CN117595466B - 一种双重冗余采集监控的电池主动均衡系统和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及储能电池系统，尤其涉及一种双重冗余采集监控的电池主动均衡系统和控制方法。该系统引入主动均衡环路增加电路，使其同时具备对电池电压采集的功能，与电池采集监控芯片进行相互对比，两者之间出现较大的异常时，发生警告或采取用户预设措施，从而避免单一的电池采集监控芯片失效带来的安全隐患。本发明不仅通过电池采集电路对电池各节的温度和电压数据收集，还创新的在主动均衡回路引入了对接入在电池通道矩阵开关后侧的电压和板内温度的采集，更安全、可靠的进行主动均衡。

Description

一种双重冗余采集监控的电池主动均衡系统和控制方法
技术领域
本发明涉及储能电池系统，尤其涉及一种双重冗余采集监控的电池主动均衡系统和控制方法。
背景技术
光伏发电、风力发电等新型能源，在发电的过程都会存在发电随机性、波动性的问题。电网如何有效的利用新型能源，储能电站在之中扮演着重要角色。目前储能技术较少的使用抽水蓄能的技术，基本以电化学储能为主。锂离子电池在电化学储能占用着重要技术，本身是活泼的元素，不加以有效的管理，将存在较大的安全隐患。在锂离子电池特性中电压是直观的量，通过电压侧面监控到电池的状态。现电池管理模块一般是内置电池采集监控芯片对单一电池进行电压数据监控，当内部电路发生异常状态，电压采集过大从而不弄有效的反应出电池状态，电池将出现失控的状态。由于储能系统使用大量的大容量电池，电池管理系统也一般带有主动均衡功能，但是均衡期间、均衡前后却缺少有效的校验机制，可能存在均衡异常的情况。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种双重冗余采集监控的电池主动均衡系统，该系统引入主动均衡环路增加电路，使其同时具备对电池电压采集的功能，与电池采集监控芯片进行相互对比，两者之间出现较大的异常时，发生警告或采取用户预设措施，从而避免单一的电池采集监控芯片失效带来的安全隐患。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种双重冗余采集监控的电池主动均衡系统，该系统包括主动均衡电路、通道矩阵开关、微控制器、隔离电路和电池采集电路；微控制器通过隔离电路控制电池采集电路和主动均衡电路，微控制器也控制通道矩阵开关，电池采集电路负责采集电池组内各单体电池电压和温度数据，主动均衡电路对电池组内各单体电池一致性进行维护；所述主动均衡电路增加了电池采样电路和板内温度采样电路，实现对通道矩阵开关所选通的单体电池的电压采样和板内温度值采样，通过与电池采集电路的数据对比，实现电池采集监控的双重冗余保护。
作为优选，获取采样数据的具体实现方式，所述主动均衡电路的主动均衡芯片内部集成ADC，实现对所选通的单体电池电压和板内温度采样，通过隔离电路UART通讯获取到对应数据。
作为优选，获取采样数据的具体实现的另一种方式，所述主动均衡电路增加ADC芯片对电池电压采样及板内温度采样，当然板内温度采样可由电池采集电路实现采样，通过隔离通讯方式回传到微控制器进行处理。
作为优选，所述主动均衡电路增加ADC芯片对所选通的单体电池电压采样，通过隔离电路通讯方式回传到微控制器进行处理。
作为优选，所述该系统的控制方法如下：
1）电路在不均衡状态：微控制器通过电池采集电路实时获取电池组各单体电池电压数据；微控制器在间隔一段时间后，以轮循依次选通每个单体电池的方式从主动均衡电路逐一获取到电池组各单体电池电压数据；两组数据比较，如数据比较不一致对用户进行提示；
2）电路在均衡状态；电池组中需要被均衡的电池，通过通道矩阵开关被连接到主动均衡环路，在启动主动均衡前，微控制器通过主动均衡电路获取待均衡电池的电压数据，并从电池采集电路数据中筛选出待均衡电池的电压；当数据两组数据比较一致，板内温度处于适合范围内，开启对待均衡电池的均衡；反之，对用户进行提示。
作为一种具体的实施方式，所述不均衡状态控制方法如下：
1）禁止主动均衡功能；
2）微控制器从电池采样电路获取电池组内单体电池电压和温度数据集合Z1，数据包含单体电池电压数据U1、U2...Un，温度数据T1、T2...Tm；再进行多次的采样，获得单体电池电压和温度数据集合Z2、...Zp，对集合内各项单体电池电压数据与温度数据分别计算平均值得到新集合Zv，数据集合Zv与动主动均衡电路采样值集合对比；其中，n为电池组内单体电池数量，m为电池组内温度数量，p优选6次，均为正整数。
3）主动均衡电路以轮循依次选通每个单体电池的方式获取各单体电池电压数据，以及板内温度数据集合Zv1，集合Zv1包含多次采集后电池组各单体电池电压数据的平均值Uz1、Uz2...Uzn和板内温度数据的平均值Tz1；
4）微控制器对两组数据集合Zv和Zv1的各项单体电池电压值依次进行比较，两者绝对差值均应小于等于100mV；获取数据集合Zv内温度数据的最小值记为Tmin和最大值记为Tmax，Tz1应大于等于Tmin-10℃且小于等于Tmax+10℃，Tmin与Tmax之绝对差值应小于等于5℃；Tz1应大于等于-10℃且小于等于45℃；
5）步骤4）中任意一项不满足，输出提示信号；全部满足则可在后续满足主动均衡时启动主动均衡。
再优选，主动均衡电路每小时定期采样或上电进行一次电池组内单体电压和板内温度数据采样；其中，每小时切换次数At查询电池电压数据满足下列的公式：
At<(Am÷（Aw×365×24）-Ad) （1）
其中：通道矩阵开关的各开关动作总理论次数Am；电池管理模块产品对外的质保服务年限Aw；每个通道每日对电池均衡理论平均次数Ad。
再优选，在通道矩阵开关闭合后100ms不执行电压数据采样；闭合第1节单体电池对应的开关等待100ms过后，对该单体电池进行6次采样，计算得到平均值Uz1；随后断开第1节开关，闭合第2节的开关重复上次采样过程，直至完成对电池组内所有的单体电池的电压采样；开始对板内温度值数据进进行6次采样获取得到Tz1；经过上述步骤，得出电池电压数据Uz1、Uz2...Uzn，板内温度数据Tz1。
再优选，不均衡状态控制还包括如下：工作周期是预设值是以20分钟为单一周期，本周期内如出现对单体电池进行维护，微控制器记录已经进行均衡的单体电池节号Na、Nb、Nc，在达到预设周期时间，对其他未被均衡的电池实施一次不均衡状态控制方法下的电压与温度检测。
作为一种具体的实施方式，所述均衡状态控制方法如下：
1）微控制器从外部得到待均衡电池Na，控制通道矩阵开关闭合待均衡电池Na对应的通道开关，即使待均衡电池Na接入到主动均衡电路；从电池采集电路对待均衡电池Na进行多次采样获得电压平均值Ua，进行6次采样；在待均衡电池接入主动均衡电路100ms后，主动均衡电路对待均衡电池进行多次采样后取得平均值Ua1，进行6次采样；从电池采集电路多次采样获得各温度平均数据T1、T2、...、Tm，主动均衡电路多次采样获取出板内温度平均数据Ta1，优选进行6次采样；
2）将两组数据进行比较，Ua和Ua1两者绝对差值均应小于等于100mV；电池采样电路获得的T1至Tm温度数据中，最小值记为Tmin和最大值记为Tmax，Tz1应大于等于Tmin-10℃且小于等于Tmax+10℃，Tmin与Tmax之绝对差值应小于等于5℃；Tz1应大于等于-10℃且小于等于45℃；任意一项不满足，输出提示信号；全部满足则可在后续满足主动均衡时启动主动均衡。
3）经过步骤2）的判断，开启均衡并等待主动均衡过程的停止，停止后重新按照步骤2）进行对待均衡电池电压、各个温度的判断；判断无异常，关闭待均衡电池Na的通道矩阵开关，结束本次的均衡维护。
作为优选，通道矩阵开关采用机械式的继电器、电子式的固态继电器或由场效应管MOS器件组成矩阵开关。
作为再优选，通道矩阵开关包括驱动电压以及MOS管Q1、Q2、Q3、Q4组成的矩阵开关，当希望第某节电池需要进行均衡操作，对应的驱动电压输出电压，控制MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的闭合，将该节电池连接至主动均衡电路。
进一步，本发明还公开了一种电池组，该电池组包括所述的电池主动均衡系统。
本发明由于采用了上述的技术方案，使主动均衡环路增加电路，使其同时具备对电池电压采集的功能，与电池采集监控芯片进行相互对比，两者之间出现较大的异常时，发生警告或采取用户预设措施，从而避免单一的电池采集监控芯片失效带来的安全隐患。本发明不仅通过电池采集电路对电池各节的温度和电压数据收集，还创新的在主动均衡回路引入了对接入在电池通道矩阵开关后侧的电压和板内温度的采集，更安全、可靠的进行主动均衡。
附图说明
图1为电池主动均衡系统的系统框图。
图2为不均衡状态控制方法流程图。
图3为均衡状态控制方法流程图。
图4为通道矩阵开关电路的结构框图。
实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清查、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。给予本发明中的实施例，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。
如图1所示，市面上的主动均衡方案产品是由微控制器通过隔离电路控制电池采集电路和主动均衡电路，电池采集电路负责采集电池的电压和温度数据，主动均衡电路对电池组内电池一致性进行维护。本发明在主动均衡电路增加了电池采样电路和温度采样电路，可实现对待均衡电池的电压采样和板内温度值采样，通过与电池采集电路的数据对比，实现电池采集监控的双重冗余保护。
本发明电路除了通过电池采集电路获取电池组电压数据，本发明同时增加了通过主动均衡电路获取电池电压数据，两组数据进行比较，如数据比较不一致，可以及时对用户进行提示，反馈电池不良状态。
电路在不均衡状态。微控制器通过电池采集电路实时获取电池组内各单体电池电压数据。微控制器在间隔一段时间后，以轮循方式从主动均衡电路逐一获取到电池组内各单体电池电压数据。两组数据比较，如数据比较后不一致对用户进行提示。
电路在均衡状态。电池组中需要被均衡的电池，通过通道矩阵开关被连接到主动均衡环路，在启动主动均衡前，微控制器获取待均衡电池的电压数据，与电池采集电路的电压数据。当数据两组数据比较后一致，板内温度处于适合范围内，开启对待均衡电池的均衡。反之，对用户进行提示。
增加主动均衡电路增加电压和温度采集电路方式包括以下：
方式一：采用内部集成ADC的主动均衡芯片的主动均衡方案，由于主动均衡芯片内部已集成ADC，可实现对电池电压和板内温度采样，再过隔离电路UART通讯方式回传到微控制器获取到对应数据、以及进行处理；
方式二：通过在主动均衡电路增加ADC芯片，实现对电池电压采样及板内温度采样，或者板内温度采样由电池采集电路实现采样，再过隔离电路UART通讯方式回传到微控制器获取到对应数据、以及进行处理；或是通过微控制器进行采样。
如图2所示，本发明不均衡状态控制方法如下：
针对的长期不执行均衡操作会间隔一段时间实现一轮全部电池的判断。
S11、本逻辑策略首先开始将禁止主动均衡功能。
S12、获取电池采集芯片数据：微控制器在预设时间每隔50ms，从电池采样电路获取电池组内单体电池电压和温度数据集合Z1，数据包含单体电池电压数据U1、U2...Un，温度数据T1、T2...Tm；为保障数据稳定性，过滤采样数据偏差，再进行多次的采样，获得单体电池电压和温度数据集合Z2、...Zp，对集合内各项单体电池电压数据与温度数据分别计算平均值得到新集合Zv，数据集合Zv与动主动均衡电路采样值集合对比；其中，n为电池组内单体电池数量，m为电池组内温度数量，p优选6次，均为正整数。
S13、主动均衡电流采集电压和板内温度数据：主动均衡电路采样定期（如每小时）或上电进行一次电池组内单体电压和板内温度数据采样。定期预设值可以进行调整设置，应充分考虑到设计通道矩阵开关器件的动作次数总理论次数Am。通道矩阵开关采用机械式的继电器、电子式的固态继电器或由场效应管MOS器件组成矩阵开关。如图4所示，通道选择矩阵开关电路详细描述如下：GA1的驱动电压引用的是U2的供电电压，采用MOS的矩阵开关作为控制，当希望第1节电池闭合操作，对应的GA1输出电压，控制Q1/Q2/Q3/Q4的MOS管闭合，将1#电池选通接入到主动均衡电路。电池管理模块产品对外的质保服务年限Aw；每个通道每日对电池均衡理论平均次数Ad；与电池类型、特性不同和储能电站电池模组设计等因素影响。每小时切换次数At查询电池电压数据满足下列的公式：
At<(Am÷（Aw×365×24）-Ad) （1）
在通道矩阵开关闭合后100ms不执行电压数据采样，这段时间内开关处于刚闭合的状态，影响采样的准确性。闭合第1节单体电池对应的开关等待100ms过后，对该单体电池进行6次采样，计算得到平均值Uz1；随后断开第1节开关，闭合第2节的开关重复上次采样过程，直至完成对电池组内所有的单体电池的电压采样；开始对板内温度值数据进行6次采样获取得到Tz1；经过上述步骤，得出电池电压数据Uz1、Uz2...Uzn，板内温度数据Tz1。
S14、微控制器进行数据处理分析：微控制器对两组数据集合Zv和Zv1的各项单体电池电压值依次进行比较，两者绝对差值均应小于等于100mV；获取数据集合Zv内温度数据的最小值记为Tmin和最大值记为Tmax，Tz1应大于等于Tmin-10℃且小于等于Tmax+10℃，Tmin与Tmax之绝对差值应小于等于5℃；Tz1应大于等于-10℃且小于等于45℃。
S15、判断分析结果是否处于合理范围：当上述任意一项不满足，输出提示信号，提示方式的输出方式可是蜂鸣器发声提示、通过通讯线对外部的提示设备发出数据、无源开关量输出等方式；后期软件策略可根据此进行调整，结合储能电站内会配备风冷和液冷系统，保障电池有良好的环境能够实现大功率的充放电。
当上述全部满足则可在后续满足主动均衡时启动主动均衡。
不均衡状态控制方法还包括如下：
相比电池组所有都不均衡的情况下，在所有电池与温度检测的基础上进行调整，适用于对未维护电池进行二次判断，从而达到双重冗余的保护。工作周期是预设值是以20分钟为单一周期，本周期内如出现对单体电池进行维护，微控制器记录已经进行均衡的单体电池节号Na、Nb、Nc。由于均衡过程中的策略已经对此电池进行过检查，确认其无误，在达到预设周期时间，对其他未被均衡的电池实施一次不均衡状态控制方法下的电压与温度检测。有利于平衡各个通道的开关次数。
如图3所示，本发明均衡状态控制方法如下：
均衡状态主要在启动均衡前和均衡停止后进行判断操作。为了达到较好的均衡效果，每次均衡的时间一般不会太长，连续的均衡策略往往是中断式的，所以一般不在均衡期间进行检测，如有特定需求也可进行相应的判断和检测。
启动均衡前进行判断操作：
S21、首先，矩阵开关接入待均衡电池Na。
S22、获取电池采集芯片数据：微控制器从外部得到待均衡电池Na，控制通道矩阵开关闭合待均衡电池Na对应的通道开关，即使待均衡电池Na接入到主动均衡电路；从电池采集电路对待均衡电池Na进行多次采样获得电压平均值Ua，优选进行6次采样；从电池采集电路多次采样获得各温度平均数据T1、T2、...、Tm，优选进行6次采样。
S23、本节（待均衡电池Na）采集电压和板内温度数据：在待均衡电池接入主动均衡电路100ms后，主动均衡电路对待均衡电池Na进行多次采样后取得平均值Ua1，优选进行6次采样；主动均衡电路多次采样获取出板内温度平均数据Tz1，优选进行6次采样。
S24、微控制器进行数据处理分析：将两组数据进行比较，Ua和Ua1两者绝对差值均应小于等于100mV；电池采样电路获得的T1至Tm温度数据中，最小值记为Tmin和最大值记为Tmax，Tz1应大于等于Tmin-10℃且小于等于Tmax+10℃，Tmin与Tmax之绝对差值应小于等于5℃；Tz1应大于等于-10℃且小于等于45℃；任意一项不满足，输出提示信号；全部满足则可在后续满足主动均衡时启动主动均衡。
S25、判断分析结果是否处于合理范围：经过上述判断，开启均衡并等待主动均衡过程的停止。
停止后重新按照上述步骤S22至S25进行对已均衡电池Na（均衡停止后，原待均衡电池Na变成已均衡电池Na）的电压、温度的判断；判断无异常，关闭已均衡电池Na的通道矩阵开关，结束本次的均衡维护。
以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施列，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种双重冗余采集监控的电池主动均衡控制方法，其特征在于，该方法采用一种双重冗余采集监控的电池主动均衡系统实现，所述系统包括主动均衡电路、通道矩阵开关、微控制器、隔离电路和电池采集电路；微控制器通过隔离电路控制电池采集电路和主动均衡电路，微控制器也控制通道矩阵开关，电池采集电路负责采集电池组内各单体电池电压和温度数据，主动均衡电路对电池组内各单体电池一致性进行维护；其特征在于，所述主动均衡电路增加了电池采样电路和板内温度采样电路，实现对通道矩阵开关所选通的单体电池的电压采样和板内温度值采样，通过与电池采集电路的数据对比，实现电池采集监控的双重冗余保护；
所述主动均衡电路的主动均衡芯片内部集成ADC，实现对电池电压和板内温度采样，通过隔离电路UART通讯方式回传到微控制器获取到对应数据、以及进行处理；
通道矩阵开关包括驱动电压以及MOS管Q1、Q2、Q3、Q4组成的矩阵开关，当希望第某节电池需要进行均衡操作，对应的驱动电压输出电压，控制MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的闭合，将该节电池连接至主动均衡电路；
该系统的控制方法如下：
1）电路在不均衡状态：微控制器通过电池采集电路实时获取电池组内各单体电池电压数据；微控制器在间隔一段时间后，以轮循方式从主动均衡电路逐一获取到电池组内各单体电池电压数据；两组数据比较，如数据比较后不一致对用户进行提示；
2）电路在均衡状态：电池组中需要被均衡的电池，通过通道矩阵开关被连接到主动均衡电路，在启动主动均衡前，微控制器获取待均衡电池的电压数据，与电池采集电路的电压数据；当两组数据比较后一致，板内温度处于适合范围内，开启对待均衡电池的均衡；反之，对用户进行提示；
所述不均衡状态控制方法如下：
1）禁止主动均衡功能；
2）微控制器从电池采集电路获取电池组内单体电池电压和温度数据集合Z1，数据包含单体电池电压数据U1、U2...Un，温度数据T1、T2...Tm；再进行多次的采样，获得单体电池电压和温度数据集合Z2、...Zp，对集合内各项单体电池电压数据与温度数据分别计算平均值得到新集合Zv，数据集合Zv与主动均衡电路采样值集合对比；
3）主动均衡电路以轮循依次选通每个单体电池的方式获取各单体电池电压数据，以及板内温度数据集合Zv1，集合Zv1包含多次采集后电池组各单体电池电压数据的平均值Uz1、Uz2...Uzn和板内温度数据的平均值Tz1；
4）微控制器对两组数据集合Zv和Zv1的各项单体电池电压值依次进行比较，两者绝对差值均应小于等于100mV；获取数据集合Zv内温度数据的最小值记为Tmin和最大值记为Tmax，Tz1应大于等于Tmin-10℃且小于等于Tmax+10℃，Tmin与Tmax之绝对差值应小于等于5℃；Tz1应大于等于-10℃且小于等于45℃；
5）步骤4）中任意一项不满足，输出提示信号；全部满足则可在后续满足主动均衡时启动主动均衡；
所述均衡状态控制方法如下：
1）微控制器从外部得到待均衡电池Na，控制通道矩阵开关闭合待均衡电池Na对应的通道开关，即使待均衡电池Na接入到主动均衡电路；从电池采集电路对待均衡电池Na进行多次采样获得电压平均值Ua，进行6次采样；在待均衡电池接入主动均衡电路100ms后，主动均衡电路对待均衡电池进行多次采样后取得平均值Ua1，进行6次采样；从电池采集电路多次采样获得各温度平均数据T1、T2、...、Tm，主动均衡电路多次采样获取出板内温度平均数据Ta1；
2）将两组数据进行比较，Ua和Ua1两者绝对差值均应小于等于100mV；电池采集电路获得的T1至Tm温度数据中，最小值记为Tmin和最大值记为Tmax，Ta1应大于等于Tmin-10℃且小于等于Tmax+10℃，Tmin与Tmax之绝对差值应小于等于5℃；Ta1应大于等于-10℃且小于等于45℃；任意一项不满足，输出提示信号；全部满足则可在后续满足主动均衡时启动主动均衡；
3）经过步骤2）的判断，开启均衡并等待主动均衡过程的停止，停止后重新按照步骤2）对待均衡电池电压、各个温度的判断；判断无异常，关闭待均衡电池Na的通道矩阵开关，结束本次的均衡维护。
2.根据权利要求1所述的一种双重冗余采集监控的电池主动均衡控制方法，其特征在于，主动均衡电路每小时定期采样或上电进行一次电池组内单体电压和板内温度数据采样；其中，每小时切换次数At查询电池电压数据满足下列的公式：
At＜(Am÷（Aw×365×24）-Ad)（1）
其中：通道矩阵开关的各开关动作总理论次数Am；电池管理模块产品对外的质保服务年限Aw；每个通道每日对电池均衡理论平均次数Ad。
3.根据权利要求1所述的一种双重冗余采集监控的电池主动均衡控制方法，其特征在于，在通道矩阵开关闭合后100ms不执行电压数据采样；闭合第1节单体电池对应的开关等待100ms过后，对该单体电池进行6次采样，计算得到平均值Uz1；随后断开第1节开关，闭合第2节的开关重复上次采样过程，直至完成对电池组内所有的单体电池的电压采样；开始对板内温度值数据进行6次采样获取得到Tz1；经过上述步骤，得出电池电压数据Uz1、Uz2...Uzn，板内温度数据Tz1。
4.根据权利要求1所述的一种双重冗余采集监控的电池主动均衡控制方法，其特征在于，不均衡状态控制还包括如下：工作周期是预设值是以20分钟为单一周期，本周期内如出现对单体电池进行维护，微控制器记录已经进行均衡的单体电池节号Na、Nb、Nc，在达到预设周期时间，对其他未被均衡的电池实施一次不均衡状态控制方法下的电压与温度检测。
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