技术领域
[0001] 本
发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种用锂电池或锂
电池组模拟铅酸电池电气特性的方法以及一种线性电源。
背景技术
[0002] 目前
能源已出现枯竭危机，全球范围内要求减少污染、节省资源，走可持续发展道路的呼声日益高涨。面对这样的形势，
汽车业把开发电动汽车作为今后汽车工业的发展方向，即新能源新动
力在汽车上的应用。尽管目前应用在汽车上的还是一些传统能源，但是新能源也在逐渐渗透到国内各家汽车企业，如
燃料电池、
天然气、氢燃料等等。作为电动汽车的发展相关技术之一即应用在汽车上的电池。主要是锂电池、铅酸电池、
镍镉电池、镍氢电池等。但是由于这些电池中都带有一定的发展局限性，因而都不能得到很好的发展。
[0003] 我国是全球最大的铅酸
蓄电池生产国、消费国和出口大国。我国
铅酸蓄电池行业主要实行以销定产，从2005年至2016年，年均复合增长率达10.17％。这巨大的销量都得益于铅酸电池优势：价格较低、具有技术成熟、高低温性能优异、稳定可靠、安全性高等，其中最重要的优势铅酸电池具有
电压与输出电量呈线性关系。市场竞争优势明显。而在2014年，铅酸电池的产量为最高点，之后受到
锂离子电池的冲击，产量开始缓慢减少。这是由于铅酸电池因其在中低端市场大量使用引起污染环境的严重问题，同时使用铅酸电池过程中存在寿命短的缺点导致产生大量的含铅废物，此外，铅酸电池最大的问题在于自身
能量密度较低，常规60V 20Ah铅酸电池重量往往高达35Kg以上，这不仅增大了车辆的自重，同时电池的重量也会影响到车辆的续航和操控性等方面。
[0004] 锂离子电池对铅酸电池具有很强的竞争性。相较于铅酸电池，它的优势在于电池
能量密度高，自放电率低，体积小，重量轻，瞬间放电大等优点，这可以让它需要高续航能力的新能源汽车领域打开市场。此外，国家出台的相关政策也支持锂离子电池的发展。综合来说，因为高续航需求特性，锂电池在新能源汽车应用领域大放异彩，未来新能源汽车的发展以及国家政策的引导一定会促进锂电池行业的发展。
[0005] 但是，锂电池应用中也有一定的发展局限性。首先，由于锂电池电压与电量呈非线性关系，锂
电池管理系统较复杂，其电量
算法较复杂，难以在铅酸电池使用场景中应用。其次，由于单节锂电池电压较低(三元锂电池电压范围约为3.6V-4.25V)，容量较小，在实际使用过程中通过采用若干电芯
串联从而得到高电压大容量电池组的方法，但
单体锂电池组因内部性能、使用环境以及循环次数的差异会造成其工作特性的不一致性，在串联电池组使用过程中，由于流过电芯的
电流都完全相同，电芯的不一致性在使用过程中会不断被缩放。这种不一致性是不仅会降低电池组使用容量，严重时甚至会引发安全事故。
发明内容
[0006] 针对上述技术的不足，本发明提供了一种模拟铅酸电池电气特性的锂电池柔性集成方法，使集成后的电源具有铅酸电池的线性输出特性，兼具锂电池与铅酸电池的优点，线性输出，容量大且重量较轻，绿色环保。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种模拟铅酸电池电气特性的锂电池柔性集成方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1：根据容量需求选择单个或多个单体锂电池组成电池组；
[0009] 步骤2：获取电池组的开路电压Vocv与剩余电量SOC的非线性电气特性；
[0010] 步骤3：DC/DC变换器以电池组的
输出电压V′作为输入电压Vin，并通过非线性变换模型根据剩余电量SOC变化情况对输入电压Vin进行变比例缩放得到输出电压Vout，从而使得输出电压Vout与电池组的剩余电量SOC呈线性关系。
[0011] 进一步的，非线性变换模型按如下步骤对输入电压Vin进行变比例缩放：
[0012] 步骤301：根据电池组的开路电压Vocv与剩余电量SOC的非线性电气特性，确定出剩余电量SOC的分段区间：根据开路电压Vocv的变化特性，将具有相同或相似变化特性的开路电压Vocv区间所对应的剩余电量SOC区间划分为同一分段区间；
[0013] 步骤302：获取电池组的剩余电量SOC的初始值；获取增益系数M的初始值；
[0014] 步骤302：判断当前剩余电量SOC是否小于电量
阈值；若是，则表明电量不足，结束程序；若否，则进入步骤303；
[0015] 步骤303：根据当前剩余电量SOC所属分段区间判断是否需要更新增益系数M；若否，则进入步骤304；若是，则进入步骤308；
[0016] 步骤304；根据当前增益系数M对输入电压Vin进行缩放；
[0017] 步骤305：获取输出电压Vout并根据当前增益系数M计算输入电压Vin：Vin＝Vout/M；
[0018] 步骤306：根据函数关系VS＝H(Vin)，计算单体锂电池的输出电压VS；
[0019] 步骤307：根据函数关系Vocv＝f(VS)计算电池组的开路电压Vocv；
[0020] 步骤308：根据开路电压Vocv与剩余电量SOC的关系得到当前剩余电量SOC，并回到步骤302；
[0021] 步骤309：获取输出电压Vout并根据当前增益系数M计算输入电压Vin：Vin＝Vout/M；
[0022] 步骤3010：根据函数关系VS＝H(Vin)，计算单体锂电池的输出电压VS；
[0023] 步骤3011：根据函数关系Vocv＝f(VS)计算电池组的开路电压Vocv；
[0024] 步骤3012：根据开路电压Vocv与剩余电量SOC的关系得到当前剩余电量SOC；
[0025] 步骤3013：根据增益系数M与剩余电量SOC的函数关系更新当前增益系数M，并回到步骤304。
[0026] 进一步的，增益系数M与剩余电量SOC的函数关系：M＝f(SOC)＝k*eSOC，式中，k表示系数。
[0027] 进一步的，当先从增益系数M的初始值开始缩放，之后又更新增益系数M进行缩放时，为使输出电压Vout与电池组的剩余电量整体呈线性关系，则采用以下方式对系数k进行修正：
[0028] 首先，获取根据增益系数M的初始值进行缩放后的输出电压Vout与电池组的剩余电量的线性曲线的斜率L1；
[0029] 然后，获取根据更新后的增益系数M缩放一段时间后的输出电压Vout与电池组的剩余电量的线性曲线的斜率L0；
[0030] 最后，若L0≠L1，则修正系数k使L0＝L1，并根据修正后的系数k来更新增益系数M。
[0031] 进一步的，电池组由N个单体锂电池串联而成，电池组并联均衡
电路，使得各个单体锂电池的输出电压相等；电池组的非线性电气特性由单体锂电池的非线性电气特性
叠加得到：设电池组的非线性电气特性曲线上的坐标点表示为(SOC,Vocv)，则SOC＝(soc1+soc2+...+soci+socN)/N，VOCV＝f(VS)，SOC表示电池组的剩余电量，VS表示单体锂电池的输出电压，soci表示第i个单体锂电池对应VS时的剩余电量，i＝{1,2,...,N}。
[0032] 进一步的，电池组由N个单体锂电池并联而成；电池组的非线性电气特性由单体锂电池的非线性电气特性叠加得到：设电池组的非线性电气特性曲线上的坐标点表示为(SOC,Vocv)，则SOC＝(soc1+soc2+...+soci+socN)/N，VOCV＝f(VS)，SOC表示电池组的剩余电量，VS表示单体锂电池的输出电压，soci表示第i个单体锂电池对应VS时的剩余电量，i＝{1,2,...,N}。
[0033] 与
现有技术相比，本发明具有的优点包括：
[0034] 1、利用锂电池(组)与DC/DC变换器相连接组成新型电源，将电压进行缩放来达到所需目标电压。最终DC/DC变换器的输出电压与剩余电量呈线性关系，达到模拟铅酸电池的电气特性。不仅使得锂电池(组)可应用在铅酸电池使用场所中，而且利用锂电池来模拟铅酸电池有效的避免了铅酸电池带来的负面影响，如污染环境，功率密度小，寿命短等问题。
[0035] 2、利用DC/DC升压，避免了传统串联升压的缺点，例如电池的不一致性，引发安全事故等等。
[0036] 3、可通过所需容量来随意调节单体锂电池的数量，十分方便，只需对单体锂电池进行串并联操作。
[0037] 4、利用多个电芯的并联有效地解决了通常多个电芯串联连接所带来的能量均衡控制问题。对于串联形成的电池组，增加均衡电路即可避免不均一性。
[0038] 5、单体锂电池的非线性输出特性可由厂商提供也可以自行检测，根据单体锂电池的非线性输出特性与本发明的计算方法即可得到电池组的线性输出特性，方便快捷。
[0039] 7、增益系数可在变换器的最大增益范围内根据需要进行调整，适应性好。
[0040] 8、非线性输出转为线性输出，能够实现快速预测电池组剩余电量，直观可视，方便快捷等。另外，对系数k进行修正使得输出电压Vout与电池组的剩余电量整体呈线性关系，提高电量预测的准确性。
附图说明
[0041] 图1为非线性变换模型进行非线性变换的
流程图；
[0042] 图2为
实施例1的模拟铅酸电池电气特性的锂电池柔性集成原理图；
[0043] 图3为实施例2的模拟铅酸电池电气特性的锂电池柔性集成原理图；
[0044] 图4为实施例3的模拟铅酸电池电气特性的锂电池柔性集成原理图。
具体实施方式
[0045] 为便于本发明更易于理解，特进行以下说明：本发明通过非线性变换模型实现了线性输出，即输出电压Vout与电池组的剩余电量SOC呈线性关系，这是本发明的锂电池集成系统的固有输出特性，因此在输出电量一段时间后，即可获知输出电压Vout与电池组的剩余电量SOC的线性曲线的斜率，通过该斜率与实时监测获得的输出电压Vout便可快速预测出剩余电量SOC。在本发明的锂电池集成系统内部，则是通过开路电压Vocv与剩余电量SOC的关系得到当前剩余电量SOC，根据当前剩余电量SOC来更新增益系数M，从而形成线性输出的固有特性。换句话说就是，对外能够根据线性关系来预测剩余电量，是内部进行非线性变换的结果。
[0046] (一)集成方法说明
[0047] 一种模拟铅酸电池电气特性的锂电池柔性集成方法，包括以下步骤：
[0048] 步骤1：根据容量需求选择单个或多个单体锂电池组成电池组；
[0049] 步骤2：获取电池组的开路电压Vocv与剩余电量SOC的非线性电气特性；
[0050] 步骤3：DC/DC变换器以电池组的输出电压V′作为输入电压Vin，并通过非线性变换模型根据剩余电量SOC变化情况对输入电压Vin进行变比例缩放得到输出电压Vout，从而使得输出电压Vout与电池组的剩余电量SOC呈线性关系。
[0051] 参考图1所示，非线性变换模型按如下步骤对输入电压Vin进行变比例缩放：
[0052] 步骤301：根据电池组的开路电压Vocv与剩余电量SOC的非线性电气特性，确定出剩余电量SOC的分段区间：根据开路电压Vocv的变化特性，将具有相同或相似变化特性的开路电压Vocv区间所对应的剩余电量SOC区间划分为同一分段区间；可以电池组的开路电压Vocv与剩余电量SOC的非线性电气特性曲线上的拐点作为划分分段区间的分段点。
[0053] 步骤302：获取电池组的剩余电量SOC的初始值；获取增益系数M的初始值。
[0054] 步骤302：判断当前剩余电量SOC是否小于电量阈值；若是，则表明电量不足，结束程序；若否，则进入步骤303。
[0055] 步骤303：根据当前剩余电量SOC所属分段区间判断是否需要更新增益系数M；若否，则进入步骤304；若是，则进入步骤308。
[0056] 步骤304；根据当前增益系数M对输入电压Vin进行缩放。
[0057] 步骤305：获取输出电压Vout并根据当前增益系数M计算输入电压Vin：Vin＝Vout/M。
[0058] 步骤306：根据函数关系VS＝H(Vin)，计算单体锂电池的输出电压VS；
[0059] 步骤307：根据函数关系Vocv＝f(VS)计算电池组的开路电压Vocv；
[0060] 步骤308：根据开路电压Vocv与剩余电量SOC的关系得到当前剩余电量SOC，并回到步骤302；
[0061] 步骤309：获取输出电压Vout并根据当前增益系数M计算输入电压Vin：Vin＝Vout/M，VS＝H(Vin)，Vocv＝f(VS)的函数关系采用现有技术“一种联合锂电池健康和
荷电状态的新模型，朱丽群，张建秋，中国
电机工程学报，第38卷，第12期”。
[0062] 步骤3010：根据函数关系VS＝H(Vin)，计算单体锂电池的输出电压VS；
[0063] 步骤3011：根据函数关系Vocv＝f(VS)计算电池组的开路电压Vocv；
[0064] 步骤3012；根据开路电压Vocv与剩余电量SOC的关系得到当前剩余电量SOC；开路电压Vocv与剩余电量SOC的关系通过预先检测得到，将检测到的数据列成表格或者绘制成曲线关系图均可用以表示开路电压Vocv与剩余电量SOC的关系。
[0065] 步骤3013：根据增益系数M与剩余电量SOC的函数关系更新当前增益系数M，增益系SOC数M与剩余电量SOC的函数关系：M＝f(SOC)＝k*e ，式中，k表示系数，并回到步骤304。
[0066] 当先从增益系数M的初始值开始缩放，之后又更新增益系数M进行缩放时，为使输出电压Vout与电池组的剩余电量整体呈线性关系，则采用以下方式对系数k进行修正：
[0067] 首先，获取根据增益系数M的初始值进行缩放后的输出电压Vout与电池组的剩余电量的线性曲线的斜率L1；
[0068] 然后，获取根据更新后的增益系数M缩放一段时间后的输出电压Vout与电池组的剩余电量的线性曲线的斜率L0；
[0069] 最后，若L0≠L1，则修正系数k使L0＝L1，并根据修正后的系数k来更新增益系数M。
[0070] (二)集成系统说明
[0071] 一种模拟铅酸电池电气特性的力电池组柔性集成系统，包括由锂电池组成的电池组，电池组通过DC/DC变换器向负载输出
电能，还包括用于检测DC/DC变换器输出电压Vout的电压检测模
块；DC/DC变换器中配置有非线性变换模型，所述非线性变换模型用于根据剩余电量SOC变化情况对输入电压Vin进行变比例缩放得到输出电压Vout，从而使得输出电压Vout与电池组的剩余电量SOC呈线性关系。
[0072] 本具体实施方式中的非线性变换模型采用本具体实施方式提供的方法进行非线性变换(步骤301到步骤3013)与对系数k进行修正。
[0073] 还包括电量显示模块，用于显示电池组剩余电量SOC，可以根据输出电压Vout与电池组的剩余电量SOC的线性关系的快速预测结果进行显示，也可以根据非线性变换模型在非线性变换过程中计算得到的当前剩余电量SOC进行显示。
[0074] DC/DC变换器采用四相Boost变换器、
反激变换器或buck变换器，能够通过改变DC/DC变换器的占空比来实现增益系数M的调节。
[0075] 当DC/DC变换器为四相Boost变换器，增益系数 D表示变换器的占空比。
[0076] 当DC/DC变换器为反激变换器，增益系数 D表示变换器的占空比，n表示变换器的相数。
[0077] 当DC/DC变换器为buck变换器，增益系数M＝D，D表示变换器的占空比。
[0078] (三)实施例
[0079] 实施例1
[0080] 电池组由N个单体锂电池并联而成，N≥1。单体锂电池的非线性输出特性由厂商提供，电池组的非线性电气特性由单体锂电池的非线性电气特性叠加得到：设电池组的非线性电气特性曲线上的坐标点表示为(SOC,Vocv)，则SOC＝(soc1+soc2+...+soci+socN)/N，VOCV＝f(VS)，SOC表示电池组的剩余电量，VS表示单体锂电池的输出电压，soci表示第i个单体锂电池对应VS时的剩余电量，i＝{1,2,...,N}。
[0081] 参考图2所示，下面结合两种具有不同输出特性的单体锂电池(锂电池芯)进行具体说明，DC/DC变换器以电池组的输出电压V′作为输入电压Vin，那么Vin＝V′，V′＝VS。
[0082] 选取某种①锂电池电芯一个或若干个进行并联，其输入端电压为Vin(输入电压在3.4-4.2V)，连接DC/DC变换器，选用四相Boost变换器作为DC/DC变换器，增益为M＝4/(1-D)(D:占空比)，调节占空比改变电压，使得输出电压与电池组的剩余电量呈线性关系，输出电压可达到3.4Mmax-4.2Mmax，Mmax表示四相Boost变换器的最大增益系数。
[0083] 首先获取电池组的初始电量SOC。通过选择占空比D，由M＝4/(1-D)算出初始M值。在进行判断SOC的范围，对区间进行划分。分别划分三个区间：(0，0.1)，(0.1，0.9)，(0.9，
1.0).这里的区间划分是依据具体电池的电压与电量特性关系来划分的。针对不同区间的曲线特点，分别计算相应的电量。电量SOC在(0，0.1)时，由于电量小于10％时，不具有使用价值，执行退出计算。电量SOC在(0.9，1.0)时具有较明显的线性关系，在此区间，对Vin乘以相应的系数进行相应的放大或缩小，即可通过电压的变化得到准确的电量。当①电芯电量在区间(0.1，0.9)时具有不明显的线性关系。在DC/DC变换器两端测电压Vout，通过Vin＝Vout/M，求出Vin。通过VS＝H(Vin)，求出VS，继续求Vocv,，VOCV＝f(VS)。通过查表1得到SOC。重新得到的SOC可继续计算新的M值，M＝f(SOC)＝k*eSOC使得M的值实现了闭环计算，可实时更新。这样，此电池组的电量也就能实时监测。
[0084] 表格1
[0085]
[0086]
[0087] 选取某种②锂电池电芯一个或若干个进行并联，其输入端电压为Vin(输入电压在2.7-4.2V)，连接DC/DC变换器，选取四相Boost变换器，增益为M＝4/(1-D)(D:占空比)，调节占空比改变电压，使得输出电压与电池组的剩余电量呈线性关系，输出电压可达到2.7Mmax-
4.2Mmax。
[0088] 首先获取电池组的初始电量SOC。通过选择占空比D，由M＝4/(1-D)算出初始M值。在进行判断SOC的范围，对区间进行划分。分别划分三个区间：(0，0.1)，(0.1，0.9)，(0.9，
1.0).这里的区间划分是依据具体电池的电压与电量特性关系来划分的。针对不同区间的曲线特点，分别计算相应的电量。电量SOC在(0，0.1)时，由于电量小于10％时，不具有使用价值，执行退出计算。②电芯电量在SOC(0.9，1.0)时具有不明显的线性关系，在此区间，对Vin乘以相应的系数进行相应的放大或缩小，即可通过电压的变化得到准确的电量。当②电芯电量在区间(0.1，0.9)时不具有线性关系。在DC/DC变换器两端测电压Vout，通过Vin＝Vout/M，求出Vin。通过VS＝H(Vin)，求出VS，继续求Vocv,，VOCV＝f(VS)。通过查表Vocv-SOC得到SOC。重新得到的SOC可继续计算新的M值，M＝f(SOC)＝k*eSOC使得M的值实现了闭环计算，可实时更新。这样，此电池组的电量也就能实时监测。
[0089] 表格二
[0090]
[0091]
[0092] 实施例2
[0093] 电池组由2个单体锂电池串联而成，电池组并联均衡电路，使得各个单体锂电池的输出电压相等；单体锂电池的非线性输出特性由厂商提供，电池组的非线性电气特性由单体锂电池的非线性电气特性叠加得到：
[0094] 设电池组的非线性电气特性曲线上的坐标点表示为(SOC,VOCV)，则SOC＝(soc1+soc2)/2，VOCV＝f(VS)，SOC表示电池组的剩余电量，VS表示单体锂电池的输出电压，soci表示第i个单体锂电池对应VS时的剩余电量，i＝{1,2}。
[0095] 参考图3所示，下面结合两种具有不同输出特性的单体锂电池(锂电池芯)进行具体说明，DC/DC变换器以电池组的输出电压V′作为输入电压，那么Vin＝V′，V′＝2VS。
[0096] 选取两个某种①锂电池电芯进行串联，其输入端电压为Vin，(输入电压在6.8-8.4V)，连接DC/DC变换器，选用反激变换器作为DC/DC变换器，增益为M＝nD/(1-D)(D:占空比n:相数)，调节占空比改变电压，使得输出电压与电池组的剩余电量呈线性关系，输出电压可达到6.8Mmax-8.4Mmax。
[0097] 或选取两个某种②锂电池电芯进行串联，其输入端电压为Vin，(输入电压在5.4-8.4V)，连接DC/DC变换器，(我们选取反激变换器，)，增益为M＝nD/(1-D)，(D:占空比n:相数)调节占空比改变电压，使得输出电压与电池组的剩余电量呈线性关系，输出电压可达到
5.4Mmax-8.4Mmax。
[0098] 实施例3
[0099] 电池组由N个单体锂电池串联而成，N＞2，电池组并联均衡电路，使得各个单体锂电池的输出电压相等；单体锂电池的非线性输出特性由厂商提供，电池组的非线性电气特性由单体锂电池的非线性电气特性叠加得到：
[0100] 设电池组的非线性电气特性曲线上的坐标点表示为(SOC,VOCV)，则SOC＝(soc1+soc2+...+soci+socN)/N，VOCV＝f(VS)，SOC表示电池组的剩余电量，V′表示电池组的输出电压，VS表示单体锂电池的输出电压，soci表示第i个单体锂电池对应VS时的剩余电量，i＝{1,2,...,N}。
[0101] 参考图4所示，下面结合两种具有不同输出特性的单体锂电池(锂电池芯)进行具体说明，DC/DC变换器以电池组的输出电压V′作为输入电压，那么Vin＝V′，V′＝NVS。
[0102] 选取某种①锂电池电芯有限个进行串联，其输入端电压为Vin，(输入电压在3.4N-4.2N V)，连接DC/DC变换器，选用buck变换器作为DC/DC变换器，增益为M＝D(D:占空比)，调节占空比，改变电压，使得输出电压与电池组的剩余电量呈线性关系，输出电压可达到
3.4NMmax-4.2NMmax。
[0103] 选取某种②锂电池电芯有限个进行串联，其输入端电压为Vin，(输入电压在2.7N-4.2N V)，连接DC/DC变换器，选用buck变换器作为DC/DC变换器，增益为M＝D(D:占空比)，调节占空比改变电压，使得输出电压与电池组的剩余电量呈线性关系，输出电压可达到
2.7NMmax-4.2NMmax。
