鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，特別是涉及一種基于電 池 SoC的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 純電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵是電池。近年來，鋰電池技術(shù)有了巨大的進步，磷酸鐵鋰、 錳酸鋰、鈷酸鋰等電池出現(xiàn)明顯提高了鋰電池的性能；但鋰電池組內(nèi)單體電池間的不一致 性天然普遍存在。鋰電池的各項參數(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)過程中不可避免的產(chǎn)生一些微小的差 異，主要表現(xiàn)為鋰電池內(nèi)阻、容量、開路電壓等不一致。隨著鋰電池使用次數(shù)增多，長時間自 放電和汽車中較大溫差的影響，這些差異將會越來越大，從而鋰電池組的電池間性能差異 越來越大。而過充和過放都會對電池造成不可恢復的損害，同時又由于串聯(lián)電池組的容量 由組內(nèi)最低的單體電池容量決定，所以一旦電池組中的某個電池出現(xiàn)深度放電或者過度充 電，整個電池組必須停止原先的充放電狀態(tài)，否則電池壽命會嚴重衰減，甚至會引發(fā)較大安 全隱患。最極端的情況就是，鋰電池組部分單體電池已經(jīng)充滿，部分單體電池已經(jīng)放完，這 時候，整個電池組既無法充電也無法放電。
[0003] 鋰離子電池均衡管理系統(tǒng)的均衡功能主要解決鋰電池組內(nèi)的不一致性，縮小電池 間的差異，對于延長電池壽命、降低成本具有重大意義，同時也能增加放電量。目前均衡方 法主要是主動均衡和被動均衡，均衡判斷準則分為電壓均衡和SOC均衡。根本上說，電池均 衡是電池組內(nèi)各個單體電池間存儲的電量均衡，電壓值只是電池的一個外在特性，不能反 映出電池 S0C，因此根據(jù)電壓作為判別的均衡方法不能非常有效。因此，如何得到鋰離子電 池的SOC成為了均衡系統(tǒng)一個關(guān)鍵的部分，同時也是世界一個重要的難題。如何控制均衡 電路也是一個較為復雜的問題，由于鋰離子電池的高度非線性的特性，所以沒有一個較為 準確的數(shù)學模型。所以控制策略也較難確定，如輸入輸出的因素，如何有效控制等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明之目的在于提供一種鋰離子電池能量均 衡系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，在能量均衡轉(zhuǎn)移的過程中通過鋰離子電池的SOC的估算，以此SOC為 依據(jù)通過控制DCDC實現(xiàn)均衡，使得系統(tǒng)避免了電壓均衡的方式所造成的誤均衡，可靠性更 尚。
[0005] 為達上述及其它目的，本發(fā)明提出一種鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，包括：
[0006] 鋰離子電池組，所述鋰離子電池組由η塊鋰離子電池單體串聯(lián)組成，每個鋰離子 電池單體連接一電壓檢測電路及一 D⑶C轉(zhuǎn)換器；
[0007] η個電壓檢測電路，第k個電壓檢測電路的輸入端分別連接第k個鋰離子電池單體 的正極和負極，并于需要進行電壓檢測時開始采樣，其采樣值經(jīng)隔離后被傳送至第k組主 控芯片；
[0008] η個EOC轉(zhuǎn)換器，各EOC轉(zhuǎn)換器通過控制MOS管的開關(guān)，分別對鋰離子電池組內(nèi) 各鋰離子電池單體直接進行充電和放電，同時通過開關(guān)頻率調(diào)節(jié)平衡電流；
[0009] η個主控芯片，各主控芯片讀出各鋰離子電池單體對應(yīng)的電壓檢測電路中鋰離子 電池的電壓信息，然后將數(shù)據(jù)通過CAN總線傳遞到數(shù)據(jù)處理芯片60中；
[0010] 數(shù)據(jù)處理芯片，通過線性回歸的方法計算各個鋰離子電池單體的SOC，同時根據(jù)模 糊控制算法決定是否對鋰離子電池組進行均衡，數(shù)據(jù)處理芯片60將均衡信號經(jīng)過CAN通訊 模塊發(fā)送給各主控芯片，各主控芯片將均衡使能控制信號發(fā)送給各鋰離子電池單體進行均 衡控制；
[0011] CAN通訊模塊，負責實現(xiàn)所述主控芯片與所述數(shù)據(jù)處理芯片的通信；
[0012] 電流檢測電路，連接所述鋰離子電池組與數(shù)據(jù)處理芯片，用于檢測電池組的均衡 電流以開啟或關(guān)斷初級和次級的開關(guān)管。
[0013] 進一步地，所述ECDC轉(zhuǎn)換器采用雙向同步反激式ECDC轉(zhuǎn)換器，每個ECDC轉(zhuǎn)換器 均獨立其他的Drac，每個Drac轉(zhuǎn)換器的一端連接鋰離子電池單體，另一端連接鋰離子電池 組。
[0014] 進一步地，第k個雙向同步反激式DCD轉(zhuǎn)換器包括高頻變壓器（Tk)、初級開關(guān)管 (Qkp)、次級開關(guān)管（Qks)，初級開關(guān)管（Qkp)的源極連接至鋰離子電池單體（Cellk)的負 極，初級開關(guān)管（Qkp)的漏極連接至高頻變壓器（Tk)的初級的一端，高頻變壓器（Tk)的初 級的另一端連接至鋰離子電池單體（Cellk)的正極，次級開關(guān)管（Qks)的源極連接至該鋰 離子電池組的負極，次級開關(guān)管（Qks)的漏極連接至高頻變壓器（Tk)的次級的一端，高頻 變壓器（Tk)的次級的另一端連接至鋰離子電池組的正極。
[0015] 為達到上述目的，本發(fā)明還提供一種鋰離子電池能量均衡的實現(xiàn)方法，包括如下 步驟：
[0016] 步驟一，多次采集鋰離子電池組中每塊電池電壓和電流的信息；
[0017] 步驟二，將每塊電池的電壓和電流的信息以及電池容量、壽命、開路電壓和SOC的 非線性曲線關(guān)系信息輸入到數(shù)據(jù)處理芯片中；
[0018] 步驟三，將多次所測得的電池電壓信號按照電池的二階RC模型進行離散化，并通 過線性回歸的方法來對數(shù)據(jù)進行處理，得出有用矩陣信息，并通過矩陣算出鋰離子電池所 對應(yīng)的開路電壓；
[0019] 步驟四，根據(jù)所計算出的電池的開路電壓，通過鋰離子電池的開路電壓和SOC關(guān) 系曲線插值出鋰離子電池的SOC，并計算電池組的平均SOC ;
[0020] 步驟五，根據(jù)模糊控制的方法，將所計算出的鋰離子電池的SOC判斷電池所需要 的均衡電流和均衡時間；
[0021] 步驟六，控制雙向反激式ECDC轉(zhuǎn)換器，通過檢測ECDC上的電流達到一定的峰值， 控制雙向反激式D⑶C的開關(guān)MOS管實現(xiàn)鋰離子電池組中的電流的通斷，從而實現(xiàn)鋰離子 電池能量轉(zhuǎn)移。
[0022] 進一步地，在步驟四之后，還包括如下步驟：
[0023] 計算鋰離子電池組的電池分散度；
[0024] 判斷電池分散度是否大于預定閾值；
[0025] 如果電池分散度小于該預定閾值時，則進入步驟一繼續(xù)從檢測鋰離子電池電壓開 始；若鋰離子電池分散度大于該預定閾值時，則進入步驟五。
[0026] 進一步地，于步驟一中，對鋰離子電池的電池電壓和電流信息提取頻率較高，電壓 和電流信息間隔時間較短。
[0027] 進一步地，步驟三包括如下步驟：。
[0028] 根據(jù)多次所測得的電壓電流信息通過對鋰離子電池的二階RC模型離散化得到對 SOC的估算；
[0029] 將鋰離子電池模型化，將通過模型的電流作為激勵I(lǐng)，鋰離子電池的端電壓和開路 電壓之差作為響應(yīng)，得出模型的傳遞函數(shù)；
[0030] 當采樣頻率很高的時候，將該傳遞函數(shù)用雙線性變換法進行離散化，得出差分方 程，同時將差值轉(zhuǎn)換為端電壓和開路電壓的值。
[0031] 進一步地，步驟四中，根據(jù)步驟三所算出的信息矩陣，通過鋰離子電池的開路電壓 值，根據(jù)步驟二所存儲的開路電壓和SOC曲線關(guān)系，通過曲線圖，并利用計算出的開路電壓 值，插值得出鋰離子電池此時的S0C。
[0032] 進一步地，步驟五中，控制該雙向反激式Drac轉(zhuǎn)換器，一頭連著鋰離子電池單體， 另一頭連著多塊鋰離子電池所連起來的鋰離子形成的鋰離子電池組，通過MOS管的開斷實 現(xiàn)鋰離子電池能量的轉(zhuǎn)移，并通過線圈上的精密電阻測出鋰離子電池所轉(zhuǎn)移的電流，實現(xiàn) 針對鋰離子電池能量轉(zhuǎn)移的電流控制，同時通過時間控制，實現(xiàn)鋰離子電池能量轉(zhuǎn)移的時 間的長短，通過對開關(guān)頻率和時間的長短，實現(xiàn)鋰離子電池的電流大小和時間的控制。
[0033] 進一步地，控制鋰離子電池能量轉(zhuǎn)移的時間由模糊控制器確定，該模糊控制器為 單變量二維模糊控制器。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，在能量均 衡轉(zhuǎn)移的過程中通過鋰離子電池的SOC的估算，以此SOC為依據(jù)通過控制DCDC實現(xiàn)均衡， 使得系統(tǒng)避免了電壓均衡的方式所造成的誤均衡，可靠性更高。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發(fā)明一種鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0036] 圖2為本發(fā)明較佳實施例中雙向同步反激式ECDC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖3為本發(fā)明一種鋰離子電池能量均衡的實現(xiàn)方法的步驟流程圖；
[0038] 圖4為本發(fā)明較佳實施例中對鋰離子電池的二階RC模型離散化示意圖；
[0039] 圖5為本發(fā)明較佳實施例中計算鋰離子電池的SOC所利用的曲線圖；
[0040] 圖6為本發(fā)明較佳實施例中模糊控制器所選擇的三角隸屬度函數(shù)示意圖；
[0041] 圖7為本發(fā)明一種鋰離子電池能量均衡的實現(xiàn)方法之具體實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0042] 以下通過特定的具體實例并結(jié)合【附圖說明】本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可 由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其它優(yōu)點與功效。本發(fā)明亦可通過其它不同 的具體實例加以施行或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)亦可基于不同觀點與應(yīng)用，在不背離 本發(fā)明的精神下進行各種修飾與變更。
[0043] 圖1為本發(fā)明一種鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，本發(fā)明 一種鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，包括：鋰離子電池組l〇、n個電壓檢測電路20、n個IX：DC轉(zhuǎn) 換器30、η個主控芯片40、電流檢測電路50、數(shù)據(jù)處理芯片60以及CAN通訊模塊
[0044] 鋰離子電池組10由η塊鋰離子電池單體（Celll，Cell2，......Celln)串聯(lián)組成， 每個鋰離子電池單體連接一電壓檢測電路20,電壓檢測電路20用于采集鋰離子電池組中 每節(jié)鋰離子電池單體的電壓，并將采樣值傳送至各主控芯片40,即第k個電壓檢測電路20 的輸入端分別連接第k個鋰離子電池單體的正極和負極，并于需要進行電壓檢測時開始采 樣，其采樣值經(jīng)隔離后被傳送至第k組主控芯片；每個鋰離子電池單體還連接一 D⑶C轉(zhuǎn)換 器30，各DCDC轉(zhuǎn)換器30通過控制MOS管的開關(guān)，能夠分別對鋰離子電池組內(nèi)各鋰離子電池 單體直接進行充電和放電，同時通過開關(guān)頻率調(diào)節(jié)平衡電流，每個DCDC轉(zhuǎn)換器均獨立其他 的IX：DC，每個Drac轉(zhuǎn)