多分支大容量储能电池簇均衡装置及协同控制方法与流程

1.本发明涉及一种电池簇均衡装置，特别是涉及一种多分支大容量储能电池簇均衡装置及协同控制方法。


背景技术：

2.单体电池受限于电压和容量的限制，在实际应用时，常将多个单体电池通过串联或者并联，组成电池组。串联在电池组中的各个单体电池之间的容量存在不一致的问题，导致个别单体电池在充放电过程中会出现过充或过放的现象，进而导致整个电池组过早的进入淘汰期，因此，出现了主动均衡和被动均衡技术。
3.由于被动均衡是通过电阻来消耗电池组中能量高的单体能量，当电芯单体容量越来越大，需要电阻消耗更多的能量，不仅导致储能系统效率降低，而且增加储能热管理成本和难度。而主动均衡是利用开关、电容、电感、变压器等为能量转移提供路径，使能量在电池单体之间转移。随着电芯单体容量增大，主动均衡的开关、电容、电感等可能需要迭代升级、重新设计、测试。导致新的不可预知性问题。并且，随着电芯单体容量的增大，相同条件下的主动均衡时间增长，能量损耗更多、集中发热更严重。因此，传统主动均衡装置越显“力不从心”，面临升级迭代或重新设计的局面。
4.另外，在光储充综合能源系统中，为满足不同工况对电池系统输出功率和工作时间的多样性要求，需要将功率型电池(如钛酸锂)和能量型电池(如磷酸铁锂、铅碳电池)及其他能量存储载体(如超级电容器)混合集成，导致电池组或电容器的均衡策略可能需要分别考虑。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对现有技术中的不足，提供一种多分支大容量储能电池簇均衡装置及协同控制方法。
6.本发明提供一种多分支大容量储能电池簇均衡装置，其包括若干分支、与每一分支一一对应连接的若干采集控制系统，每一所述分支上设有pcs、高压开关盒、若干电芯及若干开关组，所述电芯为大容量电芯，每一电芯与一开关组相对应，所述开关组包括串联开关及旁路开关，同一分支上的电芯相互串联组成电池簇，pcs通过高压开关盒接入电池簇，串联开关串联在电池簇上，电芯通过与其对应的串联开关与另一电芯电连接，所述旁路开关并联在同组的串联开关及与其对应的电芯上。
7.本发明还提供一种多分支大容量储能电池簇协同控制方法，包括单分支电池簇协调控制，所述单分支电池簇协调控制包括以下步骤：
8.将电芯单体所对应的串联开关断开，使分支上的所有电芯处于静置状态；
9.采集控制系统检测分支上每一单体电芯上的ocv值，并根据分支上每一电芯的ocv值估算计算每一电芯的soc值；
10.计算分支上的不同的电芯之间的soc值的标准差σ
soc
，再将标准差σ
soc
与设定值
△
soc-th
相比较，判断电池簇是否需要均衡。
11.本发明多分支大容量储能电池簇均衡装置及协同控制方法采用旁路电芯方式，减少电芯能量损失，充分利用每个单体电芯电能，可减少储能系统的超配，减少电芯数量，降低成本。并且在电芯上并联电子开关，可通过简单旁路单体电芯的办法，既能充分利用电芯的容量，又能及时保护单电芯。与传统被动均衡装置相比，极大减少电芯能量损失。减少电路、控制算法的复杂性，电芯能量损失也更少。另外，采用多分支电池簇协同控制方法，实现各分支电池簇均匀出力的目标。
附图说明
12.图1为本发明多分支大容量储能电池簇均衡装置各模块的连接示意图；
13.图2为本发明多分支大容量储能电池簇协同控制方法进行单分支电池簇协同控制时的流程图。
具体实施方式
14.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
15.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
16.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
17.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
18.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
19.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以
是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
20.请参阅图1至图2，本发明提供一种多分支大容量储能电池簇均衡装置，包括若干分支100、与每一分支100一一对应连接的若干采集控制系统，分支采集控制系统采集分支的信息及控制分支100的工作状态。
21.具体地，所述分支100上设有pcs(储能变流器)10、高压开关盒20、若干电芯40及若干开关组30，所述电芯40为大容量电芯40，每一电芯40与一开关组30相对应，所述开关组30包括串联开关及旁路开关，同一分支100上的电芯40组成相互串联的电池簇，pcs 10通过高压开关盒20接入电池簇，串联开关串联在电池簇上，电芯40通过与其对应的串联开关与另一电芯40电连接，所述旁路开关并联在同组的串联开关及与其对应的电芯40上。本实施例中，所述旁路开关与串联开关均为电子开关，所述旁路开关与串联开关与采集控制系统连接，采集控制系统控制旁路开关与串联开关的通断，并且，采集控制系统连接同一支路上的每一电芯40，采集控制系统采集电芯40工作时的能量参数。
22.工作时，采集控制系统控制开关组30的导通、关断状态就能改变能量流动路径，在电池簇充电时旁路能量较高的电芯40单体，在电池簇放电时旁路能量较低的电池单体。
23.本发明还提供一种多分支大容量储能电池簇协同控制方法，包括单分支电池簇协调控制和多分支电池簇协调控制，如图2所示，所述单分支电池簇协调控制包括以下步骤：
24.进行充放电之前，先将电芯40单体所对应的串联开关断开，使分支100上的所有电芯40处于静置状态，确保所测试的ocv(open circuitvoltage，开路电压)的准确性。
25.采集控制系统检测分支100上每一单体电芯40上的ocv值，并根据分支100上每一电芯40的ocv值估算计算每一电芯40的soc(state ofcharge，荷电状态)值，计算分支100上的不同的电芯40之间的soc值的标准差σ
soc
，再将标准差σ
soc
与设定值
△
soc-th
相比较，判断电池簇是否需要均衡。若电池簇soc的标准差σ
soc
小于所设定的阈值
△
soc-th
，表示电池簇内的电芯40不需要均衡，则电池簇内的所有电芯40串联运行。若电池簇的标准差σ
soc
大于所设定的阈值
△
soc-th
，则需要对相应电池簇内soc值与其它电芯40相差较大的电芯40单体进行旁路均衡。
26.具体地，以一分支100上的电池簇为例，充电过程中，假设第二节电芯40能量最高，断开串联开关1s21，闭合旁路开关1s22，以保护第二节电池充电安全。放电过程中，假设第二节电芯40能量最低，控制方法如上所述，断开串联开关1s21，闭合旁路开关1s22。因此，保证了电芯40能量直接流向负载，而无需在不同电池之间转移，提高了电芯40能量利用率。同时也可以将第二节电芯40与电池簇脱离电气关系，为电芯40单体开路电压在线测试提供了条件。
27.对于多分支电池簇协调控制方法，由于储能系统中各分支100中电池簇健康状态的差异性导致各分支100电池簇难以保证输出相同功率。而电池总功率等于各支路功率的总和。因此，执行控制时，先根据分支100上每一电芯40的ocv值估算该分支100的sohk值，再将各分支100的电池簇健康状态sohk进行排序，计算出当前功率需求下选取所需工作分支100数量k(0《k≤m)，若各分支100的sohk值与设定值的差值没有超出设定范围，则所有分支100同时参与，若部分分支100的sohk值与设定值的差值超出设定范围，优先选取sohk值较高
的分支100，以被选取的工作分支100的电池簇作为参考，被选取的工作分支100的电池簇中剩余容量为qk。其余分支100的电池簇在单次充/放电任务中须根据其剩余容量qa调节充放电电流ik大小，进而使得工作时间段相同，最终实现了系统中各工作分支100的电池簇均匀出力的协同控制目标。
28.本发明多分支大容量储能电池簇均衡装置及协同控制方法的有益效果在于：
29.1、本发明采用旁路电芯40方式，减少电芯40能量损失，充分利用每个单体电芯40电能，可减少储能系统的超配，减少电芯40数量，降低成本。
30.2、在电芯40上并联电子开关，可通过简单旁路单体电芯40的办法，既能充分利用电芯40的容量，又能及时保护单电芯40。与传统被动均衡装置相比，极大减少电芯40能量损失。与传统主动均衡装置相比，减少电路、控制算法的复杂性，电芯40能量损失也更少。
31.3、所有电芯40均采用串联方式，保证系统中电池无环流，整体技术方案上提升了储能系统的效率。
32.4、在电芯40上串联电子开关，可灵活控制电芯40与电池簇的电气联接关系。断开单电芯40的串联开关，可直接在线测量电芯40单体的ocv。
33.5、根据直接测量的电芯40的ocv值，估算更精准的电芯40的soc值。相比传统算法需要先通过在线测量电芯40端电压及电流，再估算电芯40内阻，进而再估算电芯40的soc方法，减少估算累积误差。
34.6、采用多分支电池簇协同控制方法，实现各分支电池簇均匀出力的目标。
35.7、选择大容量单体电芯40，可以使用更少的电芯40数量实现更大能量存储，降低bms难度，简化系统集成、装配工艺，减少组装零部件使用，降低成本。
36.8、本发明可兼容不同类型电池及能量单元的接入，解决大容量铅碳电池不能并联问题。增强了电化学储能系统的可靠性、可维护性、兼容性。
37.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
38.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种多分支大容量储能电池簇均衡装置，其特征在于，包括若干分支、与每一分支一一对应连接的若干采集控制系统，每一所述分支上设有pcs、高压开关盒、若干电芯及若干开关组，所述电芯为大容量电芯，每一电芯与一开关组相对应，所述开关组包括串联开关及旁路开关，同一分支上的电芯相互串联组成电池簇，pcs通过高压开关盒接入电池簇，串联开关串联在电池簇上，电芯通过与其对应的串联开关与另一电芯电连接，所述旁路开关并联在同组的串联开关及与其对应的电芯上。2.根据权利要求1所述的多分支大容量储能电池簇均衡装置，其特征在于，所述旁路开关与串联开关与采集控制系统连接，采集控制系统控制旁路开关与串联开关的通断。3.根据权利要求1所述的多分支大容量储能电池簇均衡装置，其特征在于，所述采集控制系统连接同一支路上的每一电芯，采集控制系统采集电芯工作时的能量参数。4.根据权利要求1所述的多分支大容量储能电池簇均衡装置，其特征在于，所述旁路开关与串联开关均为电子开关。5.一种多分支大容量储能电池簇协同控制方法，用于控制权利要求1至4中任一权利要求所述的多分支大容量储能电池簇均衡装置，其特征在于，包括单分支电池簇协调控制，所述单分支电池簇协调控制包括以下步骤：将电芯单体所对应的串联开关断开，使分支上的所有电芯处于静置状态；采集控制系统检测分支上每一单体电芯上的ocv值，并根据分支上每一电芯的ocv值估算计算每一电芯的soc值；计算分支上的不同的电芯之间的soc值的标准差σ
soc
，再将标准差σ
soc
与设定值
△
soc-th
相比较，判断电池簇是否需要均衡。6.根据权利要求5所述的多分支大容量储能电池簇协同控制方法，其特征在于，判断电池簇是否需要均衡时，若电池簇soc的标准差σ
soc
小于所设定的阈值
△
soc-th
，表示电池簇内的电芯不需要均衡，则电池簇内的所有电芯串联运行；若电池簇的标准差σ
soc
大于所设定的阈值
△
soc-th
，则需要对相应电池簇内soc值与其它电芯相差较大的电芯单体进行旁路均衡。7.根据权利要求5所述的多分支大容量储能电池簇协同控制方法，其特征在于，还包括多分支电池簇协调控制，多分支电池簇协调控制包括以下步骤：先根据分支上每一电芯的ocv值估算该分支的soh
k
值；再将各分支的电池簇健康状态soh
k
进行排序，计算出当前功率需求下选取所需的工作分支数量k；以被选取的其中一工作分支作为参考，该被选取的工作分支的电池簇中的剩余容量为qk；其余分支的电池簇在单次充/放电任务中根据其剩余容量qa调节充放电电流ik大小，进而使得工作时间段相同。8.根据权利要求5所述的多分支大容量储能电池簇协同控制方法，其特征在于，选取所需工作分支电池簇数量k时，如果各分支的soh
k
值与设定值的差值没有超出设定范围，则所有分支同时参与，若部分分支的soh
k
值与设定值的差值超出设定范围，优先选取soh
k
值较高的分支。

技术总结
本发明提供一种多分支大容量储能电池簇均衡装置，其包括若干分支、与每一分支一一对应连接的若干采集控制系统，所述分支上设有PCS、高压开关盒、若干电芯及若干开关组，所述开关组包括串联开关及旁路开关，同一分支上的电芯相互串联组成电池簇，PCS通过高压开关盒接入电池簇，串联开关串联在电池簇上，电芯通过与其对应的串联开关与另一电芯电连接，所述旁路开关并联在同组的串联开关及与其对应的电芯上。本发明还提供一种多分支大容量储能电池簇协同控制方法；本发明采用旁路电芯方式，减少电芯能量损失，充分利用每个单体电芯电能，可减少储能系统的超配，减少电芯数量，降低成本。另外，采用多分支电池簇协同控制方法，实现各分支电池簇均匀出力的目标。现各分支电池簇均匀出力的目标。现各分支电池簇均匀出力的目标。


技术研发人员：王长华 唐朝阳
受保护的技术使用者：广东博通新能源科技有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/9/20