一种锂离子电池组均衡管理系统及均衡控制方法

摘要

本发明涉及一种锂离子电池组均衡管理系统及均衡控制方法，其包含：为串联多个电池形成的电池组中的每个电池进行均衡保护；单刀单掷开关在根据对应于电池组的均衡控制器输出的控制信号闭合时，使电池组的能量经过相对应的变压器，以相对应恒流模块控制的恒定电流给该电池充电；与对应电池并联的双刀单掷开关，还与对应于电池组的一个双刀双掷开关连接，并根据均衡控制器输出的控制信号闭合时，与闭合的双刀双掷开关所选择的恒流源或恒流负载进行连接，通过对应于电池组的恒流源对相应电池进行恒定电流的补充，或通过对应于电池组的恒流负载对相应电池进行恒定电流的均衡放电。本发明能有效的改善电池组的一致性，满足储能电站等大型系统的应用需求。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别涉及一种锂离子电池组均衡管理系统及均衡控制方法。

背景技术

风力发电是实现我国能源和电力可持续发展战略的重要组成之一。由于风电输出功率具有很强的波动性、随机性，且风速预测存在一定的误差，大规模风电并网会给电力系统的安全稳定运行带来一系列的技术难题。因此，为了更高效地利用可再生能源，在风能资源比较丰富的环境中，一般构建风储互补系统进行发电，采用储能技术对风机机组输出功率进行调控，使风电场效益最大化，以提高风电场并网运行能力，提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性。

现有的电能存储方式，主要有物理储能、电磁储能（如超导电磁储能等）和电池储能三大类。其中，电池储能主要包括有蓄电池、电容器及燃料电池等。但由于超级电容器、燃料电池在蓄电容量和价格等方面的限制使其不适用于大规模蓄电场合。因此，目前大规模蓄电主要采用蓄电池。其中，铅酸蓄电池，铅酸电池是比较成熟的蓄电技术，虽具有价格低廉、安全性能相对可靠的优点，但仍存在循环寿命较短、不可深度放电、其容量与放电的功率密切相关、运行维护费用高等缺点，很难满足大规模蓄电发展的要求。钠硫电池的技术门槛较高，其正、负极活性物质的强腐蚀性，对电池材料、电池结构及运行条件的要求苛刻，且短路时存在严重安全隐患；该电池的充放电状态（SOC）不能准确在线测量；需要附加供热设备来维持运行温度，导致启动时间长，不能适应夏季风力发电资源不佳时，需要储能系统间歇性运行的启动要求。

锂离子电池在安全性、能量转换效率和经济性等方面取得重大突破，产业化应用的条件日趋成熟，被认为是未来储能技术发展的主要方向之一。然而，为了适应储能电站等大型系统的应用需求，通常将大量的单体电池进行串并联后形成电池组，由于各个生产厂家采用的正、负极材料、电解质材料的质量及工艺不同，其性能上会有些差异。例如同一种型号（同一种封装的标准电池），其电池的容量有较大差别（10%～20%）。因而，如何使电池组中任意一个或多个电池单元进行均衡充电，实现灵活控制，均衡电流恒定，以改善电池组的一致性，是当前亟需解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池组均衡管理系统及均衡控制方法，可以通过能量转移的方式对电池组中任意一个或多个电池单元进行均衡充电，均衡电流恒定，控制灵活，能有效的改善电池组的一致性，满足储能电站等大型系统的应用需求。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种锂离子电池组均衡管理系统，所述系统设置有电池组均衡电路，其中包含：均衡控制器、能量转移式电路；所述的能量转移式电路，进一步包含：多个变压器、多个恒流模块及多个单刀单掷开关，分别与电池组中串联的多个电池相对应；

其中，每个变压器的主线圈与电池组的总充放电回路相连接；每个变压器的副线圈，连接恒流模块及单刀单掷开关，并和与之相应的一个电池并联；

任意一个电池相对应的单刀单掷开关在根据均衡控制器输出的控制信号闭合时，使电池组的能量经过相对应的变压器，以相对应恒流模块控制的恒定电流给该电池充电。

优选地，所述电池组均衡电路还设置有能量补偿式电路，其中进一步包含：一个恒流源、一个恒流负载、一个双刀双掷开关，以及与电池组中的各个电池相对应的多个双刀单掷开关；

其中，所述双刀双掷开关根据均衡控制器输出的控制信号，选择将恒流源或将恒流负载中的一个与各个双刀单掷开关连接；

任意一个双刀单掷开关和与之相应的电池并联，在根据均衡控制器输出的控制信号闭合时，将相应的电池与恒流源或将恒流负载连接，通过恒流源对该电池进行恒定电流的补充，或通过恒流负载对该电池进行恒定电流的均衡放电。

优选地，任意一簇电池，包含串联的多个电池模块，每个电池模块包含串联的多个电池；

所述系统设置有箱均衡系统，其中进一步包含：

箱均衡电源，为这一簇电池提供均衡电流，并与交流电网连接；

电池组控制模块，通过第一CAN总线与所述箱均衡电源连接，提供驱使所述箱均衡电源获取能量来向相应电池模块均衡充电的控制信号；

多个电池监护模块，分别与多个电池模块相对应，并分别通过第二CAN总线与所述电池组控制模块连接进行交互。

优选地，所述电池监护模块设置在与之对应的电池模块的电池箱中，采集该电池模块的信息。

本发明的另一个技术方案是提供一种锂离子电池组均衡管理方法，其包含：

对输入电池组均衡管理系统的电池数据进行数据预处理；

为串联多个电池形成的电池组中的每个电池设置有对应的均衡实现单元进行均衡保护；

所述均衡实现单元中设有变压器，其副线圈通过恒流模块及单刀单掷开关与对应电池并联，主线圈与电池组的总充放电回路相连接；所述单刀单掷开关在根据对应于电池组的均衡控制器输出的控制信号闭合时，使电池组的能量经过相对应的变压器，以相对应恒流模块控制的恒定电流给该电池充电；

所述均衡实现单元中还设有与对应电池并联的双刀单掷开关，其还与对应于电池组的一个双刀双掷开关连接，并根据均衡控制器输出的控制信号闭合时，与闭合的双刀双掷开关所选择的恒流源或恒流负载进行连接，通过对应于电池组的恒流源对相应电池进行恒定电流的补充，或通过对应于电池组的恒流负载对相应电池进行恒定电流的均衡放电。

优选地，系统设置为自动均衡模式时，通过控制均衡实现单元中相应开关的闭合或断开，对与该均衡实现单元对应的电池进行放电均衡、开路均衡或充电均衡的操作；

系统设置为非自动均衡模式时，下发各电池的充放电均衡状态。

优选地，任意一簇电池，包含串联的多个电池模块，每个电池模块包含串联的多个电池；为一簇电池配置有相对应的一个箱均衡系统；

所述箱均衡系统中，多个电池监护模块分别采集相应的多个电池模块的信息，并通过第二CAN总线发送给电池组控制模块；

由所述电池组控制模块判断其中能量少于其他的落后电池模块，并通过第一CAN总线向箱均衡电源发送控制信号，使该箱均衡电源从交流电网获取能量发送给落后电池模块进行均衡充电。

优选地，在进行放电均衡测试时，包含以下过程：

使用充电机对整个电池组充满电，并且通过锂电池单体维护设备对各个电池进行调整以保证其各自都充满后，分别通过可调负载模块对其中一些电池随机调整容量，使其放掉部分容量；

通过可调负载模块进行整组0.5C放电，关闭电池组均衡管理系统，记录电池组放电阶段的数据并绘制第一放电曲线；

使用充电机对整个电池组充电，在其中任意一个电池充满时停止；

通过可调负载模块进行整组0.5C放电，开启电池组均衡管理系统，记录电池组放电阶段的数据并绘制第二放电曲线；

比较第一放电曲线及第二放电曲线，并判断第二放电曲线中各电池放电的均衡程度。

优选地，在进行充电均衡测试时，包含以下过程：

在放电均衡测试的基础上，通过可调负载模块对整个电池组放完电，并且通过锂电池单体维护设备对各个电池进行调整以保证其各自都放空后，分别通过可调负载模块对其中一些电池随机调整容量，使其充进部分容量；

使用充电机对整个电池组进行0.5C充电，关闭电池组均衡管理系统，记录电池组充电阶段的数据并绘制第一充电曲线；

通过可调负载模块对整个电池组放电，在其中任意一个电池放空时停止；

使用充电机对整个电池组进行0.5C充电，开启电池组均衡管理系统，记录电池组充电阶段的数据并绘制第二充电曲线；

比较第一充电曲线及第二充电曲线，并判断第二充电曲线中各电池充电的均衡程度。

与现有技术相比，本发明提供的锂离子电池组均衡管理系统及均衡控制方法，可以进行单体电池均衡管理、箱均衡和簇均衡管理，并提供有效的均衡效果测试手段，能够改善电池组的一致性，满足储能电站等大型系统的应用需求。

附图说明

图1是本发明中所述电池组均衡电路的电路结构示意图；

图2是本发明中所述均衡控制方法的流程示意图；

图3是本发明中所述均衡实现单元的示意图；

图4是本发明中电池组放电阶段时未加均衡系统的原始放电曲线；

图5是本发明中电池组放电阶段时使用均衡系统后的放电曲线；

图6是本发明中电池组充电阶段时未加均衡系统的原始充电曲线；

图7是本发明中电池组充电阶段时使用均衡系统后的充电曲线；

图8是本发明中箱均衡系统的架构示意图。

具体实施方式

本发明通过电池组均衡电路，对串联多个单体电池形成的电池组中的任意一个单体电池进行较大均衡电流的均衡充电或者均衡放电，以改善电池组的一致性，满足储能电站等大型系统的应用需求。优选的示例中，使用LiFePO₄作为正极的磷酸铁锂电池，具有安全性好，循环寿命长，质量比能量高，无记忆效应，维护方便，生产过程绿色无污染等优点。

如图1所示，所述电池组均衡电路，包含：均衡控制器U、能量转移式电路与能量补偿式电路。其中，所述的能量转移式电路，包含：N个变压器T1~Tn、N个恒流模块和N个单刀单掷开关KB1~KBn。电池组总充放电回路与N个变压器的主线圈相连，N个变压器的副线圈与各个单体电池B1~Bn并联。

所述的均衡控制器U通过开关控制信号实现电池间能量转移。假设需要给电池B1、B3转移能量时，均衡控制器U输出信号KB1、KB3来导通电池B1、B3的转移回路，这时整组电池的能量通过变压器T1、T3以恒定电流给B1、B3充电，电池回路上的恒定均衡电流通过恒流模块控制。

所述的能量补偿式电路，包含：1个恒流源VS、1个恒流负载R、1个双刀双掷开关KC和N个双刀单掷开关KA1~KAn。N个双刀单掷开关KA1~KAn对应与各个单体电池B1~Bn并联；通过双刀双掷开关KC将恒流源VS或恒流负载R中的一个与双刀单掷开关KA1~KAn连接。当某节电池和整组电池的能量相差太大，不能在短时间内通过能量转移的方式实现时，就需要用到能量补偿式电路。

假设电池B2比其他电池的能量低了很多，通过均衡控制器U闭合开关KA2；因为开关KC默认连接恒流源VS，所以这时由恒流源VS对电池B2进行恒定电流的补充。假设电池B3比其他电池的能量高了很多，首先将开关KC打到恒流负载R处，再通过闭合开关KA3，这样就可以通过恒流负载R对电池B3进行恒定电流的均衡放电。

如图2所示，本发明提供一种锂离子电池组均衡控制方法，在进行单体电池均衡管理时，先向电池组均衡管理系统输入电池数据进行数据预处理，包含采集数据以及基本参数。

其中，采集数据包括：电流、单体电池电压、单体电池温度。基本参数包括：电池节数、标称容量、均衡标识（用于读取不同的特征数据）、单体电池SOH（健康状况）、单体电池SOC（荷电状态）、均衡电流、均衡时间、单体下限阈值、单体上限阈值、均衡策略变更静止时间、状态持续时间、设置均衡时间、均衡持续时间、单体电池状态（主要为各单体电池的均衡状态）、整组电池状态（主要包括充放电状态，开路状态）、电压均衡及容量均衡的充电阈值表、电压均衡及容量均衡的放电阈值表、电压均衡及容量均衡的开路阈值表。

根据均衡规则输出的均衡状态，由设置的均衡实现单元（图3）对相应的单体电池实施均衡保护。均衡实现采用高效的无损充电方式，并且其充电电流可根据均衡规则的要求进行调节，均衡电流≥6A，并可实现点对点均衡。均衡实现单元可以是图1中由均衡控制器控制的能量转移式电路或能量补偿式电路中对应各个电池的部分。如果电池组均衡管理系统设定为自动均衡模式，则在状态判断后根据放电均衡规则、开路均衡规则、充电均衡规则进行相应处理，控制相应的开关进行闭合或断开；如果是非自动均衡模式，则下发各电池的充放电均衡状态。

为了对均衡效果进行测试，示例中以24个串联的20Ah锂电池形成的一个电池组为测试对象，采用0.5C充放电，充电到组端设置电压后充电机自动降电流。其中，使用如下的测试仪器，包含：充电机TCCH-H96V-50A，用于充电；高特公司的FZMK，即可调负载模块，用于放电；高特公司的ESBMM，即电池监护模块，用于均衡测试（均衡电流2～5A）、电压监控；高特公司的锂电池单体维护设备，用于均衡测试过程中的单体电池调整。

所述的测试方法，包含放电均衡测试及充电均衡测试：

放电均衡测试中，包含以下过程：

S1-1、对整个电池组充满电（并且对单体电池进行了调整保证每节都充满）后，分别对其中4节电池随机调整容量（使其放掉部分容量）；

S1-2、进行整组0.5C放电，关闭均衡，记录数据，如图4所示为电池组放电阶段时未加均衡系统的原始放电曲线；

S1-3、对电池组整组充电，单体截至停止（在其中任意一个电池充满时停止）；

S1-4、进行整组0.5C放电，开启均衡，记录数据，如图5所示为电池组放电阶段时使用均衡系统后的放电曲线。

充电均衡测试中，包含以下过程：

S2-1、在放电均衡测试的基础上，对电池组整组放完电（并且对单体电池进行了调整保证每节都放空）后，分别对其中4节电池随机调整容量（使其充进部分容量）；

2、进行整组0.5C充电，关闭均衡，记录数据，如图6所示为电池组充电阶段时未加均衡系统的原始充电曲线；

3、对电池组整组放电，单体截至停止（在其中任意一个电池放空时停止）；

4、进行整组0.5C充电，开启均衡，记录数据，如图7所示为电池组充电阶段时使用均衡系统后的充电曲线。

比对图4与图5，图6与图7，可见使用了电池管理系统均衡管理后，充放电过程中各单体电池的一致性大大提高，电池组得到了有效均衡。

此外，本发明中还通过电池管理系统进行箱均衡和簇均衡管理，以解决电池间环流的问题。由于逆变器技术的原因，在当前大容量储能系统中没有可以很好防止电池组（或簇）环流的电路，所以为了避免电池组系统或电池簇系统的内部环流，可以在一些对成本允许的场合引入电池箱均衡设备或电池簇均衡设备，这两类均衡设备都可以有效减少电池簇环流到系统允许的范围。常见的储能系统，一般都会从成本和安装角度考虑从其中选择一种，本例中采用电池箱均衡设备来防止储能系统的环流。

箱均衡系统的架构如图8所示，在大容量储能系统中，由于每一簇（或串）电池都是由192～350多只单体电池串连组成，这些电池会被分成若干个电池模块，一般每个电池模块会由12只或24只电池串连组成。电池在长期使用过程中，由于个体的差异会造成每个电池模块的总电压可能不一致，电池模块内的单体均衡（如上文所述的电池组均衡电路），只能将自己模块内（箱内）的所有单体均衡到一致，模块之间的一致性无法保证，PCS（能量转换系统）对整簇电池充电或放电过程中，每个模块的充电电流完全一样的，这样就很容易造成有些模块过充或过放，有些模块欠充或欠放。

为此，本发明中引入电池箱均衡设备（或电池模块均衡设备）；每簇（或串）电池包含8～20个BMS（电池管理系统）子系统（每个子系统管理12节或24节单体）；每个BMS子系统运行相对独立，一簇电池由一个锂电池45V或90V/（3A～6A）的箱均衡电源提供均衡电流，由ESGU（电池组控制模块）通过CAN1总线控制电源应该给哪一箱电池均衡，均衡策略由ESGU统一运算和控制，为了节省成本，电池箱的均衡是通过切换方式实现的，一簇（或串）电池有对应的一套箱均衡装置。

图8的示例中，ESBMM（电池监护模块）能够在线检测每节电池电压、温度；实现对电压、温度超限的实时报警；现场报警，干节点输出闭合，可实现远端计算机报警并显示报警内容；具有电池组在线主动无损均衡功能，可通过对单体电池在线电流充电、放电，提高电池组一致性，延缓电池失效。

所述的ESBMM，被固定在各个电池箱中，其电压、电流、温度、SOC等检测的信息通过CAN2总线与ESGU进行交互；箱均衡电源从交流电网获取能量对落后电池箱进行均衡充电，箱均衡电源通过CAN1与ESGU通讯，并受ESGU控制。

所述ESGU主要是对整组电池的运行信息收集，采集整组电池的总电压和电流，对电池组出现的异常进行报警和保护；能根据安全处理规则的要求对电池组进行保护，确保电池系统的安全、稳定运行，当电池严重过压、欠压、过流（短路）、漏电（绝缘）等异常故障情况出现时，储能系统管理单元发出命令至该单元，控制整组电池的开断，避免电池被过充、过放和过流。

综上所述，本发明提供的锂离子电池组均衡管理系统及均衡控制方法，可以进行单体电池均衡管理、箱均衡和簇均衡管理，并提供有效的均衡效果测试手段，能够改善电池组的一致性，满足储能电站等大型系统的应用需求。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。