CN112134319B - 一种能量回馈式梯次电池充放电均衡***及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能量回馈式梯次电池充放电均衡***及其控制方法，包括梯次电池组包括电池组和变流器组，电池组与双向功率变换单元连接，电池组根据电荷状态通过双向功率变换单元进行充电或放电；电池组包括多个电池模块串联，电池模块间根据电荷状态差值通过变流器组进行充电或放电；控制单元通过电池组的电荷状态和电池模块间的电荷状态差值分别控制双向功率变换单元与变流器组完成对电池组的充电或放电。本发明可将梯次电池组并入电网，能量回馈式的控制策略实现对电池能量的动态管理，在实现梯次电池充放电的同时保证能量的最小消耗。

Description

一种能量回馈式梯次电池充放电均衡***及其控制方法
技术领域
本发明涉及锂电池梯次利用技术领域，特别是涉及一种能量回馈式梯次电池充放电均衡***及其控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
新能源汽车产业迅猛发展带来的退役的动力蓄电池回收与梯次利用问题亟待解决，如将退役的动力蓄电池用于储能***可有效缓解回收压力并降低动力蓄电池全生命周期成本；
但是，发明人认为，梯次利用电池的安全维护与参数不一致性问题，特别是容量不一致造成电池组能量利用率低下的问题亟需解决。对于退役的动力锂电池，将电池拆解到模组级时，电池模组可能来自不同批次、不同厂家、电池容量及电压等级可能不同，使用后电池老化程度及老化水平也不同，会产生不一致性问题；另外对梯次电池进行循环的充放电性能测试进行参数估算的办法，属于能量消耗式的充放电测试，会浪费大量的能源。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种能量回馈式梯次电池充放电均衡***及其控制方法，本发明可将梯次电池组并入电网，通过双向功率变换单元实现电池的充放电能与电网能量的转换，通过变流器对电池组内电池模块的充放电进行均衡控制，对于电池模块内单个电池间的均衡采用主动均衡策略，能量回馈式的控制策略实现对电池能量的动态管理，在实现梯次电池充放电的同时保证能量的最小消耗。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种能量回馈式梯次电池充放电均衡***，包括：梯次电池组、双向功率变换单元与控制单元；
所述梯次电池组包括电池组和变流器组，所述电池组与所述双向功率变换单元连接，所述电池组根据电荷状态通过双向功率变换单元进行充电或放电；
所述电池组包括多个电池模块串联，所述电池模块与变流器组连接，所述电池模块间根据电荷状态差值通过变流器组进行充电或放电；
所述控制单元通过电池组的电荷状态和电池模块间的电荷状态差值分别控制双向功率变换单元与变流器组完成对电池组的充电或放电。
第二方面，本发明提供一种能量回馈式梯次电池充放电均衡***的充电控制方法，包括：
根据电池组的电压、电流以及预设的第一充电阈值，判断电池组的电荷状态，若低于第一充电阈值，控制双向功率变换单元向电池组充电；
根据预设第二充电阈值，判断电池组中电池模块间的电荷状态差值，若高于第二充电阈值，控制变流器组向低电荷状态的电池模块充电；
否则判断电池模块内单个电池间的电荷状态差值，若高于第二充电阈值，启动主动均衡向低电荷状态的电池充电；
直至电池组中电池模块间和单个电池间的电荷状态差值低于第二充电阈值，且电池组的电荷状态高于第一充电阈值，则电池组充电完成。
第三方面，本发明提供一种能量回馈式梯次电池充放电均衡***的放电控制方法，包括：
根据电池组的电压、电流以及预设的第一放电阈值，判断电池组的电荷状态，若高于第一放电阈值，控制电池组通过双向功率变换单元放电；
根据预设第二放电阈值，判断电池组中电池模块间的电荷状态差值，若高于第二放电阈值，控制高电荷状态的电池模块通过变流器组放电；
否则判断电池模块内单个电池间的电荷状态差值，若高于第二放电阈值，启动主动均衡由高电荷状态的电池放电；
直至电池组中电池模块间和单个电池间的电荷状态差值低于第二放电阈值，且电池组的电荷状态低于第一放电阈值，则电池组放电完成。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用电荷状态SOC作为目标值，在实际电路中只需要采样电池的电压电流即可得到电荷状态SOC，结合双向功率变换器、双向DC/DC和主动均衡电路，能够实现电池能量的快速、有效充放以及再利用；本发明梯度搜索算法实现了对梯次电池性能的估算，能量流控制策略简单，采集量少，计算量少，容易实现，削弱了对电池的高性能要求。
本发明可将梯次电池组并入电网，通过双向功率变换单元实现电池的充放电能与电网能量的转换，通过变流器对电池组内电池模块的充放电进行均衡控制，对于电池模块内单个电池间的均衡采用主动均衡策略，解决了电池间参数不一致的问题，能量回馈式的控制策略实现对电池能量的动态管理，在实现梯次电池充放电的同时保证能量的最小消耗。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书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。
图1为本发明实施例1提供的能量回馈式梯次电池充放电均衡***框图；
图2为本发明实施例2提供的能量回馈式梯次电池充放电均衡***的充电控制方法流程图；
图3为本发明实施例3提供的能量回馈式梯次电池充放电均衡***的放电控制方法流程图；
其中，1、梯次电池组；2、双向功率变换单元；3、滤波电路；4、并网电路；5、交流电网及本地负载；6、串口或CAN通讯网络；7、电池逻辑控制单元；8、直流母线电压电流检测单元；9、隔离驱动单元；10、交流电压电流检测单元；11、并网控制单元；12、控制单元。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种能量回馈式梯次电池充放电均衡***，包括：梯次电池组1、双向功率变换单元2与控制单元12；
所述梯次电池组1包括电池组和变流器组，所述电池组与所述双向功率变换单元2连接，所述电池组根据电荷状态通过双向功率变换单元2进行充电或放电；
所述电池组包括多个电池模块串联，所述电池模块与变流器组连接，所述电池模块间根据电荷状态差值通过变流器组进行充电或放电；
所述控制单元12通过电池组的电荷状态和电池模块间的电荷状态差值分别控制双向功率变换单元2与变流器组完成对电池组的充电或放电。
优选地，所述变流器组包括多个双向DC/DC变换器串联，实现电池模块到直流母线的双向能量变换。
在本实施例中，所述双向功率变换单元2包括直流滤波电容、电力电子器件和交流滤波电路3，实现直流母线能量直流到交流的变换；
优选地，双向功率变换单元2通过直流滤波电容与电池组连接。
在本实施例中，通过并网电路4将储能电池组并入电网，所述并网电路4包括并网开关，在满足并网条件时实现电网与电池组能量的双向变换；
优选地，滤波电路3与并网电路4连接，由并网电路接入交流电网以及本地负载5；所述交流电网及本地负载5用于能量在本地消耗或者放电到交流电网时进行转换；
在本实施例中，所述控制单元12通过串口或CAN通讯网络6实现和直流母线DC/DC变流器组的通讯；
在本实施例中，所述控制单元12连接电池逻辑控制单元7，所述电池逻辑控制单元7用于对电池电压、电流、温度的检测，以及对继电器、风扇等进行控制；
所述控制单元12根据接收的由电池逻辑控制单元7检测到的电池电压、电流数据控制电池的充放电。
在本实施例中，该***还包括直流母线电压电流检测单元8，用于实现直流母线电压和电流的检测，对直流母线的能量进行实时计算。
该***还包括隔离驱动单元9，在控制单元控制双向功率变换单元对电池组充电或放电时，实现控制单元12的PWM信号到电力电子器件的隔离，并对电力电子器件的导通和关断进行控制；
该***还包括交流电压电流检测单元10，用于对经功率变换电路变换功率后的电压电流进行检测，实现输出电压、电流和能量的计算，根据输出能量判断电池组的内部容量SOC；
该***还包括并网控制单元11，用于对电网侧的电压电流进行检测，并对并入电网进行控制，将电池的能量输出到电网或者从电网获取能量。
优选地，所述控制单元12采用嵌入式控制器MCU或DSP，实现对能量流的控制和逻辑的控制。
在本实施例中，将传统储能电池直接接在直流母线上，并入电网，辅助能量能双向流动的双向DC/DC变换器对每组电池模块进行精确的充放电控制；由主动均衡策略对单个电池内部的SOC进行均衡；利用双向功率变换器将电池的能量跟交流电网直接进行转换；
针对退运电池梯次测试要求，采用可实现模块化独立控制及冗余控制的半桥级联型拓扑作为梯次利用电池储能***的拓扑，结合拓扑特点，建立了“本地控制+二次调节”的分布式分层架构，为实现分布式控制下的***稳定运行及电池功率独立控制，提出了基于子模块间储能***综合控制策略，搭建了半桥级联型拓扑仿真模型，通过能量回馈式的控制策略实现对电池能量的动态管理，解决电池参数不一致性问题，在实现梯次电池的性能测试的同时保证能量的最小消耗。
实施例2
如图2所示，本实施例提供一种能量回馈式梯次电池充放电均衡***的充电控制方法，包括：
S1：确认充电开始后，双向功率变换单元向电池组进行充电；
S2：检测电池组的电压、电流，根据电池组的电压、电流以及预设的第一充电阈值，判断电池组的电荷状态，若高于第一充电阈值，则电池组能量充满，停止充电；若低于第一充电阈值，控制双向功率变换单元继续向电池组充电；
优选地，第一充电阈值为SOC值100％，可以根据情况调整；
S3：根据预设第二充电阈值，判断电池组中N个电池模块间的电荷状态差值，若高于第二充电阈值，控制双向DC/DC变流器组向低电荷状态的电池模块充电，执行步骤S5；否则，执行步骤S4；
其中低电荷状态的电池模块为任意两个电荷状态作差的电池模块中电荷状态较低的一个；
优选地，第二充电阈值为单节电池SOC大于平均SOC的10％，可以根据情况调整；
S4：判断电池模块内单个电池间的电荷状态差值，若高于第二充电阈值，启动均衡电路，向低电荷状态的电池充电；否则，执行步骤S5；
S5：判断电池组中电池模块间和单个电池间的电荷状态差值是否高于第二充电阈值，若是，执行步骤S3；否则执行步骤S6；
S6：判断整个电池组的电荷状态是否低于第一充电阈值，如果高于第一充电阈值，则电池组能量充满，停止充电；如果低于第一充电阈值，执行步骤S4。
实施例3
如图3所示，本实施例提供一种能量回馈式梯次电池充放电均衡***的放电控制方法，包括：
S1：确认放电开始后，电池组通过双向功率变换单元向电网或负载进行放电；
S2：检测电池组的电压、电流，根据电池组的电压、电流以及预设的第一放电阈值，判断电池组的电荷状态，若低于第一放电阈值，则判断电池组没有能量，停止放电；若高于第一放电阈值，控制电池组通过双向功率变换单元放电；
优选地，第一放电阈值为SOC值70％，可以根据情况调整；
S3：根据预设第二放电阈值，判断电池组中N个电池模块间的电荷状态差值，若高于第二放电阈值，控制高电荷状态的电池模块通过双向DC/DC变流器组放电，执行步骤S5；如果低于第二放电阈值，执行步骤S4；
其中高电荷状态的电池模块为任意两个电荷状态作差的电池模块中电荷状态较高的一个；
优选地，第二放电阈值为单节电池SOC大于平均SOC的10％，可以根据情况调整；
S4：判断电池模块内单个电池间的电荷状态差值，若高于第二放电阈值，启动主动均衡由高电荷状态的电池放电；如果低于第二放电阈值，执行步骤S5；
S5：判断电池组中电池模块间和单个电池间的电荷状态差值是否高于第二放电阈值，若是，执行步骤S3；否则执行步骤S6；
S6：判断整个电池组的电荷状态是否低于第一放电阈值，若是，则电池组放电完成；否则执行步骤S4。
本实施例结合双向DC/DC、主动均衡电路和双向功率变换器，能够实现电池能量的快速、有效充放以及能量的再利用，实现对梯次电池性能的估算；本实施例的能量流控制策略简单，计算量少，即使***最初运行在未知状态，也能保证***较快的运行于合适的工作点。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种能量回馈式梯次电池充放电均衡***的充电控制方法，其中，所述能量回馈式梯次电池充放电均衡***包括：梯次电池组、双向功率变换单元与控制单元；
所述梯次电池组包括电池组和变流器组，所述电池组与所述双向功率变换单元连接，所述电池组根据电荷状态通过双向功率变换单元进行充电或放电；
所述控制单元被配置为：判断电池组的电荷状态，若高于第一充电阈值，则电池组能量充满，停止充电；若低于第一充电阈值，控制双向功率变换单元继续向电池组充电；判断电池组的电荷状态，若低于第一放电阈值，则停止放电；若高于第一放电阈值，控制电池组通过双向功率变换单元放电；
所述电池组包括多个电池模块串联，所述电池模块与变流器组连接，所述电池模块间根据电荷状态差值通过变流器组进行充电或放电；
所述控制单元通过电池组的电荷状态和电池模块间的电荷状态差值分别控制双向功率变换单元与变流器组完成对电池组的充电或放电；
所述变流器组包括多个双向DC/DC变换器串联，实现电池模块到直流母线的双向能量变换；
所述控制单元还被配置为：根据预设第二充电阈值，判断电池组中N个电池模块间的电荷状态差值，若高于第二充电阈值，控制双向DC/DC变流器组向低电荷状态的电池模块充电；根据预设第二放电阈值，判断电池组中N个电池模块间的电荷状态差值，若高于第二放电阈值，控制高电荷状态的电池模块通过双向DC/DC变流器组放电；判断电池模块内单个电池间的电荷状态差值，若高于第二充电阈值，启动均衡电路，向低电荷状态的电池充电；判断电池模块内单个电池间的电荷状态差值，若高于第二放电阈值，启动主动均衡由高电荷状态的电池放电；
所述双向功率变换单元包括直流滤波电容、电力电子器件和交流滤波电路，实现直流母线能量直流到交流的变换；
所述双向功率变换单元通过滤波电路与并网电路连接，通过并网电路将电池组并入电网；
所述充电控制方法包括：
根据电池组的电压、电流以及预设的第一充电阈值，判断电池组的电荷状态，若低于第一充电阈值，控制双向功率变换单元向电池组充电；
根据预设第二充电阈值，判断电池组中电池模块间的电荷状态差值，若高于第二充电阈值，控制变流器组向低电荷状态的电池模块充电；
否则判断电池模块内单个电池间的电荷状态差值，若高于第二充电阈值，启动主动均衡向低电荷状态的电池充电；
直至电池组中电池模块间和单个电池间的电荷状态差值低于第二充电阈值，且电池组的电荷状态高于第一充电阈值，则电池组充电完成。
2.一种能量回馈式梯次电池充放电均衡***的放电控制方法，其中，所述能量回馈式梯次电池充放电均衡***包括：梯次电池组、双向功率变换单元与控制单元；
所述梯次电池组包括电池组和变流器组，所述电池组与所述双向功率变换单元连接，所述电池组根据电荷状态通过双向功率变换单元进行充电或放电；
所述控制单元被配置为：判断电池组的电荷状态，若高于第一充电阈值，则电池组能量充满，停止充电；若低于第一充电阈值，控制双向功率变换单元继续向电池组充电；判断电池组的电荷状态，若低于第一放电阈值，则停止放电；若高于第一放电阈值，控制电池组通过双向功率变换单元放电；
所述电池组包括多个电池模块串联，所述电池模块与变流器组连接，所述电池模块间根据电荷状态差值通过变流器组进行充电或放电；
所述控制单元通过电池组的电荷状态和电池模块间的电荷状态差值分别控制双向功率变换单元与变流器组完成对电池组的充电或放电；
所述变流器组包括多个双向DC/DC变换器串联，实现电池模块到直流母线的双向能量变换；
所述控制单元还被配置为：根据预设第二充电阈值，判断电池组中N个电池模块间的电荷状态差值，若高于第二充电阈值，控制双向DC/DC变流器组向低电荷状态的电池模块充电；根据预设第二放电阈值，判断电池组中N个电池模块间的电荷状态差值，若高于第二放电阈值，控制高电荷状态的电池模块通过双向DC/DC变流器组放电；判断电池模块内单个电池间的电荷状态差值，若高于第二充电阈值，启动均衡电路，向低电荷状态的电池充电；判断电池模块内单个电池间的电荷状态差值，若高于第二放电阈值，启动主动均衡由高电荷状态的电池放电；
所述双向功率变换单元包括直流滤波电容、电力电子器件和交流滤波电路，实现直流母线能量直流到交流的变换；
所述双向功率变换单元通过滤波电路与并网电路连接，通过并网电路将电池组并入电网；
所述放电控制方法包括：
根据电池组的电压、电流以及预设的第一放电阈值，判断电池组的电荷状态，若高于第一放电阈值，控制电池组通过双向功率变换单元放电；
根据预设第二放电阈值，判断电池组中电池模块间的电荷状态差值，若高于第二放电阈值，控制高电荷状态的电池模块通过变流器组放电；
否则判断电池模块内单个电池间的电荷状态差值，若高于第二放电阈值，启动主动均衡由高电荷状态的电池放电；
直至电池组中电池模块间和单个电池间的电荷状态差值低于第二放电阈值，且电池组的电荷状态低于第一放电阈值，则电池组放电完成。
3.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述控制单元通过串口或CAN通讯网络与变流器组进行通讯，完成对变流器组的控制。
4.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，该***还包括电池逻辑控制单元，所述电池逻辑控制单元用于对电池组的电压、电流进行检测，并发送至控制单元。
5.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，该***还包括隔离驱动单元，在控制单元控制双向功率变换单元对电池组充电或放电时，用于对控制单元的控制信号与双向功率变换单元的隔离，并对双向功率变换单元的导通和关断进行控制。
6.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，该***还包括交流电压电流检测单元，用于对经功率变换电路变换功率后的电压电流进行检测，实现输出电压电流的计算。
7.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，该***还包括并网控制单元，用于对电网侧的电压电流进行检测，对并入电网进行控制。
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