CN116365650A - 一种电池旁路均衡控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种电池旁路均衡控制系统及方法，系统包括电池组串、储能变流器和旁路均衡控制器：旁路均衡控制器被配置为：在电池组串处于放电状态时，循环定义电池组串中容量最低的电池包为待均衡电池包，主动进入斩波控制状态，承担待均衡电池包的部分电流，直至待均衡电池包不是电池组串中容量最低的电池包；在电池组串处于充电状态时，循环定义电池组串中容量最高的电池包为待均衡电池包，主动进入斩波控制状态，承担待均衡电池包的部分电流，直至待均衡电池包不是电池组串中容量最高的电池包。该系统生命周期成本低，效率更优，整个电池组串中全部电池包的利用率更高，所有电池包都能充分充电和放电。
Description
技术领域
本发明属于电池均衡技术领域，具体涉及一种电池旁路均衡控制系统及方法。
背景技术
随着电池技术的发展，用户对储能电池容量的要求越来越高。例如磷酸铁锂电池通常需要串联数百个电芯，单节电芯浮充电压为3.6V。由于一个电池组串由多个电池包串并联形成，一个电池包由几十个电芯串并联封装得到，所以即便电芯/电池包在生产制造过程中已进行了筛选，但数量庞大，无法完全避免一致性差异的问题。另外，当存在新旧电池包混用等情况，电池包的差异性还会引起各种问题：
1、串联失配；参见图1，图1中串联的三个电池包的容量分别为10％、15％和23％，根据串联电路基本特性，电池包放电时，串联链路上的电池包可用容量只能达到最弱电池包的容量，所以整个链路上的电池包的可用容量只有10％，这就导致其它串联电池包容量无法被充分利用。
2、并联失配；参见图2，图1中并联的三个电池包的容量分别为8％、13％和20％，根据并联电路基本特性，电池包放电时，并联链路上的电池包可用容量只能达到最弱电池包的容量，所以整个链路上的电池包的可用容量只有8％，这就导致其它并联电池包容量无法被充分利用。
3、新旧电池混用：串联应用时，新旧电池包差异将导致新电池包不能被充分利用；并联应用时，新旧电池包内阻的差异会造成簇间环流，导致电池包温度升高，加速新电池包老化，系统散热能耗高，降低了充放电效率。
为了解决上述缺陷，储能电池引入了以下切换方法，以提高电池包的利用率：
①参见图3，不考虑电池包短板的情况，配置单级DC/AC变换，不对电池包进行控制。该方法成本低，可解决并联适配问题，但是依然不能充分利用电池包，电池包电压范围窄。
②参见图4，考虑电池包短板问题，对电池包进行0/1旁路切换控制，除一级DC/AC变换器外，需增加一级DC/DC变换器。当单个电池包在充放电过程中先达到了充放电的限制点，0/1旁路切换控制可以将先到达充放限制点的电池包从电池组串中单独切出，但是这样就会造成整个电池组串的电压产生阶跃性跳变，当连续切出多个电池包后，电池组串电压会降低到无法支撑DC/AC逆变正常工作的状态，所以需要通过DC/DC变换器对电池组串的电压进行升压调节，以满足DC/AC工作要求。但是两级变换效率低、成本高，0/1旁路切换控制对系统稳定性冲击大，同时也不能保证整个组串每个电池包的能量充分利用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种电池旁路均衡控制系统及方法，提高整个电池组串中全部电池包的利用率，降低生命周期成本。
一种电池旁路均衡控制系统，包括电池组串、以及与电池组串连接的储能变流器，电池组串包括多个串并联的电池包，还包括与电池包连接的旁路均衡控制器：
旁路均衡控制器被配置为：
在电池组串处于放电状态时，循环定义电池组串中容量最低的电池包为待均衡电池包，主动进入斩波控制状态，承担待均衡电池包的部分电流，直至待均衡电池包不是电池组串中容量最低的电池包；
在电池组串处于充电状态时，循环定义电池组串中容量最高的电池包为待均衡电池包，主动进入斩波控制状态，承担待均衡电池包的部分电流，直至待均衡电池包不是电池组串中容量最高的电池包。
进一步地，旁路均衡控制器为多个，每个旁路均衡控制器与电池组串中不同的电池包连接。
进一步地，旁路均衡控制器包括第一开关组件和第二开关组件；
旁路均衡控制器的第一端连接上一级旁路均衡控制器的第二端或储能变流器的第一端；旁路均衡控制器的第一端被配置为在电池包充电时，输入上一级旁路均衡控制器的第二端或储能变流器的第一端输出的总充电电流；在电池包放电时，输出总放电电流给上一级旁路均衡控制器的第二端或储能变流器的第一端；
旁路均衡控制器被配置为：当主动进入斩波控制状态后，控制第一开关组件和第二开关组件工作，使得总充电电流或总放电电流中部分电流通过第一开关组件流过电池包，进行电池包的充放电；总充电电流或总放电电流中另一部分电流通过第二开关组件流向旁路均衡控制器的第二端；旁路均衡控制器的第二端被配置为在电池包充电时，输出总充电电流给下一级旁路均衡控制器的第一端或储能变流器的第二端；在电池包放电时，输入下一级旁路均衡控制器的第一端或储能变流器的第二端输出的总放电电流。
进一步地，旁路均衡控制器还包括电感和第一电容；
电感的第一端作为旁路均衡控制器的第一端，电感的第二端分别连接至第一开关组件的第一端和第二开关组件的第一端，第一开关组件的第二端分别连接至电池包的正极和第一电容的第一端，第一电容的第二端连接电池包的负极；第二开关组件的第二端和第一电容的第二端共同作为旁路均衡控制器的第二端。
进一步地，旁路均衡控制器还包括连接在其第一端和第二端之间的第二电容。
进一步地，第一开关组件和第二开关组件均为功率管。
进一步地，旁路均衡控制器被配置为：
配置斩波控制状态的斩波占空比为D；
当主动进入斩波控制状态后，使得流过第一开关组件的电流为I*D，流过第二开关组件的电流为I*(1-D)，I为总充电电流或总放电电流。
第二方面，一种电池旁路均衡控制方法，其特征在于，应用于第一方面的电池旁路均衡控制系统；电池旁路均衡控制方法包括：
在电池组串处于放电状态时，循环定义电池组串中容量最低的电池包为待均衡电池包，主动进入斩波控制状态，承担待均衡电池包的部分电流，直至待均衡电池包不是电池组串中容量最低的电池包；
在电池组串处于充电状态时，循环定义电池组串中容量最高的电池包为待均衡电池包，主动进入斩波控制状态，承担待均衡电池包的部分电流，直至待均衡电池包不是电池组串中容量最高的电池包。
进一步地，承担待均衡电池包的部分电流具体包括：
配置斩波控制状态的斩波占空比为D；
当主动进入斩波控制状态后，使得流过第一开关组件的电流为I*D，流过第二开关组件的电流为I*(1-D)，I为总充电电流或总放电电流。
由上述技术方案可知，本发明提供的电池旁路均衡控制系统具有以下优势：
1)支持新旧电池包混用。
2)相比现有DC/DC+DC/AC两级架构，省去一级DC/DC，系统成本更低、效率更优。
3)提高整个电池组串中全部电池包的利用率，使得所有电池包都能充分充电和放电。
4)无阶跃切换动作，减小对系统的冲击。
5)可实现单电池包充电电流最优、独立控制，实现最优充放电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为背景技术中电池串联链路中存在的串联失配示意图。
图2为背景技术中电池并联链路中存在的并联失配示意图。
图3为背景技术中一种电池旁路均衡控制系统的示意图。
图4为背景技术中另一种电池旁路均衡控制系统的示意图。
图5为实施例提供的电池旁路均衡控制系统的示意图。
图6为实施例提供的旁路均衡控制器的电路图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
实施例：
一种电池旁路均衡控制系统，参见图5，包括电池组串、以及与电池组串连接的储能变流器，电池组串包括多个串并联的电池包，还包括与电池包连接的旁路均衡控制器：
旁路均衡控制器被配置为：
在电池组串处于放电状态时，循环定义电池组串中容量最低的电池包为待均衡电池包，主动进入斩波控制状态，承担待均衡电池包的部分电流，直至待均衡电池包不是电池组串中容量最低的电池包；
在电池组串处于充电状态时，循环定义电池组串中容量最高的电池包为待均衡电池包，主动进入斩波控制状态，承担待均衡电池包的部分电流，直至待均衡电池包不是电池组串中容量最高的电池包。
在本实施例中，如图5所示，电池旁路均衡控制系统中若干个电池包进行串并联，电池包与旁路均衡控制器连接，电池包通过旁路均衡控制器形成电池组串，电池组串与储能变流器连接。储能变流器为DC/AC变流器。当电池组串处于放电状态时，电池组串输出直流电压给DC/AC变流器，DC/AC变流器工作在逆变状态下，将直流电压转换成交流电压，提供给外部负载。当电池组串处于充电状态时，DC/AC变流器工作在整流状态下，接收外部交流充电电压，将交流充电电压转换为直流电压，将直流电压传输给电池组串进行充电。
在本实施例中，电池的容量可以为电池的SOC值。电池组串在放电时，旁路均衡控制器获取电池组串中容量最低的电池包，降低该电池包的放电速度，使得该电池包在电池组串中的容量不是最低。此时旁路均衡控制器主动进入斩波控制状态，由于电池组串的总放电电流是稳定的，所以控制旁路均衡控制器承担部分放电电流，例如控制旁路均衡控制器分流部分放电电流，控制该电池包输出另一部分放电电流，这样该电池包的放电电流小于电池组串中其它电池包的放电电流，经过一段时间的调节后，该电池包的容量将不再是电池组串中最低的，此时该电池包就可以恢复到正常的放电状态。如此循环，再次获取电池组串中容量最低的电池包时，重复执行上述控制方法。这样就可以控制整个电池组串中电池包都能充分放电，一起达到EOD(放电终止)点，整个电池组串的电池包都能得到充分利用，整个放电过程无一电池包单独切出，母线电压平稳变化，无需DC/DC变换器进行升压控制。
在本实施例中，电池组串在充电时，旁路均衡控制器获取电池组串中容量最高的电池包，降低该电池包的充电速度，使得该电池包在电池组串中的容量不是最高。此时旁路均衡控制器主动进入斩波控制状态，由于电池组串的总充电电流是稳定的，所以控制旁路均衡控制器承担部分充电电流，例如控制旁路均衡控制器接收部分充电电流，控制该电池包接收另一部分充电电流，这样该电池包的充电电流小于电池组串中其它电池包的充电电流，经过一段时间的调节后，该电池包的容量将不再是电池组串中最高的，此时该电池包就可以恢复到正常的充电状态。如此循环，再次获取电池组串中容量最高的电池包，重复执行上述控制方法。这样就可以控制整个电池组串中电池包都能充分充电，一起达到浮充电压点，整个电池组串的电池包都能得到充分利用，整个充电过程无一电池包单独切出，母线电压平稳变化，相比图4的切换方法，无需DC/DC变换器进行降压控制。
在本实施例中，旁路均衡控制器可应用于不同厂家的储能系统中。旁路均衡控制器中可以采用Mosfet、IGBT、SiC、GaN等各种功率开关器件实现分流。旁路均衡控制器在进行充放电时，可以选用不同的工作模式，例如当电池组串处于充电状态下时，旁路均衡控制器可以工作在boost升压模式或buck降压模式。当电池组串处于放电状态下时，旁路均衡控制器可以工作在buck降压模式或boost升压模式。
该电池旁路均衡控制系统具有以下优势：
1)支持新旧电池包混用。
2)相比现有DC/DC+DC/AC两级架构，省去一级DC/DC，系统成本更低、效率更优。
3)提高整个电池组串中全部电池包的利用率，使得所有电池包都能充分充电和放电。
4)无阶跃切换动作，减小对系统的冲击。
5)可实现单电池包充电电流最优、独立控制，实现最优充放电。
进一步地，在一些实施例中，旁路均衡控制器为多个，每个旁路均衡控制器与电池组串中不同的电池包连接。
在本实施例中，一个电池组串可以设置多个旁路均衡控制器，旁路均衡控制器的数量与电池包数量相等，每个旁路均衡控制器与电池组串中不同的电池包连接，这样每个电池包的均衡控制可以由一个单独的旁路均衡控制器实现。
进一步地，在一些实施例中，旁路均衡控制器包括第一开关组件和第二开关组件；
旁路均衡控制器的第一端连接上一级旁路均衡控制器的第二端或储能变流器的第一端；旁路均衡控制器的第一端被配置为在电池包充电时，输入上一级旁路均衡控制器的第二端或储能变流器的第一端输出的总充电电流；在电池包放电时，输出总放电电流给上一级旁路均衡控制器的第二端或储能变流器的第一端；
旁路均衡控制器被配置为：当主动进入斩波控制状态后，控制第一开关组件和第二开关组件工作，使得总充电电流或总放电电流中部分电流通过第一开关组件流过电池包，进行电池包的充放电；总充电电流或总放电电流中另一部分电流通过第二开关组件流向旁路均衡控制器的第二端；旁路均衡控制器的第二端被配置为在电池包充电时，输出总充电电流给下一级旁路均衡控制器的第一端或储能变流器的第二端；在电池包放电时，输入下一级旁路均衡控制器的第一端或储能变流器的第二端输出的总放电电流。
在本实施例中，参见图6，图6中PCS为储能变流器，图6中每个电池包连接一个旁路均衡控制器。储能变流器的第一端在图6中用“+”表示，为储能变流器的正极端子，其第二端在图6中用“-”表示，为储能变流器的负极端子。第一开关组件和第二开关组件可以均采用功率管实现，例如图6中第一开关组件采用功率管Q1实现，第二开关组件采用功率管Q2实现。假设图6的电池旁路均衡控制系统包括N个电池包，当该电池旁路均衡控制系统中电池组串处于充电状态下时，经过功率管Q1的箭头表示电池包的充电电流I1。经过功率管Q2的箭头表示旁路均衡控制器分走的电流I2，最上方的箭头表示总充电电流I。当整个电池组串中所有电池包的容量都是相同的，那么所有电池包能始终保持均衡，功率管Q1和功率管Q2不工作，总充电电流I全部经过功率管Q1的体二极管给电池包充电，I＝I1，I2＝0。当电池包J在充电过程中容量最高时，功率管Q1和功率管Q2均开始工作，总充电电流I的部分电流经过功率管Q1给电池包充电，另一部分电流经过功率管Q2流向储能变流器，I＝I1+I2，I2≠0。除电池包J以外的其他电池包的旁路均衡控制器的功率管Q1和功率管Q2均不工作，即其他电池包不进行分流。
在本实施例中，对于第一级旁路均衡控制器而言，其第一端直接与储能变流器的第一端连接，其第二端连接下一级旁路均衡控制器的第一端，下一级旁路均衡控制器的第二端连接下下一级旁路均衡控制器的第一端，如此类推，最后一级旁路均衡控制器的第二端连接储能变流器的第二端。当电池组串处于充电状态时，上一级旁路均衡控制器将流过第一开关组件和第二开关组件的电流汇聚后，通过其第二端流向下一级旁路均衡控制器。当电池组串处于放电态时，下一级旁路均衡控制器将流过第一开关组件和第二开关组件的电流汇聚后，通过其第一端流向上一级旁路均衡控制器。
具体地，参见图6，旁路均衡控制器还包括电感和第一电容；
电感的第一端作为旁路均衡控制器的第一端，电感的第二端分别连接至第一开关组件的第一端和第二开关组件的第一端，第一开关组件的第二端分别连接至电池包的正极和第一电容的第一端，第一电容的第二端连接电池包的负极；第二开关组件的第二端和第一电容的第二端共同作为旁路均衡控制器的第二端。
在本实施例中，假设第一开关组件和第二开关组件均采用功率管实现。当第一开关组件和第二开关组件的第一端均为功率管的漏极，则第一开关组件和第二开关组件的第二端均为功率管的源极。当第一开关组件和第二开关组件的第一端均为功率管的源极，则第一开关组件和第二开关组件的第二端均为功率管的漏极。
进一步地，旁路均衡控制器还包括连接在其第一端和第二端之间的第二电容。
进一步地，在一些实施例中，旁路均衡控制器被配置为：
配置斩波控制状态的斩波占空比为D；
当主动进入斩波控制状态后，使得流过第一开关组件的电流为I*D，流过第二开关组件的电流为I*(1-D)，I为总充电电流或总放电电流。
在本实施例中，旁路均衡控制器在进行斩波时，可以设置斩波占空比为D，则I2＝I*D，I1＝I*(1-D)。
一种电池旁路均衡控制方法，应用于上述电池旁路均衡控制系统；电池旁路均衡控制方法包括：
在电池组串处于放电状态时，循环定义电池组串中容量最低的电池包为待均衡电池包，主动进入斩波控制状态，承担待均衡电池包的部分电流，直至待均衡电池包不是电池组串中容量最低的电池包；
在电池组串处于充电状态时，循环定义电池组串中容量最高的电池包为待均衡电池包，主动进入斩波控制状态，承担待均衡电池包的部分电流，直至待均衡电池包不是电池组串中容量最高的电池包。
进一步地，承担待均衡电池包的部分电流具体包括：
配置斩波控制状态的斩波占空比为D；
当主动进入斩波控制状态后，使得流过第一开关组件的电流为I*D，流过第二开关组件的电流为I*(1-D)，I为总充电电流或总放电电流。
本发明实施例所提供的方法，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述实施例中相应内容。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (9)
1.一种电池旁路均衡控制系统，包括电池组串、以及与所述电池组串连接的储能变流器，所述电池组串包括多个串并联的电池包，其特征在于，还包括与所述电池包连接的旁路均衡控制器：
所述旁路均衡控制器被配置为：
在所述电池组串处于放电状态时，循环定义所述电池组串中容量最低的电池包为待均衡电池包，主动进入斩波控制状态，承担所述待均衡电池包的部分电流，直至所述待均衡电池包不是所述电池组串中容量最低的电池包；
在所述电池组串处于充电状态时，循环定义所述电池组串中容量最高的电池包为待均衡电池包，主动进入斩波控制状态，承担所述待均衡电池包的部分电流，直至所述待均衡电池包不是所述电池组串中容量最高的电池包。
2.根据权利要求1所述电池旁路均衡控制系统，其特征在于，所述旁路均衡控制器为多个，每个所述旁路均衡控制器与所述电池组串中不同的所述电池包连接。
3.根据权利要求1所述电池旁路均衡控制系统，其特征在于，所述旁路均衡控制器包括第一开关组件和第二开关组件；
所述旁路均衡控制器的第一端连接上一级旁路均衡控制器的第二端或所述储能变流器的第一端；所述旁路均衡控制器的第一端被配置为在电池包充电时，输入上一级旁路均衡控制器的第二端或储能变流器的第一端输出的总充电电流；在电池包放电时，输出总放电电流给上一级旁路均衡控制器的第二端或储能变流器的第一端；
所述旁路均衡控制器被配置为：当主动进入所述斩波控制状态后，控制所述第一开关组件和所述第二开关组件工作，使得所述总充电电流或总放电电流中部分电流通过所述第一开关组件流过所述电池包，进行所述电池包的充放电；所述总充电电流或总放电电流中另一部分电流通过所述第二开关组件流向旁路均衡控制器的第二端；所述旁路均衡控制器的第二端被配置为在电池包充电时，输出总充电电流给下一级旁路均衡控制器的第一端或储能变流器的第二端；在电池包放电时，输入下一级旁路均衡控制器的第一端或储能变流器的第二端输出的总放电电流。
4.根据权利要求3所述电池旁路均衡控制系统，其特征在于，所述旁路均衡控制器还包括电感和第一电容；
所述电感的第一端作为所述旁路均衡控制器的第一端，所述电感的第二端分别连接至所述第一开关组件的第一端和所述第二开关组件的第一端，所述第一开关组件的第二端分别连接至所述电池包的正极和所述第一电容的第一端，所述第一电容的第二端连接所述电池包的负极；所述第二开关组件的第二端和所述第一电容的第二端共同作为所述旁路均衡控制器的第二端。
5.根据权利要求3所述电池旁路均衡控制系统，其特征在于，所述旁路均衡控制器还包括连接在其第一端和第二端之间的第二电容。
6.根据权利要求3所述电池旁路均衡控制系统，其特征在于，
所述第一开关组件和所述第二开关组件均为功率管。
7.根据权利要求3所述电池旁路均衡控制系统，其特征在于，
所述旁路均衡控制器被配置为：
配置所述斩波控制状态的斩波占空比为D；
当主动进入所述斩波控制状态后，使得流过所述第一开关组件的电流为I*D，流过所述第二开关组件的电流为I*(1-D)，I为所述总充电电流或所述总放电电流。
8.一种电池旁路均衡控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-7中任一权利要求所述的电池旁路均衡控制系统；所述电池旁路均衡控制方法包括：
在电池组串处于放电状态时，循环定义所述电池组串中容量最低的电池包为待均衡电池包，主动进入斩波控制状态，承担所述待均衡电池包的部分电流，直至所述待均衡电池包不是所述电池组串中容量最低的电池包；
在电池组串处于充电状态时，循环定义所述电池组串中容量最高的电池包为待均衡电池包，主动进入斩波控制状态，承担所述待均衡电池包的部分电流，直至所述待均衡电池包不是所述电池组串中容量最高的电池包。
9.根据权利要求8所述电池旁路均衡控制方法，其特征在于，所述承担所述待均衡电池包的部分电流具体包括：
配置所述斩波控制状态的斩波占空比为D；
当主动进入所述斩波控制状态后，使得流过第一开关组件的电流为I*D，流过第二开关组件的电流为I*(1-D)，I为所述总充电电流或所述总放电电流。
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2023
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