CN114726033A - 基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法 - Google Patents

基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法 Download PDF

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CN114726033A CN202210314046.5A CN202210314046A CN114726033A CN 114726033 A CN114726033 A CN 114726033A CN 202210314046 A CN202210314046 A CN 202210314046A CN 114726033 A CN114726033 A CN 114726033A
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康重庆
周杨林
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Abstract

本发明公开了一种基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法和装置，其中，该方法包括：在放电过程中获取负载电压需求或者在充电过程中获取充电电压需求，根据电压需求确定串联电池组的目标数量，根据每个电池组的状态信息确定目标数量的目标电池组，根据目标电池组内单体的状态信息确定目标电池单体，将包含目标电池单体的目标电池组接入***，以对负载进行供电或者对电池组进行充电。本发明的放电策略能够支撑负载对于大功率的需求，充电策略能够解决单体间的均衡问题。

Description

基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法
技术领域
本发明涉及电池***领域，尤其涉及一种基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法和装置。
背景技术
随着风电、光伏等大规模间歇式新能源并网，电网的稳定运行面临着新的挑战，而储能技术由于可以起到平抑波动、提高电能质量等作用，已经成为新型电力***中不可或缺的一部分。其中，电化学储能由于其响应速度快、技术路线成熟等优点，已经得到人们的广泛关注。
电化学储能的核心是大规模电池***及其管控。传统的电池***为了满足负载电压和电流的需求，通常将大量的电池单体通过固定串并联的方式连接。然而，由于电池单体间存在差异性，这种固定连接的方式会存在“木桶效应”，即整个电池***的性能取决于性能最差的电池单体，从而带来能量效率低、可靠性低等问题。
为了解决传统固定串并联***的性能缺陷，一种动态可重构电池(DynamicallyReconfigurable Battery,DRB)网络被提出并得到广泛应用。这种电池网络将电池单体与电力电子开关深度耦合，通过开关的高频动作，实现电池网络拓扑的毫秒级重构，从而可以灵活地满足负载的电压电流需求，同时实现电池单体间的平衡，提高***的使用寿命和运行效率。但是，DRB网络是一个动态复杂非线性网络，其控制策略的研究也是一个相当复杂且困难的问题。
DRB网络的控制策略受到国内外学者的广泛研究。目前常用的控制策略有动态规划、深度加强学***衡，但现有的策略没有区分充电与放电过程的差异性，无法兼顾充放电过程的最优性能。因此，DRB***需要一种新的控制策略，能够同时满足放电时对大功率负载的支撑和充电时对电池单体的均衡，以较低的运算成本实现电池***充放电的实时控制。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于同时满足放电过程对大功率的支撑和充电过程对电池单体的均衡，提出了一种基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法。
本发明的另一个目的在于提出基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制装置。
为达上述目的，本发明一方面提出了基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法，包括以下步骤：
步骤1，在放电过程中，获取负载电压需求，根据所述负载电压需求确定需要串联电池组的第一目标数量，其中，每个电池组由若干个电池单体并联组成；
步骤2，获取可重构电池网络中每个电池组的第一状态信息，根据所述第一状态信息从所述可重构电池网络中选择所述第一目标数量的电池组作为第一目标电池组；
步骤3，获取所述第一目标电池组中每个电池单体的第二状态信息，将所述第二状态信息满足预设条件的电池单体作为第一目标电池单体；
步骤4，将包含所述第一目标电池单体的所述第一目标电池组接入***，以对负载进行供电。
根据本发明实施例的基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法，在放电过程中获取负载电压需求或者在充电过程中获取充电电压需求，根据电压需求确定串联电池组的目标数量，根据每个电池组的状态信息确定目标数量的目标电池组，根据目标电池组内单体的状态信息确定目标电池单体，将包含目标电池单体的目标电池组接入***，以对负载进行供电或者对电池组进行充电。本发明的放电策略能够支撑负载对于大功率的需求，充电策略能够解决单体间的均衡问题。
另外，根据本发明上述实施例的基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法还包括：
进一步地，所述步骤2包括：
计算所述可重构电池网络中每个电池组的第一荷电状态平均值，根据所述第一荷电状态平均值对多个电池组进行排序，从所述可重构电池网络中选取第一荷电状态平均值最高的所述第一目标数量的电池组作为所述第一目标电池组。
进一步地，所述步骤3包括：
计算所述第一目标电池组中每个电池单体的第一运行状态和第一荷电状态，在根据电池单体的第一运行状态判断电池单体处于非异常状态，且电池单体的第一荷电状态不低于荷电状态阈值时，确定电池单体为所述第一目标电池单体。
进一步地，在所述步骤4之后，还包括：
在所述负载发生变化时，或者，到达重构周期时，重新执行步骤1-步骤4。
进一步地，所述方法还包括：
根据所述负载的电流大小和所述目标电池组的荷电状态确定所述重构周期。
进一步地，所述方法还包括：
步骤5，在充电过程中，获取充电电压需求，根据所述充电电压需求确定需要串联电池组的第二目标数量；
步骤6，获取可重构电池网络中每个电池组的第三状态信息，根据所述第三状态信息从所述可重构电池网络中选择所述第二目标数量的电池组作为第二目标电池组；
步骤7，获取所述第二目标电池组中每个电池单体的第四状态信息，将所述第四状态信息满足预设条件的部分电池单体作为第二目标电池单体；
步骤8，将包含所述第二目标电池单体的所述第二目标电池组接入***，以对电池组进行充电。
进一步地，所述步骤6，包括：
计算所述可重构电池网络中每个电池组的第二荷电状态平均值，根据所述第二荷电状态平均值对多个电池组进行排序，从所述可重构电池网络中选第二取荷电状态平均值最低的所述第二目标数量的电池组作为所述第二目标电池组。
进一步地，所述步骤7，包括：
计算所述第二目标电池组中每个电池单体的第二运行状态和第二荷电状态，在根据电池单体的第二运行状态判断电池单体处于非异常状态，且电池单体的第二荷电状态低于荷电状态阈值时，确定电池单体为所述第二目标电池单体的备选单体，从所述备选单体中选取荷电状态较低的部分单体作为所述第二目标电池单体。
为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制装置，包括：
第一确定模块，用于在放电过程中，获取负载电压需求，根据所述负载电压需求确定需要串联电池组的第一目标数量，其中，每个电池组由若干个电池单体并联组成；
第一选择模块，用于获取可重构电池网络中每个电池组的第一状态信息，根据所述第一状态信息从所述可重构电池网络中选择所述第一目标数量的电池组作为第一目标电池组；
第二选择模块，用于获取所述第一目标电池组中每个电池单体的第二状态信息，将所述第二状态信息满足预设条件的电池单体作为第一目标电池单体；
第一接入模块，用于将包含所述第一目标电池单体的所述第一目标电池组接入***，以对负载进行供电。
本发明实施例的基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制装置，在放电过程中获取负载电压需求或者在充电过程中获取充电电压需求，根据电压需求确定串联电池组的目标数量，根据每个电池组的状态信息确定目标数量的目标电池组，根据目标电池组内单体的状态信息确定目标电池单体，将包含目标电池单体的目标电池组接入***，以对负载进行供电或者对电池组进行充电。本发明的放电策略能够支撑负载对于大功率的需求，充电策略能够解决单体间的均衡问题。
本发明的有益效果：
对于放电过程，由于负载的变化不可控，放电策略采用“组内全选，组间重构”的原则，支撑负载对于大功率的需求；对于充电过程，由于充电的电压电流人为可控，充电策略采用“组内与组间均重构”的原则，解决单体间的均衡问题。本发明的有益效果有：一是优化充放电控制方法，兼顾充放电过程中的不同需求；二是泛用性广，不依赖具体的电池模型和参数；三是运算量小，适用于实时控制的场合。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为现有技术的M×N可重构电池网络的框架示意图；
图2为根据本发明实施例的基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法的流程图；
图3为根据本发明实施例的放电过程控制策略的流程图；
图4为根据本发明实施例的充电过程控制策略的流程图；
图5为根据本发明实施例的基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制装置的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法。
如图1所示，现有技术中M×N可重构电池网络，图中每个电池单体与一个开关相连，这个开关的通断控制着该单体是否接入***。每个电池组由N个单体并联而成，M个电池组串联构成整个网络。每个电池组都有一个旁路开关，旁路开关与对应电池组内的开关互补，用于当电池组内所有的单体都不接入***时为电流提供通路。
图2是本发明一个实施例的基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法的流程图。
如图2所示，该基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法包括以下步骤：
步骤S1，在放电过程中，获取负载电压需求，根据负载电压需求确定需要串联电池组的第一目标数量，其中，每个电池组由若干个电池单体并联组成。
具体地，根据负载电压需求确定需要串联的电池组数量，假定负载需要的电压为Vd，电池组的平均端电压为Vd，计算需要串联的电池组数量为
Figure BDA0003568295680000051
步骤S2，获取可重构电池网络中每个电池组的第一状态信息，根据第一状态信息从可重构电池网络中选择第一目标数量的电池组作为第一目标电池组。
具体地，首先检测电池单体状态，排除故障电池。每个电池单体存在放电截止电压Vcutoff，***在运行时，电压检测模块实时检测每个电池单体的端电压Vij，若某个单体的端电压低于截止电压，即
Vij<Vcutoff
那么该单体将退出***，并不再参与后续放电过程。同样地，若故障检测模块检测到某单体存在温度异常、短路等故障，也将及时地把故障单体隔离起来，这种做法既可以保证***的安全性，防止故障进一步扩大，又能够使其余没有发生故障的电池继续放电，提高***的利用率。
然后选取md个电池组。计算出每个电池组的平均荷电状态，计算公式为：
Figure BDA0003568295680000061
其中，SOCi表示第i个电池组的平均SOC，N表示电池组内的单体总数，SOCij表示第i个电池组内第j个单体的SOC。如果电池组存在被***隔离的单体，那么该单体的SOC按等于零代入上述公式计算，再将M个电池组的平均SOC按照降序排列，取前md个电池组接入***，其他的电池组通过旁路开关短路。
步骤S3，获取第一目标电池组中每个电池单体的第二状态信息，将第二状态信息满足预设条件的电池单体作为第一目标电池单体。
具体地，将每一个电池组中的所有可用单体投入运行，即组内采取全选的方式，不再进行重构，目的是满足负载大功率的需求。这一步需要校核选中的电池组能否满足负载的电流需求，已知负载的功率和电压分别为Pd和Vd，则负载电流为
Figure BDA0003568295680000062
设电池组可用电池的数量为na，每个单体的最大放电电流为Icr，则对于每个选中的电池组，需要校核以下条件:
Id<naIcr
满足以上条件，说明电池组能够承受相应的放电电流，否则该电池组就不能投入运行，此时应该将该电池组屏蔽后，返回步骤S2，重新确定投入运行的电池组序号。
步骤S4，将包含第一目标电池单体的第一目标电池组接入***，以对负载进行供电。
步骤S1至S4是放电过程的控制策略，每当负载发生变化或新的重构周期开始时，都需要重新执行该策略，整体流程如图3所示。对于重构周期，采用以下公式估算：
Figure BDA0003568295680000063
其中，Ts的单位是秒，I是归一化的放电电流，单位是C，δ是百分比系数，取值满足：
Figure BDA0003568295680000064
除上述放电过程外，还包括充电过程，具体说明如下：
步骤S5，在充电过程中，获取充电电压需求，根据所述充电电压需求确定需要串联电池组的第二目标数量。
具体地，根据充电电压的大小确定串联的电池组的数量。假定充电电压为Vs，电池组的平均端电压为Vavg，那么需要串联的电池组数量为
Figure BDA0003568295680000065
步骤S6，获取可重构电池网络中每个电池组的第三状态信息，根据第三状态信息从可重构电池网络中选择第二目标数量的电池组作为第二目标电池组。
具体地，首先检测电池单体状态，排除故障电池。每个电池单体存在满充电压Vover，***在运行时，电压检测模块实时检测每个电池单体的端电压Vij，若某个单体的端电压低于满充电压，即
Vij>Vover
那么该单体将退出***，并不再参与后续充电过程。同样地，若故障检测模块检测到某单体存在温度异常、短路等故障，也将及时地把故障单体隔离起来。
然后选取ms个电池组。计算出每个电池组的平均荷电状态，需要说明的是，与放电状态不同，此时只考虑可用单体的荷电状态，计算公式为：
Figure BDA0003568295680000071
其中，SOCi表示第i个电池组的平均荷电状态，n表示电池组内的可用单体总数，SOCij表示第i个电池组内第j个可用单体的SOC。再将M个电池组的平均SOC按照升序排列，取前ms个电池组接入***，其他的电池组通过旁路开关短路。
步骤S7，获取第二目标电池组中每个电池单体的第四状态信息，将第四状态信息满足预设条件的部分电池单体作为第二目标电池单体。
具体地，从每个选定的电池组中选取部分电池单体接入***充电。作为一种示例，设某个电池组中有n个可用电池单体，则选择其中SOC较小的n-1个单体接入***，另外一个SOC最大的单体从***中断开，这样做的目的是实现组内各个单体的SOC均衡。
另外，需要校核选中的电池组能否满足充电电流的要求。已知充电电源的功率和电压分别为Ps和Vs，则负载电流为
Figure BDA0003568295680000072
电池组接入电池单体的数量为n-1，每个单体的最大放电电流为Icr，则对于每个选中的电池组，需要校核以下条件:
Is≤(n-1)Icr
满足以上条件，说明电池组能够承受相应的充电电流，否则该电池组就不能投入运行，此时应该将该电池组屏蔽后，返回步骤S2，重新确定投入运行的电池组序号。
应当理解的是，若剩余组合仍无法满足电流的需求，则应当减小充电电源的功率。
步骤S5至S8是充电过程的控制策略，每当负载发生变化或新的重构周期开始时，都需要重新执行该策略，整体流程如图4所示。对于重构周期，估算方式与放电过程一致，其中δ取值满足：
Figure BDA0003568295680000081
步骤S8，将包含第二目标电池单体的第二目标电池组接入***，以对电池组进行充电。
通过以上步骤，在放电过程中获取负载电压需求或者在充电过程中获取充电电压需求，根据电压需求确定串联电池组的目标数量，根据每个电池组的状态信息确定目标数量的目标电池组，根据目标电池组内单体的状态信息确定目标电池单体，将包含目标电池单体的目标电池组接入***，以对负载进行供电或者对电池组进行充电。本发明的放电策略能够支撑负载对于大功率的需求，充电策略能够解决单体间的均衡问题。
需要说明的是，基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法实现方式有多种，但无论具体的实现方法如何，只要方法解决了放电过程负载对大功率的需求和充电过程电池单体间均衡问题，都是针对现有技术问题的解决，并具有相应的效果。
为了实现上述实施例，如图5所示，本实施例中还提供了一种基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制装置10，该装置10包括：第一确定模块100，第一选择模块200，第二选择模块300，第一接入模块400。
第一确定模块100，用于在放电过程中，获取负载电压需求，根据负载电压需求确定需要串联电池组的第一目标数量，其中，每个电池组由若干个电池单体并联组成；
第一选择模块200，用于获取可重构电池网络中每个电池组的第一状态信息，根据第一状态信息从可重构电池网络中选择第一目标数量的电池组作为第一目标电池组；
第二选择模块300，用于获取第一目标电池组中每个电池单体的第二状态信息，将第二状态信息满足预设条件的电池单体作为第一目标电池单体；
第一接入模块400，用于将包含第一目标电池单体的第一目标电池组接入***，以对负载进行供电。
除上述放电模块100至400，还包括充电模块，具体包括：
第二确定模块500，用于在充电过程中，获取充电电压需求，根据充电电压需求确定需要串联电池组的第二目标数量；
第三选择模块600，用于获取可重构电池网络中每个电池组的第三状态信息，根据第三状态信息从可重构电池网络中选择第二目标数量的电池组作为第二目标电池组；
第四选择模块700，用于获取第二目标电池组中每个电池单体的第四状态信息，将第四状态信息满足预设条件的部分电池单体作为第二目标电池单体；
第二接入模块800，用于将包含第二目标电池单体的第二目标电池组接入***，以对电池组进行充电。
根据本发明实施例的基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制装置，在放电过程中获取负载电压需求或者在充电过程中获取充电电压需求，根据电压需求确定串联电池组的目标数量，根据每个电池组的状态信息确定目标数量的目标电池组，根据目标电池组内单体的状态信息确定目标电池单体，将包含目标电池单体的目标电池组接入***，以对负载进行供电或者对电池组进行充电。本发明的放电策略能够支撑负载对于大功率的需求，充电策略能够解决单体间的均衡问题。
需要说明的是，前述对基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制装置，此处不再赘述。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制方法，其特征在于，包括：
步骤1，在放电过程中，获取负载电压需求，根据所述负载电压需求确定需要串联电池组的第一目标数量，其中，每个电池组由若干个电池单体并联组成；
步骤2，获取可重构电池网络中每个电池组的第一状态信息，根据所述第一状态信息从所述可重构电池网络中选择所述第一目标数量的电池组作为第一目标电池组；
步骤3，获取所述第一目标电池组中每个电池单体的第二状态信息，将所述第二状态信息满足预设条件的电池单体作为第一目标电池单体；
步骤4，将包含所述第一目标电池单体的所述第一目标电池组接入***，以对负载进行供电。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：
计算所述可重构电池网络中每个电池组的第一荷电状态平均值，根据所述第一荷电状态平均值对多个电池组进行排序，从所述可重构电池网络中选取第一荷电状态平均值最高的所述第一目标数量的电池组作为所述第一目标电池组。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：
计算所述第一目标电池组中每个电池单体的第一运行状态和第一荷电状态，在根据电池单体的第一运行状态判断电池单体处于非异常状态，且电池单体的第一荷电状态不低于荷电状态阈值时，确定电池单体为所述第一目标电池单体。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤4之后，还包括：
在所述负载发生变化时，或者，到达重构周期时，重新执行步骤1-步骤4。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述负载的电流大小和所述目标电池组的荷电状态确定所述重构周期。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
步骤5，在充电过程中，获取充电电压需求，根据所述充电电压需求确定需要串联电池组的第二目标数量；
步骤6，获取可重构电池网络中每个电池组的第三状态信息，根据所述第三状态信息从所述可重构电池网络中选择所述第二目标数量的电池组作为第二目标电池组；
步骤7，获取所述第二目标电池组中每个电池单体的第四状态信息，将所述第四状态信息满足预设条件的部分电池单体作为第二目标电池单体；
步骤8，将包含所述第二目标电池单体的所述第二目标电池组接入***，以对电池组进行充电。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤6，包括：
计算所述可重构电池网络中每个电池组的第二荷电状态平均值，根据所述第二荷电状态平均值对多个电池组进行排序，从所述可重构电池网络中选第二取荷电状态平均值最低的所述第二目标数量的电池组作为所述第二目标电池组。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤7，包括：
计算所述第二目标电池组中每个电池单体的第二运行状态和第二荷电状态，在根据电池单体的第二运行状态判断电池单体处于非异常状态，且电池单体的第二荷电状态低于荷电状态阈值时，确定电池单体为所述第二目标电池单体的备选单体，从所述备选单体中选取荷电状态较低的部分单体作为所述第二目标电池单体。
9.一种基于动态可重构电池网络的电池***充放电控制装置，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于在放电过程中，获取负载电压需求，根据所述负载电压需求确定需要串联电池组的第一目标数量，其中，每个电池组由若干个电池单体并联组成；
第一选择模块，用于获取可重构电池网络中每个电池组的第一状态信息，根据所述第一状态信息从所述可重构电池网络中选择所述第一目标数量的电池组作为第一目标电池组；
第二选择模块，用于获取所述第一目标电池组中每个电池单体的第二状态信息，将所述第二状态信息满足预设条件的电池单体作为第一目标电池单体；
第一接入模块，用于将包含所述第一目标电池单体的所述第一目标电池组接入***，以对负载进行供电。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括：
第二确定模块，用于在充电过程中，获取充电电压需求，根据所述充电电压需求确定需要串联电池组的第二目标数量；
第三选择模块，用于获取可重构电池网络中每个电池组的第三状态信息，根据所述第三状态信息从所述可重构电池网络中选择所述第二目标数量的电池组作为第二目标电池组；
第四选择模块，用于获取所述第二目标电池组中每个电池单体的第四状态信息，将所述第四状态信息满足预设条件的电池单体作为第二目标电池单体；
第二接入模块，用于将包含所述第二目标电池单体的所述第二目标电池组接入***，以对电池组进行充电。
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