CN108574326B - 并联电池组的放电控制方法 - Google Patents

Abstract

并联电池组广义均流控制方法及基于该方法的放电控制方法，涉及并联电池组的放电控制技术，属于电池组控制技术领域。本发明解决了现有并联电池组放电方法无法根据并联的电池组的性能调整放电电流的问题。所述并联电池组广义均流控制方法是在放电过程中，采用多个电源分别对多个并联的串联电池组的放电电流进行控制，所述多个电源输出的放电电流是按照多个并联电池组的电池能量指数Kpower(j)的比例关系进行分配。所述并联电池组的放电控制方法是将放电过程分成多个单位放电控制周期，每个放电控制周期为0.1～2分钟，每个放电周期中采用上述广义均流控制方法调整并联的多个串联电池组的放电电流。本发明适用于对并联电池组的放电控制。

Description

并联电池组的放电控制方法

技术领域

本发明涉及蓄电池的充放电控制技术，属于蓄电池控制技术领域。

背景技术

蓄电池组作为一种电能存储装置，由于单体蓄电池提供电压都远小于负载设备对电源电压的要求，因此必须将其串联后以电池组的方式使用。如图1所示

由于蓄电池组中所有电池单体全部采用直接串联结构，因此串联电池单体的充放电电流完全相同，全部电池单体同时实现同一电流充电和放电。理想情况下，单体电池电压相等，因此电池组充放电电压为单体电池电压*单体电池数量；但实际使用环境中，由于电池单体制造的非一致性和使用环境的原因，单体电池电压、容量等特性并不一致，在正常的电池组充放电使用过程中，会导致部分单体电池出现过充或欠充现象。单体电池长期处于过充或欠充状态，一方面会加剧电池组中单体电池的非一致性，引起其他正常单体电池出现过充或欠充，另一方面会逐步出现电池劣化问题，并最终导致电池组中全部电池失去存储电能的能力。

因此在电池组实际使用中，要求用户必须按时更换全部电池以保证电池组的电能存储能力和应急供电能力，而且一旦发现有单体电池出现劣化或失效，如果无法对电池单体进行严格全面的检测和筛选出和没有出现劣化或失效的其他电池高一致性的可替换电池进行更换，就必须整组更换全部同组的单体电池，形成巨大的浪费。

为解决单体电池的非一致性导致的电池劣化问题，目前多采用所谓有源(无源)均衡技术,如图2所示，即通过在电池单体上并联放电负载或充放电装置在常规电池组充放电的基础上进行单体电池小容量的充放电，以调整电池组中单体电池电压或容量的一致性，起到对电池的维护效果。其特点是外部均衡装置以并联方式连接到电池单体，本身不改变电池组原有的单体串联接线方式。由于单体均衡装置成本可实现性考虑，均衡装置容量有限，只能进行小容量调整，因此实际效果及其有限，且对电池制造或电池劣化带来的不一致性几乎没有效果。

现有针对并联电池组的放电控制方法中，一般都是靠电池组回路等效电阻被动决定并联电池组中单组电池的放电电流，当两组电池组组内电池单体、不同组电池单体差异比较大时，负载电流的分配不能有效配合电池组有效能量的大小，进而导致并联的电池组出现过放或者不能够放空的情况，进而影响整个并联电池组的性能。

发明内容

本发明解决了现有并联电池组放电控制方法中，没有考虑并联的多个电池组的性能差异、也无法在放电过程中依据电池组的状态动态调整放电电流进而出现过放或者不能够放空的情况，以及现有放电方法采用均衡技术仍不能够有效解决由于电池劣化带来的不一致性的问题。

本发明所述的并联电池组广义均流控制方法是采用并联的多个电源对所述并联电池组进行放电，在放电过程中，多个电源分别对应控制并联电池组中的多个并联连接的串联电池组的放电电流，所述多个电源输出的放电电流按照对应的串联电池组剩余能量的比例分配。

上述多个电源输出的放电电流的分配比例可以为Kpower(1)：Kpower(2)：…：Kpower (m)，其中m为大于1的正整数，其中Kpower(j)为第j个电源对应的串联电池组的电池能量指数，j＝1,2,…,m；所述串联电池组的电池能量指数Kpower(j)是通过下述公式计算获得的：

公式中，Vi是串联电池组中串联在放电回路中的第i个电池单元的端电压， i＝1,2,3..n；V0为串联电池组中的电池单元的放电电压下限，x>＝y>0。

为快速有效计量电池组存储电能，考虑电池充放电过程中，同一充放电电流下的在线电池单体电压可以一定程度上直接反应同状态下电池单体内的能量相对盈亏状态，因此发明人设计了电池组能量指数Kpower(j)这个参数。计算获得该参数涉及的两个参数x、y的含义分别是：所述x为电池组能量指数，y为电池单体差异权重指数，x＝y＝2。该指数可以反应a、电池组中在线单体电池总能量；b、电池组中在线单体电池能量不均衡度。

所述多个电源输出的放电电流的分配比例可以采用实时调整的方式实现，即：依据电池单元端电压的采样周期进行实时调整，也可以设定固定的时间进行周期性调整，例如：可以每间隔时间t依据在线所有电池单元的端电压调整一次，所述时间t大于1s且小于20s。

基于上述控制方法的放电控制方法，所述并联电池组由m个串联电池组并联组成，每个串联电池组由n+w个电池单元串联组成，所述放电方法是采用m个电源与m个电池组一一对应控制放电电流，所述放电方法是将放电过程分成多个单位放电控制周期，每个放电控制周期为0.1～2分钟；在每个单位放电控制周期内，保持每个串联电池组有n个电池单元在线，其余w个电池单元离线；在每个单位放电控制周期结束时，调整m个串联电池组在线放电的电池单元，具体调整方法为：将在线的电池单元中能量最少的p个电池单元切除，同时在离线的w个电池单元中选择能量最多的p个电池单元切入放电回路，然后启动下一个单位放电控制周期，直到n+w个电池单元均被放空，完成放电，其中p<n且p<w；每个放电周期的放电电流的控制采用上述并联电池组广义均流控制方法实现。

所述电池能量指数x能够体现出串联电池组中在线电池单元的总能量，电池单体差异权重指数y能够体现出串联电池组中在线电池单元能量的不均衡度。依据这两个参数获得的串联电池组的电池能量指数Kpower(j)，是调整并联的多个串联电池组在放电过程中所承担负载分配比例关系的依据，该指数能够体现出：

1、相同情况下，同组的电池单元单的端电压越高(基本等效电池有效能量越足)，则该指数Kpower(j)越大。

2、同组的电池单元的端电压的一致性越高(基本等效电池有效能量越足)，则该指数 Kpower(j)越大。

3、该指数Kpower(j)越大，表示采用所述的广义均流控制方法进行放电所释放出的能量就越大，因此针对并联电池组来说，相应的串联电池组所分担的电流就应该越大。

综上所述，在本发明所述的并联电池组广义均流控制方法中，该指数Kpower(j)控制依据，在放电过程中，通过该指数Kpower(j)来分配并联的多个串联电池组的放电电流大小(即调整多个串联电池组所承担负载电流的比例)，最终实现并联电池组最大放电能力；5、该指数Kpower(j)是在放电过程中实时变化的，因此在放电过程中，并联的多个串联电池组的负载承担比例也是实时变化的。

常规的多个串联电池组并联放电时，只能靠电池组回路等效电阻被动决定并联电池组中单组电池的放电电流，当两组电池组组内电池单体、不同组电池单体差异比较大时，负载电流的分配不能有效配合电池组有效能量的大小。本发明在放电过程中引入了串联电池组的电池能量指数Kpower(j)，并依据该指数调整放电回路中放电电流的分配，即：调整并联的多个串联电池组的放电电流的分配比例，使其与相应电池组的电池能量指数相对应，进而有效的实现：让电能多的串联电池组多放电、电能少的串联电池组少放电；相同能量时电池单元一致性好的串联电池组多放电，进而实现最大限度地利用电池组存储的能量。

本发明所述的基于并联电池组广义均流控制方法的放电控制方法，是采用时分充放电方法对电池单体实现分时控制，是将现有连续的充电或放电过程变成有间断的多个固定时长的多个小连续过程，该充放电方法完全摒弃了蓄电池充放电均衡控制的理念，而是以单元蓄电池充满、放空且无过充过放为充放电最终控制目标，而不再以电池电压一致性为控制目标，最终实现电池组在使用过程中实现最大电能的储放能力和安全可靠使用目标。

上述放电控制方法中，多个小的放电周期，相邻放电周期之间会有短暂的停顿，一般是切换电池单元所需的时间，大约在10ms左右，如果采用电子开关实现切换，则可以在10ms内完成，经试验证明，该种停顿并没有影响充电/放电的化学反应，相反，这个短暂的停顿更有利于让电池内部的化学反应有一个小的缓冲，这种缓冲更有利于化学反应的充分进行，因此还达到了整个充电周期或放电周期变短、节约能源的效果。

本发明适用于对现有并联电池组的放电电流的控制，可以应用于现有针对并联电池组的放电系统中。

附图说明

图1是现有常见的电池充放电管理系统的原理框图。

图2是现有技术中，带有均衡技术的电池充放电管理系统的原理框图。

图3是一种实现电池单元切换的投切开关的一种电路原理图。

实施方式

具体实施方式一、本实施方式所述的并联电池组广义均流控制方法是采用并联的多个电源对所述并联电池组进行放电，在放电过程中，多个电源分别对应控制并联电池组中的多个并联连接的串联电池组的放电电流，所述多个电源输出的放电电流按照对应的串联电池组剩余能量的比例分配。

本实施方式中，对于多个电源输出的放电电流的分配比例可以是：Kpower(1)：Kpower (2)：…：Kpower(m)，其中m为大于1的正整数，其中Kpower(j)为第j个电源对应的串联电池组的电池能量指数，j＝1,2,…,m；所述串联电池组的电池能量指数Kpower(j) 是通过下述公式计算获得的：

公式中，Vi是第j个电源对应的串联电池组中串联在放电回路中的第i个电池单元的端电压，i＝1,2,3..n；V0为所述串联电池组中的电池单元的放电电压下限，x>＝y>0。

m是指并联电池组中包含的串联电池组的个数，常见的是m＝2。

所述x为电池组能量指数，y为电池单体差异权重指数，本实施方式中取值为x＝y＝2。

所述多个电源输出的放电电流的分配比例，该分配比例理论上是可以根据放电回路中的所有电池单元的端电压的变化而进行实时调整的，在实际应用中是，可以根据放电系统的电池单元的采样频率来确定，可以在每个采样周期调整一次，也可以设定固定的时间间隔t来进行调整，一般所述时间隔时间t的取值可以选择大于1s且小于20s。

具体实施方式二、本实施方式所述的是并联电池组的放电控制方法，该放电控制方法是基于具体实施方式一所述的并联电池组广义均流控制方法实现的，所述并联电池组由m 个串联电池组并联组成，每个串联电池组由n+w个电池单元串联组成，所述放电方法是采用m个电源与m个电池组一一对应控制放电电流，所述放电方法是将放电过程分成多个单位放电控制周期，每个放电控制周期为0.1～2分钟；在每个单位放电控制周期内，保持每个串联电池组有n个电池单元在线，其余w个电池单元离线；在每个单位放电控制周期结束时，调整m个串联电池组在线放电的电池单元，具体调整方法为：将在线的电池单元中能量最少的p个电池单元切除，同时在离线的w个电池单元中选择能量最多的p个电池单元切入放电回路，然后启动下一个单位放电控制周期，直到n+w个电池单元均被放空，完成放电，其中p<n且p<w；每个放电周期内，采用具体实施方式一所述的并联电池组的放电控制方法控制放电电流。

本实施方式中，在首个单位放电控制周期启动前，将每个串联电池组中端电压最大的 n个电池单元切入放电回路，然后启动所述首个单位放电控制周期。

放电过程中每个放电控制周期可以相同，也可以不同。当每个放电周期不同时，可以根据实际情况来设计，例如：可以将所有放电控制周期设计成逐渐递减的方式。

本实施方式中，在每个放电周期内，控制放电电流的方法，可以采用下述三种方式：

第一种：每个放电周期只有一个放电电流。具体为：在每个放电周期开始时，根据所采集的电池单元的端电压获得m个电池能量指数Kpower(j)，然后依据所述电池能量指数Kpower(j)控制m个电源输出的放电电流的分配比例为Kpower(1)：Kpower(2)：…： Kpower(m)，直到本放电周期结束。

第二种：每个放电周期中实时调整各个串联电池组的放电电流的分配比例。具体为：在每个放电周期中，对m个电源输出的放电电流进行实时调整，即：根据每次采样获得的电池单元的端电压数据计算获得m个电池能量指数Kpower(j)，然后依据所述电池能量指数Kpower(j)控制m个电源输出的放电电流的分配比例为Kpower(1)：Kpower(2)：…： Kpower(m)。

第三种：每个放电周期中固定件间隔调整各个串联电池组的放电电流分配比例。具体为：在每个放电周期中，每间隔时间t，采集获得电池单元的端电压并计算获得m个电池能量指数Kpower(j)，然后依据获得的m个电池能量指数Kpower(j)调整m个电源输出的放电电流的分配比例。

上述控制方法中，将串联电池组中的电池单元切入/切除放电回路中，可以采用电子投切开关实现，参见图3所示，是一种电子开关的电路原理图，该种投切开关包括两个mosfet 功率器件T1、T2和一个稳压二极管D1，所述稳压二极管D1用于与投切开关连接电池单元并联连接，一个mosfet功率器件作为切入开关，另一个mosfet功率器件作为切除开关，且所述两个mosfet功率器件T1、T2的控制信号相反。

本实施方式中，所述的切入开关用于将相应的电池单元切入充电或放电回路中。所述的切除开关，也是旁路开关，用于将相应的电池单元从充电或放电回路中旁路，使所述电池单元从充电回路或放电回路中脱离。为了防止瞬间同时导通而引起的电池短路放电现象的发生，所述两个mosfet功率器件T1、T2的控制信号之间间隔四个区控制。

本实施方式所述的mosfet功率器件T1、T2为具备反并联二极管的mosfet功率器件。

本实施方式所述的投切开关的开关速度快，能够达到微秒级，进而能够保证每次的电池单元切入或者切除动作不会影响充电或放电过程中，保证电池组串联无瞬间断开的现象。

Claims (6)

1.一种并联电池组的放电控制方法，其特征在于，所述并联电池组由m个串联电池组并联组成，每个串联电池组由n+w个电池单元串联组成，所述放电方法是采用m个电源与m个电池组一一对应控制放电电流，

所述放电方法是将放电过程分成多个单位放电控制周期，每个单位放电控制周期为0.1～2分钟；

在每个单位放电控制周期内，保持每个串联电池组有n个电池单元在线，其余w个电池单元离线；

在每个单位放电控制周期结束时，调整m个串联电池组在线放电的电池单元，具体调整方法为：将在线的电池单元中能量最少的p个电池单元切除，同时在离线的w个电池单元中选择能量最多的p个电池单元切入放电回路，然后启动下一个单位放电控制周期，直到n+w个电池单元均被放空，完成放电，其中p<n且p<w；

每个单位放电控制周期内，控制m个电源输出的放电电流的分配比例为Kpower(1)：Kpower(2)：…：Kpower(m)，其中Kpower(j)为第j个电源对应的串联电池组的电池能量指数，j＝1,2,…,m；所述串联电池组的电池能量指数Kpower(j)是通过下述公式计算获得的：

公式中，Vi是串联电池组中串联在放电回路中的第i个电池单元的端电压，i＝1,2,3..n；V0为电池单元的放电电压下限，x>＝y>0。

2.根据权利要求1所述的一种并联电池组的放电控制方法，其特征在于，在首个单位放电控制周期启动前，将每个串联电池组中端电压最大的n个电池单元切入放电回路，然后启动所述首个单位放电控制周期。

3.根据权利要求1所述的一种并联电池组的放电控制方法，其特征在于，放电过程中每个单位放电控制周期相同。

4.根据权利要求1所述的一种并联电池组的放电控制方法，其特征在于，放电过程中，单位放电控制周期逐渐递减。

5.根据权利要求1所述的一种并联电池组的放电控制方法，其特征在于，所述在每个单位放电控制周期内，控制m个电源输出的放电电流的分配比例为Kpower(1)：Kpower(2)：…：Kpower(m)，是指：在放电周期开始时，根据在线的所有电池单元的端电压获得串联电池组的电池能量指数Kpower(j)，并依据该指数Kpower(j)获得相应的分配比例。

6.根据权利要求1所述的一种并联电池组的放电控制方法，其特征在于，所述在每个单位放电控制周期内，控制m个电源输出的放电电流的分配比例为Kpower(1)：Kpower(2)：…：Kpower(m)，是指：在该周期内通过实时检测获得的电池端电压计算获得相应的电池能量指数Kpower(j)，并依据获得的该指数实时调整m个电源输出的放电电流分配比例。

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