CN112510792B - 一种退役电池储能系统的可重构变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种退役电池储能系统的可重构变换器及其控制方法，其中变换器包括电池组选择电路、组合双向变换器、控制单元，所述控制单元分别连接至电池组选择电路、组合双向变换器，退役电池储能系统依次电池组选择电路、组合双向变换器后引出正负极端子用于连接负载或充电设备；所述电池组选择电路用于控制退役电池储能系统中的各电池组与组合双向变换器的接通，所述双向组合变换器用于控制均衡的开启。本发明的优点在于：电路结构简单，且可以实现在充电或放电过程中进行均衡，均衡不会影响退役电池系统的正常工作。

Description

一种退役电池储能系统的可重构变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及退役电池梯次利用领域，特别涉及一种退役电池储能系统的可重构变换器及其控制方法。
背景技术
随着电动汽车产业的快速发展，车用动力电池将在未来几年迎来持续增长的退役高峰。一般来说，车用动力电池容量低于80％就不再适合用于电动汽车，通过梯次储能利用的方式，车用退役动力电池仍能应用到对电池性能要求较低的储能系统中，降低了电池的寿命周期成本，提高了电池材料的利用率，减少了环境污染，对于推动新能源汽车产业的优化升级具有重要意义。
由于单个电池的电压较低，在实际使用过程中需要把若干个电池进行串联组合，这样构成的电池组才能够符合相应的电压和功率需求。退役动力电池的特点是SOC差异性较大，这种差异可能会使得由退运电池构成的储能系统性能较差，对电池容量的利用率低，并且会降低退役电池的寿命。
现有的改善上述现象的几种典型的SOC均衡控制方法如下，通过功率控制实现电池间SOC均衡的过程中，电池之间会产生环流，降低了系统的运行效率；采用模糊控制算法，实现电池以SOC大小分配输出功率的方式中，SOC的均衡需在恒压充电的情况下实现；基于传统的集成可重构变换器的均衡方案中，不能在充放电的同时实现SOC均衡，需要开关模式选择，不利于控制。综上可以看出现有的方法均存在一定的缺陷，因此需要设计一种涉及可重构变换器的SOC均衡控制方法来实现梯次储能中的退役动力电池模块间的SOC均衡。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种退役电池储能系统的可重构变换器及其控制方法，用于实现电池均衡的灵活选择，可以在电池组间的SOC均衡以及电池组与有源负载间的能量双向流动。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种退役电池储能系统的可重构变换器，包括电池组选择电路、组合双向变换器、控制单元，所述控制单元分别连接至电池组选择电路、组合双向变换器，退役电池储能系统依次电池组选择电路、组合双向变换器后引出正负极端子用于连接负载或充电设备；所述电池组选择电路用于控制退役电池储能系统中的各电池组与组合双向变换器的接通，所述双向组合变换器用于控制均衡的开启。
所述电池组选择电路包括2n个开关管以及二极管D1、D2，退役电池储能系统由n个电池组串联形成，其串联后两端的电池组分别为电池组V1、电池组Vn，电池组V1的负极连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接至组合双向变换器；电池组V1的负极经开关管TV1后连接至V-，电池组V1的负极连接至开关管TV1的发射极；电池组Vn的正极连接至二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接至V-；电池组Vn的正极与开关管TVn的集电极连接，开关管Vn的发射极连接至二极管D1；每两个串联的电池组之间分别通过开关管连接至二极管D1的阴极、通过开关管连接至V-；2n个开关管中每个开关管的基极与控制单元连接，用于根据控制单元的驱动信号来导通断开。
所述组合双向变换器包括开关管T7、开关管T8、二极管D3、电感L以及电容C，可重构变换器的正极端子V+分别连接二极管D3的阴极、开关管T8的集电极、电容C的一端，电容C的另一端连接可重构变换器负极端子V-，开关管T8的发射极连接至退役电池储能系统的正极；二极管D3的阳极分别连接开关管T7的集电极以及电感L一端，电感L的另一端连接至电池组选择电路中D1的阴极；开关管T7的发射极连接至V-；所述开关管T7、T8的基极连接至控制单元，用于根据控制单元的控制来导通或断开。
一种退役电池储能系统的可重构变换器的控制方法，包括充电控制步骤，所述充电控制步骤包括：
1)充电步骤：充电设备连接至V+、V-时，进入充电模式后控制开关管T8导通、开关管T7闭合，同时控制电池组选择电路中的开关管均断开；此时充电设备为串联电池组充电；控制单元实时监控每个电池组的SOC；
2)充电均衡步骤：在充电设备为串联电池组充电结束后进入充电均衡步骤或进入充电模式后周期定时进入充电均衡步骤，在进入充电均衡步骤后，保持断开开关管T8，闭合开关管T7；控制单元根据充电步骤中监控的各电池组SOC值判断是否需要对SOC最小的电池组进行均衡；若需要，则将该SOC最小的电池组两端的开关管闭合使得该电池组与电感L、开关管T7形成串联回路，从而通过电感L为该SOC最小的电池组充电。
在充电均衡步骤中：监控各电池组的SOC值，计算出SOC最大的电池组与SOC最小的电池组之间的SOC差值，将计算的差值与预设阈值进行比较，若差值大于阈值，则判断需要对SOC最小的电池组充电。
若差值小于阈值，则判断不需要对SOC最小的电池组进行均衡，此时控制电池组选择电路中的全部开关闭断开。
所述方法还包括放电控制步骤，所述放电控制步骤包括：
1)、放电步骤：在退役电池储能系统的放电过程中，控制T8断开，T7闭合，TV1闭合、TVn闭合，此时n个电池组串联形成的退役电池储能系统为负载供电同时为电感L充电；
在放电过程中实时监控各电池组的SOC值，并计算SOC最大的电池组和SOC最小的电池组之间的SOC差值，当差值大于设定阈值时，进入放电均衡步骤，在放电均衡步骤中控制T8断开、T7断开、TV1断开、TVn断开，控制SOC最大的电池组正负极两端的开关管闭合并断开电池组选择电路中的其它开关管；此时SOC最大的电池组与电感L一起为负载放电。
在放电均衡步骤中，实时监控SOC最大的电池组的SOC变化，当其SOC与最小的SOC之间的差值小于设定阈值时，返回至放电步骤。
本发明的优点在于：电路结构简单，且可以实现在充电或放电过程中进行均衡，均衡不会影响退役电池系统的正常工作；电池组选择电路具有易扩展的特点，可以根据电压功率等级的大小选择电池组的数量。采用Buck-Boost组合双向变换器的结构，器件可以复用，从而大大降低了器件数目，节约了硬件成本。能够实现电池模块的灵活接入以及电池组间的SOC均衡，降低了控制难度，提高了系统整体效率。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为可重构变换器的拓扑图；
图2a为可重构变换器充电时第一阶段充电过程原理图；
图2b可重构变换器充电时第二阶段充电过程原理图；
图2c电池组V1SOC最小时均衡过程原理图；
图3a为可重构变换器放电过程第一阶段原理图；
图3b可重构变换器放电过程第二阶段原理图；
图3c为放电过程中以V3SOC最大时对外放电原理图；
图4为可重构变换器充电过程中SOC的均衡算法流程图；
图5为可重构变换器放电过程中SOC的均衡算法流程图；
图6为可重构变换器充电过程SOC均衡变化曲线图；
图7为可重构变换器放电过程SOC均衡变化曲线图；
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
退役电池储能系统的可重构变换器的电路，包括电池组选择电路、组合双向变换器、控制单元，控制单元分别连接至电池组选择电路、组合双向变换器，退役电池储能系统依次电池组选择电路、组合双向变换器后引出正负极端子用于连接负载或充电设备；电池组选择电路用于控制退役电池储能系统中的各电池组与组合双向变换器的接通，双向组合变换器用于控制均衡的开启。
电池组选择电路包括2n个开关管以及二极管D1、D2，退役电池储能系统由n个电池组串联形成，其串联后两端的电池组分别为电池组V1、电池组Vn，电池组V1的负极连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接至组合双向变换器；电池组V1的负极经开关管TV1后连接至V-，电池组V1的负极连接至开关管TV1的发射极；电池组Vn的正极连接至二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接至V-；电池组Vn的正极与开关管TVn的集电极连接，开关管Vn的发射极连接至二极管D1；每两个串联的电池组之间分别通过开关管连接至二极管D1的阴极、通过开关管连接至V-；2n个开关管中每个开关管的基极与控制单元连接，用于根据控制单元的驱动信号来导通断开。
组合双向变换器包括开关管T7、开关管T8、二极管D3、电感L以及电容C，可重构变换器的正极端子V+分别连接二极管D3的阴极、开关管T8的集电极、电容C的一端，电容C的另一端连接可重构变换器负极端子V-，开关管T8的发射极连接至退役电池储能系统的正极；二极管D3的阳极分别连接开关管T7的集电极以及电感L一端，电感L的另一端连接至电池组选择电路中D1的阴极；开关管T7的发射极连接至V-；所述开关管T7、T8的基极连接至控制单元，用于根据控制单元的控制来导通或断开。
控制单元用于分别驱动T7、T8以及电池组选择电路中的2n个开关管的断开和导通，通过控制其基极来实现。控制单元用于充电或放电时来进行开关管的控制，同时还需要实时监控各电池的SOC值，可以采用BMS中的控制单元来实现。电容C在电池充电时可以对外接充电设备的充电电源进行滤波，降低输入电压纹波；在电池组对外放电时可以稳定输出电压。
退役电池储能系统的可重构变换器的控制方法，包括充电控制步骤，充电控制步骤包括：
1)充电步骤：充电设备连接至V+、V-时，进入充电模式后控制开关管T8导通、开关管T7闭合，同时控制电池组选择电路中的开关管均断开；此时充电设备为串联电池组充电；控制单元实时监控每个电池组的SOC；
2)充电均衡步骤：在充电设备为串联电池组充电结束后进入充电均衡步骤或进入充电模式后周期定时进入充电均衡步骤或者根据计算的最大SOC与最小SOC之间差值来判断是否进入，在进入充电均衡步骤后，保持断开开关管T8，闭合开关管T7；
充电设备为串联电池组充电结束后进入充电均衡步骤或进入充电模式后周期定时进入充电均衡步骤时，控制单元根据充电步骤中监控的各电池组SOC值判断是否需要对SOC最小的电池组进行均衡；若需要，则将该SOC最小的电池组两端的开关管闭合使得该电池组与电感L、开关管T7形成串联回路，从而通过电感L为该SOC最小的电池组充电。并以均衡时间来作为退出条件，可以在进入后一段时间内退出该步骤。
在根据计算的最大SOC与最小SOC之间差值来判断是否进入充电均衡步骤时，当差值大于设定阈值时，进入当差值变成小于时，返回充电步骤。
在充电均衡步骤中：监控各电池组的SOC值，计算出SOC最大的电池组与SOC最小的电池组之间的SOC差值，将计算的差值与预设阈值进行比较，若差值大于阈值，则判断需要对SOC最小的电池组充电。
若差值小于阈值，则判断不需要对SOC最小的电池组进行均衡，此时控制电池组选择电路中的全部开关闭断开。
放电控制步骤，放电控制步骤包括：
放电步骤：在退役电池储能系统的放电过程中，控制T8断开，T7闭合，TV1闭合、TVn闭合，此时n个电池组串联形成的退役电池储能系统为负载供电同时为电感L充电；
在放电过程中实时监控各电池组的SOC值，并计算SOC最大的电池组和SOC最小的电池组之间的SOC差值，当差值大于设定阈值时，进入放电均衡步骤，在放电均衡步骤中控制T8断开、T7断开、TV1断开、TVn断开，控制SOC最大的电池组正负极两端的开关管闭合并断开电池组选择电路中的其它开关管；此时SOC最大的电池组与电感L一起为负载放电。
退役电池储能系统的可重构变换器及其控制策略，该可重构变换器由2n个开关管，2个二极管，n个退役电池组构成的电池组选择电路及一个组合双向变换器组成。该控制策略具体包括如下：
在充电模式下，二极管D3不参与充电过程，开关管T8始终处于导通状态。当开关管T7导通时，由等效电源V向电感及退役电源组进行充电；当开关管T7关断时，由于电感电流不能突变，因此需要通过二极管D1，D2续流并向退役电池组充电。
本发明进一步的改进在于，可以将电池组充电过程分为两个阶段，第一个阶段是等效电源V向所有电池组及电感L充电，第二个阶段是电感L向所有电池组充电。第一个充电过程中，所有电池组同时充电无法选择，但第二个充电过程可以通过电池选择开关选择SOC最小的电池组投入，其余电池组切除即可。
本发明进一步的改进在于，充电过程中对电池加SOC均衡控制算法：Buck模式第一阶段所有电池组均充电；检测各电池组的SOC并排序；判断所述电池组荷电状态最大的SOCmax与最小的SOCmin之间的差值是否大于设定阈值；若差值小于设定阈值，电感给所有电池组充电；若差值大于设定阈值，电感给SOC最小的电池组充电。
在放电模式下，开关管T8不参与放电过程。当开关管T7导通时，由电池组向电感L进行充电；当开关管T7关断时，由于电感电流不能突变，此时电池组与电感一起向有源负载提供能量。
本发明进一步的改进在于，可以将电池组放电过程分为两个阶段，第一阶段是所有电池组向电感充电，第二阶段是电池组与电感同时向有源负载充电。与充电模式不同的是，放电模式下两个阶段均可以通过电池选择电路选择电池组接入。本发明设计的放电策略中，第一个放电过程，所有电池同时充电，但第二个充电过程可以通过电池选择开关选择SOC最大的电池组投入，其余电池组切除即可。
本发明进一步的改进在于，放电过程中对电池加SOC均衡控制算法：Boost模式第一阶段所有电池组均放电；检测各电池组的SOC并排序；判断所述电池组荷电状态最大的SOCmax与最小的SOCmin之间的差值是否大于设定阈值；若差值小于设定阈值，电感给所有电池组放电；若差值大于设定阈值，电感给SOC最大的电池组放电。
如图1所示为以三个电池组串联形成的退役电池储能系统，其包括V1、V2、V3以及T1-T6六个开关管，TVn即为T3，TV1即为T4。本发明电池组选择电路部分以三个模块为例进行说明。其中，V1，V2，V3是电池组选择电路部分的三个电池模块；V是变换器右侧等效电源。
设定可重构变换器的一组参数如下表所示，
参数 数值 参数 数值
<![CDATA[电池V<sub>1</sub>初始SOC值SOC<sub>1</sub>]]> 81％ <![CDATA[开关频率f<sub>s</sub>]]> 20kHz
<![CDATA[电池V<sub>2</sub>初始SOC值SOC<sub>2</sub>]]> 81.5％ 电感L 1mH
<![CDATA[电池V<sub>3</sub>初始SOC值SOC<sub>3</sub>]]> 82％ 电容C 3300μF
根据本发明描述，需要做两个实验，第一个实验在充电模式下，二极管D3不参与充电过程，开关管T7始终处于导通状态。如图2(a)所示，当开关管T8导通时，电流的流向满足V+→T8→V3，V2，V1→L→T7→V-，由等效电源V向电感及退役电源组进行充电；如图2(b)所示，当开关管T8关断时，电流的流向满足L→D2→V3，V2，V1→D1→L，，由于电感电流不能突变，因此需要通过二极管D1，D2续流并向退役电池组充电。
将电池组充电过程分为两个阶段，第一个阶段是等效电源V向所有电池组及电感L充电，第二个阶段是电感L向所有电池组充电。第一个充电过程中，所有电池组同时充电无法选择，但第二个充电过程可以通过电池选择开关选择SOC最小的电池组投入，其余电池组切除即可。如图2(c)所示，在某一时刻，当系统检测V1电池组的SOC最小时，只需在第二个充电过程中将T5开关管导通即可(T7一直处于导通状态)。同理当某一时刻，系统检测V2电池组的SOC最小时，在第二个充电过程中将T6和T1开关管导通。系统检测V3电池组的SOC最小时，在第二个充电过程中将T2开关管导通。
如图4所示，充电过程中对电池加SOC均衡控制算法：Buck模式第一阶段所有电池组均充电；检测各电池组的SOC并排序；判断所述电池组荷电状态最大的SOCmax与最小的SOCmin之间的差值是否大于设定阈值；若差值小于设定阈值，电感给所有电池组充电；若差值大于设定阈值，电感给SOC最小的电池组充电。
如图6所示，随着时间的推移，伴随着充电的进行，各电池之间的SOC实现均衡，三条反应三个电池单体的SOC区域一致，说明实现了三个SOC的均衡。
第二个实验在放电模式下，开关管T8不参与放电过程。如图3(a)所示，当开关管T7导通时，电流的流向满足V1，V2，V3+→T3→L→T7→T4→V1，V2，V3，由电池组向电感L进行充电；如图3(b)所示，当开关管T7关断时，电流的流向满足V1，V2，V3+→T3→L→D3→C→T4→V1，V2，V3，由于电感电流不能突变，此时电池组与电感一起向有源负载提供能量。
将电池组放电过程分为两个阶段，第一阶段是所有电池组向电感充电，第二阶段是电池组与电感同时向有源负载充电。与充电模式不同的是，放电模式下两个阶段均可以通过电池选择电路选择电池组接入。实验中第一个放电过程，所有电池同时充电，但第二个充电过程可以通过电池选择开关选择SOC最大的电池组投入，其余电池组切除即可。如图3(c)所示，在某一时刻，系统检测V3电池组的SOC最大时，只需在第二个放电过程中将T6和T3开关管导通即可。同理当某一时刻，系统检测V2电池组的SOC最大时，在第二个放电过程中将T5和T2开关管导通。系统检测V1电池组的SOC最大时，在第二个放电过程中将T4和T1开关管导通，其余断开。
进一步，如图5所示，放电过程中对电池加SOC均衡控制算法：Boost模式第一阶段所有电池组均放电；检测各电池组的SOC并排序；判断所述电池组荷电状态最大的SOCmax与最小的SOCmin之间的差值是否大于设定阈值；若差值小于设定阈值，电感给所有电池组放电；若差值大于设定阈值，电感给SOC最大的电池组放电。
进一步，如图7所示，随着时间的推移，伴随着放电的进行，各电池之间的SOC实现均衡，三个曲线随着时间的进行区域一致，说明三个电池的SOC区域相同，说明最后三个电池单体完成了均衡。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种退役电池储能系统的可重构变换器的控制方法，其特征在于：
所述变换器包括电池组选择电路、组合双向变换器、控制单元，所述控制单元分别连接至电池组选择电路、组合双向变换器，退役电池储能系统依次电池组选择电路、组合双向变换器后引出正负极端子用于连接负载或充电设备；所述电池组选择电路用于控制退役电池储能系统中的各电池组与组合双向变换器的接通，所述组合双向变换器用于控制均衡的开启；
所述电池组选择电路包括2n个开关管以及二极管D1、D2，退役电池储能系统由n个电池组串联形成，其串联后两端的电池组分别为电池组V1、电池组Vn，电池组V1的负极连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接至组合双向变换器；电池组V1的负极经开关管TV1后连接至V-，电池组V1的负极连接至开关管TV1的发射极；电池组Vn的正极连接至二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接至V-；电池组Vn的正极与开关管TVn的集电极连接，开关管Vn的发射极连接至二极管D1；每两个串联的电池组之间分别通过开关管连接至二极管D1的阴极、通过开关管连接至V-；2n个开关管中每个开关管的基极与控制单元连接，用于根据控制单元的驱动信号来导通断开；所述组合双向变换器包括开关管T7、开关管T8、二极管D3、电感L以及电容C，可重构变换器的正极端子V+分别连接二极管D3的阴极、开关管T8的集电极、电容C的一端，电容C的另一端连接可重构变换器负极端子V-，开关管T8的发射极连接至退役电池储能系统的正极；二极管D3的阳极分别连接开关管T7的集电极以及电感L一端，电感L的另一端连接至电池组选择电路中D1的阴极；开关管T7的发射极连接至V-；所述开关管T7、T8的基极连接至控制单元，用于根据控制单元的控制来导通或断开；
所述控制方法包括充电控制步骤，所述充电控制步骤包括：
1)充电步骤：充电设备连接至V+、V-时，进入充电模式后控制开关管T8导通、开关管T7闭合，同时控制电池组选择电路中的开关管均断开；此时充电设备为串联电池组充电；控制单元实时监控每个电池组的SOC；
2)充电均衡步骤：在充电设备为串联电池组充电结束后进入充电均衡步骤或进入充电模式后周期定时进入充电均衡步骤，在进入充电均衡步骤后，保持断开开关管T8，闭合开关管T7；控制单元根据充电步骤中监控的各电池组SOC值判断是否需要对SOC最小的电池组进行均衡；若需要，则将该SOC最小的电池组两端的开关管闭合使得该电池组与电感L、开关管T7形成串联回路，从而通过电感L为该SOC最小的电池组充电；
在充电均衡步骤中：监控各电池组的SOC值，计算出SOC最大的电池组与SOC最小的电池组之间的SOC差值，将计算的差值与预设阈值进行比较，若差值大于阈值，则判断需要对SOC最小的电池组充电；
若差值小于阈值，则判断不需要对SOC最小的电池组进行均衡，此时控制电池组选择电路中的全部开关闭断开；
所述方法还包括放电控制步骤，所述放电控制步骤包括：
1)、放电步骤：在退役电池储能系统的放电过程中，控制T8断开，T7闭合，TV1闭合、TVn闭合，此时n个电池组串联形成的退役电池储能系统为负载供电同时为电感L充电；
在放电过程中实时监控各电池组的SOC值，并计算SOC最大的电池组和SOC最小的电池组之间的SOC差值，当差值大于设定阈值时，进入放电均衡步骤，在放电均衡步骤中控制T8断开、T7断开、TV1断开、TVn断开，控制SOC最大的电池组正负极两端的开关管闭合并断开电池组选择电路中的其它开关管；此时SOC最大的电池组与电感L一起为负载放电；
在放电均衡步骤中，实时监控SOC最大的电池组的SOC变化，当其SOC与最小的SOC之间的差值小于设定阈值时，返回至放电步骤。
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