CN114899923B - 一种中高压储能系统中电池组动态均衡系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种中高压储能系统中电池组动态均衡系统，包括电池模组、信息采集单元、能量切片单元和控制单元，其中，控制单元，接收信息采集单元采集的参数，并根据接收的参数判断是否对能量切片单元发出控制指令，能量切片单元根据控制指令对相应的电池模组执行切出动作。其采用迭代评估方法，实时调整每次调节的参数，使得调节方法更贴近于电池的特性，调节更精准，更有效。本发明还提供了一种中高压储能系统中电池组动态均衡方法。

Description

一种中高压储能系统中电池组动态均衡系统和方法
技术领域
本发明涉及新能源储能系统领域，特别涉及一种中高压储能系统中电池组动态均衡系统和方法。
背景技术
随着“3060”的提出，碳中和和碳达峰目标已写入正在编制的“十四五”国民经济和社会发展五年规划。电化学储能作为推动可再生能源从替代能源走向主体能源的关键，同时作为平抑电能供需矛盾、提高新能源消纳、维持电网稳定的重要手段，随着能源转型的持续推进，受到了业界的高度关注。
从成本、效率、施工便利性等角度考虑，大型电化学储能电站直流侧电压等级逐步成中压向中高压方向发展，从而使得集装箱内的电池串并联数增多。在电池的生产和使用过程中，不可避免存在电池单体的自放电率、内阻、电压、容量等参数的不一致，从而在上千个电池单体串并联成组时出现“短板效应”。“短板效应”的存在又使得电池组在经历充放电循环时的离散性逐步增加，电池组最大可用容量衰减加速，系统的使用寿命大大缩短的同时还存在安全风险。
近年来，针对电池“短板效应”行业内已经涌现出多种解决方案，从最初的耗散式被动均衡到能量转移式主动均衡，到可重构式电池拓扑均衡，各种方案对于解决电池不一致性问题均具有一定的效果。尤其是可重构电池组技术的提出，将传统的电池之间的“硬连接”改变为可调整电池连接方式的“软连接”，极大的减弱了电池不一致性的影响。例如，公布号CN113964897A的“基于强化学习的可重构电池组均衡模型的训练方法及系统”中提出了一种通过训练所有电池单体荷电状态及开关动作次数，判断串联电芯及并联电芯是否接入的方法。公布号CN113765199A的“一种可重构电池组容量利用最大化控制方法”中提出了一种对所有单体实施最大可用容量测试和混合脉冲后，对模组拆分组合并进行PWM控制的方法。然而，现有技术中提出的电池重构方法及装置均基于单体电芯的串并联控制，在动辄1000V/1500V的大型储能系统中，一套系统由成千上万颗电芯组成，每个电芯配置一套切换装置则会导致故障点大大增加、成本成倍增长，且控制方法复杂程度和难度都会跟随大幅增加，因而不具备市场推广性。公开号CN113644328A“动态重构电池模组的柔性控制方法及装置”中虽然提出了一种可适用于高电压场景下电池模组一致性问题的方法，但并未根据电池特性进行控制，控制方法有一定的局限性。
因此，提供一种精准，有效的中高压储能系统中电池组动态均衡系统和方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种中高压储能系统中电池组动态均衡系统和方法，其调节更精准，更有效。
本发明的解决方案是这样实现的：一种中高压储能系统中电池组动态均衡系统，包括电池模组、信息采集单元、能量切片单元和控制单元，其中，
电池模组，由多个电池单体串并联组成；
信息采集单元，用于采集电池模组总压、电池单体电压、电池单体内阻、电池单体温度、能量片状态和充放电电流中的至少一个参数；
能量切片单元，连接于两个串联的电池模组之间；
控制单元，接收信息采集单元采集的参数，并根据接收的参数判断是否对能量切片单元发出控制指令，能量切片单元根据控制指令对相应的电池模组执行切出动作和切出的预设时间，电池模组在切出预设时间后，重新接入储能系统中；
所述切出的预设时间由能量片调节量和当前充放电电流值决定，当能量片调节量不变时，所述切出的预设时间和当前充放电电流值负相关；若当前充放电电流值不变时，所述切出的预设时间和能量片调节量正相关。
这样，可以根据采集的电池模组参数，将充电快的电池模组或放电快的电池模组从储能系统中切出，并根据充电快的程度和/或放电快的程度设置切出的预设时间，使得各电池模组之间“相互协作，量力而行”，在充电阶段让充电快的等一等，在放电阶段让放电快的等一等，并采用迭代评估方法，通过不断地能量片调整，达到高电压储能系统在充放电运行过程中将电池模组动态均衡，尽可能减少电池不一致性，使得调节更精准，更有效。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，多个电池模组串联组成电池簇。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述信息采集单元包括电池模组总压采集单元、电池单体电压采集单元、电池单体温度采集单元、电池单体内阻计算单元、能量切片状态采集单元和充放电电流采集单元中的至少一种。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述信息采集单元还包括通讯单元，用于与所述控制单元进行通信。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述能量切片单元根据控制指令对相应的电池模组执行切出动作具体为，将所述电池模组从储能系统中短路断开。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述能量切片单元为具有开关功能的器件。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，还提供了一种中高压储能系统中电池组动态均衡方法，包括以下步骤：
S1、采集中高压储能系统中电池模组总压、电池单体电压、电池单体内阻、电池单体温度、能量片状态和/或充放电电流参数信息；
S2、根据当前时刻所有电池组中总电压最大最小值的差值
Figure 287686DEST_PATH_IMAGE001
与上一时刻所 有电池组中总电压最大最小值的差值
Figure 273091DEST_PATH_IMAGE002
的比值判断评估上一个能量片调整过程的 调整效果，即奖励值系数β，其中
Figure 224867DEST_PATH_IMAGE003
；
S3、获取当前需要调节的能量片误差△E；
S4、根据能量片误差大小选择合适的能量片调节系数k，其中
Figure 431857DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 810886DEST_PATH_IMAGE005
为单体电芯的额定容量，
Figure 267275DEST_PATH_IMAGE006
为系统 运行时电池管理系统保护参数中单体差值最大允许值，
Figure 39053DEST_PATH_IMAGE007
为系统运行时电池管理 系统设定的单体电压工作上下限差值；
S5、获取能量片调节量A，
Figure 897288DEST_PATH_IMAGE008
；
S6、计算当前能量片切出时间
Figure 916059DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 859744DEST_PATH_IMAGE010
，其中，I为当前充放电电流值；
S7、将当前能量片所在电池模组切出，切出
Figure 153322DEST_PATH_IMAGE009
时间后，重新切入；
S8、重复步骤S1~S7。
其中，步骤S2中上一时刻所有电池组中总电压最大最小值的差值，具体为当前能量片所在电池模组切出前所有电池组中总电压最大最小值的差值。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，在所述步骤S2和S3之间，还包括平台期判断步骤，用于判断电池簇状态是否处于充放电的平台期。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述步骤S3中的能量片误差△E具 体为，在平台期充电时能量片误差
Figure 873586DEST_PATH_IMAGE011
，在平台期放电时能量片误差
Figure 859997DEST_PATH_IMAGE012
，在非平台期充电时能量片误差
Figure 494240DEST_PATH_IMAGE013
，在非平 台期放电时能量片误差
Figure 591509DEST_PATH_IMAGE014
；
其中
Figure 424336DEST_PATH_IMAGE015
为当前电池模组总压最大值，
Figure 332380DEST_PATH_IMAGE016
为当前电池模组总压平均值，
Figure 453920DEST_PATH_IMAGE017
为当前电池模组总压最小值，
Figure 89301DEST_PATH_IMAGE018
为当前单体电压最大值对应SOC，
Figure 776634DEST_PATH_IMAGE019
为 当前单体电压最小值对应SOC，
Figure 370427DEST_PATH_IMAGE020
为当前单体电压平均值对应SOC。其中，SOC为 State of charge的缩写，即电池荷电状态，是用来反映电池的剩余容量状兄的物理量，其 数值定义为电池剩余容量占电池容量的比值。
从以上技术方案可以看出，本发明所述的技术方案具有以下优点：
在本发明提供一种中高压储能系统中电池组动态均衡系统，解决现有技术在电池的充放全过程采用粗犷的统一均衡方法，未匹配电池不同时期的特性，其根据电池的电化学特性，采用分段式动态能量片调节方法，不同时期采用的调节量及调节参数均有不同，并采用迭代评估方法，实时调整每次调节的参数，使得调节方法更贴近于电池的特性，调节更精准，更有效。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种实施方式中中高压储能系统中电池组动态均衡系统的结构框图；
图2为本发明一种实施方式中中高压储能系统中电池组动态均衡方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接 ；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。 对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
本发明实施例如下，以电池模组为最小能量片调节单元，动态参与系统的能量调节。当然再其他实施例中，也可以电池单体或电池簇为以最小能量片调节单元。
如图1所示，一种中高压储能系统中电池组动态均衡系统，包括电池模组、信息采集单元、能量切片单元和控制单元，其中，
电池模组，由多个电池单体串并联组成；多个电池模组串联组成电池簇；
信息采集单元，用于采集电池模组总压、电池单体电压、电池单体内阻、电池单体温度、能量片状态和充放电电流中的至少一个参数；
能量切片单元，连接于两个串联的电池模组之间；
控制单元，接收信息采集单元采集的参数，并根据接收的参数判断是否对能量切片单元发出控制指令，能量切片单元根据控制指令对相应的电池模组执行切出动作和切出的预设时间，电池模组在切出预设时间后，重新接入储能系统中，其中所述控制单元可以为主控单元；
所述预设时间由能量片调节量和当前充放电电流值决定，当能量片调节量不变时，所述预设时间和当前充放电电流值负相关；若当前充放电电流值不变时，所述预设时间和能量片调节量正相关。
这样，所述中高压储能系统中电池组动态均衡系统，通过将成千上万颗电池单体以电池模组为单位进行能量切片的方式，将充电快的电池模组或放电快的电池模组从储能系统中切出，并根据充电快的程度和/或放电快的程度设置切出的预设时间，使得各电池模组之间“相互协作，量力而行”，在充电阶段让充电快的等一等，在放电阶段让放电快的等一等，并采用迭代评估方法，通过不断地能量片调整，达到高电压储能系统在充放电运行过程中将电池模组动态均衡，尽可能减少电池不一致性，使得调节更精准，更有效。
上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述信息采集单元包括电池模组总压采集单元、电池单体电压采集单元、电池单体温度采集单元、电池单体内阻计算单元、能量切片状态采集单元和充放电电流采集单元中的至少一种。
上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述信息采集单元还包括通讯单元，用于与所述控制单元进行通信。
上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述能量切片单元根据控制指令对相应的电池模组执行切出动作具体为，将所述电池模组从储能系统中短路断开。
上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述能量切片单元可以为具有开关功能的器件。
上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图2所示，还提供了一种中高压储能系统中电池组动态均衡方法，包括以下步骤：
S1、采集中高压储能系统中电池模组总压、电池单体电压、电池单体内阻、电池单体温度、能量片状态和/或充放电电流参数信息；其中，上述参数信息，可以通过信息采集单元采集后传输给主控单元；
S2、根据当前时刻所有电池组中总电压最大最小值的差值
Figure 261153DEST_PATH_IMAGE001
与上一时刻所 有电池组中总电压最大最小值的差值
Figure 169066DEST_PATH_IMAGE002
的比值判断评估上一个能量片调整过程的 调整效果，即奖励值系数β，其中
Figure 710906DEST_PATH_IMAGE003
；
S3、获取当前需要调节的能量片误差△E；
S4、根据能量片误差大小选择合适的能量片调节系数k，其中
Figure 475600DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 102890DEST_PATH_IMAGE005
为单体电芯的额定容量，
Figure 283336DEST_PATH_IMAGE006
为系统 运行时电池管理系统保护参数中单体差值最大允许值，
Figure 695994DEST_PATH_IMAGE007
为系统运行时电池管理 系统设定的单体电压工作上下限差值；当然，k也可以取经验值；
S5、获取能量片调节量A，
Figure 631589DEST_PATH_IMAGE008
；
S6、计算当前能量片切出时间
Figure 746175DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 527050DEST_PATH_IMAGE021
，其中，I为当前充放电电流值；
S7、将当前能量片所在电池模组切出，切出
Figure 246744DEST_PATH_IMAGE009
时间后，重新切入，运行固定时间T；
S8、重复步骤S1~S7。
其中，步骤S2中上一时刻所有电池组中总电压最大最小值的差值
Figure 835464DEST_PATH_IMAGE002
，具体 为当前能量片所在电池模组切出前所有电池组中总电压最大最小值的差值
Figure 702926DEST_PATH_IMAGE002
。
这样，所述中高压储能系统中电池组动态均衡方法，通过将成千上万颗电池单体以电池模组为单位进行能量切片的方式，将充电快的电池模组或放电快的电池模组从储能系统中切出，并根据充电快的程度和/或放电快的程度设置切出的预设时间，使得各电池模组之间“相互协作，量力而行”，在充电阶段让充电快的等一等，在放电阶段让放电快的等一等，并采用迭代评估方法，通过不断地能量片调整，达到高电压储能系统在充放电运行过程中将电池模组动态均衡，尽可能减少电池不一致性，使得调节更精准，更有效。
上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，在所述步骤S2和S3之间，还包括平台期判断步骤，用于判断电池簇状态是否处于充放电的平台期。这是由于电池电化学特性，电池在充放电的非平台期，电池电压与SOC相关性减弱，与电池容量相关性较强；在平台期，电池电压与SOC相关性增强，与电池容量相关性减弱。在进行能量切片的控制时，平台期及非平台期应采用不同的执行标准。具体地，本实施例中，根据电池特性曲线，SOC在30%~70%之间为平台期，其余为非平台期。
上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述步骤S3中的能量片误差△E具体 为，在平台期充电时能量片误差
Figure 490753DEST_PATH_IMAGE011
，在平台期放电时能量片误差
Figure 861691DEST_PATH_IMAGE012
，在非平台期充电时能量片误差
Figure 139089DEST_PATH_IMAGE013
，在非平 台期放电时能量片误差
Figure 713421DEST_PATH_IMAGE014
；
其中
Figure 304939DEST_PATH_IMAGE015
为当前电池模组总压最大值，
Figure 530384DEST_PATH_IMAGE016
为当前电池模组总压平均值，
Figure 713104DEST_PATH_IMAGE017
为当前电池模组总压最小值，
Figure 555158DEST_PATH_IMAGE018
为当前单体电压最大值对应SOC，
Figure 232258DEST_PATH_IMAGE019
为 当前单体电压最小值对应SOC，
Figure 515472DEST_PATH_IMAGE020
为当前单体电压平均值对应SOC。其中，SOC为 State of charge的缩写，即电池荷电状态，是用来反映电池的剩余容量状兄的物理量，其 数值定义为电池剩余容量占电池容量的比值。
从以上技术方案可以看出，本发明所述的技术方案具有以下优点：
在本发明提供一种中高压储能系统中电池组动态均衡系统，解决现有技术在电池的充放全过程采用粗犷的统一均衡方法，未匹配电池不同时期的特性，其根据电池的电化学特性，采用分段式动态能量片调节方法，不同时期采用的调节量及调节参数均有不同，并采用迭代评估方法，实时调整每次调节的参数，使得调节方法更贴近于电池的特性，调节更精准，更有效。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种中高压储能系统中电池组动态均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集中高压储能系统中电池模组总压、电池单体电压、电池单体内阻、电池单体温度、能量片状态和/或充放电电流参数信息；
S2、根据当前时刻所有电池组中总电压最大最小值的差值
Figure DEST_PATH_IMAGE001
与上一时刻所有电 池组中总电压最大最小值的差值
Figure 97282DEST_PATH_IMAGE002
的比值判断评估上一个能量片调整过程的调整 效果，即奖励值系数β，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
S3、获取当前需要调节的能量片误差△E；
S4、根据能量片误差大小选择合适的能量片调节系数k，其中
Figure 142598DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为单体电芯的额定容量，
Figure 616436DEST_PATH_IMAGE006
为系统 运行时电池管理系统保护参数中单体差值最大允许值，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为系统运行时电池管理 系统设定的单体电压工作上下限差值；
S5、获取能量片调节量A，
Figure 696388DEST_PATH_IMAGE008
；
S6、计算当前能量片切出时间
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 846746DEST_PATH_IMAGE010
，其中，I为当前充放电电流值；
S7、将当前能量片所在电池模组切出，切出
Figure 848200DEST_PATH_IMAGE009
时间后，重新切入；
S8、重复步骤S1~S7。
2.根据权利要求1所述的中高压储能系统中电池组动态均衡方法，其特征在于，在所述步骤S2和S3之间，还包括平台期判断步骤，用于判断电池簇状态是否处于充放电的平台期。
3.根据权利要求2所述的中高压储能系统中电池组动态均衡方法，其特征在于，所述步 骤S3中的能量片误差△E具体为，在平台期充电时能量片误差
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，在平 台期放电时能量片误差
Figure 624264DEST_PATH_IMAGE012
，在非平台期充电时能量片误差
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，在非平台期放电时能量片误差
Figure 558722DEST_PATH_IMAGE014
；
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为当前电池模组总压最大值，
Figure 630715DEST_PATH_IMAGE016
为当前电池模组总压平均值，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为 当前电池模组总压最小值，
Figure 650623DEST_PATH_IMAGE018
为当前单体电压最大值对应SOC，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为当前单体 电压最小值对应SOC，
Figure 918793DEST_PATH_IMAGE020
为当前单体电压平均值对应SOC。
4.一种基于权利要求1至3中任一项所述电池组动态均衡方法的中高压储能系统中电池组动态均衡系统，包括电池模组、信息采集单元、能量切片单元和控制单元，其特征在于，其中，
电池模组，由多个电池单体串并联组成；
信息采集单元，用于采集电池模组总压、电池单体电压、电池单体内阻、电池单体温度、能量片状态和充放电电流中的至少一个参数；
能量切片单元，连接于两个串联的电池模组之间；
控制单元，接收信息采集单元采集的参数，并根据接收的参数判断是否对能量切片单元发出控制指令，能量切片单元根据控制指令对相应的电池模组执行切出动作和切出的预设时间，电池模组在切出预设时间后，重新接入储能系统中；
所述切出的预设时间由能量片调节量和当前充放电电流值决定，当能量片调节量不变时，所述切出的预设时间和当前充放电电流值负相关；若当前充放电电流值不变时，所述切出的预设时间和能量片调节量正相关。
5.根据权利要求4所述的中高压储能系统中电池组动态均衡系统，其特征在于，多个电池模组串联组成电池簇。
6.根据权利要求5所述的中高压储能系统中电池组动态均衡系统，其特征在于，所述信息采集单元包括电池模组总压采集单元、电池单体电压采集单元、电池单体温度采集单元、电池单体内阻计算单元、能量切片状态采集单元和充放电电流采集单元中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的中高压储能系统中电池组动态均衡系统，其特征在于，所述信息采集单元还包括通讯单元，用于与所述控制单元进行通信。
8.根据权利要求4所述的中高压储能系统中电池组动态均衡系统，其特征在于，所述能量切片单元根据控制指令对相应的电池模组执行切出动作具体为，将所述电池模组从储能系统中短路断开。
9.根据权利要求4所述的中高压储能系统中电池组动态均衡系统，其特征在于，所述能量切片单元为具有开关功能的器件。
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