CN106208177B - 一种电池电子管理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池电子管理方法及系统，该方法包括：采集单体电池电压状态；根据采集的单体电池电压状态确定对单体电池执行以下操作中的至少一者：激励操作、优化操作、以及均衡操作；根据确定的操作向单体电池输出PWM信号。本发明可以将PCS控制和BMS的控制结合起来，从而能够有效地整合和协调的PCS功率部分控制与电池系统控制与应用，并且可以降低成本提高扩展性，易于电池电子模块进行串并联和热插拔。

Description

一种电池电子管理方法及系统

技术领域

本发明涉及能源领域，具体地，涉及一种电池电子管理方法及系统。

背景技术

目前，如何存储电网中的电能一直是能源领域亟待解决的重要问题。为了在一定程度上解决该问题，现有技术中通过采用DC/AC单级式或者DC/DC+DC/AC双级式双向功率变换器来实现电池和电网之间的功率双向流动。

由于现在的储能系统采用多个电池串联成电压较高的直流电池组，因此一旦电池组中的任何电池单元发生损坏，则会导致整个储能系统无法正常工作，不适合于需要安全电力供应的场合，例如煤矿、油田等工业场合。

中国专利文献《一种模块化中压储能系统》(公开号CN102355065)中提供了储能的实现方式，其一次侧采用星形连接，通过对三个相电压的控制实现充放电与均衡等功能，但该储能系统进行相间均衡和故障冗余控制时需对三相电压的幅值和相位进行适当控制，由于三个相电压的控制上相互耦合，控制难度较高，不利于其稳定运行。

中国专利文献《一种大容量中压电池储能系统》(公开号CN103199630A)中提供了另外一种储能的实现方式，其电池模块仍然采用高压模块，并且要承受系统本身不能克服的二倍频率功率脉动，对电池的寿命与正常使用会造成一定的影响，并且交流侧直挂的连接方式会使系统的故障设计更加复杂，还会产生共模干扰，不利于管理与控制系统的正常运行。

因此，通过将电池串联得到较高的直流电压的处理方式不能克服电池本身所存在的缺陷，不能够满足能源领域对电能进行存储的要求，有必要提供一种新的储能系统以满足工业界的要求。

此外，电池在使用的过程会发生极化现象，例如内阻极化、浓差极化和电化学极化等。极化现象导致电池的电压升高，充电效率降低，充入电量减少等不良现象。可以通过检测电池(例如锂电池)的荷电状态SOC来判断电池的性能，荷电状态可以定义为在特定倍率下充电一定的时间得到的充电容量与额定容量的比值。荷电状态可以用作评估电池的电量信息的重要依据。荷电状态SOC与电池的模型有关，老化或工艺可能会使电池模型的参数不同，为了动态更新SOC，需要执行一次完整的电池放电过程，不方便对电池性能进行监控。

最后，为了使得储能系统应用于不同的发电、输电、配电场合，起到削峰填谷、提高新能源并网能力、孤岛运行、电网调频及备用电源等作用，需要对储能系统提供控制，而现有的储能系统都是电池管理系统(BMS)和能量转换系统(PCS)分成两个模块构成，并分别上传信息到主控制器，集成度较差，成本高，因此有必要提出成本低、效率高的储能系统控制技术方案。

发明内容

本发明提供了一种电池电子管理方法，该方法包括：采集单体电池电压状态；根据采集的单体电池电压状态确定对单体电池执行以下操作中的至少一者：激励操作、优化操作、以及均衡操作；根据确定的操作向单体电池输出PWM信号。

优选地，根据单体电池电压状态确定对单体电池执行以下操作中的至少一者：激励操作、优化操作、以及均衡操作包括：当3.6V>单体电池电压>3.4V，或3.0V<单体电池电压<3.2V时，确定执行激励操作；当3.2V≤单体电池电压≤3.4V时，确定执行优化操作；当单体电池电压≥3.6V或单体电池电压≤3.0V时，确定执行均衡操作。

优选地，所述激励操作包括将三角波与谐波激励信号比较以生成PWM信号；所述优化操作包括计算从充电状态转入恢复状态的第一单体电池荷电状态阈值，并在根据单体电池内阻获得单体电池荷电状态达到所述第一单体电池荷电状态阈值时所述单体电池从充电状态转入恢复状态，或者计算从放电状态转入恢复状态的第二单体电池荷电状态阈值，并在根据单体电池内阻获得单体电池荷电状态达到所述第二单体电池荷电状态阈值时所述单体电池从放电状态转入恢复状态；所述均衡操作包括利用电容均衡相邻的单体电池的能量。

优选地，单体电池荷电状态根据单体电池内阻以及单体电池内阻和单体电池荷电状态之间的对应关系得到。

优选地，单体电池内阻根据下式计算：R_x＝R_v·V_x/V_n，其中R_x为单体电池内阻，R_v为标准电阻，V_x为单体电池内阻两端的电位差，V_n为标准电阻两端的电位差，R_x和R_v串联。

优选地，第一单体电池荷电状态阈值SOCt1＝SOCc+M1×t1/(8×Q)×100％；第二单体电池荷电状态阈值SOCt2＝SOCd+M2×t2/(8×Q)×100％；其中SOCc为单体电池充电状态终止时的荷电状态值，M1为在单体电池充电过程中的累积电量，t1为单体电池在充电恢复状态下经历的时间，Q为单体电池的实际容量，SOCd为单体电池放电状态终止时的荷电状态值，M2为在单体电池放电过程中的累积电量，t2为单体电池在放电恢复状态下经历的时间。

优选地，每个单体电池的两端之间设置有一个单刀双掷开关，单刀双掷开关的掷分别与单刀单体电池的正极和负极连接，所述电容设置在相邻的单刀双掷开关的刀之间。

本发明提供了一种电池电子管理系统，该系统包括：

电压采集模块，用于采集单体电池电压状态；

操作确定模块，用于根据采集的单体电池电压状态确定对单体电池执行以下操作中的至少一者：激励操作、优化操作、以及均衡操作；

PWM信号输出模块，用于根据确定的操作向单体电池输出PWM信号。

优选地，操作确定模块，还用于：当3.6V>单体电池电压>3.4V，或3.0V<单体电池电压<3.2V时，确定执行激励操作；当3.2V≤单体电池电压≤3.4V时，确定执行优化操作；当单体电池电压≥3.6V或单体电池电压≤3.0V时，确定执行均衡操作。

优选地，所述激励操作包括将三角波与谐波激励信号比较以生成PWM信号；所述优化操作包括计算从充电状态转入恢复状态的第一单体电池荷电状态阈值，并在根据单体电池内阻获得单体电池荷电状态达到所述第一单体电池荷电状态阈值时所述单体电池从充电状态转入恢复状态，或者计算从放电状态转入恢复状态的第二单体电池荷电状态阈值，并在根据单体电池内阻获得单体电池荷电状态达到所述第二单体电池荷电状态阈值时所述单体电池从放电状态转入恢复状态；所述均衡操作包括利用电容均衡相邻的单体电池的能量。

优选地，单体电池荷电状态根据单体电池内阻以及单体电池内阻和单体电池荷电状态之间的对应关系得到。

优选地，该系统还包括单体电池内阻计算模块，用于根据下式计算单体电池内阻：R_x＝R_v·V_x/V_n，其中R_x为单体电池内阻，R_v为标准电阻，V_x为单体电池内阻两端的电位差，V_n为标准电阻两端的电位差，R_x和R_v串联。

优选地，第一单体电池荷电状态阈值SOCt1＝SOCc+M1×t1/(8×Q)×100％；第二单体电池荷电状态阈值SOCt2＝SOCd+M2×t2/(8×Q)×100％；其中SOCc为单体电池充电状态终止时的荷电状态值，M1为在单体电池充电过程中的累积电量，t1为单体电池在充电恢复状态下经历的时间，Q为单体电池的实际容量，SOCd为单体电池放电状态终止时的荷电状态值，M2为在单体电池放电过程中的累积电量，t2为单体电池在放电恢复状态下经历的时间。

优选地，每个单体电池的两端之间设置有一个单刀双掷开关，单刀双掷开关的掷分别与单刀单体电池的正极和负极连接，所述电容设置在相邻的单刀双掷开关的刀之间。

本发明可以通过多组电池单元进行直流/交流变换来提供电力，从而在其中一组电池无法正常工作时，不影响电力供应。此外，由于A相、B相和C相电压控制完全解耦，无需协调三相电压之间的幅值和相位，可以进行更简单的控制且更可靠。本发明提供的电池性能测量方案能够降低电池性能测量的成本，提高电池性能测量的精度，同时实现电池侧的快速测量。此外，本发明可以将PCS控制和BMS的控制结合起来，从而能够有效地整合和协调的PCS功率部分控制与电池系统控制与应用，并且可以降低成本提高扩展性，易于电池电子模块进行串并联和热插拔。本发明还可以通过高频激励测试电池的荷电状态，实现电池能量均衡，并便于实现PCS与BMS控制功能的集成。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的电池电子模块示意图；

图2是本发明提供的电池电子模块输入侧示意图；

图3是本发明提供的储能系统的输出侧示意图；

图4是本发明提供的储能系统示意图；

图5是本发明提供的交流监测系统示意图；

图6是单体电池模型示意图；

图7是分解所得的各次谐波波形；

图8是荷电状态计算示意图；

图9是本发明提供的交流监测方法示意图；

图10是现有技术中电池管理系统和PCS控制系统的示意图；

图11是本发明提供电池电子管理示意图；

图12是本发明提供的单体电池内阻辨识原理图；

图13是本发明提供的电池均衡示意图；

图14是本发明提供的电池电子管理系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为了便于描述本发明，在描述储能系统的构成时，主要从电池供电的角度进行说明，但需要说明的是，本领域技术人员可以将包括但不限于的术语输入/输出、一次侧/二次侧进行调换以后，也可以得到电网对电池充电的实施例。

图1示出了电池电子模块示意图，其包括电池、双向功率变换器以及变压器，该变压器的功能主要是隔离输入侧和输出侧。本领域技术人员可以了解，此处示出的单个电池可以是由若干个小的可充电电池单元组成的电池，例如可以是铅酸素电池或锂电池。即便如此，经过串联之后的可充电电池单元组成的电池的电压以便也比较小，可能只有几十伏的电压，例如36V或48V，远远小于现有技术中电池电子模块中所使用的电池的电压，因此现有技术中所使用的电池电压至少几百伏，例如300V以上。双向功率变换器可以将直流转换成交流，也可以将交流转换成直流，从而能够使由电池电子模块能够向电网输电，也可以存储电网多余的能量。

图2是本发明提供的电池电子模块输入侧的示意图，但是需要说明的是，如果用户不需要大于直流电压的交流电，图1示出的电池电子模块可以直接进行交流供电。如图1所示，为了实现电池电子模块能够从电网充电，又能够输出交流电的功能，其包括了电池和至少两个双向功率变换器。从图1中可以看出功率变换器的输入端与电池两端分别连接，在电池的正极串接有电感L。

作为示例，功率变换器由三个并联的H桥变换器构成，每一个H桥变换可以由4个IGBT组成。为了便于电池电子模块供电，在每个功率变换器的输入端并联电容，例如电容C₁、C₂、C₃、……、C_n。图1所示的电池电子模块总共显示了n组双向功率变换器，n一般大于或等于2。每个H桥变换器具有两个输出端，分别输出A相电压、B相电压、和C相电压。需要说明的是，为了方便电池对电容充电，本发明还提供了预充电模块(图中未示出)。优选地，每个充电电容可以对应一个预充电模块，预充电模块包括电阻和接触器，电阻和接触器并联，并且电阻和接触器并联后的一端通过电感L与电池正极连接，电阻和接触器并联后的另一端与功率变换器的输入端连接。接触器可以为一个开关，在电容的电压达到时可以闭合来短路电阻，从而使得电容的电压和电池的电压相同。

为了得到更高的电压，可以对功率变换器输出的三相电进行变压，具体如图2所示。图2中示出了与功率变换器的数量对应的第一A相变压器、第一B相变压器和第一C相变压器，第一A相变压器、第一B相变压器和第一C相变压器的连接方式基本相同。图2中，各个功率变换器的A相输出端A1-1a、A1-1b、A1-2a、A1-2b、A1-3a、A1-3b、……、A1-na、A1-nb分别与n个第一A相变压器的一次侧连接，第一A相变压器的二次侧串接起来，串接后的第一A相变压器的二次侧一端A1-接地而另一端A1+经电感La1输出A相电压。相应地，各个功率变换器的B相输出端B1-1a、B1-1b、B1-2a、B1-2b、B1-3a、B1-3b、……、B1-na、B1-nb分别与n个第一B相变压器的一次侧连接，第一B相变压器的二次侧串接起来，串接后的第一B相变压器的二次侧一端B-接地而另一端B1+经电感Lb1输出B相电压；各个功率变换器的C相输出端C1-1a、C1-1b、C1-2a、C1-2b、C1-3a、C1-3b、……、C1-na、C1-nb分别与n个第一C相变压器的一次侧连接，第一C相变压器的二次侧串接起来，串接后的第一C相变压器的二次侧一端C-接地而另一端C1+经电感Lb1输出C相电压。

需要说明的是，图2所示出的三相电压是星形连接。本领域技术人员可以进行三角形连接，也就是说串接后的第一A相变压器的二次侧、串接后的所述第一B相变压器的二次侧、以及串接后的所述第一C相变压器的二次侧依次首尾相连以经过A相电感输出A相电压、经过B相电感输出B相电压、和经过C相电感输出C相电压。

图3示出了储能系统的示意图，其中为了增加储能系统的功率，可使用多个电池电子模块来组成储能系统。图3给出了由M个电池电子模块组成储能系统的实施例，其中M大于或等于2。如图所示，M组电池电子模块产生了三相电压，在为每组电池产生三相电压时使用了n个功率变换器，分别将A相电压连接到第二A相变压器，将B相电压连接到第二B相变压器、将C相电压连接到第二C相变压器。图3中，通过输入端子A1-1a、A1-1b、……、A1-na、A1-nb、A2-1a、A2-1b、……、A2-na、A2-nb、AM-1a、AM-1b、……、AM-na、AM-nb可以分别产生各组电池对应的A相电压。和针对第1组的电池电子模块类似，在针对第2-M组的电池电子模块中，串联后的第一A相变压器的二次侧串联后一端接地GND而另一端A2+-AM+经电感La2-LaM输出A相电压，并且M组电池产生的M个A相电压接入第二A相变压器的相同的一次侧输入端，而第二A相变压器的一次侧的另一输入端接地，而第二A相变压器的二次侧的一端接地另一端U输出A相电压。类似地，和针对第1组的电池电子模块类似，在针对第2-M组的电池电子模块中，串联后的第一B相变压器的二次侧串联后一端接地GND而另一端B2+-BM+经电感Lb2-LbM输出B相电压，并且M组电池产生的M个B相电压接入第二B相变压器的相同的一次侧输入端，而第二B相变压器的一次侧的另一输入端接地，而第二B相变压器的二次侧的一端接地另一端V输出B相电压；和针对第1组的电池电子模块类似，在针对第2-M组的电池电子模块中，串联后的第一C相变压器的二次侧串联后一端接地GND而另一端C2+-CM+经电感Lb2-LbM输出C相电压，并且M组电池产生的M个C相电压接入第二C相变压器的相同的一次侧输入端，而第二C相变压器的一次侧的另一输入端接地，而第二C相变压器的二次侧的一端接地另一端V输出C相电压。

在从电网给电池电子模块充电时，控制流入每个功率变换器中每个H桥的电流相位相差90度，而使每个H桥的电压相位略超前于电网线电压—定电角度，调节两者之间的相位角差即可调节充电功率的大小。在从电池电子模块向电网放电时，控制流出每个功率变换器中每个H桥的电流相位相差90度，而使每个H桥的电压相位略滞后于电网电压—定电角度，调节两者之间的相位角差即可调节放电功率的大小。在电池电子模块放电时，当多个电池组储存的能量不同时，可以按照各个电池组存储的能量的比例控制各个功率变换器的单相H桥的输出电压幅值，从而每个储能单元的输出有功功率与其存储的能量成正比，使得各个电池组间能量均衡，避免过放电。在电池电子模块充电时，当各电池组存储的能量不均等时，按照各个电池组可充电的能量的比例控制各个功率变换器的单相H桥的输出电压幅值，可使得每个电池组对应的输入有功功率与其可充电的能量成正比，从而使得各个电池组间能量均衡，避免过充电。

电池在使用的过程中会发生极化现象，例如内阻极化、浓差极化和电化学极化等，极化现象会导致电池的性能降低。为了使储能系统能够平稳地工作，对于电池性能进行监测就显得非常重要。为了监测电池的性能，本发明中优选地对电池中的电池进行监控。为了便于监控单体电池的性能，本发明中选择对单体电池的荷电状态SOC进行监控。

图5示出了本发明提供的交流监测系统，该交流监测系统包括：谐波检测模块，用于检测电池电子模块中的谐波信号，谐波信号的频率是电网频率的m倍，m为大于1的整数；单体电池内阻计算模块，用于根据检测的谐波信号以及单体电池模型计算单体电池内阻；数据处理模块，用于根据检测的谐波信号和所述单体电池内阻计算单体电池的荷电状态；谐波注入模块，用于根据所述数据处理模块的指令输出控制所述电池电子模块完成直流和交流之间变换的谐波信号。本发明所提到的单体电池是指电池电子模块中所使用的电池组中的每个独立的电池单元。另外，需要说明的是，数据处理模块可以指示谐波注入模块输出一种或几种谐波，也可以指示谐波注入模块依次输出20Hz-800Hz范围内的所有谐波。电网频率一般指工业电网的频率，我国的电网频率是50Hz，其他国家也有使用60Hz频率的电网。本领域技术人员可以理解的是，对于试验网而言，电网频率可以根据需要进行设定，而不拘泥于工业电网的电网频率。

本发明所采用的电池电子模块可以是现有技术中已经实施的任何电池电子模块。优选地，电池电子模块采用图1-图4中所公开的电池电子模块。电流电子模块主要包括电池组、双向功率变换器(可以由IGBT元件组成的IGBT逆变单元实现)以及起到隔离作用的变压器。图5中的IGBT逆变单元包含了6个IGBT，每个IGBT具有集电极C、发射极E和栅极G，IGBT可以在数据处理模块的控制下导通或断开，从而能够完成直流和交流之间的变换。为了对电池电子模块进行直流和交流变换进行控制，数据处理模块需要输出相应的控制信号，该控制信号可以为频率5kHz到50kHz范围内的正弦波信号。可以看出，控制信号的频率大于注入到电池电子模块的谐波信号的频率。

如图5所示，数据处理模块将三角波与谐波进行比较生成PWM信号并施加至驱动板，由驱动板来驱动电池电子模块中的IGBT导通或断开。驱动板主要用于输出具有预定电压幅值和占空比的，可以直接驱动开关管的驱动信号。图7示出了基波信号和谐波信号的示意图。

如图5所示，谐波检测模块可以包含谐波电流检测模块和谐波电压检测模块，谐波电流检测模块用于检测谐波电流信号，谐波电压检测模块用于检测谐波电压信号。谐波检测信号模块可以通过现有的方案实现。

如上所述，电池电子模块中包含电池组。本发明中在计算荷电状态SOC时，考虑使用单体电池。单体电池模型如图6所示，包括等效恒压源、单体电池、单体电池内阻R₁、单体电池内阻寄生电容C₁、以及放电电阻R₀，等效恒压源的负极与单体电池的负极连接，单体电池内阻寄生电容与单体电池内阻并联后与放电电阻串接在等效恒压源正极与单体电池的正极之间。单体电池模型主要用于计算单体电池内阻R₁，单体电池模型中的其他参数可以从厂家获取。下面介绍单体电池内阻的具体计算过程。

如图6所示，根据电压环路定理可以得到：

E₀-I_BR₀-V_C-V_B＝0 (1)

其中，E₀是等效恒压源的电压，I_B是环路电流，V_C是寄生电容C₁两端的电压，V_B是单体电池的电压。

电容电压V_C是符合如下的微分方程状态：

对该一阶微分方程求解：

式(3)与式(1)结合产生如下的电压方程：

这个方程可以应用于四种不同的情况，这些状态方程可以做为输出电流-电压曲线的重要参数估计。

1)当t→∞,I_B＝0时，

V_B(t→∞)＝E₀ (5)

V_C(t→∞)＝0

2)当t≠∞,I_B＝0时，

3)当t≠∞,I_B≠0时，

V_c(0)＝0

4)当t≠∞,I_B≠0时，

V_c(0)≠0

通过式(8)可以计算出单体电池内阻R₁。上述的单体电池可以是单体锂电池。

根据图8所示的SOC计算方案，在计算出单体电池内阻以后，可以结合检测电流谐波、电压谐波并根据下式来计算荷电状态SOC。

soc(n)＝soc(n-1)+β₀R(n)+β₁U(n)+β₂I(n)+β₃soc(n-1) (9)

其中soc(n)为当前时刻的荷电状态，soc(n-1)当上一时刻的荷电状态，R(n)为当前时刻的单体电池内阻，U(n)为当前时刻检测的谐波电压，I(n)为当前时刻检测的谐波电流，β₀、β₁、β₂、以及β₃为预设的系数，可以为0.1-0.8之间的数值，例如β₀＝0.2，β₁＝0.5，β₂＝0.3，β₃＝0.7。对于β₀、β₁、β₂、以及β₃的取值，可以通过若干次试验得到。需要说明的是，β₀、β₁、β₂、以及β₃的取值所计算出来的SOC可能与真实的SOC存在些许差异，但是可以根据两次计算出的SOC之间的差异可以反映出电池性能变化，这可以供使用者及时采取措施的参考，例如如果相对于初始SOC，如果当前计算出的SOC小于初始SOC的20％，可以通过更换单体电池来改变当前的状况。

图8中，u(t)表示检测的电压，i(t)表示检测的电流，u₁(t)表示电压基波信号，u_k(t)表示电压k次谐波信号，ω为基波信号角频率，a为相位。相应地，i₁(t)表示电流基波信号，i_k(t)表示电流k次谐波信号。

SOC的初始状态可以根据开路电压得到，开路电压与SOC之间的关系可以由电池提供商提供的标准曲线得到。电池的静止状态是指电池工作停止后，转入充放电状态，此状态下SOC的计算量作为充放电状态下SOC估算的初始值。由于此状态下的特点是电流为零、无极化现象，其SOC值与开路电压有很好的对应关系，因此能用开路电压法直接估算电池的SOC值

电压谐波注入单元，主要是发出所需要的电压谐波。发出谐波信号为20-800Hz的谐波，如图7所示，该谐波通过电池谐波信号检测单元检测后进入单体电池模型，最终结果进入数据处理模块，通过对反馈信号进行分析和解调，测算出SOC状态。

如上所述，谐波注入模块可以输出20Hz-800Hz的谐波信号，下面说明谐波注入的原理。

对于理想正弦电压，正弦电压波形u(t)可表示为：

其中，U为电压有效值，α为初相角，ω为角频率，ω＝2πf＝2π/T，f为电网频率，T为电网周期。

对于周期T＝2π/ω的非正弦电压u(ωt)，满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅里叶级数：

式中：

上式中，i＝1、2、3、……，频率为1/T的分量称为基波，频率为大于1整数波基波频率的分量即为谐波。在注入谐波信号时，可以注入频率为基波频率二倍、三倍或四倍的信号，也可以注入更高频率的信号。为了全面地检测荷电状态，可以将20Hz-800Hz范围内的所有谐波依次注入电池电子模块，从而可以得到针对每个频率的荷电状态，可以比较全面地了解电池的性能。在谐波注入的过程，通过改变奇次谐波与基波的相角，以及改变谐波与基波幅值比例关系，来生成目标谐波信号。

相应地，如图9所示，本发明提供了一种基于电池电子模块的交流监测方法，该方法包括：向电池电子模块输出控制所述电池电子模块完成直流和交流之间变换的谐波信号，谐波信号的频率是电网频率的m倍，m为大于1的整数；检测电池电子模块输出的谐波信号；根据检测的谐波信号以及单体电池模型计算单体电池内阻；根据所述单体电池内阻以及所述谐波信号计算单体电池的荷电状态。关于各个步骤的详细过程，可以参照上述对系统各个模块的描述，此处不再赘述。

为了实现储能系统存储电能以及向电网供电的功能，需要对储能系统进行控制。图10示出了是现有技术中电池管理系统和PCS控制系统，可以看出电池管理和PCS控制分开进行，并且由于二者由独立的物理实现，二者间需要进行通信来进行参数的交互。为了避免通信发生延迟，可以将电池管理和PCS控制结合起来。为此，本发明提供了如图11所示的电池管理方法示意图，该方法包括：根据采集的单体电池电压；根据单体电池电压状态确定对单体电池执行以下操作中的至少一者：激励操作、优化操作、以及均衡操作；根据确定的操作向单体电池输出PWM信号。

具体而言，可以根据以下条件来触发激励操作、优化操作、以及均衡操作中的至少一者：

设单体电池的电压为Vd，

当3.6V>Vd>3.4V，或3.0V<V<3.2V时，进入激励操作；

当3.2V≤Vd≤3.4V时，进入优化操作；

当Vd≥3.6V或Vd≤3.0V时，进入均衡操作。

在进行激励操作时，可以将具有设定激励频率的激励信号与三角波进行比较生成激励信号的PWM，该PWM波可以通过比较激励信号和三角波形成占空比变化的方波。

在进行优化操作时，可以在合适的情况下将单体电池转入恢复状态来对电池进行优化，具体而言包括从放电到恢复状态和从充电到恢复状态：

(a)若电池处于从放电状态，则按照下式计算进入恢复状态的荷电状态阈值：进入恢复状态

SOCt＝SOCd+M×t/(8×Q)×100％。

在荷电状态达到SOCt时，单体电池可以由放电状态进入恢复状态；

其中式中：SOCt为恢复状态下的荷电状态值；SOCd为放电状态终止时的荷电状态值；M为在电池放电过程中的累积电量(可以恢复)；t为电池在恢复状态下经历的时间；Q为电池的实际容量。

(b)若电池处于充电状态，则按照下式计算进入恢复状态的荷电状态阈值：若从充电状态进入恢复状态

SOCt＝SOCc+M×t/(8×Q)×100％

在荷电状态达到SOCt时，单体电池可以由充电状态进入恢复状态；其中式中：SOCt为恢复状态下的荷电状态值；SOCc为充电状态终止时的荷电状态值；M为在电池充电过程中的累积电量(可以恢复)；t为电池在恢复状态下经历的时间；Q为电池的实际容量。

如图13所示，通过控制开关器件驱动信号PWM的占空比实现相邻两个电池之间能量的传递，例如单体电池B₁和单体电池B₂之间，或者单体电池B₂和单体电池B₃之间。例如若电池单体B₁容量高于电池单体B₂容量，单刀双掷开关S₁开通单刀双掷开关S₂关断时，均衡电容C₁₁和电池单体B₁并联，电池单体B₁将能量传递给均衡电容C₁₁；单刀双掷开关S₁关断单刀双掷开关S₂开通时，均衡电容C₁₁和电池单体B₂并联，均衡电容C₁₁将能量传递给电池单体B₂，完成这个周期内的能量传递。以此类推，通过控制开关器件的开通与关断，利用电容实现能量的逐个传递。

单体电池的内阻随着电池的使用时间的延长会发生变化，而内阻又是表征电池的重要参数，因此有必要检测出电池的内阻。为了检测电池的内阻，图12示出了内阻检测的原理图。如图12所示，电池内阻为R_x，电池串联了标准电阻R_n，可以通过两个单刀双掷开关来控制测量R_x两端的电压V_x和R_n两端的电压V_n。根据欧姆定率可以得到：V_n＝I·R_n；V_x＝I·R_x，其中I为经过电池的电流。根据上式可以得到R_x＝R_v·V_x/V_n。

在得到单体电池内阻以后，可以根据内阻得到电池的荷电状态计算出荷电状态SOC。荷电状态SOC可以根据荷电状态SOC与内阻之间的曲线得到。

表征电池性能的参数除了SOC(主要体现充放电时间)之外还有电池的电荷存储能力SOH(主要体现电池寿命)，SOC和SOH的计算方式如下：

其中，SOC(t)为电池在t时刻的SOC；Q(t0)为电池在初始t0时刻的剩余电量；i为电池工作电流的瞬时值，一般放电取正，充电取负；η为电流i对应的充放电效率，与电池的容量特性有关；Q0为电池的额定容量；SOC(t0)为初始t0时刻电池的SOC；ΔSOC表示t0到t时刻电池SOC的变化量。

其中，Q_max(aged)表示当前电池的最大可用容量，Q_nominal(new)表示新电池的额定容量。

如上所述，电池内阻会随着使用时间的增加而变化。为了在电池内阻变化以后精确地得到SOC，当电池充满后测量的充满电压与额定充满电压偏差大于3％后，通过施加激励信号来计算出SOC。具体而言，可以在单体电池两端施加工作频率为20Hz-800Hz、激励电流大小为20mA的交流正弦波信号，然后用测量激励电流在电池两端所产生的微弱感应电压，所得到的感应电压再与施加在电池上的激励电流相除可以得到该电池的交流内阻值。这种通过电压激励信号测得的电池内阻值，既包括内阻的阻抗值，还包括电池内阻寄生参数的感抗值，可以准确反映电池容量信息。通过施加激励信号来计算SOC以在上面进行了详细陈述(参见公式9)，此处不再赘述。

相应地，电池随着使用时间的增加性能也会逐渐变差，导致每个单体电池的性能不同，因此有必要对使用的单体电池性能进行预判，例如仅使用SOC或SOH高于阈值的电池，发现有其他低于或等于阈值的电池则向上位机发出报警信号。

此外，在电池使用的过程中，各个单体电池的电压也会产生差异，有必要对单体电池的电压进行均衡。图13示出了电池均衡的示意图，其中示出了3个单体电池，在每个单体电池的正负极之间设置有单刀双掷开关S₁、S₂、S₃，单体电池的正负极分别与单刀双掷开关的刀连接，相连的单刀双掷开关的掷之间设置有均衡电容C₁₁、C₂₁，通过开关控制可以实现电容在两个相邻单体电池间的切换。当电容并联于电压相对较高的单体两端时，电池会对电容充电，而开关切换以后，电容又会对电压较低的单体充电，如此即可实现单体间能量的转移，从而达到电池组均衡的目的。当检测到电池组内单体电池电压差值超过设定值时，对电池进行均衡。

在确定可以对单体电池进行激励操作、优化操作、和/或均衡操作后，可以根据算法输出PWM信号来对电池进行管理和对PCS进行控制。通过计算PCS逆变器的功率器件所需要的开关频率和占空比，在图5所示的数据处理模块内生成PWM信号，该PWM信号经过标准的驱动板，驱动电池电子模块内部的开关管，及实现对PCS的控制。

相应地，本发明提供了一种电池电子管理系统，如图14所示，该系统包括：电压采集模块，用于采集单体电池电压状态；操作确定模块，用于根据采集的单体电池电压状态确定对单体电池执行以下操作中的至少一者：激励操作、优化操作、以及均衡操作；PWM信号输出模块，用于根据确定的操作向单体电池输出PWM信号。优选地，该系统还可以包括单体电池内阻计算模块，用于计算单体电池内阻。上述的电压采集模块、操作确定模块、PWM信号输出模块、和/或单体电池内阻计算模块等均可以在数据处理模块中实现。由于本发明已经对其提供的方法进行了详细的描述，对于各个模块的实现方式在此不再赘述。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (14)

1.一种电池电子管理方法，其特征在于，该方法包括：

采集单体电池电压状态，所述电池电压状态包含激励信号在所述单体电池两端所产生的感应电压，其中，所述激励信号为频率为20Hz-800Hz范围内的谐波信号；

根据采集的单体电池电压状态确定对单体电池执行以下操作中的至少一者：激励操作、优化操作、以及均衡操作；

根据所述感应电压与激励信号，确定所述单体电池的荷电状态SOC和/或电荷存储能力SOH；以及

根据确定的操作及所述单体电池的SOC和/或SOH，向所述单体电池所在电路的双向功率变换器的控制开关输出PWM信号，

其中，所述激励操作为基于所述激励信号生成PWM信号，所述优化操作包括使所述单体电池从放电转入恢复状态或从充电转入恢复状态，所述均衡操作为对所述单体电池中的相邻单体电池间的能量进行均衡。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据单体电池电压状态确定对单体电池执行以下操作中的至少一者：激励操作、优化操作、以及均衡操作包括：

当3.6V>单体电池电压>3.4V，或3.0V<单体电池电压<3.2V时，确定执行激励操作；

当3.2V≤单体电池电压≤3.4V时，确定执行优化操作；

当单体电池电压≥3.6V或单体电池电压≤3.0V时，确定执行均衡操作。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述激励操作包括将三角波与谐波激励信号比较以生成PWM信号；所述优化操作包括计算从充电状态转入恢复状态的第一单体电池荷电状态阈值，并在根据单体电池内阻获得单体电池荷电状态达到所述第一单体电池荷电状态阈值时所述单体电池从充电状态转入恢复状态，或者计算从放电状态转入恢复状态的第二单体电池荷电状态阈值，并在根据单体电池内阻获得单体电池荷电状态达到所述第二单体电池荷电状态阈值时所述单体电池从放电状态转入恢复状态；所述均衡操作包括利用电容均衡相邻的单体电池的能量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，单体电池荷电状态根据单体电池内阻以及单体电池内阻和单体电池荷电状态之间的对应关系得到。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，单体电池内阻根据下式计算：

R_x＝R_v·V_x/V_n，其中R_x为单体电池内阻，R_v为标准电阻，V_x为单体电池内阻两端的电位差，V_n为标准电阻两端的电位差，R_x和R_v串联。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一单体电池荷电状态阈值SOCt1＝SOCc+M1×t1/(8×Q)×100％；第二单体电池荷电状态阈值SOCt2＝SOCd+M2×t2/(8×Q)×100％；

其中SOCc为单体电池充电状态终止时的荷电状态值，M1为在单体电池充电过程中的累积电量，t1为单体电池在充电恢复状态下经历的时间，Q为单体电池的实际容量，SOCd为单体电池放电状态终止时的荷电状态值，M2为在单体电池放电过程中的累积电量，t2为单体电池在放电恢复状态下经历的时间。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，每个单体电池的两端之间设置有一个单刀双掷开关，单刀双掷开关的掷分别与所述单体电池的正极和负极连接，所述电容设置在相邻的单刀双掷开关的刀之间。

8.一种电池电子管理系统，其特征在于，该系统包括：

电压采集模块，用于采集单体电池电压状态，所述电池电压状态包含激励信号在所述单体电池两端所产生的感应电压，其中，所述激励信号为频率为20Hz-800Hz范围内的谐波信号；操作确定模块，用于根据采集的单体电池电压状态确定对单体电池执行以下操作中的至少一者：激励操作、优化操作、以及均衡操作；

数据处理模块，用于根据所述感应电压与激励信号，确定所述单体电池的荷电状态SOC和/或电荷存储能力SOH；以及

PWM信号输出模块，用于根据确定的操作及所述单体电池的SOC和/或SOH，向所述单体电池所在电路的双向功率变换器的控制开关输出PWM信号，

其中，所述激励操作为基于所述激励信号生成PWM信号，所述优化操作包括使所述单体电池从放电转入恢复状态或从充电转入恢复状态，所述均衡操作为对所述单体电池中的相邻单体电池间的能量进行均衡。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，操作确定模块，还用于：

当3.6V>单体电池电压>3.4V，或3.0V<单体电池电压<3.2V时，确定执行激励操作；

当3.2V≤单体电池电压≤3.4V时，确定执行优化操作；

当单体电池电压≥3.6V或单体电池电压≤3.0V时，确定执行均衡操作。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述激励操作包括将三角波与谐波激励信号比较以生成PWM信号；所述优化操作包括计算从充电状态转入恢复状态的第一单体电池荷电状态阈值，并在根据单体电池内阻获得单体电池荷电状态达到所述第一单体电池荷电状态阈值时所述单体电池从充电状态转入恢复状态，或者计算从放电状态转入恢复状态的第二单体电池荷电状态阈值，并在根据单体电池内阻获得单体电池荷电状态达到所述第二单体电池荷电状态阈值时所述单体电池从放电状态转入恢复状态；所述均衡操作包括利用电容均衡相邻的单体电池的能量。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，单体电池荷电状态根据单体电池内阻以及单体电池内阻和单体电池荷电状态之间的对应关系得到。

12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，该系统还包括单体电池内阻计算模块，用于根据下式计算单体电池内阻：

R_x＝R_v·V_x/V_n，其中R_x为单体电池内阻，R_v为标准电阻，V_x为单体电池内阻两端的电位差，V_n为标准电阻两端的电位差，R_x和R_v串联。

13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，第一单体电池荷电状态阈值SOCt1＝SOCc+M1×t1/(8×Q)×100％；第二单体电池荷电状态阈值SOCt2＝SOCd+M2×t2/(8×Q)×100％；

其中SOCc为单体电池充电状态终止时的荷电状态值，M1为在单体电池充电过程中的累积电量，t1为单体电池在充电恢复状态下经历的时间，Q为单体电池的实际容量，SOCd为单体电池放电状态终止时的荷电状态值，M2为在单体电池放电过程中的累积电量，t2为单体电池在放电恢复状态下经历的时间。

14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，每个单体电池的两端之间设置有一个单刀双掷开关，单刀双掷开关的掷分别与所述单体电池的正极和负极连接，所述电容设置在相邻的单刀双掷开关的刀之间。