CN112350413A - 一种针对退役电池的多端口大电流均衡装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种针对退役电池的多端口大电流均衡装置及其控制方法。针对的串联电池组由N个电池组串联，每个电池组M个电池单体并联组成；均衡电路主电路包括，N个开关管、N个反并联二极管、N‑1个电感和1个电容组成。通过基于电压的均衡控制策略，以电压作为均衡判据，通过采集每个电池单体电压并计算出平均基准电压的差值，通过控制较高电压单体放电，较低电压单体充电达到均衡控制目的。
Description
技术领域
本发明涉及退役电池梯次利用均衡领域，具体涉及一种针对退役电池的多端口大电流均衡装置及其控制方法。
背景技术
近些年来，在国家引导和市场的推动下，新能源汽车产业进入快速发展阶段，当电动汽车动力电池循环一定次数之后，其容量或功率特性发生较明显的衰退，为保证电动汽车的动力性能、续航里程及安全性能，必须对容量衰退后的动力电池进行更换。对于退役动力电池，直接报废处理势必会对环境中造成极大的危害，同时也是对资源的巨大浪费，而退役动力电池仍具有初始容量的80％的剩余可用容量，并且具有一定的使用寿命，可应用在对电池性能要求不高的储能领域，用于可再生能源发电、通讯基站、削峰填谷、紧急备用、平抑波动、家庭备用电源等领域。
电动汽车退役电池需重新筛选后可用于储能系统，需对退役电池包进行分拆、检测和筛选，并结合应用需求与电池状态重新串联成组，时期满足储能系统对电压、功率的要求。重新筛分成组，可以达到更好的电池状态匹配水平，降低电池性能不均衡带来的种种问题。串联锂电池组的不均衡是指电池组内各个单体之间存在电压、容量和荷电状态(SOC)的差异的现象。重新筛分成组后的退役电池，即使容量衰退率相同，但其直流内阻增加率差异较大，在长期工作过程中不均衡现象依然广泛存在，需要一个有效的均衡技术来解决或削弱不均衡现象，充分利用梯次电池的剩余容量，延长储能系统的电池组使用寿命。
根据均衡方式过程中的能量耗散方式的不同，均衡方式主要分为能量耗散式均衡和能量转移式均衡。能耗式均衡也称为被动均衡，通过在电池上并联电阻的方式，将不均衡电池的多余能量以热的方式消耗掉；该方式的优点是结构简单，易于控制且成本较低，当能量耗散和散热问题是其关键缺点。能量转移式均衡也称为主动均衡，通过电容、电感、变压器等储能元件从高能量单体中转移能量到低能量单体中，从而实现电池组的均衡。基于电容的均衡电路具有易于扩展，控制方法较为简单，成本低，便于集成等优点。但也具有均衡速度慢，无法控制均衡电流大小等缺点，均衡控制只能分时轮流进行，某一时刻只能对某一电池进行均衡操作；基于电感的均衡电路具有均衡速度快，不受单体电压的限制，但也具有较为复杂的控制策略和较大的体积等缺点。基于变压器的均衡电路具有可同时进行多个电池均衡，均衡速度快等优点。但随着串联电池数量的增加，变压器绕制会越来越复杂，成本也会相应增加，且不易扩展。
发明内容
基于此，为解决上述梯次利用电池均衡电路应用中存在的问题，本发明提出了一种针对退役电池的基于多电感的多端口大电流均衡装置，能够解决传统方案中存在的问题，利用同步电流控制均衡技术，改善初始SOC一致性指标，提高储能系统中梯次利用电池组不一致情况的容量利用率。
为达到上述目的，本发明方案按照如下方案实施：
一种针对退役电池的基于多电感的多端口大电流均衡装置，针对的串联电池组由N个电池组串联，每个电池组M个电池单体并联组成；
所述的均衡电路主电路包括，N个开关管、N个反并联二极管、N-1个电感和1个电容组成。
所述的N个开关管依次串联，开关管的Si源极与开关管Si+1的漏极相连，所述的电感Li的一端连接与所述的电池Bi的负极与电池Bi+1的正极，所述的电感Li的另一端与开关管Si的源极和开关管Si+1的漏极相连，所述电容为均衡电路滤波元件，并联在开关管S1的漏极与开关管SN源极之间。
均衡控制的实质是控制流过每个电池的电流，使其SOC或容量趋于一致。
实现上述目标包括以下步骤：
当某一节电池Bi(1<i<N)电量过高时，令其对应的开关管Bi导通，则电池Bi与电感Li-1、开关管Si、电感Li形成电流通路，电池Bi的部分能量储存在电感Li-1和Li中。当Si关闭时，Li-1储存的能量通过Di-1，Di-2，Di-2…D1分别给Bi-1，Bi-2，Bi-3…B1充电，Li储存的能量通过Di+1，Di+2…DN分别给Bi+1，Bi+2…BN充电，从而实现能量的转移过程；当电池B1能量过高时，闭合开关管S1，电池B1的部分能量转移到电感L1，当S1断开后，电感中储存的能量通过D1、D2…DN转移到电池B2、B3…BN中，当电池BN能量过高时，闭合开关管SN，电池BN的部分能量转移到电感LN-1，当SN断开后，电感中储存的能量通过DN-1、DN-2…D2转移到电池BN-1、BN-2…B1中。
本发明采用一种基于电压的均衡策略，所述的均衡策略包括：
基于电压的均衡控制策略，以电压作为均衡判据，通过计算每个电池单体电压与平均电压的差值，乘以一定的比例得到充放电差异电流，进行均衡控制。电压虽不能直接反应电池实际电量，但电压的差异一定程度上反映出其电量的不一致性。电池组充放电过程中，BMS会对各电池单体的SOC进行估算，通常情况下，SOC和电池端电压存在对应的关系。当电池SOC越高时，电池端电压越高；SOC越低时，U也越低。所以可以用电池的端电压高低来衡量电池SOC大小，从而通过控制电池端电压的均衡实现电池荷电状态的均衡。以电池电压的差异判断电池的不一致程度，不需要检测电池容量，仅需实时测量电池电压即可，简化了均衡控制参数。
在均衡控制中，BMS检测所有单体电压计算出平均基准电压，当检测到的单体电压高于平均基准电压时，控制其对应的开关管闭合，使该电池单体与对应电感形成回路从而对电感充电，电感充电完成后断开开关管。由于在瞬态时间下，电感可以等效为电流源，当开关管快速通断是，可造成电感电流变化非常大，产生了很大的泵生单压，此时检测到的电池单体电压低于平均基准电压的单体，其对应的开关管驱动信号始终为0，该电池处于不可控充电状态，直至该电池电压达到平均基准电压，电池停止充电。
附图说明
图1为本申请均衡拓扑示意图；
图2为本申请电压均衡控制策略示意图；
具体实施方式
一种针对退役电池的基于多电感的多端口大电流均衡装置，针对的串联电池组由N个电池组串联，每个电池组M个电池单体并联组成；
所述的均衡电路主电路包括，N个开关管、N个反并联二极管、N-1个电感和1个电容组成。
所述的N个开关管依次串联，开关管的Si源极与开关管Si+1的漏极相连，所述的电感Li的一端连接与所述的电池Bi的负极与电池Bi+1的正极，所述的电感Li的另一端与开关管Si的源极和开关管Si+1的漏极相连，所述电容为均衡电路滤波元件，并联在开关管S1的漏极与开关管SN源极之间。
均衡控制的实质是控制流过每个电池的电流，使其SOC或容量趋于一致。实现上述目标包括以下步骤：
当某一节电池Bi(1<i<N)电量过高时，令其对应的开关管Bi导通，则电池Bi与电感Li-1、开关管Si、电感Li形成电流通路，电池Bi的部分能量储存在电感Li-1和Li中。当Si关闭时，Li-1储存的能量通过Di-1，Di-2，Di-2…D1分别给Bi-1，Bi-2，Bi-3…B1充电，Li储存的能量通过Di+1，Di+2…DN分别给Bi+1，Bi+2…BN充电，从而实现能量的转移过程；当电池B1能量过高时，闭合开关管S1，电池B1的部分能量转移到电感L1，当S1断开后，电感中储存的能量通过D1、D2…DN转移到电池B2、B3…BN中，当电池BN能量过高时，闭合开关管SN，电池BN的部分能量转移到电感LN-1，当SN断开后，电感中储存的能量通过DN-1、DN-2…D2转移到电池BN-1、BN-2…B1中。
本发明采用一种基于电压的均衡策略，所述的均衡策略包括：
基于电压的均衡控制策略，以电压作为均衡判据，通过计算每个电池单体电压与平均电压的差值，乘以一定的比例得到充放电差异电流，进行均衡控制。电压虽不能直接反应电池实际电量，但电压的差异一定程度上反映出其电量的不一致性。电池组充放电过程中，BMS会对各电池单体的SOC进行估算，通常情况下，SOC和电池端电压存在对应的关系。当电池SOC越高时，电池端电压越高；SOC越低时，U也越低。所以可以用电池的端电压高低来衡量电池SOC大小，从而通过控制电池端电压的均衡实现电池荷电状态的均衡。以电池电压的差异判断电池的不一致程度，不需要检测电池容量，仅需实时测量电池电压即可，简化了均衡控制参数。
在均衡控制中，BMS检测所有单体电压计算出平均基准电压，当检测到的单体电压高于平均基准电压时，控制其对应的开关管闭合，使该电池单体与对应电感形成回路从而对电感充电，电感充电完成后断开开关管。由于在瞬态时间下，电感可以等效为电流源，当开关管快速通断是，可造成电感电流变化非常大，产生了很大的泵生单压，此时检测到的电池单体电压低于平均基准电压的单体，其对应的开关管驱动信号始终为0，该电池处于不可控充电状态，直至该电池电压达到平均基准电压，电池停止充电。
综上可知，通过上述一种针对退役电池的多端口大电流均衡装置及其控制方法，具有以下优点：
本发明通过对所有开关管的同时控制，实现对均衡电路内所有电池均衡电流的同步控制，进一步实现容量不一致下电池间的实时均衡，最终达到提高梯次电池储能系统容量利用率的目的。
本发明可扩展为多级均衡结构，每一级开关管的电压应力仅为该级均衡电路内部串联电池电压之和，仅最后一级均衡电路的开关管需承受集中串联电池组的全部电压，大大减少了硬件成本和器件损耗。且多级均衡电路每一级的电池串联端口个数可根据应用场景需求做出调整，综合考虑成本、效率等因素，调整最佳方案。
Claims (4)
1.一种针对退役电池的多端口大电流均衡装置及其控制方法，其特征在于：针对的串联电池组由N个电池组串联，每个电池组M个电池单体并联组成；
均衡电路主电路包括，N个开关管、N个反并联二极管、N-1个电感和1个电容组成。
2.根据权利要求1所述的一种针对退役电池的多端口大电流均衡装置及其控制方法，其特征在于：N个开关管依次串联，开关管的Si源极与开关管Si+1的漏极相连，电感Li的一端连接与电池Bi的负极与电池Bi+1的正极，电感Li的另一端与开关管Si的源极和开关管Si+1的漏极相连，电容为均衡电路滤波元件，并联在开关管S1的漏极与开关管SN源极之间。
3.根据权利要求2所述的一种针对退役电池的多端口大电流均衡装置及其控制方法，其特征在于：当某一节电池Bi(1＜i＜N)电量过高时，令其对应的开关管Bi导通，则电池Bi与电感Li-1、开关管Si、电感Li形成电流通路，电池Bi的部分能量储存在电感Li-1和Li中。当Si关闭时，Li-1储存的能量通过Di-1，Di-2，Di-3…D1分别给Bi-1，Bi-2，Bi-3…B1充电，Li储存的能量通过Di+1，Di+2…DN分别给Bi+1，Bi+2…BN充电，从而实现能量的转移过程。
4.根据权利要求3所述的一种针对退役电池的多端口大电流均衡装置及其控制方法，其特征在于：基于电压的均衡控制策略，以电压作为均衡判据，通过采集每个电池单体电压并计算出平均基准电压的差值，通过控制较高电压单体放电，较低电压单体充电达到均衡控制目的。
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