本發(fā)明涉及電池組，具體地說，涉及一種鋰離子電池組的均衡方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著全球在生態(tài)和能源方面面臨的挑戰(zhàn)不斷增加，能源領(lǐng)域正在經(jīng)歷一場深刻的變革，從傳統(tǒng)化石燃料向更清潔、更高效的新能源轉(zhuǎn)型。鋰電池因其能量密度高、可靠性高、自放電率低、循環(huán)壽命長和環(huán)境友好等優(yōu)點，在電動汽車和新能源發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為了滿足電動汽車等高電壓和大容量應(yīng)用的需求，需要將數(shù)百個單體電池進(jìn)行串并聯(lián)連接。然而，由于制造過程中的原材料混合不均勻等因素，電池組內(nèi)部的單體電池之間不可避免地存在一定的差異。此外，快速充放電、靜置時段和不同的工作溫度等因素會引入差異，并隨著使用時間的增加而積累，加劇了電池組的不一致性。這種所謂的“木桶效應(yīng)”不僅降低了電池組的能量利用效率，還加劇了與性能退化和安全相關(guān)的問題。

2、為了提高電池組一致性、增加容量并延長電池組循環(huán)壽命，電池均衡技術(shù)的應(yīng)用變得至關(guān)重要。作為電池管理系統(tǒng)(bms)中的一個重要組成部分，電池均衡技術(shù)在確保電池組安全高效運行方面具有重要意義，提高了電動汽車的行駛里程并優(yōu)化了整體成本效益。

3、根據(jù)能量傳輸方法的不同，均衡系統(tǒng)可以分為被動均衡和主動均衡。被動均衡通過并聯(lián)旁路電阻將高能量電池的多余能量以熱的形式耗散，這種結(jié)構(gòu)簡單，適合工業(yè)生產(chǎn)，成本效益高，并且易于控制和實施。然而，被動均衡存在均衡電流低、能量利用率不佳以及僅適用于充電條件等局限性，因此在滿足電動汽車(ev)等高能量存儲和功率需求的應(yīng)用中面臨挑戰(zhàn)。相比之下，主動均衡通過能量傳輸元件將富余電荷電池的能量轉(zhuǎn)移到匱乏能量的電池中，實現(xiàn)電池之間的能量平衡。無論是被動均衡還是主動均衡系統(tǒng)，其主要目標(biāo)都是盡可能保持各個電池的荷電狀態(tài)(soc)的一致性，從而使電池組能夠最大限度地存儲和釋放能量。近年來，由于主動均衡具有較快的均衡速度、較低的能耗以及在各種工作條件下都能均衡電池組的能力，因此它受到了廣泛的研究關(guān)注。

4、主動均衡技術(shù)的研究主要涉及兩個關(guān)鍵方面：均衡拓?fù)涞难芯亢涂刂撇呗缘难芯?。對于均衡拓?fù)?，為了實現(xiàn)最佳均衡系統(tǒng)，必須考慮諸如組件數(shù)量、硬件成本、均衡速度、能量利用率和控制復(fù)雜性等因素。然而，現(xiàn)有的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法存在一定的局限性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的內(nèi)容是提供一種鋰離子電池組的均衡方法及系統(tǒng)，其能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的某種或某些缺陷。

2、根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池組的均衡方法，其包括以下步驟：

3、一、對均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)；

4、二、建立均衡系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；

5、三、制定均衡控制策略和均衡控制目標(biāo)；

6、四、設(shè)計多目標(biāo)滑模均衡控制器，調(diào)節(jié)均衡系統(tǒng)。

7、作為優(yōu)選，步驟一中，改進(jìn)的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括n個串聯(lián)單體電池、n/3個開關(guān)矩陣、n個mosfet和n/3個反激變壓器，每三個連續(xù)的電池形成一個小組，通過開關(guān)矩陣連接到反激變壓器的原邊繞組，反激變壓器的副邊繞組通過mosfet與六個連續(xù)的電池相連。

8、作為優(yōu)選，步驟二中，建立均衡系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法為：

9、

10、其中，表示t時刻soc的變化向量，u(t)表示均衡電流向量；

11、通過對上述公式進(jìn)行變換，得到每個單體電池的均衡變量與均衡電流之間的關(guān)系：

12、

13、其中，x(t)是t時刻soc向量，qx是一個n×n的對角矩陣，定義為電池組的總?cè)萘?，其中c1…cn分別表示電池bat1～batn的實際最大容量，τ是時間變量；

14、

15、t代表能量轉(zhuǎn)移矩陣，其中k1＝1/6，k2＝(1/6)-1，k3＝(1/3)-1，k4＝1/3；

16、

17、開關(guān)矩陣s在調(diào)節(jié)每個單體電池與反激變壓器之間的連接性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，如果第i個單體電池與反激變壓器相連，則開關(guān)矩陣中相應(yīng)的元素si被設(shè)為1；相反，當(dāng)二者不相連時，該元素被設(shè)為0；

18、s＝diag(s1,s2,s3…sn)∈rn×n

19、ue(t)代表整個電池組在均衡階段充電或放電過程中的電流大小，在充電周期中，ue(t)取正值；在放電周期中，ue(t)取負(fù)值；在靜置期間，ue(t)始終設(shè)為零。

20、作為優(yōu)選，步驟三中，均衡控制策略為：

21、(1)預(yù)先定義電池模組中soc均方誤差mse的閾值δ2th；當(dāng)mse超過設(shè)定的閾值δ2th時，系統(tǒng)啟動均衡；

22、(2)將三個連續(xù)的電池視為一個電池小組，針對每個電池小組，確定最大soc單體電池socmax(i)和最小soc單體電池socmin(i)；

23、(3)在啟動均衡后，具體的均衡策略如下：

24、a、電池小組組別為i≤n-1，狀態(tài)為：

25、socavg(i)＜socavg(i+1)且socavg-socmin(i)＞0

26、能量傳遞方向為：對第i電池小組最小soc單體電池進(jìn)行充電均衡；

27、b、電池小組組別為i≤n-1，狀態(tài)為：

28、socavg(i)＜socavg(i+1)且socavg-socmin(i)≤0

29、能量傳遞方向為：第i電池小組不啟動均衡；

30、c、電池小組組別為i≤n-1，狀態(tài)為：

31、socavg(i)＞socavg(i+1)且socmax(i)-socavg＞0

32、能量傳遞方向為：對第i電池小組最大soc單體電池進(jìn)行放電均衡；

33、d、電池小組組別為i≤n-1，狀態(tài)為：

34、socavg(i)＞socavg(i+1)且socmax(i)-socavg≤0

35、能量傳遞方向為：第i電池小組不啟動均衡；

36、e、電池小組組別為i＝n，狀態(tài)為：

37、socmax(i)-socavg＞0且socmax(i)-socavg(i)＞socavg(i)-socmin(i)

38、能量傳遞方向為：對第i電池小組最大soc單體電池進(jìn)行放電均衡；

39、f、電池小組組別為i＝n，狀態(tài)為：

40、socavg-socmin(i)＞0且socavg(i)-socmin(i)＞socmax(i)-socavg(i)

41、能量傳遞方向為：對第i電池小組最小soc單體電池進(jìn)行充電均衡；

42、g、電池小組組別為i＝n，狀態(tài)為：else，能量傳遞方向為：第i電池小組不啟動均衡；

43、(4)對各個電池的soh進(jìn)行估計，得出各個電池的老化程度sohi，當(dāng)電池組平均sohavg-sohi>0.5％，均衡系統(tǒng)將不對第i個電池進(jìn)行均衡，避免加劇i號電池老化程度；當(dāng)電池組平均sohavg-sohi≤0.5％，均衡系統(tǒng)執(zhí)行步驟(3)的策略；

44、其中，綜合指標(biāo)soc設(shè)為均衡變量，每個電池組的平均soc的計算如下：

45、

46、其中，socj表示第j個單體電池的soc值；

47、整個電池模組的平均soc表示為：

48、

49、n表示電池模組單體電池數(shù)量。

50、作為優(yōu)選，步驟三中，均衡控制目標(biāo)為：

51、制定第一個目標(biāo)函數(shù)，以加快均衡的速度，如下所示：

52、f1＝umax-u(t),umin＜u(t)＜umax

53、其中，選取最大均衡電流umax＝10，最小均衡電流umin＝8；

54、制定第二個目標(biāo)函數(shù)來衡量均衡一致性的程度，并將其歸一化，如下所示：

55、f2＝[lx(t)]

56、

57、制定第三個目標(biāo)函數(shù)用來權(quán)衡均衡系統(tǒng)的能量損失，如下所示：

58、

59、其中，u是流過電感的電流，lk是電感的電感量，ts是采樣時間，rloss是損耗電阻，表示電路中因損耗而等效的阻值；ui_pmax和ui_rms分別表示連接到變壓器原邊繞組的第i個單體電池的峰值電流和有效均衡電流；ui_smax表示變壓器副邊繞組的峰值電流；vcell(max)表示富能單體電池的終端電壓；lp和ls分別表示變壓器原邊和副邊的電感；vcell(i)表示第i個電池的電壓。

60、作為優(yōu)選，步驟三中，滑?？刂破魅缦拢?/p>

61、

62、ε1、ε2、ε3、k1、k2、k3是控制器的調(diào)節(jié)參數(shù)，si表示滑模面，sat()表示飽和函數(shù)，在k時刻，u1(k)，u2(k)，u3(k)代表系統(tǒng)的滑模控制器，分別對應(yīng)于均衡速度、電池組一致性和均衡過程中的能量消耗；通過給u1(k)，u2(k)，u3(k)賦予不同的權(quán)重系數(shù)比α1，α2，α3，構(gòu)建一個多目標(biāo)滑?？刂破鳎?/p>

63、u(k)＝α1u1(k)+α2u2(k)+α3u3(k)

64、s.t.

65、0≤α1≤1

66、0≤α2≤1

67、0≤α3≤1

68、α1+α2+α3＝1。

69、本發(fā)明提供了一種鋰離子電池組的均衡系統(tǒng)，其采用上述的鋰離子電池組的均衡方法。

70、為應(yīng)解決前鋰離子電池組主動均衡系統(tǒng)面臨的擴(kuò)展性受限、成本高及復(fù)雜不均衡條件下均衡效果不佳等問題，本發(fā)明提出了一種基于反激變壓器和開關(guān)矩陣的新型均衡結(jié)構(gòu)。該設(shè)計有效減少了組件數(shù)量，并實現(xiàn)了對長串聯(lián)電池組的均衡。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮均衡速度、電池一致性及均衡過程中的能量損失，設(shè)計了一種多目標(biāo)滑模均衡控制器。該控制器能針對電池組的不平衡狀態(tài)動態(tài)調(diào)整均衡電流，從而全面優(yōu)化系統(tǒng)性能?；？刂破鞯倪m應(yīng)性允許對不同目標(biāo)函數(shù)分配不同的權(quán)重系數(shù)，進(jìn)一步提升電池組均衡效率。