一種儲能鋰電池主動均衡控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電池組均衡領(lǐng)域，具體為一種儲能鋰電池主動均衡控制系統(tǒng)及控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日趨嚴(yán)重，新能源技術(shù)正處在高速發(fā)展階段，全 世界對新能源技術(shù)的需求也更加迫切。鋰電池由于具有電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長、 安全性能好、自放電少等性能優(yōu)點(diǎn)，在航天、軍工、可再生能源系統(tǒng)儲能等大型應(yīng)用環(huán)境中 得到了廣泛的應(yīng)用。通常儲能用電池電壓高，需要將大量的單體電池串聯(lián)起來，由于電池在 出廠前制造和化工篩選工藝原因，不能保證單體電池出廠時各項參數(shù)一致;另外電池單體 在使用中位置不同，工作溫度存在一定的差異，導(dǎo)致電池自放電率不一致；同時，串聯(lián)電池 組在充放電過程中，由于每個單體所處環(huán)境的不一致導(dǎo)致其庫倫效率不一致，則電池不同 單體實際充電容量和放電容量會存在差異。
[0003]目前，常見的電池組均衡包括能耗型和非能耗型，其中能耗型可通過消耗電量高 的電池單體的能量以達(dá)到整體均衡的目的，雖然有效的實現(xiàn)了鋰電池組的均衡，但浪費(fèi)了 能量，同時增加了熱管理負(fù)擔(dān)，不符合節(jié)能環(huán)保的要求。非能耗型均衡電路結(jié)構(gòu)及控制方法 相對復(fù)雜，導(dǎo)致電池組的均衡難以兼顧快速性、穩(wěn)定性及高效性，于是需要一套實用有效的 控制系統(tǒng)來改善其性能。
[0004] 這方面有中國專利號為：201010136697.7,公告日為2010.8.18公開了提供一種可 以減小對鋰電池材料損傷的動力鋰電池均衡階段的充電方法，其步驟為：以該鋰電池的電 壓目標(biāo)值減去0.2伏作為恒流結(jié)束電壓，恒流階段的充電電流為Ic，在恒流充電后期，當(dāng)鋰 電池的充電電壓2恒流結(jié)束電壓時，進(jìn)入均衡階段;在整個均衡階段，周期性地對鋰電池的 充電電壓進(jìn)行采樣，用所述的電壓目標(biāo)值減去采樣得到的電壓得到差值A(chǔ)V，按照充電電流 =Ic-4.5XIcXAV得到下一周期的充電電流，直至采樣電壓2電壓目標(biāo)值，充電結(jié)束。還公 開了對鋰電池串聯(lián)組均衡階段的充電方法，其步驟為:對每個鋰電池分別進(jìn)行電壓采樣，在 采樣得到的電壓值中選取最大值計算出充電電流，作為每個鋰電池的充電電流。其特點(diǎn)是 在充電最后階段，按照最大單體電壓值減少充電電流，可以及時保護(hù)最大單體電池，避免最 大單體電壓電池過沖，但是充電電流是對所有單體電池進(jìn)行充電，充電結(jié)束條件是任一采 樣電壓2電壓目標(biāo)值，表明電池充電結(jié)束后，并沒有解決單體電池電壓的不一致性，電池之 間不平衡依然存在，隨著多次充放電后，電池之間的不平衡會更加惡化。
[0005] 中國專利號為201410080468.6，公告日為2014.7.2，公開了一種轉(zhuǎn)移能量型、并可 在充、放電過程中均能均衡的串聯(lián)鋰電池組的主動均衡方法，其步驟為:對串聯(lián)電池組中的 每節(jié)電池進(jìn)行電壓采樣，當(dāng)單節(jié)電池的電壓低于標(biāo)稱值的90%時，由與該單節(jié)電池相配合的 均衡充電開關(guān)電源對該單節(jié)電池進(jìn)行充電，所述串聯(lián)鋰電池組的兩端電壓作為均衡充電開 關(guān)電源的輸入電壓。本發(fā)明還公開了一種用于實現(xiàn)上述主動均衡方法的串聯(lián)鋰電池組的主 動均衡電路，包括:主控電路、均衡選通電路、均衡開關(guān)電路和本發(fā)明所述主動均衡方法中 的均衡充電開關(guān)電源。其特點(diǎn)是通過串聯(lián)鋰電池組的兩端電壓作為均衡充電開關(guān)電源的輸 入電壓，并通過獨(dú)立的充電電路對每個單體電池進(jìn)行充電，能量在電池內(nèi)部傳遞，減少能量 損耗，但是其只介紹了一組電池內(nèi)部的電池傳遞，組與組之間的電池能量傳遞并沒有介紹， 同時以單節(jié)電池的電壓低于標(biāo)稱值的90%時為均衡依據(jù)，這樣從充電開始階段，就會起動均 衡電路，電池均衡電路會不斷判斷，大大增加了主控電路的資源負(fù)擔(dān)，降低了均衡效率。
[0006] 還有中國專利號為：201310349173.x，公告日為2013.12.11，公開了一種鋰電池分 布式充電均衡電路及其控制方法，核心控制單元通過采樣模塊對電池組中的每個電池單體 的電壓進(jìn)行采集，通過電量計量模塊對電池組的電流和電池容量進(jìn)行采集。當(dāng)核心控制單 元檢測到有電池單體的電壓差達(dá)到預(yù)設(shè)值時，主動平衡電源電路將電池組或外接充電器的 能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并對電池單體進(jìn)行充電；核心控制單元通過電量計量模塊對外接充電器充 入電池組的能量和電流進(jìn)行檢測，當(dāng)任意電池單體的電壓超過第一設(shè)定值時，核心控制單 元切斷主充電回路；當(dāng)主動平衡電源電路用整組能量補(bǔ)充短板時，如果所有電池單體電壓 恢復(fù)到第二設(shè)定值以下時，再次打開外接充電器。其特點(diǎn)將若干個充電器完成的工作，集成 在一塊電路上，通過一個核心控制單元進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，其僅介紹了一組電池內(nèi)部的電池傳 遞，組與組之間的電池能量傳遞并沒有介紹，同時當(dāng)任意電池單體的電壓超過第一設(shè)定值 時，核心控制單元切斷主充電回路，所有電池單體電壓恢復(fù)到第二設(shè)定值以下時，再次打開 外接充電器，由于電池受溫度、電流大小、循環(huán)次數(shù)等因素的影響，可能導(dǎo)致打開外接充電 器，不一會兒單體的電壓超過第一設(shè)定值時，從而再次切斷主充電回路，這樣重復(fù)開關(guān)主回 路，容易造成整個系統(tǒng)不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的是提供一種控制結(jié)構(gòu)合理、控制精度高、能夠有效實現(xiàn)電池組均衡的 控制系統(tǒng)及控制方法。
[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 一種儲能鋰電池主動均衡控制系統(tǒng)，其特征在于:包括電池系統(tǒng)、采樣模塊、控制模塊 和均衡模塊，所述采樣模塊、均衡模塊分別與電池系統(tǒng)中的每個單體電池連接，所述的采樣 模塊、均衡模塊之間通過控制模塊連接。
[0009]所述的電池系統(tǒng)由若干個電池組組成，每個所述的電池組由若干個單體電池組 成，均衡模塊通過均衡電路對每個單體電池進(jìn)行獨(dú)立的充放電。本發(fā)明電池系統(tǒng)中，每12個 單體為一組，每組中有2個均衡控制單元，每個控制單元中有6個獨(dú)立的電池均衡電路，即控 制單元通過電池均衡電路可以對每個單體電池進(jìn)行獨(dú)立的充放電，組內(nèi)能量高的單體放電 到組線的兩端，組內(nèi)低的單體通過組線兩端進(jìn)行充電，各電池組之間能量通過每組尾首之 間的均衡模塊，將能量高的單體轉(zhuǎn)移到能量低的單體。
[0010] -種儲能鋰電池主動均衡控制方法，包括如下步驟： (1) 對單體電池進(jìn)行電壓-容量測試，當(dāng)系統(tǒng)處于充電情況下選取容量為80%_90%時的 任一電壓值A(chǔ)，作為單體最高電壓預(yù)設(shè)值，當(dāng)系統(tǒng)處于放電情況下選取容量為15%_25%時的 任一電壓值B，作為單體最低電壓預(yù)設(shè)值； (2) 通過采集模塊，獲得每個單體電池電壓，利用控制模塊得出最大單體電壓與最小 單體電壓之間的差值^'，同時得出電池組最大平均電壓與最小平均電壓之間的差值; (3) 當(dāng):時，當(dāng)系統(tǒng)處于充電情況下且單體最高電池電壓達(dá)到A點(diǎn)電壓 時，通過均衡電路對單體最高電池電壓進(jìn)行放電，對單體最低電池電壓進(jìn)行充電；當(dāng)系統(tǒng)處 于放電情況下且單體最低電池電壓達(dá)到B點(diǎn)電壓時，通過均衡電路對單體最高電池電壓進(jìn) 行放電，對單體最低電池電壓進(jìn)行充電；也即提前均衡； (4) 當(dāng):狀2，ΛΡ時，控制模塊發(fā)出指令到均衡模塊，通過均衡電路對單體最 高電池電壓進(jìn)行放電，對單體最低電池電壓進(jìn)行充電；均衡電路對單體最高電池電壓進(jìn)行 放電，最高電池單體能量轉(zhuǎn)移到該單體電池組中；對單體最低電池電壓進(jìn)行充電，是通過將 該單體電池所處電池組中的組能量轉(zhuǎn)移到該最低單體電池中，最終達(dá)到均衡狀態(tài);也即進(jìn) 行立即均衡； (5) 當(dāng)ΛΓ2_:.ΔΓ，時，控制模塊發(fā)出指令停止電池系統(tǒng)充放電，電池系統(tǒng)通過 均衡電路第一次將單體能量高的電池逐級傳遞給能量低的電池，到達(dá)第一次均衡后，通過 采樣模塊重新采集電池電壓，通過控制模塊找出第一次均衡后的單體最高電池與單體最低 電池電壓，并計算出單體最高與最低電壓的差值，如果差值電壓仍然大于Α苑，再次通過均 衡電路將單體能量高的電池逐級傳遞給能量低的電池，重復(fù)上述過程，通過能量的雙向級 聯(lián)傳遞，最終使系統(tǒng)單體電池最高與最低電壓的差值小于A打，從而實現(xiàn)所有的電池達(dá)到 均衡;也即進(jìn)行靜止均衡； 所述、:Δ?^:和Λ龍3為預(yù)設(shè)值，其中ΛΚΙ為單體電池電壓都處于A點(diǎn)電壓以下時所設(shè) 立的單體最高電池電壓與最低電池電壓之間的差值； 為整個充放電過程中單體最高電 池電壓與最低電池電壓之間的差值;為電池組之間平均電壓差值。
[0011] 所述步驟(1)中，對單體電池進(jìn)行電壓-容量測試，選取容量為85%時的電壓值A(chǔ)，作 為單體最高電壓預(yù)設(shè)值，選取容量為20%時的電壓值B，作為單體最低電壓預(yù)設(shè)值。
[0012] 取出這批電池中的單體電池進(jìn)行測試，得到電池充電容量與開路電壓的對應(yīng)關(guān) 系，從而確定最高單體電池電壓的預(yù)設(shè)電壓值。通過對電池進(jìn)行不同倍率充放電，采集電池 運(yùn)行電壓，得到不同倍率下電池運(yùn)行電壓與開路電壓對應(yīng)關(guān)系（運(yùn)行電壓是電路原先處于 開路時的開路電壓通過不同倍率下沖放電電流得到的測量電壓，導(dǎo)致運(yùn)行電壓與開路電壓 不一致的原因是電池有等效內(nèi)阻）。
[0013]提前均衡和立即均衡中，單體電池最高電壓通過均衡模塊進(jìn)行放電，單體電池最 低電壓通過均衡模塊進(jìn)行充電，通過不同倍率充放電下運(yùn)行電壓與開路電壓的對應(yīng)關(guān)系， 確定均衡結(jié)束條件。提前均衡和立即均衡中，可能同時有幾個單體電池達(dá)到最高電壓或最 低電壓，由于本方法中每個單體電池對應(yīng)獨(dú)立的均衡電路，因此可以按照前述方法同時進(jìn) 行。
[0014]靜止均衡中，考慮到電池電壓受充放電倍率、溫度等影響，很難達(dá)到理想的均衡效 果，因此在停止充放電的情況下進(jìn)行均衡，通過級聯(lián)能量雙向傳遞方法，經(jīng)過多次重復(fù)傳遞 將能量高的單體傳遞給能量低的單體，最終達(dá)到較好的均衡效果。
[0015]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)： 采用三級均衡模式，在提前均衡中，由于電池電壓平臺效應(yīng)，在平臺區(qū)間內(nèi)，單體電池 電壓變化慢，因此僅僅當(dāng)電池組的最高單體電池電壓達(dá)到預(yù)設(shè)電壓時才判斷單體電池是否 需要均衡以及合理選擇均衡壓差值，從而在滿足電池組均衡的要求下大大降低控制模塊的 占用率，同時預(yù)均衡具有預(yù)防電池電壓差值增大的作用，從而增加了電池充放電的容量。立 即均衡中，只對個別高電壓電