实现串联锂离子电池组均衡充电的方法

摘要

本发明涉及一种实现串联锂离子电池组均衡充电的方法，方法具体如下：首先，根据锂离子电池充放电的特性，建立锂离子单体电池的物理模型并确定其各个参数；其次，根据单体电池物理模型，在恒流充电过程中采用安时法结合扩展的卡尔曼滤波法计算各时刻单体电池的剩余容量和路端电压；然后，对电池组恒流充电至各单体电池端电压离散时，根据此时端电压求出其剩余容量和剩余容量差；最后，对电池组用小电流进行全程剩余容量调整，直到各单体电池剩余容量均衡。本发明与传统串联锂离子电池组均充方法相比，用小电流对电池组实行全程均充，克服传统方法只在充电末期用大电流均充导致元器件功耗大的缺点，且可靠易行。

主权项

实现串联锂离子电池组均衡充电的方法，其特征是步骤如下：1)根据锂离子电池充放电的特性，建立锂离子单体电池的物理模型，该物理模型由理想电压源OCV、电池欧姆内阻R₀以及R₁C₁组成的并联电路、R₂C₂组成的并联电路串联而成，设：模型中电池欧姆内阻R₀、两个电池极化电阻R₁和R₂、两个极化电容C₁和C₂，两个时间常数τ₁和τ₂；根据电池脉冲放电法，通过电池内阻压降法计算电池的欧姆内阻：通过锂离子单体电池模型中零输入响应和零状态响应的两个方程如(1)、(2)式所示，用最小二乘拟合法分别计算电池模型中的R₁C₁并联回路和R₂C₂并联回路的时间常数τ₁、τ₂和极化电阻R₁、R₂，零输入响应：V_out＝OCV‑U₁exp(‑t/τ₁)‑U₂exp(‑t/τ₂)     (1)零状态响应：V_out＝U'‑IR₁(1‑exp(‑t/τ₁))‑IR₂(1‑exp(‑t/τ₂))    (2)其中，U'为脉冲平稳后的路端电压，U₁、U₂分别是R₁C₁并联回路和R₂C₂并联回路的电压，t是脉冲放电的时间，I是单体电池的脉冲电流，V_out为单体电池的路端电压；根据式(3)状态方程和式(4)量测方程采用安时法结合扩展的卡尔曼滤波法计算充电过程中各个单体电池每个时刻的电池剩余容量S_k以及相对应的单体电池端电压V_outk$\left[\begin{array}{c}{S}_{k+1}\\ U_{1,k+1}\\ U_{2,k+1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{\Delta t}/{\tau }_1)& 0\\ 0& 0& \exp (-\mathrm{\Delta t}/{\tau }_2)\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{S}_k\\ U_{1,k}\\ U_{2,k}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\eta \Delta t}}{Q}\\ R_1(1-\exp (-\mathrm{\Delta t}/{\tau }_1))\\ R_2(1-\exp (-\mathrm{\Delta t}/{\tau }_2))\end{array}\right]*i_k+{\omega }_k---\left(3\right)$V_outk＝OCV_k+i_kR₀+U_1,k+U_2,k+ν_k             (4)式中，S_k、V_outk分别为锂离子单体电池采样时刻点k的电池剩余容量和路端电压，η为库仑系数，i_k、OCV_k、U_1,k和U_2,k分别是采样时刻点k的电流、电池开路电压、R₁C₁并联电路电压和R₂C₂并联电路电压，Q是电池标称容量，Δt为采样周期，ω_k为状态方程噪声系数，ν_k为量测方程噪声系数；将状态方程(3)和量测方程(4)改成x_k+1＝f(x_k)+ω_k和y_k＝g(x_k)+ν_k，令x_k＝(S_k,U_1,k,U_2,k)^T                 (5)$A_k=\frac{\partial f}{\partial x}{|}_{x=x_k}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{\Delta t}/{\tau }_1)& 0\\ 0& 0& \exp (-\mathrm{\Delta t}/{\tau }_2)\end{array}\right]---\left(6\right)$$C_k=\frac{\partial g}{\partial x}{|}_{x=x_k^{-}}=(\frac{\mathrm{dOC}{V}_k\left(S\right)}{\mathrm{dS}}{|}_{S=S_k^{-}},-1,-1)---\left(7\right)$其中为采样时刻点k之前的x_k的估计值；根据式(8)至式(12)循环计算：预测计算、预报误差协方差、滤波增益、滤波计算以及预报误差协方差，得到恒流充电时单体电池各个时刻路端电压V_outk所对应的电池剩余容量S_k，预测计算：$x_k^{-}=f\left(x_{k-1}\right)---\left(8\right)$预报误差协方差：$D\left(x_k^{-}\right)=A_{k-1}D\left(x_{k-1}\right)A_{k-1}^T+D\left(\omega \right)---\left(9\right)$滤波增益：$L_k=D\left(x_k^{-}\right)C_k^T{(C_{k}D\left(x_k^{-}\right)C_k^T+D\left(\upsilon \right))}^{-1}---\left(10\right)$滤波计算：$x_k=x_k^{-}+L_k[y_k-g\left(x_k^{-}\right)]---\left(11\right)$滤波误差协方差：$D\left(x_k\right)=(E-L_k{C}_k)D\left(x_k^{-}\right)---\left(12\right)$其中，E为单位矩阵，D(ω)和D(υ)分别是状态方程噪声系数ω和量测方程噪声系数υ的方差；2)将n个串联锂离子电池组在电池管理系统BMS上进行恒流充电，充电过程中，当在充电电压特征曲线上出现n个单体电池的端电压离散时，根据所测的各单体电池的端电压值V_out,i求出各个单体电池的剩余容量S_i，i＝1～n，以及所有单体电池的平均剩余容量S＝(S₁+S₂+…+S_n)/n；3)计算出各个单体电池的剩余容量S_i与所有单体电池平均剩余容量S之差ΔQ_i＝S_i‑S；4)利用电池管理系统BMS双向DC/DC转换电路对ΔQ_i＞0的单体电池进行放电，对ΔQ_i＜0的单体电池进行充电，直到各个单体电池的剩余容量S_i相等，即ΔQ_i＝0。