CN113451668A - 一种液态金属电池组均衡控制系统及方法 - Google Patents

一种液态金属电池组均衡控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液态金属电池组均衡控制系统及方法，液态金属电池组均衡控制系统包括：上位机，包括通信单元、控制单元和均与控制单元连接的数据处理单元、分析计算单元和历史数据存储单元，通信单元连接数据处理单元，用于根据采集的电池信息、电池组均衡时间、电池组能耗数据和决策划分均衡控制范围的维度数据，计算均衡控制步长和均衡控制范围，生成变步长均衡控制指令并下传；下位机，包括电池信息采集模块、主控模块、PWM信号产生模块、开关驱动模块和反激电路，电池信息采集模块连接主控模块。本发明通过变步长的均衡控制算法，降低计算量和均衡电流在电池内阻的能量损耗，提高均衡控制效率。

Description

一种液态金属电池组均衡控制系统及方法
技术领域
本发明涉及金属电池技术领域，具体涉及一种液态金属电池组均衡控制系统及方法。
背景技术
液态金属电池是一种具有应用前景的新型化学电池，具有大电流充放电能力、超强过载能力、低成本以及使用寿命长等优势，适合在电网储能中进行应用。液态金属电池工作电压偏低，其应用于电网储能时需要进行串并联成电池组以满足电压和容量需求。
电池组中各个单体电池在生产与制造过程里因工艺和原材料的差异导致电池单体之间产生参数初始差异。而在实际工作过程中，容易对电池组内电池造成过充过放，使得这些电池的可用容量和性能下降。若不进行干预，各个单体电池之间的不一致性会越来越大，形成恶性循环，影响到整个系统的效率和安全性。因此需要使用带电池均衡技术的电池管理系统对电池组进行能量均衡控制，从而提高电池组的充放电性能和使用寿命。
现有技术中，对电池组进行均衡之前，首先需选取合适的参数作为评价电池组内各单体电池间不一致性的指标，同样也是进行能量均衡的判断依据。一般采用单体电池SoC作为均衡判据来控制电池组均衡的好处在于电池SoC更能准确地反映电池所含能量的大小，将各单体电池的SoC趋于一致作为均衡结束的条件。专利公告号为CN112072735A的发明专利中公开了一种基于卷积神经网络的液态金属电池组的均衡管理系统，采用卷积神经网络作为计算各个电池均衡方案的分类器来计算均衡方案，但该均衡控制算法结构复杂，计算量大，均衡效率低，使得均衡电流在电池内阻的能量损耗大，均衡电路安全性低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种液态金属电池组均衡控制系统及方法，通过变步长的均衡控制算法，降低计算量和均衡电流在电池内阻的能量损耗，提高均衡控制效率。
本发明采用的技术方案是：
本申请提出一种液态金属电池组均衡控制系统，包括：
上位机，包括通信单元、控制单元和均与控制单元连接的数据处理单元、分析计算单元和历史数据存储单元，所述通信单元连接数据处理单元，用于根据采集的电池信息、电池组均衡时间、电池组能耗数据和决策划分均衡控制范围的维度数据，计算均衡控制步长和均衡控制范围，生成变步长均衡控制指令并下传；
下位机，包括电池信息采集模块、主控模块、PWM信号产生模块、开关驱动模块和反激电路，所述电池信息采集模块连接主控模块，且用于采集电池组的工作数据和各个单体电池的信息数据并上传，所述主控模块连接通信单元和PWM信号产生模块，且用于向上位机上传采集的数据，并接收、解析、发送均衡控制命令，所述PWM信号产生模块连接开关驱动模块，且用于向开关驱动模块发送PWM控制信号，实现双向反击均衡模块中能量与电流的控制，所述开关驱动模块连接反激电路，且用于根据输入的PWM控制信号快速准确的控制反激电路内。
优先地，所述反激电路连接有电池组，所述电池组包括第一单体电池至第N单体电池。
优先地，所述反激电路包括N个双向反激均衡模块，N为单体电池的总数量或双向反激均衡模块的，所述双向反激均衡模块包括2N个MOS管和变压器，所述变压器的原边和副边侧均连接有一个MOS管，所述变压器的副边一侧分别与单体电池的正负极相连，且原边一侧与电池组的正负极相连，用于实现对电池组内每个单体电池的单独控制。
优先地，所述历史数据存储单元内设有电池组均衡时间库、电池组能耗数据库、均衡控制范围划分的步长数据库和划分维度数据库、和专家知识数据库。
基于上述的液态金属电池组均衡控制系统，本申请还提出一种使用上述液态金属电池组均衡控制系统的控制方法，包括如下步骤：
S1.设定单体电池处于均衡状态的SoC上限值B和下限值-B，则均衡状态单体电池的SoC范围为[-B，B]；
S2.电池信息采集模块采集单体电池的SoC数据并上传值主控模块，主控模块将采集的数据通过通信单元上传至控制单元；
S3.分析计算单元根据单体电池的SoC数据和历史数据存储单元中的历史数据，通过变步长的均衡控制算法计算各个单体电池的均衡方案；
S4.上位机将各个单体电池的均衡方案发送至主控模块，主控模块解析均衡方案并发送至PWM信号产生模块，PWM信号产生模块向开关驱动模块发送PWM控制信号，开关驱动模块根据PWM控制信号准确控制反激电路中的MOS管的通断，控制电池组中的能量转移直至实现电池均衡。
优先地，步骤S1中，根据人工经验或专家知识库内的电池组均衡数据，确定均衡目标为电池组内单体电池的SoC平均值。
优先地，步骤S3具体包括如下步骤：
S31.计算单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D的绝对值，作为变步长的均衡控制算法的输入变量x，即x＝|SoC_D|；
S32.设定步长拟合函数为：y＝a1x2+a2x+a3，其中，x>0，y为步长值，通过历史数据存储单元内的输入变量x与输入变量x所处的均衡控制范围的步长进行二次函数拟合，求出参数a1、a2、a3的值，代入步长拟合函数中，得到步长拟合函数的具体函数；
S33.选取采集的单体电池中的SoC绝对值的最大值SoCmax，将[0，SoCmax]进行m等分，则第k等分的输入变量x的区间为[xk-1，xk]；
在区间[xk-1，xk]内取样，计算取样值和区间端点所对应的步长值，将取样值对应的步长值与区间端点多对应的步长值进行作差，选取较小的差值并将该取样点的步长值归于区间端点对应的步长值，即该取样点的步长值等于区间端点对应的步长值，多次计算后，生成输入变量x相对于步长y的离散分布函数；
S34.将单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D的绝对值的最大值作为初始值代入步长拟合函数中，计算对应步长，并转化为原边MOS管和副边MOS管的导通占空比，循环计算，直至单体电池处于均衡状态单体电池的SoC范围[-B，B]内，即单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D的绝对值小于等于B时，结束循环，生成单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D>0的均衡控制规则；
S35.将单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D>0的均衡控制规则对称延伸至SoC_D<0的范围内，生成完整的均衡控制规则。
优先地，步骤S32中的参数a3的值等于均衡状态单体电池的SoC值B，且参数a1>0，即输入变量x越大，步长y越大。
本发明的有益效果是：
1.构建液态金属电池组的均衡控制系统，向各个电池对应的双向反激均衡模块的原边和副边发送PWM信号，控制电池组里能量的转移，实现电池组能量均衡，控制精准；
2.基于变步长的均衡控制算法，以单体电池SoC与电池组SoC平均值之差作为输入变量，通过二次函数拟合，计算出输入变量相对于步长的离散分布，并转换为MOSFET的PWM信号导通占空比，实现根据电池能量差异大小来阶段性地调节电池均衡电流的大小，有效提高了系统的对电池组能量均衡的控制效率，提升了系统的均衡效率。同时双向反激均衡电路产生的均衡电流是变化的，降低了均衡电流在电池内阻的能量损耗。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的结构连接示意图；
图2是本发明的反激电路的连接示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本申请提出一种液态金属电池组均衡控制系统，包括：
如图1所示，上位机，包括通信单元、控制单元和均与控制单元连接的数据处理单元、分析计算单元和历史数据存储单元，通信单元连接数据处理单元，用于根据采集的电池信息、电池组均衡时间、电池组能耗数据和决策划分均衡控制范围的维度数据，计算均衡控制步长和均衡控制范围，生成变步长均衡控制指令并下传。
如图1所示，下位机，包括电池信息采集模块、主控模块、PWM信号产生模块、开关驱动模块和反激电路，电池信息采集模块连接主控模块，且用于采集电池组的工作数据和各个单体电池的信息数据并上传，主控模块连接通信单元和PWM信号产生模块，且用于向上位机上传采集的数据，并接收、解析、发送均衡控制命令，PWM信号产生模块连接开关驱动模块，且用于向开关驱动模块发送PWM控制信号，实现双向反击均衡模块中能量与电流的控制，开关驱动模块连接反激电路，且用于根据输入的PWM控制信号快速准确的控制反激电路内。反激电路连接有电池组，电池组包括第一单体电池至第N单体电池，单体电池采用液态金属电池。
如图1所示，本实施例的工作流程为：
(1)获取电池组内各个单体电池的信息数据；
(2)根据单体电池的信息数据，计算各个电池的均衡方案；
(3)根据各个单体电池的均衡方案，向反激电路发送PWM信号，实现电池均衡。
实施例二
如图1所示，本实施例与实施例一的区别之处在于：历史数据存储单元内设有电池组均衡时间库、电池组能耗数据库、均衡控制范围划分的步长数据库和划分维度数据库、和专家知识数据库。大量的数据支撑，便于均衡方案的计算。
实施例三
如图2所示，本实施例与实施例二的区别之处在于：反激电路包括N个双向反激均衡模块，N为单体电池的总数量或双向反激均衡模块的，双向反激均衡模块包括2N个MOS管和变压器，变压器的原边和副边侧均连接有一个MOS管，变压器的副边一侧分别与单体电池的正负极相连，且原边一侧与电池组的正负极相连，用于实现对电池组内每个单体电池的单独控制。
基于上述的液态金属电池组均衡控制系统，本申请还提出一种使用上述液态金属电池组均衡控制系统的控制方法，包括如下步骤：
S1.设定单体电池处于均衡状态的SoC上限值B和下限值-B，则均衡状态单体电池的SoC范围为[-B，B]。根据人工经验或专家知识库内的电池组均衡数据，确定均衡目标为电池组内单体电池的SoC平均值。
S2.电池信息采集模块采集单体电池的SoC数据并上传值主控模块，主控模块将采集的数据通过通信单元上传至控制单元。
S3.分析计算单元根据单体电池的SoC数据和历史数据存储单元中的历史数据，通过变步长的均衡控制算法计算各个单体电池的均衡方案。
步骤S3具体包括如下步骤：
S31.在制定均衡控制算法规则之前，规定单体电池SoC与电池组SoC平均值之差数值为正时，需要对电池进行放电均衡；单体电池SoC与电池组SoC平均值之差数值为负时，需要对电池进行充电均衡。计算单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D的绝对值，作为变步长的均衡控制算法的输入变量x，即x＝|SoC_D|。
S32.为减小计算复杂度且提高均衡效率，设定步长拟合函数为：
y＝a1x2+a2x+a3，其中，x>0，y为步长，通过变步长，实现快速收敛。通过历史数据存储单元内的输入变量x与输入变量x所处的均衡控制范围的步长y进行二次函数拟合，求出参数a1、a2、a3的值，代入步长拟合函数中，得到步长拟合函数的具体函。参数a3的值等于均衡状态单体电池的SoC值B，且参数a1>0，即输入变量x越大，步长y越大。
S33.选取采集的单体电池中的SoC绝对值的最大值SoCmax，将[0，SoCmax]进行m等分，本实施例中取m＝3，则第k等分的输入变量x的区间为[xk-1，xk]。
在区间[xk-1，xk]内取样，计算取样值和区间端点所对应的步长值，将取样值对应的步长值与区间端点多对应的步长值进行作差，选取较小的差值并将该取样点的步长值归于区间端点对应的步长值，即该取样点的步长值等于区间端点对应的步长值，多次计算后，生成输入变量x相对于步长y的离散分布函数。减小计算量，提高均衡效率。
S34.将单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D的绝对值的最大值作为初始值代入步长拟合函数中，计算对应步长，并对应计算原边MOS管和副边MOS管的导通占空比，循环计算，直至单体电池处于均衡状态单体电池的SoC范围[-B，B]内，即单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D的绝对值小于等于B时，结束循环，生成单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D>0的均衡控制规则。
S35.将单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D>0的均衡控制规则对称延伸至SoC_D<0的范围内，生成完整的均衡控制规则，即变步长的均衡方案。
变步长的均衡方案如下所示，其中，DR_Primary为原边MOS管的导通占空比，DR_Secondary为副边MOS管的导通占空比。
Figure BDA0003078008620000081
当单体电池SoC与电池组SoC平均值之差过于小时，表明该单体电池的能量远小于电池组平均能量，需要大均衡电流对电池进行充电；当单体电池SoC与电池组SoC平均值之差过大时，表明该单体电池的能量远大于电池组平均能量，需要大均衡电流对电池进行放电；当单体电池SoC与电池组SoC平均值之差为适中的值时，用中等大小的均衡电池对电池进行充放电；考虑到实际应用的意义，当单体电池SoC与电池组SoC平均值之差的绝对值≤0.01时则认为电池组达到能量均衡。最后根据均衡控制算法向各单体电池对应均衡模块的原边和副边MOS管发送相应占空比的PWM信号，控制液态金属电池组里能量转移，实现能量均衡。
S4.上位机将各个单体电池的均衡方案发送至主控模块，主控模块解析均衡方案并发送至PWM信号产生模块，PWM信号产生模块向开关驱动模块发送PWM控制信号，开关驱动模块根据PWM控制信号准确控制反激电路中的MOS管的通断，控制电池组中的能量转移直至实现电池均衡。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液态金属电池组均衡控制系统，其特征在于：包括：
上位机，包括通信单元、控制单元和均与控制单元连接的数据处理单元、分析计算单元和历史数据存储单元，所述通信单元连接数据处理单元，用于根据采集的电池信息、电池组均衡时间、电池组能耗数据和决策划分均衡控制范围的维度数据，计算均衡控制步长和均衡控制范围，生成变步长均衡控制指令并下传；
下位机，包括电池信息采集模块、主控模块、PWM信号产生模块、开关驱动模块和反激电路，所述电池信息采集模块连接主控模块，且用于采集电池组的工作数据和各个单体电池的信息数据并上传，所述主控模块连接通信单元和PWM信号产生模块，且用于向上位机上传采集的数据，并接收、解析、发送均衡控制命令，所述PWM信号产生模块连接开关驱动模块，且用于向开关驱动模块发送PWM控制信号，实现双向反击均衡模块中能量与电流的控制，所述开关驱动模块连接反激电路，且用于根据输入的PWM控制信号快速准确的控制反激电路内。
2.根据权利要求1所述的液态金属电池组均衡控制系统，其特征在于：所述反激电路连接有电池组，所述电池组包括第一单体电池至第N单体电池。
3.根据权利要求2所述的液态金属电池组均衡控制系统，其特征在于：所述反激电路包括N个双向反激均衡模块，N为单体电池的总数量或双向反激均衡模块的，所述双向反激均衡模块包括2N个MOS管和变压器，所述变压器的原边和副边侧均连接有一个MOS管，所述变压器的副边一侧分别与单体电池的正负极相连，且原边一侧与电池组的正负极相连，用于实现对电池组内每个单体电池的单独控制。
4.根据权利要求1所述的液态金属电池组均衡控制系统，其特征在于：所述历史数据存储单元内设有电池组均衡时间库、电池组能耗数据库、均衡控制范围划分的步长数据库和划分维度数据库、和专家知识数据库。
5.一种使用如权利要求1所述的液态金属电池组均衡控制系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.设定单体电池处于均衡状态的SoC上限值B和下限值-B，则均衡状态单体电池的SoC范围为[-B，B]；
S2.电池信息采集模块采集单体电池的SoC数据并上传值主控模块，主控模块将采集的数据通过通信单元上传至控制单元；
S3.分析计算单元根据单体电池的SoC数据和历史数据存储单元中的历史数据，通过变步长的均衡控制算法计算各个单体电池的均衡方案；
S4.上位机将各个单体电池的均衡方案发送至主控模块，主控模块解析均衡方案并发送至PWM信号产生模块，PWM信号产生模块向开关驱动模块发送PWM控制信号，开关驱动模块根据PWM控制信号准确控制反激电路中的MOS管的通断，控制电池组中的能量转移直至实现电池均衡。
6.根据权利要求5所述的液态金属电池组均衡控制系统的控制方法，其特征在于：步骤S1中，根据人工经验或专家知识库内的电池组均衡数据，确定均衡目标为电池组内单体电池的SoC平均值。
7.根据权利要求6所述的液态金属电池组均衡控制系统的控制方法，其特征在于：步骤S3具体包括如下步骤：
S31.计算单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D的绝对值，作为变步长的均衡控制算法的输入变量x，即x＝|SoC_D|；
S32.设定步长拟合函数为：y＝a1x2+a2x+a3，其中，x>0，y为步长值，通过历史数据存储单元内的输入变量x与输入变量x所处的均衡控制范围的步长进行二次函数拟合，求出参数a1、a2、a3的值，代入步长拟合函数中，得到步长拟合函数的具体函数；
S33.选取采集的单体电池中的SoC绝对值的最大值SoCmax，将[0，SoCmax]进行m等分，则第k等分的输入变量x的区间为[xk-1，xk]；
在区间[xk-1，xk]内取样，计算取样值和区间端点所对应的步长值，将取样值对应的步长值与区间端点多对应的步长值进行作差，选取较小的差值并将该取样点的步长值归于区间端点对应的步长值，即该取样点的步长值等于区间端点对应的步长值，多次计算后，生成输入变量x相对于步长y的离散分布函数；
S34.将单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D的绝对值的最大值作为初始值代入步长拟合函数中，计算对应步长，并转化为原边MOS管和副边MOS管的导通占空比，循环计算，直至单体电池处于均衡状态单体电池的SoC范围[-B，B]内，即单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D的绝对值小于等于B时，结束循环，生成单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D>0的均衡控制规则；
S35.将单体电池SoC与SoC平均值之差SoC_D>0的均衡控制规则对称延伸至SoC_D<0的范围内，生成完整的均衡控制规则。
8.根据权利要求7所述的液态金属电池组均衡控制系统的控制方法，其特征在于：步骤S32中的参数a3的值等于均衡状态单体电池的SoC值B，且参数a1>0，即输入变量x越大，步长y越大。
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