CN110474386A - 一种储能电池***多层级主动均衡电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种储能电池***多层级主动均衡电路及控制方法,采用多层级主动均衡结构将电池储能***划分成多个模块,主动均衡电路包括组内均衡电路和组间均衡电路,组内均衡电路包括电池状态信息采集电路、组内开关阵列、组内双向DC‑DC电路和从MCU,组间均衡电路包括组间开关阵列、组间双向DC‑DC电路和主MCU;模块内部通过主动均衡实现模块内均衡,模块之间利用模块均衡主电路实现模块之间的均衡。本发明可实现储能电池***内能量的有效利用,并可以有效提升电池组整体容量和功率性能,同时缩短均衡时间。
Description
技术领域
本发明涉及储能电池***均衡控制技术,尤其涉及一种储能电池***多层级主动均衡电路及控制方法。
背景技术
随着电池储能技术的不断发展,大规模储能电站大量投入国网运营,在发电、输电、配电和用电侧都发挥了重要作用。由于电池在制造过程中由于制造工艺和使用环境的不同,长时间使用后会出现电池电量的不均衡,在电池组中电池单体电量不一致会导致电池组整体容量的缩减,即电池组整体可放出电量低于单体的叠加。同时由于个别单体的制约,电池组的整体功率也会收到限制。所以,保持电池组整体电量均衡对于电池***整体性能的发挥具有重要意义。
传统的均衡方式采用电阻放电方式,一方面能量转化为热量散失是一种浪费,另一方面也给电池热管理造成影响。为了节约能量的同时使电池组最大限度的发挥效能,设计储能电池***多层级主动均衡结构和控制方法可以有效的解决该难题。
已有的相似的技术方案有“一种基于电感的储能电池组无损均衡电路及其均衡方法”,该方法通过电感作为储能元件,并提出了无损均衡电路及其均衡方法,极大地减少了均衡电路储能元件数量,减少均衡电路的体积,简化了均衡控制策略,改善电池组不均衡的现象,提高电池组的可用容量,减小电池组的维修和更换周期,延长电池组的使用寿命,降低蓄能电站的运行成本。
传统的均衡结构与控制方法在进行均衡控制时,由于构成电池组的单体数量众多,对电池单体逐一均衡耗费大量时间,而且现有方案往往针对电池模块内部,模块之间的均衡缺少考虑,更重要的是对于储能电池***的均衡缺少统筹控制,以上种种原因都会造成均衡时间长、均衡效果差的问题。
发明内容
发明目的:针对以上问题,本发明提出一种储能电池***多层级主动均衡电路及控制方法,实现对整个电池储能***的均衡,最终实现电池组容量和功率性能的提升。
技术方案:为实现本发明的目的,本发明所采用的技术方案是:一种储能电池***多层级主动均衡电路,储能电池***包括n个串联的模块,每个模块包括m个串联的电池;主动均衡电路包括组内均衡电路和组间均衡电路,组内均衡电路包括电池状态信息采集电路、组内开关阵列、组内双向DC-DC电路和从MCU,组间均衡电路包括组间开关阵列、组间双向DC-DC电路和主MCU;电池状态信息采集电路采集组内单个电池的状态信息传输到从MCU;从MCU控制组内开关阵列将单个电池接入组内双向DC-DC电路,从MCU向组内双向DC-DC电路发出控制信号,控制单个电池的能量转移;从MCU将组内电池的状态信息传输到主MCU;主MCU控制组间开关阵列将单个模块接入组间双向DC-DC电路,主MCU向组间双向DC-DC发出控制信号,控制单个模块的能量转移。
进一步地,电池状态信息包括电池电压和电池温度。
一种储能电池***多层级主动均衡电路的控制方法,包括步骤:
(1)从MCU控制电池状态信息采集电路运行,采集组内单个电池的状态信息传输到从MCU,从MCU根据电池电压计算电池剩余电量;从MCU将组内电池电压、电池剩余电量和电池温度传输到主MCU;
(2)主MCU对接收到的信息进行分析,当电池温度低于50℃大于0℃时,判断组内电池剩余电量的差异是否大于5%;若大于5%,主MCU向相应的从MCU发送组内均衡的命令;若小于5%,主MCU向相应的从MCU发送组内不均衡的命令;
(3)若从MCU收到组内均衡的命令,则进行组内均衡,均衡结束后向主MCU发送完成信号;若从MCU收到组内不均衡的命令,则从MCU向主MCU发送完成信号;
(4)当主MCU收到所有从MCU的完成信号后,主MCU开始进行组间均衡判断;
(5)当温度低于50℃大于0℃时,判断组间电池剩余电量的差异是否大于5%;如果小于5%,则不进行组间均衡,如果大于5%,则进行组间均衡。
进一步地,步骤3中组内均衡包括两种模式,当与最高剩余电量电池的剩余电量差距小于5%的电池数量小于m/2时,从MCU控制组内开关阵列将剩余电量高的电池接入组内双向DC-DC电路,向组内双向DC-DC电路发出控制信号,控制单个电池向单个模块转移能量;当与最高剩余电量电池的剩余电量差距小于5%的电池数量大于m/2时,从MCU控制组内开关阵列将剩余电量低的电池接入组内双向DC-DC电路,向组内双向DC-DC电路发出控制信号,控制单个模块向单个电池转移能量。
进一步地,组内均衡结束条件:均衡一次转移单个电池额定容量5%的电量,每次均衡后进行一次模式判断,直到组内电池剩余电量的差异小于5%。
进一步地,步骤5中组间均衡包括两种模式,当与最高剩余电量电池组的剩余电量差距小于5%的电池组数量小于n/2时,主MCU控制组间开关阵列将剩余电量高的单个模块接入组间双向DC-DC电路,向组间双向DC-DC电路发出控制信号,控制单个模块向整个模块转移能量;当与最高剩余电量电池组的剩余电量差距小于5%的电池组数量大于n/2时,主MCU控制组间开关阵列将剩余电量低的单个模块接入组间双向DC-DC电路,向组间双向DC-DC电路发出控制信号,控制整个模块向单个模块转移能量。
进一步地,组间均衡结束条件:均衡一次转移单个模块额定容量5%的电量,每次均衡后进行一次模式判断,直到组间电池剩余电量的差异小于5%。
进一步地,每个模块的剩余电量为该模块内的最小电池剩余电量。
有益效果:本发明提供的储能电池***多层级主动均衡电路及控制方法,可实现储能电池***内能量的有效利用,并可以有效提升电池组整体容量和功率性能,同时缩短均衡时间。
附图说明
图1是储能电池***多层级主动均衡电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明采用多层级主动均衡结构将电池储能***划分成多个模块,模块内部通过主动均衡实现模块内均衡,模块之间利用一套开关矩阵和模块均衡主电路实现模块之间的均衡。
如图1所示,将储能电池***根据单体数量划分为固定数量的n个模块,每个模块内有m个串联的电池,主动均衡电路包括组内均衡电路和组间均衡电路,组内均衡电路包括电池状态信息采集电路、组内开关阵列、组内双向DC-DC电路和从MCU,组间均衡电路包括组间开关阵列、组间双向DC-DC电路和主MCU;
电池状态信息包括电池电压和电池温度,为了获取各个电池模块的当前状态,通过采集模块内的各个单体电压,根据静置4小时以上的开路电压获得电池以及电池开路电压与剩余电量(SOC)之间的对应关系,估计每一节单体的SOC。均衡过程中,通过安时积分法来估计电池SOC。
本发明的均衡电路控制方法实现步骤可表述如下:
Step 1:从MCU控制电池状态信息采集电路运行,采集组内单个电池的状态信息传输到从MCU,从MCU根据采集到的电池电压估计电池的SOC,再将模块内电池的电压、SOC和温度通过通讯的方式,传输到主MCU;
Step 2:主MCU对从MCU收集到的信息进行分析,在温度低于50℃,大于0℃的情况下,根据每个模块内电池的SOC差异是否大于5%来判断是否需要组内均衡,若大于5%,主MCU向相应的从MCU发送组内均衡的命令;若小于5%,主MCU向相应的从MCU发送组内不均衡的命令;
Step 3:若从MCU收到需要组内均衡的信息,从MCU通过均衡控制方式进行组内均衡,均衡结束后从MCU会向主MCU发送完成信号;若从MCU收到不需要组内均衡的信息,则从MCU会向主MCU发送完成信号;
Step4:当主MCU收到所有从MCU的完成信号后,主MCU开始进行组间的均衡判断;
Step 5:主MCU收集从MCU传输过来的各个电池模块的电压、SOC和温度,在温度低于50℃,大于0℃的情况下,如果模块的SOC差距小于5%,则不需要进行组间均衡;如果模块的SOC差距大于5%,则需要进行组间均衡,组间进行均衡。
均衡控制方式存在两种模式,对于单个模组来说,一是从MCU通过组内开关阵列将SOC高的电池接入组内双向DC-DC电路一端,并向组内双向DC-DC电路发出控制信号,控制单个电池向单个模块转移能量;二是从MCU通过组内开关阵列将SOC低的电池接入组内双向DC-DC电路一端,并向组内双向DC-DC电路发出控制信号,控制单个模块向单个电池转移能量。
对于整个模组来说,一是主MCU通过组间开关阵列将SOC高的单个模块接入组间双向DC-DC电路一端,并向组间双向DC-DC电路发出控制信号,控制单个模块向整个模块转移能量;二是主MCU通过组间开关阵列将SOC低的单个模块接入组间双向DC-DC电路一端,并向组间双向DC-DC电路发出控制信号,控制整个模块向单个模块转移能量。均衡的顺序是先组内均衡再到组间均衡。
对于单个模组来说,两种模式的选择是根据组内电池的SOC分布来决定的,当与最高SOC电池的SOC差距小于5%的电池数量小于m/2时,采用SOC最高的电池向单个模块转移能量的方式;当与最高SOC电池的SOC差距小于5%的电池数量大于m/2时,单个模块向SOC最低的电池转移能量。一次均衡结束的标志是转移了单个电池额定容量5%的电量,每次均衡后都需要进行一次模式判断,直到组内电池的SOC差距小于5%。
对于整个模组来说,均衡方式相同,其中单个模块对应单个电池,整个模组对应单个模块。均衡一次转移单个模块额定容量5%的电量,每次均衡后进行一次模式判断,直到组间电池剩余电量的差异小于5%。每个模块的SOC以该模块内的最小SOC为准。
上述储能电池***多层级主动均衡电路及控制方法,根据采集的电池电压信息估计电池电量,并以此为依据分别进行模块内均衡和模块间均衡,具有很强的适应性和广泛性。
Claims (8)
1.一种储能电池***多层级主动均衡电路,其特征在于,储能电池***包括n个串联的模块,每个模块包括m个串联的电池;
主动均衡电路包括组内均衡电路和组间均衡电路,组内均衡电路包括电池状态信息采集电路、组内开关阵列、组内双向DC-DC电路和从MCU,组间均衡电路包括组间开关阵列、组间双向DC-DC电路和主MCU;
电池状态信息采集电路采集组内单个电池的状态信息传输到从MCU;从MCU控制组内开关阵列将单个电池接入组内双向DC-DC电路,从MCU向组内双向DC-DC电路发出控制信号,控制单个电池的能量转移;
从MCU将组内电池的状态信息传输到主MCU;主MCU控制组间开关阵列将单个模块接入组间双向DC-DC电路,主MCU向组间双向DC-DC发出控制信号,控制单个模块的能量转移。
2.根据权利要求1所述的储能电池***多层级主动均衡电路,其特征在于,电池状态信息包括电池电压和电池温度。
3.一种基于权利要求1-2所述的储能电池***多层级主动均衡电路的控制方法,其特征在于,包括步骤:
(1)从MCU控制电池状态信息采集电路运行,采集组内单个电池的状态信息传输到从MCU,从MCU根据电池电压计算电池剩余电量;从MCU将组内电池电压、电池剩余电量和电池温度传输到主MCU;
(2)主MCU对接收到的信息进行分析,当电池温度低于50℃大于0℃时,判断组内电池剩余电量的差异是否大于5%;若大于5%,主MCU向相应的从MCU发送组内均衡的命令;若小于5%,主MCU向相应的从MCU发送组内不均衡的命令;
(3)若从MCU收到组内均衡的命令,则进行组内均衡,均衡结束后向主MCU发送完成信号;若从MCU收到组内不均衡的命令,则从MCU向主MCU发送完成信号;
(4)当主MCU收到所有从MCU的完成信号后,主MCU开始进行组间均衡判断;
(5)当温度低于50℃大于0℃时,判断组间电池剩余电量的差异是否大于5%;如果小于5%,则不进行组间均衡,如果大于5%,则进行组间均衡。
4.根据权利要求3所述的储能电池***多层级主动均衡控制方法,其特征在于,步骤3中组内均衡包括两种模式,当与最高剩余电量电池的剩余电量差距小于5%的电池数量小于m/2时,从MCU控制组内开关阵列将剩余电量高的电池接入组内双向DC-DC电路,向组内双向DC-DC电路发出控制信号,控制单个电池向单个模块转移能量;
当与最高剩余电量电池的剩余电量差距小于5%的电池数量大于m/2时,从MCU控制组内开关阵列将剩余电量低的电池接入组内双向DC-DC电路,向组内双向DC-DC电路发出控制信号,控制单个模块向单个电池转移能量。
5.根据权利要求3所述的储能电池***多层级主动均衡控制方法,其特征在于,组内均衡结束条件:均衡一次转移单个电池额定容量5%的电量,每次均衡后进行一次模式判断,直到组内电池剩余电量的差异小于5%。
6.根据权利要求3所述的储能电池***多层级主动均衡控制方法,其特征在于,步骤5中组间均衡包括两种模式,当与最高剩余电量电池组的剩余电量差距小于5%的电池组数量小于n/2时,主MCU控制组间开关阵列将剩余电量高的单个模块接入组间双向DC-DC电路,向组间双向DC-DC电路发出控制信号,控制单个模块向整个模块转移能量;
当与最高剩余电量电池组的剩余电量差距小于5%的电池组数量大于n/2时,主MCU控制组间开关阵列将剩余电量低的单个模块接入组间双向DC-DC电路,向组间双向DC-DC电路发出控制信号,控制整个模块向单个模块转移能量。
7.根据权利要求3所述的储能电池***多层级主动均衡控制方法,其特征在于,组间均衡结束条件:均衡一次转移单个模块额定容量5%的电量,每次均衡后进行一次模式判断,直到组间电池剩余电量的差异小于5%。
8.根据权利要求3所述的储能电池***多层级主动均衡控制方法,其特征在于,每个模块的剩余电量为该模块内的最小电池剩余电量。
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