一种锂电池组SOC均衡系统及方法与流程

本发明属于电池储能技术领域，具体而言，涉及一种锂电池组SOC(State Of Charge)均衡系统及方法。

技术背景

考虑到化石能源的不可持续性及环境压力的持续增大，人类亟需一种清洁、可持续的替代能源，在此背景下，风能、核能、太阳能获得了广泛关注。在实际应用中，清洁能源产生的能量往往需要储能装置进行存储以满足各种应用场景。锂电池作为一种能量密度高、重量轻，使用寿命相对较长且自放电率低，无记忆效应，高低温适应性强的储能装置，具有良好的发展前景与研究价值，在一些移动设备如电动汽车中得到了广泛应用。

锂电池单体电压一般在3-4V之间，为满足更多的负载需求，一般需串联若干单体电池成锂电池组使用。由于制造过程及使用过程的限制，串联的单体电池之间往往存在不一致性(具体表现在容量和内阻不一致)，从而导致电池组使用过程中各单体放电电流倍率及温度不一致，反过来作为正反馈加剧单体间SOC(State Of Charge)和内阻的不一致。这种差异会使个别单体电池因过充或过放而损坏，影响电池组的整体性能和使用寿命，严重时甚至会引起爆炸。因此，亟需提出一种高效、快速、高精度、鲁棒性好且易实现的均衡结构及算法使串联电池组SOC趋于一致，从而大大延长锂电池组的使用寿命并提高其性能。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题和技术需求，本发明提供一种锂电池组SOC均衡系统及方法，将锂电池组的均衡问题分为组内均衡和组间均衡两个层次，包括根据组间平均SOC为依据的输出电压分配实现组间均衡和组内单体电池SOC为依据控制单体电池动态接入实现组内均衡的均衡方法。基于本发明对锂电池组SOC进行均衡，无需额外的均衡电路，避免了能量在电池组之间的转移，在充放电过程中自动实现锂电池组的均衡，均衡速度和均衡效率均得到了极大提高。

为了实现本发明技术目的，本发明提供了如下技术方案：

一种锂电池组SOC均衡系统，包括N组锂电池、N个双向DC-DC转换器和一个采样及控制器；每组锂电池和一个双向DC-DC转换器并联，DC-DC转换器输出端串联后作为直流母线和发电系统的输出端以及负载通过DC-DC输出端并联；采样及控制器的控制端连接双向DC-DC转换器的输入端，采样及控制器的输入端连接双向DC-DC转换器的电压和电流输出端；每组锂电池包含M块单体电池，相邻单体电池通过一个隔离开关进行隔离，每节单体电池并联旁路开关，此旁路开关和对应隔离开关组成开关对，两开关的控制信号互相取反，可动态实现电池接入和断开。

一种基于所述锂电池组SOC均衡系统的锂电池组SOC均衡方法，该方法包括：

组间SOC均衡控制步骤：采集每组锂电池的输出电流I和输出电压V，计算每个锂电池组的平均SOC，以此为依据分配每个锂电池组所并联DC-DC模块的输出电压，从而调节流经各DC-DC输入端的电流，使各锂电池组间的单体电池SOC趋于一致；

组内SOC均衡控制步骤：若锂电池组平均SOC在预定阈值范围外，按照组内SOC均衡原则通过控制开关对的通断从而控制各单体电池的充放电状态，使该组内的单体电池SOC趋于一致，所述组内SOC均衡原则为：计算锂电池组内的各单体电池的SOC，其中SOC高的单体电池接入时间长，SOC低的单体电池接入时间短，使用预测控制算法计算在下一放电周期中各电池放电量最优值使得经过一个放电周期后各单体电池SOC离散程度最小，从而分配组内各单体电池接入的时间，且保证在同一时间接入的电池数不得小于下限值。

进一步地，组内电池动态接入会导致锂电池组输出电压跳变，基于此，本发明设置任意时刻每个锂电池组内的锂电池组单体接入个数为定值，对组内各单体电池的接入时序通过排序的方法进行排列来保证任意时刻接入锂电池组单体电池个数为定值。

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，主要具备以下的技术优点：

1.本发明基于电量分配的思想，以SOC为依据动态分配充放电过程中各组电池和组内电池的充放电程度，避免了能量的转移，有效降低了均衡损耗，且均衡速度也得到了提高。

2.同时，采用分组和分层的思想，将锂电池组的均衡问题分为组内均衡和组间均衡两个层次，简化了系统结构，结合了两种方法的优点，降低了控制难度。

3.本发明采用的双向开关导通电阻较低，能有效降低导通损耗和系统发热，提高系统整体效率。

附图说明

图1是本发明锂电池组SOC均衡系统结构示意图；

图2是本发明锂电池单体动态接入效果示意图；

图3是本发明锂电池动态接入时序排列方法示意图；

图4是本发明锂电池组均衡结构电路拓扑图。

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。

图1所示为本发明锂电池组SOC均衡系统结构示意图。锂电池一共被分为N组，每组包含M块单体电池，锂电池组总的单体电池数为N*M，每组电池为一个模块，每个模块和一个双向DC-DC转换器并联，DC-DC转换器输出端相互串联作为直流母线和发电系统(譬如固体氧化物燃料电池SOFC)的输出端以及负载通过DC-DC输出端并联。采样及控制器的控制端连接双向DC-DC转换器的输入端，采样及控制器的输入端连接双向DC-DC转换器的电压和电流输出端。

各锂电池组通过DC-DC输出端串联而非直接串联，流经各DC-DC输出端的电流Imodule相等，故可通过控制DC-DC输出端电压V₁、V₂……V_N从而控制各电池组的充放电电流Iunit#1、Iunit#2……Iunit#N的大小，根据各电池组的平均SOC值可方便输出DC-DC转换器的占空比分配各组输出电压，从而在电池充放电过程中自动调节各组SOC，实现锂电池组间SOC均衡。

图2是本发明锂电池动态接入效果示意图。各锂电池组内，每节单体电池并非直接串联，而是分别通过隔离开关进行隔离，同时并联旁路开关，此旁路开关和对应隔离开关组成开关对，其控制信号互相取反，可动态实现电池接入。例如，当控制信号g1＝1、时，电流不流过单体电池1，单体电池1在此过程中充放电电流为0，当控制信号g1＝0、时电流流过单体电池1，单体电池1在此过程中充放电电流等于Iunit。每个电池模块内单体电池的数量等于隔离开关的对数。这样可以通过控制隔离开关的通断决定单体电池是否接入电池模块，从而控制每节电池的充放电状态，动态地在充放电过程中使单体电池SOC趋于一致，实现锂电池组内SOC均衡。按照本发明的一个实施例，采用CSD17559Q5N通道MOSFET和SM74611智能旁路二极管反并联代替其自带体二极管形成低压降单向开关，两个单向开关反向串联可组成双向开关。通过分配各组输出电压及动态接入单体电池形成电压的比值控制电池组电流，增加每组内电池数可降低电池组放电电流，从而降低损耗。

控制器通过AD采样得到每组电池电流Iunit、端电压Vunit和温度分布Tunit，其通过一定SOC估计算法(譬如开路电压法及安时积分法)可以估计出各单体电池SOC，并以此为依据输出开关信号，控制如图4所示隔离开关和旁路开关的通断。

本发明基于对串联锂电池组分组的思想，将锂电池组的均衡问题分为组内均衡和组间均衡两个层次，在充放电过程中动态地控制单体电池是否接入电池模块中时，会造成电池模块端电压的变化，通过每个模块所并联的双向DC-DC转换器可以方便地调节输出端电压，从而匹配负载功率。

在应用本发明进行SOC均衡之前，首先根据外部电源和负载需求确定锂电池模块输出功率，主要为输出电流。充电模式下，锂电池模块输出电流为负，外部电源对锂电池模块充电；放电模式下，锂电池模块输出电流为正，锂电池模块对负载放电。

图4是本发明锂电池组均衡结构电路拓扑图。应用本发明进行SOC均衡的具体步骤如下：

步骤1.锂电池一共被分为N组，每组包含M块单体电池，锂电池组总的单体电池数为N*M。确定锂电池模块输出电流I和输出电压V后，计算锂电池模块内每个锂电池组平均SOC，以此为依据分配每个锂电池组所并联DC-DC模块输出电压。

步骤2.当某锂电池组平均SOC处于预定阈值范围(譬如30％-70％)水平时，不进行组内电池均衡，在此范围之外，进行组内电池均衡，其过程如下：计算每个锂电池组内各锂电池SOC，并以此为根据动态控制组内各电池单体接入电池组的时间，SOC较高的电池接入时间长，SOC较低的电池接入时间较短，具体方法为：使用预测控制算法计算在下一放电周期中各电池放电量最优值使得经过一个放电周期后各单体电池SOC离散程度最小，从而分配组内各单体电池接入的时间，且保证在同一时间接入电池数不得小于某下限制(譬如通过电池最大充放电电流计算得到的每组接入最少电池数)，防止损坏电池性能甚至导致安全事故。

在组内单体电池动态接入电池组情况下，如不加以限制，则该组电池端电压随着接入电池数的变化会出现跳变。作为优化，本发明进一步提供组内电池接入时序控制方法，具体为：设置任意时刻接入锂电池组单体电池个数为定值，对组内各单体电池的接入时序通过排序的方法进行排列来保证任意时刻接入锂电池组单体电池个数为定值。图3为M＝3,放电周期为Tref情况下锂电池动态接入时序排列方法示意图，Tcell1、Tcell2、……Tcell5为各单体电池通过步骤2计算得到在该周期内各单体电池接入时间，λ＝3为任意时刻接入锂电池组单体电池个数。且控制其并联DC-DC模块占空比保持DC-DC模块输出电压稳定且符合步骤2计算结果。

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。