一种考虑老化单体的主动均衡电路及实现方法

本发明涉及电力控制，尤其涉及一种考虑老化单体的主动均衡电路及实现方法。

背景技术：

1、由于锂电池自身单体电压与容量的限制，在实际使用过程中，经常需要将几个甚至成百上千个单体串联构成大电池组，但锂离子电池组由于生产过程中不可避免的误差、配组环节的随机性以及后续装机使用环境的复杂性等因素会产生组内单体特性不一致的情况出现，并且随着时间积累逐渐趋于恶化，针对这些问题，设计的锂离子电池管理系统主要完成的是对电池状态的监测以及对电池的均衡管理等操作，确保电池工作在合理的状态。电池组实际使用寿命以及实际续航里程与理论值差距较大的最关键原因之一是电池特性存在不一致，为了保持电池特性的一致性以及衰老的趋同性，需要使用均衡系统来对电池组进行合理的维护。

2、目前国内外较为成熟的电池管理系统提供厂商采用的电池均衡方案均是被动均衡方案，能量耗散型电路结构简单，但是存在能量浪费和热管理的问题。从近几年国内锂电池相关产业技术投入以及产品产出报告来看，未来几年锂电池行业仍会处于快速发展的状态，电池管理系统技术也将在传统被动均衡的技术基础上进一步向主动均衡技术转变，主动均衡技术的引入减少了能源浪费，更符合低碳绿色出行的环保理念。传统能量非耗散型电路大多数使用不同类型的dc-dc转换器，变压器等，存在电路结构复杂、体积大、成本高、均衡时间长、控制复杂等缺点。

3、传统上，电池单体以固定的串、并联形式实现电池容量和功率的扩展。然而，固定串、并联电池成组形式难以适应电池单体参数及动态行为的差异性。电池单体间的不均衡问题始终存在且不断恶化，电池单体间的不均衡性还会引起老化程度的差异，健康单体因充放电深度较浅而老化速度较慢，老化电池单体因充放电深度深而老化速度快，形成正反馈过程，进一步扩大不均衡程度以及老化程度，最终导致某些单体老化严重。老化严重的单体电池将会限制整个电池组的充放电能力和运行循环寿命等特性，且容易造成安全隐患。传统固定串、并联电池成组形式因拓扑结构缺乏灵活性，电池管理系统无法对电池组实行主动管控，易引起电池的过充或过放等，限制了电池管理系统管控能力的发挥。

4、因此，传统固定串、并联电池成组形式能效低、可靠性低以及存在安全性等问题。综上所述，固定串、并联电池成组形式难以适应电池单体参数及动态行为的差异性，造成电池单体间不均衡性，而普通的串联结构也并不能对电池单体间的差异进行调节，只会令差异越来越严重，最终导致某些单体老化严重。现有技术中存在固定形式的串联电池组难以适应电池单体参数及动态行为存在差异的特性，固定配置的可靠性和容错性都很低，因为在运行过程中任何一个单体电池的故障都会导致整个电池系统的故障。随着使用时间增加，电池单体间的不均衡性和老化程度不断扩大，而能量耗散型电路存在能量浪费和热管理的问题，传统能量非耗散型电路大多数使用不同类型的dc-dc转换器、变压器等，存在电路结构复杂、体积大、成本高、均衡时间长、控制复杂等缺点。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种考虑老化单体的主动均衡电路及实现方法，以提高电池组容量、寿命为目标，明确均衡管理流程，设计电池模组动态可重构均衡电路拓扑及电池信息采样电路，阐述均衡管理方法，以达到均衡管理能量高效。

2、为了实现上述目的，本发明提供的一种考虑老化单体的主动均衡电路及实现方法是这样实现的：

3、一种考虑老化单体的主动均衡电路及实现方法，包括可重构均衡电路，高频电力电子开关、电池单元阵列、信息采集单元、主控模块，利用高频电力电子开关与电池单元阵列组成可重构均衡电路，使得电池单元之间的连接拓扑结构可以动态重构，从而实现串联电池单体的动态接入，在可重构均衡电路的基础上，设计了考虑串联电池组中存在老化电池单体的均衡策略，可重构均衡电路成组的主要思想是通过开关来控制，实现电池单体网络化和拓扑结构的动态改变，从而以最佳方式满足系统功率需求。该开关电路拓扑结构中，每个电池单体只使用两个开关来控制其独立运行。每个电池的开关电路和控制电路都是通过使用高效率的半导体器件设计和实现的。并在可重构均衡电路的基础上，设计了考虑串联电池组中存在老化电池单体的均衡策略，解决电池单体老化差异对电池组均衡效果的影响，可以最大限度地利用电池的容量，并能容忍单个或多个电池的故障，从而最大限度地延长工作时间和寿命，提高电池的可靠性，能够随时为每个电池和整个电池系统进行监测、控制、均衡和优化功能。

4、本发明的信息采集单元采用第三代多节电池的电池组监视器ltc6804完成对锂电池单体电压、电流、温度的实时采集，单个第三代多节电池的电池组监视器ltc6804芯片能够同时监控12节串联的锂电池，因此以12节串联的电池组为一个采集单元，信息采集单元的数目可以拓展。

5、本发明的主控模块采用stm32单片机作为内核，通过spi实现与第三代多节电池的电池组监视器ltc6804芯片的通信，主控模块根据单体电池的电压、电流数据完成荷电状态soc估算，并依据各单体电池恒流充电过程中，某个电压区间电压变化速度的不同，对电压变化速度较快的可能发生老化的单体电池进行了初步的识别和标记，并对识别出老化单体实施老化均衡策略，主控模块根据电池运行状态，通过控制开关的通断，实现电池单体的动态投切，有效缓解了电池差异特性的加剧，最大程度提高电池组容量，延长电池组寿命。

6、本发明的荷电状态soc估算步骤为：

7、s1.信息采集单元完成对锂电池单体电压、电流、温度的实时采集，并且将采集到的数据通过spi通讯传输到主控模块，信息采集单元通过采集的电压、电流数据完成对电池单体荷电状态soc的估计；

8、s2.根据电池单体荷电状态soc，通过高频电力电子开关控制，实现电池网络拓扑动态改变，从而控制不同电池单体其动态接入时间实现电池均衡；

9、s3.按照荷电状态soc均衡原则通过控制高频电力电子开关的通断从而控制各单体电池的接入状态，使该电池组的单体电池荷电状态soc趋于一致。

10、本发明的荷电状态soc均衡原则为：

11、s1.首先判断电池组中是否存在老化单体，若没有老化单体，则计算锂电池组内的各单体电池的荷电状态soc，放电时，荷电状态soc高的单体电池接入时间长，荷电状态soc低的单体电池接入时间短，充电时则相反；

12、s2.使用预测控制算法计算在下一放电周期中各电池放电量最优值使得经过一个放电周期后各单体电池荷电状态soc离散程度最小，从而分配电池组各单体电池接入的时间；

13、s3.若存在老化单体，则针对老化单体开启老化均衡策略，充电时，为减缓老化单体电压的升高，防止其过快达到充电截止电压，避免出现过充现象，对其施加老化均衡策略，可重构均衡电路中高频电力电子开关接受主控模块的重构指令，开通旁路开关，减少该电池接入时间，保证其他未老化单体充满电；进入放电工况后，可重构均衡电路中高频电力电子开关接受主控模块的重构指令，开通旁路开关，减少该老化单体接入时间，防止其过早达到截止电压影响其他电池放电，从而提高电池组整体容量。

14、采用上述发明带来的有益效果：

15、1.本发明提出的由高频电力电子开关组成的可重构均衡电路，能容忍单个或多个电池的故障，提高电池组的可靠性。

16、2.本发明提出的均衡策略考虑了串联电池组中存在老化单体的情况，针对老化单体采取老化均衡策略，结合可重构均衡电路，可以最大限度地利用电池组的容量。

17、3.本发明提出的均衡拓扑以荷电状态soc为依据动态分配充放电过程中各组电池充放电程度，根据电池运行状态实现了拓扑的动态可重构，有效缓解电池差异特性的加剧，有效降低了均衡损耗，且均衡速度也得到了提高。