CN112886076B - 一种电池模块的soc均衡控制装置及方法 - Google Patents

一种电池模块的soc均衡控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池模块的SOC均衡控制装置，其技术方案要点是包括有：电池模块选择器、升压转换器、再生开关、模式选择器以及充电备用开关；电池模块选择器与升压转换器连接；电池模块选择器包括有多组电池组，再生开关分别与电池模块选择器和升压转换器连接，用于使升压转换器对电池组进行反向充电；充电备用开关与升压转换器连接，用于充当升压转换器的备用电源；模式选择器分别与充电备用开关、升压转换器、电池模块选择器连接，用于切换供电模式。该均衡控制装置能够允许电池在为负载充电的同时进行电池SOC均衡，均衡速度和均衡效率均得到了极大提高。

Description

一种电池模块的SOC均衡控制装置及方法
技术领域
本发明涉及电池储能领域，更具体地说，它涉及一种电池模块的SOC均衡控制装置及方法。
背景技术
作为提升电力系统对规模化新能源发电消纳能力的一种有效措施，电池储能技术一直是研究热点。随着新能源发电在电网的渗透率逐步提高，储能系统的容量也逐渐从过去的kW级发展到近年来的百MW级。
锂离子电池由于其自放电率低、电池电压高、充电效率高、没有记忆效应、能量密度高等优点在电动车中被广泛使用。为了达到较高的输出电压和较大的容量，需要将许多电池组串并联。然而，生产制造过程导致电池组间容量及电阻存在差异，这种差异在电池充放电循环使用过程中会加剧，造成电池间不一致的现象。当电池组存在不均衡时，某些电池容量会有所下降，从而由于“短板效应”而影响整个电池组的使用特性，降低其工作寿命。
SOC(State of Charge，电池荷电状态)是描述电池当前状态的重要参数，定义为电池当前的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值。由于制造过程及使用过程的限制，串联的电池组之间往往存在不一致性，从而导致电池组使用过程中各单体放电电流倍率及温度不一致，反过来作为正反馈加剧单体间SOC和内阻的不一致。这种差异会使个别电池组因过充或过放而损坏，使得储能系统容量得不到充分利用，影响电池组的整体性能和使用寿命，严重时甚至会引起爆炸。因此，电池SOC均衡控制是延长电池寿命和提高储能系统利用率的重要措施，是储能系统的核心必备功能。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种电池模块的SOC均衡控制装置及方法，该均衡控制装置能够允许电池在为负载充电的同时进行电池SOC均衡，均衡速度和均衡效率均得到了极大提高。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种电池模块的SOC均衡控制装置，包括有：电池模块选择器、升压转换器、再生开关、模式选择器、充电备用开关、数据采集模块、状态计算模块、以及开关动作控制模块；
所述电池模块选择器与升压转换器连接；
所述电池模块选择器包括有多组依次串联设置的电池组，所述电池组负极端均串联有进口开关，所述电池组的正极端均串联有出口开关，多组所述进口开关相互并联设置，多组所述出口开关也相互并联设置；
所述升压转换器包括有电感L、开关Sb、负载电阻、电容C、二极管D3以及二极管D2；
所述出口开关远离电池组的一端均与电感L的第一端连接，所述电感L的第二端分别与二极管D2的正极端以及开关Sb的第一端连接；
所述二极管D2的负极端分别与电容C和负载电阻的第一端连接；
所述开关Sb的第二端分别与电容C的第二端、负载电阻的第二端、二极管D3的正极端、以及进口开关远离电池组的一端连接；
所述二极管D3的负极端串联于若干电池组的末尾端；
所述再生开关分别与电池模块选择器和升压转换器连接，用于使升压转换器对电池组进行反向充电；
所述充电备用开关与升压转换器连接，用于充当升压转换器的备用电源；
所述模式选择器分别与充电备用开关、升压转换器、电池模块选择器连接，用于切换供电模式；
所述数据采集模块与电池模块选择器连接，用于采集各电池组的参数；
所述状态计算模块与数据采集模块连接，用于接收数据采集模块采集的各电池组参数，并做出实时状态判定；
所述开关动作控制模块分别与电池模块选择器、升压转换器、再生开关、模式选择器、充电备用开关以及状态计算模块连接，用于根据状态计算模块做出的状态判定，确定输出的控制信息。
本发明进一步设置为：所述再生开关包括有开关Sre，所述开关Sre的第一端与二极管D2的负极端连接，所述开关Sre的第二端与二极管D3的负极端连接。
本发明进一步设置为：所述模式选择器包括有切换开关，所述切换开关的一端与二极管D2的负极端连接，所述切换开关的第二端与开关Sre的第一端连接，所述切换开关的第三端与开关Sre的第二端连接。
本发明进一步设置为：所述充电备用开关包括有外接电源和开关Sch，所述外接电源的负极端与电池组的开头端连接，所述外接电源的负极端与开关Sch的第一端连接，所述开关Sch的第二端与电感L连接。
本发明进一步设置为：当所述电池组设置有三组时，所述电池模块选择器包括有电池组b1、电池组b2、电池组b3、进口开关S1、进口开关S2、进口开关S3、出口开关S4、出口开关S5、出口开关S6、以及二极管D1；
所述电池组b1、电池组b2、电池组b3依次串联设置，所述电池组b1的负极端与进口开关S1的一端、二极管D1的正极端、外接电源的负极端连接；
所述电池组b2的负极端与电池组b1的正极端、进口开关S2的一端、出口开关S4的一端连接；
所述电池组b3的负极端与电池组b2的正极端、进口开关S3的一端、出口开关S5的一端连接；
所述电池组b3的正极端与二极管D3的负极端、出口开关S6的一端、开关Sre的第二端、切换开关的第三端连接；
所述进口开关S1、进口开关S2、进口开关S3的另一端均与二极管D3的正极端连接；
所述出口开关S4、出口开关S5、出口开关S6的另一端均与二极管D1的负极端、电感L的一端连接。
一种电池模块的SOC均衡控制方法，S1，获取储能系统各电池组的SOC值；
S2，将所述各电池组SOC值做差进行比较；
S3，判断所述各电池组SOC的差值是否小于等于阈值；
S4，当所述电池组间SOC差值小于等于阈值，则判定所述电池组之间不需要SOC均衡；
S5，当所述电池组间SOC的差值大于阈值，则判定所述电池组之间需要进行SOC均衡操作。
本发明进一步设置为：所述均衡操作具体包括有：
S51，获取各电池组的SOC值；
S52，判断个电池组SOC值的大小关系；
S53，SOC值高的电池组接入，为负载提供能量的同时向其他SOC值低的电池组充电；
S54，SOC值高的电池组与SOC值次高的电池组电量均衡时，SOC值次高的电池组停止充电；
S55，SOC值高的电池组和SOC次高的电池组一并向其他SOC值低的电池组充电；
S56，直至所有电池组均衡时，完成SOC值的动态均衡。
本发明进一步设置为：还包括有步骤S6，记录各电池组的供能时长；
S7，记录各电池组的供能速率；
S8，生成各电池组的均衡报单。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明实施例提供的基于可重构变换器电池储能系统的SOC均衡控制装置，其有益效果在于：获取储能系统的实际运行工况，并根据实际运行工况进行电池SOC均衡控制。本发明能够以SOC为依据动态控制各电池充放电状态，使得负载始终有能量供给，并且加快了SOC均衡速度，均衡效果得了有效改善。
附图说明
图1为电池SOC均衡系统拓扑图；
图2为电池SOC均衡过程一拓扑图；
图3为电池SOC均衡过程二拓扑图；
图4为电池SOC均衡过程三拓扑图；
图5为运用单电池均衡方法仿真得到的各电池SOC变化曲线图；
图6为运用本申请实施例提供的一种SOC均衡控制方法仿真得到的SOC变化曲线图。
附图标记：1、电池模块选择器；2、升压转换器；3、再生开关；4、模式选择器；5、充电备用开关。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
参照图1至图6所示，为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种电池模块的SOC均衡控制装置，包括有：电池模块选择器1、升压转换器2、再生开关3、模式选择器4、充电备用开关5、数据采集模块、状态计算模块、以及开关动作控制模块；
电池模块选择器1与升压转换器2连接；
电池模块选择器1包括有多组依次串联设置的电池组，电池组负极端均串联有进口开关，电池组的正极端均串联有出口开关，多组进口开关相互并联设置，多组出口开关也相互并联设置；
升压转换器2包括有电感L、开关Sb、负载电阻、电容C、二极管D3以及二极管D2；
出口开关远离电池组的一端均与电感L的第一端连接，电感L的第二端分别与二极管D2的正极端以及开关Sb的第一端连接；
二极管D2的负极端分别与电容C和负载电阻的第一端连接；
开关Sb的第二端分别与电容C的第二端、负载电阻的第二端、二极管D3的正极端、以及进口开关远离电池组的一端连接；
二极管D3的负极端串联于若干电池组的末尾端；
再生开关3分别与电池模块选择器1和升压转换器2连接，用于使升压转换器2对电池组进行反向充电；
充电备用开关5与升压转换器2连接，用于充当升压转换器2的备用电源；
模式选择器4分别与充电备用开关5、升压转换器2、电池模块选择器1连接，用于切换供电模式；
数据采集模块与电池模块选择器1连接，用于采集各电池组的参数；
状态计算模块与数据采集模块连接，用于接收数据采集模块采集的各电池组参数，并做出实时状态判定；
开关动作控制模块分别与电池模块选择器1、升压转换器2、再生开关3、模式选择器4、充电备用开关5以及状态计算模块连接，用于根据状态计算模块做出的状态判定，确定输出的控制信息。
本发明的设计，通过控制出口开关和进口开关从而控制各电池组的充放电状态，使电池组SOC趋于一致。每次接入电池的个数为定值，对各电池组的接入时序通过排序的方法进行排列来保证下一时刻接入电池组个数为定值。
以图2至图4为例，给定状态为：电池b1具有最高SOC，电池b2次之，电池b3最小。同理也适用于其他运行状态。
如图2所示，在升压“开启”时间内，电感L通过开关Sb、S1、S6从电池系统存储能量。
如图3所示，通过关闭开关S6打开开关S4，使得只有电池b1为电感L和负载提供能量。进而，电感L释放能量到负载、电池b2和电池b3。
进一步地，如图4所示，通过关闭开关S4打开开关S5，使得电池b2和电池b3一起为电感和负载提供能量。之后，电感释放能量到负载，同时给电池b3充电。
直至完成电池SOC的均衡。
与现有技术相比，本发明实施例提供的基于可重构变换器电池储能系统的SOC均衡控制装置，其有益效果在于：获取储能系统的实际运行工况，并根据实际运行工况进行电池SOC均衡控制。本发明能够以SOC为依据动态控制各电池充放电状态，使得负载始终有能量供给，并且加快了SOC均衡速度，均衡效果得了有效改善。
系统中的数据采集模块采集电池的参数，并将参数结果传输给状态计算模块，状态计算模块用于根据所述的单体电池的参数做出实时状态判定，开关动作控制模块根据所述的判定，确定输出的控制信息。
升压转换器2电路开关态的工作原理：在保持正常运行的状态下，采用Buck-Boost电路系统的输出电压幅度可低于或高于输入电压，如果将源电压的负端作为参考节点，则输出电压的极性与源电压相反。由于本身所具备的电压输出特性，采用该系统的电路可以在连续导通模式和非连续导通模式下工作。连续导通模式在稳态工作时，整个开关周期内都有连续电流通过电感L。电路中开关管闭合时，为开态；开关管断开时，为关态。在开态运行模式下，Boost输入电压直接加载在电感L两端，且由于加载的电压通常为定值，因此电感L电流线性增加。在关态运行模式下，由于开关管断开，电感L电流减小，电感L两端电压极性翻转，且其电流同时提输出电容电流和输出负载。根据电流流向可知输出电压为负，即与输入电压极性相反。因此输出电压为负的，电感电流是减小的，且由于加载电压是常数，所以电感L电流线性减小。
系统控制器设计采用的是电压电流双闭环控制。内环是高带宽的快速电流控制环，而外电压环是较慢的低带宽控制环。外部电压控制回路通过向内部回路提供参考电流信号来调节输出电压，内环调节电感电流。由于内环的响应速度快，可以单独考虑外环，从而简化了电压环控制器的设计。加入电流内环，不仅可以对输出电流加以限制，并且可以提高输出动态响应，有利于减小输出电压的纹波。
再生开关3包括有开关Sre，开关Sre的第一端与二极管D2的负极端连接，开关Sre的第二端与二极管D3的负极端连接。
模式选择器4包括有切换开关，切换开关的一端与二极管D2的负极端连接，切换开关的第二端与开关Sre的第一端连接，切换开关的第三端与开关Sre的第二端连接。
充电备用开关5包括有外接电源和开关Sch，外接电源的负极端与电池组的开头端连接，外接电源的负极端与开关Sch的第一端连接，开关Sch的第二端与电感L连接。
当电池组设置有三组时，电池模块选择器1包括有电池组b1、电池组b2、电池组b3、进口开关S1、进口开关S2、进口开关S3、出口开关S4、出口开关S5、出口开关S6、以及二极管D1；
电池组b1、电池组b2、电池组b3依次串联设置，电池组b1的负极端与进口开关S1的一端、二极管D1的正极端、外接电源的负极端连接；
电池组b2的负极端与电池组b1的正极端、进口开关S2的一端、出口开关S4的一端连接；
电池组b3的负极端与电池组b2的正极端、进口开关S3的一端、出口开关S5的一端连接；
电池组b3的正极端与二极管D3的负极端、出口开关S6的一端、开关Sre的第二端、切换开关的第三端连接；
进口开关S1、进口开关S2、进口开关S3的另一端均与二极管D3的正极端连接；
出口开关S4、出口开关S5、出口开关S6的另一端均与二极管D1的负极端、电感L的一端连接。
一种电池模块的SOC均衡控制方法，S1，获取储能系统各电池组的SOC值；
S2，将各电池组SOC值做差进行比较；
S3，判断各电池组SOC的差值是否小于等于阈值；
S4，当电池组间SOC差值小于等于阈值，则判定电池组之间不需要SOC均衡；
S5，当电池组间SOC的差值大于阈值，则判定电池组之间需要进行SOC均衡操作。
均衡操作具体包括有：
S51，获取各电池组的SOC值；
S52，判断个电池组SOC值的大小关系；
S53，SOC值高的电池组接入，为负载提供能量的同时向其他SOC值低的电池组充电；
S54，SOC值高的电池组与SOC值次高的电池组电量均衡时，SOC值次高的电池组停止充电；
S55，SOC值高的电池组和SOC次高的电池组一并向其他SOC值低的电池组充电；
S56，直至所有电池组均衡时，完成SOC值的动态均衡。
根据实验可知，图5和图6分别为运用单电池均衡方法仿真得到的各电池SOC变化曲线图和运用本申请实施例提供的一种SOC均衡控制方法仿真得到的SOC变化曲线图。
可以得出，随着时间的推移，伴随着放电或充电的进行，各电池之间的SOC实现均衡。对比两图，可以很清楚的发现，运用本申请实施例提供的一种SOC均衡控制方法相比于运用单电池均衡方法均衡时间明显缩短。说明了本发明控制方法具有更好的均衡效果。
还包括有步骤S6，记录各电池组的供能时长；
S7，记录各电池组的供能速率；
S8，生成各电池组的均衡报单。
该步骤设计，通过获取电池组的电压信息、电流信息和荷电状态信息。在均衡过程中，记录每一电池组的供能时长、供能速率，从而根据该数据，生成均衡报单并发送给用户，用户能够根据每次均衡过程中产生的均衡报单，判断各个电池组的供电速率，了解每次的产生不均衡的情况时所造成的现象，以及每次各电池组平衡速率，从而判断各电池组的健康状态。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电池模块的SOC均衡控制装置，其特征是包括有：电池模块选择器(1)、升压转换器(2)、再生开关(3)、模式选择器(4)、充电备用开关(5)、数据采集模块、状态计算模块、以及开关动作控制模块；
所述电池模块选择器(1)与升压转换器(2)连接；
所述电池模块选择器(1)包括有多组依次串联设置的电池组，所述电池组负极端均串联有进口开关，所述电池组的正极端均串联有出口开关，多组所述进口开关相互并联设置，多组所述出口开关也相互并联设置；
所述升压转换器(2)包括有电感L、开关Sb、负载电阻、电容C、二极管D3以及二极管D2；
所述出口开关远离电池组的一端均与电感L的第一端连接，所述电感L的第二端分别与二极管D2的正极端以及开关Sb的第一端连接；
所述二极管D2的负极端分别与电容C和负载电阻的第一端连接；
所述开关Sb的第二端分别与电容C的第二端、负载电阻的第二端、二极管D3的正极端、以及进口开关远离电池组的一端连接；
所述二极管D3的负极端串联于若干电池组的末尾端；
所述再生开关(3)分别与电池模块选择器(1)和升压转换器(2)连接，用于使升压转换器(2)对电池组进行反向充电；
所述充电备用开关(5)与升压转换器(2)连接，用于充当升压转换器(2)的备用电源；
所述模式选择器(4)分别与充电备用开关(5)、升压转换器(2)、电池模块选择器(1)连接，用于切换供电模式；
所述数据采集模块与电池模块选择器(1)连接，用于采集各电池组的参数；
所述状态计算模块与数据采集模块连接，用于接收数据采集模块采集的各电池组参数，并做出实时状态判定；
所述开关动作控制模块分别与电池模块选择器(1)、升压转换器(2)、再生开关(3)、模式选择器(4)、充电备用开关(5)以及状态计算模块连接，用于根据状态计算模块做出的状态判定，确定输出的控制信息。
2.根据权利要求1所述的一种电池模块的SOC均衡控制装置，其特征是：所述再生开关(3)包括有开关Sre，所述开关Sre的第一端与二极管D2的负极端连接，所述开关Sre的第二端与二极管D3的负极端连接。
3.根据权利要求2所述的一种电池模块的SOC均衡控制装置，其特征是：所述模式选择器(4)包括有切换开关，所述切换开关的一端与二极管D2的负极端连接，所述切换开关的第二端与开关Sre的第一端连接，所述切换开关的第三端与开关Sre的第二端连接。
4.根据权利要求3所述的一种电池模块的SOC均衡控制装置，其特征是：所述充电备用开关(5)包括有外接电源和开关Sch，所述外接电源的负极端与电池组的开头端连接，所述外接电源的负极端与开关Sch的第一端连接，所述开关Sch的第二端与电感L连接。
5.根据权利要求4所述的一种电池模块的SOC均衡控制装置，其特征是：当所述电池组设置有三组时，所述电池模块选择器(1)包括有电池组b1、电池组b2、电池组b3、进口开关S1、进口开关S2、进口开关S3、出口开关S4、出口开关S5、出口开关S6、以及二极管D1；
所述电池组b1、电池组b2、电池组b3依次串联设置，所述电池组b1的负极端与进口开关S1的一端、二极管D1的正极端、外接电源的负极端连接；
所述电池组b2的负极端与电池组b1的正极端、进口开关S2的一端、出口开关S4的一端连接；
所述电池组b3的负极端与电池组b2的正极端、进口开关S3的一端、出口开关S5的一端连接；
所述电池组b3的正极端与二极管D3的负极端、出口开关S6的一端、开关Sre的第二端、切换开关的第三端连接；
所述进口开关S1、进口开关S2、进口开关S3的另一端均与二极管D3的正极端连接；
所述出口开关S4、出口开关S5、出口开关S6的另一端均与二极管D1的负极端、电感L的一端连接。
6.根据权利要求1-5任意一条所述的一种电池模块的SOC均衡控制装置的操作方法，其特征是：S1，获取储能系统各电池组的SOC值；
S2，将所述各电池组SOC值做差进行比较；
S3，判断所述各电池组SOC的差值是否小于等于阈值；
S4，当所述电池组间SOC差值小于等于阈值，则判定所述电池组之间不需要SOC均衡；
S5，当所述电池组间SOC的差值大于阈值，则判定所述电池单体之间需要进行SOC均衡操作。
7.根据权利要求6所述的一种电池模块的SOC均衡控制装置的操作方法，其特征是：所述均衡操作具体包括有：
S51，获取各电池组的SOC值；
S52，判断个电池组SOC值的大小关系；
S53，SOC值高的电池组接入，为负载提供能量的同时向其他SOC值低的电池组充电；
S54，SOC值高的电池组与SOC值次高的电池组电量均衡时，SOC值次高的电池组停止充电；
S55，SOC值高的电池组和SOC次高的电池组一并向其他SOC值低的电池组充电；
S56，直至所有电池组均衡时，完成SOC值的动态均衡。
8.根据权利要求7所述的一种电池模块的SOC均衡控制装置的操作方法，其特征是：还包括有步骤S6，记录各电池组的供能时长；
S7，记录各电池组的供能速率；
S8，生成各电池组的均衡报单。
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