CN109617164A - 一种梯次利用电池soc均衡控制方法 - Google Patents

一种梯次利用电池soc均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，包括：根据电池模块中的SOC参数计算各相电池平均SOC与总平均SOC的差值；对该差值进行Clarke变换并计算Clarke变换后的SOC差值的平方根及反正切值；根据平方根及反正切值确定注入零序电压；在系统传统并网控制产生的三相对称电压的基础上，分别注入相同的零序电压。本申请根据三相之间SOC不均衡情况计算合理的零序电压，在系统控制产生的三相对称电压的基础上，分别注入相同的零序电压，产生三相电池模块各自的总电压调制波，调节各相充放电功率，在保证电网侧三相功率平衡的基础上，实现相间SOC均衡。

Description

一种梯次利用电池SOC均衡控制方法
技术领域
本申请涉及电网技术领域，尤其涉及一种梯次利用电池SOC均衡控制方法。
背景技术
伴随着电动汽车的大规模商业推广，将出现大量退运动力电池，若将退运电池直接淘汰势必造成资源的严重浪费。通过对退运动力电池进行梯次利用，降低动力电池全寿命周期成本，提升电池的利用价值，对推动电动汽车行业的健康发展具有重要意义。
退运电池最经济的利用方式是应用于储能系统，在传统电池储能系统中，大量电池单体通过不同形式的串并联组成储能电池组，在实际应用中对电池一致性要求较高，而梯次利用电池容量不一致性高，重新成组成本高，大量串并联应用以及短板效应使储能系统的整体容量利用率降低，同时影响电池的使用寿命。
柔性成组技术是解决梯次利用电池不一致性的有效方法，通过改变传统大量单体电池直接串并联的成组方式，采用低压电池组及功率变换模块级联的方式构成柔性成组储能系统，使每个电池模块根据状态参数进行独立充放电电流控制，可以降低对电池容量一致性的要求及重新成组的成本，在满足储能系统要求的同时最大限度地提高电池容量利用率及使用寿命，实现退运动力电池的高效利用。
退运电池存在容量和SOC(State of Charge)不一致的特点，需要对其进行SOC均衡控制。传统储能系统电池均衡策略的相关研究较多，常用均衡方式主要分为能耗型均衡和非能耗型均衡，能耗型均衡主要通过并联电阻均衡，损耗大，均衡速度慢；非能耗型均衡根据能量交换方式的不同，有电感型、电容型、变压器型等多种形式的拓扑，通常均衡电流较小，不适用于梯次利用电池容量差异较大的情况。大容量储能系统的典型拓扑结构主要有H桥级联型和模块化多电平等形式。H桥级联型多电平逆变器具有谐波特性好、开关频率低等优点。有些方法通过引入零序电流实现相间均衡和通过加入参考电压偏移量实现相内均衡的方法，但没有考虑电池容量不一致的情况。也有方法基于特征谐波消除的差异化充放电控制策略实现电池SOC自均衡，根据SOC差异控制相应H桥的触发角实现差异化充放电，但控制方法相对复杂。
因此，有必要提出一种梯次利用电池SOC均衡控制策略，有效实现在容量不一致情况下的SOC均衡控制。
发明内容
本申请提供了一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，有效实现在容量不一致情况下的SOC均衡控制。
有鉴于此，本申请提供一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，包括：
根据电池模块中的SOC参数计算各相电池平均SOC与总平均SOC的差值；
对该差值进行Clarke变换并计算Clarke变换后的SOC差值的平方根及反正切值；
根据平方根及反正切值确定注入零序电压；
在系统传统并网控制产生的三相对称电压的基础上，分别注入相同的零序电压。
优选地，所述根据电池模块中的SOC参数计算各相电池平均SOC具体为通过各相电池平均SOC计算公式计算各相电池平均SOC；
所述各相电池平均SOC计算公式为：
其中，SOCA、SOCB、SOCC为各相电池平均SOC参数，SOCAi、SOCBi、SOCCi为电池模块中的SOC参数，N为各相电池中电池模块的数量。
优选地，所述根据电池模块中的SOC参数计算总平均SOC具体为通过总平均SOC计算公式计算总平均SOC；
所述总平均SOC计算公式为：
其中，SOCA、SOCB、SOCC为各相电池平均SOC参数，为总平均SOC参数。
优选地，所述计算各相电池平均SOC与总平均SOC的差值具体为通过SOC参数差值计算各相电池平均SOC与总平均SOC的差值；
所述SOC参数差值公式为：
其中，SOCA、SOCB、SOCC为各相电池平均SOC参数，为总平均SOC参数，ΔSOCA、ΔSOCB、ΔSOCC为变换前的SOC参数差值。
优选地，所述对该差值进行Clarke变换具体为通过Clarke变换公式对该差值进行Clarke变换；
所述Clarke变换公式为：
其中，ΔSOCA、ΔSOCB、ΔSOCC为变换前的SOC参数差值，ΔSOCα、ΔSOCβ、ΔSOC0为变换后的SOC参数差值。
优选地，所述计算Clarke变换后的SOC差值的平方根具体为通过平方根公式计算Clarke变换后的SOC差值的平方根；
所述平方根公式为：
其中，ΔSOCA、ΔSOCB、ΔSOCC为变换前的SOC参数差值，ΔSOCα、ΔSOCβ、ΔSOC0为变换后的SOC参数差值，ΔSOC为Clarke变换后的SOC差值的平方根。
优选地，计算Clarke变换后的SOC差值的反正切值具体为通过反正切值公式计算Clarke变换后的SOC差值的反正切值；
所述反正切值公式为：
其中，ΔSOCα、ΔSOCβ、ΔSOC0为变换后的SOC参数差值，γ为Clarke变换后的SOC差值的反正切值。
优选地，所述根据平方根及反正切值确定注入零序电压具体为通过零序电压公式确定注入零序电压，所述零序电压公式为：
其中，为零序电压，P*为储能系统的给定功率，K0为预设定值，ΔSOC为Clarke变换后的SOC差值的平方根，iq为q轴电流，id为d轴电流，γ为Clarke变换后的SOC差值的反正切值。
优选地，还包括：
计算相内各电池模块的SOC参数与相内电池模块的SOC平均值参数的差值；
计算差值乘以调节参数K1得到比例系数调节量加上基础比例系数作为各电池模块不同的调制波分配比例系数di；
将调制波分配比例系数di与相内调制波相乘得到各模块调制波产生相应电池模块开关管脉冲；
根据电池模块开关管脉冲控制相内各电池模块的开关管。
优选地，还包括通过基础比例系数计算公式计算基础比例系数；
所述基础比例系数计算公式为：
其中，mi为基础比例系数，Ci为相内各电池模块的电池容量，N为相内电池模块数量。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本申请提供一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，包括：根据电池模块中的SOC参数计算各相电池平均SOC与总平均SOC的差值；对该差值进行Clarke变换并计算Clarke变换后的SOC差值的平方根及反正切值；根据平方根及反正切值确定注入零序电压；在系统传统并网控制产生的三相对称电压的基础上，分别注入相同的零序电压。本申请根据三相之间SOC不均衡情况计算合理的零序电压，在系统控制产生的三相对称电压的基础上，分别注入相同的零序电压，产生三相电池模块各自的总电压调制波，调节各相充放电功率，在保证电网侧三相功率平衡的基础上，实现相间SOC均衡。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请可应用的一个电池拓扑图；
图2为本申请提供的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法的一个实施例的示意图；
图3为本申请提供的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法的另一个实施例的示意图；
图4为本申请提供的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法中零序电压的计算框图；
图5为本申请提供的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法中零序电压注入控制框图；
图6为本申请提供的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法中相内SOC均衡控制框图。
具体实施方式
本申请提供了一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，有效实现在容量不一致情况下的SOC均衡控制。
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，图1为本申请可应用的一个电池拓扑图，为H桥级联型柔性成组储能系统，其为ABC三相，每相都有N个电池模块。
请参阅图2，本申请提供一种梯次利用电池SOC均衡控制方法的一个实施例，包括：
101、根据电池模块中的SOC参数计算各相电池平均SOC与总平均SOC的差值；
102、对该差值进行Clarke变换并计算Clarke变换后的SOC差值的平方根及反正切值；
103、根据平方根及反正切值确定注入零序电压；
104、在系统传统并网控制产生的三相对称电压的基础上，分别注入相同的零序电压。
本申请根据三相之间SOC不均衡情况计算合理的零序电压，在系统控制产生的三相对称电压的基础上，分别注入相同的零序电压，产生三相电池模块各自的总电压调制波，调节各相充放电功率，在保证电网侧三相功率平衡的基础上，实现相间SOC均衡。
以上是对本申请提供一种梯次利用电池SOC均衡控制方法的一个实施例进行详细的描述，以下将对本申请提供一种梯次利用电池SOC均衡控制方法的另一个实施例进行详细的描述。
请参阅图3，本申请提供一种梯次利用电池SOC均衡控制方法的另一个实施例，包括：
201、通过各相电池平均SOC计算公式计算各相电池平均SOC；
各相电池平均SOC计算公式为：
其中，SOCA、SOCB、SOCC为各相(ABC三相)电池平均SOC参数，SOCAi、SOCBi、SOCCi为电池模块中的SOC参数，N为各相电池中电池模块的数量。
202、通过总平均SOC计算公式计算总平均SOC；
总平均SOC计算公式为：
其中，SOCA、SOCB、SOCC为各相电池平均SOC参数，为总平均SOC参数，总平均SOC参数代表三相电池相间均衡后的目标值。
203、通过SOC参数差值计算各相电池平均SOC与总平均SOC的差值；
SOC参数差值公式为：
其中，SOCA、SOCB、SOCC为各相电池平均SOC参数，为总平均SOC参数，ΔSOCA、ΔSOCB、ΔSOCC为变换前的SOC参数差值。
204、通过Clarke变换公式对该差值进行Clarke变换；
Clarke变换公式为：
其中，ΔSOCA、ΔSOCB、ΔSOCC为变换前的SOC参数差值，ΔSOCα、ΔSOCβ、ΔSOC0为变换后的SOC参数差值。
205、通过平方根公式计算Clarke变换后的SOC差值的平方根；
平方根公式为：
其中，ΔSOCA、ΔSOCB、ΔSOCC为变换前的SOC参数差值，ΔSOCα、ΔSOCβ、ΔSOC0为变换后的SOC参数差值，ΔSOC为Clarke变换后的SOC差值的平方根。
206、通过反正切值公式计算Clarke变换后的SOC差值的反正切值；
反正切值公式为：
其中，ΔSOCα、ΔSOCβ、ΔSOC0为变换后的SOC参数差值，γ为Clarke变换后的SOC差值的反正切值。
207、通过零序电压公式确定注入零序电压，零序电压公式为：
其中，为零序电压，P*为储能系统的给定功率，K0为预设定值，ΔSOC为Clarke变换后的SOC差值的平方根，iq为q轴电流，id为d轴电流，γ为Clarke变换后的SOC差值的反正切值。代表充放电方向。储能系统在进行并网控制时，通常将交流侧ABC三相变为d、q两轴，对应的交流电流ia、ib、ic变换为id、iq。
需要说明的是，K0为预设定值，系数K0可以调节SOC均衡速度，由于系统不平衡功率控制能力并非无限大，幅值太大将引起过调制等问题，因此除增加相应限幅值外，K0应根据各电池模块容量分布及ΔSOC等参数合理选择。零序电压的计算框图如附图4所示。
208、在系统传统并网控制产生的三相对称电压的基础上，分别注入相同的零序电压。
在系统传统并网控制产生的三相对称电压的基础上，分别注入相同的零序电压，产生三相电池模块各自的总电压调制波，可以调节各相充放电功率，实现相间SOC均衡，同时保证电网侧三相功率平衡。零序电压注入控制框图如附图5所示。
上述主要是对相间的SOC均衡控制，由于电池容量不一致及初始SOC不同，造成三相电池充放电功率不完全相同，而电网侧需要三相平衡功率，因此根据三相之间SOC不均衡情况计算合理的零序电压，在系统控制产生的三相对称电压的基础上，分别注入相同的零序电压，产生三相电池模块各自的总电压调制波，调节各相充放电功率，在保证电网侧三相功率平衡的基础上，实现相间SOC均衡。
相间SOC均衡控制的原理为：由于梯次利用电池具有容量不一致的特点，在实现相内SOC均衡时，各子模块的充放电电流和功率也不一致，每相电池模块总功率与容量相关，具有随机性，导致三相总功率之间难以相同，如果不加以控制，将引起电网侧三相功率及电流的不平衡，降低并网电能质量，因此在进行相间SOC均衡控制时需要解决三相电池功率不平衡与网侧三相功率平衡之间的矛盾。相间SOC均衡控制是根据三相之间SOC不均衡情况计算合理的零序电压，在系统控制产生的三相对称电压的基础上，分别注入相同的零序电压，注入的零序电压由三相平均SOC计算所得，具体计算过程为实施例描述。
以下将对相内的SOC均衡控制进行详细的描述。
请参阅图6，本申请提供的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法还包括：
计算相内各电池模块的SOC参数与相内电池模块的SOC平均值参数的差值；计算差值乘以调节参数K1得到比例系数调节量加上基础比例系数作为各电池模块不同的调制波分配比例系数di；将调制波分配比例系数di与相内调制波相乘得到各模块调制波产生相应电池模块开关管脉冲；根据电池模块开关管脉冲控制相内各电池模块的开关管。
其中，通过基础比例系数计算公式计算基础比例系数；
基础比例系数计算公式为：
其中，mi为基础比例系数，Ci为相内各电池模块的电池容量，N为相内电池模块数量。
例如，对A相相内的电池模块可得到以下实施例：
计算A相相内各电池模块的SOC参数SOCAi与A相相内电池模块的SOC平均值参数SOCA的差值ΔSOCAi；计算差值ΔSOCAi乘以调节参数K1得到比例系数调节量(比例系数调节量为值ΔSOCAi乘以调节参数K1)加上基础比例系数mi作为各电池模块不同的调制波分配比例系数di；将调制波分配比例系数di与A相相内调制波相乘得到A相各模块调制波产生相应电池模块开关管脉冲；根据电池模块开关管脉冲控制A相相内各电池模块的开关管。当相内各模块SOC达到均衡时，由SOC误差产生的比例系数调节量为0，各模块的调制波按照容量的比例分配，充放电电流与容量成正比，SOC变化速度相同，保持各模块的SOC处于稳定均衡状态。相内SOC均衡控制如附图6所示。
需要说明的是，A相相内电池模块的SOC平均值参数SOCA为
其中，通过基础比例系数计算公式计算基础比例系数；
基础比例系数计算公式为：
其中，mi为基础比例系数，CAi为A相相内各电池模块的电池容量，N为A相电池模块数量。
三相H桥级联型储能变流器需要根据电网要求对交流侧有功功率和无功功率进行并网控制，可根据有功和无功功率的需求做相应的闭环控制得到三相输出电压总调制波。相内级联的各子模块交流侧电流相同，忽略功率损耗的前提下，交直流两侧功率相等，因此通过控制各模块交流侧输出电压可以控制交流侧功率及直流侧功率，进而实现对直流侧电池模块充放电电流的独立控制。相内SOC均衡控制以此为基础，对于容量不一致的相内各子模块，通过合理的控制相内各电池模块充放电电流，进而控制各模块的充放电速度，实现充放电过程中各相内电池模块间的SOC均衡控制。
本申请提供的梯次利用电池SOC均衡控制方法包括两部分，相内SOC均衡和相间SOC均衡。相内SOC均衡控制是相内各电池模块的SOC与该相SOC平均值之间的误差乘以调节系数作为比例系数调节量，加上基础比例系数之后作为分配比例系数为各模块分配不同的调制波产生相应子模块开关管脉冲。SOC达到均衡前不同的充放电电流使各模块SOC趋于均衡均衡，达到均衡后各模块调制波按照容量的比例分配，充放电电流与容量成正比，SOC变化速度相同，保持各模块的SOC处于稳定均衡状态。相间SOC均衡控制是根据三相之间SOC不均衡情况计算合理的零序电压，在系统控制产生的三相对称电压的基础上，分别注入相同的零序电压，产生三相电池模块各自的总电压调制波，调节各相充放电功率，在保证电网侧三相功率平衡的基础上，实现相间SOC均衡。
本申请针对梯次利用电池存在的容量不一致的特点，在H桥级联型柔性成组储能系统的基础上，提出了相内SOC均衡控制和相间SOC均衡控制，是本发明技术方案的关键点。本申请针对电池容量不一致的情况进行SOC均衡，可以适应梯次利用电池容量不一致的特点，显著提高储能电池尤其是梯次利用电池的能量和容量利用率，延长电池使用寿命，有利于电池储能系统的广泛应用。
1)相内SOC均衡控制，相内各电池模块的容量不一致时，由于电池模块的SOC变化速度由容量和电流共同决定，进行相内均衡时引入容量不一致时的子模块调制波基础比例系数。该系数为对应子模块容量与该相电池模块总容量之比。各模块的SOC与该相SOC平均值之间的误差乘以调节系数作为比例系数调节量，加上基础比例系数之后作为分配比例系数，为各模块分配不同的调制波，产生相应子模块开关管脉冲。SOC达到均衡前不同的充放电电流使各模块SOC趋于均衡，达到均衡后各模块调制波按照容量的比例分配，充放电电流与容量成正比，SOC变化速度相同，保持各模块的SOC处于稳定均衡状态。
2)相间SOC均衡控制，由于电池容量不一致及初始SOC不同，造成三相电池充放电功率不完全相同，而电网侧需要三相平衡功率，因此根据三相之间SOC不均衡情况计算合理的零序电压，在系统控制产生的三相对称电压的基础上，分别注入相同的零序电压，产生三相电池模块各自的总电压调制波，调节各相充放电功率，在保证电网侧三相功率平衡的基础上，实现相间SOC均衡。
本申请实际上还提供有一种梯次利用电池SOC均衡控制设备，所述设备包括处理器以及存储器：
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令，执行如上述实施例的一种梯次利用电池SOC均衡控制的方法的步骤。
本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行上述实施例的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法。
本申请提供一种包括指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得所述计算机执行上述实施例的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，其特征在于，包括：
根据电池模块中的SOC参数计算各相电池平均SOC与总平均SOC的差值；
对该差值进行Clarke变换并计算Clarke变换后的SOC差值的平方根及反正切值；
根据平方根及反正切值确定注入零序电压；
在系统传统并网控制产生的三相对称电压的基础上，分别注入相同的零序电压。
2.根据权利要求1所述的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，其特征在于，所述根据电池模块中的SOC参数计算各相电池平均SOC具体为通过各相电池平均SOC计算公式计算各相电池平均SOC；
所述各相电池平均SOC计算公式为：
其中，SOCA、SOCB、SOCC为各相电池平均SOC参数，SOCAi、SOCBi、SOCCi为电池模块中的SOC参数，N为各相电池中电池模块的数量。
3.根据权利要求1所述的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，其特征在于，所述根据电池模块中的SOC参数计算总平均SOC具体为通过总平均SOC计算公式计算总平均SOC；
所述总平均SOC计算公式为：
其中，SOCA、SOCB、SOCC为各相电池平均SOC参数，为总平均SOC参数。
4.根据权利要求1所述的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，其特征在于，所述计算各相电池平均SOC与总平均SOC的差值具体为通过SOC参数差值计算各相电池平均SOC与总平均SOC的差值；
所述SOC参数差值公式为：
其中，SOCA、SOCB、SOCC为各相电池平均SOC参数，为总平均SOC参数，ΔSOCA、ΔSOCB、ΔSOCC为变换前的SOC参数差值。
5.根据权利要求1所述的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，其特征在于，所述对该差值进行Clarke变换具体为通过Clarke变换公式对该差值进行Clarke变换；
所述Clarke变换公式为：
其中，ΔSOCA、ΔSOCB、ΔSOCC为变换前的SOC参数差值，ΔSOCa、ΔSOCβ、ΔSOC0为变换后的SOC参数差值。
6.根据权利要求1所述的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，其特征在于，所述计算Clarke变换后的SOC差值的平方根具体为通过平方根公式计算Clarke变换后的SOC差值的平方根；
所述平方根公式为：
其中，ΔSOCA、ΔSOCB、ΔSOCC为变换前的SOC参数差值，ΔSOCα、ΔSOCβ、ΔSOC0为变换后的SOC参数差值，ΔSOC为Clarke变换后的SOC差值的平方根。
7.根据权利要求1所述的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，其特征在于，计算Clarke变换后的SOC差值的反正切值具体为通过反正切值公式计算Clarke变换后的SOC差值的反正切值；
所述反正切值公式为：
其中，ΔSOCα、ΔSOCβ、ΔSOC0为变换后的SOC参数差值，γ为Clarke变换后的SOC差值的反正切值。
8.根据权利要求1所述的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，其特征在于，
所述根据平方根及反正切值确定注入零序电压具体为通过零序电压公式确定注入零序电压，所述零序电压公式为：
其中，为零序电压，P*为储能系统的给定功率，K0为预设定值，ΔSOC为Clarke变换后的SOC差值的平方根，iq为q轴电流，id为d轴电流，γ为Clarke变换后的SOC差值的反正切值。
9.根据权利要求1所述的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，其特征在于，还包括：
计算相内各电池模块的SOC参数与相内电池模块的SOC平均值参数的差值；
计算差值乘以调节参数K1得到比例系数调节量加上基础比例系数作为各电池模块不同的调制波分配比例系数di；
将调制波分配比例系数di与相内调制波相乘得到各模块调制波产生相应电池模块开关管脉冲；
根据电池模块开关管脉冲控制相内各电池模块的开关管。
10.根据权利要求9所述的一种梯次利用电池SOC均衡控制方法，其特征在于，还包括通过基础比例系数计算公式计算基础比例系数；
所述基础比例系数计算公式为：
其中，mi为基础比例系数，Ci为相内各电池模块的电池容量，N为相内电池模块数量。
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