CN104393611A - 储能电池管理***和双向dcdc变换器同步管理方法及装置 - Google Patents

储能电池管理***和双向dcdc变换器同步管理方法及装置 Download PDF

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刘郢
郭维
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Abstract

本发明公开了一种储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法及装置；其方法包括：设定测量基准；判断电驱动***工况；若为动态工况，双向DCDC变换器发送同步信号给储能电池管理***；建立双向DCDC变换器与储能电池管理***的同步连接，并采集当前储能电池的参数用于下一步计算；该方法将双向DCDC变换器的参数变化量与测量基准比较来确定电驱动***的工况，时效性更好；建立储能电池管理***与双向DCDC变换器同步工作模式，储能电池管理***能够实时跟踪储能电池的工况变化，调整自身的检测和管理策略，可以精确提供***的能量状态和功率状态，延长电池***的寿命的同时，提高电池***的可靠性。

Description

储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法及装置
技术领域
本发明涉及管理储能电池的***，特别是一种储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法及装置。
背景技术
在智能电网和微网等大型储能***以及分布式储能***应用中，常采用一种直流总线的连接方式,该连接方式是储能电池模块通过一种双向DCDC变换器(Bi-directional DC/DC Converter，双向直流-直流变换器)接入直流总线，需要接收能量的时候，电网通过直流总线向储能电池充电；需要向电网送电的时候，储能电池通过双向DCDC变换器向直流总线发电，并通过逆变***向电网输电。传统储能电池管理***会实时监控电池状态，对电池状态做出评估，将评估结果直接发送给能量管理模块或者负载单元。储能电池管理***是相对独立的***，只有储能电池管理***向能量管理模块或者负载单元的信息发送以及向双向DCDC变换器的能量传输，这是一种单向信息传递模式，带来以下两个局限：1)由于储能电池管理***无法感知工况的变化，属于一种盲测方式，无法判断检测数据时效性，更多的是对电池静态特性进行评估，实时性较差；2)受电池性能和状态的评估限制，能量管理模块获得的电池状态动态特性信息受到限制，从而双向DCDC变换器、电机、逆变器等负载无法精确控制，影响整个***的效率，无法精确提供***的能量状态和功率状态，同时电池***的寿命和可靠性也受到影响。
发明内容
本发明为解决上述问题提供一种储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法及装置，实现双向DCDC变换器与储能电池管理***的同步工作，克服了双向DCDC变换器与储能管理***之间为单向信息传递所带来的缺陷。
本发明为解决上述问题所采用的技术方案是：储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法，包括如下步骤：
设定测量基准；
判断电驱动***工况；
若为动态工况，双向DCDC变换器发送同步信号给储能电池管理***；
建立双向DCDC变换器与储能电池管理***的同步连接，并采集储能电池的参数用于下一步计算。经过计算更新电池参数表，同时将计算结果发送给能量管理模块。
进一步，所述设定测量基准包括：定义参数随时间变化的测量窗口或定义参数随时间变化曲线的变化率。
进一步，所述判断电驱动***工况包括：参数变化量小于测量窗口下限，或者小于参数随时间变化曲线的变化率，若至少满足两个条件中的一个，则判定电驱动***处于静态工况；参数变化量大于测量窗口上限，或者大于参数随时间变化曲线的变化率，若至少满足两个条件中的一个，则判定电驱动***处于动态工况；参数变化量处于测量窗口下限与测量窗口上限之间，或者等于参数随时间变化曲线的变化率，若至少满足两个条件中的一个，则判定电驱动***处于静态工况。
进一步，所述双向DCDC变换器发送同步信号给储能电池管理***包括：双向DCDC变换器发布同步信号通过广播信号或者信号线传输给储能电池管理***。
储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理装置，包括设于储能电池管理***的测量基准设定模块、工况判断模块、同步连接模块、采集模块和运算模块；
测量基准设定模块，用于定义参数随时间变化的测量窗口或变化率；
工况判断模块，通过所述测量基准判断电驱动***工况并将判断结果发送给双向DCDC变换器；
同步连接模块，用于接收双向DCDC变换器发送的同步信号，并建立双向DCDC变换器与储能电池管理***的同步连接；
采集模块，用于采集电驱动***工况变化前后储能电池的参数；
运算模块，用于计算采集的参数。
进一步，所述采集模块包括电池传感器，用于检测储能电池参数并发送给储能电池管理***。
进一步，双向DCDC变换器与储能管理***通过信号线连接。
另一种实现储能电池***和双向DCDC变换器同步管理的装置：包括设于双向DCDC变换器的测量基准设定模块和工况判断模块以及设于储能电池管理***的同步连接模块、采集模块和运算模块；
测量基准设定模块，用于定义参数随时间变化的测量窗口或变化率；
工况判断模块，通过所述测量基准判断电驱动***工况并向储能电池管理***发送同步信号；
同步连接模块，用于接收工况判断模块发送的同步信号并建立，双向DCDC变换器与储能电池管理***的同步连接；
采集模块，用于采集电驱动***工况变化前后储能电池的参数；
运算模块，用于计算采集的参数。
进一步，所述采集模块包括电池传感器，用于检测储能电池参数并发送给储能电池管理***。
进一步，双向DCDC变换器与储能管理***通过信号线连接。
本发明的有益效果是：本发明实现双向DCDC变换器和储能管理***的同步工作，改变了传统的储能电池管理***相对单一的工作模式；设定测量基准，将双向DCDC变换器的参数变化量与测量基准比较来确定电驱动***的工况，时效性更好，因为设定了测量窗口下限和测量窗口上限，本发明具有两个阈值，两个阈值之间的区域是回滞区，该设计增加了抗干扰能力，使得检测结果更加准确；建立储能电池管理***与双向DCDC变换器同步工作模式，储能电池管理***能够实时跟踪储能电池的工况变化，调整自身的检测和管理策略，通过对电池状态的静态检测和动态管理，实现动态参数测量和运算，可以精确提供电驱动***的能量状态和功率状态，延长电池***的寿命的同时，提高电池***的可靠性。
附图说明
图1是本发明第一实施例中储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法流程图；
图2是本发明第二实施例中储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理装置结构示意图；
图3是本发明第三实施例中储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理装置结构示意图；
图4是本发明第四实施例中储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理装置结构示意图；
图5是本发明第五实施例中储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法流程图；
图6是本发明第五实施例储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法中放电幅度随时间变化图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
第一实施例：
如图1所示，本发明提供一种储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法，包括如下步骤：
步骤100：设定测量基准；
步骤110：判断电驱动***(即整车***)工况；
步骤120：若为动态工况，双向DCDC变换器发送同步信号给储能电池管理***；
步骤130：建立双向DCDC变换器与储能电池管理***的同步连接，并采集当前储能电池的参数用于下一步计算。经过计算更新电池参数表，同时将计算结果发送给能量管理模块。
本方法设定测量基准，将双向DCDC变换器的参数变化量与测量基准比较来确定电驱动***的工况，时效性更好；建立储能电池管理***与双向DCDC变换器同步工作模式，储能电池管理***能够实时跟踪储能电池的工况变化，调整自身的检测和管理策略，通过对储能电池状态的静态检测和动态管理，实现动态参数测量和运算。根据工况判断结果决定是否发送同步信号给储能电池管理***的设计，搭建了储能电池管理***与双向DCDC变换器的连接桥梁，储能电池管理***可以感知电驱动***工况的变化，检测到的数据的时效性更好。
第二实施例：
如图2所示，本发明还提供一种储能电池管理***2和双向DCDC变换器1同步管理装置，包括设于储能电池管理***2的测量基准设定模块21、工况判断模块22、同步连接模块23、采集模块24和运算模块25；
测量基准设定模块21，用于定义参数随时间变化的测量窗口，或者定义参数随时间变化曲线的变化率；
工况判断模块22，通过所述测量基准判断电驱动***工况并将判断结果发送给双向DCDC变换器1；
同步连接模块23，用于接收双向DCDC变换器1发送的同步信号并建立双向DCDC变换器1与储能电池管理***2的同步连接；其中，双向DCDC变换器1与储能电池管理***2通过信号线连接，通过电平变化或者上升沿/下降沿触发实现同步；双向DCDC变换器1与储能电池管理***2的另一种同步触发方式是通过通信协议连接，以广播的方式触发；
采集模块24，用于采集电驱动***工况变化前后储能电池5的参数；
运算模块25，用于计算采集的参数。
经过计算更新电池参数表，同时将计算结果发送给能量管理模块3。在本实施例中储能电池管理***包括采集模块25，可以作为传感器使用。
数据采集的另一种实现方式是采用电池传感器4，用于检测储能电池5参数并发送给储能电池管理***2。
双向DCDC变换器1与储能电池管理***2连接实现同步工作，改变了传统的储能电池管理***相对单一的工作模式；双向DCDC变换器1可以预测和控制***工况，协调BMS(Battery Management System，电池管理***)进行同步检测和管理。
第三实施例：
如图3所示是另一种实现储能电池***32和双向DCDC变换器31同步管理的装置，包括设于双向DCDC变换器31的测量基准设定模块311和工况判断模块312以及设于储能电池管理***32的同步连接模块321、采集模块323和运算模块322；
测量基准设定模块311，用于定义参数随时间变化的测量窗口；
工况判断模块312，通过所述测量窗口判断电驱动***工况并向储能电池管理***32发送同步信号；
同步连接模块321，用于接收工况判断模块312发送的同步信号并建立双向DCDC变换器31与储能电池管理***32的同步连接；
采集模块323，用于采集电驱动***工况变化前后储能电池5的参数；
运算模块322，用于计算采集的参数。
经过计算更新电池参数表，同时将计算结果发送给能量管理模块3，该模块可以独立于双向DCDC变换器31(如本实施例所示)，也可以嵌入其内部形成智能双向DCDC变换器(如第四实施例所示)。
在本实施例中储能电池管理***包括采集模块323，可以作为传感器使用。
数据采集的另一种实现方式是采用电池传感器4，用于检测储能电池5参数并发送给储能电池管理***32。
第四实施例：
如图4所示是将能量管理模块413集成于双向DCDC变换器41中形成智能双向DCDC变换器的结构示意图，包括设于双向DCDC变换器41的测量基准设定模块411、工况判断模块412和能量管理模块413以及设于储能电池管理***42的同步连接模块421、采集模块423和运算模块422；
测量基准设定模块411，用于定义参数随时间变化的变化曲线的变化率；
工况判断模块412，通过与所述变化率比较判断电驱动***工况并向储能电池管理***42发送同步信号；
同步连接模块421，用于接收工况判断模块412发送的同步信号并建立双向DCDC变换器41与储能电池管理***42的同步连接；
采集模块423，用于采集电驱动***工况变化前后储能电池5的参数；
运算模块422，用于计算采集的参数。
经过计算更新电池参数表，同时将计算结果发送给能量管理模块413。
在本实施例中储能电池管理***42包括采集模块423，可以作为传感器使用。
数据采集的另一种实现方式是采用电池传感器4，用于检测储能电池5参数并发送给储能电池管理***42。
将能量管理模块413集成于双向DCDC变换器41中形成智能双向DCDC变换器，在没有改变原有控制体系的基础上节约了空间，减少了整个装置在电动车中占用的空间。
第五实施例：
如图5所示，本实施例以电动汽车加速为例说明储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法，当双向DCDCD变换器的能量管理单元接收到放电信号后，根据放电幅度随时间的变化来判断是否符合进行储能电池动态参数的测量工况要求，如果满足要求，发送同步信号，该同步信号包括工况模式、参数选择等信息，通知储能电池管理***进行相应工作。该方法包括：
设定测量基准，本实施例以定义参数随时间变化的测量窗口为例进行具体说明(作为本实施例测量基准的替代方案可以是定义参数随时间变化的变化曲线的变化率，比较参数与变化率的大小来确定***工况，或者综合考虑测量窗口和参数的变化率来确定***的工况)；其包括测量窗口下限和测量窗口上限，定义参数随时间的变化量是5％的点作为测量窗口下限，定义参数随时间的变化量是8％的点作为测量窗口上限；
判断储能电池工况，即根据双向DCDC变换器的放电幅度(能量)随时间的变化量与测量窗口比较，若所述参数变化量小于测量窗口下限，则判断为静态工况，若所述参数变化量大于测量窗口上限，则判断为动态工况；若参数变化量处于测量窗口下限与测量窗口上限之间，则判定电驱动***处于静态工况。
判断为动态工况，则双向DCDC变换器发送同步信号给储能电池管理***，双向DCDC变换器发布同步信号通过广播信号或者信号线传输给储能电池管理***；
建立双向DCDC变换器与储能电池管理***的同步连接，可以通过连接二者的信号线的电平变化或者上升沿/下降沿触发实现同步；另一种同步触发方式是通过通信协议连接，以广播的方式触发；储能电池管理***采集当前储能电池的参数，用于下一步计算。
具体过程如下：
步骤500：设定测量窗口，包括测量窗口下限和测量窗口上限，定义参数随时间的变化量是5％的点作为测量窗口下限，定义参数随时间的变化量是8％的点作为测量窗口上限；且变化量是5％的点和变化量是8％的点均带有回滞特性，提高了***的抗干扰性；例如：定义电压随时间变化的测量窗口W(Vmin，Vmax)，或者定义电流随时间变化的测量窗口W(Imin，Imax)，或者定义功率随时间变化的测量窗口W(Pmin，Pmax),或者定义能量随时间变化的测量窗口W(Emin，Emax)等。
步骤501：双向DCDC变换器判断电驱动***工况；将限定时间内的放电幅度与测量窗口比较。
步骤502：判断是否为动态工况；若单位时间内的参数变化量大于测量窗口上限，则判断为动态工况(即工况发生变化，可能为充电状态或放电状态)；
若该单位时间内的参数变化量小于测量窗口下限，则判断为储能电池处于静态工况(即储能电池管理***闲置状态)；
若单位时间内的参数的变化量处于测量窗口下限与上限之间，则判断为储能电池处于静态工况(工况变化缓慢状态)。
步骤503：若判断是动态工况，则双向DCDC变换器发送同步信号给储能电池管理***。
步骤504：若判断是静态工况，则实时调整储能电池管理***的工作模式和功耗控制，进行监测和校准工作；实时调整储能电池管理***的工作模式，实现开路电压检测，电池的状态信息和电池稳态管理，电流I，电压V，时间T，电池SOC(State Of Charge,荷电状态)、电池SOP(State Of Power，功率状态)和电池SOE(State Of Energy，能量状态)校准，功耗控制，电池均衡控制，多路通道校准，故障诊断和维护等功能，并继续执行步骤501判断电驱动***工况，准备接收外部工况变化指令。
步骤505：储能电池管理***接收同步信号；同步信号通过通讯口发布广播信号传输或者通过信号线直接连接进行传输。
步骤506：判断是否为已建立同步连接；如果否，则执行步骤507，如果是，则直接执行步骤508。
步骤507：建立双向DCDC变换器与储能电池管理***的同步连接。
步骤508：储能电池管理***采集同步连接建立时刻的参数并标记，同时进行简单运算；并判断双向DCDC变换器是否发布同步信号；
当为放电状态时，储能电池将通过双向DCDC变换器向直流总线放电，执行步骤503发布同步信号给储能电池管理***；储能电池管理***向电池传感器发送电池参数采集指令，电池传感器接收指令并采集极化电阻、欧姆电阻等参数实时传输给储能电池管理***，储能电池管理***存储该参数并标记为有效；若该参数被读取，则改变存储器中该位置的标记，此时该数据失效。储能电池管理***对采集参数进行简单运算，运算结果标记为有效，若该结果被读取，则改变标记，此时结果失效。
当为充电状态时，直流总线将要通过双向DCDC变换器向储能电池充电，执行步骤503发布同步信号给储能电池管理***；储能电池管理***向电池传感器发送电池参数采集指令，电池传感器接收指令并采集极化电阻、欧姆电阻等参数实时传输给储能电池管理***；储能电池管理***存储该参数并标记为有效；若该参数被读取，则改变存储器中该位置的标记，此时该数据失效。运算结果标记为有效，若该结果被读取，则改变标记，此时结果失效。
步骤509：将运算结果发送给能量管理模块，判断运算结果是否有效；如果有效，则执行步骤510，否则，执行步骤501。
步骤510：更新电池参数表，确定有效参数。例如A(SOC，T，R)，B(SOC，T,R)……，更新电池参数表即为更新A′(SOC′，T′，R′)，B′(SOC′，T′,R′)……，同时运算更新储能电池SOC,SOE和SOP等。
图6给出放电幅度随时间变化图，图中：
T1-T2：放电量小于测量窗口下限或处于窗口上、下限之间，判断为静态工况，进行监测或校准工作；
T2：放电量大于测量窗口上限，判断为动态工况，且为状态变化前，双向DCDC变换器发布同步信号，并通知储能电池管理***记录下当前状态参量数据，并标记；
T3：放电量大于测量窗口上限，判断为动态工况，且为状态变化后，双向DCDC变换器发布同步信号，并通知储能电池管理***记录下当前状态参量数据，并标记；根据记录的数据可以计算该点的表征参数。
例如：计算储能电池在该点的内阻：
对于T4，T5，……Tn,……时刻，双向DCDC变换器根据工况状态，相应的做出发布同步信号，通知储能电池管理***记录当前时刻参数，并标记；根据记录的数据计算不同时间节点的表征参数。
基于整体***的角度来说，该管理储能电池的技术可以应用于大型储能***和大功率快速充放电储能电池管理***，包括智能电网，新能源发电，电动汽车等大型储能***和分布式储能***中。
显然，本领域技术人员应该明白，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理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.储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法，其特征在于，包括如下步骤：
设定测量基准；
判断电驱动***工况；
若为动态工况，双向DCDC变换器发送同步信号给储能电池管理***；
建立双向DCDC变换器与储能电池管理***的同步连接，并采集储能电池的参数用于下一步计算。
2.根据权利要求1所述的储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法，其特征在于，所述设定测量基准包括：定义参数随时间变化的测量窗口或定义参数随时间变化曲线的变化率。
3.根据权利要求2所述的储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法，其特征在于，所述判断电驱动***工况包括：参数变化量小于测量窗口下限，或者小于参数随时间变化曲线的变化率，若至少满足两个条件中的一个，则判定电驱动***处于静态工况；参数变化量大于测量窗口上限，或者大于参数随时间变化曲线的变化率，若至少满足两个条件中的一个，则判定电驱动***处于动态工况；参数变化量处于测量窗口下限与测量窗口上限之间，或者等于参数随时间变化曲线的变化率，若至少满足两个条件中的一个，则判定电驱动***处于静态工况。
4.根据权利要求3所述的储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法，其特征在于，所述双向DCDC变换器发送同步信号给储能电池管理***包括：双向DCDC变换器发布同步信号，通过广播信号或者信号线传输给储能电池管理***。
5.实现权利要求1-4任一项所述的储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法的装置，其特征在于，包括设于储能电池管理***的测量基准设定模块、工况判断模块、同步连接模块、采集模块和运算模块；
测量基准设定模块，用于定义参数随时间变化的测量窗口或变化率；
工况判断模块，通过所述测量基准判断电驱动***工况并将判断结果发送给双向DCDC变换器；
同步连接模块，用于接收双向DCDC变换器发送的同步信号并建立双向DCDC变换器与储能电池管理***的同步连接；
采集模块，用于采集电驱动***工况变化前后储能电池的参数；
运算模块，用于计算采集的参数。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述采集模块包括电池传感器，用于检测储能电池参数并发送给储能电池管理***。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，双向DCDC变换器与储能管理***通过信号线连接。
8.实现权利要求1-4任一项所述的储能电池管理***和双向DCDC变换器同步管理方法的装置，其特征在于，包括设于双向DCDC变换器的测量基准设定模块和工况判断模块以及设于储能电池管理***的同步连接模块、采集模块和运算模块；
测量基准设定模块，用于定义参数随时间变化的测量窗口或变化率；
工况判断模块，通过所述测量基准判断电驱动***工况并向储能电池管理***发送同步信号；
同步连接模块，用于接收工况判断模块发送的同步信号并建立双向DCDC变换器与储能电池管理***的同步连接；
采集模块，用于采集电驱动***工况变化前后储能电池的参数；
运算模块，用于计算采集的参数。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述采集模块包括电池传感器，用于检测储能电池参数并发送给储能电池管理***。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，双向DCDC变换器与储能管理***通过信号线连接。
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