一种基于气液热耦合模型的电池等电量均衡方法及系统

本发明涉及电池均衡管理领域，具体为一种基于气液热耦合模型的电池等电量快速均衡方法及系统，尤其涉及电动汽车动力串联电池组的快速均衡。

背景技术：

1、锂电池在成组使用时，由于单体电池之间的电压、容量等参数存在差异，这些不一致性在电池的充放电过程中容易导致电池性能恶化，从而影响电动汽车的使用寿命和安全性能。为了提高串联电池组的整体性能和延长使用寿命，需要对串联电池组进行有效的均衡管理，通过检测串联电池组的参数并对其电量状态进行识别，对电量高的单体电池进行放电，对能量低的单体电池进行充电，使各单体电池的电量状态趋于一致，实现串联电池组满充电和满放电的目标。

2、目前，串联电池组均衡技术可以分为能量耗散型和非能量消耗型两大类。能量耗散型均衡是在串联电池组中给每只电池并联一个电阻，采用电阻放电分流的方式来实现电量均衡，这种方法简单，但存在能量浪费和安全隐患等问题。而非能量消耗型均衡则通过更高效的均衡策略来实现串联电池组内部的电量均衡，避免了能量的无谓损耗，更加环保，且能有效提高串联电池组的使用效率和安全性。

3、现有电池均衡策略面临电池电量估计不准确，导致电池均衡效率低下，甚至均衡时效，因为无法有效确定均衡的电量。本发明基于气液动力学模型公开一种非能量耗散型的电池等电量均衡方法及系统，解决上述电池均衡难题。

技术实现思路

1、本发明基于气液热耦合模型提出电池等电量均衡方法及系统。

2、本发明的技术方案是：一种基于气液热耦合模型的电池等电量均衡方法及系统，其特征在于，包括以下步骤：

3、步骤一：基于气液热耦合模型的电池剩余容量和可充电容量估计方法；

4、步骤二：计算串联电池组剩余容量的变异系数和可充电容量的变异系数；

5、步骤三：变异系数判别策略；

6、步骤四：基于气液热耦合模型的电池等电量均衡方法；

7、步骤五：基于气液热耦合模型的电池等电量均衡系统。

8、上述方案中，所述步骤一基于气液热耦合模型的电池剩余容量和可充电容量估计方法，其特征在于：

9、crest＝call×soc2                       (公式1)

10、cabch＝call×(1-soc2)                     (公式2)

11、

12、式中，crest为剩余容量，cabch为可充电容量，call为实际容量，字母前面加“d”表示对参数的微分，t为时间，字母下标加“k”表示第k时刻参数的状态，k＝0,1,2,3…，soc为荷电状态，i为电流。

13、所述步骤一基于气液热耦合模型的电池剩余容量估计方法，公式1、公式2、公式3均需要估计电池的荷电状态，具体采用双扩展卡尔曼滤波算法在线辨识气液热耦合模型的参数和在线估计电池的荷电状态；

14、所述双扩展卡尔曼滤波算法在线辨识气液热耦合模型的参数和在线估计电池的荷电状态，具体为：

15、

16、根据气液热耦合模型的状态方程，公式4具体为：

17、

18、根据气液热耦合模型的状态方程，公式5具体为：

19、

20、式中，θ为在线辨识气液热耦合模型参数的状态量，气液热耦合模型的四个待辨识参数分别为k1、k2、k3、k4，d为在线辨识气液热耦合模型参数的观测量，h为模型参数观测量的函数，λ为模型参数观测量函数的输入量，i为电流且充电为正、放电为负，tk为电池温度，uoci为电池开路电压，x为在线估计电池soc的状态量，f为电池soc状态量的函数，u为电池soc状态量函数的输入量，y为在线估计电池soc的观测量，g为电池soc观测量的函数，μ为电池soc观测量函数的输入量；

21、①初始化：

22、

23、式中，pθ为θ的协方差矩阵，qθ为在线辨识气液热耦合模型参数的系统噪声方差，rθ为在线辨识气液热耦合模型参数的量测噪声方差，px为x的协方差矩阵，qx为在线估计电池soc的系统噪声方差，rx为在线估计电池soc的量测噪声方差；

24、②更新参数观测器的时间值：

25、

26、

27、

28、式中，字母上标加“-”表示参数的先验状态，字母上标加“+”表示参数的后验状态，字母上标加“t”表示矩阵的转置，a为模型参数状态量的系数矩阵；

29、③更新状态观测器的时间值：

30、

31、

32、

33、式中，b为电池soc状态量的系数矩阵；

34、④更新状态观测器的量测值：

35、

36、式中，kx为x的卡尔曼增益，d为电池soc观测量的系数矩阵，e为与运算矩阵同阶的单位矩阵；

37、⑤更新参数观测器的量测值：

38、

39、式中，kθ为θ的卡尔曼增益，c为模型参数观测量的系数矩阵；

40、⑥更新k：

41、k＝k+1(公式17)

42、⑦如此循环②至⑥，实现在线辨识气液热耦合模型的参数和在线估计电池的荷电状态；

43、上述方案中，所述步骤二计算串联电池组剩余容量的变异系数φrest和可充电容量的变异系数φabch，其特征在于：

44、

45、式中，srest为串联电池组剩余容量的标准差，为串联电池组剩余容量的平均值，sabch为串联电池组可充电容量的标准差，为串联电池组可充电容量的平均值，n为串联电池组剩余容量总数(n≥2)，i为串联电池编号(i≤n)，i＝1,2,3…；

46、上述方案中，所述步骤三变异系数判别策略，其特征在于：

47、

48、式中，φnew为新串联电池组实际容量的变异系数；

49、上述方案中，所述步骤四基于气液热耦合模型的电池等电量均衡方法，其特征在于：

50、判断电池处于放电搁置状态还是充电搁置状态；

51、当电池处于放电搁置状态时，将串联电池组的各电池按剩余容量由低到高排序，然后所有电池的剩余容量均减去最低电池的剩余容量获得各电池的剩余容量差值δcrest，再计算剩余容量差值的平均值

52、

53、计算各电池的放电均衡容量

54、

55、将电池的正值放电均衡容量(即)按由大到小顺序转出至中转电容器内，正值放电均衡容量的数值越大转出的优先级越高，当中转电容器满电或正值放电均衡容量全部转出至中转电容器之后，将中转电容器内的电量依次转入至负值放电均衡容量(即)的电池内，转入的电量等于负值放电均衡容量的绝对值，若中转电容器内电量低于转入电池的负值放电均衡容量绝对值时，则全部转入，其中负值放电均衡容量的绝对值越大转入的优先级越高；

56、按照电池的正值放电均衡容量转出及负值放电均衡容量转入规则，直至完成全部电池的放电均衡容量转移，由一安时容量等于三千六百库伦电量的换算公式可知，串联电池组中的电池具有相等的剩余电量；

57、当电池处于充电搁置状态时，将串联电池组的各电池按可充电容量由低到高排序，然后所有电池的可充电容量均减去最低电池的可充电容量获得各电池的可充电容量差值δcabch，再计算可充电容量差值的平均值

58、

59、计算各电池的充电均衡容量

60、

61、负值充电均衡容量(即)的电池，需要转移出负值充电均衡容量绝对值的电量(即)至中转电容器内，负值充电均衡容量的绝对值越大转出的优先级越高，当中转电容器满电或负值充电均衡容量绝对值的电量全部转出至中转电容器之后，将中转电容器内的电量依次转入至正值充电均衡容量(即)的电池内，转入的电量等于对应电池的正值均衡容量，若中转电容器内电量低于转入电池的正值充电均衡容量时，则全部转入，其中正值充电均衡容量的数值越大转入的优先级越高；

62、按照电池的负值充电均衡容量转出及正值均衡充电容量转入规则，直至完成全部电池的充电均衡容量转移，由一安时容量等于三千六百库伦电量的换算公式可知，串联电池组中的电池具有相等的可充电电量；

63、再次计算均衡后的串联电池组的变异系数，并转至步骤三；

64、上述方案中，所述步骤五基于气液热耦合模型的电池等电量均衡系统，其特征在于：包括数据采集模块、电池容量估计模块、变异系数计算模块、变异系数判别模块、电池等电量均衡模块、电路保护模块、表显模块、蜂鸣器；数据采集模块采集串联电池组每一串联电池的端电压、电流和温度，并发送给电池容量估计模块；电池容量估计模块根据步骤一方法估计得到电池剩余容量和可充电容量，并发送给变异系数计算模块；变异系数计算模块根据步骤二方法计算得到串联电池组剩余容量的变异系数和可充电容量的变异系数，并发送给变异系数判别模块；变异系数判别模块根据步骤三方法完成变异系数的判别操作；如果串联电池组需要均衡，电池等电量均衡模块根据步骤四完成串联电池组的均衡操作；电路保护模块时刻监测电池等电量均衡系统的参数安全，若电池出现过压、过流、过温及等电量均衡之后串联电池组变异系数增大时，停止串联电池组均衡操作并推送故障提醒至表显模块和启动蜂鸣器。

65、上述方案中，对所述步骤一基于气液热耦合模型的电池剩余容量和可充电容量估计方法，除了所述双扩展卡尔曼滤波算法之外，还包括遗传算法、粒子滤波算法、模拟退火算法、观测器、神经网络算法、其它人工智能算法、其它卡尔曼滤波算法等。

66、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

67、基于气液热耦合模型估计电池剩余容量和可充电容量的计算量更少、准确度更高。

68、采用变异系数法判别串联电池组的均衡策略，能够避免不同物理量之间量纲的影响，对不同电池均具有优良的适应性。

69、中转电容器充当电量转移的中间容器，能够大大简化串联电池组均衡电路的结构，进而减少硬件成本和降低均衡控制难度。

70、电池等电量均衡方法能够真正实现串联电池组满充与满放，及串联电池组能量利用最大化。

技术特征：

1.一种基于气液热耦合模型提出电池等电量均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述基于气液热耦合模型提出电池等电量均衡方法，其特征在于，步骤一基于气液热耦合模型的电池剩余容量和可充电容量估计方法：

3.根据权利要求2所述步骤一基于气液热耦合模型的电池剩余容量和可充电容量估计方法，公式1、公式2、公式3均需要估计电池的荷电状态，具体采用双扩展卡尔曼滤波算法在线辨识气液热耦合模型的参数和在线估计电池的荷电状态，具体为：

4.根据权利要求1所述基于气液热耦合模型提出电池等电量均衡方法，其特征在于，所述步骤二计算串联电池组剩余容量的变异系数φrest和可充电容量的变异系数φabch，具体为：

5.根据权利要求1所述基于气液热耦合模型提出电池等电量均衡方法，其特征在于，所述步骤三变异系数判别策略，具体为：

6.根据权利要求1所述基于气液热耦合模型提出电池等电量均衡方法，其特征在于，所述步骤四基于气液热耦合模型的电池等电量均衡方法，具体为：

7.一种实现权利要求1-6任意一项所述基于气液热耦合模型提出电池等电量均衡方法的系统，其特征在于，包括数据采集模块、电池容量估计模块、变异系数计算模块、变异系数判别模块、电池等电量均衡模块、电路保护模块、表显模块、蜂鸣器。

8.根据权利要求7所述基于气液热耦合模型提出电池等电量均衡方法的系统，其特征在于：

技术总结
本发明提供一种基于气液热耦合模型的电池等电量均衡方法及系统，其特征在于，包括五个步骤：步骤一：基于气液热耦合模型的电池剩余容量和可充电容量估计方法；步骤二：计算串联电池组剩余容量的变异系数和可充电容量的变异系数；步骤三：变异系数判别策略；步骤四：基于气液热耦合模型的电池等电量均衡方法；步骤五：基于气液热耦合模型的电池等电量均衡系统。本发明的气液热耦合模型兼顾了结构简便性与估计精度，计算量小，估算精度高，很容易在单片机上实现；基于气液热耦合模型与双扩展卡尔曼滤波算法的在线辨识气液热耦合模型的参数和在线估计电池的荷电状态，能够提升电池荷电状态估计方法对初值误差的鲁棒性及收敛速度。本发明基于气液热耦合模型的电池等电量均衡方法，提升了串联电池组的剩余电量一致性和可充电电量一致性及电量均衡速度，显著提升串联电池组的能量利用率与安全性。

技术研发人员：陈彪,唐海祺,赵志国,赵艳青,赵钱,王弋,张锐,周中明
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23