CN109038707B - 一种电池组分段混合均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池组分段混合均衡控制方法，该方法包括以下步骤：S0.同时判断电池组各单体电池是否满足V_L＜V_i＜V_H和电池组是否满足0＜SOC_min≥SOC_max＜1，若同时满足，则进入步骤S1，否则，不进行充放电均衡,结束；S1.在电池组电压平台期，以SOC最大的单体电池作为均衡对象，以SOC作为均衡控制变量进行均衡控制，在电池组电压非平台期，以电压最大的单体电池作为均衡对象，以电压作为均衡控制变量进行均衡控制。其中，V_L为单体电池放电截止电压，V_H为单体电池充电截止电压，V_i表示电池组中第i个单体电池的电压；SOC_min、SOC_max分别为电池组中各单体电池的SOC最小值和最大值。

Description

一种电池组分段混合均衡控制方法

技术领域

本发明属于电化学储能领域，更具体地，涉及一种电池组分段混合均衡控制方法。

背景技术

大规模储能技术是构建可再生能源高渗透率电网，实现电力能源可持续发展的关键技术。目前，多种储能技术已经被广泛研究，其中电池储能技术凭借其技术成熟程度以及优良的综合性能在大规模储能领域具有广阔的应用前景。在电池储能系统中，需要将单体电池串并联成组使用，以达到大容量储能系统的电压和容量等级要求。由于单体电池间存在制造工艺和使用环境的差异，单体电池间的性能必然会存在不一致性，并且这种不一致性将会随着电池服役时间的增长而逐渐增强，严重制约电池组的整体性能，所以必须对电池组采取相应的均衡控制措施，降低电池不一致性的影响，使电池组的性能达到优化。

专利CN05141004A公开了一种采用非线性电阻对电池组进行能耗均衡的方法，该方法虽然控制简单，但会造成大量的能量损失，仅适合在含单体电池少的电池组中应用。专利CN106654413A公开了一种液态金属电池组多级均衡控制系统及方法，同时采用主、被动均衡，提高了电池组的均衡效率，解决了液态金属单体电池电压平台低，难以实施主动均衡的问题。但是其两级均衡系统均以SOC作为均衡控制变量，SOC估算精度不够对均衡效果影响大。以上两种均衡方法均没有考虑到电池在电压非平台期电压变化较快，即若单体电池间SOC相差不大，电压差异仍然很明显等问题。

由于存在上述缺陷与不足，本领域亟需做出进一步的改进和完善，设计一种针对具有电压平台宽又平坦且电压非平台期电压变化快特性的电池的分段混合均衡控制策略，使其能够解决电池电压平台宽又平坦、电压非平台期电压变化快等特点造成的电池组均衡效率低以及均衡效果不理想的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种电池组分段混合均衡控制方法，其目的在于采取在电池处于电压非平台期以电压作为均衡控制变量，在电池处于电压平台期以SOC作为均衡控制变量的控制方法，由此来解决电池电压平台宽又平坦、电压非平台期电压变化快等特点造成的均衡效率低以及SOC估算精度不够对均衡效果产生影响等问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种电池组分段混合均衡控制方法，该方法包括以下步骤：

S0.同时判断电池组各单体电池是否满足V_L＜V_i＜V_H和电池组是否满足0＜SOC_min≤SOC_max＜1，若同时满足，则进入步骤S1，否则，不进行充放电均衡，结束；

S1.在电池组电压平台期，以SOC最大的单体电池作为均衡对象，以SOC作为均衡控制变量进行均衡控制，在电池组电压非平台期，以电压最大的单体电池作为均衡对象，以电压作为均衡控制变量进行均衡控制；

其中，V_L为单体电池放电截止电压，V_H为单体电池充电截止电压，V_i表示电池组中第i个单体电池的电压；SOC_min、SOC_max分别为电池组中各单体电池的SOC最小值和最大值。

具体地，电池平台期和电池非平台期的划分依据以下至少一个指标：电压变化斜率、电池SOC百分比、电池剩余电量。

具体地，步骤S1中所述在电池组电压平台期，以SOC最大的单体电池作为均衡对象，以SOC作为均衡控制变量进行均衡控制，具体包括以下步骤：

(1)判断ε＞β是否成立，若是，进入步骤(2)，否则，以SOC为均衡控制变量的阶段均衡结束；

(2)以SOC最大的单体电池作为均衡对象，进行电量均衡；

(3)判断ε≤θ是否成立，若是，以SOC为均衡控制变量的阶段均衡结束，否则，返回步骤S0；

其中，ε为电池组的SOC离散度，β为以SOC为控制变量的均衡开启阈值，θ为以SOC为均衡控制变量的均衡结束阈值。

具体地，β＞8％，θ＜2％。

具体地，步骤S1中在电池组电压非平台期，以电压最大的单体电池作为均衡对象，以电压作为均衡控制变量进行均衡控制，具体包括以下步骤：

(1)判断δ＞γ是否成立，若是，进入步骤(2)，否则，以电压为均衡控制变量的阶段均衡结束；

(2)以电压最大的单体电池作为均衡对象，进行电量均衡；

(3)判断δ≤γ是否成立，若是，以电压为均衡控制变量的阶段均衡结束，否则，返回步骤S0；

其中，δ为电池组电压标准差，γ为以电压为均衡控制变量的均衡开启阈值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明采用分段混合的均衡控制方法，在电池组电压非平台期采用以电压作为均衡控制变量，在电池组处于电压平台期时采用以SOC作为均衡控制变量，相对于采用单一均衡控制变量的均衡控制方法，能够更快更有效的实现电池组的均衡控制；同时能够解决电池由于电压平台宽又平坦、电压非平台期电压变化快等特点造成的电池组均衡效率低以及均衡效果不理想的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种电池组分段混合均衡控制方法流程图。

图2为本发明提供的电池组均衡控制系统结构示意图。

图3为本发明提供的基于双向反激直流变换器的均衡电路结构示意图。

图4为本发明提供的液态金属电池充放电电压曲线图。

图5(a)为仅以SOC为均衡变量实现电池组均衡的SOC离散度曲线图；图5(b)为仅以SOC为均衡变量实现电池组均衡的单体电池电压曲线图。

图6(a)为本发明提供的分段混合均衡控制方法实现均衡的SOC离散度曲线图；图6(b)为本发明提供的分段混合均衡控制方法实现均衡的单体电池电压曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明提供的一种电池组分段混合均衡控制方法流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

S0.同时判断电池组各单体电池是否满足V_L＜V_i＜V_H和电池组是否满足0＜SOC_min≤SOC_max＜1，若同时满足，则进入步骤S1，否则，不进行充放电均衡，结束；

S1.在电池组电压平台期，以SOC最大的单体电池作为均衡对象，以SOC作为均衡控制变量进行均衡控制，在电池组电压非平台期，以电压最大的单体电池作为均衡对象，以电压作为均衡控制变量进行均衡控制。

其中，V_L为单体电池放电截止电压，V_H为单体电池充电截止电压，V_i表示电池组中第i个单体电池的电压；SOC_min、SOC_max分别为电池组中各单体电池的SOC最小值和最大值。

V_i＝V_L表明单体电池电压达到放电截止电压，V_i＝V_H表明单体电池电压达到充电截止电压，判断V_L＜V_i＜V_H是为了避免电池组过充或过放。

SOC_min＝0表明单体电池放电完全，SOC_max＝1表明单体电池完全充满，判断0＜SOC_min≤SOC_max＜1是为了确定电池组可以继续充电或放电。

步骤S1中所述在电池组电压平台期，以SOC最大的单体电池作为均衡对象，以SOC作为均衡控制变量进行均衡控制，具体包括以下步骤：

(1)判断ε＞β是否成立，若是，进入步骤(2)，否则，以SOC为均衡控制变量的阶段均衡结束；

(2)以SOC最大的单体电池作为均衡对象，进行电量均衡；

(3)判断ε≤θ是否成立，若是，以SOC为均衡控制变量的阶段均衡结束，否则，返回步骤S0；

其中，ε为电池组的SOC离散度，β为以SOC为控制变量的均衡开启阈值，θ为以SOC为均衡控制变量的均衡结束阈值。

由于电池的电压平台宽又平坦，均衡策略在该阶段采用以SOC为均衡控制变量能够有效的达到提高电池组均衡效果的目的。为了得到更为准确的SOC估计值，可以在考虑电池的循环寿命和充放电倍率因素的基础上，采用扩展卡尔曼滤波算法进行估算。SOC离散度ε的计算公式为

其中，SOC_avr为电池组各单体电池的SOC平均值，SOC_i为电池组第i个单体电池的SOC值，其中1≤i≤N，且i为整数，N为电池组内单体电池的个数。

优选地，以SOC为控制变量的均衡开启阈值β＞8％，以SOC为均衡控制变量的均衡结束阈值θ＜2％。

步骤S1中在电池组电压非平台期，以电压最大的单体电池作为均衡对象，以电压作为均衡控制变量进行均衡控制，具体包括以下步骤：

(1)判断δ＞γ是否成立，若是，进入步骤(2)，否则，以电压为均衡控制变量的阶段均衡结束；

(2)以电压最大的单体电池作为均衡对象，进行电量均衡；

(3)判断δ＜γ是否成立，若是，以电压为均衡控制变量的阶段均衡结束，否则，返回步骤S0；

其中，δ为电池组电压标准差，γ为以电压为均衡控制变量的均衡开启阈值。

当电池处于电压非平台期时，即使电池间SOC差异较小，电压差异依然很明显，因此在该阶段对电池进行电压均衡能够更有效的提高电池组的一致性。电池组电压标准差的计算公式为

其中，V_avr为电池组各单体电池的电压平均值，V_i为电池组内第i个单体电池的电压值，其中1≤i≤N，且i为整数，N为电池组内单体电池的个数。

电压为均衡控制变量的均衡开启阈值γ的取值与充放电倍率有关，例如，在1C、2C、3C充放电倍率下，γ可分别取1.8％、2.2％、2.7％。

电池平台期和电池非平台期的划分依据以下至少一个指标：电压变换斜率、电池SOC百分比、电池剩余电量。

例如，依据电压变换斜率来划分电压平台期和电池非平台期，电压变化斜率＜0.6对应电压平台期，电压变化斜率≥0.6对应电压非平台期。

例如，依据电池SOC百分比划分电压平台期和电池非平台期，20％＜电池SOC百分比＜80％对应电压平台期，0＜电池SOC百分比≤20％或80％≤电池SOC百分比＜100％对应电压非平台期。

例如，依据电池剩余电量划分电压平台期和电池非平台期，10％＜剩余电量＜95％对应电压平台期，剩余电量≤10％或剩余电量≥95％对应电压非平台期。

图2为本发明提供的电池组均衡控制系统结构示意图。如图2所示，该控制系统包括有电池模块、数据采集模块、均衡控制模块、均衡电路模块。所述电池模块是指有N节单体电池串联成的电池组单元；所述数据采集模块由电压传感器、电流传感器、通信芯片以及存储芯片组成，用于采集各节单体电池的端电压和工作电流，并将采集的数据传输到均衡控制模块；所述均衡控制模块接收数据采集模块传输的数据信号，并根据电池组所处的不同阶段选择不同的均衡控制方法；所述均衡电路模块是一种基于双向反激直流变换器的均衡电路，包括1个隔离多绕组变压器，N个开关管，N个整流二极管以及N个滤波电容，用于均衡各单体电池的电量。

图3为本发明提供的基于双向反激直流变换器的均衡电路结构示意图。如图3所示，均衡电路模块是一种基于双向反激直流变换器的均衡电路，包括1个隔离多绕组变压器T，N个开关管Q，N个整流二极管B以及N个滤波电容C。所述开关管选用控制功耗低的场效应管(MOSFET)。所述二极管选用反向恢复时间快、低压降的肖特基二极管，其目的是降低能量转移过程中产生的压降和能耗。二极管与开关管并联连接，电容并联在单体电池的两段，选择合适的电容值，能够有效抑制在开关管关断瞬间产生窄尖峰电压。

图4为本发明提供的液态金属电池充放电电压曲线图，如图4所示，液态金属电池的电压平台宽又平坦，并且在电压非平台期电压变化快。因此，液态金属电池组可采用本发明提供的分段均衡控制方法。

优选地，在本发明的一个实施例中，选用3节磷酸铁锂电池串联组成电池组，并将其作为均衡控制对象，单体电池额定容量为2Ah，3个单体电池的初始SOC分别为20％、3％、1％，电池组处于1C倍率的恒流充电工况。

图5(a)为仅以SOC为均衡变量实现电池组均衡的SOC离散度曲线图；图5(b)为仅以SOC为均衡变量实现电池组均衡的单体电池电压曲线图。

图6(a)为本发明提供的分段混合均衡控制方法实现均衡的SOC离散度曲线图；图6(b)为本发明提供的分段混合均衡控制方法实现均衡的单体电池电压曲线图。

通过对比可以看出，图6(a)的电池组SOC离散度相对图5(a)的电池组SOC离散度更小，图6(b)的单体电池电压差异相对图5(b)的单体电池电压差异更小，同时图6(b)的均衡速度相对图5(b)更快.

综上所述，本发明提供的分段混合均衡控制方法，能够更快更有效的实现电池组内单体电池的均衡，提高单体电池的一致性。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种电池组分段混合均衡控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S0.同时判断电池组各单体电池是否满足V_L＜V_i＜V_H和电池组是否满足0＜SOC_min＜1、0＜SOC_max＜1和SOC_min≤SOC_max，若同时满足，则进入步骤S1，否则，不进行充放电均衡,结束；

S1.在电池组电压平台期，以SOC最大的单体电池作为均衡对象，以SOC作为均衡控制变量进行均衡控制，在电池组电压非平台期，以电压最大的单体电池作为均衡对象，以电压作为均衡控制变量进行均衡控制；

电池平台期和电池非平台期的划分依据是以下至少一个指标：电压变换斜率、电池SOC百分比、电池剩余电量；

依据电压变换斜率来划分电压平台期和电池非平台期时，电压变化斜率<0.6对应电压平台期，电压变化斜率≥0.6对应电压非平台期；

依据电池SOC百分比划分电压平台期和电池非平台期时，20％<电池SOC百分比<80％对应电压平台期，0<电池SOC百分比≤20％或80％≤电池SOC百分比<100％对应电压非平台期；

依据电池剩余电量划分电压平台期和电池非平台期时，10％<剩余电量<95％对应电压平台期，剩余电量≤10％或剩余电量≥95％对应电压非平台期；

其中，V_L为单体电池放电截止电压，V_H为单体电池充电截止电压，V_i表示电池组中第i个单体电池的电压；SOC_min、SOC_max分别为电池组中各单体电池的SOC最小值和最大值。

2.如权利要求1所述的电池组分段混合均衡控制方法，其特征在于，步骤S1中所述在电池组电压平台期，以SOC最大的单体电池作为均衡对象，以SOC作为均衡控制变量进行均衡控制，具体包括以下步骤：

(1)判断ε＞β是否成立，若是，进入步骤(2)，否则，以SOC为均衡控制变量的阶段均衡结束；

(2)以SOC最大的单体电池作为均衡对象，进行电量均衡；

(3)判断ε≤θ是否成立，若是，以SOC为均衡控制变量的阶段均衡结束，否则，返回步骤S0；

其中，ε为电池组的SOC离散度，β为以SOC为控制变量的均衡开启阈值，θ为以SOC为均衡控制变量的均衡结束阈值。

3.如权利要求2所述的电池组分段混合均衡控制方法，其特征在于，β＞8％，θ＜2％。

4.如权利要求1所述的电池组分段混合均衡控制方法，其特征在于，步骤S1中在电池组电压非平台期，以电压最大的单体电池作为均衡对象，以电压作为均衡控制变量进行均衡控制，具体包括以下步骤：

(1)判断δ＞γ是否成立，若是，进入步骤(2)，否则，以电压为均衡控制变量的阶段均衡结束；

(2)以电压最大的单体电池作为均衡对象，进行电量均衡；

(3)判断δ＜γ是否成立，若是，以电压为均衡控制变量的阶段均衡结束，否则，返回步骤S0；

其中，δ为电池组电压标准差，γ为以电压为均衡控制变量的均衡开启阈值。

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