CN110797595A - 一种电池组并联充放电控制方法和系统 - Google Patents

一种电池组并联充放电控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电池组并联充放电控制方法，该方法包括下列步骤：实时检测并联的每个电池支路的实际电流值；将所有电池支路的实际电流值进行比较，获得最大实际电流值；确定电池系统的安全电流值；将最大实际电流值与安全电流值进行比较；基于最大实际电流值与安全电流值的比较调整电池系统。该方法通过实时监测不同并联支路电池的电流变化，并根据电池耐流特性上限阈值，动态调整电池系统的负载或充电电压，实现对电池系统的充放电控制，在整个使用过程中消除电池系统内部由于容量、开路电压、荷电状态、内阻等不一致导致的环流过大影响。而且该控制方式可以满足机车的启动功率需求，也可以最大限度的发挥动力电池系统特性。

Description

一种电池组并联充放电控制方法和系统
技术领域
本发明涉及机车动力电池充放电控制领域，更具体地涉及一种电池组并联充放电控制方法和系统。
背景技术
随着国家倡导绿色能源，机车车辆行业(如高铁、动车、城轨、地铁及铁路机车)采用动力蓄电池的项目逐渐增多。
机车车辆用动力蓄电池有容量大、电量大的特点，特别是从机车冗余性的角度出发，绝大多数都采用多支路并联的电路拓扑。但是，动力电池在长期循环使用过程中，由于自放电、温差等方面的影响，会产生荷电状态、容量以及内阻方面的不一致性。并联电路拓扑中，不同支路之间电压相同，但当荷电状态及内阻发生较大差异时，会出现明显的电流不一致现象，即环流现象。环流现象会导致部分电池电流很小，而另一部分电池电流过大，可能会超过电池所能承受的电流范围，导致电池组的加速老化，极大的影响电池寿命及功率、能量特性的发挥。
需要设计一种能够满足如高铁、动车等机车车辆的使用需求，在保证系统安全和电池性能不受破坏的情况下，最大限度地发挥动力电池系统特性的充放电控制方法。
发明内容
本发明根据当前机车动力电池系统设计拓扑，提出了一种适合于并联的电池组之间的充放电安全控制方法，在保证系统安全和电池性能不受破坏的情况下，最大限度的发挥动力电池系统特性。
为了实现上述目的，本发明提供一种电池组并联充放电控制方法，该方法包括下列步骤：实时检测并联的多个电池支路的每个电池支路的实际电流值；将所有电池支路的实际电流值进行比较，获得最大实际电流值；确定电池系统的安全电流值；将最大实际电流值与安全电流值进行比较；基于最大实际电流值与安全电流值的比较调整电池系统。
根据本发明的一个实施例，该方法进一步包括在实时检测并联的每个电池支路的实际电流值之前确定电池系统是否处于充电或放电状态。
根据本发明的一个实施例，安全电流值是电流最大的电池支路的最大可承受电流值。
根据本发明的一个实施例，最大可承受电流值是根据该支路中的电池类型和成组方式确定的。
根据本发明的一个实施例，调整包括响应于确定所述电池系统处于充电状态并且所述最大实际电流值大于所述安全电流值而降低所述电池系统的充电电压。
根据本发明的一个实施例，调整包括响应于确定所述电池系统处于充电状态并且所述最大实际电流值小于所述安全电流值而升高所述电池系统的充电电压。
根据本发明的一个实施例，调整包括响应于确定所述电池系统处于放电状态并且所述最大实际电流值大于所述安全电流值而降低所述电池系统的负载。
根据本发明的一个实施例，调整包括响应于确定所述电池系统处于放电状态并且所述最大实际电流值小于所述安全电流值而根据需要升高所述电池系统的负载。
本发明还提供一种电池组并联充放电控制系统，该系统包括：用于实时检测并联的多个电池支路的每个电池支路的实际电流值的电流检测装置；用于确定电池系统的安全电流值的安全电流确定装置；用于将所有电池支路的实际电流值进行比较以获得最大实际电流值以及将最大实际电流值与安全电流值进行比较的比较装置；基于最大实际电流值与安全电流值的比较调整电池系统的调整装置。
本发明还提供了一种机车，该机车使用上述方法对电池组进行并联充放电控制。
本发明可以获得以下有益效果：
通过实时监测不同并联支路电池的电流变化，并根据电池耐流特性上限阈值，动态调整电池系统的负载或充电电压，实现对电池系统的充放电控制，在整个使用过程中消除电池系统内部由于容量、开路电压、荷电状态、内阻等不一致导致的环流过大影响。而且该控制方式可以满足机车的启动功率需求，也可以最大限度的发挥动力电池系统特性。
附图说明
结合附图根据下面详细描述的一个或多个实施例，本发明的一个或多个特征和或优点会显而易见。
图1是根据本发明的一个实施例的电池组并联放电控制的结构示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的电池组并联放电控制方法的流程图；
图3是根据本发明的一个实施例的电池组并联充电控制的结构示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的电池组并联充电控制方法的流程图。
具体实施方式
根据需要，本发明说明书中公开了本发明的具体实施例；然而，应当理解在此公开的实施例仅为可通过多种、可替代形式实施的本发明的示例。附图无需按照比例绘制；可以扩大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。相同或类似的附图标记可指示相同参数和部件或者与之类似的修改和替代物。在下文的描述中，在构想的多个实施例中描述了多个操作参数和部件。这些具体的参数和部件在本说明书中仅作为示例而并不意味着限定。因此，本说明书中公开的具体结构和功能细节不应该理解为限制，而仅仅是用于教导本领域内技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。
在本申请所提供的几个实施例中，所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
现有技术中已提出在电池组并联使用时根据电池支路间电压高低分开依次投入使用的充电方法，可以解决电池系统在充电初期由于电压不一致导致的环流过大问题。然而，随着电池充放电程度的加深，由于荷电状态的变化，会导致电池开路电压以及内阻的非线性变化，在所有电池均投入使用后仍有可能出现电池支路之间由于差异性过大导致环流过大，从而损伤电池性能的情况。而且，依据该方案，在放电时初始接入回路的电池仅有一个支路，这无法满足机车车辆的启动功率需求，电池系统的性能也无法充分发挥。
本发明根据当前机车动力电池系统设计拓扑，提出了一种适合于并联的电池组之间的充放电安全控制方法。该方法在各个电池支路投入使用前先确保各个支路中的电池组的耐流特性上限阈值基本一致。该方法总体包括下列步骤：实时检测并联的多个电池支路的每个电池支路的实际电流值；将所有电池支路的实际电流值进行比较，获得最大实际电流值；确定电池系统的安全电流值；将最大实际电流值与安全电流值进行比较；基于最大实际电流值与安全电流值的比较调整电池系统。下面分别结合具体的充电状态和放电状态对本发明的电池组并联充放电控制方法进行详细说明。
图1示出了根据本发明的一个实施例的电池组并联放电控制的结构示意图。如图所示，该电池系统包括4个并联的支路，每个支路分别设置一组电池，分别为电池组1、电池组2、电池组3和电池组4。每个电池组可以包括串联或并联连接的多个电池单元。电池单元在长期循环使用过程中，由于自放电、温差等方面的影响，会产生荷电状态、容量以及内阻方面的不一致性。电池单元的不一致性导致其所组成的电池组也存在不一致性。如图1所示，当将电池组1、电池组2、电池组3和电池组4并联在一起并且外接负载M时，由于各支路电池组之间的不一致性可能导致不同支路之间产生环流现象。虽然实际使用时根据电池组的特性预先确定了电池系统外接负载的大小以保证电路的电流在安全范围内，但环流可能使得部分电池的电流超出其所能承受的电流范围，并且环流的大小也会随着电池的放电深度、荷电状态、内阻等变化而变化，如果不对其进行实时监控和调整，则可能使电池加速老化。
进一步结合图1和图2来说明本发明的电池组并联放电控制方法。在电池系统放电过程中，时刻采集系统内各支路电流I1、I2、I3、I4。将所采集的各个支路的电流数据发送至电池管理系统(BMS)中，在BMS内部比较电流数据，得到最大放电电流Imax_d，将该电流数据作为PI控制器的控制信号。当确定了最大放电电流Imax_d之后，根据出现最大放电电流Imax_d的支路中的电池组所包含的电池类型和成组方式来确定该电池支路的最大可承受放电电流Ilimt_d，将Ilimt_d作为判断该支路是否存在过流风险的安全电流。将Imax_d与Ilimt_d进行比较，通过比较Imax_d和Ilimt_d，决定是否调节电池系统负载。如果Imax_d＝Ilimt_d，表明目前最大的电流没有超过最大可承受放电电流，并且电池系统此时的功率性能已经充分发挥，可以使电池在该负载下继续放电。如果Imax_d＞Ilimt_d，说明有部分电池存在过流风险，此时需要降低电池负载，以减小电池输出电流，防止电流过大造成电池性能损伤。如果Imax_d＜Ilimt_d，说明电池系统的功率性能未能完全发挥，此时如有必要，可以提高电池系统负载，增大电池系统放电电流。PI调节器通过输出控制电池系统负载，调节电池系统输出电流，并以此作为控制依据，实现电池系统放电过程的实时闭环控制，可以实现对电池放电性能最大程度的发挥。
本发明的电池组并联放电控制方法在放电过程中持续地监测各个支路的电流，当出现最大放电电流的电池支路发生变化时，需要将与最大放电电流比较的安全电流更换为当前的最大放电电流所在支路的最大可承受放电电流。由此，即使随着放电深度不同而使得出现最大放电电流的电池支路发生变化时，也能够避免电池系统出现过流风险。
下面结合图3和图4说明本发明的电池组并联充电控制方法。在电池系统充电过程中，时刻采集系统内各支路电流I1、I2、I3、I4。将所采集的各个支路的电流数据发送至电池管理系统(BMS)中，并在电池管理系统(BMS)内部进行比较，得到最大充电电流Imax_c，作为PI控制器的控制信号。当确定了最大充电电流Imax_c之后，根据出现最大充电电流Imax_c的支路中的电池组所包含的电池类型和成组方式，确定得到电池支路最大可承受充电电流Ilimt_c。将Ilimt_c作为判断该支路是否存在过流风险的安全电流。通过比较Imax_c和Ilimt_c，决定是否调节电池充电系统电压。如果Imax_c＝Ilimt_c，表明目前最大的电流没有超过最大可承受充电电流，说明电池系统此时充电特性完全发挥，可以使电池系统继续在该电压下进行充电。若Imax_c＞Ilimt_c，说明有部分电池存在过流风险，则需要降低电池充电系统电压，以减小电池充电电流，防止电流过大造成电池性能损伤或安全隐患。若Imax_c＜Ilimt_c，说明电池系统此时充电特性未能完全发挥，此时可以提高电池充电系统电压，增大电池系统充电电流，以缩短电池系统充电时间。PI调节器通过输出控制电池充电系统电压，调节电池系统充电电流，并以此作为控制依据，实现对电池系统充电过程的实时闭环控制，可以在安全可控范围内以最短时间完成电池充电过程。
本发明还公开了一种电池组并联充放电控制系统。该控制系统可以包括电流检测装置、安全电流确定装置、比较装置以及调整装置。电流检测装置可以是本领域中常规使用的电流计。安全电流可以根据对应的模型和测试来获得，并将相应的数据存储在存储器中以供控制器使用。在图1和图3所示的实施例中，电流大小的比较通过电池管理系统来实施，最大充放电电流与最大可承受电流的比较由PI控制器实施，并且PI控制器根据比较的结果进行如上所述的对应调整。
本发明的控制方法实时监测各个支路中的实际电流，以实际电流作为调节控制的输入信号，可以消除电池并联使用过程中环流带来的安全问题，电池系统可以分为多子系统并联的拓扑，大幅增加了系统的冗余性。各支路电流以及上限阈值之间只是进行简单的比较，避免了复杂的计算过程，简化了控制逻辑。本发明的控制方法可以适用于电池充电过程和放电过程，并且对于电池极化未消退的情况同样适用，极大的增加了电池系统充放电控制的可靠性。同时可以避免电池使用过程中因容量、内阻、荷电状态、温度等因素引起的部分过流问题，有效减缓电池老化，延长电池系统使用寿命，提升机车车辆全寿命周期的经济性。
应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外实施例。此外，本文所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、尺寸、材料做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。
上述实施例，特别是任何“优选”实施例是实施方式的可能示例，并且仅仅为了清楚理解本发明的原理而提出。在基本上不脱离本文描述的技术的精神和原理的情况下，可以对上述实施例做出许多变化和修改。所有修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种电池组并联充放电控制方法，其特征在于，包括下列步骤：
实时检测并联的多个电池支路中的每个电池支路的实际电流值；
将所有电池支路的实际电流值进行比较，获得最大实际电流值；
确定电池系统的安全电流值；
将最大实际电流值与安全电流值进行比较；
基于最大实际电流值与安全电流值的比较调整电池系统。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在实时检测并联的每个电池支路的实际电流值之前确定电池系统是否处于充电或放电状态。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述安全电流值是电流最大的支路的最大可承受电流值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述最大可承受电流值是根据支路中的电池类型和成组方式确定的。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调整包括响应于确定所述电池系统处于充电状态并且所述最大实际电流值大于所述安全电流值而降低所述电池系统的充电电压。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调整包括响应于确定所述电池系统处于充电状态并且所述最大实际电流值小于所述安全电流值而升高所述电池系统的充电电压。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调整包括响应于确定所述电池系统处于放电状态并且所述最大实际电流值大于所述安全电流值而降低所述电池系统的负载。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调整包括响应于确定所述电池系统处于放电状态并且所述最大实际电流值小于所述安全电流值而根据需要升高所述电池系统的负载。
9.一种电池组并联充放电控制系统，其特征在于，所述系统包括：
电流检测装置，所述电流检测装置用于实时检测并联的多个电池支路的每个电池支路的实际电流值；
安全电流确定装置，所述安全电流确定装置用于确定电池系统的安全电流值；
比较装置，所述比较装置用于将所有电池支路的实际电流值进行比较以获得最大实际电流值，以及将最大实际电流值与安全电流值进行比较；
调整装置，所述调整装置基于最大实际电流值与安全电流值的比较调整电池系统。
10.一种机车，其特征在于，所述机车使用根据权利要求1-9中任一项所述的方法对电池组进行并联充放电控制。
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