退役动力电池模块间的SOC均衡系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种退役动力电池模块间的SOC均衡系统及其控制方法。采用分布式储能结构，根据退役动力电池电压、容量，SOC均衡等参数计算的权重分配因子对储能模块输出电压进行分配实现退役动力电池模块间的SOC均衡。基于本发明的退役动力电池的SOC均衡控制系统，不需要额外的均衡电路，避免了退役动力电池模块间的能量转移，采用于权重因子的输出电压分配规则的SOC均衡与负载电压调节相结合的双闭环控制方法，保证储能系统负载电压稳定调节的同时，实现退役动力电池模块间的SOC的均衡，保证了系统运行的稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于电池储能领域，具体而言设计一种退役动力电池模块间的SOC均衡系统及其控制方法。

背景技术

随着国内新能源汽车的市场保有量不断增加，车用动力电池将在未来几年迎来持续增长的退役高峰。大部分车用退役动力电池的剩余容量仍能达到原有容量的80％，通过梯次储能利用的方式，车用退役动力电池仍能应用到对电池性能要求较低的储能系统中，降低了电池的寿命周期成本，提高了电池材料的利用率，减少了环境污染，对于推动新能源汽车产业的优化升级具有重要意义。

在分布式的梯次储能系统中，为满足更多的负载要求，一般退役动力电池模块串联使用，退役动力电池模块在放电/充电过程中，可能会存在温度和充电/放电电流倍率等不一致性，造成电池模块的SOC不一致。这种差异可能会造成个别退役动力电池的过冲和过放，降低了储能系统中电池能量的利用率，大大减少了退役动力电池的使用寿命，严重时可能会引起爆炸。因此需要一种有效地均衡控制方法来使退役电池模块间的SOC趋于一致，去延长退役动力电池模块的使用寿命，提高储能系统的电池能量利用率。

在退役动力电池模块组成的分布式梯次储能系统中，由于筛选的难度，很难保证筛选的退役动力电池和新电池一样具有高度的一致性。传统的SOC均衡控制方案中在只考虑电池模块间的SOC差异的情况下，由于在梯次储能系统中的退役动力电池模块存在额外的电压、容量的高度不一致性，传统的SOC均衡控制方案无法实现退役动力电池的SOC均衡。因此需要设计一种涉及多变量的SOC均衡控制方法来实现分布式梯次储能中的退役动力电池模块间的SOC均衡。

发明内容

针对传统的电池单元SOC均衡控制存在的缺陷。本发明提供了一种退役动力电池模块间的SOC均衡系统及其控制方法，根据退役动力电池电压、容量，SOC均衡等参数计算的权重分配因子对储能模块输出电压进行分配实现退役动力电池模块间的SOC均衡，使用双闭环控制保证储能系统负载电压稳定调节的同时，实现退役动力电池模块间的SOC的均衡，保证了系统运行的稳定性。采用分布式储能结构，不需要额外的均衡电路，避免了退役动力电池模块间的能量转移，提高了储能系统电池能量利用率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种退役动力电池模块间的SOC均衡系统，包括N个退役动力电池模块、N个故障开关、N个双向DC-DC转换器和一个外部采样控制器，每个双向DC-DC转换器由2个晶闸管开关组成；每个退役动力电池模块与1个故障开关串联及1个双向DC-DC转换器并联构成一个储能模块，每一个储能模块为一个升压拓扑电路，每个DC-DC转换器的输出端串联为直流母线和负载端提供输出电压和输出功率；

外部采样控制器的控制端连接PWM驱动的输入端，PWM输出端连接双向DC-DC转换器的输入端，外部采样控制器的输入端连接每个储能模块中的电感电流输出端及DC-DC转换器的电压输出端。

一种退役动力电池模块间的SOC均衡系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：外环SOC均衡控制：利用安时法计算得到的各退役动力电池模块的SOC与设定的均衡参考SOC值SOC_ref进行比较；

步骤2：内环输出电压分配调节控制：并代入获得的退役动力电池模块的开路电压OCV与容量Q求出储能模块的输出电压分配的权重因子λ，并通过设置的负载参考电压V_bus-ref和外部采样控制器采集到的储能模块中的电感电流及DC-DC转换器的输出电压；

步骤3：双闭环控制中传递补偿函数参数的调节：求得外部采样控制器控制端输出的占空比D_i，从而实现对PWM驱动的控制。

步骤1，具体包括：

步骤11：获得各退役动力电池模块的开路电压OCV值，满充容量Q值；

步骤12：采集退役电池模块的输出电流I，利用安时积分法估算退役动力电池模块的SOC，初始SOC由退役动力电池的由插值法求得的OCV与SOC的对应表计算出；

步骤13：在理想情况下，忽略DC-DC转换器等组件的阻抗值，只考虑电池单元的内部阻抗；储能模块的输出功率和退役动力电池模块的输出功率相等；将退役动力电池电压、容量，SOC等参数作为变量计算权重分配因子关系式

分配因子关系式λ_i：

λ_i＝(1-G_PI(s)·(SOC_i-SOC_ref))·ω_i·σ_i

其中，ω_i为退役动力电池的特征参数影响因子，ω_i＝Q_i·V_ocv；σ_i为储能模块的安全参数，代表退役动力电池模块的健康状态，其值为0或1，在安全状态下σ_i＝1，当σ_i＝0时，应断开对应的故障开从而断开储能模块；SOC_i为各退役动力电池对应的SOC，SOC_ref为SOC均衡控制的参考目标，通过传递补偿函数G_PI(s)，在达到SOC_ref＝SOC_i后，保证退役电池模块间在达到SOC均衡并不再发生偏离；

步骤14：基于权重因子λ_i的输出电压分配规则，通过对输出电压的不同分配从而实现退役动力电池模块不同放电率的分配，实现退役动力电池模块间的SOC均衡：

V_dc,i，为储能模块的输出电压。

步骤2，具体包括：

步骤21：设置负载参考电压V_bus-ref通过设计的输出电压分配权重因子λ_i，导出储能模块的输出参考电压V_i-ref；

步骤22：电压调节控制根据输出参考电压V_i-ref来控制调节储能模块的输出电压V_dc,i。

步骤21具体步骤为：

首先在假设各单元SOC保持均衡一致的前提下，调节电压控制的传递补偿函数的参数，保证负载输出电压的稳定及变化响应的快速性；再改变各电池单元的SOC值，调节SOC均衡控制中的传递补偿函数的参数，使其达到SOC均衡控制的效果，并且由于储能模块为升压拓扑结构，要保证输出参考电压最小值V_i-ref(min)≥V_cell,i，V_cell,i为退役电池模块的输出电压。

步骤22中采用电压电流双闭环控制，以储能模块中的滤波电容输出电压V_dc,i作为外环电压环的输入信号，用于输出电压的稳定控制，以电感输出电流I_cell,i作为内环电流环的输入信号，辅助电压环的控制，加速输出电压变化的响应速度。

步骤3具体步骤为：

根据V_i-ref来控制调节储能模块的输出电压V_dc,i，采用电压电流双闭环控制，以储能模块中的滤波电容输出电压V_dc,i作为控制外环电压环的输入信号，通过与储能模块的输出参考电压V_dc,i-ref求差，其差值通过传递补偿函数求电感电流参考值I_i-ref，在以电感输出电流I_cell,i作为控制内环电流环的输入信号，与电感电流参考值I_i-ref求差值，其差值通过传递补偿函数得到电压调节控制输出的占空比D_i。

相对于传统的SOC均衡控制，本发明具有以下优点：

本发明采用分布式储能结构，根据退役动力电池电压、容量，SOC均衡等参数计算的权重分配因子对储能模块输出电压进行分配实现退役动力电池模块间的SOC均衡。基于本发明的退役动力电池的SOC均衡控制系统，不需要额外的均衡电路，避免了退役动力电池模块间的能量转移，采用于权重因子的输出电压分配规则的SOC均衡与负载电压调节相结合的双闭环控制方法，保证储能系统负载电压稳定调节的同时，实现退役动力电池模块间的SOC的均衡，保证了系统运行的稳定性。

本发明在基于SOC均衡的权重因子设计时涉及到退役动力电池模块的电压，容量，SOC等参数，解决了传统SOC均衡控制方法只考虑电池SOC参数产生的弊端，可以有效实现分布式梯次储能中退役动力电池模块的SOC均衡。采用双闭环控制，将SOC均衡控制与电压分配调节控制有效结合，保证储能系统负载电压稳定调节的同时，实现退役动力电池模块间的SOC的均衡，保证了系统运行的稳定性。权重因子在充电/放电过程中始终保持λ₁+λ₂+…+λ_N＝1，因此在充电/放电均衡过程中负载输出电压始终与负载参考电压保持一致V_bus＝V_bus-ref，不会在SOC均衡过程中产生在负载电压波动。

附图说明

图1为退役动力电池模块间的SOC均衡系统示意图；

图2为SOC均衡双闭环控制系统示意图；

图3为外环SOC均衡控制示意图；

图4为内环电压分配控制示意图；

图5为内环电压调节控制示意图；

图6为负载输出电压图；

图7为权重因子分配图；

图8为储能模块输出参考电压；

图9为储能模块输出电压；

图10为放电过退役动力电池模块SOC跟踪轨迹图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清楚明确，下面结合附图对本发明退役动力电池的SOC均衡控制系统及控制方法进行详细描述：

如图1所示，为本发明退役动力电池模块间的SOC均衡系统示意图。退役动力电池一共被划分为N个模块，每个退役动力电池模块与一个故障开关串联，并与一个双向DC-DC转换器并联，组成一个标准的升压拓扑结构的储能模块，每个双向DC-DC转换器由2个MOSFET开关构成。N个储能模块输出端相互串联，为直流母线和负载端提供更高的输出电压和输出功率。

外部采样控制器的控制端连接PWM驱动的输入端，PWM输出端连接双向DC-DC转换器的输入端(将互斥的两个PWM信号分别输入2个MOSFET中)，外部采样控制器的输入端连接储能模块中的电感电流输出端及DC-DC转换器的电压输出端。

外部采样控制器通过采集退役动力电池在储能模块中电感电流输出端的电流及DC-DC转换器电压输出端的电压，外部输入测量的退役动力电池的最大容量，采用SOC估算方法和SOC均衡控制策略，输出对应的PWM驱动端的占空比，通过PWM驱动端控制对应的MOSFET的开关，从而实现退役动力电池的SOC均衡。

如图2至图5所示，本发明还提供了一种退役动力电池模块间的SOC均衡双闭环控制方法，包括如下步骤：

步骤1：外环SOC均衡控制，具体包括：

步骤11：获得各退役动力电池模块的开路电压OCV值，满充容量Q值；

步骤12：采集退役电池模块的输出电流I，利用安时积分法估算退役动力电池模块的SOC，初始SOC由退役动力电池的由插值法求得的OCV与SOC的对应表计算出；

步骤13：在理想情况下，忽略DC-DC转换器等组件的阻抗值，只考虑电池单元的内部阻抗。储能模块的输出功率和退役动力电池模块的输出功率相等。将退役动力电池电压、容量，SOC等参数作为变量计算权重分配因子关系式

分配因子关系式：

λ_i＝(1-G_PI(s)·(SOC_i-SOC_ref))·ω_i·σ_i

其中，ω_i为退役动力电池的特征参数影响因子，ω_i＝Q_i·V_ocv。σ_i为储能模块的安全参数，代表退役动力电池模块的健康状态，其值为0或1，在安全状态下σ_i＝1，当σ_i＝0时，应断开对应的故障开从而断开储能模块。SOC_ref为SOC均衡控制的参考目标，通过传递补偿函数G_PI(s)，在达到SOC_ref＝SOC_i后，保证退役电池模块间在达到SOC均衡并不再发生偏离。

步骤14：基于权重因子λ_i的输出电压分配规则，通过对输出电压的不同分配从而实现退役动力电池模块不同放电率的分配，实现退役动力电池模块间的SOC均衡。

V_dc,i，为储能模块的输出电压。

步骤2：内环输出电压分配调节控制；具体包括：

步骤21：设置负载参考电压V_bus-ref通过设计的输出电压分配权重因子λ_i，导出储能模块的输出参考电压V_i-ref。

步骤22：电压调节控制根据输出参考电压V_i-ref来控制调节储能模块的输出电压V_dc,i。

优选的，在步骤22中采用电压电流双闭环控制。以储能模块中的滤波电容输出电压V_dc,i作为外环电压环的输入信号，用于输出电压的稳定控制，以电感输出电流I_cell,i作为内环电流环的输入信号，辅助电压环的控制，加速输出电压变化的响应速度。

步骤3：双闭环控制中传递补偿函数参数的调节；

在步骤3中由于电压分配调节控制环为系统控制内环，SOC均衡控制环为系统控制外环。因此，首先在假设各单元SOC保持均衡一致的前提下，调节电压调节控制的传递补偿函数的参数，保证负载输出电压的稳定及变化响应的快速性。再改变各电池单元的SOC值，调节SOC均衡控制中的传递补偿函数的参数，使其达到SOC均衡控制的效果，并且由于储能模块为升压拓扑结构，要保证输出参考电压最小值V_i-ref(min)≥V_cell,i，V_cell,i为退役电池模块的输出电压。由于V_cell,i≈V_oc,i，V_oc,i为开路电压。因此要保证V_i-ref(min)≥V_oc,i，在对SOC均衡传递补偿函数参数调节时，电压分配权重因子的差值不能过大，通过系统最大SOC产值(SOC_max-SOC_min)调整传递补偿函数参数的范围，将权重因子的差值稳定在一定范围内。

图2所示为SOC均衡双闭环控制系统示意图。利用安时法计算得到的各退役动力电池模块的SOC与设定的均衡参考SOC值SOC_ref进行比较，并代入获得的退役动力电池模块的开路电压OCV与容量Q求出储能模块的输出电压分配的权重因子λ，并通过设置的负载参考电压V_bus-ref和外部采样控制器采集到的储能模块中的电感电流及DC-DC转换器的输出电压，求得外部采样控制器控制端输出的占空比D_i，从而实现对PWM驱动的控制。

图3为外环SOC均衡控制示意图。涉及退役电池开路电压OCV，容量Q，SOC等参数的权重因子的计算如图3所示，λ_i＝(1-G_PI(s)·(SOC_i-SOC_ref))·ω_i·σ_i，通过安时积分法计算得到的各退役动力电池模块的SOC与设定的均衡参考SOC值作差，其差值通过传递补偿函数G_PI(s)与退役动力电池的特征参数ω_i与退役动力电池安全参数σ_i求积，得到输出电压分配的权重因子λ。其中ω_i＝Q_i·V_ocv，退役动力电池的特征参数与退役动力电池的容量和开路电压成正相关，σ_i代表退役动力电池模块的健康状态，其值为0或1，在安全状态下σ_i＝1，故障开关始终闭合，当外部控制器检测到σ_i＝0时，即退役动力电池出现故障时，外部控制器给出信号，断开对故障开开从而断开储能模块。在SOC均衡控制中通过传递补偿函数G_PI(s)，在达到SOC_ref＝SOC_i后，保证退役电池模块间在达到SOC均衡后不再发生偏离。

图4为内环电压分配控制示意图设置的负载参考电压V_bus-ref通过设计的输出电压分配权重因子λ_i，求出对应的各个储能模块的输出参考电压V_dc,i-ref

M＝λ₁+λ₂+…+λ_N

图5为内环电压调节控制示意图，根据V_i-ref来控制调节储能模块的输出电压V_dc,i。采用电压电流双闭环控制，以储能模块中的滤波电容输出电压V_dc,i作为控制外环电压环的输入信号，通过与储能模块的输出参考电压V_dc,i-ref求差，其差值通过传递补偿函数求电感电流参考值I_i-ref，在以电感输出电流I_cell,i作为控制内环电流环的输入信号，与电感电流参考值I_i-ref求差值，其差值通过传递补偿函数得到电压调节控制输出的占空比D_i。

为了证明本发明系统和方法的有效性，进行了相关的试验，如图6至图10所示，由图6可知，负载电压在放电均衡过程中，没有大的电压波动，保证了储能系统的稳定运行。由图7图8可知，权重分配因子在SOC均衡保证连续变化，并在SOC均衡后保持不变，且输出参考电压的变化趋势与权重分配因子的变化趋势基本一致。由图9可知，储能模块的输出电压，与图8储能模块的参考输出电压在有一定波动的情况下基本保持一致，体现了电压电流双闭环控制作为电压调节控制的优越性能。由图10可知通过权重因子的设计实现了退役动力电池模块的SOC均衡。

尽管以上结合附图对本发明的具体实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的、而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明的权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。