CN113783247A - 一种液态金属电池组两级双向均衡系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液态金属电池组两级双向均衡系统及控制方法，包括一个上位机、M个第一级均衡系统和一个第二级均衡系统；一个第一级均衡系统包括N个反激变换模块、一个电压采集模块、一个中心控制模块和一个485通信模块；一个第二级均衡系统包括M个双半桥DCDC变换模块、一个中心控制模块和一个485通信模块；上位机通过485总线完成对下位机的控制。本发明提出的液态金属电池组两级双向均衡装置及控制方法可以在电池组与电池间、电池组与电池模组间实现双向电量转移，且电量转移效率高、速度快，很好的解决了液态金属电池大规模成组后，电池状态不一致的问题。
Description
技术领域
本发明属于电网大规模储能领域，尤其涉及一种液态金属电池的两级双向均衡系统及控制方法。
背景技术
新能源的稳定性差、受地理因素制约等缺点限制了其大规模的应用，而被称为新能源技术“最后一公里”的储能技术在解决新能源并网的不稳定性、地域分布差异大等问题上扮演了十分重要的角色。在新型化学储能电池中，液态金属电池因有着高容量、大电流、低成本的长处，契合储能系统的发展需求。
液态金属电池的工作温度大约在500℃左右，结构上由三种液态材料构成，其中用两种密度不同在高温工作环境下被加热成熔融态的金属作为电池电极材料，用中低温熔融盐作为电解质。由于三者在密度上存在差异且不互融，静置状态下低密度熔融态金属上浮形成电池的负极，高密度熔融态金属下沉形成电池的正极，中密度的熔融盐在电池中间作为电池电解质。
但是在液态金属电池组大规模成组使用过程中，由于液态金属电池制造工艺和工作环境等差异的影响，液态金属电池组内的单体液态金属电池不一致性会逐渐体现出来，最终导致液态金属电池组的容量与寿命缩减，甚至会导致单体液态金属电池的过充或过放，因此需要一套液态金属电池均衡系统。
目前，针对液态金属电池组大规模串联应用的均衡控制系统的研究主要集中于被动均衡和主动均衡相结合的模式，但是现有的均衡系统能量转移效率低且能量损耗大。在专利CN106654413A中公开了一种液态金属电池组多级均衡控制系统及方法，液态金属电池组的一、二级均衡分别采用被动均衡和主动均衡，该方案保证控制装置复杂性和成本较低的情况下，提高了均衡效率，但是被动均衡电路的能量损耗大，且主动均衡电路较大的纹波电路电流降低了电池使用寿命。
发明内容
为了克服现有的液态金属电池组均衡系统能量转移效率低、能量损耗大和成组规模小的不足，本专利提供一套两级双向均衡控制系统，该系统的两级均衡均可以实现较大的均衡电流，且实现能量的双向转移，提高能量转移效率的同时降低了均衡损耗，且适用于液态金属电池组的大规模成组应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种液态金属电池组两级双向均衡系统，所述两级均衡系统包括M个第一级均衡系统、一个第二级均衡系统和一台上位机；第一级均衡系统用于实现液态金属电池组内均衡，第二级均衡系统用于实现液态金属电池组间均衡；所述第一级均衡系统采用串联连接，且与所述第二级均衡系统同时受上位机控制，并对电池组进行均衡控制，其中M≥2，且M为整数。
本发明进一步的改进在于，对于任意一个所述的第一级均衡系统，其包括由N个反激变换模块、一个电压采集模块、一个中心控制模块和一个485通信模块，其中N≥2，且N为整数；
所述电压采集模块和所述第一级均衡系统均通过所述液态金属电池外侧铜排与各节液态金属电池相连；
所述反激变换模块，采用改进的双向反激变换电路，实现能量的双向转移；
所述电压采集模块，提供多路电压采集通道，并将各节单体电池电压数据返回给中心控制模块；
所述中心控制模块用于获取电压采集模块返回的电压数据，并所述通过485通信模块上传给上位机，所述中心控制模块同时通过所述485通信模块监听上位机指令，并将均衡指令下发到反激变换模块；
所述第一级均衡系统的485通信模块连接到485总线上，并受控于所述第一级均衡系统的中心控制模块；
对于任意一个所述第二级均衡系统包括M个双半桥DCDC变换模块、一个中心控制模块和一个485通信模块；
所述第二级均衡系统通过导线连接到所述液态金属电池组外侧铜排，每个电池组的电压数据通过对第一级均衡系统上传的液态金属电池组内各节电池电压数据加和得到；
所述的双半桥DCDC变换模块，采用改进的双向半桥DCDC变换电路，可实现能量双向转移；
所述的中心控制模块通过所述的485通信模块监听上位机指令，并将均衡指令下发到双半桥DCDC变换模块；
所述的第二级均衡系统的485通信模块连接到485总线上，并受控于所述第二级均衡系统的中心控制模块。
本发明进一步的改进在于，所述M＝5，N＝18。
本发明进一步的改进在于，M*N个液态金属电池采用四端法串联，并放置于同一电池保温箱内，并将液态金属电池的正极通过铜排引出，负极通过1.5平方的镍线引出。
本发明进一步的改进在于，所述一个反激变换模块包括两个MOS管、一个反激变压器和一个滤波电容；其中，低压侧MOS管的漏极连接到单体电池正极，源极通过变压器二次侧连接到电池负极；高压侧MOS管的漏极通过变压器一次侧连接到电池组正级，源极连接到电池组负极；
滤波电容并联在单体电池出线末端用于电池侧滤波；
反激变压器高低压测绕组反向绕制，且低压侧绕组使用铜皮，这样能够提高变压器的低压侧绕组的最大导通电流，同时提高变压器的空间利用率。
本发明进一步的改进在于，所述反激变换模块还包括RCD钳位电路，RCD钳位电路由一个快速恢复二极管、一个电容和一个耗散电阻构成，该RCD钳位电路能够钳位高压侧MOS管的峰值电压。
本发明进一步的改进在于，一个双半桥DCDC变换模块包括四个MOS管、四个分压电容、一个高频变压器、一个升压电感、两个隔直电容和一个滤波电感；高压侧两个MOS管和两个分压电容构成了高压桥，低压侧两个MOS管和两个分压电容构成了低压桥，高压桥的对角线接变压器原边绕组，低压桥的对角线接变压器副边绕组。
本发明进一步的改进在于，分压电容采用两个电容并联；
上述高频变压器高低压侧采用同向绕制，且低压侧绕组使用铜皮。
一种液态金属电池组两级双向均衡系统的控制方法，包括如下步骤：
Step1:上位机对第一级均衡控制系统发送获取电压指令；
Step2:第一级均衡系统的电压采集模块将各个液态金属电压返回到中心控制单元，并由中心控制单元上传到上位机；
Step3:上位机获取第一级均衡控制系统的电压数据，并利用无迹卡尔曼滤波算法估算各个液态金属电池单体的SOC，对M个液态金属电池的SOC取平均值，得到电池组的SOC；
Step4:判断液态金属电池组内各单体液态金属电池的SOC与液态金属电池组内平均SOC的差值是否大于0.5％，若成立则通过第一级均衡系统，将高SOC电池的能量转移至电池组，将电池组的能量向低SOC电池转移，否则，关闭第一级均衡系统；
Step5:判断液态金属电池组间各组液态金属电池组的SOC与整个液态金属电池模组平均SOC的差值是否大于0.5％，若成立则通过第二级均衡系统，将高SOC电池的能量转移至电池组，将电池组的能量向低SOC电池转移，否则，关闭第二级均衡系统；
其中，第一级均衡和第二级均衡同时进行。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种液态金属电池组两级双向均衡系统，相比于传统的单极均衡系统，大幅度提高了可均衡的液态金属电池模组规模。
第一级均衡系统可以在较低的输入电压情况下，提供足够大的均衡电流，提高了能量的转移效率，满足液态金属电池低电压大电流的运行特点。
第二级均衡系统系统内的MOS管工作在软开关状态，在提供较大的均衡电流的同时，也降低了能量损耗。
两级均衡系统均实现了多路均衡通道同时工作和均衡能量的双向转移。
两级均衡系统均提供了较低的均衡纹波电流，降低了对电池的伤害，从而提高了电池的使用寿命。
本发明提供的一种液态金属电池组两级双向均衡系统的控制方法，可以同时控制第一级均衡系统和第二级均衡系统，且方法简单易懂，方便实现。
附图说明
图1为本发明提供的液态金属电池四端法接线示意图；
图2为本发明提供的液态金属电池组两级双向均衡系统总体框图；
图3为本发明提供的液态金属电池组第一级均衡系统均衡电路拓扑图；
图4为本发明提供的液态金属电池组第二级均衡系统均衡电路拓扑图；
图5为本发明提供的液态金属电池一个充放电循环的电压电流曲线图；
图6为本发明提供的液态金属电池组均衡控制策略流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1示，为液态金属电池模组在恒温箱内的“四端法”接线方式，液态金属电池通过铜牌串联连接，每个电池的负极连接到下一个电池的正极，第一个电池的正极和最后一个电池的负极则通过铜牌引出到恒温箱外。所有液态金属电池的正极通过铜排引出到恒温箱外，负极通过耐高温的镍线引出到恒温箱外，每个电池组的负极增加一根铜排引出到恒温箱外。
正极铜排用于均衡电流的流通，负极镍导线上没有电流流通，仅用于辅助测量电池电压。
如图2所示，为液态金属电池组两级均衡系统结构图，包括一个上位机，五个第一级均衡系统和一个第二级均衡系统。
对于任意一个第一级均衡系统，其由一个中心控制模块、一个PWM产生模块、18个驱动模块、一个电压采集模块和18个反激变换模块构成。
对于任意一个第二级均衡系统，其由一个主控模块、一个PWM产生模块、5个驱动模块和5个双半桥DCDC模块构成。
电压采集模块的任意一个通道都是连接到一个电池的正极引出铜排和负极引出镍线，采集到的电压数据会返回给主控模块，并由主控模块上传到上位机。
上位机可以将指令分别下发到第一级均衡系统和第二级均衡系统的控制芯片，控制芯片将指令中的各路通道PWM数据发送到PWM产生模块，PWM产生模块再将PWM信号发送到各路驱动模块，最终完成对MOSFET的控制，实现能量的转移。
图3为第一级均衡系统均衡电路拓扑图，该均衡电路改进于反激变换电路，由N个反激变压器、2N个MOS管和N个滤波电容构成，可提供18路组内均衡通道。图中变压器高低压侧绕组反向绕制，其同名端分别连接一个MOS管。变压器Tj(1≤j≤N)高压侧与M2j-1的漏极相连接，低压侧与M2j的源极相连接。Lj为电池组引出铜排与均衡电路板连接的导线等效电感，其与滤波电容Cj共同构成了等效LC滤波电路，有效降低了电池测的纹波电流。
在电池组向低SOC电池转移能量时，高压侧MOS先导通，电池组给变压器充能，由于低压侧MOS管的存在，该过程低压侧没有电流流过。随后，高压侧MOS管关断，低压侧MOS管导通，变压器从低压侧释放能量到电池，将低压侧MOS管导通可以降低能量传输损耗。
在高SOC电池向电池组转移能量时，低压侧MOS先导通，电池给变压器充能，由于高压侧MOS管的存在，该过程高压侧没有电流流过。随后，低压侧MOS管关断，高压侧MOS管无须导通，变压器即可以通过高压侧MOS管的寄生二极管将释放能量到电池组。
图4为第二级均衡系统均衡电路拓扑图，该均衡电路基于双半桥DCDC变换电路设计，由M个高频变压器、4M个MOS管、4M个分压电容、M个升压电感和M个滤波电感构成，可提供M路组间均衡通道。电容C4i-3、C4i-2和MOS管S4i-3、S4i-2构成了低压半桥，电容C4i-1、C4i和MOS管S4i-1、S4i构成了高压半桥，变压器Ti正向绕制，高低压侧分别跨接在两侧半桥的对角线上。
每个分压电容都由两个电容并联组成，这样可以有效降低每个电容的纹波电流，提高模块使用寿命。
在电池模组向低SOC电池组转移能量时，分别给高压MOS桥和低压MOS桥一对互补的PMW驱动信号，其中高压桥的PWM要超前低压桥的PWM一个相位角
在高SOC电池组向电池模组转移能量时，分别给高压MOS桥和低压MOS桥一对互补的PMW驱动信号，其中高压桥的PWM要落后低压桥的PWM一个相位角
图5为200AH的液态金属电池一次充放电循环的电压数据，在平台期，电池电压变化不明显，故而该专利采用SOC作为均衡指标，具体均衡策略如图6。SOC的估算和均衡策略的分析在上位机完成。上位机首先对电池模组中的每个电池进行SOC估算，然后开始循环判断第一级均衡系统和第二级均衡系统各通道是否需要开启均衡。
在第二级均衡策略中，如果某一组的SOC比平均SOC多出0.5％，则开启该组均衡通道把该组电池电量向整个模组转移；如果某一组的SOC比平均SOC少了0.5％，则开启该组均衡通道把整个模组电量向该组电池转移；否则，关闭改组均衡通道。
在第一级均衡策略中，如果某一单体电池的SOC比平均SOC多出0.5％，则开启该电池的均衡通道把该电池电量向其所在电池组转移；如果某一单体电池的SOC比其所在电池组的平均SOC少了0.5％，则开启该电池均衡通道把其所在电池组电量向该单体电池转移；否则，关闭改单体电池均衡通道。
第一级均衡和第二级均衡可同时进行，第一级均衡的多个通道可以同时开启，第二级均衡的多个通道也可以同时开启。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种液态金属电池组两级双向均衡系统，其特征在于，所述两级均衡系统包括M个第一级均衡系统、一个第二级均衡系统和一台上位机；第一级均衡系统用于实现液态金属电池组内均衡，第二级均衡系统用于实现液态金属电池组间均衡；所述第一级均衡系统采用串联连接，且与所述第二级均衡系统同时受上位机控制，并对电池组进行均衡控制，其中M≥2，且M为整数。
2.根据权利要求1所述的一种液态金属电池组两级双向均衡系统，其特征在于，对于任意一个所述的第一级均衡系统，其包括由N个反激变换模块、一个电压采集模块、一个中心控制模块和一个485通信模块，其中N≥2，且N为整数；
所述电压采集模块和所述第一级均衡系统均通过所述液态金属电池外侧铜排与各节液态金属电池相连；
所述反激变换模块，采用改进的双向反激变换电路，实现能量的双向转移；
所述电压采集模块，提供多路电压采集通道，并将各节单体电池电压数据返回给中心控制模块；
所述中心控制模块用于获取电压采集模块返回的电压数据，并所述通过485通信模块上传给上位机，所述中心控制模块同时通过所述485通信模块监听上位机指令，并将均衡指令下发到反激变换模块；
所述第一级均衡系统的485通信模块连接到485总线上，并受控于所述第一级均衡系统的中心控制模块；
对于任意一个所述第二级均衡系统包括M个双半桥DCDC变换模块、一个中心控制模块和一个485通信模块；
所述第二级均衡系统通过导线连接到所述液态金属电池组外侧铜排，每个液态金属电池组的电压数据通过对第一级均衡系统上传的液态金属电池组内各节电池电压数据加和得到；
所述的双半桥DCDC变换模块，采用改进的双向半桥DCDC变换电路，可实现能量双向转移；
所述的中心控制模块通过所述的485通信模块监听上位机指令，并将均衡指令下发到双半桥DCDC变换模块；
所述的第二级均衡系统的485通信模块连接到485总线上，并受控于所述第二级均衡系统的中心控制模块。
3.根据权利要求2所述的一种液态金属电池组两级双向均衡系统，其特征在于，所述M＝5，N＝18。
4.根据权利要求2所述的一种液态金属电池组两级双向均衡系统，其特征在于，M*N个液态金属电池采用四端法串联，并放置于同一电池保温箱内，并将液态金属电池的正极通过铜排引出，负极通过1.5平方的镍线引出。
5.根据权利要求2所述的一种液态金属电池组两级双向均衡系统，其特征在于，所述一个反激变换模块包括两个MOS管、一个反激变压器和一个滤波电容；其中，低压侧MOS管的漏极连接到单体电池正极，源极通过变压器二次侧连接到电池负极；高压侧MOS管的漏极通过变压器一次侧连接到电池组正级，源极连接到电池组负极；
滤波电容并联在单体电池出线末端用于电池侧滤波；
反激变压器高低压测绕组反向绕制，且低压侧绕组使用铜皮，这样能够提高变压器的低压侧绕组的最大导通电流，同时提高变压器的空间利用率。
6.根据权利要求5所述的一种液态金属电池组两级双向均衡系统，其特征在于，所述反激变换模块还包括RCD钳位电路，RCD钳位电路由一个快速恢复二极管、一个电容和一个耗散电阻构成，该RCD钳位电路能够钳位高压侧MOS管的峰值电压。
7.根据权利要求2所述的一种液态金属电池组两级双向均衡系统，其特征在于，一个双半桥DCDC变换模块包括四个MOS管、四个分压电容、一个高频变压器、一个升压电感、两个隔直电容和一个滤波电感；高压侧两个MOS管和两个分压电容构成了高压桥，低压侧两个MOS管和两个分压电容构成了低压桥，高压桥的对角线接变压器原边绕组，低压桥的对角线接变压器副边绕组。
8.根据权利要求7所述的一种液态金属电池组两级双向均衡系统，其特征在于，分压电容采用两个电容并联；
上述高频变压器高低压侧采用同向绕制，且低压侧绕组使用铜皮。
9.权利要求1至8中任一项所述的一种液态金属电池组两级双向均衡系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
Step1:上位机对第一级均衡控制系统发送获取电压指令；
Step2:第一级均衡系统的电压采集模块将各个液态金属电压返回到中心控制单元，并由中心控制单元上传到上位机；
Step3:上位机获取第一级均衡控制系统的电压数据，并利用无迹卡尔曼滤波算法估算各个液态金属电池单体的SOC，对M个液态金属电池的SOC取平均值，得到电池组的SOC；
Step4:判断液态金属电池组内各单体液态金属电池的SOC与液态金属电池组内平均SOC的差值是否大于0.5％，若成立则通过第一级均衡系统，将高SOC电池的能量转移至电池组，将电池组的能量向低SOC电池转移，否则，关闭第一级均衡系统；
Step5:判断液态金属电池组间各组液态金属电池组的SOC与整个液态金属电池模组平均SOC的差值是否大于0.5％，若成立则通过第二级均衡系统，将高SOC电池的能量转移至电池组，将电池组的能量向低SOC电池转移，否则，关闭第二级均衡系统；
其中，第一级均衡和第二级均衡同时进行。
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