一种液态金属电池组的多级均衡控制系统和方法与流程

本发明属于电化学储能领域，更具体地，涉及一种液态金属电池的多级均衡控制系统和方法。

背景技术：

液态金属电池是一种新型储能电池，其凭借容量大、寿命长、成本低等优点在大规模储能领域有着广阔的应用前景。为构建大型储能系统，液态金属电池必须串并联成组，以满足电压和容量等级的要求。在使用过程中，由于单体电池间制造工艺、老化速度、使用环境等不同，电池间的一致性会逐渐降低，将严重缩短电池组的使用寿命和容量利用率，因此对液态金属电池组施加相应的均衡控制必不可少。

目前，国内对液态金属电池组的均衡控制的研究非常有限。中国发明专利说明书CN104682511A中公开了一种对液态金属电池组中满充电池进行能耗放电的均衡方法，但这种方法能量损耗大，均衡效率低。中国发明专利说明书CN105141004A中公开了一种采用耐高温的非线性电阻直接并联在电池两端对电池组进行被动均衡的方法，该方法虽然控制简单，但对高温保温箱的热管理提出了更高的要求，特别是当电池单体数量增大时，其能量损耗和热管控问题也变得尤为突出。

对液态金属电池组实施主动均衡控制可以减少均衡过程中的损耗，提高均衡效率和速度，但控制装置复杂，且液态金属电池电压平台较低，以理论容量20Ah的液态金属电池为例，其标称电压只有0.9V，约为锂离子电池标称电压的四分之一，实际主动均衡电路器件压降相对较大，这为主动均衡控制的实际实施带来了巨大困难。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种液态金属电池的多级均衡控制系统和方法，其目的在于同时采用被动均衡控制和主动均衡控制的多级均衡控制系统和方法，并且通过以一致性较高的数节液态金属电池串联组成的电池包作为主动均衡控制的电池单元，提高了主动均衡单元的电压，由此解决现有液态金属电池组均衡控制系统速度慢、效率低以及由于其电压平台低而实际实施主动均衡难且均衡控制装置复杂的技术问题。

按照本发明的一个方面，提供了一种液态金属电池组的均衡控制系统，所述均衡控制系统包含N个第一级被动均衡控制系统和1个第二级主动均衡控制系统，所述N个第一级被动均衡控制系统相互串联，且与所述第二级主动均衡控制系统同时对电池组进行状态监测与均衡控制，其中，N≥2，且N为整数；

对于任意一个所述的第一级被动均衡控制系统，其包括由X节液态金属电池单体串联组成的电池包、数据采集模块、被动均衡电路模块、被动均衡控制中心，其中2≤X≤6，且X为整数；

所述数据采集模块和所述被动均衡电路模块均通过所述电池包外侧的引线与各节液态金属电池单体相连接，采集各节液态金属电池单体的端电压和充放电电流数据，并将采集的数据输送到所述被动均衡控制中心；

所述第二级主动均衡控制系统包括N个串联的液态金属电池单元、主动均衡电路模块、主动均衡控制中心；

每个所述液态金属电池单元与每个所述第一级被动均衡控制系统中由所述X节液态金属电池单体串联组成的电池包相对应，所述液态金属电池单元的端电压为所述X节液态金属电池单体电压的叠加；

所述主动均衡控制中心和所述主动均衡电路模块均通过所述电池包外的引线与各液态金属电池单元相连接，所述主动均衡控制中心接收所述第一级被动均衡控制系统传输的各液态金属电池单元的SOC(state of charge)信号，并判断是否通过所述主动均衡电路模块进行主动均衡控制。

优选地，所述X的范围2≤X≤4.

优选地，所述X＝4。

优选地，所述X节液态金属电池单体通过一致性筛选得到。

优选地，所述一致性筛选过程为通过测试所述单体电池的充放电容量、电压平台及库伦效率而得到一致性较高的单体电池。

优选地，所述X节液态金属电池单体相互串联，置于同一个电池保温箱内，并引出连接线到所述电池保温箱外侧。

优选地，所述被动均衡电路模块，由X个开关串联均衡电阻电路构成，X个开关串联均衡电阻电路分别并联在X节液态金属电池单体两端，通过被动均衡控制中心的驱动信号进行动作。

优选地，所述主动均衡电路模块是一种基于开关矩阵的电感型均衡电路，包括4N个MOS管、2个二极管和一个均衡电感。

优选地，所述4N个MOS管，两两共漏极串联组成双向开关，并接在所述液态金属电池单元和电感之间，双向开关一方面能够降低能量转移回路的压降，另一方面能够对均衡电流实现双向控制。

优选地，所述两个二极管通过电感并联在液态金属电池单元的电池组两端，为电感提供续流回路，防止产生电压尖峰，击穿MOS管。

优选地，所述二极管选用低压降的肖特基二极管，其目的是为了尽量降低能量转移过程中的压降和损耗。

按照本发明的另一个方面，提供了一种液态金属电池组的均衡控制方法，包括如下步骤：

S1，第一级被动均衡控制系统的数据采集模块采集各节液态金属电池单体的电压V_i和电流I_i，其中1≤i≤X；

S2，所述数据采集模块将采集到的电压V_i送入被动均衡控制中心，判断V_L<V_i<V_H是否成立，其中，V_L为液态金属电池放电电压下限，V_H为液态金属电池充电电压上限；

若成立，则跳转执行S3；否则，关闭第一级被动均衡控制系统，同时发送信号给第二级主动均衡控制中心，关闭第二级主动均衡控制系统并切断外接充放电电路；

S3，被动均衡控制中心对X节液态金属电池单体进行SOC估算，得到X个SOC估算值，对所得X个SOC估算值进行比较得到SOC极小值SOC_min，所述被动均衡控制中心将所述液态金属电池单元的SOC_min传入第二级主动均衡控制系统作为该电池单元的SOC估计值；

S4，进行每一个液态金属电池单元内的被动均衡；

S5，进行每一个液态金属电池单元之间的主动均衡；

其中，步骤S4和步骤S5同时进行。

优选地，所述步骤S4包括如下子步骤：

S41，所述被动均衡控制中心根据数据采集模块采集到的电流数据判断液态金属电池组的充放电状态，若处于充电状态，则执行步骤S42，否则执行S45；

S42，所述被动均衡控制中心判断所述第i个液态金属电池单体的SOC值，即SOC_i值是否符合被动均衡开启条件，即判断所述SOC_i值是否大于SOC_min+γ₁，若是，则执行S43，否则执行S45；其中，γ₁为第一级被动均衡开启阈值；

S43，被动均衡控制中心产生相应开关驱动信号，被动均衡电路中，K_i打开，对第i个液态金属电池单体进行能耗放电；其中K_i为第i个液态金属电池单体对应的被动均衡电路模块中的开关，i为整数，1≤i≤X。

S44，所述被动均衡控制中心判断第i个液态金属电池单体的SOC，即SOC_i值是否符合被动均衡关闭条件，即判断所述SOC_i值是否小于或等于SOC_min+γ₁，若是，则转到S45，否则跳转执行S43；

S45，被动均衡结束，关闭第一级被动均衡控制系统。

优选地，所述步骤S5包括如下子步骤：

S51，主动均衡控制中心根据各液态金属电池单元的SOC估计值判断所述电池单元是否符合第二级主动均衡开启条件，即判断所述电池单元的SOC离散度α>γ₂是否成立，若成立则执行S52，若不成立，则执行S54；其中，γ₂为第二级主动均衡控制开启阈值；

S52，所述主动均衡控制中心确定主动均衡对象，产生相应开关的脉冲宽度调制PWM驱动信号，驱动主动均衡电路模块中相应开关开通，进行能量转移；

S53，所述主动均衡控制中心判断液态金属电池单元是否满足主动均衡关闭条件，即判断所述电池单元的SOC离散度α≤γ₂是否成立，若成立则执行S54，若不成立，则执行S52；

S54，主动均衡控制结束，关闭第二级主动均衡控制系统。

所述被动均衡控制中心根据接收到的各节液态金属单体电池的电压数据判断该单体电池是否过充或过放，一旦出现单体电池电压跌落电压窗口现象，立即关闭第一级被动均衡控制系统，同时发送信号给第二级主动均衡控制系统，关闭第二级主动均衡控制系统并切断外接充放电电路。

被动均衡控制中心根据接收到的电流数据判断电池组的充放电状态并计算各电池单体的SOC。由于液态金属电池的电压平台较宽，为了更有效地达到提高电池组容量利用率的目的，两级均衡控制系统均采用SOC作为均衡变量。为得到较为准确的SOC估计值，可以采用扩展卡尔曼算法对其进行估算。当被动均衡控制中心检测到电池组处于充电状态，经过比较得到SOC极小值SOC_min，若单体电池SOC值大于SOC_min+γ₁，γ₁为第一级被动均衡开启阈值，则产生高电平信号，驱动被动均衡电路模块中相应电池的均衡开关，使其开通，进行能耗放电；当被动均衡控制中心检测到电池组处于放电状态或静置状态，则不进行第一级被动能耗均衡，即始终产生低电平信号。同时，第一级被动均衡控制中心将SOC_min传入第二级主动均衡控制系统作为由该X节串联液态金属电池单体构成的电池单元的SOC估计值。

所述主动均衡控制系统能够工作在所述液态金属电池单元的充电状态、放电状态及静置状态。

所述主动均衡控制中心，接收第一级被动均衡控制系统传输的各液态金属电池单元的SOC值，并实时计算所有电池单元的SOC离散度α，其计算公式为

式中，为N个液态金属电池单元SOC平均值，SOC_j为第j个液态金属电池单元的SOC值，且1≤j≤N，N为电池单元个数。由于一共有N个第一级被动均衡控制系统，而每一个被动均衡控制系统有一个液态金属电池单元，因此N也为第一级被动控制系统的个数。

主动均衡控制中心若判断电池单元的SOC离散度α>γ₂，γ₂为第二级主动均衡开启阈值，则开启第二级主动均衡控制系统，即主动均衡控制中心选择SOC极大液态金属电池单元和SOC极小液态金属电池单元作为均衡对象，产生相应脉冲宽度调制PWM驱动信号，驱动主动均衡电路模块中的开关，对SOC极大液态金属电池单元进行均衡放电，对SOC极小液态金属电池单元进行均衡充电，实现能量从SOC极大液态金属电池单元转移到SOC极小液态金属电池单元，否则保持关闭主动均衡控制系统。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)本发明针对液态金属电池电压平台较低的特点，以一致性较高的数节液态金属电池串联组成的电池包作为主动均衡控制的电池单元，提高了电池单元的电压，克服了主动均衡控制装置难以实际应用于液态金属电池的缺陷。

(2)对电池单元内部，由于筛选后的液态金属电池一致性比较高，采用被动均衡技术，尽管均衡电流小，也能够满足实际应用的要求。

(3)对电池单元间，采用主动均衡技术，能够采用合适的均衡电流进行快速高效的均衡，同时相对于对所有电池单体采用主动均衡，实际实施性更高，均衡控制装置的复杂性和成本也更低。

(4)由于液态金属电池工作温度在300℃～700℃，需要保存在高温保温箱内部，为便于对电池组进行均衡管理，第一级被动均衡控制系统中的数节液态金属电池单体放置在同一个保温箱中，从各节电池两端引出连接线到保温箱外侧与外界均衡管理电路交互。

(5)多级均衡控制方法相对于单级均衡控制，均衡的控制精度更高，均衡效果更好，可靠性更高；且第一级被动均衡和第二级主动均衡同时进行，互不干扰，保证了均衡控制系统的可靠性；同时第一级被动均衡控制系统和第二级主动均衡控制系统都采用SOC作为均衡变量，克服了液态金属电池由于电压平台较宽而不能准确反映电池间差异性的难题。

附图说明

图1为本发明提供的液态金属电池多级均衡控制系统结构图；

图2本发明提供的液态金属电池单元在保温箱的排布和对外引线示意图；

图3为本发明提供的第一级被动均衡电路结构图；

图4为本发明提供的液态金属电池充放电电压曲线图；

图5为本发明提供的第二级主动均衡电路结构图；

图6为本发明提供的液态金属电池多级均衡控制装置控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图1所示，为液态金属电池多级均衡控制装置结构图，包括N个第一级被动均衡控制系统和1个第二级主动均衡控制系统。

对于任意一个第一级被动均衡控制系统，其由四节液态金属电池单体串联组成的电池包、数据采集模块、被动均衡电路模块、被动均衡控制中心所构成

其中，四节液态金属电池单体是通过测试其充放电容量、电压平台及库伦效率而得到的一致性较高的电池单体，并相互串联组成一个电池单元。

如图2所示，为液态金属电池单元内的电池单体在保温箱内的排布和对外引线。由于液态金属电池需要在高温下运行，为了便于对其进行管理，将四个液态金属电池单体放置在同一个保温箱内，电池单体间相互串联，并引出连接线到保温箱外侧。

数据采集模块分别通过各节电池单体的引线在室温下采集四个单体电池的端电压和充放电电流数据，并将采集的数据输送到被动均衡控制中心。

被动均衡电路模块，其电路结构如图3所示，由四个开关K1、K2、K3、K4串联均衡电阻R1、R2、R3、R4构成，四个均衡电路分别并联在四个液态金属电池单体两端，通过接收被动均衡控制中心的驱动信号进行动作。

被动均衡控制中心根据接收到的各节单体电池电压数据判断电池是否过充或过放，一旦出现单体电池电压跌落电压窗口现象，立即产生低电平信号关闭被动均衡控制系统，同时发送信号给第二级主动均衡控制系统，切断电池组外接充放电电路及主动均衡电路。

电流数据用于计算各节液态金属电池单体的SOC值。如图4所示为理论容量为20Ah的液态金属电池充放电电压曲线，由于液态金属电池的电压平台低且宽，为了更有效地达到提高电池组容量利用率的目的，两级均衡控制系统均采用SOC作为均衡变量。为得到较为准确的SOC估计值，采用扩展卡尔曼算法对其进行估算。当电池组处于充电状态，经过比较得到SOC极小值SOC_min，若单体电池SOC值大于SOC_min+γ₁，γ₁为第一级被动均衡开启阈值，则产生高电平信号，驱动被动均衡电路模块中相应电池的均衡开关，使其开通，进行能耗放电；当电池组处于放电状态或静置状态，则不进行第一级能耗均衡，即始终产生低电平信号。同时，被动均衡控制中心将SOC_min传入第二级主动均衡控制系统作为由该四节串联液态金属电池单体构成的电池单元的SOC值。

第二级主动均衡控制系统由N个串联的液态金属电池单元、主动均衡电路模块、主动均衡控制中心构成，能工作在电池组的充电状态、放电状态及静置状态。

主动均衡控制中心和主动均衡电路模块均通过电池包外的引线与各液态金属电池单元相连接，主动均衡控制中心接收第一级被动均衡控制系统传输的各液态金属电池单元的SOC信号，并判断是否通过主动均衡电路模块进行主动均衡控制。

每一个液态金属电池单元即为每一个第一级被动均衡控制系统中由四节液态金属电池串联组成的电池包，每一个液态金属电池单元的端电压为四节液态金属电池单体电压的叠加。

图5为第二级主动均衡电路结构图，主动均衡电路模块，是一种基于开关矩阵的电感型均衡电路，由4N个MOS管、2个二极管D₁和D₂及一个均衡电感L构成，其电路结构如图5所示，4N个MOS管，两两之间共漏极串联组成2N个双向开关P₁、P₂……P_N，Q₁、Q₂……Q_N，P_i和Q_i通过电感并联在电池单元i的两端，1≤i≤N，双向开关一方面能够降低能量转移回路的压降，另一方面能够实现对均衡电流的双向控制。二极管D1和D₂通过电感并联在电池组的两端，为电感提供续流回路，防止产生电压尖峰，击穿MOS管。为了尽量降低能量转移过程中的压降和损耗，二极管选用低压降的肖特基二极管。

主动均衡控制中心接收第一级被动均衡控制系统传输的各电池单元的SOC值，并实时计算所有电池单元的SOC离散度α，其计算公式为式中为N个液态金属电池单元SOC平均值，SOC_j为第j个液态金属电池单元的SOC值，且1≤j≤N，N为电池单元个数。主动均衡控制中心若判断电池单元的SOC离散度α>γ₂，γ₂为第二级主动均衡开启阈值，则开启第二级主动均衡控制系统，即主动均衡控制中心选择SOC极大液态金属电池单元和SOC极小液态金属电池单元作为均衡对象，产生相应脉冲宽度调制PWM驱动信号，驱动主动均衡电路模块中的开关，对SOC极大液态金属电池单元进行均衡放电，对SOC极小液态金属电池单元进行均衡充电，实现能量从SOC极大液态金属电池单元转移到SOC极小液态金属电池单元，否则保持关闭主动均衡系统。进一步地，如图6所示，为液态金属电池多级控制系统控制流程，包含如下步骤：

S1，第一级被动均衡控制系统的数据采集模块采集各节液态金属电池单体的电压V_i和电流I_i，其中1≤i≤4；

S2，所述数据采集模块将采集到的电压V_i送入被动均衡控制中心，判断V_L<V_i<V_H是否成立，其中，V_L为液态金属电池放电电压下限，V_H为液态金属电池充电电压上限；

若成立，则跳转执行S3；否则，关闭第一级被动均衡控制系统，同时发送信号给第二级主动均衡控制中心，关闭第二级主动均衡控制系统并切断外接充放电电路；

S3，被动均衡控制中心对四节液态金属电池单体进行SOC估算，得到四个SOC估算值，对所得四个SOC估算值进行比较得到SOC极小值SOC_min，所述被动均衡控制中心将所述液态金属电池单元的SOC_min传入第二级主动均衡控制系统作为该电池单元的SOC估计值；

步骤S4和步骤S5同时进行：

S4，进行每一个液态金属电池单元内的被动均衡：

S41，所述被动均衡控制中心根据数据采集模块采集到的电流数据判断液态金属电池组的充放电状态，若处于充电状态，则执行步骤S42，否则执行S45；

S42，所述被动均衡控制中心判断所述第i个液态金属电池单体的SOC_i值是否符合被动均衡开启条件，即判断所述SOC_i值是否大于SOC_min+γ₁，若是，则执行S43，否则执行S45；其中，γ₁为第一级被动均衡开启阈值；

S43，被动均衡控制中心产生相应开关驱动信号，被动均衡电路中，K_i打开，对第i个液态金属电池单体进行能耗放电；其中K_i为第i个液态金属电池单体对应的被动均衡电路模块中的开关，i为整数，1≤i≤4。

S44，所述被动均衡控制中心判断所述第i个液态金属电池单体的SOC_i值是否符合被动均衡关闭条件，即判断所述SOC_i值是否小于或等于SOC_min+γ₁，若是，则转到S45，否则跳转执行S43；

S45，被动均衡结束，关闭第一级被动均衡控制系统。

S5，进行每一个液态金属电池单元之间的主动均衡：

S51，主动均衡控制中心根据液态金属电池单元的SOC估计值判断所述电池单元是否符合第二级主动均衡开启条件，即判断所述电池单元的SOC离散度α>γ₂是否成立，若成立则执行S52，若不成立，则执行S54；其中，γ₂为第二级主动均衡控制开启阈值；

S52，所述主动均衡控制中心确定主动均衡对象，产生相应脉冲宽度调制PWM驱动信号，主动均衡电路模块中相应开关开通，进行能量转移；

S53，所述主动均衡控制中心判断液态金属电池单元是否满足主动均衡关闭条件，即判断所述电池单元的SOC离散度α≤γ₂是否成立，若成立则执行S54，若不成立，则执行S52；

S54，主动均衡控制结束，关闭第二级主动均衡控制系统。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。