CN115208026A - 一种电池组间源荷分离的主动能量均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池组间源荷分离的主动能量均衡方法，属于电力电子领域。现有技术中，大多数均衡拓扑和均衡控制方法只能对相邻电池进行均衡，并且存在均衡电流固定、均衡速度慢、效率低等问题。本发明所述的方法将电池组用所提均衡拓扑结构进行连接，用一种基于模糊控制与优化下垂控制的源荷分离主动能量均衡方法来提高电量均衡的效果。采用本发明所述的方法在电池组间的SOC差异达到设定阈值时，可自动判断均衡模式以及均衡电流等均衡参数，使能量可以在任意两电池组间进行均衡，并可根据电池组状态决定均衡电流的大小，从而控制均衡速度，极大地提高了电池组SOC均衡的灵活性、均衡速度和效率。

Description

一种电池组间源荷分离的主动能量均衡方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种电池组间源荷分离的主动能量均衡方法。

背景技术

随着社会的高速发展，社会生活和各工业领域对能源的需求也在不断增大。蓄电池作为一种便携、清洁、无污染的能源，在智能电网的储能***、直流微电网(DCmicrogrid)、电动汽车、新能源无人机等领域得到了广泛应用。单块蓄电池存在电压较低、容量小的问题，需要将多块单体电池串联或并联使用以满足不同的需求。但实际使用中，由于电池自身差异与外界各种影响因素，电池组存在荷电状态(SOC)不一致的问题，进而影响能源***的性能，另外一些能源***中需要蓄电池组维持相近的电量或进行特定的能量交换。在蓄电池组的前述应用，例如新能源无人机电源***中，在采用多个蓄电池组时，如果因为SOC不均衡导致某电池组退出工作，则对无人机所带负载和其正常运行带来严重影响。电池组间的SOC动态实时均衡对维持整个能源***稳定运行有至关重要的作用，因此提高电池组SOC均衡控制策略的灵活性、稳定性、均衡速度和效率十分必要。

Yan Ma等在提出组内和组间两级均衡拓扑的基础上，通过模糊控制来得到相邻两模块或单体间的均衡电流[Yan Ma et al.Equalization of lithium-ion battery packbased on fuzzy logic control in electric vehicle.IEEE Trans.Ind Electron.,Aug.2018,65(8):6762-6771]。但该方法只能将能量在相邻两模块或单体间交互从而达到整体的能量均衡，不能使能量在任意两电池组间直接交互，在某些情况下存在均衡效率低的问题。Xiaonan Lu等采用基于SOC的自适应下垂控制方法来进行分布式储能***中的能量交互和功率分配[Xiaonan Lu et al.State-of-charge balance using adaptivedroop control for distributed energy storage systems in DC microgridapplications.IEEE Trans.Ind Electron.,Jun.2014,61(6):2804-2815]。虽然该方法可以根据SOC情况动态调节下垂系数，但是下垂系数与SOC的n阶成反比，要选取合适的n才能达到较理想的效果，并且某些情况下容易产生不合理的下垂系数。Thomas Morstyn等利用一种多主体滑模控制来平衡分布式直流微电网电池储能***之间的充电状态[ThomasMorstyn et al.Multi-agent sliding mode control for state of charge balancingbetween battery energy storage systems distributed in a DC microgrid.IEEETransactions on Smart Grid.,Sept.2018,9(5):4735-4743]。但是该方法的特点为电池储能***要么全部充电，要么全部放电，具有局限性。Khanh Duc Hoang等提出了虚拟额定功率概念，根据SOC级别和虚拟额定功率来实现在直流微电网中分布式电池能量单元的精确功率分配，从而实现电池组SOC平衡[Khanh Duc Hoang et al.Accurate power sharingwith balanced battery state of charge in distributed DC microgrid.IEEETrans.Ind Electron.,Mar.2019,66(3):1883-1893]。但其没有重点考虑电池组间的直接能量交换以实现能量均衡。另外，许多基于双向直流变换器(DC-DC双向变换器)的均衡拓扑与方法也陆续被提出。

尽管前面提到的方法已经通过仿真或实验进行了验证，但是存在能量只能在相邻两模块或单体间交互、均衡参数调节不易、不能在孤岛模式下直接均衡、均衡模式单一、均衡效率低以及未考虑方法的实用性等一系列缺点。因此，现有的电池组间能量均衡控制方法较少在实际中采用，这意味着研究更加灵活、更高效率的电池组间能量均衡控制方法十分必要。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提出一种电池组间源荷分离的主动能量均衡方法，在电池组间的SOC存在一定差异时，可自动判断均衡模式和均衡电流等参数，并动态控制任意电池组间能量均衡速度，提高电池组SOC均衡的灵活性、均衡速度和效率。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种电池组间源荷分离的主动能量均衡方法。在使用DC-DC双向变换器均衡拓扑硬件平台连接电池组的基础上，进行电池组间的主动能量均衡；在依据均衡拓扑的特点进行源荷分离与均衡模式判断后，利用模糊控制获取荷侧(吸收能量侧)均衡电流和源侧(输出能量侧)下垂系数，再结合优化下垂控制进行能量均衡，包括以下步骤：

(1)估算各相电池组电量，利用源荷分离方法将各相电池组区分为源侧(输出能量侧)和荷侧(吸收能量侧)，对应变换器分别为源侧变换器和荷侧变换器；

(2)采用多值均衡策略，判断各相电池组是否开启均衡；

(3)采用模糊控制结合优化下垂控制方法，开启均衡后，利用模糊控制计算各荷侧均衡电流I_{equ_i}后确定母线上的负载总电流，利用模糊控制计算源侧下垂系数Droop_i，结合优化下垂控制对各源侧进行功率分配，从而使源侧向荷侧传输能量，进行能量均衡；

(4)电池均衡过程中，根据电池状态，动态更新均衡模式、荷侧均衡电流I_{equ_i}以及源侧下垂系数Droop_i。

进一步，所述DC-DC双向变换器均衡拓扑结构为高压侧共直流母线结构，任意数量的电池组分别连接在相同数量的各变换器低压侧，各变换器高压侧并联建立内部均衡母线，其上无其他负载。

进一步，所述源荷分离方法为：利用各相电池组电量SOC_i，计算所有电池组电量平均值SOC_avg、最大值SOC_max、最小值SOC_min、极差ΔSOC_max、各相电池组SOC_i与SOC_avg的差值ΔSOC_i，根据ΔSOC_i的正负确定各相电池组控为源侧还是荷侧，ΔSOC_i为正值，该相电池组控为源侧；ΔSOC_i为负值，该相电池组控为荷侧。

进一步，所述多值均衡策略为：对ΔSOC_i设置不同的开启和关闭均衡阈值，满足阈值条件，则该相电池组开启或关闭均衡；对ΔSOC_max设置开启和关闭均衡阈值，满足阈值条件，则电量最大与电量最小电池组开启或关闭均衡。

进一步，所述模糊控制结合优化下垂控制方法为：开启均衡后，对荷侧，将SOC_i和ΔSOC_i作为荷侧模糊控制器的输入，根据制定的荷侧模糊规则得到该荷侧均衡电流I_{equ_i}；对源侧，将SOC_i和ΔSOC_i作为源侧模糊控制器的输入，根据制定的源侧模糊规则得到该源侧下垂系数Droopi。在源侧下垂控制环节中增加均衡内部母线电压修正环节，该环节的输入为母线电压给定值和实际值的差值，采用比例积分控制，输出为母线电压修正值，且母线电压给定值可变化。

进一步，在均衡过程中，实时更新电池组状态，每过一段时间根据电池状态重新进行均衡模式判断、荷侧均衡电流I_{equ_i}计算以及源侧下垂系数Droopi的更新。

本发明的效果在于：采用本发明所述方法，可实现任意两电池组间的能量均衡，均衡的灵活性大大增强；由模糊控制动态调节荷侧均衡充电电流、源侧下垂系数从而进行合理的功率分配，即均衡电流可控，避免了电池的过充与过放；大大提高均衡速度和能量转移效率；通过母线修正环节维持内部直流母线的稳定，消除下垂控制带来的母线电压波动；综上，采用本发明所述方法，在电池组间的SOC差异达到设定阈值时，可自动判断均衡模式和均衡电流等参数，并动态控制任意电池组间能量均衡速度，极大地提高了电池组间SOC均衡的灵活性、均衡速度和效率。

附图说明

图1是电池组间源荷分离主动能量均衡整体控制流程图；

图2是源荷分离主动能量均衡控制框图；

图3是基于DC-DC双向变换器的组间均衡电路拓扑结构图；

图4是组间均衡荷侧模糊逻辑控制框图；

图5是荷侧输入输出量隶属函数；

图6是荷侧模糊规则表；

图7是组间均衡源侧模糊逻辑控制框图；

图8是源侧输入输出量隶属函数；

图9是源侧模糊规则表；

图10是SOC状态的设置变化图；

图11是使用本方法的能量均衡参数变化图；

图12是使用本方法的组间能量均衡实验结果。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计的是一种电池组间源荷分离的主动能量均衡方法，在用所提均衡拓扑结构将电池进行连接的基础上，通过更加合理的均衡控制进行源荷分离与模式判断，利用模糊控制和优化下垂控制，根据电池组SOC变化确定均衡模式参数，并增加母线补偿环节，提高电池组SOC均衡的灵活性、均衡速度和效率。图1是本发明的整体控制流程图，图2是本发明的控制框图。

其具体实现步骤如下：

步骤一，将4个48V电池组根据均衡拓扑连接在Buck/Boost双向变换器的低压侧，变换器高压侧并联在共同的内部均衡直流母线上，如图3所示。通过各相硬件采样获取各相低压侧电压U_{Low_i}、低压侧电流I_{Low_i}、高压侧电流I_{High_i}以及公共的内部母线电压U_dc。

利用硬件电路采样获取的电压电流数据进行基于OCV-AH方法的各相电池组SOC估算。进行重要参数计算，以此为依据进行源荷分离，具体实施细节如下。

在***未开始均衡前，获取低压侧电池组电压U_{Low_i}，其在***未运行前可以视为电池开路电压，由此通过电池的OCV-SOC曲线确定各相电池组电量初值SOC_{0_i}。

在获取SOC初值后，进行实时的安时积分，但传统的安时积分法没有考虑温度、充放电效率等因素对剩余电量估算的影响，使得SOC估算的准确度不高。本发明进行了一定的优化，在计算中对温度以及充放电效率系数进行了补偿，能够进一步提高SOC的估算精度。

不同温度下电池的充放电情况不同，因此温度对于SOC估算的影响是不能忽略的。目前常用的温度补偿公式如下。

η_T＝1+0.008(T_N-T) (1)

其中，T_N是指标准温度20℃，T指的是当前温度值。

电池在不同工作状态下电流会发生较大变化，同时影响电池的充放电效率。如果不考虑电池的充放电效率的影响，会使得SOC的累积误差越来越大，导致估算结果不准确。常用可用电量与放电电流的关系式如下。

Q＝A*I^n-1 (2)

其中，I代表放电电流，n指的是电池的结构常数(一般取1.15-1.42)，此处取1.2，A为与活性物质有关的电池常数。在初始条件相同的情况下，A和n的取值是相同的，也取1.2，因此可得出充放电效率如下式。

其中，I_N为额定电流，Q_N为额定容量。

通过以上的分析建立修正SOC数学模型为

其中，SOC_{0_i}指的是第i个电池组放电前的电量初始值；η_T代表温度补偿系数；η_i表示第i个电池组充放电效率补偿系数；I_{Low_i}(t)指的是第i个电池组充放电电流，是时间t的函数；Q_{0_i}为第i个电池组放电前的容量。

计算电量平均值、最大值、最小值、极差、每相SOC_i与平均值的差值(平均偏差值)如下。

SOC_max＝MAX{SOC₁,SOC₂,…SOC_i…,SOC_N} (6)

SOC_min＝MIN{SOC₁,SOC₂,…SOC_i…,SOC_N} (7)

ΔSOC_max＝SOC_max-SOC_min (8)

ΔSOC_i＝SOC_i-SOC_avg (9)

其中，N指电池组数量。对各电池组电量进行动态排位，利用源荷分离方法将各电池组区分为源侧和荷侧，详细过程如下。

将第i相电池组判定为“荷”侧的条件为

ΔSOC_i≤0 (10)

将第i相电池组判定为“源”侧的条件为

ΔSOC_i＞0 (11)

步骤二，采用“平均偏差值+极值+多阈值”的多值均衡策略，根据ΔSOC_i和ΔSOC_max判断各相是否开启均衡，详细过程如下。

进行荷侧和源侧分离后，对第i相电池组开启均衡的条件为

|ΔSOC_i|≥λ₁ (12)

其中，λ₁为开启均衡阈值，此处取3。

对第i相电池组关闭均衡的条件为

|ΔSOC_i|≤λ₂ (13)

其中，λ₂为关闭均衡阈值，此处取1。

额外考虑电量最大电池和电量最小电池的均衡问题，即由极差判定开启均衡的条件为

|ΔSOC_max|≥λ₃ (14)

由极差判定关闭均衡的条件为

|ΔSOC_max|≤λ₃ (15)

其中，λ₃为极差判定的开启和关闭均衡阈值，此处取4。若满足上述条件，则电量最大电池和电量最小电池相应开启和关闭均衡。

步骤三，利用模糊控制结合优化下垂控制方法，进行能量均衡，具体实施细节如下。

对于荷侧，在开始均衡后，将SOC_i和ΔSOC_i作为荷侧模糊控制器的输入，输出为该相均衡电流I_{equ_i}，如图4所示。荷侧模糊控制器将精确的输入转化成模糊变量，用制定好的荷侧模糊规则库进行处理，推理引擎的结果由解模糊器转换成精确的输出，其详细实现过程如下。

输入量SOC_i和ΔSOC_i的论域分别设为(0,100％)和(0,70％)，转换后的模糊变量分为5个模糊子集：非常小(VS)、小(S)、中(M)、大(L)、非常大(VL)，输出量I_{equ_i}的论域根据合理电流范围设置为(0,3)，对应于区间的模糊变量也分为五个子区间：非常小(VS)、小(S)、中(M)、大(L)、非常大(VL)。

隶属函数选择三角模糊隶属函数，荷侧输入输出量隶属函数如图5所示。

根据电池充放电数据和经验建立荷侧模糊规则表，如图6所示。

对模糊输出采用重心centroid去模糊方法得到均衡电流I_{equ_i}，其表达式为

将均衡电流I_{equ_i}作为给定电流，对该荷侧通过双向DC-DC变换器进行单电流环控制，控为电流源模式。

对于源侧，在开始均衡后，将SOC_i和ΔSOC_i作为源侧模糊控制器的输入，输出为该相下垂系数Droop_i，如图7所示。源侧模糊控制器将精确的输入转化成模糊变量，用制定好的源侧模糊规则库进行处理，推理引擎的结果由解模糊器转换成精确的输出，其详细实现过程如下。

输入量SOC_i和ΔSOC_i的论域分别设为(0,100％)和(0,70％)，转换后的模糊变量分为5个模糊子集：非常小(VS)、小(S)、中(M)、大(L)、非常大(VL)，输出量Droop_i的论域根据下垂控制合理参数范围设置为(1.6,3)，对应于区间的模糊变量也分为五个子区间：非常小(VS)、小(S)、中(M)、大(L)、非常大(VL)。

隶属函数选择三角模糊隶属函数，源侧输入输出量隶属函数如图8所示。

根据经验建立源侧模糊规则表，如图9所示。

对模糊输出采用重心centroid去模糊方法得到均衡电流Droop_i，其表达式为

得到源侧下垂系数后，增加母线电压修正环，修正环节的输出为修正电压U_xiuzheng，其加入下垂控制电压环中，源侧通过双向DC-DC变换器进行优化下垂控制，进行合理功率分配，负担全部荷侧需求电流。

步骤四，电池均衡过程中，动态获取电池状态，得到SOC_i、SOC_avg、SOC_max、SOC_min、ΔSOC_max、ΔSOC_i，每过一段时间根据以上参数重新进行源荷分离、均衡模式判断、荷侧均衡电流I_{equ_i}计算以及源侧下垂系数Droop_i的更新，即对能量均衡情况进行实时调节，直至均衡结束。

为了显示本发明的显著效果，本实施例给出一些利用实施例得出的实验结果。在内部均衡母线电压给定为100V的条件下，对于4个48V电池组，首先，人为设置当前各电池组的SOC状态，在此基础上设置SOC状态的变化，观测各电池组的均衡参数与均衡状态，SOC状态的设置变化如图10所示。由本发明得到的据SOC变化而自动进行的均衡参数变化如图11所示，实验结果如图12所示。图12为电池组1、2、3低压侧电流以及直流母线电压，在满足均衡阈值判断的情况下，各电池组处于对应的均衡模式，在各电池组发生SOC变化时，源荷情况随之改变，能量交换情况由1(源)对3(荷)变为2(源)对2(荷)，再变为3(源)对1(荷)。另外，根据源侧下垂系数的不同，各相承担的功率也不同，如在2对2阶段，电池组1和电池组2作为源的输出电流分别为3A和2.2A。荷侧的均衡电流也动态变化，如在3对1情况下电池组4作为荷的均衡电流为2.59A，在2对2情况下电池组4作为荷的均衡电流为2.09A。同时，经过优化下垂控制，内部均衡直流母线电压一直维持在给定电压100V左右。由图11、图12可以看出，源荷情况、均衡参数和均衡状态可以根据SOC变化自动进行判断，并可以快速的进行动态调整，使电池组间的均衡处于合理的状态，并保持稳定的能量均衡状态。

本实施例获得的实验结果可以说明，使用本发明所述的方法在电池组间的SOC差异达到设定阈值时，可自动判断均衡模式和均衡电流等参数，并动态控制任意电池组间能量均衡速度，极大地提高了电池组间SOC均衡的灵活性、均衡速度和效率。

本发明可以用其它具体形式来实施，而不脱离其精神或本质特征。所描述的实施例在所有方面都被认为仅是说明性的而非限制性的，例如：

1)组间均衡拓扑中的使用的非隔离双向DC-DC拓扑不局限于实施例中的配置；

2)电池组的参数及其他相关充放电数据不局限于实施例中所用到的；

3)均衡模式判断中的多个阈值不局限于实施例中所用到的；

4)模糊控制中的论域、模糊子集、模糊规则表等不局限于实施例中所用到的；

5)均衡参数，如均衡电流、下垂系数等不局限于实施例中所用到的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而非上述描述来指示。落入权利要求的等效技术方案的意义和范围中的所有变化都包含在其范围之中。

Claims (6)

1.一种电池组间源荷分离的主动能量均衡方法，其特征在于，

所述主动能量均衡方法在使用DC-DC双向变换器均衡拓扑硬件平台连接电池组的基础上，进行电池组间的主动能量均衡；

所述主动能量均衡方法在依据均衡拓扑的特点进行源荷分离与均衡模式判断后，利用模糊控制获取荷侧(吸收能量侧)均衡电流和源侧(输出能量侧)下垂系数，再结合优化下垂控制进行能量均衡，包括以下步骤：

(1)估算各相电池组电量，利用源荷分离方法将各相电池组区分为源侧(输出能量侧)和荷侧(吸收能量侧)，对应变换器分别为源侧变换器和荷侧变换器；

(2)采用多值均衡策略，判断各相电池组是否开启均衡；

(3)采用模糊控制结合优化下垂控制方法，开启均衡后，利用模糊控制计算各荷侧均衡电流I_{equ_i}后确定母线上的负载总电流，利用模糊控制计算各源侧下垂系数Droop_i，结合优化下垂控制对各源侧进行功率分配，从而使源侧向荷侧传输能量，进行能量均衡；

(4)电池均衡过程中，根据电池状态，动态更新均衡模式、荷侧均衡电流I_{equ_i}以及源侧下垂系数Droop_i。

2.如权利要求1所述的一种电池组间源荷分离的主动能量均衡方法，其特征在于，所述DC-DC双向变换器均衡拓扑结构为高压侧共直流母线结构，任意数量的电池组分别连接在相同数量的各变换器低压侧，各变换器高压侧并联建立内部均衡母线，其上无其他负载。

3.如权利要求1所述的一种电池组间源荷分离的主动能量均衡方法，其特征在于，所述源荷分离方法为：利用各相电池组电量SOC_i，计算所有电池组电量平均值SOC_avg、最大值SOC_max、最小值SOC_min、极差ΔSOC_max、各相电池组SOC_i与SOC_avg的差值ΔSOC_i，根据ΔSOC_i的正负确定各相电池组控为源侧还是荷侧，ΔSOC_i为正值，该相电池组控为源侧；ΔSOC_i为负值，该相电池组控为荷侧。

4.如权利要求1所述的一种电池组间源荷分离的主动能量均衡方法，其特征在于，所述多值均衡策略为：对ΔSOC_i设置不同的开启和关闭均衡阈值，满足阈值条件，则该相电池组开启或关闭均衡；对ΔSOC_max设置开启和关闭均衡阈值，满足阈值条件，则电量最大与电量最小电池组开启或关闭均衡。

5.如权利要求1所述的一种电池组间源荷分离的主动能量均衡方法，其特征在于，所述模糊控制结合优化下垂控制方法为：开启均衡后，对荷侧，将SOC_i和ΔSOC_i作为荷侧模糊控制器的输入，根据制定的荷侧模糊规则得到该荷侧均衡电流I_{equ_i}；对源侧，将SOC_i和ΔSOC_i作为源侧模糊控制器的输入，根据制定的源侧模糊规则得到该源侧下垂系数Droop_i。在源侧下垂控制环节中增加均衡内部母线电压修正环节，该环节的输入为母线电压给定值和实际值的差值，采用比例积分控制，输出为母线电压修正值，且母线电压给定值可变化。

6.如权利要求1所述的一种电池组间源荷分离的主动能量均衡方法，其特征在于，在均衡过程中，实时更新电池组状态，每过一段时间根据电池状态重新进行均衡模式判断、荷侧均衡电流I_{equ_i}计算以及源侧下垂系数Droop_i的更新。

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