一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法，本方法適用于Pack?to?Cell的均衡電路，每一次均衡都是通過(guò)電池組對(duì)電壓最低的電池單體進(jìn)行能量補(bǔ)給，其每次均衡時(shí)間的確定借助了模糊控制理念并參考了上一次的均衡時(shí)間及改善的壓差，極大的縮短了均衡時(shí)間和減小了均衡切換次數(shù)，并克服了過(guò)均衡現(xiàn)象發(fā)生，有效改善了電池單體間的不一致性，提高了均衡效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電動(dòng)汽車(chē)是世界能源技術(shù)革命和國(guó)家新能源戰(zhàn)略的重要組成部分，是國(guó)家七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一。相比鎳氫、鉛酸等電池，鋰離子電池在尺寸、重量、充電速度、抗記憶效應(yīng)等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，作為動(dòng)力源廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)和混合電動(dòng)汽車(chē)中。然而，由于單體鋰電池在生產(chǎn)過(guò)程中的不一致性，使得單體電池在串并聯(lián)成組使用后，隨著充放電次數(shù)的增力口，電池組之間的性能差異會(huì)逐漸增大，導(dǎo)致電池組在過(guò)度充電或深度放電時(shí)，往往出現(xiàn)單體電池的過(guò)充電或過(guò)放電現(xiàn)象。此外，在數(shù)次充放電循環(huán)后，這種不均衡現(xiàn)象會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，極大地減小了電池組的可用容量和循環(huán)壽命。甚至，可能會(huì)引起安全事故，例如爆炸、起火等。因此，需要對(duì)電池進(jìn)行均衡管理。
[0003]目前，均衡主要有耗散均衡、非耗散均衡和電池選擇三大類(lèi)。
[0004]耗散均衡(也稱(chēng)為電池旁路法均衡)通過(guò)給電池組中每個(gè)電池單體并聯(lián)一個(gè)耗散器件進(jìn)行放電分流，從而實(shí)現(xiàn)電池電壓的均衡。耗散均衡進(jìn)一步又被分為兩類(lèi):被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡。耗散均衡結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，成本低，但是存在能量浪費(fèi)和熱管理的問(wèn)題。
[0005]非耗散均衡采用電容、電感等作為儲(chǔ)能元件，利用常見(jiàn)的電源變換電路作為拓?fù)浠A(chǔ)，采取分散或集中的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單向或雙向的均衡方案。根據(jù)能量流，非耗散均衡又能夠分為以下四種:(I)Cell to Cell ； (2)Cell to pack ； (3)Pack to Cell ； (4)Cell to Packto Cell。對(duì)于Cell to Cell的均衡方法，能量能夠直接從電壓最高的電池單體轉(zhuǎn)移到電壓最低的電池單體，具有較高的均衡效率，并且適宜于高電壓應(yīng)用，但是電池單體之間的電壓差較小再加之電力電子器件存在導(dǎo)通壓降使得均衡電流很小，因此Cell to Cell均衡方法不適合于大容量的動(dòng)力電池。而Pack to Cell的均衡方法，每一次均衡都是通過(guò)電池組對(duì)電壓最低的電池單體進(jìn)行能量補(bǔ)給，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的均衡電流，較適合于大容量的動(dòng)力電池。非耗散均衡存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本聞、均衡時(shí)間長(zhǎng)、聞開(kāi)關(guān)損耗等問(wèn)題。
[0006]電池選擇均衡是指通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇性能一致的電池單體構(gòu)建電池組，一般有兩步篩選過(guò)程。第一步，在不同的放電電流下，選擇電池平均容量相近的電池單體；第二步，在第一步篩選的電池單體中，通過(guò)脈沖充、放電實(shí)驗(yàn)在不同SOC下選擇具有相近電池電壓變化量的電池單體。由于電池單體的自放電率不盡相同，電池選擇均衡在電池整個(gè)生命周期內(nèi)不足以保持電池均衡。它只能作為其他均衡方法的一種補(bǔ)充均衡方法。
[0007]傳統(tǒng)均衡方法不適合鋰離子電池的主要原因如下:
[0008](I)鋰離子電池的開(kāi)路電壓在SOC為30%?70%之間時(shí)較為平坦，即使SOC相差很大，其對(duì)應(yīng)的電壓差也很小，此外由于電力電子器件存在導(dǎo)通壓降，使得均衡電流很小，甚至可能導(dǎo)致電力電子器件不能正常導(dǎo)通；
[0009](2)由于電力電子器件存在導(dǎo)通壓降，電池單體間很難實(shí)現(xiàn)零電壓差均衡。
[0010]中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?01310278475.2)提出了一種動(dòng)力電池零電流開(kāi)關(guān)主動(dòng)均衡電路及實(shí)現(xiàn)方法，其能夠?qū)崟r(shí)判斷電池組中電壓最高和最低的電池單體，并對(duì)其進(jìn)行零電流開(kāi)關(guān)均衡，并且每次均衡都是針對(duì)電池組中電壓差最大的兩個(gè)電池單體進(jìn)行削峰填谷，極大提高了均衡效率，有效減少了電池單體之間的不一致性。但是，由于所使用的電力電子器件存在導(dǎo)通壓降，使得電池單體間很難達(dá)到零電壓差，并且均衡電流很小，均衡時(shí)間較長(zhǎng)。
[0011]中國(guó)實(shí)用新型申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?01320660950.8)和中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?01310507016.7)提出一種基于升壓變換和軟開(kāi)關(guān)的Cell to Cell電池均衡電路，該發(fā)明使用一個(gè)Boost升壓變換將電池組中電壓最高的電池單體升壓至一個(gè)較高的電壓，以實(shí)現(xiàn)大電流、零電壓差均衡；使用一個(gè)LC諧振變換以實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)均衡，減少了能量浪費(fèi)、提高了均衡效率。但是，該發(fā)明存在的主要問(wèn)題是:由于屬于Cell to Cell型均衡電路，即使使用Boost升壓變換，所提高的均衡電流也有限，不能夠滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)大容量動(dòng)力電池的均衡需求；并且Boost升壓變換本身也存在能量浪費(fèi)的問(wèn)題。
[0012]為此，本發(fā)明提出了一種基于LC諧振變換的Pack to Cell均衡電路，夠?qū)崿F(xiàn)電池組對(duì)電池單體的零電流開(kāi)關(guān)均衡，并且每次均衡都是針對(duì)電池組中電壓最低的電池單體進(jìn)行能量補(bǔ)給，這就需要不斷的切換電路，以保證電池組總是對(duì)電壓最低的電池單體進(jìn)行能量補(bǔ)給。然而，由于電池非線(xiàn)性特性和歐姆內(nèi)阻的存在，當(dāng)對(duì)電池單體充電時(shí)，該電池單體會(huì)有個(gè)瞬間升壓，甚至有可能高于其他電池單體電壓，當(dāng)停止充電時(shí)，該電池單體的電壓會(huì)瞬間下降，并且電池電壓有個(gè)恢復(fù)過(guò)程，因此對(duì)于基于電壓的均衡控制策略，就很難判斷電池組何時(shí)達(dá)到均衡。如果每一次均衡的時(shí)間太短，會(huì)造成開(kāi)關(guān)頻繁切換，并且會(huì)增加總的均衡時(shí)間；如果每一次的均衡時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致過(guò)均衡的發(fā)生，造成能量浪費(fèi)。因此，如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)每一次的均衡時(shí)間，已成為研究均衡控制策略的一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法，該方法適用于Pack to Cell的均衡電路，每一次均衡都是通過(guò)電池組對(duì)電壓最低的電池單體進(jìn)行能量補(bǔ)給，其每次均衡時(shí)間的確定借助了自適應(yīng)模糊控制理論并參考了上一次均衡時(shí)間及改善的電壓差，極大的縮短了均衡時(shí)間和減小了均衡切換次數(shù)，并克服了過(guò)均衡的發(fā)生，有效地改善了電池單體間的不一致性，提高了均衡效率。
[0014]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0015]一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法，包括以下步驟:
[0016]S1.獲取單體電壓:依次為電池組中各個(gè)單體電池編號(hào)，獲取單體電池電壓，計(jì)算電池組平均電壓與最低單體電池之間的電壓差；
[0017]S2.判斷電壓:判斷步驟SI得到的電壓差是否大于電池均衡閾值，若大于閾值則開(kāi)始均衡，否則停止均衡，并轉(zhuǎn)步驟Si ；
[0018]S3.在均衡狀態(tài)下，通過(guò)模糊邏輯運(yùn)算，預(yù)測(cè)第k次的均衡時(shí)間? 在獲得第k次均衡時(shí)間后，啟動(dòng)均衡；
[0019] S4.第k次均衡結(jié)束后，通過(guò)模糊邏輯運(yùn)算，得到第k次均衡后的理論最大靜置時(shí)間& ；[0020]S5.等到滿(mǎn)足靜置時(shí)間后，重新轉(zhuǎn)至到步驟SI。
[0021]所述步驟SI的具體步驟為:微控制器借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，在電池靜置狀態(tài)下獲取電池各單體電壓，從而確定最低單體電壓以及對(duì)應(yīng)的電池單體編號(hào)，計(jì)算當(dāng)前的電池組平
均電壓Ua，并與當(dāng)前N節(jié)電池單體中的最低電壓比較，得到第k次均衡前的電壓差Δ$，其
中上標(biāo)i為當(dāng)前電壓最低的電池單體標(biāo)號(hào)，為正整數(shù)，下標(biāo)k為對(duì)第i節(jié)電池單體的均衡次數(shù)，為正整數(shù)。
[0022]所述步驟SI的電池組平均電壓Ua的公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法，其特征是:包括以下步驟: 51.獲取單體電壓:依次為電池組中各個(gè)單體電池編號(hào)，獲取單體電池電壓，計(jì)算電池組平均電壓與最低單體電池之間的電壓差； 52.判斷電壓:判斷步驟SI得到的電壓差是否大于電池均衡閾值，若大于閾值則開(kāi)始均衡，否則停止均衡，并轉(zhuǎn)步驟SI ； 53.在均衡狀態(tài)下，通過(guò)模糊邏輯運(yùn)算，預(yù)測(cè)第k次的均衡時(shí)間，在獲得第k次均衡時(shí)間后，啟動(dòng)均衡 ； 54.第k次均衡結(jié)束后，通過(guò)模糊邏輯運(yùn)算，得到第k次均衡后的理論最大靜置時(shí)間? A 55.等到滿(mǎn)足靜置時(shí)間后，重新轉(zhuǎn)至到步驟SI。
2.如權(quán)利要求1所述的一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法，其特征是:所述步驟SI的具體步驟為:微控制器借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，在電池靜置狀態(tài)下獲取電池各單體電壓，從而確定最低單體電壓以及對(duì)應(yīng)的電池單體編號(hào)，計(jì)算當(dāng)前的電池組平均電壓Ua，并與當(dāng)前N節(jié)電池單體中的最低電壓比較，得到當(dāng)前的電壓差Δ?/?，其中上標(biāo)i為當(dāng)前電壓最低的電池單體標(biāo)號(hào)，為正整數(shù)，下標(biāo)k為對(duì)第i節(jié)電池單體的均衡次數(shù)，為正整數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法，其特征是:所述步驟SI的電池組平均電壓Ua的公式為: La^+U^'' + U^ (I)
N 所述步驟SI的電壓差的公式為:

(2) 式中，L為第k次均衡前N節(jié)電池單體中的最低電壓，上標(biāo)i為該電池單體的編號(hào)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法，其特征是:所述步驟S2中電池均衡閾值設(shè)為0.02V。
5.如權(quán)利要求1所述的一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法，其特征是:所述步驟S3的具體方法為:對(duì)步驟SI獲得的電壓差進(jìn)行兩次模糊化處理，得到第一模糊結(jié)果和第二模糊結(jié)果^』，并判斷電壓最低的電池單體是否為第一次均衡，若是，令本次均衡時(shí)間? Α等于初始標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間h ;否則，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)均衡時(shí)間進(jìn)行調(diào)整:根據(jù)電壓最低的電池單體i的第k-Ι次均衡時(shí)間Iitek4，第k-Ι次均衡前的電壓差和第k次均衡前的電壓差Δ?/l，計(jì)算出第k次的標(biāo)準(zhǔn)均衡時(shí)間f0J(，對(duì)第i節(jié)電池單體的第一模糊結(jié)果/^與調(diào)整后的標(biāo)準(zhǔn)均衡時(shí)間〖0』進(jìn)行乘法運(yùn)算，得到第k次均衡的理論最大均衡時(shí)間r k在獲得第k次均衡時(shí)間后，啟動(dòng)均衡。
6.如權(quán)利要求1所述的一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法，其特征是:所述步驟S4的具體方法為:均衡結(jié)束時(shí)，對(duì)第i節(jié)電池單體的第二模糊結(jié)果/4』與初始標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間h進(jìn)行乘法運(yùn)算，得到第k次均衡后的理論最大靜置時(shí)間(k，第k次均衡后的理論最大靜置時(shí)間?^的公式為:tis,k=μi2k*t0(7)。
7.如權(quán)利要求5所述的一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法，其特征是:第一模糊化結(jié)果Au的公式為:
8.如權(quán)利要求5所述的一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法，其特征是:第二模糊化結(jié)果的公式為:
9.如權(quán)利要求5所述的一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法，其特征是:所述第i節(jié)電池單體的第k次均衡的標(biāo)準(zhǔn)均衡時(shí)間的公式為:
10.如權(quán)利要求5所述的一種借鑒歷史均衡速度的自適應(yīng)模糊均衡控制方法，其特征是:所述第i節(jié)電池單體的第k次均衡的理論最大均衡時(shí)間為:
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK103956800SQ201410218408
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】張承慧, 商云龍, 崔納新, 紀(jì)祥 申請(qǐng)人:山東大學(xué)