專利名稱：動力電池組充電均衡控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及動力電池組均衡控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于能量計算的充電均衡控 制方法。
背景技術(shù)：
動力電池組的不一致性是導(dǎo)致整組電池性能下降的重要因素，為了提高串聯(lián)電池 組使用過程中的一致性，行業(yè)內(nèi)提出了多種均衡器方法，但這些均衡方法均有不足。例如 目前市場上比較常見的電阻分流均衡法，該方法對串聯(lián)成組工作的電池中先達(dá)到設(shè)定基準(zhǔn) 電壓的電池開通分流支路，充電過程中分流部分充電電流或者放電過程中增加均衡電池放 電電流，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能耗散，該方法不利于能源節(jié)約，缺點顯而易見。又如能量搬 遷式均衡法，其通過電感或者電容等儲能元件將電壓高的單體的能量搬遷到電壓低的單體 上，其控制電路相對復(fù)雜，而且目前仍沒有研究表明能量搬遷式均衡法對電池壽命的影響 情況。還有采用獨(dú)立電源充電方法的，該方法利用變壓器多個副邊繞組分別給多個串聯(lián)電 池充電，電路的成本和可靠性大大影響了這種方法的推廣和使用。而上述三種方法中，衡量 電池是否需要均衡的標(biāo)準(zhǔn)均是電池單體電壓的不同。眾所周知，電池的電壓并不能完全反 應(yīng)出電池的不一致性，動力電池組的不一致性在整個工作過程中受電池內(nèi)阻、極化和容量 差異影響都很大。通過對動力電池組不一致性原因的綜合分析，我們發(fā)現(xiàn)電池組的均衡條件不能單 純的從電池外電壓分析，對電池組一致性進(jìn)行判斷必須真實有效地描述電池之間的性能差 異。影響性能評價的主要出發(fā)點應(yīng)該是電池的功率特性的一致性和能量利用率的一致性。 雖然成組應(yīng)用的電池組在出廠前都經(jīng)過嚴(yán)格的檢測和篩選，但它們之間的相對一致性隨著 電池組的使用不一致性逐漸表現(xiàn)出來，并隨著內(nèi)阻增加、容量差異、老化衰退軌跡不同而越 來越嚴(yán)重。為了防止這種情況，本發(fā)明提出了一種針對電池組的基于能量計算的在線實時 充電均衡方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的問題是提供一種電池組使用過程中基于能量計算的在線充電 均衡方法。為解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為一種動力電池組充電均衡控制方 法，其步驟為(1)估算電池組內(nèi)各電池單體的最大可用容量，確定容量最小的電池單體；(2)監(jiān)測電池充放電過程，在線估算電池荷電狀態(tài)SOC ；(3)在電池組充電過程的末段，計算各電池單體的可充電容量和可放電容量，在滿 足最小容量電池單體滿充滿放的條件下，根據(jù)各電池單體的SOC計算出各電池單體所需的
均衡容量；(4)若計算出的需要均衡容量大于一定閾值則執(zhí)行步驟(5)，反之則執(zhí)行步驟⑴；(5)根據(jù)計算出的均衡容量，在設(shè)定的充電或放電階段對各電池單體進(jìn)行均衡。具體的，所述步驟(5)中采用充電方式對各電池單體進(jìn)行均衡；所述步驟(3)所述 充電過程末段為進(jìn)入恒壓小電流充電階段至充電結(jié)束階段。本發(fā)明所述均衡控制方法，是基于均衡容量大小實現(xiàn)均衡控制的，這種方法使電 池組在整個工作過程中一致性評價體系具有一定的穩(wěn)定性，不會隨著電池單體電壓的波動 性導(dǎo)致均衡對象的改變。本發(fā)明所述均衡控制方法能有效提高電池組的功率特性，增加電 池組的能量利用率，大大延長了電池組的使用壽命。
具體實施例方式為了便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。η只最大可用容量分別為Qmax[l]，. . .，Qfflax[η]，當(dāng)前的荷電狀態(tài)分別為 S0C[1],. . .，SOC[η]的電池串聯(lián)成組后，電池組的基本參數(shù)如下(1)最大放電容量
其中 i = 1，· · ·，n ;(2)最大充電容量
其中 j = L · · ·，n。(3)最大可用容量應(yīng)= 可見，當(dāng)i = j時，β=等于電池組中最大可用容量最小的電池i的最大可用容量， 所以該電池組并不需要均衡，因為這并不能增加電池組的最大可用容量；當(dāng)i興j時，Qlc 比組內(nèi)容量最小的電池的最大可用容量還要小，通過均衡可以增加電池組的容量，電池組 的均衡也才有意義。因此，從容量利用的角度而言，電池組是否需要均衡的判斷依據(jù)就是在充放電過 程中，容量最小的電池能否首先達(dá)到充滿電和放完電，是否實現(xiàn)了容量的充分利用。為了實現(xiàn)電池組容量充分利用，就需要容量最小的電池在充放電的過程中實現(xiàn)全 充全放。因此本發(fā)明采用基于容量分析的均衡策略，因為原始電池組存在不一致性，需要分 析整組電池的充電情況，首先均衡先放完電但充電卻未充滿的電池單體，得出容量最小的 電池并使其全充全放。另外，均衡條件的判斷還需要在充電初期，對極化電壓快速識別、電池最大可用容 量修正和SOC狀態(tài)分析，通過在充電的初期記錄電池組內(nèi)所有電池的SOC和最大可用容量， 可判斷出該電池組是否需要均衡并計算出各只電池需要均衡的容量。因此，本發(fā)明所述動力電池組充電均衡控制方法的前3個步驟為(1)估算各電池單體的最大可用容量，確定容量最小的電池單體；(2)監(jiān)測電池充放電過程，在線估算各電池單體的荷電狀態(tài)SOC ；(3)在電池組充電過程的末段，計算各電池單體的可充電容量和可放電容量，在滿 足最小容量電池單體滿充滿放的條件下，根據(jù)各電池單體的SOC計算出各電池單體所需的 均衡容量。步驟(1)中通過監(jiān)控電池組的充放電過程，測量充放電電流，采用安時積分法估 算各電池單體的最大可用容量，比較得出容量最小的電池單體。
步驟(2)中，由于電池的外電壓可以實時測量得到，從而可以對電池單體進(jìn)行 SOC估算。本發(fā)明中通過充分靜置后的開路電壓OCV來判斷電池的荷電狀態(tài)。首先，建立 OCV-SOC(電池開路電壓與剩余容量)曲線，再通過實驗對電池的OCV-SOC特性曲線進(jìn)行有 序間隔點測量，并依據(jù)測量點對整個OCV-SOC曲線進(jìn)行分段線性化處理，可得
上式為SOC的分段函數(shù)，其能夠?qū)﹄姵亻_路電壓曲線進(jìn)行分段線性描述，簡化曲 線的復(fù)雜性。其中H(i)，B(i)，1 = 0,1,2……19分別為各段曲線的斜率和在Y軸上的截 距，最終通過充分靜置后測得的開路電壓，計算出各電池單體的S0C。單體電池的最大可用容量就是該單體電池當(dāng)前的剩余容量，步驟3的作用是得到 容量最小的可以在整個充放電過程中滿充滿放的電池單體的容量，即整個電池組的最大可 用容量。步驟(3)，在充電曲線末段，當(dāng)最小容量電池充滿后，根據(jù)各個電池的OCV-SOC曲 線，得到單體電池的SOC狀態(tài)，則各個電池單體的充電均衡容量即是1-S0C。剩余容量、最大可用容量在充放電電流足夠小的情況下才能得到，而實際使用時， 電池的工作電流不可能一直維持在足夠小的狀態(tài)下，這樣由于電池內(nèi)阻和極化電壓的影 響，使測得電池單體外電壓在充電時高于實際的開路電壓，放電則反之。當(dāng)采用恒流-恒壓 充電方法充電時，恒壓階段的歐姆壓降和極化電壓可以維持在較小范圍，因此，步驟(3)所 述充電過程末段為進(jìn)入恒壓小電流充電階段至充電結(jié)束階段。放電階段不存在很小電流的 階段，導(dǎo)致電池的實際放電容量少于最大可用容量，或者說單體電池在某一時刻實際放電 容量少于剩余容量。電池的荷電狀態(tài)SOC的定義為剩余容量(Qm)和最大可用容量(Qmax)之比，即SOC =Qrem/Qmaxo在動態(tài)情況下，SOC的變化
h□ SOC = SOC2-SOC1 = □ QM/Qmax，其中□ Q rem = fidt 最終得到各個單體電池
的最大可用容量。本發(fā)明所述均衡方法還包括對計算出的均衡容量進(jìn)行判斷的步驟和執(zhí)行均衡的 步驟，若均衡容量大于一定閾值則執(zhí)行均衡，反之則不必均衡，繼續(xù)執(zhí)行步驟(1)對電池組 使用過程進(jìn)行監(jiān)控。該閾值可根據(jù)實際情況確定，舉例來說，20mv的電壓差別在充電末段的時候如果 對應(yīng)的容量是0. 02AH的話，0. 02AH即可設(shè)為閾值，對于計算出來的各電池容量值，只有超 過0. 02AH才給予均衡操作，小于該閾值的容量不予均衡。最后本發(fā)明采用恒流充電方式對電池組進(jìn)行均衡，具體實現(xiàn)時，可在電池組中各 電池單體兩端由控制器控制分時連通恒流源，選通后控制器啟動恒流源開始均衡，均衡時 間根據(jù)該連通單體電池的均衡容量值進(jìn)行計算。需要說明的是，上述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，在未脫離本發(fā)明構(gòu)思前提下對 其所做的任何微小變化及等同替換，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
動力電池組充電均衡控制方法，其步驟為(1)估算電池組內(nèi)各電池單體的最大可用容量，確定容量最小的電池單體；(2)監(jiān)測電池充放電過程，在線估算電池荷電狀態(tài)SOC；(3)在電池組充電過程的末段，計算各電池單體的可充電容量和可放電容量，在滿足最小容量電池單體滿充滿放的條件下，根據(jù)各電池單體的SOC計算出各電池單體所需的均衡容量；(4)若計算出的需要均衡容量大于一定閾值則執(zhí)行步驟(5)，反之則執(zhí)行步驟(1)；(5)根據(jù)計算出的均衡容量，在設(shè)定的充電或放電階段對各電池單體進(jìn)行均衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力電池組充電均衡控制方法，其特征在于所述步驟(5) 采用充電方式對各電池單體進(jìn)行均衡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的動力電池組充電均衡控制方法，其特征在于步驟(3)所述 充電過程末段為進(jìn)入恒壓小電流充電階段至充電結(jié)束階段。
全文摘要
本發(fā)明涉及動力電池組領(lǐng)域，具體涉及對動力電池組的均衡控制方法。所述方法通過估算組內(nèi)各電池單體的最大可用容量和SOC，確定容量最小的電池單體；再計算各電池單體的可充電容量和可放電容量，在滿足最小容量電池單體滿充滿放的條件下計算出各單體所需的均衡容量；充電或放電時根據(jù)均衡容量對各電池單體進(jìn)行均衡。所述均衡控制方法是基于均衡容量大小實現(xiàn)均衡控制的，這種方法使電池組整個工作過程中一致性評價體系具有一定的穩(wěn)定性，不會隨著電池單體電壓的波動性導(dǎo)致均衡對象的改變。本發(fā)明所述均衡控制方法能有效提高電池組的功率特性，增加電池組的能量利用率，大大延長了電池組的使用壽命。
文檔編號H02J7/00GK101917038SQ201010247999
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月5日
發(fā)明者馮大明, 劉飛, 文鋒, 阮旭松 申請人:惠州市億能電子有限公司