CN115313568A - 基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法 - Google Patents

基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法 Download PDF

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CN115313568A CN202210998904.2A CN202210998904A CN115313568A CN 115313568 A CN115313568 A CN 115313568A CN 202210998904 A CN202210998904 A CN 202210998904A CN 115313568 A CN115313568 A CN 115313568A
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Abstract

本发明公开了一种基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法。循环系统抽样指：将电池组等分为个数相同的电池模块，采用循环系统抽样的方式对各模块内的单体抽样。设均衡电路工作阈值为Δref，最高、最低单体电量为SOCmax、SOCmin，基于SOCmax、SOCmin制定高电量、低电量标准，若SOCmax与SOCmin的差值大于Δref，均衡电路启动，每次抽样结束，若抽样结果中最高和最低电量单体满足高电量和低电量的标准，则判别抽样结果中最高电量单体、最低电量单体与其各自相邻单体的差异，实现一致性差异较小的高电量单体、低电量单体的聚类，并对聚类结果构成电池群组均衡；否则，均衡电路不工作。

Description

基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法，适用于电池储能系统的均衡。
背景技术
锂离子电池组广泛应用于配电网储能系统。由于制造工艺、材料等方面不可能完全一致，造成了单体电池容量、阻抗存在不可避免的一致性差异，这些差异会随着电池组运行时间而增加，进而减少电池组的可用容量及循环寿命，甚至造成过充过放，带来安全隐患。为提高电池组的能量利用率及延长其循环寿命，必须引入有效的均衡来降低电池组的一致性差异。串联电池组相比于并联电池组更容易受到单体电池一致性差异的影响，本发明内容针对串联电池组的均衡展开。
电池组均衡作为电池管理系统最重要的功能，国内外众多学者对其进行了较为深入的研究。均衡技术的研究包括均衡拓扑结构的研究和均衡控制方法的研究。本发明内容涉及均衡控制方法的研究。对于均衡控制方法的研究，重点是确定均衡指标以及能量转移方式，目前常见的均衡指标包含电池开路电压、工作电压、电池荷电状态(State ofCharge,SOC)等，常见的能量转移类型包括单体与单体、单体与模块、模块与模块等。
常见均衡指标中，电池的开路电压参数易得，且在电池处于搁置状态时，开路电压与SOC存在稳定的映射关系，但以开路电压作为均衡指标时每次测量前电池需处于搁置状态并静置一段时间，使得均衡时间较长。与开路电压相比，电池的工作电压测量更加方便快捷，可以在电池的工作过程中实时测量，但其与电池组的充放电电流大小有关，当电流变化较大时，会导致电池工作电压出现较大的波动，造成电池组均衡系统发生误动作而频繁启停，甚至出现过均衡；另外，不同类型的锂电池均存在电压平台期，在剩余电量为10％至90％之间时，电压变化很小，这导致如果以电压作为均衡指标，电压的微弱变化可能会导致剩余电量的显著变化，不利于均衡精度的提高。当以SOC作为均衡指标时，可以有效避开由于各个电池容量衰减老化程度不同而造成各自的最大可用容量不同，尽可能保证每节电池的容量充分利用。本发明以SOC作为均衡指标建立均衡控制方法。
当前常见的均衡能量转移类型包括在任意单体间、相邻单体间、单体与电池模块或整组电池间等，目前的均衡控制关注点主要放在了对串联电池组中某一个高电量单体(或单体个数固定的高电量电池模块)的放电均衡或某一个低电量单体(或单体个数固定的低电量电池模块)的充电均衡，虽然可以改善电池组的一致性，但当电池组单体数量较多时，均衡速度较慢。
实际情况中，尤其是电池组单体数量庞大时，会存在不同个数的多节相邻单体电量虽不相等，但相互之间差异很小的情况。均衡过程中，可以考虑根据实际情况，将不同个数的一致性差异较小的相邻单体进行聚类，将其作为电池群组进行均衡，实现基于不同单体个数一致性差异较小的相邻单体的聚类群组均衡，提高均衡速度。
总体而言，以电池SOC作为均衡指标可以最为直观精确地反映电池单体间的一致性差异，基于一致性差异较小的不同个数相邻单体聚类成组的群组均衡控制方法可以进一步提高均衡速度。
发明内容
本发明的目的在于从均衡控制的角度提高均衡速度。基于此，提出一种基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法，以改善串联电池组一致性，提高其能量利用率并延长使用寿命。
本发明采用如下技术方案：
一种基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法，循环系统抽样是指将整个电池组等分为单体个数相同的电池模块，采用循环系统抽样的方式对各模块内的单体依次抽样，保证每个模块内的单体都能被依次抽中；设均衡电路工作阈值为Δref，电池组最高电量单体的电量为SOCmax，最低电量单体的电量为SOCmin，并基于SOCmax和SOCmin制定高电量和低电量标准，若SOCmax与SOCmin的差值大于Δref，均衡电路启动，每次抽样结束，首先，判别抽样结果中，最高和最低电量单体是否分别满足高电量和低电量的标准，满足则进行下一步判断，否则该抽样周期内不均衡；其次，若抽样结果中最高和最低电量单体满足整组高电量或低电量的标准，则判别抽样结果中最高电量单体、最低电量单体与其各自相邻单体的差异，实现一致性差异较小的高电量单体、低电量单体的聚类；最后，对相邻高电量单体构成的电池群组进行放电均衡，对相邻低电量单体构成的电池群组进行充电均衡；当SOCmax与SOCmin的差值小于等于Δref时，均衡电路不工作。
优选地，包含以下步骤：
(1)获取组内各单体的初始荷电状态(State of Charge,SOC)，判断是否满足均衡电路启动条件，若满足条件，均衡电路启动，进行第二个步骤，若不满足则均衡电路不工作；
(2)根据电池组最高电量单体的电量SOCmax和最低电量单体的电量SOCmin制定高电量单体、低电量单体的标准，高电量单体、低电量单体标准随着SOCmax和SOCmin的变化而变化；
(3)将整个电池组等分为单体数量相同的若干电池模块，每个抽样周期，基于循环系统抽样方法从每个模块内抽取一个单体，作为特征单体；循环系统抽样过程每个模块内的单体被依次抽样，保证每个模块内的单体都能依次被选中；
(4)每次抽样结束，判别抽样结果中最高电量特征单体和最低电量特征单体是否满足高电量单体标准和低电量单体标准，若满足，进行下一步，若不满足则不均衡；
(5)若抽样结果中最高电量特征单体和最低电量特征单体满足高电量单体标准和低电量单体标准，则基于抽样结果中最高电量特征单体和其相邻单体的差异，最低电量特征单体和其相邻单体的差异进行一致性差异较小的相邻单体的聚类；基于聚类结果，将高电量电池群组的电量持续转移至低电量电池群组；
(6)如此往复，直至整组单体SOC不满足均衡电路启动条件，均衡电路停止工作。
优选地，设抽样结果中最高电量单体编号为Bm，且满足高电量标准，高电量单体Bm聚类过程如下：
在一个抽样周期内，判断所述Bm相邻的单体Bm+1和单体Bm-1的电量，如果单体Bm+1和单体Bm-1的电量不满足高电量单体的标准，则仅将Bm作为高电量电池群组；
如果单体Bm+1和单体Bm-1的电量均满足高电量单体标准，则，再判断单体Bm+1相邻的单体Bm+2和单体Bm-1相邻的单体Bm-2的电量是否满足高电量单体标准；如果单体Bm+2和单体Bm-2的电量均满足高电量单体标准，则将Bm-2、Bm-1、Bm、Bm+1、Bm+2作为高电量电池群组；如果单体Bm+2和单体Bm-2的电量均不满足高电量单体标准，则将Bm-1、Bm、Bm+1作为高电量电池群组；如果单体Bm+2和单体Bm-2仅其中之一的电量满足高电量单体标准，则将Bm-1、Bm、Bm+1以及单体Bm+2和单体Bm-2中满足高电量单体标准的单体作为高电量电池群组；
如果单体Bm+1的电量满足高电量单体标准，而单体Bm-1的电量不满足高电量单体标准，则，再判断单体Bm+1相邻的单体Bm+2的电量是否满足高电量单体标准；如果单体Bm+2的电量满足高电量单体标准，则将Bm、Bm+1、Bm+2作为高电量电池群组；如果单体Bm+2的电量不满足高电量单体标准，则将Bm、Bm+1作为高电量电池群组；
如果单体Bm-1的电量满足高电量单体标准，而单体Bm+1的电量不满足高电量单体标准，则，再判断单体Bm-1相邻的单体Bm-2的电量是否满足高电量单体标准；如果单体Bm-2的电量满足高电量单体标准，则将Bm-1、Bm-2、Bm作为高电量电池群组；如果单体Bm-2的电量不满足高电量单体标准，则将Bm-1、Bm作为高电量电池群组。
优选地，设抽样结果中最低电量单体编号为Bn，且满足低电量标准，低电量单体Bn聚类过程如下：
在一个抽样周期内，判断所述Bn相邻的单体Bn+1和单体Bn-1的电量，如果单体Bn+1和单体Bn-1的电量不满足低电量单体的标准，则仅将Bn作为低电量电池群组；
如果单体Bn+1和单体Bn-1的电量均满足低电量单体标准，则，再判断单体Bn+1相邻的单体Bn+2和单体Bn-1相邻的单体Bn-2的电量是否满足低电量单体标准；如果单体Bn+2和单体Bn-2的电量均满足低电量单体标准，则将Bn-2、Bn-1、Bn、Bn+1、Bn+2作为低电量电池群组；如果单体Bn+2和单体Bn-2的电量均不满足低电量单体标准，则将Bn-1、Bn、Bn+1作为低电量电池群组；如果单体Bn+2和单体Bn-2仅其中之一的电量满足低电量单体标准，则将Bn-1、Bn、Bn+1以及单体Bn+2和单体Bn-2中满足高电量单体标准的单体作为高电量电池群组；
如果单体Bn+1的电量满足低电量单体标准，而单体Bn-1的电量不满足低电量单体标准，则，再判断单体Bn+1相邻的单体Bn+2的电量是否满足低电量单体标准；如果单体Bn+2的电量满足低电量单体标准，则将Bn、Bn+1、Bn+2作为低电量电池群组；如果单体Bn+2的电量不满足低电量单体标准，则将Bn、Bn+1作为高电量电池群组；
如果单体Bn-1的电量满足低电量单体标准，而单体Bn+1的电量不满足低电量单体标准，则，再判断单体Bn-1相邻的单体Bn-2的电量是否满足低电量单体标准；如果单体Bn-2的电量满足低电量单体标准，则将Bn-2、Bn-1、Bn作为低电量电池群组；如果单体Bn-2的电量不满足低电量单体标准，则将Bn-1、Bn作为低电量电池群组。
优选地，当抽样结果中最高电量单体数或不为1时，选择序号最小的最高电量单体作为Bm。
优选地，当抽样结果中最低电量单体数不为1时，选择序号最大的最低电量单体作为Bn。
优选地，所述串联电池组聚类群组均衡控制方法方式适用于均衡能量在单体和单体间、单体和电池模块间、或者，电池模块和电池模块间转移的均衡拓扑。
优选地，串联电池组中的单体电池为二次电池；所述二次电池为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器中的任一种。
以各单体的SOC作为均衡指标，以循环系统抽样的方法选取特征单体，以单体SOC极差大于均衡阈值作为均衡电路工作条件，以最高和最低电量单体SOC制定高电量和低电量标准。
进一步地，包括以下内容：
(1)设定均衡指标
设电池组各单体SOC为SOCi(i＝1,2,3,…N)，电池组中最高电量单体SOC为SOCmax，最低电量单体SOC为SOCmin，设定均衡电路工作的阈值为Δref。
(2)制定高、低电量标准
是否满足高、低电量标准是判断单体是否参与放电、充电均衡的条件，高、低电量标准是以最高和最低电量单体SOC来制定的，同时也会随着最高和最低电量单体SOC的变化而变化。
设高电量、低电量标准参数
Figure BDA0003806761060000071
若满足：
Figure BDA0003806761060000072
则SOCi对应的单体Bi满足高电量标准；
若满足：
Figure BDA0003806761060000073
则SOCj对应的单体Bj满足低电量标准；
为保证同一单体只能满足一种标准，且相邻聚类单体的一致性差异较小，设计：
Figure BDA0003806761060000074
(3)循环系统抽样
采用循环系统抽样的方法获取可能需要聚类的均衡对象。将整个电池组等分为单体数量相同的若干电池模块，每个抽样周期，基于循环系统抽样方法从每个模块内抽取一个单体，作为特征单体。循环系统抽样过程每个模块内的单体被依次抽样，保证每个模块内的单体都能依次被选中。假设电池系统单体总数为N，抽样过程如下所述。
第一步，将所有单体Bi(i＝1,2,3,…N)均分为x组，每组的单体个数y，设抽样周期为T。
第二步，第一个抽样周期，抽取第1组单体B1+jx(j＝0,1,2,3,…N/y)；经过T时刻后，第二个抽样周期，抽取第2组单体B2+jx(j＝0,1,2,3,…N/y)；依次类推，经过x个抽样过程，即可保证所有单体能够被依次选中。
第x组被抽取后，下一抽样周期重新执行第二步，不断循环重复。
(4)聚类过程
若满足：
SOCmax-SOCmin＞Δref (4)
则继续判断抽样结果。设抽样结果中单体Bm为电量最高单体，单体Bn为电量最低单体。若满足：
Figure BDA0003806761060000081
则开始进行聚类判别，若不满足，则此抽样周期不均衡。
若抽样结果中存在满足高电量单体标准的单体和满足低电量单体标准的单体，则基于抽样结果中最高电量单体和其相邻单体的差异，最低电量单体和其相邻单体的差异进行一致性差异较小的相邻单体的聚类。基于聚类结果，实现群组均衡。聚类过程如下所述。
对于与单体Bm相邻的单体Bm-1和Bm+1，若满足：
Figure BDA0003806761060000082
则单体Bm-1满足高电量标准；
同理，若满足：
Figure BDA0003806761060000083
则单体Bm+1满足高电量标准；
若单体Bm-1和Bm+1均不满足，判断停止，由单体Bm单独进行放电均衡；
进一步地，若满足：
Figure BDA0003806761060000091
则单体Bm-2满足高电量标准；
若满足：
Figure BDA0003806761060000092
则单体Bm+2满足高电量标准。至此，将Bm-2、Bm-1、Bm、Bm+1、Bm+2中满足高电量标准的相邻单体作为电池群组参与放电均衡，若Bm-2、Bm-1、Bm、Bm+1、Bm+2中高电量单体不相邻，则对Bm单独进行放电均衡。
同样地，对于与单体Bn相邻的单体Bn-1和Bn+1，若满足：
Figure BDA0003806761060000093
则单体Bn-1满足低电量标准；
同理，若满足：
Figure BDA0003806761060000094
则单体Bn+1满足低电量标准；
若单体Bn-1和Bn+1均不满足，判断停止，由单体Bn单独进行充电均衡；
进一步地，若满足：
Figure BDA0003806761060000095
则单体Bn-2满足低电量标准；
若满足：
Figure BDA0003806761060000096
则单体Bn+2满足低电量标准。至此，将Bn-2、Bn-1、Bn、Bn+1、Bn+2中满足低电量标准的相邻单体作为电池群组参与充电均衡，若Bn-2、Bn-1、Bn、Bn+1、Bn+2中低电量单体不相邻，则对Bn单独进行充电均衡。
(5)设定控制信号占空比
每个均衡周期，充放电电池群组的单体数量可能不同，为防止储能元件饱和，每个均衡周期内，储能器件电流或电压必须降为0，由此可由参与放电均衡的单体数量制定合适的控制信号占空比，放电均衡的控制信号占空比D1应满足：
Figure BDA0003806761060000101
放电均衡的控制信号占空比t2为：
D2＝1-D1 (15)
(6)均衡过程结束
每个抽样周期结束，若满足均衡电路工作条件，均衡电路继续工作，若不满足均衡电路工作条件，均衡电路停止工作，均衡过程结束。
本发明的有益效果在于：引入聚类思想，将传统的对单节电池的充/放电均衡控制方式改为SOC接近的相邻多节高/低电量单体组成的电池群组间的均衡控制方式，在保证均衡效率的前提下，获得更快的均衡速度。
附图说明
为了更加清楚的说明本发明的原理与实施中的技术方案，下面将对本发明涉及的技术方案使用附图作进一步的介绍，以下附图仅是本发明的部分实施例子，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下可以根据以下附图获得其他的技术方案。
附图1为本发明聚类群组均衡控制方法的控制策略主流程图；
附图2为本发明聚类群组均衡控制方法的均衡电路结构图；
附图3为本发明聚类群组均衡控制方法的高电量单体聚类流程图；
附图4为本发明聚类群组均衡控制方法的低电量单体聚类流程图；
附图5为本发明聚类群组均衡控制方法在实验1中0-3s每个抽样周期的均衡电流；
附图6为本发明聚类群组均衡控制方法在实验1中120s-123s每个抽样周期的均衡电流；
附图7为本发明聚类群组均衡控制方法和基于单体对单体的均衡控制方法在实验1中的SOC极差变化结果；
附图8为本发明聚类群组均衡控制方法和基于单体对单体的均衡控制方法在实验1中各单体均衡前后的SOC；
附图9为本发明聚类群组均衡控制方法和基于单体对单体的均衡控制方法在实验2中的SOC极差变化结果；
附图10为本发明聚类群组均衡控制方法和基于单体对单体的控制均衡方法在实验2中各单体均衡前后的SOC。
具体实施方式
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。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。本发明实施例的术语“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，示例性地，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。
实施例
一种基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法，其特征在于：循环系统抽样是指将整个电池组等分为单体个数相同的电池模块，采用循环系统抽样的方式对各模块内的单体依次抽样，保证每个模块内的单体都能被依次抽中；设均衡电路工作阈值为Δref，电池组最高电量单体的电量为SOCmax，最低电量单体的电量为SOCmin，并基于SOCmax和SOCmin制定高电量和低电量标准，若SOCmax与SOCmin的差值大于Δref，均衡电路启动，每次抽样结束，首先，判别抽样结果中，最高和最低电量单体是否分别满足高电量和低电量的标准，满足则进行下一步判断，否则该抽样周期内不均衡；其次，若抽样结果中最高和最低电量单体满足整组高电量或低电量的标准，则判别抽样结果中最高电量单体、最低电量单体与其各自相邻单体的差异，实现一致性差异较小的高电量单体、低电量单体的聚类；最后，对相邻高电量单体构成的电池群组进行放电均衡，对相邻低电量单体构成的电池群组进行充电均衡；当SOCmax与SOCmin的差值小于等于Δref时，均衡电路不工作。
本发明以各单体的SOC作为均衡变量，以单体SOC极差大于均衡阈值作为均衡电路工作条件，以最高和最低电量单体SOC制定高电量和低电量标准，以放电单体数量设置开关控制信号占空比。
如附图1所示，为本发明实施例1的控制策略流程图。以附图2所示12单体构成的串联电池组为例，来验证本发明串联电池组循环系统抽样聚类群组均衡控制方法相对于常见的单体对单体的控制方法的优势。使用的单体电池为18650型三元锂电池，标称电压为3.7V，额定容量为1.8Ah。为尽可能地模拟实际情况，在本实施例中设计两组电池SOC初始值，分别对应实验1和实验2，其中实验1高电量单体序号相对靠前，低电量单体序号相对靠后；实验2高电量单体序号居中，低电量单体序号位于两端。
进一步地，包括以下内容：
(1)设定均衡指标
设电池组各单体SOC为SOCi(i＝1,2,3,…12)，电池组中最高电量单体SOC为SOCmax，最低电量单体SOC为SOCmin。设定均衡电路工作的阈值Δref＝1％。
(2)制定高、低电量标准
是否满足高、低电量标准是判断单体是否参与放电、充电均衡的条件，高、低电量标准是以最高和最低电量单体SOC来制定的，同时也会随着最高和最低电量单体SOC的变化而变化。
设高电量、低电量标准参数
Figure BDA0003806761060000131
若满足：
Figure BDA0003806761060000132
则SOCi对应的单体Bi满足高电量标准；
若满足：
Figure BDA0003806761060000133
则SOCj对应的单体Bj满足低电量标准；
为保证同一单体只能满足一种标准，且相邻聚类单体的一致性差异较小，设计：
Figure BDA0003806761060000134
在此实施例，设置
Figure BDA0003806761060000135
(3)循环系统抽样
采用循环系统抽样的方法获取可能需要聚类的均衡对象。将整个电池组等分为单体数量相同的若干电池模块，每个抽样周期，基于循环系统抽样方法从每个模块内抽取一个单体，作为特征单体。循环系统抽样过程每个模块内的单体被依次抽样，保证每个模块内的单体都能依次被选中。
电池单体总数为N＝12，抽样过程如下所述。
第一步，将所有单体Bi(i＝1,2,3,…N)均分为3组，每组的单体个数4，抽样周期为1s。
第二步，第一个抽样周期，抽取第1组单体B1、B4、B7、B10；经过1s后，第二个抽样周期，抽取第2组单体B2、B5、B8、B11；依次类推，经过3个抽样过程，即可保证所有单体能够被依次选中。
第3组被抽取后，下一抽样周期重新执行第二步，不断循环重复。
(4)聚类过程
若满足：
SOCmax-SOCmin＞1％ (4)
则继续判断抽样结果。设抽样结果中单体Bm为电量最高单体，单体Bn为电量最低单体。若满足：
Figure BDA0003806761060000141
则开始进行聚类判别，若不满足，则此抽样周期不均衡。
若抽样结果中存在满足高电量单体标准的单体和满足低电量单体标准的单体，则基于抽样结果中最高电量单体和其相邻单体的差异，最低电量单体和其相邻单体的差异进行一致性差异较小的相邻单体的聚类。基于聚类结果，实现群组均衡。聚类过程如下所述。
对于与单体Bm相邻的单体Bm-1和Bm+1，若满足：
SOCm-1＞SOCmax-0.2(SOCmax-SOCmin) (6)
则单体Bm-1满足高电量标准；
同理，若满足：
SOCm+1＞SOCmax-0.2(SOCmax-SOCmin) (7)
则单体Bm+1满足高电量标准；
若单体Bm-1和Bm+1均不满足，判断停止，由单体Bm单独进行放电均衡；
进一步地，若满足：
SOCm-2＞SOCmax-0.2(SOCmax-SOCmin) (8)
则单体Bm-2满足高电量标准；
若满足：
SOCm+2＞SOCmax-0.2(SOCmax-SOCmin) (9)
则单体Bm+2满足高电量标准。至此，将Bm-2、Bm-1、Bm、Bm+1、Bm+2中满足高电量标准的相邻单体作为电池群组参与放电均衡，若Bm-2、Bm-1、Bm、Bm+1、Bm+2中高电量单体不相邻，则对Bm单独进行放电均衡。
同样地，对于与单体Bn相邻的单体Bn-1和Bn+1，若满足：
SOCn-1＜SOCmin+0.2(SOCmax-SOCmin) (10)
则单体Bn-1满足低电量标准；
同理，若满足：
SOCn+1＜SOCmin+0.2(SOCmax-SOCmin) (11)
则单体Bn+1满足低电量标准；
若单体Bn-1和Bn+1均不满足，判断停止，由单体Bn单独进行充电均衡；
进一步地，若满足：
SOCn-2＜SOCmin+0.2(SOCmax-SOCmin) (12)
则单体Bn-2满足低电量标准；
若满足：
SOCn+2＜SOCmin+0.2(SOCmax-SOCmin) (13)
则单体Bn+2满足低电量标准。至此，将Bn-2、Bn-1、Bn、Bn+1、Bn+2中满足低电量标准的相邻单体作为电池群组参与充电均衡，若Bn-2、Bn-1、Bn、Bn+1、Bn+2中低电量单体不相邻，则对Bn单独进行充电均衡。
至此，所有满足高、低电量标准的相邻单体构成的电池群组聚类完成。高电量和低电量单体聚类的流程图如附图3、附图4所示。
(5)设定控制信号占空比
每个均衡周期，充放电电池群组的单体数量可能不同，为防止储能元件饱和，每个均衡周期内，储能器件电流或电压必须能够复位，由此可由参与放电均衡的单体数量制定合适的控制信号占空比，放电均衡的控制信号占空比D1应满足：
Figure BDA0003806761060000161
放电均衡的控制信号占空比D2为：
D2＝1-D1 (15)
由第(4)部分可知，充放电群组内单体数量最小为1，最大为5；为满足储能器件复位条件，当放电单体数量为1时，D1＝50％，D2＝50％；当放电单体数量为2时，D1＝33％，D2＝67％；当放电单体数量为3时，D1＝25％，D2＝75％；当放电单体数量为4时，D1＝20％，D2＝80％；当放电单体数量为5时，D1＝166％，D2＝84％。
(6)均衡过程
每个抽样周期结束，若满足均衡电路工作条件，均衡电路继续工作，若不满足均衡电路工作条件，均衡电路停止工作，均衡过程结束。
均衡仿真模型参数如表1所示。
表1均衡仿真模型参数
Figure BDA0003806761060000171
实验1各单体SOC初始值如附图8所示，均衡过程中，0-3s每个抽样周期的均衡电流如附图5所示，120s-123s每个抽样周期的均衡电流如附图6所示，可以看出，每一个抽样周期的放电单体数量不尽相同，从而每一个抽样周期的均衡电流也随之不同。附图7为本发明聚类群组均衡控制方法和基于单体对单体的均衡控制方法在实施例1实验1中的SOC极差变化结果，由附图7可知，经过148s的均衡过程，基于本发明聚类群组均衡控制方法，SOC极差由2％缩小至1％，完成均衡；而基于单体对单体的均衡控制方法，至356s完成均衡；本实施例实验1，本发明聚类群组均衡控制方法与基于单体对单体的均衡控制方法相比，改善电池组一致性的速度提升了58.4％。均衡前后，电池组内各单体SOC的分布情况如附图8所示。
实验2各单体SOC初始值如附图10所示，图9为本发明聚类群组均衡控制方法和基于单体对单体均衡控制方法在实施例1实验2中的SOC极差变化结果，由图9可知，经过138s，本发明聚类群组均衡控制达到均衡停止条件，基于单体对单体的均衡控制经过333s达到均衡停止条件，由此可知，本实施例实验2，聚类群组均衡控制方法的均衡速度相比于基于单体对单体的均衡控制方法相比，均衡速度提高了58.6％。均衡前后，电池组内各单体SOC的分布情况如附图10所示。
由附图8、附图10可知，本发明聚类群组均衡控制方法与基于单体对单体的均衡控制方法相比，均衡结束后各单体SOC与平均SOC的差距更小，对电池组一致性的改善更为明显。
综合以上分析，在均衡拓扑结构相同的前提下，本发明聚类群组均衡控制方法和基于单体对单体的均衡控制方法在两种初始值条件下，均衡速度显著提高。
以上对本发明实施例公开的一种基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法，其特征在于：循环系统抽样是指将整个电池组等分为单体个数相同的电池模块，采用循环系统抽样的方式对各模块内的单体依次抽样，保证每个模块内的单体都能被依次抽中；设均衡电路工作阈值为Δref，电池组最高电量单体的电量为SOCmax，最低电量单体的电量为SOCmin，并基于SOCmax和SOCmin制定高电量和低电量标准，若SOCmax与SOCmin的差值大于Δref，均衡电路启动，每次抽样结束，首先，判别抽样结果中，最高和最低电量单体是否分别满足高电量和低电量的标准，满足则进行下一步判断，否则该抽样周期内不均衡；其次，若抽样结果中最高和最低电量单体满足整组高电量或低电量的标准，则判别抽样结果中最高电量单体、最低电量单体与其各自相邻单体的差异，实现一致性差异较小的高电量单体、低电量单体的聚类；最后，对相邻高电量单体构成的电池群组进行放电均衡，对相邻低电量单体构成的电池群组进行充电均衡；当SOCmax与SOCmin的差值小于等于Δref时，均衡电路不工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)获取组内各单体的初始荷电状态(State of Charge,SOC)，判断是否满足均衡电路启动条件，若满足条件，均衡电路启动，进行第二个步骤，若不满足则均衡电路不工作；
(2)根据电池组最高电量单体的电量SOCmax和最低电量单体的电量SOCmin制定高电量单体、低电量单体的标准，高电量单体、低电量单体标准随着SOCmax和SOCmin的变化而变化；
(3)将整个电池组等分为单体数量相同的若干电池模块，每个抽样周期，基于循环系统抽样方法从每个模块内抽取一个单体，作为特征单体；循环系统抽样过程每个模块内的单体被依次抽样，保证每个模块内的单体都能依次被选中；
(4)每次抽样结束，判别抽样结果中最高电量特征单体和最低电量特征单体是否满足高电量单体标准和低电量单体标准，若满足，进行下一步，若不满足则不均衡；
(5)若抽样结果中最高电量特征单体和最低电量特征单体满足高电量单体标准和低电量单体标准，则基于抽样结果中最高电量特征单体和其相邻单体的差异，最低电量特征单体和其相邻单体的差异进行一致性差异较小的相邻单体的聚类；基于聚类结果，将高电量电池群组的电量持续转移至低电量电池群组；
(6)如此往复，直至整组单体SOC不满足均衡电路启动条件，均衡电路停止工作。
3.根据权利要求2所述的一种基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法，其特征在于：设抽样结果中最高电量单体编号为Bm，且满足高电量标准，高电量单体Bm聚类过程如下：
在一个抽样周期内，判断所述Bm相邻的单体Bm+1和单体Bm-1的电量，如果单体Bm+1和单体Bm-1的电量不满足高电量单体的标准，则仅将Bm作为高电量电池群组；
如果单体Bm+1和单体Bm-1的电量均满足高电量单体标准，则，再判断单体Bm+1相邻的单体Bm+2和单体Bm-1相邻的单体Bm-2的电量是否满足高电量单体标准；如果单体Bm+2和单体Bm-2的电量均满足高电量单体标准，则将Bm-2、Bm-1、Bm、Bm+1、Bm+2作为高电量电池群组；如果单体Bm+2和单体Bm-2的电量均不满足高电量单体标准，则将Bm-1、Bm、Bm+1作为高电量电池群组；如果单体Bm+2和单体Bm-2仅其中之一的电量满足高电量单体标准，则将Bm-1、Bm、Bm+1以及单体Bm+2和单体Bm-2中满足高电量单体标准的单体作为高电量电池群组；
如果单体Bm+1的电量满足高电量单体标准，而单体Bm-1的电量不满足高电量单体标准，则，再判断单体Bm+1相邻的单体Bm+2的电量是否满足高电量单体标准；如果单体Bm+2的电量满足高电量单体标准，则将Bm、Bm+1、Bm+2作为高电量电池群组；如果单体Bm+2的电量不满足高电量单体标准，则将Bm、Bm+1作为高电量电池群组；
如果单体Bm-1的电量满足高电量单体标准，而单体Bm+1的电量不满足高电量单体标准，则，再判断单体Bm-1相邻的单体Bm-2的电量是否满足高电量单体标准；如果单体Bm-2的电量满足高电量单体标准，则将Bm-1、Bm-2、Bm作为高电量电池群组；如果单体Bm-2的电量不满足高电量单体标准，则将Bm-1、Bm作为高电量电池群组。
4.根据权利要求2所述的一种基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法，其特征在于：设抽样结果中最低电量单体编号为Bn，且满足低电量标准，低电量单体Bn聚类过程如下：
在一个抽样周期内，判断所述Bn相邻的单体Bn+1和单体Bn-1的电量，如果单体Bn+1和单体Bn-1的电量不满足低电量单体的标准，则仅将Bn作为低电量电池群组；
如果单体Bn+1和单体Bn-1的电量均满足低电量单体标准，则，再判断单体Bn+1相邻的单体Bn+2和单体Bn-1相邻的单体Bn-2的电量是否满足低电量单体标准；如果单体Bn+2和单体Bn-2的电量均满足低电量单体标准，则将Bn-2、Bn-1、Bn、Bn+1、Bn+2作为低电量电池群组；如果单体Bn+2和单体Bn-2的电量均不满足低电量单体标准，则将Bn-1、Bn、Bn+1作为低电量电池群组；如果单体Bn+2和单体Bn-2仅其中之一的电量满足低电量单体标准，则将Bn-1、Bn、Bn+1以及单体Bn+2和单体Bn-2中满足高电量单体标准的单体作为高电量电池群组；
如果单体Bn+1的电量满足低电量单体标准，而单体Bn-1的电量不满足低电量单体标准，则，再判断单体Bn+1相邻的单体Bn+2的电量是否满足低电量单体标准；如果单体Bn+2的电量满足低电量单体标准，则将Bn、Bn+1、Bn+2作为低电量电池群组；如果单体Bn+2的电量不满足低电量单体标准，则将Bn、Bn+1作为高电量电池群组；
如果单体Bn-1的电量满足低电量单体标准，而单体Bn+1的电量不满足低电量单体标准，则，再判断单体Bn-1相邻的单体Bn-2的电量是否满足低电量单体标准；如果单体Bn-2的电量满足低电量单体标准，则将Bn-2、Bn-1、Bn作为低电量电池群组；如果单体Bn-2的电量不满足低电量单体标准，则将Bn-1、Bn作为低电量电池群组。
5.根据权利要求3所述的一种基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法，其特征在于：当抽样结果中最高电量单体数或不为1时，选择序号最小的最高电量单体作为Bm。
6.根据权利要求4所述的一种基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法，其特征在于：当抽样结果中最低电量单体数不为1时，选择序号最大的最低电量单体作为Bn。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法，其特征在于：所述串联电池组聚类群组均衡控制方法方式适用于均衡能量在单体和单体间、单体和电池模块间、或者，电池模块和电池模块间转移的均衡拓扑。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于循环系统抽样的串联电池组聚类群组均衡控制方法，其特征在于：串联电池组中的单体电池为二次电池；所述二次电池为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器中的任一种。
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