一种锂电池组SOC均衡系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种锂电池组均衡系统及方法。本发明专利技术将锂电池组的均衡问题分为组内均衡和组间均衡两个层次，锂电池分成若干组，分别和双向DC‑DC转换器并联，其输出端相互串联作为直流母线和发电系统的输出端以及负载并联。每组内电池通过双向开关连接，同时并联旁路开关，可实现电池动态接入。根据各组平均SOC分配各组输出电压实现组间均衡。根据组内单体电池SOC控制其动态接入可实现各组内均衡。基于本发明专利技术对锂电池组SOC进行均衡，无需额外的均衡电路，避免了能量在电池之间的转移，在充放电过程中自动实现锂电池组的均衡，均衡速度和均衡效率均得到了极大提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电池储能
，具体而言，涉及一种锂电池组SOC(StateOfCharge)均衡系统及方法。技术背景考虑到化石能源的不可持续性及环境压力的持续增大，人类亟需一种清洁、可持续的替代能源，在此背景下，风能、核能、太阳能获得了广泛关注。在实际应用中，清洁能源产生的能量往往需要储能装置进行存储以满足各种应用场景。锂电池作为一种能量密度高、重量轻，使用寿命相对较长且自放电率低，无记忆效应，高低温适应性强的储能装置，具有良好的发展前景与研究价值，在一些移动设备如电动汽车中得到了广泛应用。锂电池单体电压一般在3-4V之间，为满足更多的负载需求，一般需串联若干单体电池成锂电池组使用。由于制造过程及使用过程的限制，串联的单体电池之间往往存在不一致性(具体表现在容量和内阻不一致)，从而导致电池组使用过程中各单体放电电流倍率及温度不一致，反过来作为正反馈加剧单体间SOC(StateOfCharge)和内阻的不一致。这种差异会使个别单体电池因过充或过放而损坏，影响电池组的整体性能和使用寿命，严重时甚至会引起爆炸。因此，亟需提出一种高效、快速、高精度、鲁棒性好且易实现的均衡结构及算法使串联电池组SOC趋于一致，从而大大延长锂电池组的使用寿命并提高其性能。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题和技术需求，本专利技术提供一种锂电池组SOC均衡系统及方法，将锂电池组的均衡问题分为组内均衡和组间均衡两个层次，包括根据组间平均SOC为依据的输出电压分配实现组间均衡和组内单体电池SOC为依据控制单体电池动态接入实现组内均衡的均衡方法。基于本专利技术对锂电池组SOC进行均衡，无需额外的均衡电路，避免了能量在电池组之间的转移，在充放电过程中自动实现锂电池组的均衡，均衡速度和均衡效率均得到了极大提高。为了实现本专利技术技术目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种锂电池组SOC均衡系统，包括N组锂电池、N个双向DC-DC转换器和一个采样及控制器；每组锂电池和一个双向DC-DC转换器并联，DC-DC转换器输出端串联后作为直流母线和发电系统的输出端以及负载通过DC-DC输出端并联；采样及控制器的控制端连接双向DC-DC转换器的输入端，采样及控制器的输入端连接双向DC-DC转换器的电压和电流输出端；每组锂电池包含M块单体电池，相邻单体电池通过一个隔离开关进行隔离，每节单体电池并联旁路开关，此旁路开关和对应隔离开关组成开关对，两开关的控制信号互相取反，可动态实现电池接入和断开。一种基于所述锂电池组SOC均衡系统的锂电池组SOC均衡方法，该方法包括：组间SOC均衡控制步骤：采集每组锂电池的输出电流I和输出电压V，计算每个锂电池组的平均SOC，以此为依据分配每个锂电池组所并联DC-DC模块的输出电压，从而调节流经各DC-DC输入端的电流，使各锂电池组间的单体电池SOC趋于一致；组内SOC均衡控制步骤：若锂电池组平均SOC在预定阈值范围外，按照组内SOC均衡原则通过控制开关对的通断从而控制各单体电池的充放电状态，使该组内的单体电池SOC趋于一致，所述组内SOC均衡原则为：计算锂电池组内的各单体电池的SOC，其中SOC高的单体电池接入时间长，SOC低的单体电池接入时间短，使用预测控制算法计算在下一放电周期中各电池放电量最优值使得经过一个放电周期后各单体电池SOC离散程度最小，从而分配组内各单体电池接入的时间，且保证在同一时间接入的电池数不得小于下限值。进一步地，组内电池动态接入会导致锂电池组输出电压跳变，基于此，本专利技术设置任意时刻每个锂电池组内的锂电池组单体接入个数为定值，对组内各单体电池的接入时序通过排序的方法进行排列来保证任意时刻接入锂电池组单体电池个数为定值。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术基于电量分配的思想，以SOC为依据动态分配充放电过程中各组电池和组内电池的充放电程度，避免了能量的转移，有效降低了均衡损耗，且均衡速度也得到了提高。2.同时，采用分组和分层的思想，将锂电池组的均衡问题分为组内均衡和组间均衡两个层次，简化了系统结构，结合了两种方法的优点，降低了控制难度。3.本专利技术采用的双向开关导通电阻较低，能有效降低导通损耗和系统发热，提高系统整体效率。附图说明图1是本专利技术锂电池组SOC均衡系统结构示意图；图2是本专利技术锂电池单体动态接入效果示意图；图3是本专利技术锂电池动态接入时序排列方法示意图；图4是本专利技术锂电池组均衡结构电路拓扑图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术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。图1所示为本专利技术锂电池组SOC均衡系统结构示意图。锂电池一共被分为N组，每组包含M块单体电池，锂电池组总的单体电池数为N*M，每组电池为一个模块，每个模块和一个双向DC-DC转换器并联，DC-DC转换器输出端相互串联作为直流母线和发电系统(譬如固体氧化物燃料电池SOFC)的输出端以及负载通过DC-DC输出端并联。采样及控制器的控制端连接双向DC-DC转换器的输入端，采样及控制器的输入端连接双向DC-DC转换器的电压和电流输出端。各锂电池组通过DC-DC输出端串联而非直接串联，流经各DC-DC输出端的电流Imodule相等，故可通过控制DC-DC输出端电压V1、V2……VN从而控制各电池组的充放电电流Iunit#1、Iunit#2……Iunit#N的大小，根据各电池组的平均SOC值可方便输出DC-DC转换器的占空比分配各组输出电压，从而在电池充放电过程中自动调节各组SOC，实现锂电池组间SOC均衡。图2是本专利技术锂电池动态接入效果示意图。各锂电池组内，每节单体电池并非直接串联，而是分别通过隔离开关进行隔离，同时并联旁路开关，此旁路开关和对应隔离开关组成开关对，其控制信号互相取反，可动态实现电池接入。例如，当控制信号g1＝1、时，电流不流过单体电池1，单体电池1在此过程中充放电电流为0，当控制信号g1＝0、时电流流过单体电池1，单体电池1在此过程中充放电电流等于Iunit。每个电池模块内单体电池的数量等于隔离开关的对数。这样可以通过控制隔离开关的通断决定单体电池是否接入电池模块，从而控制每节电池的充放电状态，动态地在充放电过程中使单体电池SOC趋于一致，实现锂电池组内SOC均衡。按照本专利技术的一个实施例，采用CSD17559Q5N通道MOSFET和SM74611智能旁路二极管反并联代替其自带体二极管形成低压降单向开关，两个单向开关反向串联可组成双向开关。通过分配各组输出电压及动态接入单体电池形成电压的比值控制电池组电流，增加每组内电池数可降低电池组放电电流，从而降低损耗。控制器通过AD采样得到每组电池电流Iunit、端电压Vunit和温度分布Tunit，其通过一定SOC估计算法(譬如开路电压法及安时积分法)可以估计出各单体电池SOC，并以此为依据输出开关信号，控制如图4所示隔离开关和旁路开关的通断。本专利技术基于对串联锂电池组分组的思想，将锂电池组的均衡问题分为组内均衡和组间均衡两个层次，在充放电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂电池组SOC均衡系统，其特征在于，包括N组锂电池、N个双向DC‑DC转换器和一个采样及控制器；每组锂电池和一个双向DC‑DC转换器并联，DC‑DC转换器输出端串联后作为直流母线和发电系统的输出端以及负载通过DC‑DC输出端并联；采样及控制器的控制端连接双向DC‑DC转换器的输入端，采样及控制器的输入端连接双向DC‑DC转换器的电压和电流输出端；每组锂电池包含M块单体电池，相邻单体电池通过一个隔离开关进行隔离，每节单体电池并联旁路开关，此旁路开关和对应隔离开关组成开关对，两开关的控制信号互相取反，可动态实现电池接入和断开。

【技术特征摘要】
1.一种锂电池组SOC均衡系统，其特征在于，包括N组锂电池、N个双向DC-DC转换器和一个采样及控制器；每组锂电池和一个双向DC-DC转换器并联，DC-DC转换器输出端串联后作为直流母线和发电系统的输出端以及负载通过DC-DC输出端并联；采样及控制器的控制端连接双向DC-DC转换器的输入端，采样及控制器的输入端连接双向DC-DC转换器的电压和电流输出端；每组锂电池包含M块单体电池，相邻单体电池通过一个隔离开关进行隔离，每节单体电池并联旁路开关，此旁路开关和对应隔离开关组成开关对，两开关的控制信号互相取反，可动态实现电池接入和断开。2.一种基于权利要求1所述锂电池组SOC均衡系统的锂电池组SOC均衡方法，其特征在于，该方法包括：组间SOC均衡控制步骤：采集每组锂电池的输出电流I和输出电压V，计算每个锂电池组的平均SOC，以...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋建华，洪升平，李曦，陈明渊，徐阳，李箭，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42