[发明专利]一种基于傅里叶变换的电池均衡时间预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于傅里叶变换的电池均衡时间预测方法。

背景技术

锂离子电池因其高能量密度、低放电率和没有记忆效应广泛应用在电动汽车和混合电动汽车中。然而，电池单体具有有限的电压和容量，必须由上百节电池单体串、并联成组使用以满足电动汽车的高功率和高能量要求。例如，一辆BMW电动汽车的动力电池由8088节电池单体组成。然而，串联锂电池组带来了一个更加严峻的问题：即使串联电池组中电池单体的内阻或容量存在微小差异，也可能导致电池单体间电压或SOC(SOC为电池的荷电状态，SOC＝100％时，表示电池为满电状态，SOC＝0％时，表示电池为无电状态)的极度不均衡。此外，在数次充放电循环后，这种不均衡会越来越严重，极大地减小了电池组的可用容量和循环寿命。甚至，可能会引起安全事故，例如爆炸、起火等。因此，电池均衡是不可或缺的。显而易见，作为电池管理系统的关键技术之一，串联电池组的有效均衡已经成为一个研究热点。目前，均衡主要有耗散均衡、非耗散均衡和电池选择三大类。

耗散均衡(也称为电池旁路法均衡)通过给电池组中每个电池单体并联一个耗散器件进行放电分流，从而实现电池电压的均衡。耗散均衡进一步又被分为两类：被动均衡和主动均衡。耗散均衡结构和控制简单，成本低，但是存在能量浪费和热管理的问题。

非耗散均衡采用电容、电感等作为储能元件，利用常见的电源变换电路作为拓扑基础，采取分散或集中的结构，实现单向或双向的均衡方案。根据均衡能量流，非耗散均衡又能够分为以下四种：(1)cell to cell；(2)cell to pack；(3)pack to cell；(4)cell to pack to cell。对于cell to pack或pack to cell的均衡方法，当对电池单体进行放电均衡时，电池组同时会对该电池单体进行充电；当对电池单体进行充电均衡时，电池组同时会对该电池单体进行放电。因此，这种均衡方法对目标电池单体进行均衡时，充电和放电并存导致均衡效率低下。而对于cell to cell的均衡方法，能量能够直接从电压最高的电池单体转移到电压最低的电池单体，具有较高的均衡效率，并且适宜于高电压应用。非耗散均衡存在电路结构复杂、体积大、成本高、均衡时间长、高开关损耗等问题。

电池选择均衡是指通过实验选择性能一致的电池单体构建电池组，一般有两步筛选过程。第一步，在不同的放电电流下，选择电池平均容量相近的电池单体构建电池组；第二步，在第一步筛选的电池单体中，通过脉冲充、放电实验在不同SOC下选择具有相近电池电压变化量的电池单体。由于电池单体的自放电率不尽相同，电池选择均衡在电池整个生命周期内不足以保持电池一直均衡。它只能作为其他均衡方法的一种补充均衡方法。

传统均衡方法不适合锂离子电池的主要原因如下：

1)锂离子电池的开路电压在SOC为30％～70％之间时较为平坦，即使SOC相差很大，其对应的电压差也很小，此外由于电力电子器件存在导通压降，使得均衡电流很小，甚至可能导致电力电子器件不能正常导通；

2)由于电力电子器件存在导通压降，电池单体间很难实现零电压差均衡。

中国发明专利申请(申请号201310278475.2)提出了一种动力电池零电流开关主动均衡电路及实现方法，其能够实时判断电池组中电压最高和最低的电池单体，并对其进行零电流开关均衡，并且每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体进行削峰填谷，极大提高了均衡效率，有效减少了电池单体之间的不一致性。但是，由于所使用的电力电子器件存在导通压降，使得电池单体间很难达到零电压差，并且均衡电流很小，均衡时间较长。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于傅里叶变换的电池均衡时间预测方法，该方法针对申请号201320660950.8公开的基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路，为提高电路的均衡速度和效率，减少能量浪费提供了理论支撑。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于傅里叶变换的电池均衡时间预测方法，包括以下步骤：

S1.将均衡电路的升压变换输出电压调制成一个较高的恒压，在很短的时间内被均衡的电压最低的电池单体的电压可看作为一个恒值，因此可将均衡电路等效为具有交流方波输入的LC串联谐振电路；

S2.建立串联谐振等效电路的等效交流方波输入的傅里叶变换模型和交流阻抗模型，得到均衡电流的表达式，并推导出在一个开关周期内从电压最高的电池单体转移到电压最低的电池单体的电量，进而得到单位时间内转移的电量；