一种基于升降压变换器的锂离子电池组层级均衡控制方法技术

一种基于升降压变换器的串联锂离子电池组的层级均衡控制方法属于锂离子电池均衡技术领域。针对串联锂离子电池组在使用的过程当中出现单体电池不一致而导致电池组能量利用率下降、寿命缩短等问题，在升降压变换器电路的基础上，设计一种串联锂离子电池组的层级均衡电路，该均衡电路包括三级：相邻单体电池之间的均衡、相邻小模组之间的均衡以及相邻大模组之间的均衡。该均衡系统以电池的荷电状态(SOC)为均衡变量，通过比较各单体电池以及模组之间的SOC差值并确定需要均衡的单体电池或电池模组，进而通过控制均衡开关进行整个电池组的均衡，本发明专利技术能够缩短均衡时间，提高均衡效率，有效地实现锂离子电池组的一致性，延长电池组的使用寿命。电池组的使用寿命。电池组的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于升降压变换器的锂离子电池组层级均衡控制方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池均衡
，具体涉及一种基于升降压变换器的锂离子电池组层级均衡控制方法。

技术介绍

[0002]随着全球科技创新和产业变革的发展，电动化已成为汽车产业的发展潮流和趋势。锂离子电池因具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应以及对环境友好等优点而被广泛应用于电动汽车当中。为适应不同负载的电流、电压以及功率和能量的需求，通常需要多个锂离子单体电池通过串并联连接成电池组。但是，锂离子电池成组后单体电池之间的不一致性会引起一系列诸如电池组的耐久性、可靠性以及安全性等问题。因此，为了减少锂离子电池组中单体电池的不一致性，人们通常采用均衡技术对电池组进行合理有效的均衡管理以提高电池组的能量利用率和寿命。
[0003]电池组均衡技术分为主动均衡和被动均衡。被动均衡又被称为能耗型均衡，其工作原理是将单体电池中多余的能量以热的形式释放。被动均衡主要有两个明显的缺陷：一是会造成电池组能量的浪费；二是容易引发散热不及时而造成电池组处于不安全的高温环境。
[0004]主动均衡技术通过主动均衡电路将能量较高的电池中多余的能量转移到能量较低的电池中，从而解决了被动均衡技术的缺陷。主动均衡电路主要是基于升压变换器、降压变换器或是升降压变换器等进行再设计。传统的升降压变换器电路只是在每两个相邻单体电池之间连接一个储能电感，通过储能电感进行能量转移，这种均衡电路仅能实现串联锂离子电池组中两个相邻单体电池之间的均衡，并且当能量传输路径较长时，其均衡时间较长，均衡效率较低，不适用于长串电池组。
[0005]本专利技术以升降压变换器电路为核心，以电池荷电状态(SOC)为均衡变量，设计了一种串联锂离子电池组的层级均衡控制方法，包括均衡电路和均衡控制策略。与传统的升降压变换器均衡电路相比，本专利技术所提出的方法在不额外增加电路元器件的基础上，不仅可以实现两相邻单体电池之间的均衡，而且通过电池模组之间的层级均衡控制可以间接地实现两个非相邻单体电池之间的均衡，其能量传输路径变短，能够有效地提高电池组均衡系统的均衡效率，缩短电池组的均衡时间，改善电池组的不一致性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是对串联锂离子电池组进行有效地均衡控制并提高均衡系统的均衡效率，缩短电池组的均衡时间，有效地改善电池组的不一致性。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供一种串联锂离子电池组层级均衡控制方法，所述均衡控制方法包括均衡电路和均衡控制策略的设计。
[0008]均衡电路是在锂离子电池组的基础上添加了多个储能电感元件、二极管以及均衡控制开关。其中，锂离子电池组是由多个单体电池通过串联连接而成，并且在该锂离子电池
组中，将两个相邻的单体电池构成一个小的模组，再将两个相邻小的模组构成一个大的模组。该均衡电路中的每个二极管都与相应的均衡控制开关并联且成对出现，并且在每两个相邻的单体电池或大小模组之间均连接一个储能电感元件，而且每个单体电池和电池模组都与并联成对的二极管和均衡开关连接。
[0009]均衡控制策略是在锂离子电池组充放电电路和信息采集电路的基础上增加了荷电状态(SOC)估算模块、逻辑判断模块以及均衡开关控制模块。通过电池组充放电电路和信息采集电路，可以收集到各单体电池的电压、电流以及温度等信息。SOC估算模块是根据信息采集电路收集到的电池电压、电流以及温度等信息进行计算单体电池或电池模组的SOC值；逻辑判断模块首先判断各相邻单体电池之间的SOC差值是否超出均衡阈值并确定需要进行均衡的单体电池，其次判断各相邻小模组之间的SOC差值是否超出均衡阈值并确定需要进行均衡的小模组，最后判断各相邻大模组之间的SOC差值是否超出均衡阈值并确定需要进行均衡的大模组；开关控制模块与每个均衡开关相连，用于控制均衡开关的闭合以给相应的单体电池或模组供电，如此，形成两个相邻单体电池、两个小的电池模组以及两个大的电池模组之间的三级均衡控制。
[0010]本专利技术采用如下技术方案来实现：
[0011]一种基于升降压变换器的锂离子电池组层级均衡控制方法，包括如下步骤：
[0012]第一步：基于信息采集电路收集锂离子电池组中各个单体电池的电压、电流以及温度等信息。
[0013]第二步：利用收集到的电池电压、电流以及温度等数据通过安时积分法获得所述锂离子电池组中各单体电池的SOC值：
[0014][0015]其中，t为电池的充放电时间；Q为电池的容量。SOC0为电池的初始荷电状态。
[0016]第三步：利用逻辑判断模块首先判断各相邻单体电池之间的SOC差值是否超出其均衡阈值，若超出其均衡阈值则确定需要均衡的单体电池，并通过控制模块控制相应的均衡开关闭合以给相应的单体电池供电。若相邻单体电池之间的SOC差值在其均衡阈值范围之内，则逻辑判断模块再判断各相邻小的模组之间的SOC差值是否超出其均衡阈值，若超出均衡阈值则确定需要均衡的小模组，并通过控制模块控制相应的均衡开关闭合以给相应的小模组供电。若相邻小的模组之间的SOC差值在其均衡阈值范围之内，则逻辑判断模块继续判断各相邻大的模组之间的SOC差值是否超出其均衡阈值，若超出其均衡阈值则确定需要均衡的大模组，并通过控制模块控制相应的均衡开关闭合以给相应的大模组供电。
[0017]第四步：涉及到每一层级的均衡，可将每个开关周期T分为两个阶段，即均衡开关的闭合和断开阶段，分别为(t0,DT)和(DT,t1)；当t0<t<DT时，两个相邻单体电池或模组中能量较高的那个相应的控制开关闭合，将其多余的能量释放并储存在相应的储能电感元件中，当DT≤t≤t1时，相应的控制开关断开，并将储能电感中的能量转移到此两个相邻单体电池或模组中能量较低的那个当中。以两个相邻的单体电池间的均衡为例，若单体电池Bi的荷电状态较大，而与其相邻的单体电池Bj的荷电状态较小，那么，单体电池Bi中多余的电
量需要转移至单体电池Bj中，均衡过程中，两个单体电池间的储能电感中的电流变化如下：
[0018][0019][0020]其中，I
L
为流过电感L的电流；V
i
为电池Bi的电压，V
j
为电池Bj的电压；I
p
为电感L的峰值电流；L为电感值；T为周期；DT是D
×
T；D为脉冲宽度调制信号(PWM)的占空比。
[0021]将t＝T，代入电感电流变化表达式的第二项中，占空比的范围计算如下：
[0022][0023][0024]对于额定容量为2Ah、充电截止电压为4.2V、放电截止电压为2.5V的锂离子电池，其均衡电流一般不能超过3C，即6A。因此，通过计算可知PWM的占空比的范围为D≤0.3731。
[0025]本专利技术提供的技术方法带来的有益效果：
[0026]相比于传统的利用升降压变换器电路进行串联电池组的均衡控制，本专利技术在传统的升降压变换器电路基础上，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于升降压变换器的锂离子电池组层级均衡控制方法，其特征在于，所述均衡控制方法包括均衡电路和均衡控制策略，均衡电路是在锂离子电池组的基础上添加了多个储能电感元件、二极管以及均衡控制开关；均衡控制策略在电池组充放电电路和信息采集电路的基础上增加了荷电状态(SOC)估计模块、逻辑判断模块以及开关控制模块，所述串联锂离子电池组的层级均衡控制方法包括：所述串联锂离子电池组，将两节相邻单体电池构成一个小的模组，两个相邻小的模组构成一个大的模组，以形成两个相邻单体电池、小模组以及大模组之间的三级均衡控制；所述电池组均衡电路在锂离子电池组的基础上添加了多个储能电感元件、二极管以及均衡控制开关，其中，每个二极管都与相应的均衡开关并联且成对出现，每两个相邻单体电池或模组之间均连接一个储能电感元件，每个单体电池和电池模组都与并联成对的二极管和均衡开关连接；所述信息采集模块与每一个单体电池模块相连，所述信息采集模块用于采集各单体电池的电压、电流以及温度等信息；所述SOC估计模块用于计算单体电池的SOC值；所述逻辑判断模块首先判断各相邻单体电池之间的SOC差值是否超出均衡阈值并确定需要进行均衡的单体电池，其次判断各相邻小模组之间的SOC差值是否超出均衡阈值并确定需要进行均衡的小模组，最后判断各相邻大模组之间的SOC差值是否超出均衡阈值并确定需要进行均衡的大模组；所述开关控制模块与每个均衡开关相连，用于控制均衡开关的闭合或断开，以给相应的单体电池或模组放电或充电。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：基于信息采集电路收集各个单体电池的电压、电流以及温度等信息；第二步：利用信息采集电路收集到的电池电压、电流以及温度等数据通过安时积分法获得所述锂离子电池组中各单体电池的SOC值：其中，t为电池的充放电时间；Q为电池的额定容量，SOC0为电池的初始荷电状态；第三步：利用逻辑判断模块首先判断各相邻单体电池之间的SOC差值是否超出其均...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彦琴，杨冉，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：