CN116799901A - 一种用于电池系统的可重构变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电源技术领域，提供了一种用于电池系统的可重构变换器及其控制方法，其包括可重构电池模块和控制单元；所述控制单元和可重构电池模块连接，所述可重构电池模块包括多个电池组和多个开关管，根据电池组的数量设置开关的数量，所述控制单元用于根据设定的荷电状态阈值，识别出符合荷电状态要求的电池组，根据电池组切换相应的开关管，将其优先放电，通过切换不同的开关管，组合不同的电池组以及配置不同的工作模式。可以解决不同健康状态和不同类似的电池均衡问题，应用在电池包内电池的能力均衡及不同电池包的能量均衡。

Description

一种用于电池系统的可重构变换器及其控制方法

技术领域

本发明属于电源技术领域，尤其涉及一种用于电池系统的可重构变换器及其控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

由于化石能源等不可再生能源日益减少，环境保护问题日益突出，全球交通运输等行业朝着低碳化方向发展。储能电池技术是其中的一项关键技术，由于锂离子电池具有能量密度高、自放电率低、功率性能好、环境友好等显著优点成为储能电池的研究重点。

当使用多个电池为负载供电时，电池之间难免会有能量差异，造成电池组的容量降低，电池的寿命降低。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种用于电池系统的可重构变换器及其控制方法，其可以解决不同健康状态和不同类似的电池均衡问题，应用在电池包内电池的能力均衡及不同电池包的能量均衡，可以采用不同的工作模式。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种用于电池系统的可重构变换器，包括：可重构电池模块和控制单元；所述控制单元和可重构电池模块连接，所述可重构电池模块包括多个电池组和多个开关管，根据电池组的数量设置开关的数量，所述控制单元用于根据设定的荷电状态阈值，识别出符合荷电状态要求的电池组，根据电池组切换相应的开关管，将其优先放电，通过切换不同的开关管，组合不同的电池组以及配置不同的工作模式。

进一步地，所述可重构电池模块包括n个电池组和4n个开关；所述多个电池组串联连接，其串联后两端的电池组分别为电池组V1、电池组Vn，电池组V1和电池组Vn之间每两个电池组之间设置一个开关管，每个电池组的负极并联两个开关管；4n个开关管中每个开关管与控制单元连接，每个开关管用于根据控制单元的驱动信号来导通断开。

进一步地，所述可重构变换器还包括升压转换模块和外部电源；

所述可重构电池模块连接外部电源的负极，所述升压转换模块包括第一开关、电感和二极管和电容，所述电感一端通过第二开关连接至外部电源的正极，另一端和二极管的阳极连接，所述第一开关和电容并联连接至负载两端。

进一步地，所述工作模式包括充电模式、供电模式、均衡模式和备用模式。

本发明的第二个方面提供一种用于电池系统的可重构变换器的控制方法，包括如下步骤：

获取每个电池组的SOC；

根据设定的SOC阈值，识别出符合SOC要求的电池组；

根据电池组切换相应的开关管，基于放电控制方法将其优先放电，通过切换不同的开关管，组合不同的电池组以及配置不同的工作模式。

进一步地，所述放电控制方法包括：

找出SOC最高的电池组，其对电感器进行充电；

按照SOC对电池组进行排序，为最高SOC电池组放电，其余低SOC模块充电；

电感器存储来自高SOC电池组的能量，电感器和最高SOC的电池组向负载和其他电池组释放能量。

或

所述放电控制步骤还包括：

按照SOC对电池组从大到小进行排序，由SOC高的电池组为负载提供更多的能量来实现均衡；

电感器存储来自电池系统的能量。在第一开关断开期间，电感器中的能量通过二极管释放到负载，最高SOC电池组在整个开关周期内向负载提供能量，而其余电池组仅在升压期间内放电。

进一步地，还包括充电控制步骤，所述充电控制步骤包括：

获取每个电池组的SOC；

按照SOC对电池组进行排序，得到最小SOC与最大SOC的电池组；

从外部获取能量，对最小SOC对应的电池组进行充电，当最小SOC与其相邻SOC的电池组的SOC达到一致时，同时对这两个电池组充电，最后，当所有电池组SOC达到一致时，均衡过程结束，并对所有电池组充电。

进一步地，所述工作模式包括充电模式、供电模式、均衡模式和备用模式。

进一步地，所述充电模式包括两种：第一种充电模式为若用户不需要在充电期间为负载供电，不使用boost升压转换器；第二种充电模式为允许外部电源为电池充电的同时为负载供电。

进一步地，所述均衡模式下，包括一个模块对两个模块的能量转移、两个模块对一个模块的能量转移以及多模块到单模块的能量转移。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的电池系统可以解决不同健康状态和不同类似的电池均衡问题，应用在电池包内电池的能力均衡及不同电池包的能量均衡。本发明的电池系统可重新配置为不同的工作模式：供电模式，充电模式，均衡模式和备用模式。可根据需要进行模式切换。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书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是本发明实施例提供的用于电池系统的可重构变换器结构图；

图2是本发明实施例提供的Boost升压电路；

图3(a)-图3(b)是本发明实施例提供的充电模式，图3(a)是第一种充电模式，图3(b)是第二种充电模式；

图4(a)-图4(b)是本发明实施例提供的电池模块B3为负载供电；图4(a)是电池模块B3为负载供电，图4(b)是电池模块B2和B3为负载供电；

图5(a)-图5(c)是本发明实施例提供一个切换周期内的均衡模式示意图；其中，图5(a)为单模块到单模块,如B1对B2充电；图5(b)为单模块到多模块，如B1对B2和B3充电，图5(c)为多模块到单模块，如B1和B2对B3充电；

图6是本发明实施例提供的备用模式；

图7是传统的两种充电均衡的SOC均衡控制算法；

图8是传统的放电过程中SOC均衡控制算法的流程图；

图9(a)-图9(c)是本发明实施例提供的当充电时无需负载工作时的充电均衡，图9(a)为对电池模块B3充电，图9(b)为对电池模块B2充电,图9(c)为同时对电池模块B2，B3充电；

图10(a)-图10(c)是本发明实施例提供的充电均衡控制策略,图10(a)为从外部电源获取能量，图10(b)为对电池模块B3充电,图10(c)为同时对电池模块B2，B3充电；

图11(a)-图11(b)是本发明实施例提供的第一种放电均衡控制策略,图11(a)为电感器存储来自B1的能量，并向负载和其他电池模块释放能量，图11(b)为电感器存储来自B1和B2的能量，并向负载和其他电池模块释放能量；

图12(a)-图12(b)是本发明实施例提供的第二种放电均衡控制策略；图12(a)为升压期间电感器存储来自所有电池模块的能量，图12(b)为升压转换器开关Sb断开期间，电感器在仅B1供电的情况下放电到负载中。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

本实施例提供一种用于电池系统的可重构变换器，包括：可重构电池模块、控制单元、升压转换模块以及外部电源；所述控制单元分别连接至可重构电池模块和升压转换模块，所述可重构电池模块包括多个电池组和多个开关管，根据电池的数量设置开关的数量，所述控制单元用于根据设定的荷电状态阈值，识别出符合荷电状态要求的电池组，根据电池组切换相应的开关管，将其优先放电，通过切换不同的开关管，组合不同的电池组以及配置不同的工作模式。

本实施例中，所述可重构电池模块包括多个电池组和多个开关；

具体地，所述可重构电池模块包括n个电池组和4n个开关。

所述多个电池组串联连接，其串联后两端的电池组分别为电池组V1、电池组Vn，电池组V1和电池组Vn之间每两个电池组之间设置一个开关管，每个电池组的负极并联两个开关管；4n个开关管中每个开关管与控制单元相连，用于根据控制单元的驱动信号来控制开关管导通和断开。

所述可重构电池模块连接外部电源的负极，所述升压转换模块包括第一开关Sb、电感L、二极管D2和电容C，所述电感L一端通过第二开关So连接至外部电源的正极，另一端和二极管的阳极连接，所述第一开关Sb和电容C并联连接至负载R两端。

所述不同的工作模式包括：1外部电源充电、2为负载供电、3平衡模式、4备用模式。

本发明的可重构变换器电池系统拓扑如图1所示，以三个电池组为例，同样的拓扑结构可适用于更多数量的电池。

图2为其中的Boost升压电路结构，其中输出电压Vout、输入电压Vin和占空比D的关系如式(1)所示：

该发明包括充电模式、供电模式、均衡模式和备用模式四种工作状态。

下面将详细解释所提出的所有操作模式：

下面对不同的工作模式进行详细解释:

第一种工作模式：外部电源充电

外部电源充电模式根据用户需要可分为两种：

第一种充电模式：若用户不需要在充电期间为负载供电则断开开关So，不使用boost升压转换器，仅用外部电源为电池组充电。二极管D1是为了防止外部电源短路，如图3(a)所示。

第二种充电模式：允许外部电源为电池充电的同时为负载供电，此模式下打开开关So，如图3(b)所示。

第二种工作模式：供电模式

图4(a)和图4(b)显示了系统为负载供电时的配置。第二开关Sb、电感L和二极管D2构成boost升压转换器进行升压操作。其中，电池通过升压转换器为负载供电，其占空比由控制系统确定。

在图4(a)中，第三电池组B3为负载供电，而在图4中(b)，第二电池组B2和第三B3为负载供电。通过利用开关S1–S12的不同开关模式，可以选择性地选择不同的输入电压，具体开关的切换模式如表1所述。

表1电池组的不同选择方式

第三种工作模式：均衡模式

均衡模式可实现从SOC高的电池组向SOC低的电池组的能量转移，其能量转移利于电感L得以实现。图5(a)-图5(b)显示了向右的能量转移。图5(a)显示了一个模块对一个模块的能量转移，图5(a)中，开关Sb，S6，S12，s9，s10，So始终接通，通过接通开关S1，断开开关S3，使B1中的能量转移到电感L1，之后断开开关S1，接通S3电感L中的能量被释放，并对B2充电。实现了B1到B2的能量转移。重复相同的切换周期直到两个模块达到平衡。图5(b)显示了一个模块对两个模块的能量转移，图5(c)显示了两个模块对一个模块的能量转移。

传统的可重构电池系统可在充电期间与放电期间实现电池均衡，具体包括如下步骤：

步骤1：获取电池组的SOC；

步骤2：按照SOC进行排序，得到最小SOC与最大SOC的电池组；

步骤3：判断最大SOC与最小SOC的差值是否小于设定阈值，若小于，对多有电池组充电，否则对SOC最小的电池组充电或放电，当该电池组的SOC达到与其相邻电池组的SOC值时，同时对这两个电池组充电或放电，并将这两个电池组视为一个电池组。

第四种工作模式：备用模式

备用模式可以在电池系统故障的情况下，继续使用外部电源为负载供电，或者可以使用该模式来改变或维护电池系统，而不会中断负载。图6显示了从外部电源为负载供电的状况。

图7为传统的两种充电均衡的SOC均衡控制算法，图8为传统的放电过程中SOC均衡控制算法的流程图。

实施例二

本实施例提供一种用于电池系统的可重构变换器的控制方法，包括：

下面将结合实施例详细讲述放电均衡及充电均衡。

(1)充电均衡

当充电时无需负载工作时，即使用第一种充电形式，BMS可根据电池的SOC对各个电池有选择地进行充电，如图9(a)-图9(c)所示：

当接入Boost升压转换器时可借助电感实现均衡，假设BMS检测到电池组B3的SOC最低，电池组B1的SOC最高时，充电均衡控制策略应调整如下：

首先，如图10(a)所示，电池组与电感从外部电源获取能量。然后，如图10(b)所示，接通开关S7，S11和S12，对电池组B3进行充电。当电池组B2和B3的SOC达到一致时，如图10(c)所示，关闭S7，打开S6和S10同时对B2和B3充电，最后，当所有电池组SOC达到一致时，均衡过程结束，并对所有电池组充电。

(2)放电均衡

放电均衡也可使用两组均衡策略。

第一种放电均衡控制策略模型如图11(a)-图11(b)所示。在放电均衡过程中，首先找出SOC最高的电池组，其先对电感器进行充电。由于流经电感器的电流不能立即改变，因此能量将转移到SOC较低的电池组。当SOC从大到小为B1,B2,B3时，电池组的SOC均衡过程为最高SOC模块放电，其余低SOC模块充电。电感器存储来自高SOC电池组的能量，之后电感器和最高SOC的电池组向负载和其他电池组释放能量。

第二种放电均衡控制策略如图12(a)-图12(b)所示，仍假设电池组的SOC从大到小为B1,B2,B3时，由SOC高的电池组为负载提供更多的能量来实现均衡，此种均衡策略可避免高升压比的情况。在图12(a)中的升压期间，电感器通过开关Sb、S1、S8存储来自电池系统的能量。在图12(b)中的升压转换器Sb开关断开期间，电感器中的能量通过二极管D2释放到负载，开关S6接通。通过这种方法，电池组B1在整个开关周期内向负载提供能量，而B2、B3仅在升压期间内放电。此外，由于平均输入电压高于单个模块电压，所需的升压比下降。

当电池组B2或B3具有最高SOC时，开关模式类似，在次不再赘述。

上述技术优势在于，此电池系统可以解决不同健康转态和不同类似的电池均衡问题，应用在电池包内电池的能力均衡及不同电池包的能量均衡。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.可重构电池模块和控制单元；所述控制单元和可重构电池模块连接，所述可重构电池模块包括多个电池组和多个开关管，根据电池组的数量设置开关的数量，所述控制单元用于根据设定的荷电状态阈值，识别出符合荷电状态要求的电池组，根据电池组切换相应的开关管，将其优先放电，通过切换不同的开关管，组合不同的电池组以及配置不同的工作模式。

2.如权利要求1所述的一种用于电池系统的可重构变换器，其特征在于，所述可重构电池模块包括n个电池组和4n个开关；所述多个电池组串联连接，其串联后两端的电池组分别为电池组V1和电池组Vn，电池组V1和电池组Vn之间每两个电池组之间设置一个开关管，每个电池组的负极并联两个开关管；4n个开关管中每个开关管与控制单元连接，每个开关管用于根据控制单元的驱动信号来导通断开。

3.如权利要求1所述的一种用于电池系统的可重构变换器，其特征在于，所述可重构变换器还包括升压转换模块和外部电源；

所述可重构电池模块连接外部电源的负极，所述升压转换模块包括第一开关、电感和二极管和电容，所述电感一端通过第二开关连接至外部电源的正极，另一端和二极管的阳极连接，所述第一开关和电容并联连接至负载两端。

4.如权利要求1所述的一种用于电池系统的可重构变换器，其特征在于，所述工作模式包括充电模式、供电模式、均衡模式和备用模式。

5.如权利要求1-4任一所述的一种用于电池系统的可重构变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取每个电池组的SOC；

根据设定的SOC阈值，识别出符合SOC要求的电池组；

根据电池组切换相应的开关管，基于放电控制方法将其优先放电，通过切换不同的开关管，组合不同的电池组以及配置不同的工作模式。

6.如权利要求5所述的一种用于电池系统的可重构变换器的控制方法，其特征在于，所述放电控制方法包括：

找出SOC最高的电池组，其对电感器进行充电；

按照SOC对电池组进行排序，为最高SOC电池组放电，其余低SOC模块充电；

电感器存储来自高SOC电池组的能量，电感器和最高SOC的电池组向负载和其他电池组释放能量；

或

所述放电控制步骤包括：

按照SOC对电池组从大到小进行排序，由SOC高的电池组为负载提供更多的能量来实现均衡；

电感器存储来自电池系统的能量，在第一开关断开期间，电感器中的能量通过二极管释放到负载，最高SOC电池组在整个开关周期内向负载提供能量，而其余电池组仅在升压期间内放电。

7.如权利要求5所述的一种用于电池系统的可重构变换器的控制方法，其特征在于，还包括充电控制步骤，所述充电控制步骤包括：

获取每个电池组的SOC；

按照SOC对电池组进行排序，得到最小SOC与最大SOC的电池组；

从外部获取能量，对最小SOC对应的电池组进行充电，当最小SOC与其相邻SOC的电池组的SOC达到一致时，同时对这两个电池组充电，最后，当所有电池组SOC达到一致时，均衡过程结束，并对所有电池组充电。

8.如权利要求5所述的一种用于电池系统的可重构变换器的控制方法，其特征在于，所述工作模式包括充电模式、供电模式、均衡模式和备用模式。

9.如权利要求8所述的一种用于电池系统的可重构变换器的控制方法，其特征在于，所述充电模式包括两种：第一种充电模式为若用户不需要在充电期间为负载供电，不使用boost升压转换器；第二种充电模式为允许外部电源为电池充电的同时为负载供电。

10.如权利要求8所述的一种用于电池系统的可重构变换器的控制方法，其特征在于，所述均衡模式下，包括一个模块对两个模块的能量转移、两个模块对一个模块的能量转移以及多模块到单模块的能量转移。