CN109038712B - 一种液态金属电池组均衡控制方法和容错系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态金属电池组均衡控制方法和容错系统，包括：(1)采集各节电池单体信息，N为正常工作所需电池单体数量，M为备用电池单体数量；(2)根据各节电池单体信息，判断是否存在电池单体失效，若是进入步骤(3)，否则进入步骤(4)；(3)将失效电池单体旁路，接入备用电池，保证电池组正常工作；(4)根据电池电流的正负判断电池组的充放电状态，若电流为负，则进入步骤(5)；若电流为正，则进入步骤(6)；(5)进行充电均衡控制；(6)进行放电均衡控制。本发明中容错结构及其控制策略能够有效解决由于电池单体出现故障或过度老化导致的电池组不能继续服役的问题，同时采用主动重构的方式对电池组实施了均衡管理。

Description

一种液态金属电池组均衡控制方法和容错系统

技术领域

本发明属于电化学储能领域，更具体地，涉及一种液态金属电池组均衡控制方法和容错系统。

背景技术

液态金属电池作为一种新型电化学储能技术，特殊结构的设计使其具有容量大、效率高、成本低、寿命长等优点，在大规模储能领域具有广阔的应用前景。为达到大容量储能系统的电压和容量等级要求，一般需要将大量电池单体串并联成组使用。然而电池组在使用过程中，每个电池单体由于存在制造工艺和应用环境的差异导致其不一致性进一步扩大，电池出现不同的老化程度，性能衰退较快的电池单体会制约整个电池组的容量利用率及寿命，甚至更有可能会出现电池单体失效，导致整个电池组无法正常工作，极端情况下还可能引发安全事故。液态金属电池由于特殊的结构设计以及材料选择，理论上虽然不会出现锂离子电池故障导致的恶性安全事故，但是电池单体失效势必影响整个电池组系统的可靠性，因此在液态金属电池组中配备冗余电池单体，使液态金属电池组具备一定的故障容错能力，当电池组内电池出现因各种原因导致的意外失效时，可以保障电池组的正常运行，从而提高电源系统可靠性。

目前，液态金属电池的研究热点大多集中于通过能量转移的均衡方式来解决电池单体不一致性，但是现有的均衡方式能量转移效率低且能量均衡电路均不具有故障容错能力。在专利CN106654413A中公开了一种液态金属电池组多级均衡控制系统及方法，采用主、被动结合的均衡策略，虽然电池组的均衡效率得到了提高，但是均衡控制装置较为复杂。在专利CN104682511A中公开了一种对液态金属电池组中达到满充状态的电池单体进行放电的均衡方法，该方法虽然控制简单，但该方法能量损失大，并且这两种均衡方法均没有考虑到液态金属电池组中可能会存在的电池单体失效问题。

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，设计一种带冗余电池单体的液态金属电池组结构，其能够有效解决液态金属电池组在实际使用过程中由于组内电池出现故障或性能严重衰退导致电池失效而引发的可靠性及安全性问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术的液态金属电池组在实际使用过程中由于组内电池出现故障或性能严重衰退导致电池失效而引发的可靠性及安全性问题，提供一种带冗余电池的液态金属电池组系统结构设计方案及其控制策略，该结构使液态金属电池组具备故障容错能力，从而提高电池组工作可靠性，同时其控制策略能对电池组内电池进行有效的均衡控制，提高能量利用率，防止电池组内单体电池过充过放，延长其使用寿命。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种液态金属电池组均衡控制方法，包括以下步骤：

(1)采集M+N节液态金属电池组中各节电池单体信息，N为电池组正常工作所需金属电池单体数量，M为电池组备用金属电池单体数量，N,M均为整数；

(2)根据各节电池单体信息，判断是否存在液态金属电池单体失效，若是进入步骤(3)，否则进入步骤(4)；

(3)将失效电池单体旁路，接入备用电池，保证液态金属电池组正常工作；

(4)根据电池电流的正负判断电池组的充放电状态，若电流为负，电池组处于充电状态，则进入步骤(5)；若电流为正，电池组处于放电状态，则进入步骤(6)；

(5)进行充电均衡控制；

(6)进行放电均衡控制。

具体地，所述步骤(5)包括以下子步骤：

5)实时判断是否存在某一电池单体达到充电截止电压，若是则进入步骤2)，否则电池组维持原状继续充电；

6)重构电池组结构，旁路该电池单体，接入备用电池；

7)重复步骤1)和2)，直至所有电池单体达到充电截止电压；

8)充电均衡管理结束。

具体地，所述步骤(6)包括以下子步骤：

1)对各电池单体SOC_i降序排序，计算前N节电池单体荷电状态的平均值SOC_ave，1≤i≤N+M；

2)将前N个SOC_i所对应的N节液态金属电池单体重构为电池组，对负载供电，旁路剩余M节液态金属电池；

3)记工作的N节液态金属电池中SOC最小的电池单体为K，即

旁路的M节液态金属电池中SOC最大的电池单体为L，即

4)判断是否满足SOC_ave＜SOC_L，若是进入步骤5)，否则，进入步骤1)；

5)重构液态金属电池组结构，旁路供电电池组中SOC_i值最小的电池单体K，并接入备用电池中SOC_i值最大的电池L；

6)判断所述液态金属电池组的SOC_i离散度ε≤θ是否成立，若是进入步骤7)，否则进入步骤1)，θ为离散度阈值；

7)停止电池旁路操作；

8)判断是否存在某一电池单体达到放电截止电压，若是，停止放电，放电均衡结束，否则，维持原电路结构，继续放电，进入步骤1)。

具体地，判定电池失效的标准为以下至少一个：

a.电池单体电流接近0；

b.电池单体工作电压接近0；

c.电池单体温度急剧升高；

d.电池单体可用容量低于额定容量的80％。

为实现上述目的，第二方面，本发明实施例提供了一种液态金属电池组容错系统，包括可重构液态金属电池组模块、数据采集模块、信息检测模块以及控制模块；

所述可重构液态金属电池组模块包括N+M节液态金属电池单体和N+M个功率开关管阵列，N节液态金属电池单体和M节液态金属电池单体串联，每节液态金属电池单体与功率开关管阵列并联，其中，N节液态金属电池单体用于提供电池组正常工作需要的电压，M节液态金属电池单体用于备份，且N≥M，N与M均为整数；

所述数据采集模块用于采集M+N节液态金属电池组中各节电池单体信息；

所述信息检测模块用于根据各节电池单体信息，判断是否存在液态金属电池单体失效；

所述控制模块一方面在液态金属电池单体失效时，控制所述功率开关管阵列中开关管的通断以将失效电池单体旁路、接入备用电池，保证液态金属电池组正常工作，另一方面根据电池电流的正负判断电池组的充放电状态，进行充电均衡控制和放电均衡控制。

具体地，所述充电均衡控制包括：

1)实时判断是否存在某一电池单体达到充电截止电压，若是则进入步骤2)，否则电池组维持原状继续充电；

2)重构电池组结构，旁路该电池单体，接入备用电池；

3)重复步骤1)和2)，直至所有电池单体达到充电截止电压；

4)充电均衡管理结束。

具体地，所述放电均衡控制包括：

1)对各电池单体SOC_i降序排序，计算前N节电池单体荷电状态的平均值SOC_ave，1≤i≤N+M；

2)将前N个SOC_i所对应的N节液态金属电池单体重构为电池组，对负载供电，旁路剩余M节液态金属电池；

3)记工作的N节液态金属电池中SOC最小的电池单体为K，即

旁路的M节液态金属电池中SOC最大的电池单体为L，即

4)判断是否满足SOC_ave＜SOC_L，若是进入步骤5)，否则，进入步骤1)；

5)重构液态金属电池组结构，旁路供电电池组中SOC_i值最小的电池单体K，并接入备用电池中SOC_i值最大的电池L；

6)判断所述液态金属电池组的SOC_i离散度ε≤θ是否成立，若是进入步骤7)，否则进入步骤1)，θ为离散度阈值；

7)停止电池旁路操作；

8)判断是否存在某一电池单体达到放电截止电压，若是，停止放电，放电均衡结束，否则，维持原电路结构，继续放电，进入步骤1)。

具体地，判定电池失效的标准为以下至少一个：

a.电池单体电流接近0；

b.电池单体工作电压接近0；

c.电池单体温度急剧升高；

d.电池单体可用容量低于额定容量的80％。

具体地，每个功率开关管阵列包括两个充电控制开关管和两个放电控制开关管，每两个开关管反向串联后再并联。

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：

(1)本发明的基于动态重构的电池均衡管理分为充电均衡管理和放电均衡管理两种工况。充放电均衡过程中只存在开关管的能耗，均衡能量损失小，也无需额外的均衡电路，两种工况下的管理控制策略都能解决电池组中电池单体之间状态的不一致性问题，提高液态金属电池组可用容量，防止电池组内单体过充过放，延长了电池单体及电池组的工作寿命。

(2)本发明所述液态金属电池组容错结构设计及其控制策略能够有效解决由于电池组内电池单体出现故障或过度老化导致的电池组不能继续服役的问题，同时采用主动重构的方式对电池组实施了均衡管理。

附图说明

图1为本发明提供的液态金属电池组容错系统结构示意图。

图2为本发明提供的可重构液态金属电池组模块的电路图。

图3(a)为本发明实施例提供的液态金属电池组模块在放电状态下正常工作时电路结构连接示意图。

图3(b)为本发明实施例提供的液态金属电池组模块在放电状态下Cell2意外出现故障/失效是电路结构连接示意图。

图4(a)为本发明实施例提供的液态金属电池组模块在充电状态下正常工作时电路结构连接示意图。

图4(b)为本发明实施例提供的液态金属电池组模块在充电状态下Cell2意外出现故障/失效是电路结构连接示意图。

图5为本发明提供的一种液态金属电池均衡控制方法流程图。

图6为本发明实施例提供的充电均衡控制流程图。

图7为本发明实施例提供的放电均衡控制流程图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对液态金属电池组组内电池故障或失效导致整个电池组无法正常工作，甚至引发安全问题，提供一种带冗余电池的液态金属电池组系统结构及其控制方法，该结构使液态金属电池组具备故障容错能力，从而提高电池组工作可靠性，同时其控制方法能对电池组内电池进行有效的均衡控制，提高能量利用率，防止电池组内电池单体过充过放，延长其使用寿命。

图1为本发明提供的液态金属电池组容错系统结构示意图，包括可重构液态金属电池组模块、数据采集模块、信息检测模块、处理模块以及控制模块。

所述可重构液态金属电池组模块包括N+M节液态金属电池单体和N+M个功率开关管阵列，N节液态金属电池单体用于提供电池组正常工作需要的电压，M节液态金属电池单体用于冗余备份，每节液态金属电池单体对应1个功率开关阵列，且N≥M，N与M均为整数。

所述数据采集模块包括电压传感器、电流传感器、温度传感器和电量测量仪，用于采集各节液态金属电池单体的端电压、工作电流、温度和可用电量数据，并将采集的数据传输到信息检测模块。

所述信息检测模块用于通过接收数据采集模块传输的信号，判断液态金属电池单体是否失效。

所述处理模块用于通过处理数据采集模块传输的信息，计算得到各节液态金属电池单体的荷电状态(SOC)。

所述控制模块一方面基于信息检测模块的输出信号，控制所述功率开关管阵列中开关管的通断以实现液态金属电池组的容错控制，另一方面基于所述处理模块的输出信号，实现液态金属电池组的均衡控制。

在液态金属电池组出现组内失效电池单体时，重构液态金属电池组结构，实现故障切除，备用接入，保证液态金属电池组正常工作；在液态金属电池组充放电过程中，通过重构液态金属电池组结构，实现主动均衡控制。

图2为本发明提供的可重构液态金属电池组模块的电路图。如图2所示，N节液态金属电池单体Cell1-CellN和M节液态金属电池单体Cell1备用电池-CellM备用电池串联形成电池组基本骨架。每节液态金属电池单体与功率开关管阵列并联，具体地，每个功率开关管阵列由四个开关管组成，每两个开关管反向串联后再并联。以液态金属电池单体Cell1接的功率开关管阵列为例，该开关管阵列包括充电控制开关管Q1ac和Q1bc，放电控制开关管Q1ad和Q1bd。开关管阵列的上面一排为充电控制开关管，脚标c表示充电(charge)，开关管阵列的下面一排为放电控制开关管，脚标d表示放电(discharge)。优选地，所述开关管选用控制功耗低的场效应(MOSFET)。

优选地，在本发明的一个实施例中，取N＝3，即液态金属电池组设计工作状态包含3节液态金属电池单体。

优选地，在本发明的一个实施例中，取M＝1，即液态金属电池组配备有1节冗余备用电池。

本发明提供的可重构液态金属电池组模块能够通过控制开关管通断实现液态金属电池组结构重构，具体地，旁路故障或失效电池，接入冗余备用电池。因此，液态金属电池组具备一定的故障隔离能力及容错能力，提高了电池组的可靠性与安全性。

液态金属电池组冗余度可表示为

其中0≤η≤1，η越大，电池组容错能力越强，但相应成本也越高；η越小，电池组容错能力越弱，但相应成本也越低。η＝0时，即通常意义上无容错能力的电池组结构。

在本发明中，判定电池失效的标准为：a.电池单体电流接近0(发生断路)；b.电池单体工作电压接近0(发生外短路)；c.电池单体温度急剧升高(发生内部短路)；d.电池单体可用容量低于额定容量的80％(电池老化)。若信息检测模块检测到的信息满足以上任一条件时，则判定相应的电池单体失效。

图3(a)为本发明实施例提供的液态金属电池组模块在放电状态下正常工作时电路结构连接示意图。如图3(a)所示，Cell1、Cell2和Cell3为液态金属电池组模块中处于运行状态的电池单体，Cell4为该电池组模块配备的冗余备用电池。当液态金属电池组处于放电状态，控制驱动信号，使MOS管Q1bd、MOS管Q2bd、MOS管Q3bd、MOS管Q4ad处于导通状态，其他MOS管均处于关断状态，即Cell1、Cell2和Cell3串联给负载供电，Cell4处于备用状态。箭头表示放电电流方向。

图3(b)为本发明实施例提供的液态金属电池组模块在放电状态下Cell2意外出现故障/失效是电路结构连接示意图。当液态金属电池组模块中电池单体意外出现故障或失效时，必须将该故障或失效的电池单体退出运行，并接入备用电池，以保证液态金属电池组正常工作。如图3(b)所示，驱动信号控制MOS管Q2ad、MOS管Q4bd导通，MOS管Q2bd、MOS管Q4ad关断，于是备用电池Cell4投入运行，故障电池Cell2退出运行。

图4(a)为本发明实施例提供的液态金属电池组模块在充电状态下正常工作时电路结构连接示意图。如图4(a)所示，Cell1、Cell2和Cell3为液态金属电池组模块中处于运行状态的电池单体，Cell4为该电池组模块配备的冗余备用电池。当液态金属电池组处于充电状态，控制驱动信号，使MOS管Q1bc、MOS管Q2bc、MOS管Q3bc、MOS管Q4ac处于导通状态，其他MOS管均处于关断状态，即Cell1、Cell2和Cell3与充电机串联进行充电，Cell4处于备用状态。箭头表示充电电流方向。

图4(b)为本发明实施例提供的液态金属电池组模块在充电状态下Cell2意外出现故障/失效是电路结构连接示意图。当电池组某个电池单体意外出现故障或失效时，必须将该故障或失效的电池单体退出运行，并接入备用电池，以保证液态金属电池组正常工作。如图4(b)所示，驱动信号控制MOS管Q2ac、MOS管Q4bc导通，MOS管Q2bc、MOS管Q4ac关断，于是备用电池Cell4投入运行，故障电池Cell2退出运行。

在放电均衡管理时，以SOC作为均衡变量。由于液态金属电池充放电曲线较为平坦，在电压平台期，电池单体间即使电压差异很小，SOC间的差异也很明显，以SOC作为均衡控制变量能够有效的克服液态金属电池由于电压平台较平坦而不能准确根据电池电压反映电池间差异性的问题。因此本发明选择SOC作为控制策略的变量，实施均衡控制。荷电状态可以通过扩展卡尔曼滤波算法得到。

图5为本发明提供的一种液态金属电池均衡控制方法流程图。如图5所示，该方法包括以下步骤：

一种液态金属电池组均衡控制方法，包括以下步骤：

(1)采集M+N节液态金属电池组中各节电池单体信息，N为电池组正常工作所需金属电池单体数量，M为电池组备用金属电池单体数量，N,M均为整数；

(2)根据各节电池单体信息，判断是否存在液态金属电池单体失效，若是进入步骤(3)，否则进入步骤(4)；

(3)将失效电池单体旁路，接入备用电池，保证液态金属电池组正常工作；

(4)根据电池电流的正负判断电池组的充放电状态，若电流为负，电池组处于充电状态，则进入步骤(5)；若电流为正，电池组处于放电状态，则进入步骤(6)；

(5)进行充电均衡控制；

(6)进行放电均衡控制。

图6为本发明实施例提供的充电均衡控制流程图。如图6所示，所述步骤(5)包括以下子步骤：

1)实时判断是否存在某一电池单体达到充电截止电压，若是则进入步骤2)，否则电池组维持原状继续充电；

2)重构电池组结构，旁路该电池单体，接入备用电池；

3)重复步骤1)和2)，直至所有电池单体达到充电截止电压；

4)充电均衡管理结束。

图7为本发明实施例提供的放电均衡控制流程图。如图7所示，所述步骤(6)包括以下子步骤：

1)对各电池单体SOC_i降序排序，计算前N节电池单体荷电状态的平均值SOC_ave，1≤i≤N+M；

2)将前N个SOC_i所对应的N节液态金属电池单体重构为电池组，对负载供电，旁路剩余M节液态金属电池；

3)记工作的N节液态金属电池中SOC最小的电池单体为K，即

旁路的M节液态金属电池中SOC最大的电池单体为L，即

4)判断是否满足SOC_ave＜SOC_L，若是进入步骤5)，否则，进入步骤1)；

5)重构液态金属电池组结构，旁路供电电池组中SOC_i值最小的电池单体K，并接入备用电池中SOC_i值最大的电池L；

6)判断所述液态金属电池组的SOC_i离散度ε≤θ是否成立，若是进入步骤7)，否则进入步骤1)，θ为离散度阈值；

7)停止电池旁路操作；

8)判断是否存在某一电池单体达到放电截止电压，若是，停止放电，放电均衡结束，否则，维持原电路结构，继续放电，进入步骤1)。

ε的大小表征了电池组的不一致性程度，其计算公式为

θ一般取值为2％。

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 (7)

1.一种液态金属电池组均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集M+N节液态金属电池组中各节电池单体信息，N为电池组正常工作所需金属电池单体数量，M为电池组备用金属电池单体数量，N,M均为整数；

(2)根据各节电池单体信息，判断是否存在液态金属电池单体失效，若是进入步骤(3)，否则进入步骤(4)；

(3)将失效电池单体旁路，接入备用电池，保证液态金属电池组正常工作；

(4)根据电池电流的正负判断电池组的充放电状态，若电流为负，电池组处于充电状态，则进入步骤(5)；若电流为正，电池组处于放电状态，则进入步骤(6)；

(5)进行充电均衡控制；

(6)进行放电均衡控制；

所述步骤(6)包括以下子步骤：

1)对各电池单体SOC_i降序排序，计算前N节电池单体荷电状态的平均值SOC_ave，1≤i≤N+M；

2)将前N个SOC_i所对应的N节液态金属电池单体重构为电池组，对负载供电，旁路剩余M节液态金属电池；

3)记工作的N节液态金属电池中SOC最小的电池单体为K，即

旁路的M节液态金属电池中SOC最大的电池单体为L，即

4)判断是否满足SOC_ave＜SOC_L，若是进入步骤5)，否则，进入步骤1)；

5)重构液态金属电池组结构，旁路供电电池组中SOC_i值最小的电池单体K，并接入备用电池中SOC_i值最大的电池L；

6)判断所述液态金属电池组的SOC_i离散度ε≤θ是否成立，若是进入步骤7)，否则进入步骤1)，θ为离散度阈值；

7)停止电池旁路操作；

8)判断是否存在某一电池单体达到放电截止电压，若是，停止放电，放电均衡结束，否则，维持原电路结构，继续放电，进入步骤1)。

2.如权利要求1所述的液态金属电池组均衡控制方法，其特征在于，所述步骤(5)包括以下子步骤：

1)实时判断是否存在某一电池单体达到充电截止电压，若是则进入步骤2)，否则电池组维持原状继续充电；

2)重构电池组结构，旁路该电池单体，接入备用电池；

3)重复步骤1)和2)，直至所有电池单体达到充电截止电压；

4)充电均衡管理结束。

3.如权利要求1所述的液态金属电池组均衡控制方法，其特征在于，判定电池失效的标准为以下至少一个：

a.电池单体电流接近0；

b.电池单体工作电压接近0；

c.电池单体温度急剧升高；

d.电池单体可用容量低于额定容量的80％。

4.一种液态金属电池组容错系统，其特征在于，包括可重构液态金属电池组模块、数据采集模块、信息检测模块以及控制模块；

所述可重构液态金属电池组模块包括N+M节液态金属电池单体和N+M个功率开关管阵列，N节液态金属电池单体和M节液态金属电池单体串联，每节液态金属电池单体与功率开关管阵列并联，其中，N节液态金属电池单体用于提供电池组正常工作需要的电压，M节液态金属电池单体用于备份，且N≥M，N与M均为整数；

所述数据采集模块用于采集M+N节液态金属电池组中各节电池单体信息；

所述信息检测模块用于根据各节电池单体信息，判断是否存在液态金属电池单体失效；

所述控制模块一方面在液态金属电池单体失效时，控制所述功率开关管阵列中开关管的通断以将失效电池单体旁路、接入备用电池，保证液态金属电池组正常工作，另一方面根据电池电流的正负判断电池组的充放电状态，进行充电均衡控制和放电均衡控制；

所述放电均衡控制包括：

1)对各电池单体SOC_i降序排序，计算前N节电池单体荷电状态的平均值SOC_ave，1≤i≤N+M；

2)将前N个SOC_i所对应的N节液态金属电池单体重构为电池组，对负载供电，旁路剩余M节液态金属电池；

3)记工作的N节液态金属电池中SOC最小的电池单体为K，即

旁路的M节液态金属电池中SOC最大的电池单体为L，即

4)判断是否满足SOC_ave＜SOC_L，若是进入步骤5)，否则，进入步骤1)；

5)重构液态金属电池组结构，旁路供电电池组中SOC_i值最小的电池单体K，并接入备用电池中SOC_i值最大的电池L；

6)判断所述液态金属电池组的SOC_i离散度ε≤θ是否成立，若是进入步骤7)，否则进入步骤1)，θ为离散度阈值；

7)停止电池旁路操作；

8)判断是否存在某一电池单体达到放电截止电压，若是，停止放电，放电均衡结束，否则，维持原电路结构，继续放电，进入步骤1)。

5.如权利要求4所述的液态金属电池组容错系统，其特征在于，所述充电均衡控制包括：

1)实时判断是否存在某一电池单体达到充电截止电压，若是则进入步骤2)，否则电池组维持原状继续充电；

2)重构电池组结构，旁路该电池单体，接入备用电池；

3)重复步骤1)和2)，直至所有电池单体达到充电截止电压；

4)充电均衡管理结束。

6.如权利要求4所述的液态金属电池组容错系统，其特征在于，判定电池失效的标准为以下至少一个：

a.电池单体电流接近0；

b.电池单体工作电压接近0；

c.电池单体温度急剧升高；

d.电池单体可用容量低于额定容量的80％。

7.如权利要求4所述的液态金属电池组容错系统，其特征在于，每个功率开关管阵列包括两个充电控制开关管和两个放电控制开关管，每两个开关管反向串联后再并联。

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