一种储能液态金属电池的成组均衡控制装置及控制方法与流程

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种储能液态金属电池的成组均衡控制装置及控制方法，其能够解决液态金属电池电压平台低且宽而难以实施主动均衡控制的缺陷，以及应对液态金属电池成组使用时所处的高温环境，降低均衡控制装置和控制方法的复杂性。

背景技术：

储能技术在提高风能及太阳能等可再生能源发电系统的稳定性、平滑用户侧负荷、提高电力系统的安全性和稳定性等方面有着举足轻重的作用。电化学储能凭借灵活方便、效率高、维护成本低而成为储能技术发展的重要方向。但现有的电化学储能技术都因为安全特性不佳和储能成本较高而无法满足大规模储能系统的要求，液态金属电池正是应对这一挑战而发展起来的新型电化学储能技术。液态金属电池工作温度在300℃～700℃，因具有特殊的电极材料和结构设计，其性能稳定，寿命较长。

为了满足储能系统对电压和功率的要求，必须将液态金属电池串并联成组使用，但在实际运行过程中，单体电池由于制造工艺、使用环境、老化速度等差异，电池间的性能差异也会日趋增大，因为木桶效应的存在，电池组的容量利用率及使用寿命将大大降低，因此必须对液态金属电池组采取相应的均衡控制措施。

液态金属电池具有大容量、低电压的特点，且运行在高温环境，成组使用时需保存在高温保温箱中。目前国内对液态金属电池的均衡控制研究相对较少，中国发明专利说明书CN104682511A提出对满充液态金属电池进行大电流能耗均衡的方法，该方法均衡能耗大，造成了能量浪费和大量产 热问题，且要依次等待所有电池达到满充状态，均衡速度慢。中国发明专利说明书CN105141004A提出采用高温非线性电组对达到均衡阈值的电池进行能耗均衡的方法，该方法虽然均衡速度快，控制简单，但由于在充放电末端，液态金属电池电压变化较快，非线性电阻中流过的电流也极大，造成大量损耗和产热。且这两种被动均衡方法都没有考虑，液态金属电池成组使用时，需放置在高温保温箱中，应尽可能地减少高温保温箱的对外引线。

由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种针对液态金属电池的均衡控制装置及控制方法，使其能够解决液态金属电池电压平台低且宽而难以实施主动均衡控制的缺陷，以及应对液态金属电池成组使用时所处的高温环境，降低均衡控制装置和控制方法的复杂性，以便满足对于液态储能金属电池的使用需求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种储能液态金属电池的成组均衡控制装置及控制方法，该均衡控制装置包括N个串联的液态金属电池单元、电压检测模块、均衡控制模块、均衡电路模块，其能够解决液态金属电池电压平台低且宽而难以实施主动均衡控制的缺陷，以及应对液态金属电池成组使用时所处的高温环境，降低均衡控制装置和控制方法的复杂性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种储能液态金属电池的成组均衡控制装置，其特征在于，包括N个串联的液态金属电池单元、电压检测模块、均衡控制模块和均衡电路模块，其中，N≥0，且N为整数；

所述液态金属电池单元由经过筛选得到的数节液态金属电池单体构成，筛选后的性能一致的液态金属电池单体放置在同一个保温箱内，按照先串后并的方式成组，构成液态金属电池单元，N个液态金属电池单元通过保温 箱外的引线进行串联；

所述电压检测模块用于检测N个液态金属电池单元的端电压数据，并将电压数据输送到均衡控制模块；

所述均衡控制模块接收电压检测模块的各个电池单元的电压数据，并根据各电池单元的电压选择均衡对象和均衡时机，产生相应开关的脉冲宽度调制PWM驱动信号，并将PWM驱动信号输送到均衡电路模块用于控制相应开关管的开通和关断；

所述均衡电路模块是一种基于开关矩阵的电感型均衡电路。

进一步优选地，所述均衡电路模块中的电感型均衡电路包括2N个MOS管、2(N+1)个二极管和一个均衡电感，

其中，所述2(N+1)个二极管，除二极管D11和二极管D2N+1外均串联一个MOS管，上述二极管串接在电池单元和均衡电感之间以防止电池短路；所述二极管D11和二极管D2N+1未串接MOS管，为均衡电感提供续流回路。

优选地，所述二极管选用低压降的肖特基二极管。

较多的比较试验表明，采用上述电感型均衡电路能够有效地提高电路电流的稳定性，进而提高电池使用的稳定性能和电能使用效率。二极管选用低压降的肖特基二极管，能够降低能量转移过程中的压降和损耗。

按照本发明的另一方面，提供了一种储能液态金属电池的成组充放电均衡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.对一批电池进行筛选，将液态金属电池单体进行放电容量、电压平台和库伦效率三个参考量的筛选，筛选得出性能一致的数节液态金属电池单体；

S2.将筛选后的性能一致的数节液态金属电池单体按照先串联后并联的方式，组成一个液态金属电池单元；

S3.经过数次筛选，得到数个液态金属电池单元；

S4.将筛选得到的数个液态金属电池单元按照性能从优至劣进行串联，梯次利用，对串联的液态金属电池单元充放电进行监测及均衡控制。

将液态金属电池单元内的电池单体按照先串后并的方式进行合理的连接，一方面能够提高电池单元的电压，另一方面并联方式也能够实现电池单元内的电压自均衡，相对于对保温箱内数节电池单体分别进行均衡控制，一方面减少了保温箱的对外引线，另一方面也大大降低了均衡控制装置的复杂性。较多的比较试验表明，液态金属电池经筛选后，在相同的使用环境下，即使经过多圈循环仍然能够保持电池的一致性。

进一步优选地，步骤S1中，所述电池的筛选过程包括以下步骤：

S11.先对理论放电容量相同的一批液态金属电池进行充放电测试，筛选出放电容量差异在2％的一组液态金属电池；

S12.再对筛选后的液态金属电池组进行0.2C标准倍率充放电2圈，以第二圈为准，筛选出电压平台差异在0.02V以内的一组液态金属电池；

S13.对新筛选出的一组液态金属电池进行0.2C标准倍率充放电10圈，筛选出库仑效率差异在0.5％以内的一组液态金属电池，即为一致性较好的一批液态金属电池单体。

较多的比较试验表明，经过上述筛选后的一组液态金属电池一致性已经比较高，而且长时间运行，电池单体间自放电率的差异对液态金属电池性能的影响相对较小。

优选地，在步骤S4中，对液态金属电池单元充放电进行监测及均衡控制过程包括以下步骤：

S41.通过数据采集模块采集各电池单元电压数据，并将其输送到均衡控制模块；

S42.均衡控制模块判断电池电压是否满足均衡开启条件，若满足，则转到步骤S43，若不满足则转到步骤S46；

S43.均衡控制模块产生需均衡的电池均衡充放电MOS管的脉冲宽度调 制PWM驱动信号，并输送到均衡电路模块，同时产生控制信号使充电机减小电池组的充放电电流；

S44.均衡电路模块根据接收到的脉冲宽度调制PWM驱动信号，开通相应充放电回路的开关管，进行主动均衡过程；

S45.均衡控制模块判断电池电压是否满足均衡关闭条件，若满足则转到步骤S46，否则转到步骤S43；

S46.关闭均衡控制装置，均衡结束。

具体地，均衡控制策略采用电压作为均衡变量，以电压极大液态金属电池单元和电压极小液态金属电池单元作为均衡对象，在电池组充放电末端以0.1C的均衡电流进行大电流主动均衡。以SOC作为均衡变量的均衡控制策略虽然能更好地达到均衡目的，但现有的SOC估计算法精度不够，特别是对于放置在高温保温箱的液态金属电池，单体电池的SOC估计依赖于单体电池电流检测，这在实际操作中较难实现；相反，电压检测简单，且只需要在保温箱外检测电池单元的电压即可，实际操作可行性更高。选择在电池组充放电末端进行大电流主动均衡，主要是因为液态金属电池充放电曲线较为平坦，在电压平台期，即使电池间SOC差异较大，电压差异依然很小，因此该阶段不对电池组进行电压均衡，当电池处于充放电末端时，单体电池电压变化较大，此时对电池组进行电压均衡能够有效提高电池组的一致性。同时，为避免可能出现的并联电池串由于在电压平台期造成的SOC差异积累，引起大电流现象，在充放电末端开启均衡时，减小电池组的充放电电流，延长自平衡时间，有效提高并联电池组的容量利用率。

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，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的液态金属电池成组均衡控制装置和方法在放电容量、电压平台及充放电效率等方面对电池进行筛选，筛选后一致性较高的数节液态金属电池组成一个电池单元，放置在同一个高温保温箱中，其使用环境 的相同有利于保持电池单体间的一致性。液态金属电池经筛选后，在相同的使用环境下，即使经过多圈循环仍然能够保持电池的一致性。

(2)将一致性较好的电池单体放置在同一个保温箱中，保证使用环境相同，按照先串后并的方式进行成组，串联提高电池单元的电压，并联提高电池单元的容量，同时并联的方式能够进行电池串间的电压自均衡，选择在电池充放电末端进行电压均衡，同时减小充放电电流，一方面由于充放电末端电压随SOC变化比较明显，其次减小充放电电流可以缓解由于并联造成的电池大电流现象，导致电池过流。

(3)本发明的均衡控制方法中电池单元内部数节液态金属电池单体按照先串再并的方式进行组合，串联提高了电池单元的电压，并联能够实现电池单元内部的电压自均衡，能够降低均衡控制装置的复杂性，同时为了提升并联电压自均衡的效果，在充放电末端减小电池组的充放电电流，延长自均衡时间。

(4)本发明中采用以电压作为均衡变量的均衡控制策略，选择在充放电末端进行均衡判别，克服了以SOC作为均衡变量，SOC估算精度不高且保温箱内部电流检测难以实施的问题。本发明中采用电感型均衡电路，电感电流的可控性强，可以实现对电池单元的大电流均衡。

(5)本发明的均衡控制装置和控制方法能够解决液态金属电池电压平台低且宽而难以实施主动均衡控制的缺陷，以及应对液态金属电池成组使用时所处的高温环境，降低均衡控制装置和控制方法的复杂性，提高液态金属电池的使用性能。

附图说明

图1为本发明提供的均衡控制装置结构图；

图2图1为本发明提供的基于开关矩阵的电感型均衡电路拓扑图；

图3为本发明提供的液态金属电池单元内部电池单体连接方式图；

图4为本发明提供的理论容量20Ah液态金属电池充放电电压曲线图；

图5为本发明提供的液态金属电池均衡控制方法流程图。

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。

如图1所示，为本发明提供的一种储能液态金属电池的成组均衡控制装置，其包括N个串联的液态金属电池单元、电压检测模块、均衡控制模块和均衡电路模块，其中，N≥0，且N为整数；

所述液态金属电池单元由经过筛选得到的数节液态金属电池单体构成，筛选后的性能一致的液态金属电池单体放置在同一个保温箱内，按照先串后并的方式成组，构成液态金属电池单元，N个液态金属电池单元通过保温箱外的引线进行串联；

所述电压检测模块用于检测N个液态金属电池单元的端电压数据，并将电压数据输送到均衡控制模块；

所述均衡控制模块接收电压检测模块的各个电池单元的电压数据，并根据各电池单元的电压选择均衡对象和均衡时机，产生相应开关的脉冲宽度调制PWM驱动信号，并将PWM驱动信号输送到均衡电路模块用于控制相应开关管的开通和关断；

所述均衡电路模块是一种基于开关矩阵的电感型均衡电路。

在本发明的一个优选实施例中，所述均衡电路模块中的电感型均衡电路包括2N个MOS管、2(N+1)个二极管和一个均衡电感，

其中，所述2(N+1)个二极管，除二极管D11和二极管D2N+1外均串联一个MOS管，上述二极管串接在电池单元和均衡电感之间以防止电池短路；所述二极管D11和二极管D2N+1未串接MOS管，为均衡电感提供续流 回路。

在本发明的一个优选实施例中，所述二极管选用低压降的肖特基二极管。

本发明还提供了一种储能液态金属电池的成组充放电均衡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.对一批电池进行筛选，将液态金属电池单体进行放电容量、电压平台和库伦效率三个参考量的筛选，筛选得出性能一致的数节液态金属电池单体；

S2.将筛选后的性能一致的数节液态金属电池单体按照先串联后并联的方式，组成一个液态金属电池单元；

S3.经过数次筛选，得到数个液态金属电池单元；

S4.将筛选得到的数个液态金属电池单元按照性能从优至劣进行串联，梯次利用，对串联的液态金属电池单元充放电进行监测及均衡控制。

将液态金属电池单元内的电池单体按照先串后并的方式进行合理的连接，一方面能够提高电池单元的电压，另一方面并联方式也能够实现电池单元内的电压自均衡，相对于对保温箱内数节电池单体分别进行均衡控制，一方面减少了保温箱的对外引线，另一方面也大大降低了均衡控制装置的复杂性。

在本发明的一个优选实施例中，步骤S1中，所述电池的筛选过程包括以下步骤：

S11.先对理论放电容量相同的一批液态金属电池进行充放电测试，筛选出放电容量差异在2％的一组液态金属电池；

S12.再对筛选后的液态金属电池组进行0.2C标准倍率充放电2圈，以第二圈为准，筛选出电压平台差异在0.02V以内的一组液态金属电池；

S13.对新筛选出的一组液态金属电池进行0.2C标准倍率充放电10圈，筛选出库仑效率差异在0.5％以内的一组液态金属电池，即为一致性较好的 一批液态金属电池单体。

在本发明的一个优选实施例中，在步骤S4中，对液态金属电池单元充放电进行监测及均衡控制过程包括以下步骤：

S41.通过数据采集模块采集各电池单元电压数据，并将其输送到均衡控制模块；

S42.均衡控制模块判断电池电压是否满足均衡开启条件，若满足，则转到步骤S43，若不满足则转到步骤S46；

S43.均衡控制模块产生需均衡的电池均衡充放电MOS管的脉冲宽度调制PWM驱动信号，并输送到均衡电路模块，同时产生控制信号使充电机减小电池组的充放电电流；

S44.均衡电路模块根据接收到的脉冲宽度调制PWM驱动信号，开通相应充放电回路的开关管，进行主动均衡过程；

S45.均衡控制模块判断电池电压是否满足均衡关闭条件，若满足则转到步骤S46，否则转到步骤S43；

S46.关闭均衡控制装置，均衡结束。

为更好地解释本发明，以下给出一个具体实施例：

实施例

如图1所示，为本发明提供的一种储能用液态金属电池均衡控制装置，包括N个串联的液态金属电池单元、电压检测模块、均衡控制模块、均衡电路模块。

液态金属电池单元由经过筛选并梯次利用得到的理论容量为20Ah的6节液态金属电池单体构成。每个电池单元所包含的6节液态金属电池放置在一个保温箱内，N个液态金属电池单元通过保温箱外的引线进行串联。

电压检测模块用于检测N个液态金属电池单元的端电压数据，并将电压数据输送到均衡控制模块。

均衡控制模块接收电压检测模块的电压数据，并根据各电池单元的电 压选择均衡时机和均衡对象，产生相应开关的PWM驱动信号，输送到均衡电路模块用于控制相应开关管的开通和关断。

均衡电路模块，如图2所示，是一种基于开关矩阵的电感型均衡电路，由2N个MOS管、2(N+1)个二极管、一个均衡电感构成。其中，2(N+1)个二极管，除D11和D2N+1外，均串联一个MOS管，串接在电池单元和电感之间，可以防止电池短路。D11和D2N+1未串接MOS管，为电感提供续流回路。为了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。

本发明提供一种储能液态金属电池成组的充放电均衡控制方法，其控制流程如图3所示，包括如下步骤：

首先，对一批电池进行筛选并梯次利用，经过放电容量、电压平台和库伦效率三个参考量筛选后，被判定一致性较好的液态金属电池组成一个电池单元，梯次利用一致性不同的电池单元。

所述筛选过程包括：

(1)对理论放电容量为20Ah的一批液态金属电池进行不同电流充放电，筛选出放电容量差异在2％的一组电池。

(2)再对筛选后的电池组进行0.2C标准倍率充放电2圈，以第二圈为准，筛选出电压平台差异在0.02V以内的一组电池。

(3)最后，对新筛选出的一组电池进行0.2C标准倍率充放电10圈，筛选出库仑效率差异在0.5％以内的一组电池。

经验表明，经过筛选后的一组液态金属电池一致性已经比较高，而且长时间运行，电池单体间自放电率的差异对液态金属电池性能的影响相对较小。

其次，液态金属电池单元内电池单元的连接方式如图4所示，将筛选后的一致性较好的6节液态金属电池B1、B2、B3进行串联得到B1’、B4、B5、B6进行串联B2’，再将B1’和B2’进行并联组成一个电池单元，电 池单元的电压为三节液态金属电池电压之和，电池单元内部通过先串后并的方式进行连接，一方面能够提高电池单元的电压，另一方面由于B1’和B2’并联也能够实现电池单元内的电压自均衡，相对于对保温箱内6节电池单体分别进行均衡控制，一方面减少了保温箱的对外引线，另一方面也降低了均衡控制装置的复杂性。

最后，再将所有电池单元按照性能从优至劣进行串联，对串联电池单元充放电进行监测及均衡控制。

均衡控制策略采用电压作为均衡变量，以电压极大液态金属电池单元和电压极小液态金属电池单元为均衡对象，在电池组充放电末端以0.1C均衡电流进行大电流主动均衡。以SOC作为均衡变量的均衡控制策略虽然能更好地达到均衡目的，但现有的SOC估计算法精度不够，特别是对于放置在高温保温箱的液态金属电池，单体电池的SOC估计依赖于单体电池电流检测，这在实际操作中较难实现；相反，电压检测简单，且只需要在保温箱外检测电池单元的电压即可，实际操作可行性更高。选择在电池组充放电末端进行大电流主动均衡，主要是因为液态金属电池充放电曲线较为平坦，如图5所示，在电压平台期，即使电池间SOC差异较大，电压差异依然很小，因此该阶段不对电池组进行电压均衡，当电池处于充放电末端时，单体电池电压变化较大，此时对电池组进行电压均衡能够有效提高电池组的一致性。同时，为避免可能出现的并联电池串由于在电压平台期造成的SOC差异积累，而在充放电末端产生大电流现象，均衡开启时，减小电池组的充放电电流，延长自平衡时间，有效提高并联电池组的容量利用率。

进一步地对电池单元充放电进行监测及均衡控制，均衡检测及控制流程图如图5所示，包括：

(1)数据采集模块，采集各电池单元电压数据，并将其输送到均衡控制模块。

(2)均衡控制模块判断电池电压是否满足均衡开启条件，即电池单元处于充放电末端且电压极差大于50mV，若满足，则转到步骤(3)，若不满足则转到步骤(6)。

(3)均衡控制模块产生需均衡的电池均衡充放电MOS管的脉冲宽度调制PWM信号，并输送到均衡电路模块，同时产生控制信号使充电机减小电池组的充放电电流。

(4)均衡电路模块根据接收到的脉冲宽度调制PWM信号，开通相应充放电回路的开关，进行主动均衡过程。

(5)均衡控制模块判断电池电压是否满足均衡关闭条件，即电压极差小于50mV，若满足则转到(6)，否则转到(3)。

(6)关闭均衡电路，均衡结束。

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。