CN116846027B - 一种储能电池组串监测及动态均衡装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种储能电池组串监测及动态均衡装置，包括：电池模组，所述电池模组包含多个电池单体，多个所述电池模组构成可重构电路；采集模块，用于周期性的采集电池模组处于隔离状态下的端部电压和电流；控制模块，获取每个检测周期检测时间t内检测电池模组的端部隔离电压U隔离以及对应的端部平均电压U平均，根据U平均与U隔离的电压差变化率k选择确定主动均衡接入供电电池模组对其它电池模组补电均衡控制。本发明所述的储能电池组串监测及动态均衡装置，能够监测电池模组的状态，并根据检测结果进行动态均衡控制，有效地解决电池模组之间容量不匹配或电压差异过大的问题，提高整个电池组串的性能和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及储能技术领域，特别涉及一种储能电池组串监测及动态均衡装置。
背景技术
作为提升电力系统对规模化新能源发电消纳能力的一种有效措施，电池储能技术一直是研究热点。随着新能源发电在电网的渗透率逐步提高，储能系统的容量也逐渐从过去的kW级发展到近年来的百MW级。
锂离子电池由于其自放电率低、电池电压高、充电效率高、没有记忆效应、能量密度高等优点在电动车中被广泛使用。不过由于锂离子电池本身的固有特性，是具有明显的非线性、不一致性和时变特性，其在长期充放电过程中易受各单体电池间充电接受能力的差异影响，造成电池之间的离散性加大、性能衰减加剧，进而影响使用寿命，同时不一致性的短板效应造成储能系统利用率降低并且极易产生缺陷锂离子电池单体发生过充或过放并有可能会产生威胁安全的严重后果。
现有技术对储能系统的锂离子电池组串进行管理大多采用分层集中监测管理，受到监测电路模块I/O接口数量限制，一个监测管理电路模块监测和管理锂离子电池组串中的数个或数十个单体锂离子电池连接的锂离子电池组或锂离子电池包，再由多个连接监测管理电路模块的锂离子电池组或锂离子电池包串联构成锂离子电池组串并由上一级管理模块进行管控，MW级的储能系统往往超过三个层级的管理控制。电池荷电状态(stateofcharge，SOC)的精确估计是进行有效电池管理的关键，而SOC受到温度、电压、电流、老化程度及个体差异等多种因素的影响，并且SOC与这些因素间呈现非线性关系，难以做到准确的测量和估算。目前的电池管理系统(BMS)是叠加在刚性固定串并联电池组之上的一个信息系统，主要功能是测量电池工作电压、电流，温度等参数，保护电池系统，进行电池串级充电均衡等，无法从根本解决上述电池应用中的问题，也很难支撑电池梯次利用等应用场景。
储能系统通常采用串联电池组来提供高电压和高容量。然而，在一组电池组中，其容量取决于容量最小的单体电池，容量小的单体电池充电时先充满，放电时先放空，制约电池系统中其它电池的充放电能力，造成电池系统的可用容量下降。如果不使用均衡技术干预，在长时间的运行下，导致部分电池出现频繁的过充或过放，使得电池的两极分化越来越严重，电池系统的可用容量进一步下降，也进一步影响储能系统的使用寿命。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种储能电池组串监测及动态均衡装置，以解决上述技术问题中的至少一个。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种储能电池组串监测及动态均衡装置，包括：
电池模组，所述电池模组包含多个电池单体，多个所述电池模组通过电池模组开关阵列与直流母线构成可重构电路，所述电池模组开关阵列根据开关阵列通断改变电池模组之间的串并联关系；
采集模块，用于周期性的采集电池模组处于隔离状态下的端部电压和电流；
控制模块，获取每个检测周期检测时间t内检测电池模组的端部隔离电压U隔离以及对应的端部平均电压U平均，U平均为恒流充放电过程中电池模组的平均电压值，U平均-U隔离的差值为△U，△U为电池模组的端部电压变化值，计算△U与预设时间Q的比值作为电压差变化率k，选择改变k值最小值的电池模组的电池模组开关阵列，使其与其它电池模组构成串联电路，该电池模组在该检测周期内充放电过程中作为主动均衡接入供电电池模组对其它电池模组补电均衡控制。
进一步的，在恒流充电过程中，以预设的电池模组在充放电阶段的电路模型输出端部平均电压U平均为目标电压，在恒流放电过程中，预设的电池模组在放电阶段的电路模型输出的任意检测周期时刻的第二端电压等于该时刻对应的所述端部隔离电压U隔离的目标电压，根据所述电路模型、检测周期时刻以及检测的端部隔离电压U隔离，获取所述电路模型的目标模型参数。
进一步的，所述电路模型为用户预先输入到所述控制模块中，或者，所述电路模型为控制模块预先自行构建的，或者，所述电路模型为其它设备构建后发送给所述控制模块的
进一步的，所述控制模块中的均衡控制在SOC估算算法计算值在25％～85％之间进行
进一步的，在每个周期性检测T内，电压差变化率k最大的电池模组对其它电池模组补电过程中采用开一段时间关一段时间的方式进行补电均衡控制。
进一步的，统计电压差变化率k的离散方差，离散方差值越大，进行均衡控制的周期性检测T越小。
进一步的，每个电池模组包含若干个串联的电池单体，每个电池单体对应设置一个接入开关和一个旁路开关，所述接入开关用于将其对应的电池单体接入该电池模组中，所述旁路开关用于将其对应的电池单体旁路，同一电池单体对应的接入开关和旁路开关反向通断，所述采集模块中的检测装置能够用于检测获取每个电池单体的SOC，所述接入开关和旁路开关用于根据电池单体的SOC控制其在均衡控制补电时接入或者旁路，以进行电池模组内电池单体的选择性放电，实现电池模组内的电池单体之间的在线均衡放电。
进一步的，所述电池模组在进行均衡控制补电时，包括如下步骤：
步骤S1：在均衡补电过程中获取各个电池单体的SOC；
步骤S2：根据每个电池单体SOC的大小，控制接入开关和/或旁路开关的通断，使得该电池模组中电池单体轮转放电，实现放电过程中单个电池模组内电池单体之间的在线均衡。
进一步的，所述电池模组在进行均衡控制补电时，轮空SOC值最低的电池单体。
相对于现有技术，本发明所述的储能电池组串监测及动态均衡装置具有以下优势：
(1)本发明所述的储能电池组串监测及动态均衡装置，能够监测电池模组的状态，并根据检测结果进行动态均衡控制，有效地解决电池模组之间容量不匹配或电压差异过大的问题，确保各个电池模组在充放电过程中的均衡运行，提高整个电池组串的性能和寿命。
(2)本发明所述的储能电池组串监测及动态均衡装置，在通过电压差变化率k进行可重构电路连接选择电池模组对其它电池模组进行充电补充均衡控制的基础上，进一步对该被选择的电池模组中的电池单体进行轮转充放电的方式，控制各个电池单体的充电速度和进度，实现电池模组在线均衡充放电，结构简单，控制精准，节省主动均衡所需要的时间，提高均衡效率，同时，也避免了电池模组在充电均衡中过放的问题。
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。在附图中：
图1为本发明实施例可重构电池组的拓扑连接关系结构示意图；
图2为本发明实施例所述电池模组开关阵列的结构示意图；
图3为发明所述实施例所述储能电池组串监测及动态均衡装置的控制方法流程图；
图4为本发明实施例所述电池模组中电池单体旁路轮空的结构示意图；
附图标记说明：
电池模组开关阵列1，第一开关11，第二开关12，第三开关13，第四开关14，第五开关15，直流母线2，电池模组3，电池单体31，接入开关32，旁路开关33。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及达到目的与功效易于理解，下面结合具体图示对本发明的实施例进行详细说明。
需要说明，本发明中所有进行方向性和位置性指示的术语，诸如：“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“低”、“横向”、“纵向”、“中心”等，仅用于解释在某一特定状态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、连接情况等，仅为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
如图1～4所示，本发明所述的储能电池组串监测及动态均衡装置，包括：
电池模组3，所述电池模组3包含多个电池单体31，多个所述电池模组3通过电池模组开关阵列1与直流母线2构成可重构电路，所述电池模组开关阵列1根据开关阵列通断改变电池模组3之间的串并联关系；
采集模块，用于周期性的采集电池模组3处于隔离状态下的端部电压和电流；
控制模块，获取每个检测周期检测时间t内检测电池模组3的端部隔离电压U隔离以及对应的端部平均电压U平均，U平均为恒流充放电过程中电池模组的平均电压值，U平均-U隔离的差值为△U，△U为电池模组3的端部电压变化值，计算△U与预设时间Q的比值作为电压差变化率k，选择改变k值最小值的电池模组3的电池模组开关阵列1，使其与其它电池模组3构成串联电路，该电池模组3在该检测周期内充放电过程中作为主动均衡接入供电电池模组对其它电池模组3补电均衡控制。
本发明所述的储能电池组串监测及动态均衡装置，通过周期性的采集隔离状态下的电池模组的端部电压和电流，能够实时检测每个电池模组的状态，便于后续的均衡控制，通过获取检测的端部隔离电压和平均电压计算电压差变化率k，选择具有最小k值的电池模组，通过改变其与其它电池模组3的电池模组开关阵列1，使其与其它电池模组3构成串联电路，这样，在充放电过程中，其它电池模组3从主动均衡供电的电池模组3获取补电，以实现电池模组3之间的动态均衡。如图1所示的可重构电池模组开关阵列1，包括若干个电池模组3，例如电池模组SN1、电池模组SN2、电池模组SN3、电池模组SN4、电池模组SN5等，每个电池模组通过5个可控开关(例如IGBT或者mos管)与直流母线2和其它相邻的电池模组连接，所述电池模组开关阵列1采用多层级、细粒度的电池能量流的离散化数字化处理和管控，实现管控系统相对独立于电池的物理和化学特性，动态调整电池单体之间的串并联，如电池模组SN1通过第一开关11、第二开关12与直流母线连通，电池模组SN1通过第三开关13、第四开关14、第五开关15以及对应的电连线与电池模组SN2连通，当第一开关11、第二开关12、第三开关13、第四开关14处于打开状态，所述第五开关15处于断开状态时，所述电池模组SN1与电池模组SN2并联连接，当第一开关11、第二开关12、第五开关15处于打开状态，所述第三开关13、第四开关14处于断开状态，所述电池模组SN1处于隔离状态；当所述第一开关11、第四开关14处于打开状态，所述第二开关12、第三开关13、第五开关15处于断开状态，所述电池模组SN1与电池模组SN2串联连接，通过上述电池模组开关阵列1中不同开关的通断使得多个所述电池模组3与直流母线2构成可重构电路，实现电池模组3端部电压以及充放电过程中主动均衡的动态调整。
本发明所述的储能电池组串监测及动态均衡装置，能够监测电池模组的状态，并根据检测结果进行动态均衡控制，有效地解决电池模组之间容量不匹配或电压差异过大的问题，确保各个电池模组在充放电过程中的均衡运行，提高整个电池组串的性能和寿命。
作为本发明的较佳示例，在恒流充电过程中，以预设的电池模组3在充放电阶段的电路模型输出端部平均电压U平均为目标电压，在恒流放电过程中，预设的电池模组在放电阶段的电路模型输出的任意检测周期时刻的第二端电压等于该时刻对应的所述端部隔离电压U隔离的目标电压，根据所述电路模型、检测周期时刻以及检测的端部隔离电压U隔离，获取所述电路模型的目标模型参数。即对该电路模型的待定参数进行预估，其中一个目标模型参数为电池的开路电压，因此可获得所述目标电池的开路电压。
通过电路模型和检测数据，确定目标电池模组的开路电压，并且通过参数预估的方式，可以快速获取电池模组的需要的开路电压，能够更准确的实现电池组串的电池均衡控制，提高储能系统的性能和使用的可靠性。
作为本发明的较佳示例，所述电路模型中可以包括端电压、电池的开路电压与变时间常数的关系，变时间常数与电池静止时长正相关，也即，某时刻的时间常数随着时刻的增大而增大。
作为本申请的较佳示例，该电路模型的方程可以为：
其中，U目标表示该检测周期所述电路模型输出的目标电压，U隔离以表示所述电路模型输出的该检测周期的端部隔离电压，UOCV表示电池的开路电压，Et表示时刻t对应的时间常数，m表示线性方程的斜率系数，n表示所述线性方程的常数系数，该电路模型的待定参数包括：m、n及UOCV。
本申请所述的电路模型，可以是用户预先输入到所述控制模块中的，也可以是所述控制模块预先自行构建的，还可以是其它设备构建后发送给所述控制模块的。可以理解的是，上述电路模型的获取方式仅为举例说明，在此不对电路模型的具体获得方式进行限定。
该设置公开了一种电路模型的构建方式，基于时间常数在电池静置时间段内逐渐增大的特性构建变时间常数的电路模型，能够准确刻画电池模组在主动均衡阶段电池电压的变化特性，提高模型的精准度，减小拟合误差。
作为本发明的较佳示例，控制模块中的均衡控制在SOC估算算法计算值在25％～85％之间进行。SOC估计算法根据预先存储电池组的OCV-SOC曲线，对电池组进行充电或放电，记录所述SOC算法运算时间和占用内存空间，根据预先存储的OCV-SOC关系曲线获取参考SOC值。当SOC估算算法计算值在0％～25％、85％～100％，实时更新的电池模型以及电流和端电压信息对电池SOC做出估算，参数辨识与SOC估计算法均采用精度较高的二阶RC等效电路模型。
该设置通过结合SOC估算算法以及电路模型，实现对电池组的估算SOC在特定范围内进行均衡控制，SOC估算算法计算值在25％～85％之间时，电池模组3的端部隔离电压U隔离和开路电压UVOC基本维持稳定，将电池模组3的端部隔离电压U隔离，根据预设的SOC曲线，电池模组3的端部隔离电压U隔离与电池模组3的开路电压UVOC的差值与恒定电流I恒定呈大致固定的比例关系，便于采用恒定电流进行计算补充电量的精准性。
作为本发明的较佳示例，统计电压差变化率k的离散方差，离散方差值越大，进行均衡控制的周期性检测T越小。
该设置减少了冗余检测和计算，在保证充放电均衡控制的基础上，进一步减少能量浪费，提升储能系统的使用性能。
作为本发明的较佳示例，如图3所示，每个电池模组3包含若干个串联的电池单体31，每个电池单体31对应设置一个接入开关32和一个旁路开关33，所述接入开关32用于将其对应的电池单体31接入该电池模组3中，所述旁路开关33用于将其对应的电池单体31旁路，同一电池单体31对应的接入开关32和旁路开关33反向通断，所述采集模块中的检测装置能够用于检测获取每个电池单体31的SOC，所述接入开关32和旁路开关33用于根据电池单体31的SOC控制其在均衡控制补电时接入或者旁路，以进行电池模组3内电池单体31的选择性放电，实现电池模组3内的电池单体31之间的在线均衡放电。在使用时，每个所述电池模组3中全部的旁路开关33不同时接通，以避免发生短路，保证储能系统的使用安全性。
该设置在通过电压差变化率k进行可重构电路连接选择电池模组3对其它电池模组进行充电补充均衡控制的基础上，进一步对该被选择的电池模组3中的电池单体31进行轮转充放电的方式，控制各个电池单体31的充电速度和进度，实现电池模组在线均衡充放电，结构简单，控制精准，节省主动均衡所需要的时间，提高均衡效率，同时，也避免了电池模组在充电均衡中过放的问题。
作为本发明的较佳示例，所述电池模组3在进行均衡控制补电时，包括如下步骤：
步骤S1：在均衡补电过程中获取各个电池单体的SOC；
步骤S2：根据每个电池单体SOC的大小，控制接入开关32和/或旁路开关33的通断，使得该电池模组3中电池单体31轮转放电，实现放电过程中单个电池模组3内电池单体31之间的在线均衡。
作为优选，所述电池模组3在进行均衡控制补电时，轮空SOC值最低的电池单体31。该设置使得电池模组3在放电对其它电池模组3进行补电均衡控制时，当其它电池单体的SOC低于原有SOC最低的电池单体时，将该电池单体旁路，将原有SOC最低的电池单体接入电路参与放电，从而逐渐使得同一个电池模组3内的电池单体的SOC趋于均衡，保证了放电时的电池模组3组内的在线均衡。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (8)
1.一种储能电池组串监测及动态均衡装置，其特征在于，包括：
电池模组(3)，所述电池模组(3)包含多个电池单体(31)，多个所述电池模组(3)通过电池模组开关阵列(1)与直流母线(2)构成可重构电路，所述电池模组开关阵列(1)根据开关阵列通断改变电池模组(3)之间的串并联关系；
采集模块，用于周期性的采集电池模组(3)处于隔离状态下的端部电压和电流；
控制模块，获取每个检测周期检测时间t内检测电池模组(3)的端部隔离电压U隔离以及对应的端部平均电压U平均，U平均为恒流充放电过程中电池模组的平均电压值，U平均-U隔离的差值为△U，△U为电池模组(3)的端部电压变化值，计算△U与预设时间Q的比值作为电压差变化率k，选择k值最小值的电池模组(3)的电池模组开关阵列(1)，使其与其它电池模组(3)构成串联电路，该电池模组(3)在该检测周期内充放电过程中作为主动均衡接入供电电池模组对其它电池模组(3)补电均衡控制。
2.根据权利要求1所述的储能电池组串监测及动态均衡装置，其特征在于，在恒流充电过程中，以预设的电池模组(3)在充放电阶段的电路模型输出端部平均电压U平均为目标电压，在恒流放电过程中，预设的电池模组在放电阶段的电路模型输出的任意检测周期时刻的第二端电压等于该时刻对应的所述端部隔离电压U隔离的目标电压，根据所述电路模型、检测周期时刻以及检测的端部隔离电压U隔离，获取所述电路模型的目标模型参数。
3.根据权利要求2所述的储能电池组串监测及动态均衡装置，其特征在于，所述电路模型为用户预先输入到所述控制模块中，或者，所述电路模型为控制模块预先自行构建的，或者，所述电路模型为其它设备构建后发送给所述控制模块的。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的储能电池组串监测及动态均衡装置，其特征在于，所述控制模块中的均衡控制在SOC估算算法计算值在25％～85％之间进行。
5.根据权利要求1所述的储能电池组串监测及动态均衡装置，其特征在于，统计电压差变化率k的离散方差，离散方差值越大，进行均衡控制的周期性检测T越小。
6.根据权利要求1或5所述的储能电池组串监测及动态均衡装置，其特征在于，每个电池模组(3)包含若干个串联的电池单体(31)，每个电池单体(31)对应设置一个接入开关(32)和一个旁路开关(33)，所述接入开关(32)用于将其对应的电池单体(31)接入该电池模组(3)中，所述旁路开关(33)用于将其对应的电池单体(31)旁路，同一电池单体(31)对应的接入开关(32)和旁路开关(33)反向通断，所述采集模块中的检测装置能够用于检测获取每个电池单体(31)的SOC，所述接入开关(32)和旁路开关(33)用于根据电池单体(31)的SOC控制其在均衡控制补电时接入或者旁路，以进行电池模组(3)内电池单体(31)的选择性放电，实现电池模组(3)内的电池单体(31)之间的在线均衡放电。
7.根据权利要求6所述的储能电池组串监测及动态均衡装置，其特征在于，所述电池模组(3)在进行均衡控制补电时，包括如下步骤：
步骤S1：在均衡补电过程中获取各个电池单体的SOC；
步骤S2：根据每个电池单体SOC的大小，控制接入开关(32)和/或旁路开关(33)的通断，使得该电池模组(3)中电池单体(31)轮转放电，实现放电过程中单个电池模组(3)内电池单体(31)之间的在线均衡。
8.根据权利要求7所述的储能电池组串监测及动态均衡装置，其特征在于，所述电池模组(3)在进行均衡控制补电时，轮空SOC值最低的电池单体(31)。
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