CN110474386B - 一种储能电池系统多层级主动均衡电路及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种储能电池系统多层级主动均衡电路及控制方法，采用多层级主动均衡结构将电池储能系统划分成多个模块，主动均衡电路包括组内均衡电路和组间均衡电路，组内均衡电路包括电池状态信息采集电路、组内开关阵列、组内双向DC‑DC电路和从MCU，组间均衡电路包括组间开关阵列、组间双向DC‑DC电路和主MCU；模块内部通过主动均衡实现模块内均衡，模块之间利用模块均衡主电路实现模块之间的均衡。本发明可实现储能电池系统内能量的有效利用，并可以有效提升电池组整体容量和功率性能，同时缩短均衡时间。

Description

一种储能电池系统多层级主动均衡电路及控制方法
技术领域
本发明涉及储能电池系统均衡控制技术，尤其涉及一种储能电池系统多层级主动均衡电路及控制方法。
背景技术
随着电池储能技术的不断发展，大规模储能电站大量投入国网运营，在发电、输电、配电和用电侧都发挥了重要作用。由于电池在制造过程中由于制造工艺和使用环境的不同，长时间使用后会出现电池电量的不均衡，在电池组中电池单体电量不一致会导致电池组整体容量的缩减，即电池组整体可放出电量低于单体的叠加。同时由于个别单体的制约，电池组的整体功率也会收到限制。所以，保持电池组整体电量均衡对于电池系统整体性能的发挥具有重要意义。
传统的均衡方式采用电阻放电方式，一方面能量转化为热量散失是一种浪费，另一方面也给电池热管理造成影响。为了节约能量的同时使电池组最大限度的发挥效能，设计储能电池系统多层级主动均衡结构和控制方法可以有效的解决该难题。
已有的相似的技术方案有“一种基于电感的储能电池组无损均衡电路及其均衡方法”，该方法通过电感作为储能元件，并提出了无损均衡电路及其均衡方法，极大地减少了均衡电路储能元件数量，减少均衡电路的体积，简化了均衡控制策略，改善电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减小电池组的维修和更换周期，延长电池组的使用寿命，降低蓄能电站的运行成本。
传统的均衡结构与控制方法在进行均衡控制时，由于构成电池组的单体数量众多，对电池单体逐一均衡耗费大量时间，而且现有方案往往针对电池模块内部，模块之间的均衡缺少考虑，更重要的是对于储能电池系统的均衡缺少统筹控制，以上种种原因都会造成均衡时间长、均衡效果差的问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种储能电池系统多层级主动均衡电路及控制方法，实现对整个电池储能系统的均衡，最终实现电池组容量和功率性能的提升。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种储能电池系统多层级主动均衡电路，储能电池系统包括n个串联的模块，每个模块包括m个串联的电池；主动均衡电路包括组内均衡电路和组间均衡电路，组内均衡电路包括电池状态信息采集电路、组内开关阵列、组内双向DC-DC电路和从MCU，组间均衡电路包括组间开关阵列、组间双向DC-DC电路和主MCU；电池状态信息采集电路采集组内单个电池的状态信息传输到从MCU；从MCU控制组内开关阵列将单个电池接入组内双向DC-DC电路，从MCU向组内双向DC-DC电路发出控制信号，控制单个电池的能量转移；从MCU将组内电池的状态信息传输到主MCU；主MCU控制组间开关阵列将单个模块接入组间双向DC-DC电路，主MCU向组间双向DC-DC发出控制信号，控制单个模块的能量转移。
进一步地，电池状态信息包括电池电压和电池温度。
一种储能电池系统多层级主动均衡电路的控制方法，包括步骤：
(1)从MCU控制电池状态信息采集电路运行，采集组内单个电池的状态信息传输到从MCU，从MCU根据电池电压计算电池剩余电量；从MCU将组内电池电压、电池剩余电量和电池温度传输到主MCU；
(2)主MCU对接收到的信息进行分析，当电池温度低于50℃大于0℃时，判断组内电池剩余电量的差异是否大于5％；若大于5％，主MCU向相应的从MCU发送组内均衡的命令；若小于5％，主MCU向相应的从MCU发送组内不均衡的命令；
(3)若从MCU收到组内均衡的命令，则进行组内均衡，均衡结束后向主MCU发送完成信号；若从MCU收到组内不均衡的命令，则从MCU向主MCU发送完成信号；
(4)当主MCU收到所有从MCU的完成信号后，主MCU开始进行组间均衡判断；
(5)当温度低于50℃大于0℃时，判断组间电池剩余电量的差异是否大于5％；如果小于5％，则不进行组间均衡，如果大于5％，则进行组间均衡。
进一步地，步骤3中组内均衡包括两种模式，当与最高剩余电量电池的剩余电量差距小于5％的电池数量小于m/2时，从MCU控制组内开关阵列将剩余电量高的电池接入组内双向DC-DC电路，向组内双向DC-DC电路发出控制信号，控制单个电池向单个模块转移能量；当与最高剩余电量电池的剩余电量差距小于5％的电池数量大于m/2时，从MCU控制组内开关阵列将剩余电量低的电池接入组内双向DC-DC电路，向组内双向DC-DC电路发出控制信号，控制单个模块向单个电池转移能量。
进一步地，组内均衡结束条件：均衡一次转移单个电池额定容量5％的电量，每次均衡后进行一次模式判断，直到组内电池剩余电量的差异小于5％。
进一步地，步骤5中组间均衡包括两种模式，当与最高剩余电量电池组的剩余电量差距小于5％的电池组数量小于n/2时，主MCU控制组间开关阵列将剩余电量高的单个模块接入组间双向DC-DC电路，向组间双向DC-DC电路发出控制信号，控制单个模块向整个模块转移能量；当与最高剩余电量电池组的剩余电量差距小于5％的电池组数量大于n/2时，主MCU控制组间开关阵列将剩余电量低的单个模块接入组间双向DC-DC电路，向组间双向DC-DC电路发出控制信号，控制整个模块向单个模块转移能量。
进一步地，组间均衡结束条件：均衡一次转移单个模块额定容量5％的电量，每次均衡后进行一次模式判断，直到组间电池剩余电量的差异小于5％。
进一步地，每个模块的剩余电量为该模块内的最小电池剩余电量。
有益效果：本发明提供的储能电池系统多层级主动均衡电路及控制方法，可实现储能电池系统内能量的有效利用，并可以有效提升电池组整体容量和功率性能，同时缩短均衡时间。
附图说明
图1是储能电池系统多层级主动均衡电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明采用多层级主动均衡结构将电池储能系统划分成多个模块，模块内部通过主动均衡实现模块内均衡，模块之间利用一套开关矩阵和模块均衡主电路实现模块之间的均衡。
如图1所示，将储能电池系统根据单体数量划分为固定数量的n个模块，每个模块内有m个串联的电池，主动均衡电路包括组内均衡电路和组间均衡电路，组内均衡电路包括电池状态信息采集电路、组内开关阵列、组内双向DC-DC电路和从MCU，组间均衡电路包括组间开关阵列、组间双向DC-DC电路和主MCU；
电池状态信息包括电池电压和电池温度，为了获取各个电池模块的当前状态，通过采集模块内的各个单体电压，根据静置4小时以上的开路电压获得电池以及电池开路电压与剩余电量(SOC)之间的对应关系，估计每一节单体的SOC。均衡过程中，通过安时积分法来估计电池SOC。
本发明的均衡电路控制方法实现步骤可表述如下：
Step 1：从MCU控制电池状态信息采集电路运行，采集组内单个电池的状态信息传输到从MCU，从MCU根据采集到的电池电压估计电池的SOC，再将模块内电池的电压、SOC和温度通过通讯的方式，传输到主MCU；
Step 2：主MCU对从MCU收集到的信息进行分析，在温度低于50℃，大于0℃的情况下，根据每个模块内电池的SOC差异是否大于5％来判断是否需要组内均衡，若大于5％，主MCU向相应的从MCU发送组内均衡的命令；若小于5％，主MCU向相应的从MCU发送组内不均衡的命令；
Step 3：若从MCU收到需要组内均衡的信息，从MCU通过均衡控制方式进行组内均衡，均衡结束后从MCU会向主MCU发送完成信号；若从MCU收到不需要组内均衡的信息，则从MCU会向主MCU发送完成信号；
Step4：当主MCU收到所有从MCU的完成信号后，主MCU开始进行组间的均衡判断；
Step 5：主MCU收集从MCU传输过来的各个电池模块的电压、SOC和温度，在温度低于50℃，大于0℃的情况下，如果模块的SOC差距小于5％，则不需要进行组间均衡；如果模块的SOC差距大于5％，则需要进行组间均衡，组间进行均衡。
均衡控制方式存在两种模式，对于单个模组来说，一是从MCU通过组内开关阵列将SOC高的电池接入组内双向DC-DC电路一端，并向组内双向DC-DC电路发出控制信号，控制单个电池向单个模块转移能量；二是从MCU通过组内开关阵列将SOC低的电池接入组内双向DC-DC电路一端，并向组内双向DC-DC电路发出控制信号，控制单个模块向单个电池转移能量。
对于整个模组来说，一是主MCU通过组间开关阵列将SOC高的单个模块接入组间双向DC-DC电路一端，并向组间双向DC-DC电路发出控制信号，控制单个模块向整个模块转移能量；二是主MCU通过组间开关阵列将SOC低的单个模块接入组间双向DC-DC电路一端，并向组间双向DC-DC电路发出控制信号，控制整个模块向单个模块转移能量。均衡的顺序是先组内均衡再到组间均衡。
对于单个模组来说，两种模式的选择是根据组内电池的SOC分布来决定的，当与最高SOC电池的SOC差距小于5％的电池数量小于m/2时，采用SOC最高的电池向单个模块转移能量的方式；当与最高SOC电池的SOC差距小于5％的电池数量大于m/2时，单个模块向SOC最低的电池转移能量。一次均衡结束的标志是转移了单个电池额定容量5％的电量，每次均衡后都需要进行一次模式判断，直到组内电池的SOC差距小于5％。
对于整个模组来说，均衡方式相同，其中单个模块对应单个电池，整个模组对应单个模块。均衡一次转移单个模块额定容量5％的电量，每次均衡后进行一次模式判断，直到组间电池剩余电量的差异小于5％。每个模块的SOC以该模块内的最小SOC为准。
上述储能电池系统多层级主动均衡电路及控制方法，根据采集的电池电压信息估计电池电量，并以此为依据分别进行模块内均衡和模块间均衡，具有很强的适应性和广泛性。

Claims (6)

1.一种储能电池系统多层级主动均衡电路，其特征在于，储能电池系统包括n个串联的模块，每个模块包括m个串联的电池；主动均衡电路包括组内均衡电路和组间均衡电路，组内均衡电路包括电池状态信息采集电路、组内开关阵列、组内双向DC-DC电路和从MCU，组间均衡电路包括组间开关阵列、组间双向DC-DC电路和主MCU；电池状态信息采集电路采集组内单个电池的状态信息传输到从MCU；从MCU控制组内开关阵列将单个电池接入组内双向DC-DC电路，从MCU向组内双向DC-DC电路发出控制信号，控制单个电池的能量转移；从MCU将组内电池的状态信息传输到主MCU；主MCU控制组间开关阵列将单个模块接入组间双向DC-DC电路，主MCU向组间双向DC-DC发出控制信号，控制单个模块的能量转移；
所述储能电池系统多层级主动均衡电路的控制方法，包括如下步骤：
(1)从MCU控制电池状态信息采集电路运行，采集组内单个电池的状态信息传输到从MCU，从MCU根据电池电压计算电池剩余电量；从MCU将组内电池电压、电池剩余电量和电池温度传输到主MCU；
(2)主MCU对接收到的信息进行分析，当电池温度低于50℃大于0℃时，判断组内电池剩余电量的差异是否大于5％；若大于5％，主MCU向相应的从MCU发送组内均衡的命令；若小于5％，主MCU向相应的从MCU发送组内不均衡的命令；
(3)若从MCU收到组内均衡的命令，则进行组内均衡，均衡结束后向主MCU发送完成信号；若从MCU收到组内不均衡的命令，则从MCU向主MCU发送完成信号；
(4)当主MCU收到所有从MCU的完成信号后，主MCU开始进行组间均衡判断；
(5)当温度低于50℃大于0℃时，判断组间电池剩余电量的差异是否大于5％；如果小于5％，则不进行组间均衡，如果大于5％，则进行组间均衡；
所述步骤3中组内均衡包括两种模式，当与最高剩余电量电池的剩余电量差距小于5％的电池数量小于m/2时，从MCU控制组内开关阵列将剩余电量高的电池接入组内双向DC-DC电路，向组内双向DC-DC电路发出控制信号，控制单个电池向单个模块转移能量；
当与最高剩余电量电池的剩余电量差距小于5％的电池数量大于m/2时，从MCU控制组内开关阵列将剩余电量低的电池接入组内双向DC-DC电路，向组内双向DC-DC电路发出控制信号，控制单个模块向单个电池转移能量。
2.根据权利要求1所述的储能电池系统多层级主动均衡电路，其特征在于，电池状态信息包括电池电压和电池温度。
3.根据权利要求1所述的储能电池系统多层级主动均衡电路，其特征在于，组内均衡结束条件：均衡一次转移单个电池额定容量5％的电量，每次均衡后进行一次模式判断，直到组内电池剩余电量的差异小于5％。
4.根据权利要求1所述的储能电池系统多层级主动均衡电路，其特征在于，步骤5中组间均衡包括两种模式，当与最高剩余电量电池组的剩余电量差距小于5％的电池组数量小于n/2时，主MCU控制组间开关阵列将剩余电量高的单个模块接入组间双向DC-DC电路，向组间双向DC-DC电路发出控制信号，控制单个模块向整个模块转移能量；当与最高剩余电量电池组的剩余电量差距小于5％的电池组数量大于n/2时，主MCU控制组间开关阵列将剩余电量低的单个模块接入组间双向DC-DC电路，向组间双向DC-DC电路发出控制信号，控制整个模块向单个模块转移能量。
5.根据权利要求4所述的储能电池系统多层级主动均衡电路，其特征在于，组间均衡结束条件：均衡一次转移单个模块额定容量5％的电量，每次均衡后进行一次模式判断，直到组间电池剩余电量的差异小于5％。
6.根据权利要求1所述的储能电池系统多层级主动均衡电路，其特征在于，每个模块的剩余电量为该模块内的最小电池剩余电量。
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