【《动力电池均衡控制策略概述》4000字】

动力电池均衡控制策略概述目录TOC\o"1-3"\h\u24390动力电池均衡控制策略概述 1314901.1引言 143901.2均衡控制变量设计 1180141.3均衡控制策略架构设计 2257861.4均衡开启阶段设计 483991.5被均衡单体筛选策略 5295731.6均衡电流控制策略 7166861.7安全性设计 8引言基于设计的大电流主动均衡系统硬件拓扑可实现5A的均衡电流，在旁接入动力电池系统中后通常会导致系统存在较大幅度的电压波动并影响电压采样精度。因此对大电流主动均衡系统实现较为精准的均衡控制，是有效提高系统使用效率并降低系统使用安全风险的重要措施。通常情况下基于给定的动力电池模组，均衡控制策略的模板是实现动力电池均衡系统设计并控制模组内容量不一致性小于2%，电压不一致性小于30mV。考虑实际动力电池成组时系统状态及容量状态，假定初始不一致性为3%（基于SOC的不一致性）。考虑单体电池容量及电压曲线，若使用基于电压的控制策略易导致在系统充电末期存在误均衡现象，且在其他时间存在因过大的均衡电流激励产生的电压跳变进而导致过均衡或误均衡现象。同时，单体电池的SOC估计算法误差在稳态工况下通常小于2%，与电池组实际不一致性数量级相当，因此采用单一的基于SOC估计的方法也具有缺陷。因此，本均衡控制策略设计采用多变量融合方式，综合考虑电压均衡、SOC均衡与不一致性均衡的优缺点及发生条件，采用分阶段方式控制均衡电流大小及均衡阶段设计并提供故障诊断功能，实现三变量多阶段均衡控制策略。均衡控制变量设计基于前文描述的在高温环境长工作时间条件下的电池系统，本方案设计的动力电池均衡控制变量为基于电池组不一致性、电压极差和SOC极差的多变量综合性均衡控制方法。采用电池组电压和SOC不一致性作为第一阶段均衡评估标准，有利于在最大指标偏差满足条件的环境下尽可能降低电池组内各单体差异。而采用电压极差和SOC极差共同作为第二阶段均衡评估指标，则有利于降低电池组内总体偏差。本文采用均方差描述电压不一致性定义和SOC不一致性，定义如下：(3.SEQ(3.\*ARABIC1)(3.SEQ(3.\*ARABIC2)均衡控制策略架构设计考虑到在实际使用过程中可能遭遇算法超限、发散等问题，因此基于安全角度设计，本方案采用观测-筛选-控制的闭环软件架构。通过设计观测器实现三类均衡变量的高精度观测，而后基于耦合的评价指标综合考虑在不同SOC区间内、不同SOH范围内对电池极差和不一致性的需求程度计算评价函数，根据评价函数实现充电均衡单体电池与放电均衡单体电池筛选。而后基于分阶段均衡电流控制方法，根据电压和SOC的不一致性计算第一阶段的均衡电流，而后根据第一阶段开启的均衡变量结合电压极差和SOC极差计算第二阶段均衡电流值；综合两阶段结果实现均衡电流控制。总体均衡方案如下：1.使用5th-SSRCKF算法实时观测每个主板连接的动力电池SOC值，SOC更新周期为1s。考虑实际的嵌入式系统算力及存储能力，并结合实际的动力电池均衡控制过程时域信息，对于SOC估计的间隔周期可相对拉长，并优化算法结构及精度降低对嵌入式系统的算力需求。-观测阶段2.进行故障诊断，在排除单体电池信息故障、PCB过温、蓄电池电压超限等故障后允许开启均衡功能。在存在故障的条件下禁止均衡功能开启。本方案考虑的主要均衡故障包括：单体电池信息故障，即存在单体动力电池过低或过高或过温或欠温时，停止使用均衡功能；PCB过温故障，即开启长时间均衡后子板温度较高，不利于长期工作，则停止使用均衡功能；蓄电池电压故障，即蓄电池电压过高或过低时禁止开启均衡功能；通信故障，即主控板与从控板、均衡板间通讯超时、频繁丢包时停止均衡功能。-观测阶段3.基于主板广播的动力电池单体电压和温度信息计算各单体SOC值，并计算动力电池组的电压不一致性（基于电压方差的不一致性计算）与SOC不一致性（基于SOC方差的不一致性计算）。并计算出各单体间的电压极差与SOC极差值。-观测阶段4.基于上传的动力电池模组信息首先筛选出电压最高单体电池编号、SOC最高单体电池编号、电压最低单体电池编号、SOC最低单体电池编号作为可能的被均衡单体电池（充电均衡与放电均衡）-筛选阶段5.采用变速度退火算法的思想，结合当前电池SOH、当前电压值、当前电流值计算自适应权重值，用于实现电压极差、SOC极差与电压不一致性、SOC不一致的权重和。采用该权重和表征电压最高单体与SOC最高单体的均衡需求，选取其中较大值所代表的电池作为放电均衡单体。相似的，可采用相同方法筛选获得被充电均衡单体。-筛选阶段6.在筛选得到放电均衡单体电池后，通过分阶段法判定均衡电流大小。首先判断不一致性是否超限：对电压不一致性与SOC不一致性分开考虑，若某一条超限则置，开启第一阶段均衡，每条超限增加1A均衡电流，第一阶段均衡电流最大2A；在某一条不一致性超限后检查该变量对于的极差值（如SOC不一致性超限则检查SOC极差是否超限），若极差超限则开启第二阶段均衡，每条超限增加1.5A均衡电流，因此在第二阶段中最大均衡电流为5A。-控制阶段7.将均衡控制指令及均衡电流需求输出至子板中，在未来20s时间内保持均衡电流值不发生改变，并继续观测各单体SOC值用于下一次均衡控制（持续20s）-控制阶段考虑在实际使用过程中一般条件下的均衡，主要包括恒流充电或恒流恒压充电阶段，其工况较为稳定，SOC估计精度较高。但对于实际使用过程中存在较长时间的静置过程，动力电池获得充分静置后参数趋于稳定并获得较高精度，则可在电池充分静置后开启均衡，实现较高精度的静置均衡。图SEQ图\*ARABIC19均衡控制模块设计静置均衡过程如下：1.进行故障诊断，检测是否存在电池故障、过温等问题，同时检查静置时间是否超过2小时，决定可开启静置均衡。2.开启静置均衡后，根据当前所有单体电压值插值计算SOC（根据OCV-SOC曲线，并考虑老化和温度的修正）计算模组内SOC平均值，计算每个单体的被均衡量4．根据被均衡量计算每个单体的均衡电流及均衡时间。若均衡量小于5AH但大于3AH，则采用均衡量/1小时作为均衡电流，若均衡量小于3AH，则均衡电流设为3A，均衡量大于5AH，则，均衡电流设为5A。均衡开启阶段设计目前动力电池的均衡模块主要在动力电池模组的充电过程（尤其是充电末期）、静置阶段实现，在模组放电过程中暂不进行均衡。对于充电过程与静置过程中的均衡，尤其系统状态相对问题（恒流充电、涓流充电、静置），因此这些状态下对于动力电池的SOC估计具有较好的估计结果，在该类状态下进行均衡时可保证较好的均衡控制。而对于放电过程而言，其放电过程通常具有较大的电流波动，在SOC估计过程中常表现为电流尖峰等，对SOC估计具有不利影响。因此本方案选取充电过程与静置过程进行均衡。对于静置过程中的均衡，由于动力电池的电压值较为稳定，因此可采取动力电池的路端电压近似认为成开路电压，实现较精准的SOC估计。考虑到施加均衡电流后电池会产生动态响应，因此本方案对于静置阶段的均衡过程，在均衡功能开启前估算所有单体的SOC值（具有较高的准确性），而后计算电池模组的不一致性及均衡指标，分析所有单体电池相距平均SOC值的不一致性量，计算好每个单体电池的均衡电流大小及相应的控制指令后，将所有指令输入至子板中开启均衡功能，在均衡完成前不改变原有指令。对于充电过程中的均衡，其动力电池SOC估计过程相对稳定，因此考虑在该过程中要首先观测主板连接的所有单体电池SOC值，而后进行筛选与均衡电流控制。图SEQ图\*ARABIC20均衡开启阶段设计被均衡单体筛选策略被均衡单体的筛选基于多变量角度考虑，综合考虑电压、SOC与不一致性计算单体均衡指标。在基于真实值筛选得到最大电压单体、最小电压单体、最大SOC单体与最小SOC单体后，首先建立各单体的均衡指标，而后进行筛选获得一个充电均衡单体与放电均衡单体。评价指标的计算方法如下：(3.SEQ(3.\*ARABIC3)上式中第一项代表了电压极差对于均衡评价指标的影响，第二项表达了SOC极差对均衡评价指标的影响。在第一项中共有两个自适应权重，第一个权重表征了不同的老化阶段中对均衡指标的依赖性，如公式所表示，在SOH较高时，对SOC的权重更大而对电压的权重更小，表明在高SOH时电池外电压一致性较小，均衡应更偏向与基于SOC的均衡。而到了低SOH时则相反，对电压的偏重更高，表明此时应更多的关注电压改变保持模组的一致性。第二个权重表征了对电压的自适应性，在高电压区间，电池组电压差较小，此时应关注SOC，则电压权重较小；而到了低SOC区间内，电压波动较大，此时应更多关注保持电压的一致性。第二项中的两个权重值具有第一项的权重值原理相似但结果相反的意义。因此筛选模块过程为：基于各单体计算的SOC值计算模组内的平均SOC值，计算模组内的电压极差、SOC极差、电压不一致性、SOC不一致性。首先分析极差的超限，判断应根据极差筛选被均衡单体还是基于不一致性筛选被均衡单体。而后根据选定的均衡目标计算均衡指标，并根据指标选取出需要被均衡的充电均衡单体与放电均衡单体。图SEQ图\*ARABIC21被均衡单体筛选设计均衡电流控制策略在获取了被均衡单体的编号后，计算均衡电流并实现电流控制是接下来的重要过程。考虑到在实际使用过程中可能存在的多种不一致性，包括电压极差超限、SOC极差超限、电压不一致性超限、SOC不一致性超限等多种可能，因此选取多阶段的均衡控制策略。首先对电池组的不一致性进行分析，若电压不一致性或SOC不一致性超限，则开启第一阶段均衡，每个超限指标增加1A的均衡电流，则第一阶段均衡电流最大为2A。在第一阶段均衡开启后，分析与第一阶段指标对应的电压极差/SOC极差是否超限，每个超限的指标增加1.5A的均衡电流，则在第二阶段中最大均衡电流为5A。这种多阶段的均衡电流控制方法有利于电池组均衡过程的安全性控制，使用较低的均衡电流可降低均衡从板的生热，从而提高从板使用寿命及使用安全性，而对于较大的不一致性亟需大电流均衡时则可以及时切换至大均衡电流提高均衡效率。图SEQ图\*