CN114335765A - 一种电池模组、储能设备及均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种电池模组，包括：外壳；电池芯体，设置于外壳内部，用于储存电能和释放电能；电池监控管理模块，设置于外壳内部，包括：电池管理单元，其一端与电池芯体电性连接，另一端作为电池模组的第一组功率接口，包括第一功率端和第二功率端，第一功率端和第二功率端分别为上述第一组功率接口的正极和负极；功率变换单元，其一端与第一组功率接口耦接，另一端作为电池模组的第二组功率接口；电池管理单元和功率变换单元通信连接；第一通信接口，设置于外壳外表面，与电池监控管理模块通信连通。其中，第一组功率接口和第二组功率接口中至少一组功率接口设于外壳的外表面。上述电池模组有更好的适配性且易于储能设备的拓展与扩容。

Description

一种电池模组、储能设备及均衡控制方法

技术领域

本发明实施例属于储能的技术领域，特别涉及一种电池模组、储能设备及均衡控制方法。

背景技术

电化学储能系统中，往往使用数百个电池单体串联构成。由于电池生产工艺的限制，同一型号规格的电池单体间，在容量、内阻等参数上存在一定的差异，导致上述数百个串联的电池单体在使用过程中，出现电能不均衡的情况。此外，大量电池单体串联的结构，使得电池簇的故障失效率远大于任一簇内电池单体的失效率，且簇内未失效电池单体的电能无法被充分使用。

现有的电池管理技术也只是将串联电池单体做分层管理。将整个串联电池单体定义为一个电池簇，每个电池簇配置一个控制管理单元，实现电池簇对外的电能交换及电池簇之间的电能均衡；将电池簇划分为若干串联的电池模组，每个电池模组配备一个电池管理单元对模组内的电池单体监测及有限的控制。这种有限的控制表现在：(1)电池模组仅可被控制为通、断两种状态，电池的输出电能功率无法被控制；(2)电池模组内的电池单体的能量均衡可以受到控制，但电池模组间的电能均衡无法被实现。这种控制上的局限性，一方面，无法完全解决电池不均衡问题，另一方面，电池簇的失效率也没有得到改善，同时也不利于电池簇安装、维护及容量的扩展。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种电池模组，可兼容并优化现有电池串联架构的储能设备；且可以构造新的电池簇架构，有更好的适配性；并可对电池模组进行模块化管理，易于储能设备的拓展与扩容。

第一方面，本申请实施例提供了一种电池模组，该电池模组设置有一外壳，该电池模组还包括：

电池芯体，设置于外壳内部，配置为储存电能和释放电能。

电池监控管理模块，设置于外壳内部，包括：

电池管理单元，其一端与电池芯体电性连接，另一端作为电池模组的第一组功率接口，第一组功率接口包括第一功率端和第二功率端，第一功率端和第二功率端分别为电池模组第一组功率接口的正极和负极。

功率变换单元，该功率变换单元设置有原边功率端口和副边功率端口；原边功率端口与电池模组的第一组功率接口耦接；副边功率端口作为电池模组的第二组功率接口。其中，功率变换单元还与电池管理单元通信连接。

第一通信接口，第一通信接口设置于电池模组外壳外表面，第一通信接口与电池监控管理模块通信连通。上述第一组功率接口和第二组功率接口中至少一组功率接口设于电池模组外壳的外表面。

在一些实施例中，电池芯体由若干单体电池串联构成。

在一些实施例中，电池监控管理模块还包括，通信总线。通信总线承载功率变换单元与电池管理单元之间的通信以及第一通信接口与电池监控管理模块之间的通信。

在一些实施例中，功率变换单元设置有均衡控制器，用于控制所在电池模组的第二组功率接口的电压。

在一些实施例中，均衡控制器通过第一通信接口获取储能设备中所有电池模组的至少一个电参数和SOC值。

在一些实施例中，第二组功率接口与储能设备中其他电池模组的第二组功率接口并联；第二组功率接口并联的接口作为储能设备的功率接口。

在一些实施例中，第一组功率接口与储能设备中其他电池模组的第一组功率接口串联，第二组功率接口与储能设备中其他电池模组的第二组功率接口并联；第一组功率接口串联的接口作为储能设备的功率接口。

在一些实施例中，第一组功率接口与储能设备中其他电池模组的第一组功率接口串联；第二组功率接口与储能设备中其他电池模组的第二组功率接口并联；第一组功率接口串联的接口以及第二组功率接口并联的接口作为储能设备的第一功率接口和第二功率接口。

在一些实施例中，均衡控制器获取的电参数包括电压、电流；均衡控制器计算获得所在电池模组的第二组功率接口的电压指令。

第二方面，本申请实施例提供了一种分布式储能设备，分布式储能设备包括：电源转换模组以及若干个上述的电池模组。其中，电源转换模组包括第二通信接口、第三组功率接口以及第一外设功率接口。

若干电池模组的第二组功率接口并联连接形成上述第三组功率接口；若干电池模组的第一通信接口与第二通信接口通信连通。

第三方面，本申请实施例提供了一种直挂式储能设备，直挂式储能设备包括：电源转换模组以及若干个上述的电池模组。其中，电源转换模组包括第三通信接口、第四组功率接口以及第二外设功率接口。

若干电池模组的第二组功率接口并联连接，若干电池模组的第一组功率接口串联连接后与第四组功率接口连接，若干电池模组的第二组功率接口并联连接，若干电池模组的第一通信接口与第三通信接口通信连通。

第四方面，本申请实施例提供了一种混合式储能设备，混合式储能设备包括：电源转换模组以及若干个上述的电池模组。其中，电源管理模组包括第四通信接口、第五组功率接口以及第三外设功率接口。

若干电池模组的第一组功率接口串联连接后与第五组功率接口连接，若干电池模组的第二组功率接口并联连接形成第四外设功率接口；以及，若干电池模组的第一通信接口与所述第四通信接口连通。

第五方面，本申请实施例提供一种电池簇内的电池模组的均衡方法。电池簇包括若干上述的电池模组，所有电池模组的第二组功率接口并联连接，并同时作为该电池簇的功率接口；功率变换单元设置有均衡控制器。该均衡方法包括：

步骤S10：获取所有所述电池模组中电池芯体的电压、电流、SOC值；

步骤S20：控制当前电池模组的第二组功率接口的电压维持在预设电压值，以使在放电状态下，第一关系与第二关系正相关，在充电状态下，所述第一关系与第三关系正相关。

其中，上述第一关系为当前电池模组的电池芯体的电流或功率和其他电池模组的电池芯体的电流或功率的关系，上述第二关系为当前电池模组的SOC值和其他电池模组的SOC值的关系，上述第三关系为当前电池模组的(1-SOC)值和其他电池模组的(1-SOC)值的关系。

在一些实施例中，上述预设电压值由上述均衡控制器计算获得，预设电压值的计算公式为：

其中，V^*为预设电压常量，V_E为均衡控制项。

在一些实施例中，上述预设电压值的计算公式为：

其中，V_F为控制修正项。

在第六方面，本申请实施例还提供一种储能设备中电池簇内的电池模组的均衡方法。该电池簇包括若干上述的电池模组，所有电池模组的第一组功率接口串联连接作为该电池簇的功率接口，所有电池模组的第二组功率接口并联连接；功率变换单元设置有均衡控制器。该均衡方法包括：

步骤S40：获取所有所述电池模组中电池芯体的电压、电流、SOC值；

步骤S50：判断所有所述电池模组的SOC值的差异是否超过均衡阈值，若否，则执行步骤S60，若是，则执行步骤S70或S90；

步骤S60：控制所述功率变换单元停止工作并返回步骤S40；

步骤S70：判断当前所述电池模组的SOC值是否为所有所述电池模组的最高值，若是，则执行步骤S80，若否，则执行步骤S110；

步骤S80：抬高当前所述电池模组的第二组功率接口电压至最高值并工作为放电状态；

步骤S90：判断当前所述电池模组的SOC值是否为所有所述电池模组的最低值，若是，则执行步骤S100，若否，则执行步骤S110；

步骤S100:降低当前所述电池模组的的第二组功率接口电压值至最低值并工作为充电状态；

步骤S110：控制当前所述电池模组的第二组功率接口的电压维持在预设电压值，以使在放电状态下，第四关系与第五关系正相关，在充电状态下，所述第四关系与第六关系正相关；

其中，上述第四关系为当前电池模组的电池芯体的电流或功率和其他电池模组的电池芯体的电流或功率的关系，上述第五关系为当前电池模组的SOC值和其他电池模组的SOC值的关系，上述第六关系为当前电池模组的(1-SOC)值和其他电池模组的(1-SOC)值的关系。

在一些实施例中，上述预设电压值由上述均衡控制器计算获得，该预设电压值的计算公式为：

其中，V^*为预设电压常量，V_E为均衡控制项。

在一些实施例中，上述预设电压值的计算公式为：

其中，V_F为控制修正项。

本申请实施例与现有技术相比，至少具有以下有益效果：本申请实施例提供一种电池模组和储能设备，储能设备包括若干个电池模组，每个电池模组均包括电池芯体、功率变换单元、第一组功率接口、第二组功率接口以及第一通信接口。通过调整电池模组的第一组功率接口和第二组功率接口的不同连接方式及与各功能模块配合，即可以兼容并优化现有电池串联架构的储能设备；且可以构造新的电池簇架构，以适配不同需求的用电系统，应用领域更广；另外，还可实现储能设备中电池模组的模块化管理，易于储能设备的拓展与扩容。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本申请一实施例提供的电池模组的结构示意图；

图2是本申请另一实施例提供的电池模组的结构示意图；

图3是本申请一实施例提供的电池模组中电池管理单元的结构示意图；

图4是本申请一实施例提供的电池模组中功率变换单元的结构示意图；

图5是本申请一实施例提供的储能设备中电池模组间的连接关系示意图；

图6是本申请另一实施例提供的储能设备中电池模组间的连接关系示意图；

图7是本申请另一实施例提供的储能设备中电池模组间的连接关系示意图；

图8是本申请一实施例提供的分布式储能设备的结构示意图；

图9是本申请一实施例提供的直挂式储能设备的结构示意图；

图10是本申请一实施例提供的混合式储能设备的结构示意图；

图11是本申请一实施例提供的电池簇内的电池模组的均衡方法的流程示意图；

图12是本申请一实施例提供的均衡控制方法中电压预设值的计算过程示意图；

图13是本申请另一实施例提供的均衡控制方法中电压预设值的计算过程示意图；

图14a和图14b是本申请一实施例提供的均衡控制方法的流程示意图；

图15是本申请一实施例提供的均衡控制方法的工作原理示意图；

图16是本申请另一实施例提供的均衡控制方法的工作原理示意图；

图17是本申请另一实施例提供的均衡控制方法的工作原理示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，如果不冲突，本申请实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

第一方面，本申请实施例提供一种电池模组，请参阅图1，图1为该电池模组的结构示意图。电池模组10包括外壳100、电池芯体200、第一组功率接口300、电池监控管理模块400、第二组功率接口500和第一通信接口600。

电池芯体200设置于外壳100内部，配置为储存电能和释放电能。

电池监控管理模块400设置于外壳100内部，包括电池管理单元4001和功率变换单元4002。

其中，电池管理单元4001一端与电池芯体200电性连接，另一端作为电池模组的第一组功率接口300，第一组功率接口300包括第一功率端3001和第二功率端3002，第一功率端3001和第二功率端3002分别为电池模组10的第一组功率接口300的正极和负极；

功率变换单元4002设置有原边功率端口和副边功率端口。原边功率端口与第一组功率接口300耦接；副边功率端口作为电池模组10的第二组功率接口500。第二组功率接口500用于连接电源或负载。其中，功率变换单元4002还与电池管理单元4001通信连接。

第一通信接口600设置于外壳100外表面，与电池监控管理模块400通信连通。

需要说明的是，第一组功率接口300和第二组功率接口500中至少有一组功率接口设置于外壳100的外表面(在本申请实施例中，仅以两者均设置于外表面的情况举例说明)。

与现有技术相比，本申请实施例提供一种了电池模组，该电池模组包括电池芯体、电池监控管理模块、第一组功率接口、第二组功率接口以及第一通信接口。通过调整电池模组的第一组功率接口和第二组功率接口的不同连接方式及与各功能模块配合，即可以兼容并优化现有电池串联架构(如本申请实施例中图6和图9所示实施例中电池模组的架构)的储能设备；且可以构造新的电池簇架构(如本申请实施例中图5、图7、图8和图10所示实施例中电池模组的架构)，以适配不同需求的用电系统，应用领域更广；另外，还可实现储能设备中电池模组的模块化管理，易于储能设备的拓展与扩容。

在一些实施例中，请参阅图2，图2为本申请另一实施例提供的电池模组的结构示意图。其中，电池模组10中的电池监控管理模块400还包括通信总线4003。

通信总线4003承载功率变换单元4002与电池管理单元4001之间的通信以及第一通信接口600与电池监控管理模块400之间的通信。

在一些实施例中，请再次参阅图2，功率变换单元4002中设置有均衡控制器。

均衡控制器控制所在电池模组的第二组功率接口的电压从而间接控制所在电池模组中电池芯体的电流/功率，以实现各电池模组间的电能均衡。

在一些实施例中，请参阅图3，图3为本申请一实施例提供的电池模组中电池管理单元的结构示意图。电池管理单元4001包括电压采样电路、均衡电路、电流采样电路、温度采样电路、控制器、充放电开关、开关驱动电路以及其他一些用于监控电池的功能模块(如绝缘检测、低温加热控制等)。

其中，电压采样电路与电池芯体200中的每一电池单体及控制器电连接，分别用于采集所有电池单体电压及电池芯体的总电压并传输至控制器；均衡电路与电池芯体200中的每一电池单体及控制器电连接，接收控制器的控制信号，对电池单体执行均衡控制；温度采样电路与控制器电连接，用于采集电池芯体、主要电路器件及环境温度并传输至控制器；电流采样电路与电池芯体200和控制器电连接，用于采集电池芯体200的电流并传输至控制器；充放电开关与电池芯体200电连接，开关驱动电路与充放电开关和控制器电连接，三者结合用于控制电池芯体200对外供电回路的导通与切断；通信接口分别与控制器和通信总线4003连接。

电池管理单元4001用于对电池模组10内电池芯体200进行监控管理,具体的，主要包括以下功能：对电池芯体200中任一电池单体的电压、温度以及电池芯体200的总电流进行监控；获取、计算电池芯体200的总电压、SOC(电池剩余电量百分比)、SOH(电池当前容量与出厂容量百分比)等信息；对电池芯体200和/或电池芯体200中的电池单体进行过欠压、过流、高低温等保护；对能量过高的电池单体执行能耗式均衡等功能。同时具备通信接口，可用于组内通信(即单个电池模组中电池管理单元与功率变换单元间的通信)和组间通信(即多个电池模组间的通信)。

在一些实施例中，请参阅图4，图4为本申请一实施例提供的电池模组中功率变换单元的结构示意图。功率变换单元4002包括双向隔离DC-DC功率电路、均衡控制器、电流采样电路、电压采样电路、开关管驱动电路以及通信接口。其中，均衡控制器的实现载体为任意一种具备满足电路工作所需外设资源的可编程功能的控制芯片，本申请实施例以DSP芯片为例进行阐述。DSP芯片通过模数转换器ADC将双向隔离DC-DC功率电路的电参数(如电压、电流、功率等)采样收集，并通过通信接口(eCAN、UART等)收集其他电池模组的电参数信息，在片内CPU进行处理，最终生成控制信号，通过ePWM输出，控制双向隔离DC-DC功率电路的逆变电路和整流电路中的开关管动作，从而实现其副边功率接口(也即电池模组的第二组功率接口)的电压稳定以及各电池模组间的电能均衡。

双向隔离DC-DC功率电路的原边功率接口连接第一组功率接口300(即第一功率端3001和第二功率端3002)，双向隔离DC-DC功率电路的副边功率接口作为第二组功率接口500。

双向隔离DC-DC功率电路可以为任何一种常见的双向、隔离、直流-直流变换的功率拓扑，例如DAB、LLC-SRC、CLLC等电路拓扑。需要说明的是，上述电路拓扑的结构均为现有技术，在此不再赘述，请参见现有技术。

DSP芯片通过通信接口连接通信总线4003，以获取其所在电池模组及其他电池模组的SOC值、电压、电流、电池状态等信息(即组内或组间通信)，用于确定双向隔离DC-DC功率电路的直流工作点。

DSP芯片通过设置于第一组功率接口300侧的电压采样电路、电流采样电路以及设置于第二组功率接口500侧的电压采样电路，获得实时电压、电流的参数信息，以基于该参数信息对双向隔离DC-DC功率电路的工作状态进行实时控制，从而确保双向隔离DC-DC功率电路在对应的直流工作点稳定运行。

需要说明的是，在上述一些实施例中所提到的通信是以总线式通信的方式实现电池模组的组内通信和组间通信。在其它一些实施例中，也可以采用独立的通信方式实现通信功能，具体的，单个电池模组中的电池管理单元或功率变换单元的通信接口作为电池模组的第一通信接口，与其他电池模组进行数据共享，即发出所在电池模组中电压、电流、SOC、温度等参数信息，同时也接受其他电池模组的上述参数信息。再通过独立的组内通信线路，与所在电池模组的功率变换单元或电池管理单元进行电池模组内的数据共享。在其他一些实施例中，上述电池模组的组内通信和组间通信也可根据实际需求采用无线通信、有线通信与无线通信结合等通信方式，在此对其通信方式不做限定。

另外，将上层的设备(如对若干个储能设备进行统一管理的设备，其中，储能设备包括若干个电池模组)接入电池模组中的第一通信接口，也可实现信息的交互、控制实现、固件升级等功能。

在一些实施例中，请参阅图5，图5示出了储能设备中本申请实施例提供的电池模组间的一种连接关系。如图5所示：各电池模组10的第二组功率接口500并联，该并联的接口作为储能设备的功率接口。需要说明的是，为了方便描述，图5所示的实施例中，储能设备仅有3个电池模组，在其他实施例中，储能设备中电池模组的数量不限。

在一些实施例中，请参阅图6，图6示出了储能设备中本申请实施例提供的电池模组间的又一种连接关系。如图6所示：各电池模组10的第二组功率接口500并联，且各电池模组10的第一组功率接口300串联，该串联的接口作为储能设备的功率接口。需要说明的是，为了方便描述，图6所示的实施例中，储能设备仅有3个电池模组，在其他实施例中，储能设备中电池模组的数量不限。

在一些实施例中，请参阅图7，图7示出了储能设备中本申请实施例提供的电池模组间的又一种连接关系。如图7所示：各电池模组10的第一组功率接口300串联，该串联的接口作为储能设备的第一功率接口。各电池模组10的第二组功率接口500并联，该并联的接口作为储能设备的第二功率接口。需要说明的是，为了方便描述，图7所示的实施例中，储能设备仅有3个电池模组，在其他实施例中，储能设备中电池模组的数量不限。

第二方面，本申请实施例还提供了一种分布式储能设备，请参阅图8，图8为本申请一实施例提供的分布式储能设备的结构示意图。分布式储能设备1包括若干个本申请任一实施例提供的电池模组10及电源转换模组20。其中，电源转换模组20包括第二通信接口201、第三组功率接口202和第一外设功率接口203。

电源转换模组20中的功率转换模块为DC-DC变换器和/或DC-AC变换器，上述功率转换模块的一侧与第三组功率接口202电连接，另一侧与第一外设功率接口203电连接，第一外设功率接口203作为分布式储能设备的对外电能交换接口；若干个电池模组10的第二组功率接口500并联连接于第三组功率接口202，且若干个电池模组10的第一组功率接口300禁用；若干个电池模组10的第一通信接口600均与第二通信接口201通信连通。

需要说明的是，为了方便描述，图8所示的实施例中，电池模组10的数量为两个。另外，上述电源转换模组20中的功率转换模块的拓扑结构为现有技术，在此不做赘述，请参看现有技术。

第三方面，本申请实施例还提供了一种直挂式储能设备，请参阅图9，图9为本申请一实施例提供的直挂式储能设备的结构示意图。直挂式储能设备2包括若干个本申请任一实施例提供的电池模组10及电源转换模组30，其中，电源转换模组30包括第三通信接口301、第四组功率接口302和第二外设功率接口303。

电源转换模组30中的功率转换模块为DC-DC变换器和/或DC-AC变换器，上述功率转换模块的一侧与第四组功率接口302电连接，另一侧与第二外设功率接口303电连接，第二外设功率接口203作为直挂式储能设备的对外电能交换接口；若干个电池模组10的第一组功率接口300串联后与第四组功率接口连接，若干个电池模组10的第二组功率接口500并联连接；若干个电池模组10的第一通信接口600均与第三通信接口301通信连通。

需要说明的是，为了方便描述，图9所示的实施例中，电池模组10的数量为两个。另外，上述电源转换模组40中的功率转换模块的拓扑结构为现有技术，在此不做赘述，请参看现有技术。

第四方面，本申请实施例还提供了一种混合式储能设备，请参阅图10，图10为本申请一实施例提供的混合式储能设备的结构示意图。混合式储能设备3包括若干个本申请任一实施例提供的电池模组10及电源转换模组40，其中，电源转换模组40包括第四通信接口401、第五组功率接口302和第三外设功率接口403。

电源转换模组40中的功率转换模块为DC-DC变换器和/或DC-AC变换器，上述功率转换模块的一侧与第五组功率接口402电连接，另一侧与第三外设功率接口303电连接；若干个电池模组10的第一组功率接口300串联后与第五组功率接口连接，若干个电池模组10的第二组功率接口500并联连接形成第四外设功率接口404；若干个电池模组10的第一通信接口600均与第三通信接口401通信连通。其中，第三外设功率接口403作为混合式储能设备中串联架构的对外电能交换接口；第四外设功率接口404作为混合式储能设备中并联架构的对外电能交换接口。

需要说明的是，为了方便描述，图10所示的实施例中，电池模组10的数量为两个。另外，上述电源转换模组30中的功率转换模块的拓扑结构为现有技术，在此不做赘述，请参看现有技术。

第五方面，本申请实施例还提供了一种电池簇内的电池模组的均衡方法，请参阅图11，图11为一种电池簇内的电池模组的均衡方法的流程示意图。其中，电池簇包括若干个本申请实施例提供的电池模组10。电池簇中所有电池模组10的第二组功率接口500并联连接，并同时作为该电池簇的功率接口；且电池模组10中的功率变换单元4002设置有均衡控制器。均衡控制器通过电池模组的组内通信(即电池模组内电池管理单元与功率变换单元间的通信)及组间通信(即不同模组之间的通信)获取所有电池模组中电池芯体的电压、电流、SOC值。从而可以使得电池模组内的均衡控制器基于上述的电参数制定相应的控制策略，以达到能量均衡的效果。该均衡方法具体包括：

步骤S10：获取所有所述电池模组中电池芯体的电压、电流、SOC值。

具体的，可通过电池模组的组内通信及组间通信获取所有电池模组中电池芯体的电压、电流、SOC值。

步骤S20：控制当前所述电池模组的第二组功率接口的电压维持在预设电压值，以使，在放电状态下，第一关系与第二关系正相关，在充电状态下，所述第一关系与第三关系正相关；

其中，所述第一关系为当前所述电池模组的电池芯体的电流或功率和其他所述电池模组的电池芯体的电流或功率的关系，所述第二关系为当前所述电池模组的SOC值和其他所述电池模组的SOC值的关系，所述第三关系为当前所述电池模组的(1-SOC)值和其他所述电池模组的(1-SOC)值的关系。

具体的，在一些实施例中，如下式所示：

或

其中，放电状态下，电池模组的电池芯体的电流或功率和其他电池模组的电池芯体的电流或功率的比值等于电池模组的SOC值和其他电池模组的SOC值的m次幂的比值，其中，m≥1。

充电状态下，电池模组的电池芯体的电流或功率和其他电池模组的电池芯体的电流或功率的比值等于电池模组的1-SOC值和其他电池模组的(1-SOC)值的m次幂的比值，其中，m≥1。

在一些实施例中，上述当前电池模组的预设电压值由该电池模组内的均衡控制器通过下式计算得到：

其中，V^*为预设电压常量，V_Ei为均衡控制项。预设电压常量V^*为一个固定常数，通常由系统整体方案确定，V^*表征电池模组内功率变换单元开路或空载下的输出电压；均衡控制项V_Ei对电池模组的输出电流/功率分配起主要作用，表征为双向隔离型DC-DC变换器的虚拟输出阻抗(或跨阻)特性。

具体的计算过程，还请参阅图12，图12为预设电压值计算过程示意图。以第i个电池模组为例，预设电压值计算过程包括如下步骤：

步骤S201：根据所有模组的SOC值，计算获得所有电池模组的SOC均值或(1-SOC)均值以及根据所有模组的电流、电压值，计算获得所有电池模组的电流/功率均值。

步骤S202：判断功率变换单元的功率流向，若功率变换单元处于为电池充电状态，则执行步骤S203，若功率变换单元处于为电池放电状态，则执行步骤S204。

步骤S203：计算获得充电状态的均衡控制项的比值系数K_SOC。

具体的，在一些实施例中，当前电池模组的充电状态的均衡控制项的比值系数

其中，

为所有电池模组的1-SOC均值，1-SOC_i为当前电池模组的1-SOC的值。

在其他一些实施例中，当对均衡速度有较高要求时，可以引入幂指数以加大SOC值的均衡差异，此时均衡控制项的比值系数

其中，m≥1。

步骤S204：计算获得放电状态的均衡控制项的比值系数K_SOC。

具体的，在一些实施例中，当前电池模组的放电状态的均衡控制项的比值系数

其中，

为所有电池模组的SOC均值，SOC_i为当前电池模组的SOC值。

在其他一些实施例中，当对均衡速度有较高要求时，可以引入幂指数以加大SOC值的均衡差异，此时均衡控制项的比值系数，

其中，m≥1。

步骤S205：根据均衡控制项的比值系数K_SOC，计算获得均衡控制项系数K(K_SOC)。

具体的，当前电池模组的均衡控制项系数K(K_SOCi)＝k·K_SOCi，其中，k为预设系数，可以按k＝ΔV_max/I_max或k＝ΔV_max/P_max，对k取值，其中，ΔV_max为储能设备在全范围工作状态下可接受的最大电压跌落或电压抬升，对应的，I_max或P_max是电池模组的最大充放电电流/功率。

步骤S206：根据均衡控制项系数K(K_SOC)，计算获得均衡控制项数值V_E。

具体的，当前电池模组的均衡控制项V_Ei＝-I_i·K(K_SOCi)＝-I_i·k·K_SOCi或V_Ei＝-P_i·K(K_SOCi)＝-P_i·k·K_SOCi，其中，I_i为当前电池模组中电池芯体的电流，P_i为当前电池模组中电池芯体的功率，K_SOCi为当前电池模组的均衡控制项的比值系数。

步骤S207：根据预设电压常量V^*和下垂均衡项数值V_E，计算获得电压预设值

具体的：

其中，V^*为预设电压常量，V_Ei为当前电池模组的均衡控制项。预设电压常量V^*为一个固定常数，通常由系统整体方案确定，V^*表征上述功率变换单元开路或空载下的输出电压。

在一些实施例中，当电池簇中各电池模组的SOC值差异较小时，因均衡控制项输出小于或接近电路电压采样偏差而导致无法实现需求的电流/功率分配。因此，在一些实施例中，在计算上述电池模组的预设电压值时，额外设置一个控制修正项，对预设电压值做微小修正，从而保证实际的电流/功率能够按照预设比例进行分配。请参阅图13，图13示出了又一种电压预设值的计算过程。

与图12所示的实施例中电压预设值计算过程不同的是，图13所示的另一种电压预设值计算过程还包括如下步骤：

步骤S307：根据均衡控制项的比值系数K_SOC，计算获得控制修正项给定值Q。

具体的，当前电池模组修正项给定值

或

其中，K_SOCi为当前电池模组的均衡控制项的比值系数，

为所有电池模组的电流均值，

为所有电池模组的功率均值。

步骤S308：根据控制修正项给定值Q，计算获得控制修正项数值V_F。

具体的，以上述均衡控制器为比例积分控制器为例，则，当前电池模组的控制修正项

V_Fi＝K_P·(I_i-Q_i)+K_I·∫(I_i-Q_i)·dt

或，V_Fi＝K_P·(P_i-Q_i)+K_I·∫(P_i-Q_i)·dt，

其中，K_P为均衡控制器(比例积分控制器)的比例系数，所述K_I为均衡控制器(比例积分控制器)的积分系数。I_i为当前电池模组中电池芯体的电流，P_i为当前电池模组中电池芯体的功率，Q_i为当前电池模组的控制修正项给定值。

步骤S309：根据预设电压常量V^*、控制修正项数值V_F和均衡控制项数值V_E，计算获得电压预设值

具体的：

其中，V^*为预设电压常量，V_Ei为当前电池模组的均衡控制项，V_Fi为当前电池模组的控制修正项。

第六方面，本申请实施例还提供了一种储能设备中电池簇内的电池模组的均衡方法，请一并参阅图14a和图14b，图14a和图14b为一种储能设备中电池簇内的电池模组的均衡方法的流程示意图。其中，电池簇包括若干个本申请实施例提供的电池模组10。电池簇中所有电池模组10的第一组功率接口300串联连接，作为该电池簇的功率接口，第二组功率接口500并联连接；且电池模组10中的功率变换单元4002设置有均衡控制器。该均衡方法包括：

步骤S40：获取所有所述电池模组中电池芯体的电压、电流和SOC值。

具体的，可通过电池模组的组内通信及组间通信获取所有电池模组中电池芯体的电压、电流和SOC值。

步骤S50：判断所有所述电池模组的SOC值差异是否超过均衡阈值，若否，则执行步骤S60，若是，则执行步骤S70或S90。

步骤S60：控制当前所述电池模组的功率变换单元停止工作并返回步骤S40。

步骤S70：判断当前所述电池模组的SOC值是否为所有所述电池模组的最高值，若是，则执行步骤S80，若否，则执行步骤S110。

步骤S80：抬高当前所述电池模组的第二组功率接口电压至最高值并工作为放电状态。

步骤S90：判断当前所述电池模组的SOC值是否为所有所述电池模组的最低值，若是，则执行步骤S100，若否，则执行步骤S110；

步骤S100:降低当前所述电池模组的第二组功率接口电压值至最低值并工作为充电状态。

步骤S110：控制当前所述电池模组的第二组功率接口的电压维持在预设电压值，以使在放电状态下，第四关系与第五关系正相关，在充电状态下，所述第四关系与第六关系正相关；

其中，所述第四关系为当前所述电池模组的电池芯体的电流或功率和其他所述电池模组的电池芯体的电流或功率的关系，所述第五关系为当前所述电池模组的SOC值和其他所述电池模组的SOC值的关系，所述第六关系为当前所述电池模组的(1-SOC)值和其他所述电池模组的(1-SOC)值的关系。

在一些实施例中，上述步骤S110中的预设电压值的计算公式为：

需要说明的是，本实施例中预设电压值的计算过程与本申请实施例中图12所示实施例的计算过程类似，因此，在此不做赘述。

同样的，在一些实施例中，当电池簇中各电池模组的SOC值差异较小时，因均衡控制项输出小于或接近电路电压采样偏差而导致无法实现需求的电流/功率分配时的补偿项。因此，在一些实施例中，在计算步骤S110中的预设电压值时，额外设置一个控制修正项，对预设电压值做微小修正，从而保证实际的电流/功率能够按照预设比例进行分配。其中，预设电压值的计算公式为：

需要说明的是，本实施例中设置控制修正项后的预设电压值的计算过程与本申请实施例中图13所示实施例的计算过程类似，因此，在此亦不做赘述。

本申请实施例提供的均衡控制方法，采用基于电池模组SOC信息的控制方法实现电池模组的能量均衡，控制逻辑简单，均衡系统鲁棒性好；并且在控制中增加了控制修正项，能够克服因电池模组硬件采样存在误差、控制精度不足而对均衡效果带来的负面影响。

为了能更清楚地阐释本申请实施例提供的均衡控制方法的工作原理，特列举应用实施例1及应用实施例2加以说明。具体如下：

应用实施例1中，以两个SOC值不同的本申请实施例提供的电池模组10在非直挂式(如分布式)储能设备下放电工作为例说明。假设初始状态的电池模组1的SOC值较电池模组2的SOC值偏低，此时，两个电池模组的输出特性曲线以及输出电流的分配如图15所示。假定负载电流恒定不变，初始状态下，两个电池模组的输出特性分别为K₁和K₂，第三组功率接口上的电压为V_P3，对应两个电池模组中电池芯体的输出电流分别为I₁和I₂，且I₂>I₁，电池模组2放电速度大于电池模组1，两个模块SOC值差异逐渐缩小。

随着电池模组1的SOC值向电池模组2的SOC值靠近，其输出特性从K₁→K′₁，对应电池模组2的输出特性从K₂→K′₂，第三组功率接口处电压从V_P3下降到V′_P3。电池模组1和电池模组2的输出电流由I₁,I₂→I′₁,I′₂，且满足I₁+I₂＝I′₁+I′₂。电池模组1和电池模组2的SOC值与放电电流差异均向减小的趋势发展，最终实现能量均衡。

在一些实施例中，由于输出电压的测量精度偏差，电池模组1和电池模组2的输出特性延伸到Y轴上时，无法交汇于V^*，对应电流分配关系也与电池模组1和电池模组2的SOC值关系失配，这种情况在电池模组间的SOC值差异较小时尤其严重。此时，设置控制修正项，以实际电流为反馈量，通过调整电压指令给定间接对电流分配进行修正。此时，请参阅图16，电池模组1和电池模组2的输出特性从K₁,K₂→K″₁,K″₂，电池模组1和电池模组2的输出电流由I₁,I₂→I″₁,I″₂，且满足I₁+I₂＝I″₁+I″₂，第三组功率接口处电压由V_P3→V″_P3，从而使得电池模组1和电池模组2的输出特性延伸到Y轴上时，交汇于V^*。

应用实施例2中，以三个SOC值不同的电池模组在直挂式储能系统架构下为例说明。三个电池模组的最大输入/输出电流能力相同，即|I_1MAX|＝|I_2MAX|＝|I_3MAX|＝I_MAX。初始状态三个电池模组的SOC值分别为SOC1、SOC2、SOC3且有SOC1>SOC2>SOC3，则SOC最高的电池模组1切换为强制输出模式，且输出电压由V^*逐渐上升。电池模组2和电池模组3的输出下垂特性曲线以及输出电流的分配如图17所示。

电池模组2和电池模组3的输出特性分别为K₂和K₃，此时电池模组2和电池模组3处于工作点A，随着电池模组1的输出电压抬升，三个电池模组通过各自第二组功率接口连接构成的第四组功率接口上的电压V_P4由V^*逐渐抬升，电池模组2和电池模组3切换为充电模式且充电电流I₂、I₃由0逐渐上升。当电池模组2和电池模组3处于工作点B，即电池模组2和电池模组3的充电电流提升至I′₂,I′₃且满足条件|I'₂|+|I'₃|＝|I_1MAX|时，电池模组1在最大输出电流状态下限流工作，此时第四组功率接口电压V_P4＝V′_P4。

当SOC2上升至满足SOC2＝SOC1时，电池模组2工作模式与电池模组1相同，切换为以最大电压V_MAX输出，此时电池模组3的输出特性曲线变为K′₃。因|I₁|+|I₂|>I_MAX>|I₃|，则第四组功率接口电压V_P4＝V_MAX，电池模组3处于工作点C，以最大电流I_MAX充电，直至SOC3与SOC1、SOC2的差异缩小至均衡阈值内，从而实现均衡控制的效果。

需要说明的是，本申请的说明书及其附图中给出了本申请的较佳的实施例，但是，本申请可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本申请内容的额外限制，提供这些实施例的目的是使对申请的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本申请说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本申请所附权利要求的保护范围。

Claims (17)

1.一种储能设备中电池模组，设置有一外壳，其特征在于，包括：

电池芯体，设置于所述外壳内部，配置为储存电能和释放电能；

电池监控管理模块，设置于所述外壳内部，包括：

电池管理单元，其一端与电池芯体电性连接，另一端作为电池模组的第一组功率接口，所述第一组功率接口包括第一功率端和第二功率端，所述第一功率端和所述第二功率端分别为所述第一组功率接口的正极和负极；

功率变换单元，设置有原边功率端口和副边功率端口；所述原边功率端口与所述第一组功率接口耦接；所述副边功率端口作为所述电池模组的第二组功率接口，所述功率变换单元还与所述电池管理单元通信连接；以及，

第一通信接口，设置于所述外壳外表面，所述第一通信接口与所述电池监控管理模块通信连通；

其中，所述第一组功率接口和所述第二组功率接口中至少一组功率接口设于所述外壳的外表面。

2.根据权利要求1所述的电池模组，其特征在于，所述电池监控管理模块还包括，通信总线；所述通信总线承载所述功率变换单元与所述电池管理单元之间的通信以及所述第一通信接口与所述电池监控管理模块之间的通信。

3.根据权利要求1所述的电池模组，其特征在于，所述功率变换单元设置有均衡控制器，用于控制所在电池模组的第二组功率接口的电压。

4.根据权利要求3所述的电池模组，其特征在于，所述均衡控制器通过所述第一通信接口获取所述储能设备中所有电池模组的至少一个电参数和SOC值。

5.根据权利要求4所述的电池模组，其特征在于，所述第二组功率接口与所述储能设备中其他所述电池模组的第二组功率接口并联；所述第二组功率接口并联的接口作为所述储能设备的功率接口。

6.根据权利要求4所述的电池模组，其特征在于，所述第一组功率接口与所述储能设备中其他所述电池模组的第一组功率接口串联；所述第二组功率接口与所述储能设备中其他所述电池模组的第二组功率接口并联；所述第一组功率接口串联的接口作为所述储能设备的功率接口。

7.根据权利要求4所述的电池模组，其特征在于，所述第一组功率接口与所述储能设备中其他所述电池模组的第一组功率接口串联；所述第二组功率接口与所述储能设备中其他所述电池模组的第二组功率接口并联；所述第一组功率接口串联的接口以及所述第二组功率接口并联的接口作为所述储能设备的第一功率接口和第二功率接口。

8.根据权利要求4-7任一项所述的电池模组，其特征在于，所述均衡控制器获取的电参数包括电压、电流；所述均衡控制器计算获得所在所述电池模组的第二组功率接口的电压指令。

9.一种分布式储能设备，其特征在于，包括：

电源转换模组，所述电源管理模组包括第二通信接口、第三组功率接口以及第一外设功率接口；

若干个如权利要求1所述的电池模组；所述若干电池模组的第二组功率接口并联连接于所述第三组功率接口；以及，所述若干电池模组的第一通信接口与所述第二通信接口通信连通。

10.一种直挂式储能设备，其特征在于，包括：

电源转换模组，所述电源管理模组包括第三通信接口、第四组功率接口以及第二外设功率接口；

若干个如权利要求1所述的电池模组；若干所述电池模组的第一组功率接口串联连接后与所述第四组功率接口连接，若干所述电池模组的第二组功率接口并联连接；以及，若干所述电池模组的第一通信接口与所述第三通信接口连通。

11.一种混合式储能设备，其特征在于，包括：

电源转换模组，所述电源管理模组包括第四通信接口、第五组功率接口以及第三外设功率接口；

若干个如权利要求1所述的电池模组；若干所述电池模组的第一组功率接口串联连接后与所述第五组功率接口连接，若干所述电池模组的第二组功率接口并联连接形成第四外设功率接口；以及，若干所述电池模组的第一通信接口与所述第四通信接口连通。

12.一种电池簇内的电池模组的均衡方法，其特征在于，所述电池簇包括若干如权利要求1所述的电池模组；所有所述电池模组的第二组功率接口并联连接，并同时作为所述电池簇的功率接口；所述功率变换单元设置有均衡控制器，所述均衡方法包括：

步骤S10：获取所有所述电池模组中电池芯体的电压、电流、SOC值；

步骤S20：控制当前所述电池模组的第二组功率接口的电压维持在预设电压值，以使在放电状态下，第一关系与第二关系正相关，在充电状态下，所述第一关系与第三关系正相关；

其中，所述第一关系为当前所述电池模组的电池芯体的电流或功率和其他所述电池模组的电池芯体的电流或功率的关系，所述第二关系为当前所述电池模组的SOC值和其他所述电池模组的SOC值的关系，所述第三关系为当前所述电池模组的(1-SOC)值和其他所述电池模组的(1-SOC)值的关系。

13.根据权利要求12所述的均衡方法，其特征在于，所述预设电压值由所述均衡控制器计算获得，所述预设电压值的计算公式为：

其中，V^*为预设电压常量，V_E为均衡控制项。

14.根据权利要求13所述的均衡方法，其特征在于，所述预设电压值的计算公式为：

其中，V_F为控制修正项。

15.一种储能设备中电池簇内的电池模组的均衡方法，其特征在于，所述电池簇包括若干如权利要求1所述的电池模组，所有所述电池模组的第一组功率接口串联连接作为所述电池簇的功率接口，所有所述电池模组的第二组功率接口并联连接，所述功率变换单元设置有均衡控制器，所述均衡方法包括：

步骤S40：获取所有所述电池模组中电池芯体的电压、电流、SOC值。

步骤S50：判断所有所述电池模组的SOC值差异是否超过均衡阈值，若否，则执行步骤S60，若是，则执行步骤S70或S90；

步骤S60：控制当前所述电池模组的功率变换单元停止工作并返回步骤S40；

步骤S70：判断当前所述电池模组的SOC值是否为所有所述电池模组的最高值，若是，则执行步骤S80，若否，则执行步骤S110；

步骤S80：抬高当前所述电池模组的第二组功率接口电压至最高值并工作为放电状态；

步骤S90：判断当前所述电池模组的SOC值是否为所有所述电池模组的最低值，若是，则执行步骤S100，若否，则执行步骤S110；

步骤S100:降低当前所述电池模组的第二组功率接口电压值至最低值并工作为充电状态；

步骤S110：控制当前所述电池模组的第二组功率接口的电压维持在预设电压值，以使在放电状态下，第四关系与第五关系正相关，在充电状态下，所述第四关系与第六关系正相关；

其中，所述第四关系为当前所述电池模组的电池芯体的电流或功率和其他所述电池模组的电池芯体的电流或功率的关系，所述第五关系为当前所述电池模组的SOC值和其他所述电池模组的SOC值的关系，所述第六关系为当前所述电池模组的(1-SOC)值和其他所述电池模组的(1-SOC)值的关系。

16.根据权利要求15所述的均衡方法，其特征在于，所述预设电压值由所述均衡控制器计算获得，所述预设电压值的计算公式为：

其中，V^*为预设电压常量，V_E为均衡控制项。

17.根据权利要求16所述的均衡方法，其特征在于，所述均衡充电/放电状态，通过控制其他所述电池模组的第二组功率接口各自的电压的预设电压值实现，所述预设电压值的计算公式为：

其中，V_F为控制修正项。

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