CN105449740B - 一种储能锂电池主动均衡控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能锂电池主动均衡控制系统，包括电池系统、采样模块、控制模块和均衡模块，控制模块用于接收采样模块采集的电池系统的信息，得到电池系统最高单体电池电压与最低单体电池电压，算出每组电池的平均电压，得到分组电池中最高平均电压电池组与最低平均电压电池组之间的差值,最高单体电池电压与最低单体电池电压之间的差与预设值比较，并结合最高单体电池电压预设电压值，进行提前均衡或立即均衡或静止均衡，从而延长电池寿命。

Description

一种储能锂电池主动均衡控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于电池组均衡领域，具体为一种储能锂电池主动均衡控制系统及控制方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题的日趋严重,新能源技术正处在高速发展阶段,全世界对新能源技术的需求也更加迫切。锂电池由于具有电压高、能量密度大、循环寿命长、安全性能好、自放电少等性能优点，在航天、军工、可再生能源系统储能等大型应用环境中得到了广泛的应用。通常储能用电池电压高，需要将大量的单体电池串联起来，由于电池在出厂前制造和化工筛选工艺原因，不能保证单体电池出厂时各项参数一致；另外电池单体在使用中位置不同，工作温度存在一定的差异，导致电池自放电率不一致；同时，串联电池组在充放电过程中，由于每个单体所处环境的不一致导致其库伦效率不一致，则电池不同单体实际充电容量和放电容量会存在差异。

目前，常见的电池组均衡包括能耗型和非能耗型，其中能耗型可通过消耗电量高的电池单体的能量以达到整体均衡的目的，虽然有效的实现了锂电池组的均衡，但浪费了能量，同时增加了热管理负担，不符合节能环保的要求。非能耗型均衡电路结构及控制方法相对复杂，导致电池组的均衡难以兼顾快速性、稳定性及高效性，于是需要一套实用有效的控制系统来改善其性能。

这方面有中国专利号为：201010136697.7，公告日为2010.8.18公开了提供一种可以减小对锂电池材料损伤的动力锂电池均衡阶段的充电方法，其步骤为：以该锂电池的电压目标值减去0.2伏作为恒流结束电压，恒流阶段的充电电流为Ic，在恒流充电后期，当锂电池的充电电压≥恒流结束电压时，进入均衡阶段；在整个均衡阶段，周期性地对锂电池的充电电压进行采样，用所述的电压目标值减去采样得到的电压得到差值ΔV，按照充电电流=Ic-4.5×Ic×ΔV得到下一周期的充电电流，直至采样电压≥电压目标值，充电结束。还公开了对锂电池串联组均衡阶段的充电方法，其步骤为：对每个锂电池分别进行电压采样，在采样得到的电压值中选取最大值计算出充电电流，作为每个锂电池的充电电流。其特点是在充电最后阶段，按照最大单体电压值减少充电电流，可以及时保护最大单体电池，避免最大单体电压电池过冲,但是充电电流是对所有单体电池进行充电,充电结束条件是任一采样电压≥电压目标值，表明电池充电结束后，并没有解决单体电池电压的不一致性，电池之间不平衡依然存在，随着多次充放电后，电池之间的不平衡会更加恶化。

中国专利号为201410080468.6，公告日为2014.7.2，公开了一种转移能量型、并可在充、放电过程中均能均衡的串联锂电池组的主动均衡方法，其步骤为：对串联电池组中的每节电池进行电压采样，当单节电池的电压低于标称值的90%时，由与该单节电池相配合的均衡充电开关电源对该单节电池进行充电，所述串联锂电池组的两端电压作为均衡充电开关电源的输入电压。本发明还公开了一种用于实现上述主动均衡方法的串联锂电池组的主动均衡电路，包括：主控电路、均衡选通电路、均衡开关电路和本发明所述主动均衡方法中的均衡充电开关电源。其特点是通过串联锂电池组的两端电压作为均衡充电开关电源的输入电压，并通过独立的充电电路对每个单体电池进行充电，能量在电池内部传递，减少能量损耗，但是其只介绍了一组电池内部的电池传递，组与组之间的电池能量传递并没有介绍，同时以单节电池的电压低于标称值的90%时为均衡依据，这样从充电开始阶段，就会起动均衡电路，电池均衡电路会不断判断，大大增加了主控电路的资源负担，降低了均衡效率。

还有中国专利号为：201310349173.X，公告日为2013.12.11，公开了一种锂电池分布式充电均衡电路及其控制方法，核心控制单元通过采样模块对电池组中的每个电池单体的电压进行采集，通过电量计量模块对电池组的电流和电池容量进行采集。当核心控制单元检测到有电池单体的电压差达到预设值时，主动平衡电源电路将电池组或外接充电器的能量进行转换，并对电池单体进行充电；核心控制单元通过电量计量模块对外接充电器充入电池组的能量和电流进行检测，当任意电池单体的电压超过第一设定值时，核心控制单元切断主充电回路；当主动平衡电源电路用整组能量补充短板时，如果所有电池单体电压恢复到第二设定值以下时，再次打开外接充电器。其特点将若干个充电器完成的工作，集成在一块电路上，通过一个核心控制单元进行协调控制，其仅介绍了一组电池内部的电池传递，组与组之间的电池能量传递并没有介绍，同时当任意电池单体的电压超过第一设定值时，核心控制单元切断主充电回路，所有电池单体电压恢复到第二设定值以下时，再次打开外接充电器，由于电池受温度、电流大小、循环次数等因素的影响，可能导致打开外接充电器，不一会儿单体的电压超过第一设定值时，从而再次切断主充电回路，这样重复开关主回路，容易造成整个系统不稳定。

发明内容

本发明目的是提供一种控制结构合理、控制精度高、能够有效实现电池组均衡的控制系统及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种储能锂电池主动均衡控制系统，其特征在于：包括电池系统、采样模块、控制模块和均衡模块，所述采样模块、均衡模块分别与电池系统中的每个单体电池连接，所述的采样模块、均衡模块之间通过控制模块连接。

所述的电池系统由若干个电池组组成，每个所述的电池组由若干个单体电池组成，均衡模块通过均衡电路对每个单体电池进行独立的充放电。本发明电池系统中，每12个单体为一组，每组中有2个均衡控制单元，每个控制单元中有6个独立的电池均衡电路，即控制单元通过电池均衡电路可以对每个单体电池进行独立的充放电，组内能量高的单体放电到组线的两端，组内低的单体通过组线两端进行充电，各电池组之间能量通过每组尾首之间的均衡模块，将能量高的单体转移到能量低的单体。

一种储能锂电池主动均衡控制方法，包括如下步骤：

(1)对单体电池进行电压-容量测试，当系统处于充电情况下选取容量为80%-90%时的任一电压值A，作为单体最高电压预设值，当系统处于放电情况下选取容量为15%-25%时的任一电压值B，作为单体最低电压预设值；

(2) 通过采集模块，获得每个单体电池电压，利用控制模块得出最大单体电压与最小单体电压之间的差值，同时得出电池组最大平均电压与最小平均电压之间的差值；

(3) 当时，当系统处于充电情况下且单体最高电池电压达到A点电压时，通过均衡电路对单体最高电池电压进行放电，对单体最低电池电压进行充电；当系统处于放电情况下且单体最低电池电压达到B点电压时，通过均衡电路对单体最高电池电压进行放电，对单体最低电池电压进行充电；也即提前均衡；

(4) 当，时，控制模块发出指令到均衡模块，通过均衡电路对单体最高电池电压进行放电，对单体最低电池电压进行充电；均衡电路对单体最高电池电压进行放电，最高电池单体能量转移到该单体电池组中；对单体最低电池电压进行充电，是通过将该单体电池所处电池组中的组能量转移到该最低单体电池中，最终达到均衡状态；也即进行立即均衡；

(5) 当，时，控制模块发出指令停止电池系统充放电，电池系统通过均衡电路第一次将单体能量高的电池逐级传递给能量低的电池，到达第一次均衡后，通过采样模块重新采集电池电压，通过控制模块找出第一次均衡后的单体最高电池与单体最低电池电压，并计算出单体最高与最低电压的差值，如果差值电压仍然大于，再次通过均衡电路将单体能量高的电池逐级传递给能量低的电池，重复上述过程，通过能量的双向级联传递，最终使系统单体电池最高与最低电压的差值小于，从而实现所有的电池达到均衡；也即进行静止均衡；

所述、和为预设值，其中为单体电池电压都处于A点电压以下时所设立的单体最高电池电压与最低电池电压之间的差值；为整个充放电过程中单体最高电池电压与最低电池电压之间的差值；为电池组之间平均电压差值。

所述步骤(1)中，对单体电池进行电压-容量测试，选取容量为85%时的电压值A，作为单体最高电压预设值，选取容量为20%时的电压值B，作为单体最低电压预设值。

取出这批电池中的单体电池进行测试，得到电池充电容量与开路电压的对应关系，从而确定最高单体电池电压的预设电压值。通过对电池进行不同倍率充放电,采集电池运行电压，得到不同倍率下电池运行电压与开路电压对应关系(运行电压是电路原先处于开路时的开路电压通过不同倍率下冲放电电流得到的测量电压,导致运行电压与开路电压不一致的原因是电池有等效内阻)。

提前均衡和立即均衡中，单体电池最高电压通过均衡模块进行放电，单体电池最低电压通过均衡模块进行充电，通过不同倍率充放电下运行电压与开路电压的对应关系，确定均衡结束条件。 提前均衡和立即均衡中，可能同时有几个单体电池达到最高电压或最低电压，由于本方法中每个单体电池对应独立的均衡电路，因此可以按照前述方法同时进行。

静止均衡中,考虑到电池电压受充放电倍率、温度等影响，很难达到理想的均衡效果，因此在停止充放电的情况下进行均衡，通过级联能量双向传递方法，经过多次重复传递将能量高的单体传递给能量低的单体，最终达到较好的均衡效果。

本发明具有以下优点：

采用三级均衡模式，在提前均衡中，由于电池电压平台效应，在平台区间内，单体电池电压变化慢，因此仅仅当电池组的最高单体电池电压达到预设电压时才判断单体电池是否需要均衡以及合理选择均衡压差值，从而在满足电池组均衡的要求下大大降低控制模块的占用率，同时预均衡具有预防电池电压差值增大的作用，从而增加了电池充放电的容量。立即均衡中，只对个别高电压电池和低电压电池的单体进行均衡，避免了系统每次都进行电池系统均衡，提高了均衡效率，简化了均衡过程。静止均衡中，各组电池平均电压之间的差异较大时才进行整体均衡，此时系统单体电池之间不均衡度较大，为了延长电池寿命，需要将电池进行系统均衡，为了减少充放电电流及工作状态下产生的温度高低影响，电池处于静止状态下进行均衡，效果将最好。

附图说明

图1为单体锂电池充电曲线。

图2为本发明电池组电池均衡系统的实施例的系统框图。

图3为本发明电池组电池均衡系统的均衡方法提供的实施例的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例以及结合附图对本发明的电池组电压均衡系统及其相应的均衡方法分别进行详细的叙述。

如图2所示为系统框图，一种储能锂电池主动均衡控制系统，包括电池系统、采样模块、控制模块和均衡模块，所述采样模块、均衡模块分别与电池系统中的每个单体电池连接，所述的采样模块、均衡模块之间通过控制模块连接。

所述的电池系统由若干个电池组组成，每个所述的电池组由若干个单体电池组成，均衡模块通过均衡电路对每个单体电池进行独立的充放电，组内能量高的单体放电到组线的两端，组内低的单体通过组线两端进行充电，各电池组之间能量通过每组尾首之间的均衡模块，将能量高的单体转移到能量低的单体。

本发明以12个单体电池串联组成的电池组为例进行说明：每12个单体电池为一组，通过采集模块采集12路单体电池电压，每6个单体有一个均衡模块（均衡控制单元），每个均衡控制单元对应独立的6路均衡电路对电池进行充放电，当系统处于提前均衡和立即均衡时，只需要在一组内进行均衡，组间不需要传递能量。当系统处于静止均衡时，组内12个单体电池进行均衡,同时第一组单体电池7-12可以传递到第二组单体电池13-18，第二组单体电池13-18也可以传递到第一组单体电池7-12，同理第二组电池的能量可以和第三组电池能量互相传递，通过能量的双向级联传递，最终实现所有的电池达到均衡。

一种储能锂电池主动均衡控制系统的控制方法：

（1）对单体电池进行测试，得到电池开路电压与容量的关系如图1所示，从图中选择点A（容量的80%-90%范围内皆可,本例取85%）作为充电时单体最高电压预设值，选择A点可以提前进行均衡预判，超过A点电池电压变化速度加快，最高单体电压与最低单体电压之间的差值会迅速变大，因此提前均衡可以减缓最高单体电压与最低单体电压之间的差值，同时减缓最高单体电压达到最大值（达到最大值将停止充电），从而电池系统将得到更多的容量，提高充电效率。同理选择点B（容量的15%-25%范围内皆可,本例取20%）作为放电时单体最低电压的预设值，超过点B电池电压下降速度变快，对单体电池最低电压进行充电，可以减缓最低电压达到最小值（达到最小值将停止放电），从而电池系统将放出更多的容量，提高放电效率。对单体电池不同倍率充放电进行测试，根据 (为运行电压，为开路电压，为充放电电流)算出单体电池运行电压与充放电电流的关系，例如电池组处于充电情况下（充电为正，放电为负），单体电池运行电压将增大，当处于均衡状态下，将对单体最高电池电压放电，运行电压将减小，对单体最低电池电压充电，运行电压将曾大，通过计算找到合理的单体最高电池电压和单体最低电池电压的运行电压值，作为均衡结束条件。

（2）如图3所示，通过采集模块，获得每个单体电池电压，并得到最大单体电压与最小单体电压之间的差值，同时算出电池组最大平均电压与最小平均电压之间的差值。

通过多次试验确定预设值1为、预设值2为、电池中最高平均电压电池组与最低平均电压电池组之间的差值的预设值为（不同电池的、、值不同，需要通过实验得到最佳值）。为电池处于平台期时，单体最高电池电压与最低电池电压之差的预设值1（本例取值30mV），其作用主要是使单体最高电池电压达到A点所对应电压时，进行预均衡，可以有效的减少电池之间差值的变化速度，从而使电池得到更多的能量。是电池处于整个充电周期中，单体最高电池电压与最低电池电压之差的预设值2(本例取值50mV)，满足条件则进行立即均衡。为分组电池中最高平均电压电池组与最低平均电压电池组之间的差值的预设值(本例取值40mV)，当达到设定值时，说明系统单体电池之间不均衡度较大，为了延长电池寿命，需要将电池进行系统均衡，为了减少充放电电流及工作状态产生的温度高低影响，电池处于静止状态下进行均衡，效果将最好。

（3）当时，控制模块判断充电情况下单体最高电池电压是否达到A点电压，如果达到A点将进行预均衡，通过均衡电路对单体最高电池电压进行放电，对单体最低电池电压进行充电。同理当电池处于放电情况时,单体最低电池电压是否达到B点电压,如果达到B点将进行预均衡，通过均衡电路对单体最高电池电压进行放电，对单体最低电池电压进行充电。

（4）当，时，控制模块发出指令到均衡模块，通过均衡电路对单体最高电池电压进行放电，最高电池单体能量转移到该单体所处电池组中。对单体最低电池电压进行充电，通过将该单体电池所处电池组中的组能量转移到该最低单体电池中，最终达到均衡状态。

（5）当，时，控制模块发出指令停止系统充放电，电池系统通过均衡电路第一次将单体能量高的电池逐级传递给能量低的电池，到达第一次均衡后，通过采样模块重新采集电池电压，通过控制模块找出第一次均衡后的单体最高电池与单体最低电池电压，并计算出单体最高与最低电压的差值，如果差值电压仍然大于，再次通过均衡电路将单体能量高的电池逐级传递给能量低的电池。重复上述过程，通过能量的双向级联传递，最终使系统单体电池最高与最低电压的差值小于，从而实现所有的电池达到均衡。

Claims (3)

1.一种储能锂电池主动均衡控制方法，均衡控制系统包括电池系统、采样模块、控制模块和均衡模块，所述采样模块、均衡模块分别与电池系统中的每个单体电池连接，所述的采样模块、均衡模块之间通过控制模块连接，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：对单体电池进行电压-容量测试，当系统处于充电情况下选取容量为80%-90%时的任一电压值A，作为单体最高电压预设值，当系统处于放电情况下选取容量为15%-25%时的任一电压值B，作为单体最低电压预设值；

步骤二：通过采集模块，获得每个单体电池电压，利用控制模块得出最大单体电压与最小单体电压之间的差值，同时得出电池组最大平均电压与最小平均电压之间的差值；

步骤三：当时，当系统处于充电情况下且单体最高电池电压达到A点电压时，通过均衡电路对单体最高电池电压进行放电，对单体最低电池电压进行充电；当系统处于放电情况下且单体最低电池电压达到B点电压时，通过均衡电路对单体最高电池电压进行放电，对单体最低电池电压进行充电；

步骤四：当，时，控制模块发出指令到均衡模块，通过均衡电路对单体最高电池电压进行放电，对单体最低电池电压进行充电；均衡电路对单体最高电池电压进行放电，最高电池单体能量转移到该单体电池组中；对单体最低电池电压进行充电，是通过将该单体电池所处电池组中的组能量转移到该最低单体电池中，最终达到均衡状态；

步骤五：当，时，控制模块发出指令停止电池系统充放电，电池系统通过均衡电路第一次将单体能量高的电池逐级传递给能量低的电池，到达第一次均衡后，通过采样模块重新采集电池电压，通过控制模块找出第一次均衡后的单体最高电池与单体最低电池电压，并计算出单体最高与最低电压的差值，如果差值电压仍然大于，再次通过均衡电路将单体能量高的电池逐级传递给能量低的电池，重复上述过程，通过能量的双向级联传递，最终使系统单体电池最高与最低电压的差值小于，从而实现所有的电池达到均衡；

所述、和为预设值，其中为单体电池电压都处于A点电压以下时所设立的单体最高电池电压与最低电池电压之间的差值；为单体最高电池电压与最低电池电压之间的差值；为电池组之间平均电压差值。

2.根据权利要求1所述的一种储能锂电池主动均衡控制方法，其特征在于：所述的电池系统由若干个电池组组成，每个所述的电池组由若干个单体电池组成，均衡模块通过均衡电路对每个单体电池进行独立的充放电。

3.根据权利要求1所述的一种储能锂电池主动均衡控制方法，其特征在于：所述步骤一中，对单体电池进行电压-容量测试，选取容量为85%时的电压值A，作为充电时单体最高电压预设值，选取容量为20%时的电压值B，作为放电时单体最低电压预设值。