一种阶梯式渐进参数衰减的电池均衡方法
【专利摘要】本发明属于电池系统【技术领域】，涉及一种阶梯式渐进参数衰减的电池均衡方法，该方法首先对电池一致性进行评价，确定待均衡电池，之后将均衡过程分为快速推进阶段、参数衰减逼近阶段、小参数精确调整阶段等三个“均衡工作梯次”，其间插入时间长度不等的多个定时开路静置阶段作为“非均衡工作梯次”，在均衡工作梯次中均衡参数不断衰减，在非均衡工作梯次中检测包括静置开路电压在内的电池状态并调整均衡控制参数。本发明可以有效改善电池的不一致程度，使电池的状态高度一致，均衡过程能避免过充、过放等危及电池安全的操作以及反复充放电等重复操作，安全高效，使电池组避免因电池不一致造成整组电池性能下降，有助于保持电池的使用性能。
【专利说明】一种阶梯式渐进参数衰减的电池均衡方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电池的均衡方法。
【背景技术】
[0002]电池组一般由多只单体电池通过串并联的方式组成，与只使用单只电池的场合不同，整组电池的性能不仅仅取决于电池组内每一只单体电池的性能，还取决于电池组内所有单体电池之间的一致性，电池组的性能包括最大充放电电流、最高储能上限、使用寿命、安全性等主要指标并不取决于性能状态最好的单体电池，而是取决于性能状态最差的单体电池。因此电池组的性能具有“木桶效应”，一致性差的单体电池是电池组的“短板”，成为电池组的性能“瓶颈”，构成电池组的单体电池越多，保持一致性的难度越大，不一致性的恶劣影响越大。
[0003]对于电动汽车、电网储能等大规模电池应用场合，电池组基本上都是由上百只甚至几百只单体电池串并联组成，电池的不一致性问题已经成为制约其应用和发展的核心问题之一。对一致性差的电池进行均衡已经成为电池应用不可或缺的维护手段。
[0004]常规的电池均衡方法主要包括以下几种:
[0005]1.恒流充电法:对一致性差的电池进行恒定电流充电，充电电压达到设定值则终止均衡。该方法简单，易操作，但是当充电终止后，电池电压会迅速跌落，均衡效果差，仅适用于粗放式的均衡维护；
[0006]2.恒压充电法:对一致性差的电池进行恒定电压充电，充电过程中电池电压保持不变，充电电流逐渐减小，当充电电流下降到设定值则终止均衡。该方法充电前期的充电电流较大，容易出现电池过热、易爆等危险；
[0007]3.恒流限压法:在均衡过程中先以恒定电流充电，达到设定电压后转为恒定电压充电，当充电电流减小到设定值后再终止均衡。该方法避免了单纯使用恒压法易出现的电池危险，但是由于电流和电压在均衡过程中恒定，无法保证参数设置适合所有待均衡的电池，因此需要根据每只电池的状态，人工干预调整均衡参数。同样当充电终止后，电池电压会迅速跌落，难以保证均衡效果；
[0008]4.电阻放电法:利用电阻对电池放电，使电量高的电池放出部分能量从而改善其一致性。当放电电压下降到设定值后终止均衡。该方法手段单一，对于电量本来就偏低的电池则不适用，使用范围有限。同时当放电终止后，电池电压会迅速升高，难以保证均衡效果。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种电池均衡方法。
[0010]本发明阶梯式渐进参数衰减的电池均衡方法首先对电池的一致性进行评价，确定待均衡电池，之后在控制电路控制下进行均衡。本发明将电池的均衡过程按执行的先后顺序分为快速推进阶段、参数衰减逼近阶段、小参数精确调整阶段等三个“均衡工作梯次”，在均衡工作梯次之间插入时间长度不等的多个定时开路静置阶段，作为“非均衡工作梯次”。在均衡工作梯次中均衡参数不断衰减，在非均衡工作梯次中检测包括静置开路电压在内的电池状态并调整均衡控制参数，不同工作梯次和均衡阶段具备各自特定均衡功能，实施不同的均衡操作，达到不同的设定均衡效果，步步推进直到被均衡的单体电池达到均衡目标为止。
[0011]本发明电池均衡方法的具体步骤顺序如下:
[0012](I)在快速推进阶段将待均衡电池的充电电流或放电电流设置成强电流参数，在保证待均衡电池充放电安全前提下，快速调整待均衡电池电量，使待均衡电池的不一致状态与均衡目标设定值之间的差距快速缩小，在该阶段，充电电流或放电电流为恒定电流；
[0013](2)当待均衡电池的充电电压或放电电压达到快速推进阶段设定值后，控制充电电路或放电电路暂停，使待均衡电池处于开路静置状态，即进入第一个开路静置阶段，在这个阶段内，检测包括静置开路电压在内的待均衡电池状态，并确定转入参数衰减阶段的初始均衡参数；
[0014](3)在第一个定时开路静置阶段结束后，控制电路再次将待均衡电池接入充电电路或放电电路，同时控制均衡流程转入下一个均衡阶段，即参数衰减阶段。在该阶段中控制充电电流或放电电流衰减，形成从强电流参数到弱电流参数过渡的多个小阶梯状的电流衰减曲线，当充电电流或放电电流减小到参数衰减阶段电流设定值后则暂停充电电路或放电电路，使待均衡电池处于开路静置状态，进入第二个定时开路静置阶段，在定时结束前，控制电路检测包括静置开路电压在内的待均衡电池状态，并确定转入小参数精确调整阶段的初始均衡参数；
[0015](4)在第二个定时开路静置阶段结束后，控制电路再次将待均衡电池接入充电电路或放电电路，同时控制均衡流程转入下一个均衡阶段，即小参数精确调整阶段，在该阶段控制充电电压或放电电压恒定不变，将充电电流或放电电流设置成弱电流参数，实现恒压充电或放电控制，当充电电流或放电电流衰减到设定值则暂停均衡，插入第三个定时开路静置阶段；定时结束前，控制电路检测包括静置开路电压在内的待均衡电池状态，当静置开路电压与均衡目标开路电压之间的绝对差值小于设定值则终止均衡，否则重复接入待均衡电池起动小参数精确调整阶段。
[0016]作为优选实施方式，对电池一致性评价的方法包括下列步骤:
[0017]I)采集每个单体电池的电压；
[0018]2)找出所有单体电池电压数据中的最大值和最小值；
[0019]3)依据众数原理将最大值和最小值之间的数据区间平均分成N等分数据空间，N用实整数定义，数值大小与电池组中的电池数量有关，一般取5?10。计算所有单体电压数据落在每个等分数据空间中的个数，个数最多的等分数据空间中的单体电压数据称之为众数，该等分数据区间称为众数空间；
[0020]4)用“不一致程度”来量化地表示众数空间和非众数空间内电池一致性的好坏，取值范围定义为-1.0?+1.0，不一致性程度用实数分别定义，实数数值的绝对值越大表示对应电池的一致性越差。众数空间的电池不一致程度定义为“0.0”，确定为一致性好，表示电池的电压差异小、一致性高。不一致性程度为负数，表示所对应的非众数空间的单体电池电压数据小于众数空间对应的单体电池电压数据，不一致性程度为正数，表示所对应的非众数空间的单体电池电压数据大于众数空间对应的单体电池电压数据。以众数空间为中点，距离众数空间之间越远的非众数空间内包含的电池的一致性越差；
[0021]5)将众数空间内的单体电池电压的平均值作为待均衡电池的均衡目标值，将需要更换的电池的不一致程度的限值定义为“更换设定值”，不一致性程度超过更换设定值的电池确定为更换对象。将需要均衡的电池的不一致程度的限值定义为“均衡设定值”，低于更换设定值但是大于均衡设定值的电池则确定为待均衡电池。
[0022]本发明的特点是，采用电池静置开路电压作为主要参数识别，配置多个阶梯式渐进的均衡阶段，并在每个阶段自动设定和衰减均衡充放电参数，使均衡的电池逐渐逼近整组电池的一致性状态，从而达到高度一致的均衡效果。
[0023]本发明所述的阶梯式渐进参数衰减的电池均衡方法，与常规的电池均衡方法采用充电电压或放电电压作为均衡终止条件不同，采用了电池的静置开路电压作为均衡分析、参数调整和终止均衡的主要参数识别。由于静置开路电压能够较为准确地代表电池的电动势，因此相对于使用充电电压或放电电压，采用静置开路电压的方式使得电池的均衡效果更好。同时与常规均衡方法大多采用单一的手段不同，在均衡过程中采取多阶段自动调整均衡参数的控制策略，参数的调整采用了不断衰减的计算和控制方法，不会导致电池在均衡过程中出现过充电、过放电等现象，也不会出现对某支电池反复均衡的低效操作。数据分析计算过程依托高性能中央处理器，控制整个均衡流程不断渐进式逼近均衡目标，可以使电池达到高度一致性的均衡效果，且过程完全自动化，摆脱了常规方法对测试人员的依赖。
[0024]在优选实施方式里，本发明采用了基于众数原理的电池一致性进行评价，确定待均衡电池。通过电压采样电路匹配数据分析计算电路即可简单实现同时由于采用了基于众数的数据分析和计算方法，电池一致性评价误差小。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是电池均衡电路原理框图；
[0026]图2是本发明采用的基于众数原理的电池一致性评价方法流程图；
[0027]图3是阶梯式渐进参数衰减的电池均衡控制算法流程图。
【具体实施方式】
[0028]以下结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0029]图1是电池均衡电路原理框图。如图1所示,应用本发明方法的电池均衡电路包括电池切换电路2、充电电路3、放电电路4和控制电路5。电池I和电池切换电路2相联，电池切换电路2分别与充电电路3、放电电路4和控制电路5相联，充电电路3和放电电路4与控制电路5相联。
[0030]所述的控制电路5集成了基于众数原理的电池一致性评价方法。控制电路5首先计算出电池组的一致性，并根据一致性分析结果确定待均衡的电池对象以及设定均衡目标值。如图2所示，控制电路5将所有电池I的电压进行统计和排列，首先计算出所有单体电池电压，找出最大值和最小值，然后依据众数原理将最大值和最小值之间的数据区间平均分成N等分，并计算数据落在每个等分中的个数，个数最多的等分中的数据称之为众数，该等分所代表的数据区间称为众数空间。用“不一致程度”来量化地表示众数空间和非众数空间内电池一致性的好坏，“不一致程度”的取值范围定义为-1.0~+1.0，不一致性程度用实数分别定义，实数数值的绝对值越大表示对应电池的一致性越差。众数空间的电池不一致程度定义为“0.0”，为一致性好，表示电池的电压差异小、一致性高。“不一致程度”为负数，表示所对应的非众数空间的单体电池电压数据小于众数空间对应的单体电池电压数据。“不一致程度”为正数，表示所对应的非众数空间的单体电池电压数据大于众数空间对应的单体电池电压数据。以众数空间为中点，距离众数空间之间越远的非众数空间所包含的电池的一致性越差。不一致性程度分别定义为±0.1、±0.2、……±0.9、±1.0……，该数值的绝对值越大表示对应电池的一致性越差。
[0031 ] 将众数空间内的电池电压平均值作为被均衡电池的均衡目标值。不一致程度超过更换设定值的电池确定为更换对象，而低于更换设定值但是大于均衡设定值的电池则确定为均衡对象，通过后续的均衡处理来改善其不一致程度。
[0032]所述的控制电路5控制电池切换电路2，将待充电均衡的电池接通到充电电路3中进行充电均衡，或将待放电均衡的电池接通到放电电路4中进行放电均衡。控制电路5控制充电电路3的起停和充电电流、充电电压、充电时间等主要均衡充电参数。控制电路5控制放电电路4的起停和放电电流、放电电压、放电时间等主要均衡放电参数。
[0033]在充电电路3和放电电路4中包含有电路功率开关器件，控制电路5控制开关器件的PWM驱动信号的占空比，占空比越大，充电电流或放电电流越大，占空比越小，充电电流或放电电流越小，占空比为零则充电电路或放电电路停止工作。 [0034]所述的控制电路5将均衡过程设置成快速推进阶段、参数衰减逼近阶段、小参数精确调整阶段等三个“均衡工作梯次”，其间插入时间长度不等的多个定时开路静置阶段作为“非均衡工作梯次”。
[0035]当采用充电进行均衡时，如图3所示，在快速推进阶段，充电电流设置成强电流参数，PWM控制信号的占空比较大，在保证电池充电安全前提下，快速调整电池电量，使电池的不一致状态与均衡目标设定值之间的差距快速缩小，该阶段是减少均衡时间，提高均衡效率的主要阶段。在该阶段充电电流为恒定电流。
[0036]当电池的充电电压达到快速推进阶段设定值后，控制电路将控制充电电路暂停，使电池处于开路静置状态，即插入一个开路静置阶段，由控制电路设定开路静置阶段的定时长短。在定时结束前，控制电路检测包括静置开路电压在内的电池状态并确定转入参数衰减阶段的初始均衡参数。
[0037]在定时开路静置阶段结束后，控制电路再次将均衡电池接入充电电路，同时控制均衡流程转入下一个均衡阶段，即参数衰减阶段。在该阶段中，只要充电电压达到设定上限值，控制电路就减小PWM控制信号的占空比，从而控制充电电流衰减，形成从强电流参数到弱电流参数过渡的多个小阶梯状的电流衰减曲线。当充电电流减小到参数衰减阶段电流设定值后则暂停充电电路，使电池处于开路静置状态，插入一个定时开路静置阶段。在定时结束前，控制电路检测包括静置开路电压在内的电池状态并确定转入小参数精确调整阶段的初始均衡参数。在该阶段充电电流、充电电压均为变化值，其中电流具有单调衰减特征，而电压则具有滞环衰减特征。该阶段可确保电池充电安全的同时，使电池的不一致状态渐进式地逼近均衡目标设定值，避免反复均衡，提高了均衡的效率。
[0038]在上一个定时开路静置阶段结束后，控制电路再次将均衡电池接入充电电路，同时控制均衡流程转入下一个均衡阶段，即小参数精确调整阶段PWM控制信号的占空比较小。在该阶段控制充电电压恒定不变，而充电电流逐渐减小，实现恒压充电控制。当充电电流衰减到设定值则暂停均衡，插入一个定时开路静置阶段。定时结束前，控制电路检测包括静置开路电压在内的电池状态，当静置开路电压与均衡目标开路电压之间的绝对差值小于设定值则终止均衡，否则再次接入电池起动小参数精确调整阶段。在小参数精确调整阶段充电电流设置成弱电流参数，同时结合定时开路静置阶段，对电池进行浮动充电均衡，在均衡终止前通过多次浮动充电而实现电池一致性状态的精确调整。该阶段是达到电池高度一致性效果的关键阶段。
[0039]当采用放电进行均衡时，如图3所示，在快速推进阶段，放电电流设置成强电流参数，PWM控制信号的占空比较大，在保证电池放电安全前提下，快速调整电池电量，使电池的不一致状态与均衡目标设定值之间的差距快速缩小，该阶段是减少均衡时间，提高均衡效率的主要阶段。在该阶段放电电流为恒定电流。
[0040]当电池的放电电压达到快速推进阶段设定值后，控制电路将控制放电电路暂停，使电池处于开路静置状态，即插入一个开路静置阶段，由控制电路设定开路静置阶段的定时长短。在定时结束前，控制电路检测包括静置开路电压在内的电池状态并确定转入参数衰减阶段的初始均衡参数。
[0041]在定时开路静置阶段结束后，控制电路再次将均衡电池接入放电电路，同时控制均衡流程转入下一个均衡阶段，即参数衰减阶段。在该阶段中，只要放电电压达到设定下限值，控制电路就减小PWM控制信号的占空比，从而控制放电电流衰减，形成从强电流参数到弱电流参数过渡的多个小阶梯状的电流衰减曲线。当放电电流减小到参数衰减阶段电流设定值后则暂停放电电路，使电池处于开路静置状态，插入一个定时开路静置阶段。在定时结束前，控制电路检测包括静置开路电压在内的电池状态并确定转入小参数精确调整阶段的初始均衡参数。在该阶段放电电流、放电电压均为变化值，其中电流具有单调衰减特征，而电压则具有滞环衰减特征。该阶段可确保电池放电安全的同时，使电池的不一致状态渐进式地逼近均衡目标设定值，避免反复均衡，提高了均衡的效率。
[0042]在上一个定时开路静置阶段结束后，控制电路再次将均衡电池接入放电电路，同时控制均衡流程转入下一个均衡阶段，即小参数精确调整阶段PWM控制信号的占空比较小。在该阶段控制放电电压恒定不变，而放电电流逐渐减小，实现恒压放电控制。当放电电流衰减到设定值则暂停均衡，插入一个定时开路静置阶段。定时结束前，控制电路检测包括静置开路电压在内的电池状态，当静置开路电压与均衡目标开路电压之间的绝对差值小于设定值则终止均衡，否则再次接入电池起动小参数精确调整阶段。在小参数精确调整阶段放电电流设置成弱电流参数，同时结合定时开路静置阶段，对电池进行浮动放电均衡，在均衡终止前通过多次浮动放电而实现电池一致性状态的精确调整。该阶段是达到电池高度一致性效果的关键阶段。
[0043]所述阶梯式渐进参数衰减的电池均衡方法，在均衡工作梯次中均衡参数不断衰减，在非均衡工作梯次中检测包括静置开路电压在内的电池状态并调整均衡控制参数。不同工作梯次和均衡阶段具备各自特定均衡功能，实施不同的均衡操作，达到不同的设定均衡效果，步步推进直到被均衡的单体电池达到均衡目标为止。
【权利要求】
1.一种阶梯式渐进参数衰减的电池均衡方法，其特征在于，所述电池均衡方法首先对电池一致性进行评价，确定待均衡电池，之后将电池的均衡过程分为快速推进阶段、参数衰减逼近阶段、小参数精确调整阶段三个均衡工作梯次，在“均衡工作梯次间插入时间长度不等的多个定时开路静置阶段作为非均衡工作梯次；在均衡工作梯次中均衡参数不断衰减，在非均衡工作梯次中检测包括静置开路电压在内的电池状态并调整均衡控制参数，不同工作梯次和均衡阶段具备各自特定均衡功能，实施不同的均衡操作，达到不同的设定均衡效果，步步推进直到被均衡的单体电池达到均衡目标为止。
2.根据权利要求1所述的阶梯式渐进参数衰减的电池均衡方法，其特征在于，所述的电池均衡方法依次 包括下列步骤: (1)在快速推进阶段，对于待均衡电池，将充电电流或放电电流设置成强电流参数，在保证待均衡电池充放电安全前提下，快速调整待均衡电池电量，使待均衡电池的不一致状态与均衡目标设定值之间的差距快速缩小，在该阶段，充电电流或放电电流为恒定电流； (2)当待均衡电池的充电电压或放电电压达到快速推进阶段设定值后，控制充电电路或放电电路暂停，使待均衡电池处于开路静置状态，即插入一个开路静置阶段，在这个阶段内，检测包括静置开路电压在内的待均衡电池状态，并确定转入参数衰减阶段的初始均衡参数； (3 )在定时开路静置阶段结束后，控制电路再次将待均衡电池接入充电电路或放电电路，同时控制均衡流程转入下一个均衡阶段，即参数衰减阶段；在参数衰减阶段中控制充电电流或放电电流衰减，形成从强电流参数到弱电流参数过渡的多个小阶梯状的电流衰减曲线，当充电电流或放电电流减小到参数衰减阶段电流设定值后则暂停充电电路或放电电路，使待均衡电池处于开路静置状态，插入一个定时开路静置阶段，在定时结束前，控制电路检测包括静置开路电压在内的待均衡电池状态并确定转入小参数精确调整阶段的初始均衡参数； (4)在所述的定时开路静置阶段结束后，控制电路再次将待均衡电池接入充电电路或放电电路，同时控制均衡流程转入下一个均衡阶段，即小参数精确调整阶段，在小参数精确调整阶段控制充电电压或放电电压恒定不变，将充电电流或放电电流设置成弱电流参数，实现恒压充电或恒压放电控制，当充电电流或放电电流衰减到设定值则暂停均衡，插入一个定时开路静置阶段；定时结束前，控制电路检测包括静置开路电压在内的待均衡电池状态，当静置开路电压与均衡目标开路电压之间的绝对差值小于设定值则终止均衡，否则重复接入待均衡电池起动小参数精确调整阶段。
3.根据权利要求1所述的阶梯式渐进参数衰减的电池均衡方法，其特征在于，对电池一致性评价的方法，包括下列步骤: 1)采集每个单体电池的电压； 2)找出所有单体电池电压数据中的最大值和最小值； 3)依据众数原理将最大值和最小值之间的数据区间平均分成N等分数据空间，计算所有单体电压数据落在每个等分数据空间中的个数，个数最多的等分数据空间中的单体电压数据称之为众数，该等分数据区间称为众数空间； 4)采用“不一致程度”来量化地表示众数空间和非众数空间内电池一致性的好坏，“不一致程度”的取值范围定义为-1.0~+1.0，不一致性程度用实数分别定义，实数数值的绝对值越大表示对应电池的一致性越差；众数空间的电池不一致程度定义为“0.0”，确定为一致性好，表示电池的电压差异小、一致性高；“不一致程度”为负数，表示所对应的非众数空间的单体电池电压数据小于众数空间对应的单体电池电压数据，“不一致程度”为正数，表示所对应的非众数空间的单体电池电压数据大于众数空间对应的单体电池电压数据；以众数空间为中点，距离众数空间之间越远的非众数空间内包含的电池的一致性越差； 5)将众数空间内的单体电池电压的平均值作为被均衡电池的均衡目标值，将需要更换的电池的不一致程度的限值定义为“更换设定值”，不一致性程度超过更换设定值的电池确定为更换对象；将需要均衡的电池的不一致程度的限值定义为“均衡设定值”，低于更换设定值但是大于均衡设定值的电池则确定为待均衡电池。
【文档编号】H02J7/00GK103647328SQ201310718437
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】宫学庚, 张少昆, 舒恩 申请人:中国科学院电工研究所