一種電池靜態、動態均衡控制方法及系統與流程
2023-06-07 04:31:36
本發明屬於動力電池管理技術領域，更具體的說，是涉及一種電池靜態、動態均衡控制方法及系統。
背景技術：
近些年來，由於環境汙染及能源危機，出現了以清潔環保、節約能源為優勢的新型電動汽車，其主要能量由動力電池提供。然而，動力電池儲能及使用壽命有限，且單體電池電壓較低，故一般採用串並聯的方式使用，但是單體電池的性能差異，會引起電池組內單體間電量不均衡，如此會影響動力電池的利用率和使用壽命。
在申請號為201611104627.7中國專利中公開了一種基於電池安全電壓的電池功率限制保護方法，解決的是純電動或混合動力汽車因電池功率受限導致電池電壓過高或過低造成的報故障及車輛無法運行的問題。
上述公開的方法主要是根據電池實時電壓、電流等參數，計算電池實際充放電功率，並保護電池電壓等工作狀態參數正常，不受bms提供的參考值，實時保護電池狀態，減少的是電池極端工作狀態，考慮的是整體電池組的工作狀況，對於單個單體電池的性能差異以及串並聯方式組成的所有單體之間的差異引起的電池組內單體間電量不均衡，從而影響動力電池的利用率和使用壽命的問題沒有考慮。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明提供了一種電池靜態、動態均衡控制方法及系統，以解決由於動力電池串並聯單體電池間的性能差異，引起的電池組內單體間電量不均衡，從而影響動力電池的利用率和使用壽命的問題。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種電池靜態、動態均衡控制方法，包括：
確定電池的實時運行狀態，根據實時獲取的電池運行參數以及bms電池管理系統提供的參考值，判斷電池工作處於靜態還是動態；
根據電池工作處於靜態還是動態來確定電池安全電壓、電流控制方式；
根據所選擇的電池安全電壓、電流控制方式控制所述電池組內單體間電量均衡，保證電池組處於均衡狀態。
其中，所述根據電池工作處於靜態還是動態來確定電池安全電壓、電流控制方式，包括：
獲取實時獲取的電池運行參數以及bms電池管理系統提供的參考值，計算上一個周期電池組系統電壓變化量，確定電池工作處於靜態還是動態；
當電池處於靜態工作時，電池組採用偏差控制法來進行均衡控制；
當電池處於動態工作時，採用周期性的滯後補償控制方法。
其中，當電池處於靜態工作時，電池組採用偏差控制法來進行均衡控制所述電池組內單體間電量均衡，包括：將電池實際運行電壓反饋參數和bms電池管理系統給定的電壓參考值進行對比確定電壓偏差，根據確定的偏差來判斷單體電池是否需要進行均衡充電，根據偏差的大小確定該電池是否充電完成，判定充電器是否需要連通。
需要特別說明的是，上述所述的偏差控制法，主要是根據單體電池在能量密度大小不同的電壓區間會影響電池組內的單體電池的充電情況這一思路來調節電池充電。
在能量密度比較小的電壓區間內，當電池接通充電器後，電壓會很快升高，可能在一瞬間就可以達到充電終止電壓，但是事實上電池可能幾乎就沒有充電，當均衡模塊進行充電器斷開操作後，電池的電壓又會回到充電之前的值，這樣只會增加電池的充電次數，而沒有達到快速均衡的目的。因此，在本發明中，引入最短充電時間。當充電電池滿足其他充電終止條件後，也必須滿足最短充電時間才能進行終止充電。
在能量密度比較大的電壓區間內，當充電時間增長時，單體電池的電壓升高會變得比較慢，但是當充電器斷開後，單體電池的電壓會比設定值小，若繼續按照設定的值作為充電終止判斷條件，則會出現過充的現象，這樣會使原本電壓比較低的單體電池變為電壓較高的電池。為了防止這種過充現象，系統也加入了一個充電時間上限，當充電時間達到設定的充電時間限值，即使單體電池電壓沒有達到整定值，充電器也會強行斷開。待電壓回落後，若還需要進行均衡充電操作，那麼就重新接通充電器，重新整定終止電壓，繼續均衡充電。
上述引入的最短充電時間、充電時間上限均依據電池實際運行電壓反饋參數和bms電池管理系統給定的電壓參考值進行對比確定電壓偏差的大小來判定，是一個相對值。具體所述偏差控制法包括以下步驟和參考偏差電壓：
（1）首先，判斷第i節電池是否正在均衡充電；
（2）若當前單體電池沒有均衡充電，則判斷壓差是否大於2.5mv，進入步驟（3）；若當前單體電池已經在均衡充電，進入步驟（4）；
（3）若壓差小於2.5mv，則進入終止充電；若壓差大於2.5mv，則判斷第i節電池是否需要充電，進入步驟（5）；
（4）計算充電終止電壓，若單體電壓小於終止電壓，則終止充電，否則，進行慢速均衡終止充電；
（5）若第i節電池需要充電，則判斷壓差是否大於3.5mv，進入步驟（6）；否則判斷是否終止充電；
（6）判斷單體電壓是否小於4v，若小於4v，則進行快速充電，進入步驟（7）；否則計算充電終止電壓，進行慢速充電，進入步驟（7）；
（7）計算該單體的均衡充電時間長度，依次遍歷當前所有的單體電池。
其中，當電池處於動態工作時，採用周期性的滯後補償控制方法來進行均衡控制所述電池組內單體間電量均衡，包括：
將電池每次的均衡充電過程設定為一個均衡周期，計算每一節單體電池進行均衡充電的時間，確定均衡周期的周期時間；
計算電池組平均電壓，初始化均衡時間長度，計算單體均衡時間長度，按照均衡時間的長短進行排序，取最長時間為均衡充電周期；
根據電池電壓變化量判定電池是否正在均衡充電，根據充電狀態判定充電器是否需要連通。
需要特別說明的是，上述所述的周期性的滯後補償控制方法，選定均衡充電時間最長的單體電池充電時間作為這個均衡充電周期的周期時間。
這是因為當電池處於動態情況時，整個電池組系統的電壓相比於在靜態情況下電池組的電壓會有比較大的變化，同時，因為每個單體電池其特性不同，會直接導致單體電池電壓波動不盡相同；所以，當選擇需要均衡充電的單體電池的時候，也需要考慮不同情形下的不同的判據。
當電池組系統放電時，一般是當單體電池的電壓下降最快時，其最需要進行均衡充電；當電池組系統充電時，一般是當單體電池電壓升高最慢時，其最需要進行均衡充電。除以上兩種情況外，當電池組接通負載進行放電，或者當電池組接通充電器充電的瞬間，各個單體電池的電壓在這一瞬間下降和升高情況也不同。
這樣，對於電壓較低的單體電池，其電壓狀況較差，可以考慮通過均衡充電來補充其電量。除此之外，在動態均衡情況下，是否接入均衡模塊對於單體電池的電壓影響比較大，因此，已經在進行均衡充電的單體電池與沒有在均衡充電的單體電池就沒有一個統一的比較標準。
因此，為了統一動態均衡的比較標準，本發明採用的是一種周期型均衡方案，即將每次的均衡過程設定為一個均衡周期，在每個均衡周期中，選擇某幾節特定的電池進行均衡充電，同時，計算每一節單體電池進行均衡充電的時間。選定均衡充電時間最長的單體電池充電時間作為這個均衡周期的周期時間。
在電池動態均衡充電過程中，單體電池是否需要進行充電可以從三個方面來考慮，即單體電池電壓的變化率，單體電池電壓偏離平均值的程度，以及充電時間的長短。即選定在上一個周期電壓下降最快，並且單體電壓低於平均值的電池進行均衡，並根據下降速率和低於平均值的差求出下個一周期各單體要均衡的時間長度。具體所述周期性的滯後補償控制方法具體包括以下步驟：
（1）首先，計算上一個周期第i節電池電壓變化量；
（2）判斷上一個周期是否已經結束，若沒有結束則進入下一步；否則進入步驟（5）；
（3）判斷第i節電池是否正在均衡充電，若正在均衡充電，則進入第（4）步；否則判斷下一節電池是否滿足，若滿足則該單體正在進行快速充電，否則進行均衡充電檢測輪詢；
（4）判斷第i節電池是否已經完成均衡充電，若已經完成均衡充電，則終止充電，進行慢速均衡充電。否則一直進行充電；
（5）計算電池組平均電壓，初始化均衡時間長度；計算單體均衡時間長度，按照均衡時間的長短進行排序，取最長時間為均衡充電周期，進行快速均衡充電。
一種基於電池電池靜態均衡控制系統，包括：
計算模塊，根據電池實際運行電壓反饋參數和bms電池管理系統給定的電壓參考值進行對比計算電壓偏差；
調節器，根據確定的偏差來判斷單體電池是否需要進行均衡充電，及充電速度，並控制響應均衡模塊；
均衡模塊，根據調節器反饋信息，控制單體電池充電器的接通和斷開；
電壓補償模塊，對進行均衡充電的電池的反饋電壓進行補償。
一種基於電池電池動態均衡控制系統，包括：
計算模塊，電池實際運行電壓反饋參數和bms電池管理系統給定的電壓參考值，計算單體電池電壓的變化率，單體電池電壓偏離平均值的程度，以及充電時間的長短；
調節器，根據確定的電壓變化量來判斷單體電池是否需要進行均衡充電，及充電速度，並控制響應均衡模塊；
均衡模塊，根據調節器反饋信息，控制單體電池充電器的接通和斷開。
經由上述的技術方案可知，與現有技術相比本發明提供了一種電池靜態、動態均衡控制方法及系統，該方法包括：確定電池的實時運行狀態，根據實時獲取的電池運行參數以及bms電池管理系統提供的參考值，判斷電池工作處於靜態還是動態；在靜態情況下，電池組採用偏差控制法來進行均衡控制，在動態情況下，採用周期性的滯後補償控制方法。
通過上述兩種不同的控制方式，解決由於動力電池串並聯單體電池間的性能差異，引起的電池組內單體間電量不均衡，通過均衡單體電池充電周期和時間，使得電池組中所有單體電池電量大致一致，從而保證電池組處於均衡狀態。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
圖1本發明電池靜態、動態均衡控制方法的流程示意圖；
圖2本發明電池靜態工作情況下均衡控制方法流程圖；
圖3本發明電池靜態均衡控制系統的結構示意圖；
圖4本發明電池動態工作情況下均衡控制方法流程圖；
圖5本發明電池動態均衡控制系統的結構示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1所示的情況，一種電池靜態、動態均衡控制方法，包括：
確定電池的實時運行狀態，根據實時獲取的電池運行參數以及bms電池管理系統提供的參考值，判斷電池工作處於靜態還是動態；
根據電池工作處於靜態還是動態來確定電池安全電壓、電流控制方式；
根據所選擇的電池安全電壓、電流控制方式控制所述電池組內單體間電量均衡，保證電池組處於均衡狀態。
其中，所述根據電池工作處於靜態還是動態來確定電池安全電壓、電流控制方式，包括：
獲取實時獲取的電池運行參數以及bms電池管理系統提供的參考值，計算上一個周期電池組系統電壓變化量，確定電池工作處於靜態還是動態；
當電池處於靜態工作時，電池組採用偏差控制法來進行均衡控制；
當電池處於動態工作時，採用周期性的滯後補償控制方法來進行均衡控制。
電池靜態工作實施例
如圖2、圖3所示，當電池處於靜態工作時，電池組採用偏差控制法來進行均衡控制；電池組的電壓相比動態情況下而言是相對比較穩定的，其波動較小，選取帶有反饋的偏差控制，具體所述偏差控制法包括以下步驟和參考偏差電壓：
（1）首先，判斷第i節電池是否正在均衡充電；
（2）若當前單體電池沒有均衡充電，則判斷壓差是否大於2.5mv，進入步驟（3）；若當前單體電池已經在均衡充電，進入步驟（4）；
（3）若壓差小於2.5mv，則進入終止充電；若壓差大於2.5mv，則判斷第i節電池是否需要充電，進入步驟（5）；
（4）計算充電終止電壓，若單體電壓小於終止電壓，則終止充電，否則，進行慢速均衡終止充電；
（5）若第i節電池需要充電，則判斷壓差是否大於3.5mv，進入步驟（6）；否則判斷是否終止充電；
（6）判斷單體電壓是否小於4v，若小於4v，則進行快速充電，進入步驟（7）；否則計算充電終止電壓，進行慢速充電，進入步驟（7）；
（7）計算該單體的均衡充電時間長度，依次遍歷當前所有的單體電池。
需要特別說明的是：
在一種優選的實施方式中，為了便於對單體電池電壓的存儲和提取，在此，我們首先選取了參考電壓，選取電池充電或者放電結束後10分鐘，電池的電壓會基本達到穩定，電壓波動相對比較小的點為參考電壓。以參考電壓為中心，向兩邊擴展2.5mv，構成均衡充電控制的電壓穩定區間。根據這個穩定區間，可以判斷電池什麼時候會接通充電器進行充電，什麼時候會斷開充電器停止充電。
將電池實際運行電壓反饋參數和bms電池管理系統給定的電壓參考值進行對比確定電壓偏差，電池處於靜態狀態時，其電壓值波動比較小，若單體電池的電壓小於穩定區間的下限值，則電池需要充電。當單體電池剛剛結束充電，此時單體電池電壓波動較大，處於不穩定狀態，隨著時間的推移，電壓值將會回落，若某一時刻的電壓低於穩定區間的下限值，一段時間後，則電壓的值回比下限值會更低，則電池需要充電。
當單體電池的電壓高於穩定區間的上限值，則當單體電池的電壓值比較穩定後，就可以斷開充電器。若單體電池的電壓穩定後，其電壓會有一個回落，則在穩定區間上限值的基礎上，加一個單體的電壓回落差，這樣能夠保障當斷開充電器電壓回落後，單體的電壓仍然趨近與均衡參考值。
如圖3所示，電壓選擇補償模塊是對進行均衡充電的電池的反饋電壓進行補償。調節器會根據確定的偏差來判斷單體電池是否需要進行均衡充電，及其均衡充電的方式。充電方式是由繼電器的狀態和均衡模塊來確定。若單體電池正在充電，那麼根據偏差的大小確定該電池是否充電完成，完成則操作對應繼電器，控制響應均衡模塊；沒有則繼續進行充電模式。
電池動態工作實施例
如圖4、圖5所示，當電池處於動態情況時，整個電池組系統的電壓相比於在靜態情況下電池組的電壓會有比較大的變化，同時，因為每個單體電池其特性不同，會直接導致單體電池電壓波動不盡相同，採用周期性的滯後補償控制方法來進行均衡控制。具體所述周期性的滯後補償控制方法具體包括以下步驟：
（1）首先，計算上一個周期第i節電池電壓變化量；
（2）判斷上一個周期是否已經結束，若沒有結束則進入下一步；否則進入步驟（5）；
（3）判斷第i節電池是否正在均衡充電，若正在均衡充電，則進入第（4）步；否則判斷下一節電池是否滿足，若滿足則該單體正在進行快速充電，否則進行均衡充電檢測輪詢；
（4）判斷第i節電池是否已經完成均衡充電，若已經完成均衡充電，則終止充電，進行慢速均衡充電。否則一直進行充電；
（5）計算電池組平均電壓，初始化均衡時間長度；計算單體均衡時間長度，按照均衡時間的長短進行排序，取最長時間為均衡充電周期，進行快速均衡充電。
需要特別說明的是：
在一種優選的實施方式中，當電池組系統處於動態情況下，可以根據單體電池的變化率和單體電池電壓偏離平均值的程度，來判斷單體電池是否需要充電、充電的時間。當一個均衡周期結束後，需要預留一小段時間，將電池信息進行比較檢測，從而選擇需要重新進行均衡充電的單體電池，並且計算下一個周期均衡充電的時間以及時間長度。在動態均衡過程中，單體電池是否需要進行充電可以從三個方面來考慮，即單體電池電壓的變化率，單體電池電壓偏離平均值的程度，以及充電時間的長短。即選定在上一個周期電壓下降最快，並且單體電壓低於平均值的電池進行均衡，並根據下降速率和低於平均值的差求出下個一周期各單體要均衡的時間長度。本實施例將每次的均衡過程設定為一個均衡周期，在每個均衡周期中，選擇某幾節特定的電池進行均衡充電，同時，計算每一節單體電池進行均衡充電的時間，選定均衡充電時間最長的單體電池充電時間作為這個均衡周期的周期時間。在此實施例中，見圖5，計算模塊，電池實際運行電壓反饋參數和bms電池管理系統給定的電壓參考值，計算單體電池電壓的變化率，單體電池電壓偏離平均值的程度，以及充電時間的長短；調節器，根據確定的電壓變化量來判斷單體電池是否需要進行均衡充電，及充電速度，並控制響應均衡模塊；均衡模塊，根據調節器反饋信息，控制單體電池充電器的接通和斷開。
在以上實施方式中，可以作為靜態、動態情況下操作充電器的一種實施方式包括：
控制單體電池充電器接通依據：電池處於靜態時，電壓一般比較穩定，如果單體電池的電壓低於最大電壓減去5mv的值，則可以判定電池需要充電；對於剛充電結束的單體電池，單體處於不穩定狀態，但是，該單體電池由於剛充電結束，電壓會隨時間推移繼續回落，在某一時刻如果電壓低於最大電壓減去5mv的值，過一段時間後電壓比起最大電壓減去5mv的值會更低，則更加需要充電；因此，此判據可以準確判定電池需要充電；需要注意的是，當單體電壓高於電池平臺電壓時，電池的能量密度比較小，充電時電壓升高較快，應該用低速均衡；除此之外，若單體的電壓距均衡穩定區間的下限的差小於1mv時，則也適合採用低速均衡。
控制單體電池充電器斷開依據：均衡充電時，斷開充電器瞬間電池電壓與電池接有充電器時相比，電壓會有一個較大的回落，靜置一段時間後電池的電壓還會有一個小的回落。均衡充電結束的判據是單體電池的電壓高於當前最大電壓，若當前單體的電壓剛好大於當前最大電壓，那麼此時可以斷開充電器，當單體電池的電壓達到穩定之後，單體電壓回落，還會遠低與最大電壓，因此在穩定區間的上限值基礎上應該再加一個單體的電壓回落差，才能保障斷開充電器電壓回落後，單體的電壓仍然趨近與均衡參考值。
綜上所述，本發明提供了一種電池靜態、動態均衡控制方法及系統，該方法包括：確定電池的實時運行狀態，根據實時獲取的電池運行參數以及bms電池管理系統提供的參考值，判斷電池工作處於靜態還是動態；在靜態情況下，電池組採用偏差控制法來進行均衡控制，在動態情況下，採用周期性的滯後補償控制方法。
通過上述兩種不同的控制方式，解決由於動力電池串並聯單體電池間的性能差異，引起的電池組內單體間電量不均衡，通過均衡單體電池充電周期和時間，使得電池組中所有單體電池電量大致一致，從而保證電池組處於均衡狀態。
同時針對電池組在不同的工作情況下（即靜態、動態情況下），分別採取了不同的均衡控制方法，能夠有效地提高電池的利用率，延長電池的使用壽命。
以上結合附圖對本發明所提出的方法進行了示例性描述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的核心思想。對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。