一种用于串联蓄电池组的主动均衡方法及系统

摘要

本发明涉及电网中的蓄电池组管理系统，本发明公开了一种用于串联蓄电池组的主动均衡方法及系统，方法步骤包括采集各个单体电池的电压，排序得到最大电压值和最小电压值，根据差值大于或等于预设的均衡阈值D时基于单体电池的电压将单体电池进行分组，最后根据第1组、最后组单体电池的数量，以及串联蓄电池组当前的运行工况选择对第1组或最后组进行充电/放电以实现主动均衡。本发明能够有效主动均衡以解决电池不均衡的问题，能够实现串联蓄电池组大电流的充/放电主动均衡，节约能源，延长电池使用寿命，提高直流系统蓄电池的可靠性，结构简单、易于模块化，可实现分组步进式主动均衡策略保证在不同工况时高效提高锂电池组的一致性。

权利要求

1.一种用于串联蓄电池组的主动均衡方法，其特征在于实施步骤包括：

1）采集当前串联蓄电池组中各个单体电池的电压；

2）将当前串联蓄电池组中的所有单体电池的电压进行排序，得到最大电压值Umax和最小电压值Umin；

3）判断最大电压值Umax和最小电压值Umin的差值大于或等于预设的均衡阈值D是否成立，如果成立则跳转执行步骤4）；否则跳转执行步骤1）；

4）基于指定的分组数量确定将当前串联蓄电池组单体电池进行分组的电压区间边界值；

5）按照电压区间边界值，根据当前串联蓄电池组中各个单体电池的电压将电池组中各单体电池进行分组，共得到GMAX组单体电池，分别记为第1组～第GMAX组单体电池；

6）判断第1组单体电池、第GMAX组单体电池的数量是否相同，如果相同则跳转执行步骤

7）；否则，跳转执行步骤8）；

7）判断当前串联蓄电池组的当前工况是否为充电工况，如果是充电工况，则对当前串联蓄电池组的第1组单体电池进行充电均衡；否则，对当前串联蓄电池组的第GMAX组电池进行放电均衡；在均衡执行指定的时长后，停止执行并跳转执行步骤1）；

8）判断第1组单体电池的数量大于第GMAX组单体电池的数量是否成立，如果成立则对当前串联蓄电池组的第GMAX组单体电池进行放电均衡，否则为当前串联蓄电池组的第1组单体电池进行充电均衡；在均衡执行指定的时长后，停止执行并跳转执行步骤1）。

2.根据权利要求1所述的用于串联蓄电池组的主动均衡方法，其特征在于，步骤4）中确定的电压区间边界值为：{Umin，Umin+Δm，Umin+2*Δm，…，Umin+（Mmax-1）*Δm，Umax}上式中，Umax为单体电池的最大电压值，Umin为单体电池的最小电压值，Δm=(Umax-Umin)/Mmax，Mmax为划分得到的区间数量。

3.一种用于串联蓄电池组的主动均衡系统，包括计算机设备，其特征在于，所述计算机被编程以执行权利要求1或2所述用于串联蓄电池组的主动均衡方法的步骤。

4.一种用于串联蓄电池组的主动均衡系统，包含至少一个用于主动均衡控制一个串联蓄电池组中指定数量个单体电池的主动均衡模块，其特征在于，所述主动均衡模块包括开关矩阵、双向DC/DC模块和主动均衡控制模块，所述开关矩阵分别与串联蓄电池组中各个受控单体电池的正负极并联连接，所述开关矩阵通过双向DC/DC模块和串联蓄电池组的主输出回路或外置蓄电设备相连，所述双向DC/DC模块的控制端、开关矩阵的控制端分别与主动均衡控制模块的控制输出端相连，且所述主动均衡控制模块被编程以执行权利要求1或2所述用于串联蓄电池组的主动均衡方法的步骤。

说明书

一种用于串联蓄电池组的主动均衡方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及蓄电池组管理系统，具体涉及一种用于串联蓄电池组的主动均衡方法及系统。

背景技术

[0002] 直流电源系统是电网核心设备之一，关系到整个电网控制、保护和测量等设备的正常运行。尤其是，随着电网自动化运行水平的不断提高，直流电源系统的重要性也不断提高，对直流电源系统进行运维检测也显得尤为重要，而蓄电池系统更为整个直流电源系统的心脏。直流系统蓄电池组需要大量电池串联形成串联蓄电池组，使得电池容量更大。

[0003] 为了保证电池有效充满，增加电池最大可用容量，延长电池组使用寿命，对串联蓄电池组的均衡尤为重要。现阶段使用的均衡方法多为被动式均衡（即能耗式均衡）。该均衡方法将串联电池组中电压较高的单体通过电阻进行能量释放，能量通过热量消耗掉。从能量利用和散热考虑，被动式均衡无法实现大电流的均衡，因此均衡效率低下。但是，锂电池大多数时间都工作于平台期，一般到放电末期或充电末期电池的一致性过差才会触发均衡，但实际上此前的不一致性已经得到了较大积累，均衡难度大大增加，被动均衡策略实际效果很难达到要求。所以，研究能量转移的主动均衡意义重大，主动均衡通过一定的电路拓扑实现能量从高电压的单体到低电压单体的转移，能实现大电流均衡。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题：为了能够克服或者至少部分地解决采用现有技术对直流电源进行能耗式均衡时存在的散热慢，效率低的问题，提供一种用于串联蓄电池组的主动均衡方法及系统，能够有效主动均衡以解决电池不均衡的问题，能够实现串联蓄电池组大电流的充/放电主动均衡，节约能源，延长电池使用寿命，提高直流系统蓄电池的可靠性，结构简单、易于模块化，可实现分组步进式主动均衡策略保证在不同工况时高效提高锂电池组的一致性。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

[0006] 首先，本发明提供一种用于串联蓄电池组的主动均衡方法，实施步骤包括：

[0007] 1）采集当前串联蓄电池组中各个单体电池的电压；

[0008] 2）将当前串联蓄电池组中的所有单体电池的电压进行排序，得到最大电压值Umax和最小电压值Umin；

[0009] 3）判断最大电压值Umax和最小电压值Umin的差值大于或等于预设的均衡阈值D是否成立，如果成立则跳转执行步骤4）；否则跳转执行步骤1）；

[0010] 4）基于指定的分组数量确定将当前串联蓄电池组单体电池进行分组的电压区间边界值；

[0011] 5）按照电压区间边界值，根据当前串联蓄电池组中各个单体电池的电压将电池组中各单体电池进行分组，共得到GMAX组单体电池，分别记为第1组～第GMAX组单体电池；

[0012] 6）判断第1组单体电池、第GMAX组单体电池的数量是否相同，如果相同则跳转执行步骤7）；否则，跳转执行步骤8）；

[0013] 7）判断当前串联蓄电池组的当前工况是否为充电工况，如果是充电工况，则对当前串联蓄电池组的第1组单体电池进行充电均衡；否则，对当前串联蓄电池组的第GMAX组电池进行放电均衡；在均衡执行指定的时长后，停止执行并跳转执行步骤1）；

[0014] 8）判断第1组单体电池的数量大于第GMAX组单体电池的数量是否成立，如果成立则对当前串联蓄电池组的第GMAX组单体电池进行放电均衡，否则为当前串联蓄电池组的第1组单体电池进行充电均衡；在均衡执行指定的时长后，停止执行并跳转执行步骤1）。

[0015] 优选地，步骤4）中确定的电压区间边界值为：

[0016] {Umin，Umin+Δm，Umin+2*Δm，…，Umin+（Mmax-1）*Δm，Umax}[0017] 上式中，Umax为单体电池的最大电压值，Umin为单体电池的最小电压值，Δm=(Umax-Umin)/Mmax，Mmax为划分得到的区间数量。

[0018] 其次，本发明还提供一种用于串联蓄电池组的主动均衡系统，包括计算机设备，所述计算机被编程以执行本发明前述用于串联蓄电池组的主动均衡方法的步骤。

[0019] 再次，本发明还提供一种用于串联蓄电池组的主动均衡系统，包含至少一个用于主动均衡控制一个串联蓄电池组中指定数量个单体电池的主动均衡模块，其特征在于，所述主动均衡模块包括开关矩阵、双向DC/DC模块和主动均衡控制模块，所述开关矩阵分别与串联蓄电池组中各个受控单体电池的正负极并联连接，所述开关矩阵通过双向DC/DC模块和串联蓄电池组的主输出回路或外置蓄电设备相连，所述双向DC/DC模块的控制端、开关矩阵的控制端分别与主动均衡控制模块的控制输出端相连，且所述主动均衡控制模块被编程以执行本发明前述用于串联蓄电池组的主动均衡方法的步骤。

[0020] 本发明用于串联蓄电池组的主动均衡方法具有下述优点：

[0021] 1、本发明用于串联蓄电池组的主动均衡方法能够有效主动均衡以解决电池不均衡的问题，能够实现串联蓄电池组大电流的充/放电主动均衡，节约能源，延长电池使用寿命，提高直流系统蓄电池的可靠性，结构简单。

[0022] 2、本发明易于模块化，可实现分组步进式主动均衡策略保证在不同工况时高效提高锂电池组的一致性。

[0023] 本发明用于串联蓄电池组的主动均衡系统为包含本发明用于串联蓄电池组的主动均衡方法的系统，其同样也具有本发明用于串联蓄电池组的主动均衡方法前述优点，故在此不再赘述。

附图说明

[0024] 图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

[0025] 图2为本发明实施例一的拓扑结构示意图。

[0026] 图3为本发明实施例一单体电池B0的主动均衡控制原理示意图。

[0027] 图4为应用本发明实施例一的系统结构示意图。

[0028] 图5为本发明实施例二的拓扑结构示意图。

[0029] 图6为本发明实施例三的单体电池分组排序原理示意图。

具体实施方式

[0030] 实施例一：

[0031] 如图1所示，本实施例用于串联蓄电池组的主动均衡方法的实施步骤包括：

[0032] 1）采集当前串联蓄电池组中各个单体电池的电压；

[0033] 2）将当前串联蓄电池组中的所有单体电池的电压进行排序，得到最大电压值Umax和最小电压值Umin；

[0034] 3）判断最大电压值Umax和最小电压值Umin的差值大于或等于预设的均衡阈值D是否成立，如果成立则跳转执行步骤4）；否则跳转执行步骤1）；

[0035] 4）基于指定的分组数量确定将当前串联蓄电池组单体电池进行分组的电压区间边界值；

[0036] 5）按照电压区间边界值，根据当前串联蓄电池组中各个单体电池的电压将电池组中各单体电池进行分组，共得到GMAX组单体电池，分别记为第1组～第GMAX组单体电池；

[0037] 6）判断第1组单体电池、第GMAX组单体电池的数量是否相同，如果相同则跳转执行步骤7）；否则，跳转执行步骤8）；

[0038] 7）判断当前串联蓄电池组的当前工况是否为充电工况，如果是充电工况，则对当前串联蓄电池组的第1组单体电池进行充电均衡；否则，对当前串联蓄电池组的第GMAX组电池进行放电均衡；在均衡执行指定的时长后，停止执行并跳转执行步骤1）；

[0039] 8）判断第1组单体电池的数量大于第GMAX组单体电池的数量是否成立，如果成立则对当前串联蓄电池组的第GMAX组单体电池进行放电均衡，否则为当前串联蓄电池组的第1组单体电池进行充电均衡；在均衡执行指定的时长（可依照电池特性和均衡启动条件选取）后，停止执行并跳转执行步骤1）。

[0040] 参见步骤1）～步骤8）可知，本实施例用于串联蓄电池组的主动均衡方法设计了以下主动均衡策略和原则：（1）优先对数量最少的区间中的极值进行均衡；（2）放电工况时，优先对低电压单体电池进行充电均衡，延长放电截止时间。充电工况时，优先对高电压单体电池进行放电均衡，延长充电截止时间；（3）采取少量多次的步进式均衡，以防过度均衡。最小步进值（即均衡时长）依照电池特性和均衡启动条件选取。通过上述主动均衡策略和原则，能够有效主动均衡以解决电池不均衡的问题，能够实现串联蓄电池组大电流的充/放电主动均衡，节约能源，延长电池使用寿命，提高直流系统蓄电池的可靠性。

[0041] 本实施例中，步骤4）中确定的电压区间边界值为：

[0042] {Umin，Umin+Δm，Umin+2*Δm，…，Umin+（Mmax-1）*Δm，Umax}[0043] 上式中，Umax为单体电池的最大电压值，Umin为单体电池的最小电压值，Δm=(Umax-Umin)/Mmax，Mmax为划分得到的区间数量。

[0044] 下文将以图2所示的单个串联蓄电池组（B0 B6）为例，对本实施例用于串联蓄电池~组的主动均衡方法进行进一步的详细说明。参见图1，其中开关矩阵由电池开关C4-C0和极性开关Cp3-Cp0组成，分别连接到双向DC/DC模块的正极HIGH和负极LOW。

[0045] 每一个单体电池正负极两侧各有一个电池开关，工作过程中，将需要均衡的单体电池正负极开关闭合，同时根据电池在电池组中的奇偶数位置闭合极性开关，保证正极连至HIGH，负极连至LOW，通过隔离双向DC/DC对该单体电池进行补电或放电。当某节单体电池需要补电/放电时，首先开启其的正负极开关即C0-C4中对应的两个开关，在根据电池处于电池组中的奇偶数位置开启极性开关即Cp0-Cp3中对应的两个开关，奇数序号开启Cp1和Cp2，偶数序号开启Cp0和Cp3。保证需要均衡的电池正极连至HIGH，负极连至LOW。以第一节电池B0为例，需要闭合C0，C1，Cp1和Cp2使第一节电池正极B1连接至HIGH，负极B0连接至LOW，如图3所示。

[0046] 本实施例还包括一种用于串联蓄电池组的主动均衡系统，包含至少一个用于主动均衡控制一个串联蓄电池组中指定数量个单体电池的主动均衡模块，主动均衡模块包括开关矩阵、双向DC/DC模块和主动均衡控制模块，开关矩阵分别与串联蓄电池组中各个受控单体电池的正负极并联连接，开关矩阵通过双向DC/DC模块和串联蓄电池组的主输出回路或外置蓄电设备（电瓶或超级电容）相连，双向DC/DC模块的控制端、开关矩阵的控制端分别与主动均衡控制模块的控制输出端相连，且主动均衡控制模块被编程以执行本实施例前用于串联蓄电池组的主动均衡方法的步骤。其中，开关矩阵分为电池开关和极性开关，串联蓄电池组中的每个单体可以通过开关矩阵切换至隔离双向DC/DC端，对电池总线进行放电或电池总线对其进行补电。工作过程中，整个串联蓄电池组将需要均衡的单体电池正负极开关闭合，再根据其在电池组中的奇偶数位置闭合极性开关。

[0047] 双向DC/DC模块的能量转换方向决定电池主动均衡为充电、放电或双向（例如单体电池向总电池组放电，当串联电池组中某一节单体电池电压过高时，闭合相应通道开关，启动DC/DC，将多出的电量通过DC/DC转移至整个电池组中的其他单体），通过隔离双向DC/DC对该单体电池进行补电或放电。均衡电流取决于隔离双向DC/DC的功率，控制原理简单，体积小，易于模块化，基于该拓扑进行多串联电池组系统主动均衡设计串联数量较少的直流系统蓄电池，在单个模块内容易实现各单体之间的能量转移当电池组串联数较多时，需实现各模块之间的能量转移，将双向隔离DC/DC次边连接至独立的辅助电瓶或超级电容。每次均衡时电压较高的单体电池将多余的能量转移至储能电池或超级电容，电压较低的单体电池通过储能电池或超级电容补电。

[0048] 为了便于对单体电池的控制，本实施例中构造单体电池信息的结构体如下：{ U, N, M, G }，其中：

[0049] N—电池在串联电池组中的位置，固有信息；

[0050] U—电池采集单元采集的单体电压；

[0051] M—单体电池按照电压从小到大排序后的序号；

[0052] G—电池电压按照大小分区后，该电池电压所属的区间。

[0053] 参见图4，除了主动均衡单元以外，用于串联蓄电池组的主动均衡系统还分别与串联蓄电池组的充电系统相连，串联蓄电池组的充电系统包括：

[0054] 电池采集单元，用于获取串联电池组的温度和电压信息。

[0055] 电池控制单元，用于通过获取的电池组温度和电压信息，利用分组步进式主动均衡算法生成均衡指令，下发至主动均衡模块解析后执行。

[0056] 充电模块，用于给串联蓄电池组充电；

[0057] 中控台，用于集中监控用于串联蓄电池组的主动均衡系统以及串联蓄电池组的充电系统中的所有信息，以及下达用于串联蓄电池组的主动均衡系统以及串联蓄电池组的充电系统的控制指令。

[0058] 本实施例还包括一种用于串联蓄电池组的主动均衡系统，包括计算机设备，计算机被编程以执行本实施例前述用于串联蓄电池组的主动均衡方法的步骤。

[0059] 本实施例提供的用于串联蓄电池组的主动均衡系统结构简单，易于模块化，是解决电池不均衡的有效途径，同时节约能源，延长电池使用寿命，提高直流系统蓄电池的可靠性。能够实现电池组大电流的充/放电主动均衡。基于本实施例的拓扑结构，实现了高效的分组步进式主动均衡策略，能保证在不同工况时高效的提高锂电池组的一致性。

[0060] 需要说明的是，本实施例用于串联蓄电池组的主动均衡方法不仅可以用于单个串联蓄电池组的主动均衡，尤其适用于多个串联蓄电池组（多串联蓄电池组）的主动均衡。

[0061] 实施例二：

[0062] 本实施例与实施例一基本相同，其主要不同点为本实施例用于串联蓄电池组的主动均衡方法针对多个串联蓄电池组（多串联蓄电池组）的主动均衡。

[0063] 下文将以图5所示的多串联蓄电池组）为例，对本实施例用于串联蓄电池组的主动均衡方法针对多个串联蓄电池组（多串联蓄电池组）的主动均衡进行进一步的详细说明。

[0064] 如图5所示，本实施例中，每一个串联蓄电池组由7串单体电池组成，对应一个主动均衡模块，各串联蓄电池组之间通过12V辅助电瓶进行能量中转。此结构能够较为容易的对整个串联蓄电池组中所有电池单体实现主动均衡，对双向DC/DC模块的要求低。单体电池多余的容量转移至辅助电瓶，缺电的单体电池从辅助电瓶补充容量。一个串联蓄电池组的7串单体电池在某一时刻能够对某一个单体电池进行充电或放电均衡。

[0065] 实施例三：

[0066] 本实施例与实施例二基本相同，其主要不同点为本实施例一个串联蓄电池组由两个7串单体电池（U1 U14）组成，对应采用了两个主动均衡模块（主动均衡模块#1和主动均衡~模块#2）来管理两个7串单体电池的主动均衡，主动均衡模块#1管理U1 U7的均衡，主动均衡~
模块#2管理U8 U14的均衡。参见图6，本实施例中为了更好表达分组，将U1 U14的电压M分别~ ~
乱序设为1～14，例如U6的电压M为14，U13的电压M为1，设定固定分组数量为5，图中T为（U6-U13）/5。假设电池电压大小分布如图5中所示。分组后第1组和第5组（第GMAX组）中单体电池数量相同，主动均衡模块#1中待均衡的电池单体为U2和U6，主动均衡模块#2中待均衡的电池单体为U13和U9。最终根据电池运行工况，选择相对应的单体电池进行充电或放电均衡。

[0067] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。