基于SOC精确估计的锂电池组闭环均衡控制方法及装置

本发明涉及电池管理，特别涉及一种基于soc精确估计的锂电池组闭环均衡控制方法及装置。

背景技术：

1、研究与优化电池管理系统(battery management system，bms)中电池组间均衡控制和电池荷电状态(state of charge，soc)估计两项功能对管理锂电池组充放电行为具有重要意义。

2、均衡控制分被动均衡与主动均衡两类方法。为追求小型化、控制简单，市面上常见均衡芯片如德州仪器(texas instruments，ti)的bq40z50以电阻、开关管、单体电池组成放电回路，多余能量却只能通过电阻以热能形式消耗掉，导致系统发热严重又造成能量浪费。主动均衡通过组内电池间能量转移实现，可解决上述问题，基于buck、boost电感式拓扑的优化与策略更是当前研究热点，buck、boost式均衡电路大多采用开环控制结构，即固定脉宽调制占空比(pulse-width modulation，pwm)，即电感电流一般处于断续模式，否则过大占空比会使电感磁滞饱和，导致电感发热，系统均衡效率降低，对均衡有不利影响。

3、soc估计有基于表征参数的方法，安时积分法，基于模型的方法等多种方法，为追求通用性、可靠性，在工程中通常采用安时积分法，专用芯片中的库仑计累积充放电电流结合初始状态即可得到当前时刻soc。应用安时积分法时，soc估计准确性受多种因素影响，考虑到主动均衡过程中存在内部电量转移对soc估计造成的误差，在常规均衡电路中加入电流检测单元，保证单电池soc实时更新与精确性非常重要。

4、文献《一种单电感串并联电池组均衡方法》(郭向伟.电机与控制学报，2021)通过开路电压法获取soc，将soc作为均衡控制比较变量，以储能时75％，放能时25％的固定占空比的pwm驱动使电感电流保持断续模式实现所提拓扑的均衡化。文献《飞机蓄电池均衡充放电技术研究》(裴莹.南京航空航天大学，2016)将单电池端电压作为均衡控制比较变量，最值电压比较法与相邻电压比较法结合以50％固定占空比的pwm驱动使电感电流保持在断续模式，实现buck、boost拓扑的均衡化，均衡内部加入电流采样，但未考虑均衡时内部电量转移。文献《一种单电感双向电池均衡电路》(李小龙.电机与控制学报,2019)同样以电压作为比较变量，使用改进拓扑以时分复用方法通过固定占空比的pwm进行均衡，储能时工作在boost模式，放能时工作在buck模式，实现均衡控制，也未考虑均衡时soc变化。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于soc精确估计的锂电池组闭环控制方法及装置，均衡电路中增加电流采样，各均衡回路按顺序在不同时段循环工作以固定占空比实现开环分时均衡控制，并通过pi控制器，准确控制均衡电流，实现闭环控制。通过均衡电流控制，可避免均衡电流过大，解决应用buck、boost拓扑均衡时电感的磁滞饱和问题，提高均衡效率。同时通过均衡电流检测，可准确计算均衡内部电量转移，提高单体电池soc估计的精度。

2、本发明为解决上述技术问题采用技术方案如下：

3、一种基于soc精确估计的锂电池组闭环均衡控制方法，所述方法包括以下步骤：

4、s10均衡系统断电，多次采集单体电池端电压后求平均值，通过开路电压-荷电状态曲线对应到soc初值；

5、s20均衡系统上电后，开启连续电压采样，获取单体电池端电压，对任意两相邻电池进行电压比较，判定相邻电池电压大小；

6、s30对状态不一致的串联锂电池组，引入pi控制器，设计了基于均衡电流采样的分时控制器，实现闭环均衡控制；

7、s40均衡过程中，在每个pwm周期采集两次均衡电流值，获得均衡时各电池的电量转移，结合soc初值计算出各单体电池当前时刻soc。

8、进一步，所述步骤s10中，均衡系统断电状态为系统上电时，先不使均衡工作，先采集各单体电池静态电压，即开路电压，计算soc初值平均值；均衡系统上电状态为soc初值平均值计算完成后，均衡工作，开启连续电压采样。

9、所述步骤s20中，均衡对电压比较实时性要求不高，因此开启连续电压采样。

10、再进一步，所述步骤s30中，可实现开环均衡控制的分时控制器设计如下：

11、4节串联锂电池组成的均衡拓扑中，均衡回路按电池相邻位置分为3组，1、2节电池为1组，2、3节电池为2组，3、4节电池为3组，每组均衡对应1个时间段，共3个时段，每个时段由n个pwm周期组成；

12、1)时段1：第1组均衡，先判断ubat1与ubat2大小；

13、情况1：ubat1＞ubat2时，令δu12＝ubat1-ubat2；

14、δu12＞0.1v，开通q1储能，q2体二极管续流放能，开启均衡；

15、δu12＜0.05v，关闭均衡；

16、0.05v≤δu12≤0.1v，再判断δu12变化方向；

17、δu12＞0.1v变化至0.05v≤δu12≤0.1v开启均衡；

18、δu12＜0.05v变化至0.05v≤δu12≤0.1v关闭均衡；

19、情况2：ubat2＞ubat1时，令δu21＝ubat2-ubat1；

20、δu21＞0.1v，开通q2储能，q1体二极管续流放能，开启均衡；

21、δu21＜0.05v，关闭均衡；

22、0.05v≤δu21≤0.1v，再判断δu21变化方向；

23、δu21＞0.1v变化至0.05v≤δu21≤0.1v开启均衡；

24、δu21＜0.05v变化至0.05v≤δu21≤0.1v关闭均衡；

25、延时间隔t完全释放l1能量，保证下个循环时段1重新运行；

26、2)时段2：第2组均衡，先判断ubat2与ubat3大小；

27、情况1：ubat2＞ubat3时，令δu23＝ubat2-ubat3；

28、δu23＞0.1v，开通q3储能，q4体二极管续流放能，开启均衡；

29、δu23＜0.05v，关闭均衡；

30、0.05v≤δu23≤0.1v，再判断δu23变化方向；

31、δu23＞0.1v变化至0.05v≤δu23≤0.1v开启均衡；

32、δu23＜0.05v变化至0.05v≤δu23≤0.1v关闭均衡；

33、情况2：ubat3＞ubat2时，令δu32＝ubat3-ubat2。

34、δu32＞0.1v，开通q4储能，q3体二极管续流放能，开启均衡；

35、δu32＜0.05v，关闭均衡；

36、0.05v≤δu32≤0.1v，再判断δu32变化方向；

37、δu32＞0.1v变化至0.05v≤δu32≤0.1v开启均衡；

38、δu32＜0.05v变化至0.05v≤δu32≤0.1v关闭均衡；

39、延时间隔t完全释放l2能量，保证下个循环时段2重新运行；

40、3)时段3：第3组均衡，先判断ubat3与ubat4大小；

41、情况1：ubat3＞ubat4时，令δu34＝ubat3-ubat4；

42、δu34＞0.1v，开通q5储能，q6体二极管续流放能，开启均衡；

43、δu34＜0.05v，关闭均衡；

44、0.05v≤δu34≤0.1v，再判断δu34变化方向；

45、δu34＞0.1v变化至0.05v≤δu34≤0.1v开启均衡；

46、δu34＜0.05v变化至0.05v≤δu34≤0.1v关闭均衡；

47、情况2：ubat4＞ubat3时，令δu43＝ubat4-ubat3；

48、δu43＞0.1v，开通q6储能，q5体二极管续流放能，开启均衡；

49、δu43＜0.05v，关闭均衡；

50、0.05v≤δu43≤0.1v，再判断δu43变化方向；

51、δu43＞0.1v变化至0.05v≤δu43≤0.1v开启均衡；

52、δu43＜0.05v变化至0.05v≤δu43≤0.1v关闭均衡；

53、延时间隔t完全释放l3能量，保证下个循环时段3重新运行；

54、3个时段按顺序运行一次为一个循环，后面重复此循环即可实现主动分时均衡控制。

55、优选地，延时的时间间隔t确定准则为实测每个时段运行后电感的实际放能到电流为0的时间t1,保证t＞t1即可。

56、优选地，每个时段由n个pwm周期组成，n的确定准则如下：

57、1个pwm周期内储能回路电压方程：

58、

59、

60、1个pwm周期内放能回路电压方程：

61、

62、

63、式中，t为pwm周期；α为占空比；vi、vj、vd分别为两相邻电池中高电量单体电池电压、低电量单体电电压、二极管导通压降；

64、由(2)、(4)，认为1个pwm周期内电池电压不变，电感电流表达式为：

65、

66、均衡期间，上述时段1～3中1个pwm周期内电感电流应为连续模式：

67、

68、

69、则

70、由(5)，经过有限pwm周期n后，流过电感的电流峰值：

71、

72、若电感电流e值为a，则电感电流可控制在额定值以内：

73、

74、

75、由(10)，a、vi、vj、vd为已知值，则通过合理选择电感值l及调节pwm频率f以及占空比α使电感电流在时段1～3呈现连续可叠加的效果。

76、更进一步，所述闭环均衡控制为电流闭环均衡控制。结合电流采样与分时控制，加入pi控制器，将3组均衡回路电感支路采样的电流作为反馈值，将与给定值比较产生误差送入pi控制器运算得到输出值，利用该输出值调节占空比，最终可精确控制均衡内部电流。

77、所述步骤s40中，在每个pwm周期采集两次均衡电流值分别为定时器按中央对齐模式计数的上溢出点与下溢出点分别产生更新事件去触发电流采样的电流值，而上溢出采样点电流值为pwm波高电平期间电流上升曲线与时间轴围成梯形的中值点，下溢出采样点电流值为pwm波低电平期间电流下降曲线与时间轴围成梯形的中值点；

78、均衡内部转移电量为每个pwm周期，电感电流曲线与时间轴围成梯形面积的累积。根据累积电量应用安时积分法得到当前时刻soc：

79、

80、式中，soc(t)为当前时刻各单体电池soc，socini为soc初值，qc为电池额定容量，i(t)为t时刻电感电流。

81、一种基于soc精确估计的锂电池组闭环均衡控制装置，包括：

82、soc初值计算模块，用于均衡系统断电状态下，多次采集单体电池端电压后求平均值，通过开路电压-荷电状态曲线对应到soc初值；

83、电压采样与比较模块，用于均衡系统上电后，开启连续电压采样，获取单体电池端电压，对任意两相邻电池进行电压比较，判定相邻电池电压大小；

84、均衡控制模块，用于对状态不一致的串联锂电池组，引入pi控制器，设计了基于均衡电流采样的分时控制器，实现闭环均衡控制；

85、soc估计模块，用于均衡过程中，在每个pwm周期采集两次均衡电流值，获得均衡时各电池的电量转移，结合soc初值计算出各单体电池当前时刻soc。

86、进一步，所述soc初值计算模块中，均衡系统断电状态为系统上电时，先不使均衡工作，先采集各单体电池静态电压，即开路电压，计算soc初值平均值；均衡系统上电状态为soc初值平均值计算完成后，均衡工作，开启连续电压采样。

87、所述电压采样与比较模块中，均衡对电压比较实时性要求不高，因此开启连续电压采样。

88、再进一步，所述均衡控制模块中，可实现开环均衡控制的分时控制器设计如下：

89、4节串联锂电池组成的均衡拓扑中，均衡回路按电池相邻位置分为3组，1、2节电池为1组，2、3节电池为2组，3、4节电池为3组，每组均衡对应1个时间单元，共3个时间单元，每个时间单元由n个pwm周期组成；

90、1)第1时间单元：第1组均衡，先判断ubat1与ubat2大小；

91、情况1：ubat1＞ubat2时，令δu12＝ubat1-ubat2；

92、δu12＞0.1v，开通q1储能，q2体二极管续流放能，开启均衡；

93、δu12＜0.05v，关闭均衡；

94、0.05v≤δu12≤0.1v，再判断δu12变化方向；

95、δu12＞0.1v变化至0.05v≤δu12≤0.1v开启均衡；

96、δu12＜0.05v变化至0.05v≤δu12≤0.1v关闭均衡；

97、情况2：ubat2＞ubat1时，令δu21＝ubat2-ubat1。

98、δu21＞0.1v，开通q2储能，q1体二极管续流放能，开启均衡；

99、δu21＜0.05v，关闭均衡；

100、0.05v≤δu21≤0.1v，再判断δu21变化方向；

101、δu21＞0.1v变化至0.05v≤δu21≤0.1v开启均衡；

102、δu21＜0.05v变化至0.05v≤δu21≤0.1v关闭均衡；

103、延时间隔t完全释放l1能量，使下个循环第1时间单元重新运行；

104、2)第2时间单元：第2组均衡，先判断ubat2与ubat3大小；

105、情况1：ubat2＞ubat3时，令δu23＝ubat2-ubat3；

106、δu23＞0.1v，开通q3储能，q4体二极管续流放能，开启均衡；

107、δu23＜0.05v，关闭均衡；

108、0.05v≤δu23≤0.1v，再判断δu23变化方向；

109、δu23＞0.1v变化至0.05v≤δu23≤0.1v开启均衡；

110、δu23＜0.05v变化至0.05v≤δu23≤0.1v关闭均衡；

111、情况2：ubat3＞ubat2时，令δu32＝ubat3-ubat2；

112、δu32＞0.1v，开通q4储能，q3体二极管续流放能，开启均衡；

113、δu32＜0.05v，关闭均衡；

114、0.05v≤δu32≤0.1v，再判断δu32变化方向；

115、δu32＞0.1v变化至0.05v≤δu32≤0.1v开启均衡；

116、δu32＜0.05v变化至0.05v≤δu32≤0.1v关闭均衡；

117、延时间隔t完全释放l2能量，使下个循环第2时间单元重新运行；

118、3)第3时间单元：第3组均衡，先判断ubat3与ubat4大小；

119、情况1：ubat3＞ubat4时，令δu34＝ubat3-ubat4；

120、δu34＞0.1v，开通q5储能，q6体二极管续流放能，开启均衡；

121、δu34＜0.05v，关闭均衡；

122、0.05v≤δu34≤0.1v，再判断δu34变化方向。

123、δu34＞0.1v变化至0.05v≤δu34≤0.1v开启均衡；

124、δu34＜0.05v变化至0.05v≤δu34≤0.1v关闭均衡；

125、情况2：ubat4＞ubat3时，令δu43＝ubat4-ubat3:；

126、δu43＞0.1v，开通q6储能，q5体二极管续流放能，开启均衡；

127、δu43＜0.05v，关闭均衡；

128、0.05v≤δu43≤0.1v，再判断δu43变化方向；

129、δu43＞0.1v变化至0.05v≤δu43≤0.1v开启均衡；

130、δu43＜0.05v变化至0.05v≤δu43≤0.1v关闭均衡；

131、延时间隔t完全释放l3能量，使下个循环第3时间单元重新运行；

132、3个时间单元按顺序运行一次为一个循环，后面重复此循环即可实现主动分时均衡控制。

133、优选地，延时的时间间隔t确定准则为实测每个时段运行后电感的实际放能到电流为0的时间t1,保证t＞t1即可。

134、优选地，每个时间单元由n个pwm周期组成，n的确定准则如下：

135、1个pwm周期内储能回路电压方程：

136、

137、

138、1个pwm周期内放能回路电压方程：

139、

140、

141、由(2)、(4)，认为1个pwm周期内电池电压不变，电感电流表达式为：

142、

143、均衡期间，上述第1～3时间单元中1个pwm周期内电感电流应为连续模式：

144、

145、

146、则

147、由(5)，经过有限pwm周期n后，流过电感的电流峰值：

148、

149、若电感电流额定值为a，则电感电流可控制在额定值以内：

150、

151、

152、则通过合理选择电感值l及调节pwm频率f以及占空比α使电感电流在第1～3时间单元呈现连续可叠加的效果。

153、优选地，所述均衡控制模块为电流闭环均衡控制。结合电流采样与分时控制，加入pi控制器，将3组均衡回路电感支路采样的电流作为反馈值，将与给定值比较产生误差送入pi控制器运算得到输出值，利用该输出值调节占空比，最终可精确控制均衡内部电流。

154、优选地，所述soc估计模块中，每个pwm周期采集的两次均衡电流值分别为定时器按中央对齐模式计数的上溢出点与下溢出点分别产生更新事件去触发电流采样的电流值，而上溢出采样点电流值为pwm波高电平期间电流上升曲线与时间轴围成梯形的中值点，下溢出采样点电流值为pwm波低电平期间电流下降曲线与时间轴围成梯形的中值点；

155、均衡内部转移电量为每个pwm周期，电感电流曲线与时间轴围成梯形面积的累积。根据累积电量应用安时积分法得到当前时刻soc：

156、

157、本发明的有益效果主要表现在：

158、(1)基于buck、boost均衡拓扑，加入电流采样，对状态不一致的串联锂电池组基于分时策略实现开环状态下的均衡控制，解决电池状态不一致问题带来的充放电安全性问题。

159、(2)对状态不一致的串联锂电池组，加入pi控制器，结合电流采样与分时控制实现闭环均衡控制。使均衡变得更加可控，明显提升了均衡速度与效率。

160、(3)检测均衡内部电流，计算均衡时内部转移电量，实时更新单体电池soc，有利于修正充放电时只考虑外部电流而忽略内部均衡电流造成的soc误差。