CN109713740A - 一种电池管理系统的主动均衡架构及主动均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电池管理系统的主动均衡架构及方法，该电池管理系统的主动均衡架构，包括：电池包簇，包括多个串联的电池包；多个电池管理单元，与电池包一一对应相连；电池组控制单元，与多个电池管理单元相连，多个电池管理单元与同一个电池包簇内的电池包相连；电池簇控制单元，与电池组控制单元及电池包簇相连。该电池管理系统的主动均衡方法包括：S1、获取电池包内电池的电芯电压值，根据预设规则进行包内均衡；S2、计算整个电池包簇的电芯平均值，把电芯正偏差最高的和负偏差最高的电芯进行对比，如果差值超过了第二值，则进行包间均衡。本发明可以使在集装箱内上千颗电芯在运行环境下的一致性，从而提高整个集装箱储能系统的放电量。
Description
技术领域
本发明属于大规模锂电储能领域，具体涉及一种电池管理系统的主动均衡架构及主动均衡方法。
背景技术
大规模储能系统需要成千上万颗电芯以串、并联的形式组成设计需要的容量。目前，大规模储能系统将串并联的电芯安装在集装箱内，集装箱内的电池成组主要由三个部分组成，电芯串联组成电池包(PACK)、PACK串联至储能变流器的额定直流侧电压形成一簇CLUSTER，最后多个簇并联安装后形成集装箱内的储能系统。如果集装箱内的电芯容量不一致将会导致整个储能系统充、放电容量受到影响从而达不到设计容量。
假设1簇电池由14个PACK组成，PACK的额定电量为10kWh。若其中一个PACK，由于其内部电芯不一致性过高，它能放出的电量只有8kWh，则这一簇的电量由额定的10*14＝140kWh降低到8*14＝112kWh。损失电量28kWh。如果集装箱内有12簇电池，则集装箱内损失电量为336kWh。这只是PACK内一个电芯不均衡的现象导致的。加入均衡后，可以把问题PACK放出的电量提高到9kWh，甚至恢复到10kWh。从而提高整个集装箱储能系统的放电量。可见，如何保证在集装箱内上千颗电芯在运行环境下的一致性是大规模储能系统必须解决的问题。
发明内容
本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
为克服现有技术的问题，本发明提供一种电池管理系统的主动均衡架构，包括：
电池包簇，包括多个串联的电池包；
多个电池管理单元，与所述电池包一一对应相连；
电池组控制单元，与所述多个电池管理单元相连，所述多个电池管理单元与同一个电池包簇内的电池包相连；
电池簇控制单元，与所述电池组控制单元及电池包簇相连。
可选地，所述电池管理单元包括第一DC/DC模块以及与所述第一DC/DC模块相连的第一选择电路。
可选地，所述电池组控制单元包括第二DC/DC模块以及与所述第二DC/DC模块相连的第二选择电路。
可选地，所述电池簇控制单元通过第三DC/DC模块与所述电池包簇相连。
本发明提供一种电池管理系统的主动均衡方法，包括：
S1、获取电池包内电池的电芯电压值，根据预设规则进行包内均衡；
S2、计算整个电池包簇的电芯平均值，把电芯正偏差最高的和负偏差最高的电芯进行对比，如果差值超过了第二值，则进行包间均衡。
可选地，所述预设规则包括：若获取的所述电芯电压值与所述目标值的差值超过第一预设值，则启动电池管理单元中的第一DC/DC模块进行包内均衡。
可选地，所述步骤S2之后，包括：S3、获取电池包簇的簇间SOC，并据此通过第三DC/DC模块进行电池包簇间的功率分配。
可选地，所述步骤S3包括：调节所述第三DC/DC模块的下垂曲线的Kp斜率以得到不同的功率分配。
可选地，所述调节所述第三DC/DC模块的下垂曲线的Kp斜率以得到不同的功率分配之后，包括：将所述下垂曲线按照Delta_Kp的方式上下移动以调节第三DC/DC模块的分配功率。
可选地，放电时，所述Kp的初始值为：Kpi＝(SOCmax/SOCi)×K；充电时，所述Kp的初始值为：Kpi＝(SOCi/SOCmax)×K；
其中SOCmax是所有电池包簇中SOC最高的值，SOCi是第i个电池包簇的SOC值，K是一个定数，依据不同的项目，可以设定不同的K值。
本发明提供一种电池管理系统的主动均衡架构及主动均衡方法，通过均衡操作，可以保证在集装箱内上千颗电芯在运行环境下的一致性，从而提高整个集装箱储能系统的放电量。
附图说明
图1为本发明实施例的电池管理系统的主动均衡架构的结构示意图。
图2为本发明实施例的电池包、BMU、BCMU的连接示意图。
图3A为本发明实施例的斜率为Kp1的下垂曲线的示意图。
图3B为对图3A中斜率为Kp1的下垂曲线的向上移动后的示意图。
图3C为本发明实施例的斜率为Kp2的下垂曲线的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1、图2所示，本发明提供一种电池管理系统的主动均衡架构，包括：电池包簇10、BMU20、BCMU30、BAMS40。其中：
电池包簇10包括多个串联的电池包11，电池包11由多个电芯串联组成；一般地，电池包簇10为2个以上。
多个BMU20(Battery Management Unit，电池管理单元)，与所述电池包相连，更具体地，一个BMU20与一个电池包11相连，BMU用于采集所述电池包内每个电芯的相关数据，计算每个电芯的SOC、SOH值，据此管理每个PACK内部的电芯均衡，对不均衡电芯做主动均衡。电池包内包括特定数量的电芯，一个BMU只针对一个特定数量的电芯，例如是3个电芯，也可能是1个电芯，6个电芯或者12个电芯，本发明对此不作限制。
请同时参照图2，本实施例中以三个电芯12组成一个PACK为例，此时，BMU包括第一选择电路21以及第一DC/DC模块22。如果其中一个电芯电压过高，可以通过第一DC/DC模块22让其对整个串联的3个电芯的PACK进行放电；反之，进行充电。
多个BCMU30(Battery Control Management Unit，电池组控制单元)，一个BCMU与一个电池包簇相连的所有BMU20相连，BCMU30用于处理每个PACK之间的均衡，同时计算电池包簇的SOC，电池包簇的电压。一般地，BMU20将采集到数据实时上传到BCMU30中，BCMU30收取每个BMU20上传的电芯实时数据，通过BCMU算法做Pack之间的均衡，请同时参照图2，本实施例中，两个3电芯的Pack组成了一个电池包簇，那么这两个pack之间电芯的均衡通过BCMU中的第二DC/DC模块31进行均衡。当电池包的数量增大时，可以加入与第二DC/DC模块31相连的第二选择电路。第二选择电路的层数可以依据具体的项目来设计的，第二选择电路越多，则多个电池包之间可以同时进行均衡，提高效率；如果只有一个选择电路，那么所有的电池包之间的均衡都是依次进行，不能同时进行。
BAMS40(Battery Assembly Management Unit，电池簇控制单元)，与所有的BCMU30相连，BAMS用于接收BCMU上传的每个电池包簇的信息(包括电池包簇的SOC、电压)，并将所有的参数传送至EMS(Energy management system，能量管理系统)，EMS可以根据BCMU30上传的簇间SOC计算簇间功率分配。BAMS40还用于通过第三DC/DC模块50与电池包簇10相连，从而根据EMS的指令功率分配，做到簇间均衡。有着高的SOC的电池包簇在放电时候，功率会大，在充电的时候，功率会低。BAMS40通过图1的第三DC/DC模块50来控制每一电池包簇的充放电功率，一般地，一个电池包簇对应一个第三DC/DC模块50。此外，BAMS会把。第三DC/DC模块50与直流母线60相连，直流母线60根据系统不同会有不同，约为800V到1000VDC系统(一次强电)。
本实施例中，电池包簇间的功率分配是依据DC/DC内部的下垂控制，EMS计算Kp的和其他优化控制，BAMS调节参数Kp，使得功率分配更加合理。
更具体地，DC/DC的下垂控制方法包括：
一次调节方式：可以调节每个第三DC/DC模块的下垂曲线，下垂曲线的Kp斜率不同，可以得到不同的功率分配(簇间)。
二次调节方式：可以将下垂曲线按照Delta_Kp的方式上下移动，从而调节每个第三DC/DC模块的分配功率。
一般地，由EMS进行具体Kp，DeltaKp的计算，然后将结果发给BAMS执行。首先会调节Kp，将Kp下发给每个第三DC/DC模块，如果存在偏差，将会调节Delta_Kp达到无差调节。调节的目标值由BAMS下发。
Kp的初始值根据电池包簇是处于充电状态还是放电状态而有所不同，更具体地：
放电时，所述Kp的初始值为：Kpi＝(SOCmax/SOCi)×K；
充电时，所述Kp的初始值为：Kpi＝(SOCi/SOCmax)×K；
其中SOCmax是所有电池包簇中SOC最高的值，SOCi是第i个电池包簇的SOC值，K是一个定数，依据不同的项目，可以设定不同的K值。
请同时参照图3A至图3C，图中横坐标为功率，纵坐标为电压，将如图3A所示斜率为Kp1的下垂曲线向上移动得到如图3B所示的横坐标为p2下垂曲线，图3C是斜率为Kp2的下垂曲线，可见通过改变斜率或进行上下移动就可以改变功率，即进行功率分配，在放电过程中，SOC高的分配多一些功率，SOC低的分配少一些功率，从而使整体更均衡。在充电过程中，SOC低的充电功率大一些，SCO高的充电功率小一些。这些均衡的策略通过调节直流侧下垂曲线达到。
本发明提供一种电池管理系统的主动均衡方法，包括：
S1、获取电池包内电池的电芯电压值，根据预设规则进行包内均衡；
更具体地，可以根据电池包(Pack)内部的平均电压设定均衡的目标值。上述预设规则为：若获取的所述电芯电压值与所述目标值的差值超过第一预设值，则启动电池管理单元(BMU)中的第一DC/DC模块进行包内均衡。一个BMU与一个电池包相连。
S2、计算整个电池包簇的电芯平均值，把电芯正偏差最高的和负偏差最高的电芯进行对比，如果差值超过了第二值，则进行包间均衡。
更具体地，可以启动电池组控制单元(BCMU)中第二DC/DC模块进行包间均衡，一个BCMU会与一个电池包簇相连的所有BMU相连，BCMU可以处理每个PACK之间的均衡，同时计算电池包簇的SOC，电池包簇的电压等。
在本发明的另一实施例中，提供一种电池管理系统的主动均衡方法，包括上述步骤S1、S2，在步骤S2之后，还包括：
S3、获取电池包簇的簇间SOC，并据此进行电池包簇间的功率分配。
更具体地，可以通过EMS及BAMS依据DC/DC内部的下垂控制进行电池包簇间的功率分配。
更具体地，DC/DC的下垂控制方法包括：
一次调节方式：可以调节每个第三DC/DC模块的下垂曲线，下垂曲线的Kp斜率不同，可以得到不同的功率分配(簇间)。
二次调节方式：可以将下垂曲线按照Delta_Kp的方式上下移动，从而调节每个第三DC/DC模块的分配功率。
一般地，由EMS进行具体Kp，DeltaKp的计算，然后将结果发给BAMS执行。首先会调节Kp，将Kp下发给每个第三DC/DC模块，如果存在偏差，将会调节Delta_Kp达到无差调节。调节的目标值由BAMS下发。
Kp的初始值根据电池包簇是处于充电状态还是放电状态而有所不同，更具体地：
放电时，所述Kp的初始值为：Kpi＝(SOCmax/SOCi)×K；
充电时，所述Kp的初始值为：Kpi＝(SOCi/SOCmax)×K；
其中SOCmax是所有电池包簇中SOC最高的值，SOCi是第i个电池包簇的SOC值，K是一个定数，依据不同的项目，可以设定不同的K值。
请同时参照图3A至图3C，图中横坐标为功率，纵坐标为电压，将如图3A所示斜率为Kp1的下垂曲线向上移动得到如图3B所示的横坐标为p2下垂曲线，图3C是斜率为Kp2的下垂曲线，可见通过改变斜率或进行上下移动就可以改变功率，即进行功率分配，在放电过程中，SOC高的分配多一些功率，SOC低的分配少一些功率，从而使整体更均衡。在充电过程中，SOC低的充电功率大一些，SCO高的充电功率小一些。这些均衡的策略通过调节直流侧下垂曲线达到。
本发明提供一种电池管理系统的主动均衡架构及方法，通过电池包的包内均衡、电池包簇内部的包间均衡、电池包簇间的簇间均衡操作，可以保证在集装箱内上千颗电芯在运行环境下的一致性，从而提高整个集装箱储能系统的放电量。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (10)
1.一种电池管理系统的主动均衡架构，其特征在于，包括：
电池包簇，包括多个串联的电池包；
多个电池管理单元，与所述电池包一一对应相连；
电池组控制单元，与所述多个电池管理单元相连，所述多个电池管理单元与同一个电池包簇内的电池包相连；
电池簇控制单元，与所述电池组控制单元及电池包簇相连。
2.根据权利要求1所述电池管理系统的主动均衡架构，其特征在于，所述电池管理单元包括第一DC/DC模块以及与所述第一DC/DC模块相连的第一选择电路。
3.根据权利要求1所述电池管理系统的主动均衡架构，其特征在于，所述电池组控制单元包括第二DC/DC模块以及与所述第二DC/DC模块相连的第二选择电路。
4.根据权利要求1所述电池管理系统的主动均衡架构，其特征在于，所述电池簇控制单元通过第三DC/DC模块与所述电池包簇相连。
5.一种电池管理系统的主动均衡方法，其特征在于，包括：
S1、获取电池包内电池的电芯电压值，根据预设规则进行包内均衡；
S2、计算整个电池包簇的电芯平均值，把电芯正偏差最高的和负偏差最高的电芯进行对比，如果差值超过了第二值，则进行包间均衡。
6.根据权利要求5所述电池管理系统的主动均衡方法，其特征在于，所述预设规则包括：若获取的所述电芯电压值与所述目标值的差值超过第一预设值，则启动电池管理单元中的第一DC/DC模块进行包内均衡。
7.根据权利要求5所述电池管理系统的主动均衡方法，其特征在于，所述步骤S2之后，包括：S3、获取电池包簇的簇间SOC，并据此通过第三DC/DC模块进行电池包簇间的功率分配。
8.根据权利要求7所述电池管理系统的主动均衡方法，其特征在于，所述步骤S3包括：调节所述第三DC/DC模块的下垂曲线的Kp斜率以得到不同的功率分配。
9.根据权利要求8所述电池管理系统的主动均衡方法，其特征在于，所述调节所述第三DC/DC模块的下垂曲线的Kp斜率以得到不同的功率分配之后，包括：将所述下垂曲线按照Delta_Kp的方式上下移动以调节第三DC/DC模块的分配功率。
10.根据权利要求8所述电池管理系统的主动均衡方法，其特征在于：
放电时，所述Kp的初始值为：Kpi＝(SOCmax/SOCi)×K；
充电时，所述Kp的初始值为：Kpi＝(SOCi/SOCmax)×K；
其中SOCmax是所有电池包簇中SOC最高的值，SOCi是第i个电池包簇的SOC值，K是一个定数，依据不同的项目，可以设定不同的K值。
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