CN110970969B - 一种电动船用锂离子动力电池轮休平衡拓扑及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动船用锂离子动力电池轮休平衡拓扑，包括直接并联在直流母线上的多个（≥2）电池簇，每个电池簇均由多个（≥2）电池模块串联而成，每个电池模块均包括一个电池包，所述的电池包由1～3个单体电池串联组成，每个电池包串联一个带反向二极管D1的MOS管Q1之后并联一个带反向二极管D2的MOS管Q2；还公开了其控制方法；本发明可实现电池簇内部串联电池模块之间的轮休平衡以及并联电池簇之间的均衡控制，模块化程度高，均衡效率高，可最大程度发挥动力电池的充放电电量，避免由于电池不一致导致的“木桶”效应。

Description

一种电动船用锂离子动力电池轮休平衡拓扑及控制方法
技术领域
本发明属于电动船用锂离子电池系统中的管理控制技术领域，具体涉及一种电动船用锂离子动力电池轮休平衡拓扑及控制方法，适用于电动船用锂离子电池系统的管理以及控制，特别适用于电池系统的均衡控制。
背景技术
随着新能源技术的发展以及绿色环保的政策要求，绿色电动船舶备受关注。锂离子动力电池由于其高能量密度、绿色环保、成熟的产业链，使得其成为电动船舶用电池的首选。目前国内外很多厂家已开展电动船用锂离子动力电池的相关研究，并进行实船示范。
由于电动船用锂离子动力电池能量一般为几百千瓦时至及千千瓦时，由数千只单体电池通过串并联组成，单体电池的不一致性导致动力电池系统出现“木桶”效应，降低了成组效率，因此，均衡技术是锂离子动力电池管理及控制的核心之一。
现有的电动船用锂离子动力电池均衡技术多采用电池簇内依靠耗能电阻进行被动均衡，电池簇之间依靠双向DC/DC装置进行主动均衡的手段。电池簇内依靠耗能电阻进行被动均衡其均衡电流往往只能做到0.1A级别，远远小于电池簇工作电流，均衡效果不明显，均衡时间较长。每个电池簇通过双向DC/DC装置接入直流母线，通过控制DC/DC装置的输出电压电流来实现电池簇之间的均衡，其缺点在于DC/DC装置最高效率约为97%左右，往往需要水冷系统，相互之间的协同控制复杂。
发明内容
为了克服常规均衡技术存在的均衡效果不明显，均衡时间长、均衡效率不高、控制复杂等方面的不足，本发明提供一种高效的、均衡控制简单的、均衡效果明显的电动船用锂离子动力电池轮休平衡拓扑及控制方法。
为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种电动船用锂离子动力电池轮休平衡拓扑，包括直接并联在直流母线上的多个（≥2）电池簇，每个电池簇均由多个（≥2）电池模块串联而成，每个电池模块均包括一个电池包，所述的电池包由1～3个单体电池串联组成，每个电池包串联一个带反向二极管D1的MOS管Q1之后并联一个带反向二极管D2的MOS管Q2。
一种电动船用锂离子动力电池轮休平衡控制方法，步骤为：通过控制某个MOS管Q1开通以及MOS管Q2关闭，使得对应的电池模块接入电池簇并处于“工作”状态；通过控制某个MOS管Q1关闭以及MOS管Q2开通，使得对应的电池模块接入电池簇并处于“轮休”状态。
进一步的控制方法为，放电过程中，通过控制电量较低的电池模块处于“轮休”状态，控制电量较高的电池模块处于“工作” 状态，可实现电池簇内部不同电池模块之间的电量平衡；充电过程中，通过控制电量较高的电池模块处于“轮休”状态，控制电量较低的电池模块处于“工作” 状态，可实现电池簇内部不同电池模块之间的电量平衡。
进一步的控制方法为，通过控制电池簇内处于“轮休”状态的电池模块数量，实现电池簇输出电压调节，从而实现电池簇之间的电量平衡控制。
更进一步的控制方法为，测量所有电池模块的电压值Vi、估算所有电池模块的SOC值SOCi，对电池模块电压值求和∑Vi以及平均值Vavg；根据直流母线母线需求电压最小值VBUSmin计算出允许处于“轮休”状态的电池模块数量最大值N=（∑Vi-VBUSmin）/Vavg，根据直流母线需求电压最大值计算出允许处于“轮休”状态的电池模块数量最小值M=（∑Vi-VBUSmax）/Vavg；取实际“轮休”电池模块基准数量为二者的中值n=（M+N）/2；对所有电池模块的SOC值SOCi进行排序，放电过程中让SOC最低的n个电池模块“轮休”，充电过程中让SOC最高的n个电池模块 “轮休”，采用该方法即可实现电池簇内部电池模块之间的电量平衡，确保电池簇充放电过程中各个电池模块的电量一致从而提高电池簇1充放电效率。
若要实现电池簇1之间的电量平衡，对各个电池簇电量SOC进行估算并排序：充电过程中控制SOC较低的电池簇中实际“轮休”电池模块数量在基准数量基础上增加1个；控制SOC较高的电池簇中实际“轮休”电池模块数量在基准数量基础上减少1个；放电过程中控制SOC较低的电池簇中实际“轮休”电池模块数量在基准数量基础上减少1个、控制SOC较高的电池簇1中实际“轮休”电池模块数量在基准数量基础上增加1个。
本发明的有益效果是：
本发明可实现电池簇内部串联电池模块之间的轮休平衡以及并联电池簇之间的均衡控制，模块化程度高，均衡效率高，可最大程度发挥动力电池的充放电电量，避免由于电池不一致导致的“木桶”效应。
因此，采用本专利拓扑的电池系统效率高，不存在“木桶”效应；均衡控制简单，仅需要根据电池模块电量状态控制对应模块的“工作”和“轮休”状态转换；均衡效果明显，可实现电池模块级的主动均衡，能量不转移，而是根据电量状态分时使用。
附图说明
图1是本发明拓扑结构图；
图2是本发明电池模块的结构示意图；
图3是本发明控制逻辑框图。
各附图标记为：1—电池簇，11—电池模块，110—电池包，111—MOS管Q1，112—二极管D1，113—MOS管Q2，114—二极管D2。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐明本发明。
如图1、图2所示，本发明为一种电动船用锂离子动力电池轮休平衡拓扑，包括多个电池簇1，电池簇1直接并联在直流母线上，每个电池簇1包括多个串联的电池模块11，每个电池模块11包括一个电池包110，每个电池包110串联一个带反向二极管D1 112的MOS管Q1111、然后并联一个带反向二极管D2 114的MOS管Q2 113。
本发明的控制方法，通过控制某个MOS管Q1 111开通以及MOS管Q2 113关闭，使得对应的电池模块11接入电池簇1并处于“工作”状态；通过控制某个MOS管Q1 111关闭以及MOS管Q2 113开通，使得对应的电池模块 11接入电池簇并处于“轮休”状态。
放电过程中通过控制电量较低的电池模块11处于“轮休”状态，控制电量较高的电池模块11处于“工作” 状态，实现电池簇1内部不同电池模块11之间的电量平衡；充电过程中通过控制电量较高的电池模块11处于“轮休”状态，控制电量较低的电池模块11处于“工作” 状态，可实现电池簇1内部不同电池模块11之间的电量平衡。
通过控制电池簇1内处于“轮休”状态的电池模块数量，实现电池簇1输出电压调节，以实现电池簇1之间的电量平衡控制。
图3所示为电动船用锂离子动力电池轮休平衡控制逻辑框图，首先测量所有电池模块11的电压值Vi、估算所有电池模块11的SOC值SOCi，对电池模块11电压值求和∑Vi以及平均值Vavg，根据直流母线母线需求电压最小值VBUSmin计算出允许处于“轮休”状态的电池模块11数量最大值N=（∑Vi-VBUSmin）/Vavg，根据直流母线需求电压最大值计算出允许处于“轮休”状态的电池模块11数量最小值M=（∑Vi-VBUSmax）/Vavg，取实际“轮休” 电池模块11基准数量为二者的中值n=（M+N）/2，对所有电池模块11的SOC值SOCi进行排序，放电过程中让SOC最低的n个电池模块11 “轮休”，充电过程中让SOC最高的n个电池模块11 “轮休”，采用该方法即可实现电池簇1内部电池模块11之间的电量平衡，确保电池簇1充放电过程中各个电池模块11的电量一致从而提高电池簇1充放电效率。
若要实现电池簇1之间的电量平衡，在上述图3基础上，对各个电池簇1电量SOC进行估算并排序：充电过程中控制SOC较低的电池簇1中实际“轮休” 电池模块11数量在基准数量基础上增加1个、控制SOC较高的电池簇1中实际“轮休” 电池模块11数量在基准数量基础上减少1个；放电过程中控制SOC较低的电池簇1中实际“轮休” 电池模块11数量在基准数量基础上减少1个、控制SOC较高的电池簇1中实际“轮休” 电池模块11数量在基准数量基础上增加1个。具体增加或减少“轮休” 电池模块11的数量可根据实际均衡效果进行增加，也可多个电池簇1同时进行增减控制，实现更快速的电量均衡。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种电动船用锂离子动力电池轮休平衡控制方法，基于直接并联在直流母线上的多个电池簇（1）构成的动力电池，其中每个电池簇（1）均由多个电池模块（11）串联而成，每个电池模块（11）均包括一个电池包（110），每个电池包（110）串联一个带反向二极管D1（112）的MOS管Q1（111）之后并联一个带反向二极管D2（114）的MOS管Q2（113）；其特征在于，步骤为：
通过控制某个MOS管Q1（111）开通以及MOS管Q2（113）关闭，使得对应的电池模块（11）接入电池簇（1）并处于“工作”状态；
通过控制某个MOS管Q1（111）关闭以及MOS管Q2（113）开通，使得对应的电池模块（11）接入电池簇并处于“轮休”状态；
放电过程中，通过控制电量较低的电池模块（11）处于“轮休”状态，控制电量较高的电池模块（11）处于“工作” 状态，实现电池簇（1）内部不同电池模块（11）之间的电量平衡；
充电过程中，通过控制电量较高的电池模块（11）处于“轮休”状态，控制电量较低的电池模块（11）处于“工作” 状态，实现电池簇（1）内部不同电池模块（11）之间的电量平衡；通过控制电池簇（1）内处于“轮休”状态的电池模块（11）数量，实现电池簇（1）输出电压调节，以实现电池簇（1）之间的电量平衡控制；
测量所有电池模块（11）的电压值Vi、估算所有电池模块（11）的SOC值SOCi，对电池模块（11）电压值求和∑Vi以及平均值Vavg；
根据直流母线母线需求电压最小值VBUSmin计算出允许处于“轮休”状态的电池模块（11）数量最大值N=（∑Vi-VBUSmin）/Vavg，根据直流母线需求电压最大值计算出允许处于“轮休”状态的电池模块（11）数量最小值M=（∑Vi-VBUSmax）/Vavg；
取实际“轮休”电池模块（11）基准数量为二者的中值n=（M+N）/2；
对所有电池模块（11）的SOC值SOCi进行排序，放电过程中让SOC最低的n个电池模块（11）“轮休”，充电过程中让SOC最高的n个电池模块（11）“轮休”。
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