本發(fā)明涉及電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種動力鋰電池均衡方法及裝置。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，能源危機和環(huán)境污染成為人們必須面對的社會難題。尤其是石油危機制約常規(guī)動力汽車的進一步發(fā)展，電動汽車具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點，成為未來汽車發(fā)展的必然趨勢。眾所周知，動力鋰電池單體陣列作為電動汽車關(guān)鍵的零部件之一，提高其安全可靠性顯得十分重要。由于組成鋰電池單體組的鋰電池單體電池內(nèi)部特性無法做到完全一致，多次使用電池組后，鋰電池單體電池的差異性就會體現(xiàn)出來，如部分電池鋰電池單體之間的電壓出現(xiàn)差異,電池出現(xiàn)過充過放等現(xiàn)象，使電池的存儲容量下降，鋰電池單體化學成分遭到破壞，影響鋰電池單體組的使用壽命，嚴重則可能引起電池燃燒或爆炸等事故。

為了提高電池組的安全性，應(yīng)對電池組建立能量管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)對鋰電池單體組中各鋰電池單體進行均衡管理和控制。傳統(tǒng)動力鋰電池單體組能量管理系統(tǒng)的均衡策略往往由于鋰電池單體數(shù)量多和鋰電池單體間能量傳遞的局限性，出現(xiàn)均衡速度慢和效率低等問題，導致動力鋰電池單體組均衡效果遠未達到理想目標。綜上所述，在人們對電力系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性要求越來高的今天，迫切需要一種均衡速度快、能量傳遞效率高和安全性高的動力鋰電池單體組能量管理系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有電池的均衡控制存在均衡速度慢和效率低的的問題，提供一種動力鋰電池均衡方法及裝置，其具有均衡速度快、能量傳遞效率高和安全性高的特點。

為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種動力鋰電池均衡方法，包括如下步驟：

步驟1，同步數(shù)據(jù)采集模塊以周期T對動力鋰電池單體陣列中各鋰電池單體輸出電壓和輸出電流進行A/D采樣，得到各鋰電池單體輸出電壓序列和輸出電流序列，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU模塊；

步驟2，MCU模塊基于相同的動力學模型，對每個鋰電池單體的充電電路建模，并得到每個鋰電池單體的充電電路模型；

步驟3，MCU模塊將每個鋰電池單體作為一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)點，把由N個具有相同動力學模型的充電電路模型構(gòu)成的動力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行線性耦合網(wǎng)絡(luò)建模，并得到動力鋰電池單體陣列的網(wǎng)絡(luò)模型；其中N是動力鋰電池單體陣列包含的鋰電池單體的個數(shù)；

步驟4，MCU模塊以一個隨機的重連概率p對網(wǎng)絡(luò)連接矩陣進行隨機重連，構(gòu)建一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，生成鋰電池單體陣列的隨機耦合矩陣；

步驟5，MCU模塊把每個鋰電池單體及其對應(yīng)充電電路當作一個結(jié)點，生成鋰電池單體陣列的隨機耦合網(wǎng)絡(luò)，通過步驟4所得的隨機耦合矩陣來決定2個結(jié)點間是否存在耦合關(guān)系；

步驟6、MCU模塊按照耦合關(guān)系，將狀態(tài)變量送到PWM控制模塊，以控制對應(yīng)電池結(jié)點的功率流動，使能量從該對鋰電池單體中能量較高的鋰電池單體轉(zhuǎn)移到能量較低的鋰電池單體，直至2個鋰電池單體狀態(tài)同步。

步驟2中，每個鋰電池單體的充電電路模型的表達式為：

式中，分別是鋰電池的充電電路輸出電壓和輸出電流的微分形式，u₁、u₂分別是鋰電池的充電電路輸出電壓和輸出電流，L是濾波電感量，C是濾波電容量，R是充電電路輸出端的負載，D是PWM信號占空比，E是輸入電壓。

步驟3中，動力鋰電池單體陣列的網(wǎng)絡(luò)模型的表達式為：

式中，分別是分別是鋰電池的充電電路輸出電壓和輸出電流的微分形式，u₁、u₂分別是鋰電池的充電電路輸出電壓和輸出電流，L是濾波電感量，C是濾波電容量，R是充電電路輸出端的負載，D是PWM信號占空比，E是輸入電壓，C_ij是網(wǎng)絡(luò)連接矩陣的分量，A是各個結(jié)狀態(tài)變量間的內(nèi)部耦合矩陣，u_j為第j個結(jié)點的狀態(tài)向量，d是網(wǎng)絡(luò)的耦合強度，N是動力鋰電池單體陣列中鋰電池單體的個數(shù)。

步驟4中，隨機耦合矩陣C_sc的生成方法為：

首先，根據(jù)動力鋰電池單體陣列的鋰電池單體數(shù)量N，構(gòu)建一個度為3，結(jié)點數(shù)為N的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，此時該環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的連接矩陣為C_nc；

接著，在連接矩陣C_nc中，若某個矩陣分量c_ij＝1，則以重連概率p將矩陣分量c_ij和c_ji修改為0，隨機選擇值為0的矩陣分量c_ij′和c_j′i，并將矩陣分量c_ij′和c_j′i修改為1；

最后，利用重新計算對角元素，最終生成鋰電池單體陣列的隨機耦合矩陣C_sc；

上述c_ii、c_ij和c_ji均是連接矩陣C_nc的矩陣分量，其中i、j、j′＝1,2…N，且j′≠i。

當連接矩陣C_sc內(nèi)的矩陣分量c_ij＝1，則說明電池結(jié)點i和電池結(jié)點j有耦合；否則說明電池結(jié)點i和電池結(jié)點j無耦合。

一種動力鋰電池均衡裝置，包括動力鋰電池單體陣列、功率交叉連接雙向開關(guān)DC/DC矩陣和MCU模塊；動力鋰電池單體陣列包括m×n個鋰電池單體；功率交叉連接雙向開關(guān)DC/DC矩陣包括由m×n開關(guān)矩陣、同步數(shù)據(jù)采集模塊和PWM控制模塊組成；動力鋰電池單體陣列的各個鋰電池單體的正負極均與m×n開關(guān)矩陣雙向連接；m×n開關(guān)矩陣的控制輸出端連接同步數(shù)據(jù)采集模塊的控制輸入端，m×n開關(guān)矩陣的控制輸入端連接PWM控制模塊的控制輸出端；同步數(shù)據(jù)采集模塊的控制輸出端和PWM控制模塊的控制輸入端均與MCU模塊相連接；上述m和n均為大于等于1的正整數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點：

1、采用隨機耦合網(wǎng)絡(luò)同步方法，提高系統(tǒng)同步速度，能使含鋰電池單體數(shù)量較多的動力鋰電池單體陣列快速達到均衡狀態(tài)。

2、采用功率交叉連接雙向開關(guān)DC/DC矩陣的均衡手段，解決能量逐層傳遞方法的局限性，鋰電池單體均衡效率得到進一步提高，使本發(fā)明在動力鋰電池單體均衡方法中更具優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為一種動力鋰電池均衡裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖2為圖1中功率交叉連接雙向開關(guān)DC/DC矩陣的結(jié)構(gòu)圖。

圖3為一種動力鋰電池均衡方法的流程圖。

圖4為的隨機網(wǎng)絡(luò)示意圖。

具體實施方式

參見圖1和2，一種動力鋰電池均衡裝置，包括動力鋰電池單體陣列、功率交叉連接雙向開關(guān)DC/DC矩陣和MCU模塊。上述功率交叉連接雙向開關(guān)DC/DC矩陣包括由m×n開關(guān)矩陣、同步數(shù)據(jù)采集模塊和PWM控制模塊等組成。動力鋰電池單體陣列包括中含有m×n(m≥1,n≥1)個鋰電池單體，各個鋰電池單體的正負極均與m×n開關(guān)矩陣雙向連接。m×n開關(guān)矩陣的控制輸出端連接同步數(shù)據(jù)采集模塊的控制輸入端，m×n開關(guān)矩陣的控制輸入端連接PWM控制模塊的控制輸出端。同步數(shù)據(jù)采集模塊的控制輸出端和PWM控制模塊的控制輸入端均與MCU模塊相連接。

上述裝置所實現(xiàn)的一種動力鋰電池均衡方法，如圖3所示，包括如下步驟：

步驟1，功率交叉連接雙向開關(guān)DC/DC矩陣中的同步數(shù)據(jù)采集模塊對動力鋰電池單體陣列中各鋰電池單體輸出電壓、輸出電流進行周期為T的A/D采樣，得到各鋰電池單體輸出電壓序列和輸出電流序列，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU模塊。

步驟2，對每個鋰電池單體的充電電路建模，得到其動力系統(tǒng)模型如下：

上式中，u₁、u₂分別是鋰電池單體的充電電路輸出電壓和輸出電流，令將上(1)式模型簡寫得單個鋰電池單體充電電路模型表達式：

步驟3，將每個鋰電池單體作為一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)點，每個結(jié)點模型表達式由步驟2得到，把由N(N＝m×n)個具有相同動力學模型的充電電路模型構(gòu)成的動力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行線性耦合網(wǎng)絡(luò)建模，得到鋰電池單體陣列的網(wǎng)絡(luò)模型:

其中，u_j為第j個結(jié)點的狀態(tài)向量，d是網(wǎng)絡(luò)的耦合強度，取值范圍為0.1≤d≤10。A是各個結(jié)狀態(tài)變量間的內(nèi)部耦合矩陣，為對角陣。C＝[C_ij]∈R^N×N為網(wǎng)絡(luò)連接矩陣，且滿足耗散耦合條件也就是說網(wǎng)絡(luò)連接矩陣C設(shè)計為滿足以下條件：

因此當所有結(jié)點狀態(tài)相同時，(2)中右端的耦合項消失。在網(wǎng)絡(luò)(2)中，如果當t→∞時，有：

U₁(t)→U₂(t)→...→U_N(t)

則稱網(wǎng)絡(luò)達到完全(漸進)同步。并且當達到同步后所有結(jié)點相同的狀態(tài)，稱為其同步狀態(tài)，也就是說同步之后，鋰電池單體陣列即為平衡狀態(tài)。

步驟4，以一個隨機重連概率p＝1，對網(wǎng)絡(luò)連接矩陣進行隨機重連，生成隨機耦合網(wǎng)絡(luò)，生成方法如下：

根據(jù)動力鋰電池單體陣列的鋰電池單體數(shù)量N(N＝m×n)，構(gòu)建一個度為3，結(jié)點數(shù)為N的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示，此時該網(wǎng)絡(luò)的連接矩陣為C_nc，接著，在C_nc中，若某個矩陣元素c_ij＝1，則以概率p將c_ij和c_ji修改為0，隨機選擇一個值為0的c_ij′和c_j′i，將c_ij′和c_j′i修改為1，其中j′＝1,2…N，且j′≠i。然后利用下式重新計算對角元素最終生成了鋰電池單體陣列的隨機耦合矩陣C_sc。

步驟5，生成了鋰電池單體陣列的隨機耦合網(wǎng)絡(luò)后，如前所述，每個鋰電池單體及其對應(yīng)充電電路被當作一個結(jié)點，兩個結(jié)點間的連耦合關(guān)系由連接矩陣C_sc來決定，即當隨機耦合矩陣C_sc內(nèi)的c_ij＝1，則說明電池結(jié)點i和電池結(jié)點j有耦合。

步驟6、MCU模塊按照耦合關(guān)系，當c_ij＝1，通過設(shè)置功率交叉連接雙向開關(guān)DC/DC矩陣，將第i和第j個電池結(jié)點進行連接，并將電池結(jié)點i的狀態(tài)變量u_i耦合到電池結(jié)點j，具體實施時，狀態(tài)變量u_i將被送到功率交叉連接雙向開關(guān)DC/DC矩陣中的PWM控制模塊，以控制電池結(jié)點i到電池結(jié)點j的功率流動，使能量從該對鋰電池單體中能量較高的鋰電池單體轉(zhuǎn)移到能量較低的鋰電池單體，直至兩鋰電池單體狀態(tài)基本同步。重復上述步驟，最終實現(xiàn)動力鋰電池單體陣列中各鋰電池單體狀態(tài)同步，達到平衡控制的目的。