CN106655348A - 基于级联储能变流器的电池组充电控制方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于级联储能变流器的电池组充电控制方法和控制装置，首先，判断需要旁路的储能变流器的个数；然后，当需要旁路的个数小于或者等于1时，计算电池组中电压最大的储能变流器对应的最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值；最后，当最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值的绝对值均大于设定的误差阈值时，对电压最大的储能变流器中的变流装置进行PWM控制，以对该储能变流器中的储能装置进行PWM充电。通过对该变流器进行PWM调控，从而解决了电池组中某个储能变流器的不一致性和故障导致的电池组无法正常工作的难题，实现了电池组的整体调控。所以，本发明提供的充电控制方法能够有效地对电池组进行充电控制。

Description

基于级联储能变流器的电池组充电控制方法和控制装置

技术领域

本发明涉及基于级联储能变流器的电池组充电控制方法和控制装置。

背景技术

目前，随着新能源储能的快速发展，储能电池得到了广泛的应用和高速发展从而带动了储能系统的迅猛发展。由于储能电池具有明显的非线性、不一致性和时变特性，使其在长期充放电过程中由于各单体组间充电接受能力、自放电率和容量衰减速率等的影响，容易造成成组电池之间的离散性加大，性能衰减加剧，储能电池组使用过程中会遇到电池组电压不一致问题，直接影响整簇储能电池的性能，严重的情况甚至会发生威胁安全的严重后果。

传统的电池控制策略是从电池组内的电池单体角度出发，且存在能量消耗和效率低下的问题，根据储能电池组特性，需要从储能电池组的角度出发，进行有效管理，以保证整个储能电池簇的安全和可控运行，这对于维护储能电池组安全、保持储能电池组性能、延长储能电池组寿命都具有重要的意义。

如图1所示，为一种基于储能变流器的电池组，包括若干个级联设置的MMC储能变流器，每个MMC储能变流器包括储能装置和变流装置，储能装置可以是单体电池，也可以是由若干个单体电池构成的电池组。由于每个储能变流器中均设置有独立的储能装置和变流装置，所以，由若干个储能变流器级联构成的电池组在控制时难度较大，现有的控制方法无法有效地对该类电池组进行充放电控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于级联储能变流器的电池组充电控制方法，用于解决现有的控制方法无法有效地对该类电池组进行充电控制的问题。本发明同时提供一种基于级联储能变流器的电池组充电控制装置。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种电池组充电控制方法，包括以下步骤：

(1)判断电池组中需要旁路的储能变流器的个数；

(2)当需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1时，计算电池组中电压最大的储能变流器对应的最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值；

(3)当所述最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值的绝对值均大于一个设定的误差阈值时，对所述电压最大的储能变流器中的变流装置进行PWM控制，以对所述电压最大的储能变流器中的储能装置进行PWM充电。

检测某储能变流器的电压，当电压大于一设定的电压上限阈值时，判定该储能变流器需要旁路。

在确定需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1之后，比较电池组中电压最小的储能变流器对应的最小电压与设定的电压下限阈值的大小，当所述最小电压小于设定的电压下限阈值时，计算所述最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值。

一种电池组充电控制装置，包括：

判断模块，用于判断电池组中需要旁路的储能变流器的个数；

计算模块，用于当需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1时，计算电池组中电压最大的储能变流器对应的最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值；

控制模块，用于当所述最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值的绝对值均大于一个设定的误差阈值时，对所述电压最大的储能变流器中的变流装置进行PWM控制，以对所述电压最大的储能变流器中的储能装置进行PWM充电。

检测某储能变流器的电压，当电压大于一设定的电压上限阈值时，判定该储能变流器需要旁路。

在确定需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1之后，比较电池组中电压最小的储能变流器对应的最小电压与设定的电压下限阈值的大小，当所述最小电压小于设定的电压下限阈值时，计算所述最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值。

本发明提供的电池组充电控制方法适用于电池组中需要旁路的储能变流器最多只有一个的情况，在充电过程中，当某个储能变流器的电压过高需要旁路的时候，对该储能变流器进行PWM充电控制，降低能量输入，保证其在不被旁路的情况下参与到电池组的正常运行中，避免了该储能变流器被旁路，提升了电池组运行的可靠性。所以，通过对该储能变流器进行PWM调控，从而解决了电池组中某个储能变流器的不一致性和故障导致的电池组无法正常工作的难题，实现了电池组的整体调控。所以，本发明提供的充电控制方法能够有效地对电池组进行充电控制。

本发明提供的充电控制方法相较于当电压大于一定值时直接将储能变流器旁路，提高了整个电池组在平台电压阶段的充电效率，而且，由于直接将储能变流器旁路时，对应的电池的电压会迅速回落，极有可能导致电压误判，进而导致保护误动，所以，该充电控制方法能够避免电池电压迅速回落导致的电压误判和保护误动。

该充电控制方法能够解决因储能变流器差异导致整个电池组应用率降低的问题，从而实现电压均衡控制，解决电池组一致性问题，让每个储能变流器均能够达到最佳容量状态。

附图说明

图1是基于储能变流器的电池组的拓扑结构示意图；

图2是电池组与BMS之间的连接关系示意图；

图3是储能变流器的控制原理示意图；

图4是储能变流器的三种状态与对应的开关管导通关系的示意图；

图5是充电控制方法的整体流程框图；

图6是充电控制方法的一种实施方式的控制流程示意图；

图7是放电控制方法的整体流程框图；

图8是放电控制方法的一种实施方式的控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

充电控制方法实施例

如图2所示，电池组包括N个MMC储能变流器，N的个数根据实际情况进行设定，而且，该电池组包括有BMS主控模块，用于对各个储能变流器进行控制，所以，该电池组中，BMS主控模块作为控制单元，MMC储能变流器作为执行单元，控制各MMC储能变流器的算法在BMS主控模块中的MCU内核里实现。

各储能变流器的结构相同，对于其中任意一个储能变流器来说，该MMC储能变流器除了包括有储能装置和变流装置之外，还包括有一个控制电路和一个驱动电路，当然，还包括设置在储能变流器内相应位置处的电压检测装置和电流检测装置。控制电路采样连接电压检测装置和电流检测装置，该控制电路的作用可以是对储能变流器上的电压采样信息和电流采样信息进行初步处理；驱动电路用于根据控制信号驱动变流装置上的开关管(例如MOS管)导通或者关断动作。

各储能变流器通过对应的控制电路与BMS主控模块通信连接，本实施例中，各控制电路通过通信线路连接CAN总线，BMS主控模块也连接CAN总线，以实现各储能变流器与BMS主控模块通信连接。每个控制电路由一个地址，BMS主控模块根据地址进行识别。

BMS主控模块通过CAN总线以及各控制电路获取对应储能变流器上的电压采样信息和电流采样信息，并根据所采集的各储能变流器的电压信息，以及BMS主控模块内设定的控制策略产生相应的储能变流器的控制信号，并将控制信号下发给对应的驱动电路，来对变流装置上的开关管进行导通或者关断动作，如图3所示。

根据MMC储能变流器的结构可以看出，其具有三种状态，分别是充电状态、放电状态和旁路状态，如图4所示，其中，充电状态和旁路状态为正常工作状态，而旁路状态为安全保护状态。当对应的储能变流器故障时，开启旁路状态，以对该储能变流器进行安全保护。

所以，从上述可知，电池组以及各储能变流器的结构属于常规技术，虽然上述给出了一定的结构，但是只是为了引出下述的控制策略，因此，本发明并不局限于上述结构。

而BMS主控模块内设定的控制策略则为本发明的发明点，该控制策略包括两部分，分别是充电控制策略和放电控制策略，充电控制策略是电池组在充电过程中进行的控制策略，放电控制策略是电池组在放电过程中进行的控制策略。以下对BMS主控模块内设定的充电控制策略进行说明。

该充电控制策略，即充电控制方法整体包括以下步骤，如图5所示：

(1)判断电池组中需要旁路的储能变流器的个数；

(2)当需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1时，计算电池组中电压最大的储能变流器对应的最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值；

(3)当最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值的绝对值均大于一个设定的误差阈值时，对电压最大的储能变流器中的变流装置进行PWM控制，以对该电压最大的储能变流器中的储能装置进行PWM充电。

针对上述各步骤，以下给出具体的实施方式。

在判断电池组中需要旁路的储能变流器的个数时，以下给出两种实施过程：

第一种是直接判断方式，具体为：BMS主控模块接收各储能变流器的电压信息，由于在充电过程中，当电压过高时为了储能变流器的安全，需要对储能变流器进行旁路，所以，BMS主控模块将各储能变流器的电压与设定的电压上限阈值做比较，当有储能变流器的电压大于该设定的电压上限阈值时，判定该储能变流器电压过高，需要旁路。BMS主控模块对所有的储能变流器进行比较，最终得到需要旁路的储能变流器的数量。当需要旁路的个数大于1时，该充电控制策略结束；当需要旁路的个数小于或者等于1时，继续执行该充电控制策略。因此，该充电控制策略适用于需要旁路的储能变流器的个数是1个或者0个。

第二种并非直接判断，具体为以下步骤：

1)BMS主控模块将各储能变流器的电压与设定的电压上限阈值做比较，当有储能变流器的电压大于该设定的电压上限阈值时，判定该储能变流器电压过高，需要旁路。BMS主控模块对所有的储能变流器进行比较，最终得到需要旁路的储能变流器的数量。当需要旁路的个数大于x时，该充电控制策略结束；当需要旁路的个数小于或者等于x时，继续执行该充电控制策略；其中，x由储能变流器的个数决定，这里x大于1；

2)BMS主控模块对所有的储能变流器的电压进行排序，标记出最高电压的储能变流器和最低电压的储能变流器；

3)当出现电池组中某一储能变流器的电压En大于设定的电压上限阈值时，而且电池组还存在一个储能变流器，该储能变流器的电压是电池组中的最高电压Emax，即Emax≥En时，该充电控制策略结束，否则继续向下执行充电控制策略。也就是说，当有至少两个储能变流器的电压大于设定的电压上限阈值时，该充电控制策略结束，只有需要旁路的个数小于或者等于1时，才执行该充电控制策略。

所以，上述第二种方式中，首先进行初步判断，找到需要旁路的储能变流器，然后做出进一步限定，只有需要旁路的个数小于或者等于1时，才执行该充电控制策略。

上述过程中涉及到电压上限阈值，该电压上限阈值为设定值，根据储能装置的电压情况进行设定。通常情况下，储能装置由多个单体电池构成的电池模块，所以，根据一个单体电池的最大充电电压以及单体电池的个数可以得到该电压上限阈值，比如：电压上限阈值等于一个单体电池的最大充电电压乘以单体电池的个数，如果一个单体电池的最大充电电压为3.65V，而且储能装置由16个单体电池串联构成，那么，电压上限阈值可为3.65V×16＝58.4V。

在判定出需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1之后，比较电池组中电压最小的储能变流器对应的最小电压与设定的电压下限阈值的大小，当该最小电压小于设定的电压下限阈值时，继续执行该充电控制策略。其中，电压下限阈值也为设定值，也是根据储能装置的电压情况进行设定，与上述电压上限阈值的设定原理相似，该电压下限阈值可设定为55.6V。

当最小电压小于设定的电压下限阈值时，根据电池组中电压最大的储能变流器进行以下处理：分别计算该电压最大的储能变流器对应的最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值，以差值为例；然后将各差值的绝对值与一个设定的误差阈值(比如2V)分别进行比较，如果各差值的绝对值均大于该设定的误差阈值时，对电压最大的储能变流器中的变流装置进行PWM控制，以对该储能变流器中的储能装置进行PWM充电，即对储能装置根据PWM波按照一定的比例充电。在正常情况下，充电状态下的储能装置利用MOS管T1对应的二极管D1充电，不受MOS管T1的通断控制，在二极管D1的作用下一直充电，如图4所示，所以，在控制对储能装置进行PWM充电时，不能对MOS管T1进行通断控制，需要对MOS管T2进行通断控制，在一个PWM周期内，PWM波有两个电平状态，其中一个电平状态控制MOS管T2断开，通过二极管D1对储能装置进行充电，另一个电平状态控制MOS管T2闭合，储能变流器处于旁路状态，无法对储能装置进行充电，因此，在一个PWM周期内，通过PWM能够对MOS管T2进行通断控制，能够控制储能变流器不是一直充电，而是按照一定比例进行充电，实现对储能装置进行PWM充电。其中，对储能装置的PWM充电控制的时长、频率和占空比均是根据实际情况进行设置，比如本实施例中，PWM时长不长于60s的控制周期，频率为20KHz，占空比为0.5。

图6是充电控制策略的一种具体的实施过程。

上述实施例中，在确定需要旁路的储能变流器的个数小于等于1之后，比较电池组中电压最小的储能变流器对应的最小电压与设定的电压下限阈值的大小，当最小电压小于设定的电压下限阈值时，计算最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值。该实施例只是一种优化的实施方式，作为其他的实施例，根据最小电压进行的控制步骤可以省略，即在确定需要旁路的储能变流器的个数小于或等于1之后，还可以直接计算最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值，然后进行后续的控制。

充电控制装置实施例

该充电控制装置包括以下三个模块：

判断模块，用于判断电池组中需要旁路的储能变流器的个数。

计算模块，用于当需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1时，计算电池组中电压最大的储能变流器对应的最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值；

控制模块，用于当最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值的绝对值均大于一个设定的误差阈值时，对电压最大的储能变流器中的变流装置进行PWM控制，以对电压最大的储能变流器中的储能装置进行PWM充电。

通过分析可知，该控制装置的三个模块均为软件模块，与充电控制方法中的三个步骤一一对应，因此，该控制装置本质上仍旧为控制方法，通过加载在BMS中以实现其充电控制的功能，由于上述充电控制方法实施例中已对控制方法做出了详细地描述，这里就不再具体说明。

放电控制方法实施例

该放电控制方法基于的电池组的拓扑结构以及其他相关结构与上述充电控制方法实施例中的相同，本实施例就不再说明，以下对放电控制方法进行着重说明。

该放电控制方法整体上有以下步骤，如图7所示：

(1)判断电池组中需要旁路的储能变流器的个数；

(2)当需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1时，计算电池组中电压最小的储能变流器对应的最小电压与其他各储能变流器的电压的误差值；

(3)当最小电压与其他各储能变流器的电压的误差值的绝对值均大于一个设定的误差阈值时，对电压最小的储能变流器中的变流装置进行PWM控制，以对电压最小的储能变流器中的储能装置进行PWM放电。

针对上述各步骤，以下给出具体的实施方式。

在判断电池组中需要旁路的储能变流器的个数时，以下给出两种实施过程：

第一种是直接判断方式，具体为：BMS主控模块接收各储能变流器的电压信息，由于在放电过程中，当电压过低时为了储能变流器的安全，需要对储能变流器进行旁路，所以，BMS主控模块将各储能变流器的电压与设定的电压下限阈值做比较，当有储能变流器的电压小于该设定的电压下限阈值时，判定该储能变流器电压过低，需要旁路。BMS主控模块对所有的储能变流器进行比较，最终得到需要旁路的储能变流器的数量。当需要旁路的个数大于1时，该放电控制策略结束；当需要旁路的个数小于或者等于1时，继续执行该放电控制策略。因此，该放电控制策略适用于需要旁路的储能变流器的个数是1个或者0个。

第二种并非直接判断，具体为以下步骤：

1)BMS主控模块将各储能变流器的电压与设定的电压下限阈值做比较，当有储能变流器的电压小于该设定的电压下限阈值时，判定该储能变流器电压过低，需要旁路。BMS主控模块对所有的储能变流器进行比较，最终得到需要旁路的储能变流器的数量。当需要旁路的个数大于x时，该放电控制策略结束；当需要旁路的个数小于或者等于x时，继续执行该放电控制策略；其中，x由储能变流器的个数决定，这里x大于1。

2)BMS主控模块对所有的储能变流器的电压进行排序，标记出最高电压的储能变流器和最低电压的储能变流器。

3)当出现电池组中某一储能变流器的电压En小于设定的电压下限阈值时，而且电池组还存在一个储能变流器，该储能变流器的电压是电池组中的最低电压Emin，即Emin≤En时，该放电控制策略结束，否则继续向下执行放电控制策略。也就是说，当有至少两个储能变流器的电压小于设定的电压下限阈值时，该放电控制策略结束，只有需要旁路的个数小于或者等于1时，才执行该放电控制策略。

所以，上述第二种方式中，首先进行初步判断，找到需要旁路的储能变流器，然后做出进一步限定，只有需要旁路的个数小于或者等于1时，才执行该放电控制策略。

上述过程中涉及到电压下限阈值，该电压下限阈值为设定值，根据储能装置的电压情况进行设定。通常情况下，储能装置由多个单体电池构成的电池模块，所以，根据一个单体电池的最低放电电压以及单体电池的个数可以得到该电压下限阈值，比如：电压下限阈值等于一个单体电池的最低放电电压乘以单体电池的个数，如果一个单体电池的最低放电电压为2.7V，而且储能装置由16个单体电池串联构成，那么，电压下限阈值可为2.7V×16＝43.2V。

在判定出需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1之后，比较电池组中电压最大的储能变流器对应的最大电压与设定的电压上限阈值的大小，当该最大电压大于或者等于设定的电压上限阈值时，继续执行该放电控制策略。其中，电压上限阈值也为设定值，也是根据储能装置的电压情况进行设定，与上述电压下限阈值的设定原理相似，该电压上限阈值可为44.8V。

当上述最大电压大于或者等于设定的电压上限阈值时，根据电池组中电压最小的储能变流器进行以下处理：分别计算该电压最小的储能变流器对应的最小电压与其他各储能变流器的电压的误差值，以差值为例；然后将各差值的绝对值与一个设定的误差阈值(比如2V)分别进行比较，如果各差值的绝对值均大于该设定的误差阈值时，对电压最小的储能变流器中的变流装置进行PWM控制，以对该储能变流器中的储能装置进行PWM放电，即根据PWM波按照一定比例放电。在正常情况下，储能装置在放电状态下时，MOS管T1闭合、且MOS管T2断开，如图4所示；旁路状态下时，MOS管T1断开、且MOS管T2闭合。所以，在控制对储能装置进行PWM放电时，PWM一个周期内有两个电平状态：低电平和高电平，其中，一个电平状态控制MOS管T1断开和MOS管T2闭合，另一个电平状态控制MOS管T1闭合和MOS管T2断开，所以，在一个PWM周期内，储能装置以一定的比例放电，即储能装置进行PWM放电。其中，对PWM的时长、频率和占空比均是根据实际情况进行设置，比如本实施例中，时长不长于60s的控制周期，频率为20KHz，占空比为0.5。

图8是充电控制策略的一种具体的实施过程。

上述实施例中，在确定需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1之后，比较电池组中电压最大的储能变流器对应的最大电压与设定的电压上限阈值的大小，当最大电压大于或者等于设定的电压上限阈值时，计算最小电压与其他各储能变流器的电压的误差值。该实施例只是一种优化的实施方式，作为其他的实施例，根据最大电压进行的控制步骤可以省略，即在确定需要旁路的储能变流器的个数小于或等于1之后，还可以直接计算最小电压与其他各储能变流器的电压的误差值，然后进行后续的控制。

放电控制装置实施例

该放电控制装置包括以下三个模块：

判断模块，用于判断电池组中需要旁路的储能变流器的个数。

计算模块，用于当需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1时，计算电池组中电压最小的储能变流器对应的最小电压与其他各储能变流器的电压的误差值。

控制模块，用于当最小电压与其他各储能变流器的电压的误差值的绝对值均大于一个设定的误差阈值时，对电压最小的储能变流器中的变流装置进行PWM控制，以对电压最小的储能变流器中的储能装置进行PWM放电。

通过分析可知，该控制装置的三个模块均为软件模块，与放电控制方法中的三个步骤一一对应，因此，该控制装置本质上仍旧为控制方法，通过加载在BMS中以实现其放电控制的功能，由于上述放电控制方法实施例中已对控制方法做出了详细地描述，这里就不再具体说明。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种电池组充电控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)判断电池组中需要旁路的储能变流器的个数；

(2)当需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1时，计算电池组中电压最大的储能变流器对应的最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值；

(3)当所述最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值的绝对值均大于一个设定的误差阈值时，对所述电压最大的储能变流器中的变流装置进行PWM控制，以对所述电压最大的储能变流器中的储能装置进行PWM充电。

2.根据权利要求1所述的电池组充电控制方法，其特征在于，检测某储能变流器的电压，当电压大于一设定的电压上限阈值时，判定该储能变流器需要旁路。

3.根据权利要求1或2所述的电池组充电控制方法，其特征在于，在确定需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1之后，比较电池组中电压最小的储能变流器对应的最小电压与设定的电压下限阈值的大小，当所述最小电压小于设定的电压下限阈值时，计算所述最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值。

4.一种电池组充电控制装置，其特征在于，包括：

判断模块，用于判断电池组中需要旁路的储能变流器的个数；

计算模块，用于当需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1时，计算电池组中电压最大的储能变流器对应的最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值；

控制模块，用于当所述最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值的绝对值均大于一个设定的误差阈值时，对所述电压最大的储能变流器中的变流装置进行PWM控制，以对所述电压最大的储能变流器中的储能装置进行PWM充电。

5.根据权利要求4所述的电池组充电控制装置，其特征在于，检测某储能变流器的电压，当电压大于一设定的电压上限阈值时，判定该储能变流器需要旁路。

6.根据权利要求4或5所述的电池组充电控制装置，其特征在于，在确定需要旁路的储能变流器的个数小于或者等于1之后，比较电池组中电压最小的储能变流器对应的最小电压与设定的电压下限阈值的大小，当所述最小电压小于设定的电压下限阈值时，计算所述最大电压与其他各储能变流器的电压的误差值。