模块化储能电池并网系统的电池健康状态均衡方法及系统与流程

本发明属于电池储能系统的优化控制技术领域，尤其涉及模块化储能电池并网系统的电池健康状态均衡方法及系统。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着电动汽车的迅速发展，动力电池需求量迅速上升。根据行业标准，电动汽车中的动力电池，当其可利用容量衰减至额定容量的80％时，就需要从电动汽车中淘汰。因此未来数年内退役电池数量将会激增。如何安全、高效地处理退役电池，将会逐步成为资源、环境与新能源汽车发展之间的主要矛盾。在退役电池外观完好、元器件功能有效的情况下，对其进行合理的梯次利用可以减少直接进入回收阶段的电池数量，还可让退役动力电池在其它领域充分发挥剩余价值。因此，开展动力电池梯次利用与回收意义重大。

由于并网储能系统对于瞬时功率的需求要低于电动汽车，所以电动汽车退役电池有足够的能量和功率输出能力来应用到电网辅助服务中。这样能够有效地降低电池储能系统的成本，推动可再生能源的进一步发展。

电池管理系统(batterymanagementsystem，以下简称bms)是电池大规模使用、维护过程中的核心单元，主要包括三项内容：数据采集、状态估计和性能管理。状态估计中的荷电状态(state-of-charge，以下简称soc)和健康状态(state-of-health，以下简称soh)估计、性能管理中的电池均衡均是目前的研究难点。

soc在电池运行过程中反映电池剩余电量，最为通用的定义是基于电池容量的，即电池剩余容量与当前可放出最大容量的比值或者使用初始soc减去已使用容量与当前可放出最大容量的比值，如公式(1)所示。

soh是判断何时进行电池替换的状态量，随着电池的使用，soh逐渐减小。基于容量的定义是最为通用的soh定义，如式(2)所示，qmax是当前电池可放出的最大容量，qrated是电池的额定容量。

电池均衡方面，传统bms都是基于soc进行均衡，主要的均衡策略有被动均衡和主动均衡两种，目前商用bms系统都是基于主流厂商的bms芯片开发的。两种典型的被动和主动均衡拓扑如附图2(a)-图2(b)所示。

但是，发明人在研究中发现，动力电池退役前的充放电方式、环境温度、工作路况不可能完全相同。因此退役电池彼此间呈现出明显的soh不一致现象，严重影响退役电池的集成再应用。在大规模储能应用中，要对电池进行串并联组合来得到所需要的高电压或者高容量。对于并联电池，由于是正极与正极、负极与负极相连，如果在放电过程中出现了某一节电池的soc下降更快，那么这节单体电池的端电压会低于其它电池，其它电池会自发地给这节电池充电。但是，当进行串联使用时，不均衡会带来整体容量限制的问题。对于退役电池组来说，当使用相同的充放电倍率时，组中soh较好的退役电池的soc变化速度较小，soh较差的退役电池的soc变化速度较大，这会导致soh较低的电池更早地达到soc下限值而退出运行，带来木桶效应。soh不均衡不仅存在于电池组间，也存在于电池组内，因此迫切需要从电池组间和电池组内两个层次同时对储能电池进行soh均衡。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种模块化储能电池并网系统的电池健康状态均衡方法，能够实现从电池组间和电池组内两个层次同时对储能电池进行soh均衡。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

模块化储能电池并网系统的电池健康状态均衡方法，包括：

对退役电池组进行相对健康状态soh检测，确定电池组中各个单体电池的相对soh；

在退役电池组内，利用电池管理系统bms的主动或被动均衡电路，进行单体电池间的soh均衡；

基于组内和组间soh均衡的耦合关系，利用功率变换系统(简称pcs，包括dc-dc和dc-ac部分)进行组内和组间soh均衡的协调配合，使得单体电池和电池组同时达到soh均衡。

进一步的技术方案，电池组中各个单体电池的相对soh通过监测单体电池的soc变化率来获得。

进一步的技术方案，电池组中各个单体电池的相对soh检测时以整组电池的健康状态作为参考。

进一步的技术方案，电池管理系统监测每节单体电池的电压、电流和温度，为soc估计提供有用信息，利用开路电压ocv进行soc估计。

进一步的技术方案，经过电池组中各个单体电池相对soh估计，计算每节单体电池的最大可放出容量。

进一步的技术方案，利用开路电压ocv进行soc估计具体为：

使用标准放电电流对电池组进行恒流放电直到电池组的电压达到放电截止电压，然后对电池静置；

使用标准充电电流对电池组进行恒流充电直到电池组的电压达到充电截止电压，然后再在这一电压下进行恒压充电直到充电电流衰减至所要求的值，再对电池静置；

读取每节单体电池的ocv，并根据ocv-soc表格得到电池的初始soc值；

使用标准放电电流对电池组进行恒流放电直到电池组的电压达到放电截止电压，记录这一过程中释放出的容量，并得到整组电池的健康状态，再次对电池静置；

读取每节单体电池的ocv，并根据ocv-soc表格得到其终止soc值，然后，通过初始soc值减去终止soc值，得到放电过程中每节电池的soc变化量。

进一步的技术方案，单体电池间的soh均衡时，让各电池以不同的速率衰减并最终达到同一个soh，soh较大的电池组将会被施加较大的放电深度(depth-of-discharge，以下简称dod)，而soh较小的电池将会被施加较小的dod。

进一步的技术方案，单体电池间的soh均衡步骤为：

soh最大的电池的放电深度dod被设为dod上限值；

均衡电流的直流分量被设定为在功率允许范围内的最大值；

计算流过电池组的串联通路的充电或放电电流；

在上述条件下，选择电池组中soh最大和最小的两节单体电池来计算单体间soh均衡中累积循环次数的最小允许值；

根据均衡时间要求，选择一个大于或等于最小允许值的累积循环次数来进行算单体间soh均衡；

计算每节单体电池的dod；

每节单体电池在充电和放电时的实际均衡电流分别进行计算；

使用比例积分控制器来产生每节单体电池的均衡电路中的开关的占空比。

进一步的技术方案，基于组内和组间soh均衡的耦合关系，利用pcs进行组内和组间soh均衡的协调配合，使得单体电池和电池组同时达到soh均衡：

流过第i个电池组的串联通路的充电或放电电流iapp,i直接与每个电池组的需求功率相关，通过对流入电池组的电流进行积分得到；

根据电池组中单体电池的soh不均衡程度，对第i个电池组的iapp,i的调制深度独立地进行控制；

第i个电池组的soh不均衡程度使用离散系数进行描述，计算n个电池组离散系数的平均值，获得第i个电池组的调制深度调节参量；

每个电池组最初的需求功率需要与电池组的调节参量相乘来进行修正；

使用pi控制器来追踪调整后每个电池组的需求功率，产生其并网变换器开关的调制深度及占空比。

另一方面，本发明提出了模块化储能电池并网系统的电池健康状态均衡系统，包括控制系统，所述控制系统被配置为：

对退役电池组进行相对健康状态soh检测，确定电池组中各个单体电池的相对soh；

在退役电池组内，利用电池管理系统bms的主动或被动均衡电路，进行单体电池间的soh均衡；

基于组内和组间soh均衡的耦合关系，利用pcs进行组内和组间soh均衡的协调配合，使得单体电池和电池组同时达到soh均衡。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1.传统的模块化储能电池并网系统中仅考虑了电池组间的soh均衡问题，并未考虑电池组内单体电池的soh不一致性对系统正常工作和整体寿命造成的负面影响。本发明通过设计健康状态多层均衡方法，基于组内和组间soh均衡的耦合关系，利用pcs进行组内和组间soh均衡的协调配合，最终能够实现所有的单体电池都以较快的速度达到相近的soh。

2.与仅考虑组间soh均衡相比，本发明可以进一步延长储能系统的整体寿命。

3.所提出的电动汽车退役电池组相对soh检测方法可以方便快捷地确定每个单体电池的相对soh，无需进行电池组拆解。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例模块化储能电池并网系统拓扑结构示意图；

图2(a)是本发明实施例使用并联电阻的被动均衡拓扑图；

图2(b)是本发明实施例使用flyback变换器的主动均衡拓扑图；

图3是本发明实施例组内单体电池间soh均衡的控制框图；

图4是本发明实施例模块化储能电池并网系统的电池soh多层均衡方法流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提出的总体思路：

首先，对收集来的电动汽车退役电池组进行相对soh检测，确定电池组中各个单体电池的相对soh。这一方法不需要对退役动力电池组进行拆解，方便快捷。

其次，在电池组内，利用bms的主动或被动均衡电路，进行单体电池间的soh均衡。

最后，利用组内和组间soh均衡的耦合关系，加快单体电池间的soh均衡速度，并使得单体电池和电池组同时达到soh均衡。

实施例一

本实施例公开了一种模块化储能电池并网系统的电池健康状态均衡方法，通过进行相对soh检测，无需拆解电池组即可方便快捷地确定组内各个单体电池的相对soh；利用bms的主动或被动均衡电路，基于soh进行单体电池间的均衡；针对组内和组间soh均衡的耦合关系，提出一种组内和组间的soh均衡协调控制方法来加快单体电池的soh均衡速度，并使得单体电池和电池组同时达到soh均衡。

该方法不仅能够保证各电池组的soh趋于一致，而且可以均衡电池组内各个单体电池的soh，并且将组内和组间的soh均衡相协调配合。

具体包括以下步骤：

步骤(1)：对电池组进行相对soh检测，确定电池组内每个单体电池的相对soh；

步骤(2)：在电池组内利用bms的主动或被动均衡电路，进行单体电池间的soh均衡；

步骤(3)：针对组内和组间soh均衡的耦合关系，即组间的soh均衡决定了电池组的充放电功率/电流，而电池组的整体充放电功率/电流是决定组内单体电池soh均衡速度的重要因素，进行组内和组间soh均衡协调控制。

附图1为模块化储能电池并网系统拓扑结构示意图。大量单体电池进行串并联连接后经由pcs进行交直流转换，所有子模块的交流输出一起连接到公共并网点，然后经过变压器和滤波器实现并网。在电池组内，使用bms及均衡电路进行组内管理。

退役单体电池相对soh检测的具体方法为：

相对soh可以通过监测单体电池的soc变化率来获得。当以相同的充放电电流进行充放电时，soh较差电池的soc变化率会比soh较好电池的soc变化率大。根据公式(1)中的soc定义，获得第j节单体电池单位时间δt内的soc变化量(δsocj)，如公式(3)所示：

其中，qmax,j是第j节电池的最大可放出容量，t0是充放电起始时间。

按照国家标准要求，每个退役动力电池组的soh都需要在梯次利用前进行检测。所以在相对soh检测中可以将整个电池组作为参考电池。根据公式(2)和(3)，以整组电池的健康状态sohpack作为参考，第j节电池的相对soh值可以根据公式(4)来进行计算。

式中，qmax,pack是电池组的最大可放出容量，单位为安时(ah)；δsocpack是整个电池组在相对soh测试过程中的soc变化量。bms可以监测每节单体电池的电压、电流和温度，可以为soc估计提供有用信息。利用开路电压(open-circuit-voltage，ocv)来进行soc估计(这一方法不需要获知单体电池的最大可放出容量)。相对soh测试的过程如表1所示。经过相对soh估计，每节单体电池的最大可放出容量均可通过公式(2)进行计算得到。

表1退役单体电池的相对soh估计过程

退役单体电池间的soh均衡策略的具体内容如下：

对于电池储能系统来说，dod已经被证明是影响其中电池soh的最主要因素，并且soh、dod和累积循环次数(accumulatedlifecycles，cacu)之间的关系如公式(5)所示。

式中，soh(t)为电池在特定dod下循环cacu次后的实时soh值，sohini为其初始soh值。a和b为通过该种电池衰减曲线拟合得到的常数参数。具体来说，为了让各电池以不同的速率衰减并最终达到同一个soh，soh较大的电池组将会被施加较大的dod，而soh较小的电池将会被施加较小的dod。

假定两节电池(第j节和第k节)的初始soh不同，根据公式(5)可得它们的实时soh(sohj(t)和sohk(t))如公式(6)所示。

如果这两节电池的soh(t)能够在经过相同的cacu后达到均衡，则它们的dod关系如公式(7)所示。

由于每节单体电池的dod不仅与其自身的均衡电流相关，还与其他单体电池的dod有关联，所以单体间soh均衡所需要的cacu具有一个由单体间soh不一致程度、dod需求值和工作状态(充电或放电)决定的最小值cacu,min。

由于目前的主动均衡电路大多体积较大、成本较高，因此bms更多地采用被动均衡。所以在下述说明中具体以附图2(a)中使用并联电阻的被动均衡拓扑为例进行。

选择电池组中soh最大和最小的两节电池来计算cacu,min。soh最大的电池的dod被设为dod上限值dodmax。为了能让soh最差的电池的dod(dodworst)尽可能小，均衡电流的直流分量ibal被设定为在功率允许范围内的最大值(ibal,max)。根据相同的充电和放电时间，可以得到公式(8)和公式(9)。

式中，qmax,best为最健康电池的最大可放出容量，qmax,wors为健康状态最差的电池的最大可放出容量，可以通过前述退役单体电池相对soh检测方法得到。ich和idis是流过第i个电池组的串联通路的充电或放电电流(iapp,i)，如附图2(a)、图2(b)所示，可以通过公式(10)计算得到。

式中，p^*pack,i是第i个电池组的需求功率参考值，vpack,i是该电池组的实时电压值。dodworst,ch和dodworst,dis是健康状态最差的单体电池分别在充电和放电时的dod，能够通过公式(8)和(9)计算得到；并且为了保证充放电过程中的dod值相同，二者中值较大的被选作dodworst,min。然后，cacu,min可以通过公式(11)进行计算。

因此，预先设定的cacu可以等于或者大于cacu,min。一旦选定了cacu，通过将soh最大的单体电池设定为第k节电池并且将dodk设定为dod上限值dodmax，则每节单体电池的dod可以根据公式(7)进行计算。

然后，每节单体电池在充电和放电时的均衡电流可以分别进行计算。充电时，均衡电阻不会被并联到具有最大soh的电池两端，以让其充入的电量尽可能多；而其他电池的两端都会并联均衡电阻。根据相同的充电时间，可以得到公式(12)。

然后，充电时第j节电池的均衡电流的直流分量参考值i^*bal,ch,j可以通过求解公式(12)得到，如下所示。

类似的，放电时均衡电阻将不会并联到soh最小的电池两端，以使其放出的电量尽可能少；而其他电池的两端都会并联均衡电阻。然后可以根据相同的放电时间得到类似的公式(14)。

放电时第j节电池均衡电流的直流分量参考值i^*bal,dis,j可以通过求解公式(14)得到，如下所示。

综上，单体电池soh均衡的控制框图如附图3所示，以电池组内均衡电路中的均衡电流为控制目标，其中使用了比例积分控制器(pi)来产生第j节电池的均衡电路中的开关的占空比dbal,j。

组内和组间的soh均衡协调控制方法的具体内容如下：

组间soh均衡需要考虑所有单体电池的soh情况，以使得所有电池都可以在设定的累计循环次数内达到soh均衡。因此，模块化储能电池并网系统的健康状态多层均衡架构如附图4所示。

根据公式(8)和(9)可以看出，较小的iapp,i(ich或idis)会使得dodworst进一步减小，这能够让soh最差的电池衰减更加缓慢，从而加速单体间的soh均衡速度。所以对于单体间soh不均衡度非常高的电池组来说，一个较小的iapp,i能够提高这个电池组内单体电池的soh均衡速度，从而尽快达到与其他电池组一致的soh水平。

由公式(10)可见，iapp,i直接与每个电池组的需求功率相关，可以通过对流入电池组的电流进行积分得到，如公式(16)所示。

其中，di表示第i个电池组的并网变换器中的电力电子开关的占空比，t是工频周期，ii为进入第i个电池组的并网变换器的电流。

因此可以根据电池组中单体电池的soh不均衡程度，对第i个电池组的iapp,i的调制深度(mi)独立地进行控制。而第i个电池组的soh不均衡程度可以使用离散系数(ci)进行描述，如下式所示。

其中，σi表示组中各单体电池soh的标准差，μi则为其均值。然后，n个电池组离散系数的平均值可由公式(18)进行计算。

然后，第i个电池组的调节参量可由公式(19)得到。

每个电池组最初的需求功率pdem,i需要与uadj,xi相乘来进行修正，如公式(20)所示。

最后，使用pi控制器来追踪调整后每个电池组的的需求功率p^*pack,i，产生其并网变换器开关的调制深度mi及占空比di。

实施例二

本实施例的目的是提供模块化储能电池并网系统的电池健康状态均衡系统，包括控制系统，所述控制系统被配置为：

对退役电池组进行相对健康状态soh检测，确定电池组中各个单体电池的相对soh；

在退役电池组内，利用电池管理系统bms的主动或被动均衡电路，进行单体电池间的soh均衡；

基于组内和组间soh均衡的耦合关系，利用pcs进行组内和组间soh均衡的协调配合，使得单体电池和电池组同时达到soh均衡。

以上实施例的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。