一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法，適用于基于升壓變換和軟開關的動力電池組均衡電路。在很短的時間內將均衡電路等效為具有交流方波輸入的LC串聯諧振等效電路，建立串聯諧振等效電路的交流方波輸入的傅里葉變換模型，并基于傅里葉變換得到均衡電流的表達式，進而得到單位時間內從電壓最高的電池單體轉移到電壓最低的電池單體的電量，最終獲得均衡時間的具體表達式，得出均衡時間t正比于R和Cq，反比于Uboost和λ，與L、C無關的結論。本方法能夠準確預測電池的均衡時間，并確定了影響電池均衡速度的關鍵因素，為提高均衡電路的均衡速度和效率，減少能量浪費提供了強有力的理論支撐。
【專利說明】一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法。
【背景技術】
[0002]鋰離子電池因其高能量密度、低放電率和沒有記憶效應廣泛應用在電動汽車和混合電動汽車中。然而，電池單體具有有限的電壓和容量，必須由上百節電池單體串、并聯成組使用以滿足電動汽車的高功率和高能量要求。例如，一輛BMW電動汽車的動力電池由8088節電池單體組成。然而，串聯鋰電池組帶來了一個更加嚴峻的問題:即使串聯電池組中電池單體的內阻或容量存在微小差異，也可能導致電池單體間電壓或SOC (S0C為電池的荷電狀態，SOC= 100%時,表示電池為滿電狀態,SOC = 0%時,表示電池為無電狀態)的極度不均衡。此外，在數次充放電循環后，這種不均衡會越來越嚴重，極大地減小了電池組的可用容量和循環壽命。甚至，可能會引起安全事故，例如爆炸、起火等。因此，電池均衡是不可或缺的。顯而易見，作為電池管理系統的關鍵技術之一，串聯電池組的有效均衡已經成為一個研究熱點。目前，均衡主要有耗散均衡、非耗散均衡和電池選擇三大類。
[0003]耗散均衡(也稱為電池旁路法均衡)通過給電池組中每個電池單體并聯一個耗散器件進行放電分流，從而實現電池電壓的均衡。耗散均衡進一步又被分為兩類:被動均衡和主動均衡。耗散均衡結構和控制簡單，成本低，但是存在能量浪費和熱管理的問題。
[0004]非耗散均衡采用電容、電感等作為儲能元件，利用常見的電源變換電路作為拓撲基礎，采取分散或集中的結構，實現單向或雙向的均衡方案。根據均衡能量流，非耗散均衡又能夠分為以下四種:(I) cell to cell ； (2) cell to pack ； (3) pack to cell ； (4) cell topack to cell。對于cell to pack或pack to cell的均衡方法，當對電池單體進行放電均衡時，電池組同時會對該電池單體進行充電；當對電池單體進行充電均衡時，電池組同時會對該電池單體進行放電。因此，這種均衡方法對目標電池單體進行均衡時，充電和放電并存導致均衡效率低下。而對于cell to cell的均衡方法，能量能夠直接從電壓最高的電池單體轉移到電壓最低的電池單體，具有較高的均衡效率，并且適宜于高電壓應用。非耗散均衡存在電路結構復雜、體積大、成本聞、均衡時間長、聞開關損耗等問題。
[0005]電池選擇均衡是指通過實驗選擇性能一致的電池單體構建電池組，一般有兩步篩選過程。第一步，在不同的放電電流下，選擇電池平均容量相近的電池單體構建電池組；第二步，在第一步篩選的電池單體中，通過脈沖充、放電實驗在不同SOC下選擇具有相近電池電壓變化量的電池單體。由于電池單體的自放電率不盡相同，電池選擇均衡在電池整個生命周期內不足以保持電池一直均衡。它只能作為其他均衡方法的一種補充均衡方法。
[0006]傳統均衡方法不適合鋰離子電池的主要原因如下:
[0007]I)鋰離子電池的開路電壓在SOC為30%?70%之間時較為平坦，即使SOC相差很大，其對應的電壓差也很小，此外由于電力電子器件存在導通壓降，使得均衡電流很小，甚至可能導致電力電子器件不能正常導通；
[0008]2)由于電力電子器件存在導通壓降，電池單體間很難實現零電壓差均衡。[0009]中國發明專利申請(申請號201310278475.2)提出了一種動力電池零電流開關主動均衡電路及實現方法，其能夠實時判斷電池組中電壓最高和最低的電池單體，并對其進行零電流開關均衡，并且每次均衡都是針對電池組中電壓差最大的兩個電池單體進行削峰填谷，極大提高了均衡效率，有效減少了電池單體之間的不一致性。但是，由于所使用的電力電子器件存在導通壓降，使得電池單體間很難達到零電壓差，并且均衡電流很小，均衡時間較長。
【發明內容】
[0010]本發明為了解決上述問題，提出了一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法，該方法針對申請號201320660950.8公開的基于升壓變換和軟開關的動力電池組均衡電路，為提高電路的均衡速度和效率，減少能量浪費提供了理論支撐。
[0011]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0012]一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法，包括以下步驟: [0013]S1.將均衡電路的升壓變換輸出電壓調制成一個較高的恒壓，在很短的時間內被均衡的電壓最低的電池單體的電壓可看作為一個恒值，因此可將均衡電路等效為具有交流方波輸入的LC串聯諧振電路；
[0014]S2.建立串聯諧振等效電路的等效交流方波輸入的傅里葉變換模型和交流阻抗模型，得到均衡電流的表達式，并推導出在一個開關周期內從電壓最高的電池單體轉移到電壓最低的電池單體的電量，進而得到單位時間內轉移的電量；
[0015]S3.建立均衡過程中電池電壓與SOC的分段線性模型，并對均衡過程進行分析獲取電池單體最低電壓在單位時間內的變化量與交流方波幅值的變化量之間的關系；
[0016]S4.推導出均衡時間的最終表達式，得到影響均衡速度的因子。
[0017]所述步驟I中LC串聯諧振等效電路的具體結構，包括等效交流方波輸入f(t)，等效交流方波輸入的正極依次連接電感、電容、電阻后接回等效交流方波輸入的負極，其中，電感、電容、電阻的容量值分別為L、C、R0
[0018]所述步驟2中，等效交流方波輸入f (t)的模型為:
[0019]
【權利要求】
1.一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法，其特征是:包括以下步驟: 51.將均衡電路的升壓變換輸出電壓調制成一個較高的恒壓，在很短的時間內被均衡的電壓最低的電池單體的電壓可看作為一個恒值，因此可將均衡電路等效為具有交流方波輸入的LC串聯諧振電路； 52.建立串聯諧振等效電路的等效交流方波輸入的傅里葉變換模型和交流阻抗模型，得到均衡電流的表達式，并推導出在一個開關周期內從電壓最高的電池單體轉移到電壓最低的電池單體的電量，進而得到單位時間內轉移的電量； 53.建立均衡過程中電池電壓與SOC的分段線性模型，并對均衡過程進行分析獲取電池單體最低電壓在單位時間內的變化量與交流方波幅值的變化量之間的關系； 54.推導出均衡時間的最終表達式，得到影響均衡速度的因子。
2.如權利要求1所述的一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法，其特征是:所述步驟I中LC串聯諧振等效電路的具體結構，包括等效交流方波輸入f(t)，等效交流方波輸入的正極依次連接電感、電容、電阻后接回等效交流方波輸入的負極，其中，電感、電容、電阻的容量值分別為L、C、R0
3.如權利要求1所述的一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法，其特征是:所述步驟2中，等效交流方波輸入f(t)的模型為:
4.如權利要求1所述的一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法，其特征是:所述步驟2中，等效交流方波輸入f(t)的傅里葉變換表述為:.,(O = “O +Ix cos(^^)+^/>? sin(_^) ( 2)
5.如權利要求1所述的一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法，其特征是:所述步驟2中，串聯諧振電路的輸入交流阻抗表述為:
Z = R+j( coL-l/coC) (9)。
6.如權利要求4所述的一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法，其特征是:所述步驟2中，第m次諧波的電流幅值Im表述為:
7.如權利要求6所述的一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法，其特征是:所述步驟2中，對比I1^P ImOn古I)，假如Q足夠大，隨著諧波次數m的增加，諧振電流i中的諧波分量遠低于基波分量，因此，將LC諧振電路的諧振電流i視為正弦波，得到表達式:
8.如權利要求1所述的一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法，其特征是:所述步驟3中，均衡過程中電池電壓U與SOC的分段線性關系表述為:
9.如權利要求1所述的一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法，其特征是:所述步驟3的具體方法為:電池電壓在單位時間At內的變化量AU與交流方波幅值的變化量ΔΑ(?)的關系可表述為:
10.如權利要求1所述的一種基于傅里葉變換的電池均衡時間預測方法，其特征是:所述步驟4的具體方法為:求解(16)式，A(t)與均衡時間t的關系表述為:
【文檔編號】H02J7/00GK103944235SQ201410177585
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2014年4月29日
【發明者】張承慧, 商云龍, 崔納新 申請人:山東大學