一种改进的锂电池组均衡方法及其均衡电路

摘要

本发明提出了一种改进的锂电池组均衡方法及其均衡电路，利用聚类分析的方法对电池组各单体电池一个时间段内的各种数据进行聚类分析，对各电池组进行分类，同时结合进行均衡方法判断时刻的各电池的电压，充放电电流等当前信息对前面得到的各分类进行进一步选择，最终得到电池组中需要进行均衡单体电池，并通过控制均衡电路对其进行均衡维护。本发明能够在电池组运行过程中，可以实时的对电池各种特征数据进行分析，挑选出电池组中需要进行均衡充电及均衡放电的单体电池，通过将电池接入均衡电路对需要进行均衡的单体电池进行均衡；而且引入历史电池电压数据，可以有效地避免电压异常电池及电压采集精度的影响，同时结合SOC、SOH等剩余容量相关因素有效地避免了电压与容量不符的情况，有效的保证电池组的一致性，进一步延长电池组的使用寿命。

主权项

一种改进的锂电池组均衡方法，其特征在于：所述电池组由若干单体电池串联组成，包括下述步骤：(1)对电池组Bat＝{Bat₁,Bat₂...Bat_n}进行分析，n为电池组单体电池个数，n≥1,且n为整数；(2)收集分析数据；测量并选取m个历史时刻的电压vol，m为大于等于1的整数，并计算得到该时刻的荷电状态SOC和健康状态SOH，再结合各单体电池对应的额定容量cap、均衡持续时间EquiT、均衡电流EquiI，进而得到原始数据矩阵如下：$Z=\left[\begin{array}{ccccccc}{\mathrm{vol}}_{11}& ...& {\mathrm{vol}}_{1m}& \mathrm{Equi}{T}_1& {\mathrm{EquiI}}_1& \mathrm{so}{c}_1\times {\mathrm{soh}}_1& {\mathrm{cap}}_1\\ {\mathrm{vol}}_{21}& ...& {\mathrm{vol}}_{2m}& {\mathrm{EquiT}}_2& {\mathrm{EquiI}}_2& {\mathrm{soc}}_2\times {\mathrm{soh}}_2& {\mathrm{cap}}_2\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{vol}}_{(n-1)1}& ...& {\mathrm{vol}}_{(n-1)m}& \mathrm{Equi}{T}_{(n-1)}& {\mathrm{EquiI}}_{(n-1)}& {\mathrm{soc}}_{n-1}\times {\mathrm{soh}}_{n-1}& {\mathrm{cap}}_{n-1}\\ {\mathrm{vol}}_{n1}& ...& {\mathrm{vol}}_{\mathrm{nm}}& \mathrm{Equi}{T}_n& \mathrm{Equi}{I}_n& {\cos }_n\times {\mathrm{soh}}_n& {\mathrm{cap}}_n\end{array}\right]$(3)对原始数据矩阵Z进行各单体电池间各类数据归一化处理，即针对矩阵中每一列独立进行归一化处理，得到数据矩阵Z'，如下：$Z^{\prime }=\left[\begin{array}{ccccc}{x}_{11}& x_{12}& ...& x_{1(m+3)}& x_{1(m+4)}\\ x_{21}& x_{22}& ...& x_{2(m+3)}& x_{2(m+4)}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ x_{(n-1)1}& x_{(n-1)1}& ...& x_{(n-1)(m+3)}& x_{(n-1)(m+4)}\\ x_{n1}& x_{n2}& ...& x_{n(m+3)}& x_{n(m+4)}\end{array}\right]$x_ij为第i个单体电池第j个信息量归一化后对应的数值，0≤i≤n，0≤j≤(m+4)，i、j为整数；(4)单体电池分类4.1计算矩阵Z'中每个信息量的平均值，继而得到各信息量的平均向量Zavg，Zavg＝[xavg₁ xavg₂ ... xavg_m+3 xavg_m+4]；4.2计算每个单体电池信息向量Zavg_i与平均向量Zavg的距离，i＝1...n，计算方法如下：$d_i=\sqrt{w_1{(x_{i1}-{\mathrm{xavg}}_1)}^2+w_2{(x_{i2}-{\mathrm{xavg}}_2)}^2...+w_{m+4}{(x_{i(m+4)}-{\mathrm{xavg}}_{(m+4)})}^2}$w₁,w₂...w_m+4为电池各信息量的权值，且w₁+w₂...+w_m+4＝1；进而得到距离向量D＝[d₁ d₂ ... d_n‑1 d_n]4.3根据上述距离向量对各单体电池进行分类，分成3类，根据设定的距离阈值d'、d”遍历矩阵D的上三角形部分或下三角形部分，0<d'<1，0<d”<1，d'>d”；当d_i≥d'时，第i个单体电池属于第一类，从而得到第一类单体电池集合为Bat1＝{Bat1₁,Bat1₂...Bat1_x1}，0≤x1≤n；当d'>d_i≥d”时，得到第二类单体电池集合为Bat2＝{Bat2₁,Bat2₂...Bat2_x2}，0≤x2≤n；当d_i<d”时，得到第三类单体电池集合为Bat3＝{Bat1₁,Bat1₂...Bat1_x3}，0≤x3≤n；(5)根据步骤(4)得到第一类单体电池集合为Bat1＝{Bat1₁,Bat1₂...Bat1_x1}，1≤x1≤n，结合实时采集的单体电池电压vol_i，i＝1…n，得到该时刻的平均电压为v_avg；根据设定的电压阈值d1_x1、d2_x1遍历Bat1＝{Bat1₁,Bat1₂...Bat1_x1}，0<d1_x1<0.05，0<d2_x1<0.05，对应的实时采集单体电压为vol_i1(i＝1...x1)；当v_avg‑vol_i1≥d1_x1时，则认为Bat1_i需要进行大电流均衡充电，当d1_x1≥v_avg‑vol_i1≥d2_x1时，则认为Bat1_i需要进行小电流均衡充电；当vol_i1‑v_avg≥d1_x1时，则认为Bat1_i需要进行大电流均衡放电；当d1_x1≥vol_i1‑v_avg≥d2_x1时，则认为Bat1_i需要进行小电流均衡放电；进而得到需要进行大电流均衡充电的电池集合BChaB＝{ChaB₁,ChaB₂...ChaB_J}，0≤J≤x1，需要进行大电流均衡放电的电池集合BDisB＝{DisB₁,DisB₂...DisB_K}，0≤K≤x1；(6)根据步骤(4)得到第二类单体电池集合为Bat2＝{Bat2₁,Bat2₂...Bat2_x2}，0≤x2≤n，结合实时采集的单体电池电压vol_i得到该时刻的平均电压为v_avg，i＝1...n；根据设定的电压阈值d_x2遍历Bat2＝{Bat2₁,Bat2₂...Bat2_x2}，0<d_x2<0.05，对应的实时采集单体电压为vol_i2，i＝1...x2；当v_avg‑vol_i2≥d_x2时，则认为Bat2_i需要进行小电流均衡充电，结合步骤(5)中得到的需要小电流均衡充电的单体电池，从而得到需要进行小电流充电的电池集合BCha＝{Cha₁,Cha₂...Cha_L}，0≤L≤(x1+x2)；当vol_i2‑v_avg≥d_x2时，则认为Bat2_i需要进行小电流均衡放电，结合步骤(5)中得到的需要小电流均衡放电的单体电池，从而得到需要进行小电流放电的电池集合BDis＝{Dis₁,Dis₂...Dis_g}，0≤g≤(x1+x2)；(7)采用电池组均衡电路对上述电池集合BChaB＝{ChaB₁,ChaB₂...ChaB_J}进行大电流均衡充电，对电池集合BDisB＝{DisB₁,DisB₂...DisB_K}进行大电流均衡放电，对电池集合BCha＝{Cha₁,Cha₂...Cha_L}进行小电流均衡充电，对电池集合BDis＝{Dis₁,Dis₂...Dis_g}进行小电流均衡放电，其它电池无需操作，从而达到维护电池组的目的。