锂离子电池能量均衡的实现方法技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池能量均衡系统及其实现方法，该系统包括：锂离子电池组、n个电压检测电路、n个DC/DC转换器、n个主控芯片、数据处理芯片、CAN通讯模块以及电流检测电路，所述锂离子电池组由n块锂离子电池单体串联组成，第k个电压检测电路的输入端分别连接第k个锂离子电池单体的正极和负极，并于需要进行电压检测时开始采样，其采样值经隔离后被传送至第k组主控芯片，各DC/DC转换器通过控制MOS管的开关，分别对锂离子电池组内各锂离子电池单体直接进行充电和放电，同时通过开关频率调节平衡电流,本发明专利技术利用二阶RC模型模拟锂离子电池化学模型，并利用线性回归所产生的SOC作为锂离子电池均衡的判断依据，决定均衡电流和均衡时间，达到均衡的目的。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池能量均衡的实现方法
本专利技术涉及一种锂离子电池能量均衡系统系统及其实现方法，特别是涉及一种基于电池SoC的锂离子电池能量均衡系统系统及其实现方法。
技术介绍
纯电动汽车发展的关键是电池。近年来，锂电池技术有了巨大的进步，磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂等电池出现明显提高了锂电池的性能；但锂电池组内单体电池间的不一致性天然普遍存在。锂电池的各项参数在大规模生产过程中不可避免的产生一些微小的差异，主要表现为锂电池内阻、容量、开路电压等不一致。随着锂电池使用次数增多，长时间自放电和汽车中较大温差的影响，这些差异将会越来越大，从而锂电池组的电池间性能差异越来越大。而过充和过放都会对电池造成不可恢复的损害，同时又由于串联电池组的容量由组内最低的单体电池容量决定，所以一旦电池组中的某个电池出现深度放电或者过度充电，整个电池组必须停止原先的充放电状态，否则电池寿命会严重衰减，甚至会引发较大安全隐患。最极端的情况就是，锂电池组部分单体电池已经充满，部分单体电池已经放完，这时候，整个电池组既无法充电也无法放电。锂离子电池均衡管理系统的均衡功能主要解决锂电池组内的不一致性，缩小电池间的差异，对于延长电池寿命、降低成本具有重大意义，同时也能增加放电量。目前均衡方法主要是主动均衡和被动均衡，均衡判断准则分为电压均衡和SOC均衡。根本上说，电池均衡是电池组内各个单体电池间存储的电量均衡，电压值只是电池的一个外在特性，不能反映出电池SOC，因此根据电压作为判别的均衡方法不能非常有效。因此，如何得到锂离子电池的SOC成为了均衡系统一个关键的部分，同时也是世界一个重要的难题。如何控制均衡电路也是一个较为复杂的问题，由于锂离子电池的高度非线性的特性，所以没有一个较为准确的数学模型。所以控制策略也较难确定，如输入输出的因素，如何有效控制等。
技术实现思路
为克服上述现有技术存在的不足，本专利技术之目的在于提供一种锂离子电池能量均衡系统系统及其实现方法，在能量均衡转移的过程中通过锂离子电池的SOC的估算，以此SOC为依据通过控制DC/DC实现均衡，使得系统避免了电压均衡的方式所造成的误均衡，可靠性更高。为达上述及其它目的，本专利技术提出一种锂离子电池能量均衡系统，包括：锂离子电池组，所述锂离子电池组由n块锂离子电池单体串联组成，每个锂离子电池单体连接一电压检测电路及一DC/DC转换器；n个电压检测电路，第k个电压检测电路的输入端分别连接第k个锂离子电池单体的正极和负极，并于需要进行电压检测时开始采样，其采样值经隔离后被传送至第k组主控芯片；n个DC/DC转换器，各DC/DC转换器通过控制MOS管的开关，分别对锂离子电池组内各锂离子电池单体直接进行充电和放电，同时通过开关频率调节平衡电流；n个主控芯片，各主控芯片读出各锂离子电池单体对应的电压检测电路中锂离子电池的电压信息，然后将数据通过CAN总线传递到数据处理芯片60中；数据处理芯片，通过线性回归的方法计算各个锂离子电池单体的SOC，同时根据模糊控制算法决定是否对锂离子电池组进行均衡，数据处理芯片60将均衡信号经过CAN通讯模块发送给各主控芯片，各主控芯片将均衡使能控制信号发送给各锂离子电池单体进行均衡控制；CAN通讯模块，负责实现所述主控芯片与所述数据处理芯片的通信；电流检测电路，连接所述锂离子电池组与数据处理芯片，用于检测电池组的均衡电流以开启或关断初级和次级的开关管。进一步地，所述DC/DC转换器采用双向同步反激式DC/DC转换器，每个DC/DC转换器均独立其他的DC/DC，每个DC/DC转换器的一端连接锂离子电池单体，另一端连接锂离子电池组。进一步地，第k个双向同步反激式DCD转换器包括高频变压器(Tk)、初级开关管(Qkp)、次级开关管(Qks)，初级开关管(Qkp)的源极连接至锂离子电池单体(Cellk)的负极，初级开关管(Qkp)的漏极连接至高频变压器(Tk)的初级的一端，高频变压器(Tk)的初级的另一端连接至锂离子电池单体(Cellk)的正极，次级开关管(Qks)的源极连接至该锂离子电池组的负极，次级开关管(Qks)的漏极连接至高频变压器(Tk)的次级的一端，高频变压器(Tk)的次级的另一端连接至锂离子电池组的正极。为达到上述目的，本专利技术还提供一种锂离子电池能量均衡的实现方法，包括如下步骤：步骤一，多次采集锂离子电池组中每块电池电压和电流的信息；步骤二，将每块电池的电压和电流的信息以及电池容量、寿命、开路电压和SOC的非线性曲线关系信息输入到数据处理芯片中；步骤三，将多次所测得的电池电压信号按照电池的二阶RC模型进行离散化，并通过线性回归的方法来对数据进行处理，得出有用矩阵信息，并通过矩阵算出锂离子电池所对应的开路电压；步骤四，根据所计算出的电池的开路电压，通过锂离子电池的开路电压和SOC关系曲线插值出锂离子电池的SOC，并计算电池组的平均SOC；步骤五，根据模糊控制的方法，将所计算出的锂离子电池的SOC判断电池所需要的均衡电流和均衡时间；步骤六，控制双向反激式DC/DC转换器，通过检测DC/DC上的电流达到一定的峰值，控制双向反激式DC/DC的开关MOS管实现锂离子电池组中的电流的通断，从而实现锂离子电池能量转移。进一步地，在步骤四之后，还包括如下步骤：计算锂离子电池组的电池分散度；判断电池分散度是否大于预定阈值；如果电池分散度小于该预定阈值时，则进入步骤一继续从检测锂离子电池电压开始；若锂离子电池分散度大于该预定阈值时，则进入步骤五。进一步地，于步骤一中，对锂离子电池的电池电压和电流信息提取频率较高，电压和电流信息间隔时间较短。进一步地，步骤三包括如下步骤：。根据多次所测得的电压电流信息通过对锂离子电池的二阶RC模型离散化得到对SOC的估算；将锂离子电池模型化，将通过模型的电流作为激励I，锂离子电池的端电压和开路电压之差作为响应，得出模型的传递函数；当采样频率很高的时候，将该传递函数用双线性变换法进行离散化，得出差分方程，同时将差值转换为端电压和开路电压的值。进一步地，步骤四中，根据步骤三所算出的信息矩阵，通过锂离子电池的开路电压值，根据步骤二所存储的开路电压和SOC曲线关系，通过曲线图，并利用计算出的开路电压值，插值得出锂离子电池此时的SOC。进一步地，步骤五中，控制该双向反激式DC/DC转换器，一头连着锂离子电池单体，另一头连着多块锂离子电池所连起来的锂离子形成的锂离子电池组，通过MOS管的开断实现锂离子电池能量的转移，并通过线圈上的精密电阻测出锂离子电池所转移的电流，实现针对锂离子电池能量转移的电流控制，同时通过时间控制，实现锂离子电池能量转移的时间的长短，通过对开关频率和时间的长短，实现锂离子电池的电流大小和时间的控制。进一步地，控制锂离子电池能量转移的时间由模糊控制器确定，该模糊控制器为单变量二维模糊控制器。与现有技术相比，本专利技术一种锂离子电池能量均衡系统系统及其实现方法，在能量均衡转移的过程中通过锂离子电池的SOC的估算，以此SOC为依据通过控制DC/DC实现均衡，使得系统避免了电压均衡的方式所造成的误均衡，可靠性更高。附图说明图1为本专利技术一种锂离子电池能量均衡系统的系统结构图；图2为本专利技术较佳实施例中双向同步反激式DC/DC转换器的结构示意图；图3为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池能量均衡系统，包括：锂离子电池组，所述锂离子电池组由n块锂离子电池单体串联组成，每个锂离子电池单体连接一电压检测电路及一DCDC转换器；n个电压检测电路，第k个电压检测电路的输入端分别连接第k个锂离子电池单体的正极和负极，并于需要进行电压检测时开始采样，其采样值经隔离后被传送至第k组主控芯片；n个DCDC转换器，各DCDC转换器通过控制MOS管的开关，分别对锂离子电池组内各锂离子电池单体直接进行充电和放电，同时通过开关频率调节平衡电流；n个主控芯片，各主控芯片读出各锂离子电池单体对应的电压检测电路中锂离子电池的电压信息，然后将数据通过CAN总线传递到数据处理芯片60中；数据处理芯片，通过线性回归的方法计算各个锂离子电池单体的SOC，同时根据模糊控制算法决定是否对锂离子电池组进行均衡，数据处理芯片60将均衡信号经过CAN通讯模块发送给各主控芯片，各主控芯片将均衡使能控制信号发送给各锂离子电池单体进行均衡控制；CAN通讯模块，负责实现所述主控芯片与所述数据处理芯片的通信；电流检测电路，连接所述锂离子电池组与数据处理芯片，用于检测电池组的均衡电流以开启或关断初级和次级的开关管。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池能量均衡的实现方法，包括如下步骤：步骤一，多次采集锂离子电池组中每块电池电压和电流的信息；步骤二，将每块电池的电压和电流的信息以及电池容量、寿命、开路电压和SOC的非线性曲线关系信息输入到数据处理芯片中；步骤三，将多次所测得的电池电压信号按照电池的二阶RC模型进行离散化，并通过线性回归的方法来对数据进行处理，得出有用矩阵信息，并通过矩阵算出锂离子电池所对应的开路电压；步骤四，根据所计算出的电池的开路电压，通过锂离子电池的开路电压和SOC关系曲线插值出锂离子电池的SOC，并计算电池组的平均SOC；步骤五，根据模糊控制的方法，依据所计算出的锂离子电池的SOC判断电池所需要的均衡电流和均衡时间；步骤六，控制双向反激式DC/DC转换器，通过检测DC/DC上的电流达到一定的峰值，控制双向反激式DC/DC的开关MOS管实现锂离子电池组中的电流的通断，从而实现锂离子电池能量转移。2.如权利要求1所述的一种锂离子电池能量均衡的实现方法，其特征在于，在步骤四之中，还包括如下步骤：计算锂离子电池组的电池分散度；判断电池分散度是否大于预定阈值；如果电池分散度小于该预定阈值时，则进入步骤一继续从检测锂离子电池电压开始；若锂离子电池分散度大于该预定阈值时，则进入步骤五。3.如权利要求2所述的一种锂离子电池能量均衡的实现方法，其特征在于：于步骤一中，对锂离子电池的电池电压和电流信息提取频率较高，电压和电流信息提取间隔时间较短。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：付宇卓，李维嘉，刘婷，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海紫竹新兴产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31