一种基于电池健康差异的电量平衡控制方法

本发明属于电池检测和控制，更具体地，涉及一种基于电池健康差异的电量平衡控制方法。

背景技术：

1、电池系统通常由多个电池组并联组成，每个电池组中通常有多个串联的电池单体。在运行过程中，由于各电池单体的状态差异性，可能会对电池系统的使用产生一定的影响。因此，为了确保电池系统的正常运行，需要对其进行均流控制。而进行均流控制的关键在于精准获取每个电池的剩余电量。现有技术中经常采用荷电状态(state of charge，soc)来反映电池的剩余电量。其数值上定义为电池剩余电量占电池总容量的比值，常用百分数表述。其取值范围为0～1，当soc＝0时表示电池单体放电完全，当soc＝1时表示电池单体充电完整。电池系统均衡控制就是估计电池单体的soc，同时以电池单体soc值为控制对象，设计权重因子，达到对电池单体充放电速率动态调节的目的，实现电池系统整体的电量均衡，保证电池系统安全稳定运行。

2、常用的电池系统的soc估计和均衡控制模块一般假定电池系统中的每个电池和模块都具有相同的电池容量，即技术上认定电池的健康状态(state of health，soh)相同。然而，在实际运行中，由于电池系统内部的热量、电流以及设备机械误差等因素的影响，会导致电池单体出现不同程度的老化现象。这些老化现象会使得电池系统内部的电池健康状态发生变化，导致电池的剩余可用容量逐渐衰减。如果soc平衡控制器持续在假设电池容量相同的情况下运行，电池健康程度较低(实际容量值较小)的电池会具有比其他电池虚高的soc值，比其他电池更早耗尽电量。在这种情况下，电池系统可能会过度放电，导致系统故障甚至发生火灾事故。

3、本发明的目的是提出一种基于电池健康差异的电量平衡控制方法，从而能够更加精确的检测老化电池的soh和soc值，根据电池单体健康状态进行控制策略调整，采用更合理的权重因子精准控制电池单体充放电速率，实现电池组的电量均衡，整体提高电池系统的寿命。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、基于上述背景技术提及的缺陷，本发明公开了一种基于电池健康差异的电量平衡控制方法，从而能够更加精确检测老化电池的soh和soc值，根据电池单体健康状态进行控制策略调整，采用更合理的权重因子精准控制电池单体充放电速率，实现电池组的电量均衡，整体提高电池系统的寿命。

3、(二)技术方案

4、本发明公开了一种基于电池健康差异的电量平衡控制方法，包括以下步骤：

5、步骤1：获取各个电池单体的在线运行数据信息；

6、步骤2：采用电池状态估计算法计算电池的soh值，结合电池健康程度变化更新电池的soc值；

7、所述电池状态估计算法包括：

8、步骤2.1：将采集到的数据进行筛选和分析，从重复充电和放电间隔的连续信号中提取放电间隔，在两个相似的放电段进行分析，找到具有相似的初始soc和最终soc的范围，对采集到的电流icell进行积分操作，得到电流累积值isum：

9、

10、步骤2.2：利用电池使用过程中出现的电流突变特征，引起电压阶跃或者不连续性变化的结果成为电池内阻估计的关键指标，通过捕捉不连续时刻的电压和电流变化值，能得到电池内阻估计值r＝r(k)，即

11、

12、式中，k表示电流突变时刻，δ表示采样延迟时间，icell为电池单体的电流，vcell为电池单体的终端电压；基于估计的电池内阻r，能基于测得的终端电压vcell估计电池内部电压vt，具体表达式为：

13、vt＝vcell+icellr  (6)

14、步骤2.3：结合采集到的电池端电压数据与计算得到的内阻数值r，能推导出开路电压voc的值，根据测量输入数据vcell和icell，能得到极化参数初始估计值和极化初始电压vp，整个计算过程中假定极化电压vp没有发生变化，根据式(7)，通过电池系统测得的端电压修改得到的电池内部电压vt，结合参数估计得到的极化电压vp，能计算ocv数据，根据对应的电流icell及其电流累加值isum和开路电压值voc，能绘制出连续放电间隔的估计isum-ocv曲线；

15、voc＝vcell+icellr+vp＝vt+vp  (7)

16、步骤2.4：根据构建的isum-ocv曲线和参考的soc-ocv曲线差分比较能进行电池剩余可用容量的估计和电池状态的计算，使用新电池的soc-ocv曲线作为参考曲线，电池老化之后的isum-ocv曲线依据正确的电池剩余可用容量qavail值，实现归一化处理，与参考soc-ocv曲线重合，结合式(1)，容量具体的转换过程见公式(8)，随着电池老化，电池的isum-ocv曲线根据电池剩余可用容量估计值qavail在不断的调整，以找到正确的qavail值，使得当前的soc-ocv曲线与参考曲线匹配；

17、

18、其中，soct和soc0分别为当前时刻t的电池荷电状态和初始荷电状态值；依据isum-ocv曲线差分于soc-ocv曲线得到的qavail值，以计算电池的soh值，并更新电池的soc值；

19、步骤3：根据各电池单体的soc差值，结合各电池健康程度，分别控制开关mosfet导通程度，实现电池组电量均衡控制。

20、优选的，所述步骤2.2还包括：选择δ＝(1/10)τ，整体内阻采样延迟时间应该满足以下条件：

21、τ＝rpcp≥n(t[k+δ]-t[k])  (4)

22、|icell[k+δ]-icell[k]|≥ε  (5)

23、式中，rp指电池的极化内阻，cp指电池的极化电容；t[k+δ]、t[k]均表示电池采样过程间隔δ延长时间得到的数据对应时刻；n(x)为x的倍数关系函数，ε为预设阈值，；

24、如果不连续性不满足式(4)和(5)，则判定式(2)估计的电池内阻r＝r(k)不准确。

25、优选的，取预设阈值ε为0.3a，倍数关系函数n(x)＝10*x。

26、优选的，步骤2.4还包括：根据式(9)能计算soh，根据式(10)能准确更新电池的soc值；

27、

28、式中，qavail是估计的电池剩余可用容量值，qnom是指电池单体的额定容量，∑icellδt表示采集的电流数据在时间δt内的累加值，用来计算电池累积消耗的电量。

29、优选的，步骤3还包括：整个串联电池组的socref用均值法根据公式(11)得到，n表示电池组中串联的电池单体个数；

30、

31、有了电池组的socref值，各电池单体可以根据差值调整电量消耗速度，soc控制环路输出为电池参考电流差值，与实际电池电流差分比较控制可以得到合适的开关导通占空比，以控制整个电池组的电流平衡，用比例积分控制，通过控制器输出的结果为：

32、δirefi＝(socref-soccelli)×gsoc(z)  (12)

33、

34、di＝(iload-icelli-δirefi)×gcur(z)  (14)

35、式中，gsoc(z)是数字soc平衡pi控制器；kp-soc和ki-soc为控制器的参数，为确保控制环快速准确响应，这些参数设置在合理的范围内；δirefi是控制器soc环路控制的输出端；di为控制器电流环路控制的输出端，以控制对应开关mosfet的导通；gcur(z)也是数字电流平衡pi控制器，电池系统实现soc均衡控制的过程中需要不断调节pi控制器的参数，使得控制器输出结果di在稳定在合理范围内。

36、此外，本发明还公开了一种基于电池健康差异的电量平衡控制系统，包括：

37、至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

38、所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项所述的基于电池健康差异的电量平衡控制方法。

39、(三)有益效果

40、(1)本发明的方法利用部分电池运行数据可以实现在线估计电池内阻和电池剩余可用容量，监测电池健康状态变化情况，更贴近电池系统实际使用情况；用于控制电池系统soc平衡的方法中加入了电池实际可用容量的影响因素后，更新了传统soc平衡控制策略，可以实现电池系统能量的更合理充分利用，延长电池系统的使用寿命；电池健康状态值(soh)的确定是依靠isum-ocv曲线与基准soc-ocv曲线差分比较得到，能够精确检测老化电池的soh和soc值，不过多依赖电池等效电路模型的准确性，其适用范围更广。

41、(2)本发明的方法中还加入电池健康差异识别后的对应电量平衡控制方法，依然可以实现电池系统的电量平衡目的。同时，平衡后，对电池单体的放电速率有区别，电池单体健康程度高，其放电电流更大，而健康程度低的电池其放电电流为最小值，通过这种差异化使用电池，可以提高整体电池系统的能量利用效率，得到更为安全的电池系统，提升电池系统的使用寿命。