基于基于SOC的锂离子电池组主动均衡系统设计的锂离子电池组主动均衡系统设计
对锂离子电池组的工作状态和工作性能进行研究,采用电子技术和计算机控制技术设计智能锂离子电池组均衡
控制系统。建立电池组动态模型,创新性地提出基于SOC估计值的主动均衡控制方法,该方法利用抗差无迹
Kalman滤波(UKF)得到的高精度SOC估计值作为决策基础。
0 引言
锂离子电池具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小的特点[1]。由于电池组呈模块化,在实际应用中涉
及到安全性能和电池循环寿命等问题,它将制约着锂离子电池组在新能源汽车中的应用。在工作过程中锂离子电池充放电转换
频繁、电流较大,对电池模型的动态特性的建模、电池荷电状态(State of Charge,SOC)的精度估算和单体电池的均衡管理,
直接关系到电动汽车的运行性能。因此,锂离子电池组均衡控制系统的研究与开发已经成为了电动汽车应用方面的焦点。目
前,国内外对于锂离子电池组均衡控制的研究主要分为电池组的电量管理系统研究、电池组的均衡管理系统研究和电池组的状
态管理系统研究三大部分。本文研究开发的重点为:(1)通过SOC精确估计来为电池组均衡控制提供数据基础;(2)通过均衡控
制解决电池组过充过放带来的寿命和性能等一系列问题。本文对锂离子电池组的工作状态、性能进行研究,设计开发基于单体
电池SOC值的均衡电路系统,提出基于UKF的高精度SOC估计方法和基于SOC估计值的主动均衡控制算法。
1 均衡控制模块框图
本文设计的均衡控制电路硬件结构采用了模块化的设计思想[5],依据各模块所实现的功能将整个硬件部分划分为5个模块,分
别是:电池参数检测模块、数据处理控制模块、均衡控制保护模块、充放电控制模块以及电子负载单元,硬件功能组成单元如
图1所示。
2 均衡控制电路设计与实现
2.1 控制电路
本文设计完成了均衡充放电控制电路的硬件电路,部分电路如图2所示。硬件系统模块各部分的功能如下:
(1)充电/放电模块:包括电子负载和锂离子电池组,用来获取充放电数据测量数据的载体功能。
(2)电池参数测试模块:通过BQ24610芯片得到参数VB(单体电池的电压)和温度信息,通过霍尔电流传感器得到参数IB(单
体电池的外部电流)。
(3)电压传感器:测量电子负载放电电压,提供给主控芯片作为判断电池组充放电状态的依据。
(4)数据处理控制模块:通过STC系列芯片作为均衡控制系统的CPU,完成单体电池和电池组电压、电流、温度信息的提取和
存储;通过PIC18F4658芯片,得到基于电路等效模型的单体电池SOC值的精确估计值VSOC。
(5)充放电控制保护模块:由继电器开关、电阻组成的均衡硬件电路,包括电池组过充和过放保护电路。
2.2 功能电路
图3所示为充放电均衡功能模块的硬件电路图,该电路包括继电器开关Si、DC/DC电压逆变器、均衡充放电网络。工作原理:
根据上级数据处理控制模块得到的控制信号控制最多10个单体锂离子电池是否在充放电硬件电路中。达到10个单体锂离子电
池均衡充放电的目的,提高电池组总功率,延长电池寿命。电阻R作为均衡放电电阻;开关Ki控制输入到DC/DC逆变器的总电
压,最后提供给负载作为总电源。
3 基于SOC的主动均衡控制方法
3.1 单体SOC估计方法
单体电池SOC值的精确估计直接影响到电池组充放电均衡效果,同时影响电动汽车的整车能量利用率。本文采用的单体电池
SOC估计算法逻辑框图如图4所示,以离线脉冲实验得到的内阻值为初始参数,以离线OCV-SOC关系数据表为电池SOC初始
值,根据实时电池电压、电流值,在线计算SOC值,并以此为基础在线辨识内阻值,建立内阻-SOC关系函数。
3.2 均衡控制流程
本文创新性地将单体电池SOC值作为电池组充放电均衡控制的基础参数,达到提高控制准确度的目的。具体控制方案和步骤
如下:
(1)结合Ah法计算剩余容量,定义锂离子电池单体SOC计算表达式如下:
①结合锂离子电池二阶电路等效模型,建立数学模型方程为: