一种具有辅助电源的分布式电池均衡系统及两步均衡控制方法

本发明涉及电池均衡维护领域，具体说是一种具有辅助电源的分布式电池均衡系统及两步均衡控制方法。

背景技术：

1、目前新能源汽车和储能技术的发展规模与日俱增，锂电池由于其出色的能量密度特性得到了广泛的应用。在工程实际中，往往将多个相同型号的电池单体通过串并联构成电池组进而满足使用需求。在电池工作过程中由于工况和参数的差异，电池单体之间存在不一致性，会导致单体电池的过充、过放，寿命衰减的问题，因此锂电池的一致性均衡维护成为研究的热点问题。

2、一致性均衡可以分为能耗式均衡和非能耗式均衡。能耗式均衡通常在电池单体两端并联电阻和开关，通过电阻放电来使得电池组状态达到一致，其优点是原理简单便于实现，能耗式均衡的缺点在于能量的浪费、均衡效率低以及均衡过程中热量的产生导致对大型电池组的均衡能力不足，因而往往用于小型电池组的均衡。非能耗式均衡通过电容电感等作为能量转移载体，将电能在电池单体之间进行转移并最终使得电池单体达到均衡，非能耗式均衡在理想状态下没有能耗，在实际应用中也存在少量的损耗，非能耗式均衡需要更高的成本和复杂的控制策略。

3、当前电池均衡装置的设计限制了能够同时均衡的电池单体的数量，电池均衡装置仅能同时对一组数量有限的电池单元进行均衡操作。当需要均衡的电池单体数量庞大时，单个均衡装置无法在一次操作中完成任务，如果采用多个装置同时均衡或单个装置多次操作，结果可能是每批次操作的电池会达到不同的均衡状态。这不仅导致了对电池进行再次均衡时所需的时间成倍增加，而且还增加了操作的复杂性。例如，以10个电池为例，若分两次均衡，第一次均衡后前5个电池可能达到5.5v的平均值，而第二次均衡的另外5个电池可能达到6v的平均值，这显然未能实现使10个电池整体达到均衡的目标。这种不一致性不仅影响了电池组的性能，还可能缩短电池的使用寿命，增加维护成本，并降低整体系统的效率。

4、而且，传统的一致性算法结合无中心拓扑存在通信噪声的问题，即分布式节点之间的状态信息交换存在误差，这会导致算法的收敛过程不平滑，收敛速度较慢，不利于对电池单体充放电电流的精确控制。

5、例如中国发明专利cn114400387a公开了一种基于多智能体博弈的电池均衡管理方法及系统，包括以下步骤：首先，根据电池组中每个单体电池的衰减数据和当前电量数据，确定每个单体电池的荷电状态(soc)数据；其次，基于每个单体电池的soc数据与其他单体电池的soc数据之间的差值，应用纳什均衡方法计算出电池组中每个单体电池的充放电策略；最后，根据所得到的充放电策略进行电池均衡管理。

6、另外，部署在某些偏远地区的储能系统在进行电池均衡维护时，电池均衡设备的便携性成为一个问题。具体而言，当遇到环境无法满足均衡设备所需的电源的情况时(例如均衡设备无法连接电源而导致无法对电池进行充放电)，会对均衡操作带来巨大的不便。

7、因此，开发能够同时对大量电池单元进行高效均衡的解决方案，对于维护由众多电池单体组成的电池组的性能及延长其使用寿命至关重要。此外，由于本发明基于无中心分布式的拓扑与一致性算法的思想，传统的一致性算法结合无中心拓扑存在通信噪声的问题，即分布式节点之间的状态信息交换存在误差，这会导致算法的收敛过程不平滑，收敛速度较慢，不利于对电池单体充放电电流的精确控制。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有辅助电源的分布式电池均衡系统。该系统由多个电池均衡装置组成，每个电池均衡装置连接一个电池单体，其规模可以通过增加模块来扩展，进而实现对不同数量规模电池单体的同时均衡，能够解决大规模电池单体均衡的问题。

2、为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种分布式电池均衡系统，其特征在于，所述分布式电池均衡系统由多个电池均衡装置组成，每个电池均衡装置由模块m1和模块m2组成；每个电池均衡装置用于均衡一个电池单体；

4、所述模块m1包括电池状态检测单元和通信单元；

5、检测单元用于：根据设定的均衡目标测量电池单体的电压状态信息；

6、通信单元用于：与相邻的电池均衡装置进行通信，具体为：将检测单元检测到的电池单体信息发送给相邻电池均衡装置，接收相邻电池均衡装置发来的电池单体状态信息；

7、所述模块m2包括计算单元、充放电控制单元和辅助电源单元；

8、计算单元用于：根据检测和接收到的电池单体信息，计算每个电池单体的均衡策略，所述均衡策略为对应电池单体下一时段的充/放电电流值；

9、充放电控制单元用于：根据计算单元提供的电池单体下一时段的充/放电电流值，控制电池单体的充/放电电流，确保均衡过程有效性和安全性

10、辅助电源单元用于：为电池均衡装置所均衡的电池单体提供充电服务，或者吸收上述电池单体中多余的电量。

11、本发明的另一个目的在于提供一种电池两步均衡控制方法。

12、为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

13、一种电池两步均衡控制方法，应用于权利要求1所述的分布式电池均衡系统，其特征在于，包括以下步骤：

14、步骤1，每个电池均衡装置检测与其连接的待均衡电池单体的电压状态信息，通过通信单元将电压状态信息发送给相邻的各个电池均衡装置；

15、步骤2，每个电池均衡装置接收相邻的其他电池均衡装置的状态信息；根据基于一致性算法的两阶段随机规划算法计算每个待均衡电池单体的均衡策略；

16、步骤3，根据均衡策略，控制待均衡电池单体的充/放电电流；

17、步骤4，重复步骤1至步骤3，直至所有电池均衡装置连接的待均衡电池单体的电压均达到同一水平；

18、步骤5，待均衡电池单体均衡结束后对电池均衡装置中的辅助电源进行自均衡。

19、在上述方案的基础上，步骤2中所述两阶段随机规划算法具体为：

20、相连电池均衡装置之间通信时因噪声会产生误差，考虑误差的相互参考值如下式(1)所示：

21、

22、上式(1)中，xj,n为n时刻时，第j个电池均衡装置连接的电池单体的实际电压值；为n时刻时模块j发送给模块i的参考值，模块i将视作第j个电池均衡装置连接的电池单体n时刻时的实际电压值；di,j,n为在实际过程中的n时刻时参考电压值与实际电压值之间存在的偏差；

23、规划各个待均衡的电池单体的均衡策略的两阶段计算公式如下式(2)、(3)所示：

24、

25、

26、当n＝1时，

27、上两式中，为目标电压的邻近值，将在式(3)所述的第二阶段再次优化；xi,n为第i个电池均衡装置检测到其自身在第n时刻的电压；μn为n时刻时全局的时变比例系数；j∈ni表示与第i个电池均衡装置建立通信连接的其他电池均衡装置j的集合；t为时间常数；为第i个电池均衡装置在n+1时刻根据策略得到的目标电压；为第i个电池均衡装置在n时刻的目标电压；λn为时变的迭代系数；为第i个电池均衡装置在第1时刻的目标电压；xi,1为第i个电池均衡装置检测到其自身在第1时刻的电压；

28、第i个电池均衡装置在n时刻的控制策略δxi,n的计算公式如下式(4)所示：

29、

30、在上述方案的基础上，步骤3中所述控制待均衡电池单体的充/放电电流计算公式如下式(5)所示：

31、ii,n＝h×dxi,n(5)；

32、上式(5)中，ii,n为第i个电池均衡装置在第n时刻的均衡电流；h为确定的比例系数。

33、在上述方案的基础上，步骤5的具体操作为：

34、将每个电池均衡装置中的辅助电源拆出，分别和保护电阻串联后形成辅助电源自均衡单元，每个辅助电源自均衡单元相互并联组装形成自均衡电路；所述自均衡电路使辅助电源恢复到原本的电量；

35、当辅助电源电量不足时，将外接电源与自均衡电路并联后对电量不足的辅助电源进行充电，以备下次均衡使用。

36、本发明所述的一种具有辅助电源的分布式电池均衡系统及两步均衡控制方法，其有益效果为：

37、(1)本发明所述的电池均衡系统由多个电池均衡装置组成，每个电池均衡装置连接一个电池单体，模块之间彼此通信连接形成一个多智能体系统，该多智能体系统中，每个电池均衡装置及连接的电池单体相当于一个节点，模块之间的通信连接相当于多智能体系统中的边。

38、该系统是无中心分布式的，每个节点都是独立的，所以当部分节点出现故障时，整个系统仍然能够继续运作，不会像顺序系统那样因为某个节点的故障而导致整个系统崩溃。该系统同时具备灵活可扩展的特点，具体而言，系统规模可以通过增加模块来扩展，进而实现对不同数量规模电池单体的同时均衡，能够解决大规模电池单体均衡的问题。

39、本发明提供的分布式电池均衡系统具有便携辅助电源，可以在没有外接电源的环境下完成电池均衡的操作。

40、(2)本发明所述的电池两步均衡控制方法基于一致性算法的改进思想，在算法的第一阶段，采用大步长尽快求得一致性策略的近似值，该基于一致性算法的电池均衡策略是针对各个电池之间能量差异进行管理的一种高效方式，这保证了放电过程中释放的电量与充电过程中接收的电量保持平衡，从而在整个电池组层面达到能量守恒，使得电池均衡系统总体上不消耗外界的能量。该算法适应于多种分布式系统模型，在不同应用场景下都能提供良好的一致性。

41、第二阶段通过平均化的步骤平滑迭代过程中的波动值，使得到的结果方差变小，其结果是使得控制过程更为平滑，有利于对电池单体充放电电流的精确控制。