为均衡指标，将充电过程的均衡控制和放电过程的均衡控制合二为一，充放电均衡过程中，不仅对端电压高的单体电池进行放电均衡，也要对端电压低的单体电池进行充电均衡，最终实现提高均衡速度，或者同样的均衡速度条件下，减小均衡电流，进而减小均衡过程对单体电池性能的影响。

基于此，本发明提出以串联电池组中最高的单体电池端电压和最低的单体电池端电压共同作为均衡指标制定均衡控制方法。

进一步的，该方法包含以下内容：

（1）设定均衡指标

以电池组中最大单体电池端电压和最小单体电池端电压的差值作为均衡指标，设各单体电池的端电压为ui，最大的端电压为umax，最小端电压为umin，令：

d=umax-umin（1）

设定均衡电路工作的临界参数dref。若d>dref，均衡电路开始工作，若d<dref，均衡电路不工作。

（2）均衡过程

均衡过程包含若干采样周期，每个采样周期包含若干均衡周期，每个采样周期内，电压检测电路及控制电路检测并判断各单体电池电压是否满足均衡电路工作条件，若不满足，均衡电路不工作，若满足，均衡电路工作，奇数均衡周期对端电压高的电池进行放电均衡，偶数均衡周期对端电压低的单体电池充电均衡，如此交替，直至各单体电池电压满足电池组一致性指标。

（3）均衡过程结束

一个采样周期结束，若各单体电池端电压满足均衡电路工作条件，均衡电路继续工作，若不满足均衡电路工作条件，均衡电路停止工作，均衡过程结束。

本发明的有益点在于：以最高单体电池端电压和最低单体电池端电压差值作为一致性指标，均衡过程同时实现最高端电压的降低和最低端电压的升高，进而快速实现电池组各单体电池端电压趋于一致。

附图说明

为了更加清楚的说明本发明的原理与实施中的技术方案，下面将对本发明涉及的技术方案使用图作进一步的介绍，以下图仅仅是本发明的部分实施例子，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下可以根据以下图获得其他的技术方案。

图1为本发明控制方法原理图；

图2为本发明控制方法所应用的一种均衡拓扑实例示意图；

图3为以图2所示均衡拓扑为例在matalb/simulink中建立仿真模型示意图；

图4为单电压控制方法在图2所示均衡拓扑中的均衡电流示意图；

图5为单电压均衡电路工作前20s各单体电池电压的变化曲线图；

图6本发明双电压直接均衡控制方法在图2所示均衡拓扑中的均衡电流示意图；

图7为双电压均衡电路工作前10s各单体电池电压的变化曲线。

具体实施方式

如图1所示，一种串联电池组双电压直接均衡控制方法，双电压是指电池组中最高的单体电池端电压和最低的单体电池端电压，直接均衡是指将充电过程的均衡控制和放电过程的均衡控制合二为一，在第n（n为奇数，n=1,3,5,7······）个均衡周期对最高端电压对应的单体电池放电均衡，第n+1个均衡周期对最低端电压对应的单体电池充电均衡，此控制方法方法可靠、在线运算量小，可显著提高电池组均衡速度，提高电池能量利用率、延长电池寿命。

所述双电压直接均衡控制方法，包含以下步骤：

（1）设定均衡指标

以电池组中最大单体电池端电压和最小单体电池端电压的差值作为均衡指标，设各单体电池的端电压为ui，最大的端电压为umax，最小端电压为umin，令：

d=umax-umin（1）

设定均衡电路工作的临界参数dref。若d>dref，均衡电路开始工作，若d<dref，均衡电路不工作。

（2）均衡过程

均衡过程包含若干采样周期，每个采样周期包含若干均衡周期，每个采样周期内，电压检测电路及控制电路检测并判断各单体电池电压是否满足均衡电路工作条件，若不满足，均衡电路不工作，若满足，均衡电路工作，奇数均衡周期对端电压高的电池进行放电均衡，偶数均衡周期对端电压低的单体电池充电均衡，如此交替，直至各单体电池电压满足电池组一致性指标。

（3）均衡过程结束

一个采样周期结束，若各单体电池端电压满足均衡电路工作条件，均衡电路继续工作，若不满足均衡电路工作条件，均衡电路停止工作，均衡过程结束。

以图2所示均衡电路拓扑为例，来验证本发明串联电池组双电压直接均衡控制方法的优越性。

如图3，以图2所示均衡拓扑为例在matalb/simulink中建立仿真模型；

将单电压均衡控制方法应用在图2拓扑中，以充电均衡（充电过程中，只对端电压高的单体电池进行放电均衡）为例，图4为均衡电流，图5为均衡电路工作前20s各单体电池端电压的变化曲线。由图5可知均衡电路工作之后，最高端电压对应的单体电池充电速度相比于最低端电压对应的单体电池充电速度减缓，到13s时刻电池组达到设定的均衡状态。

将本发明双电压直接均衡控制方法应用在图2拓扑中，设定和单电压均衡控制方法相同的信号采样周期、均衡精度、端电压初始条件、均衡周期及控制信号占空比，以充电均衡为例，图6为均衡电流，图7为均衡电路工作前10s各单体电池端电压的变化曲线。由图7可知均衡电路工作之后，到4s时刻，电池组达到设定的均衡状态，随后各单体电池充电速度相同，端电压逐渐上升，和单电压均衡控制方法相比，同样的硬件条件及均衡电流，本发明所提双电压直接均衡控制方法均衡速度显著提高。