基于多输入单输出四开关Buck-Boost变换器的串并联电池均衡系统及其工作方法

本发明设计自动化控制领域，尤其涉及基于多输入单输出四开关buck-boost变换器的串并联电池均衡系统及其工作方法。

背景技术：

1、近年来，随着能源危机和环境问题日益显著，全球电网、制造业、交通运输等行业逐渐朝低能耗、低污染、低碳化发展。新能源的开发利用对保护生态具有重要意义，但以风能、太阳能等自然资源为主的新能源发电具有随机性和间歇性，其大规模并网运行会给电网的稳定性和安全性产生显著影响。目前，采用储能技术可以在很大程度上解决新能源发电并网带来的问题，提高现有电网设备的利用率、电网的运行效率以及电能质量和用电效率，并能有效应对电网故障的发生。

2、与其它储能电池相比，锂离子电池凭借其能量密度高、成组方式灵活、循环寿命长、无记忆效应以及环境友好等诸多优势，在电动汽车、移动通讯、航空航天等领域得到了广泛应用，成为大规模储能技术研究的重点之一。为满足储能系统对电压和容量的需求，通常需要将多节电池以串联、并联的方式组合成电池组使用。然而，由于制造过程、工作条件等因素的影响，电池单体在容量、电压、内阻、自放电率等性能指标上存在差异，即产生不一致性。随着电池循环次数的增加，电池性能以不同速率衰退，进一步加剧了电池组的不一致性，最终会对电池储能系统的性能产生负面影响，缩短电池组的使用寿命，甚至可能引发安全问题。

3、为了解决或改善电池组不一致性带来的问题，业界已采取了一系列措施，包括优化制造工艺、严格筛选电池单体等。然而，这些措施并不能完全消除电池间的不一致性，因此，采用均衡技术成为了另一种重要的解决方案。均衡技术通过对电池的能量、荷电状态进行精确控制，以能量消耗或转移的方式对电池的能量进行重新分配，从而缩小电池间的能量状态差异。并且，目前大规模电池储能系统的均衡方法仍面临一些挑战：所需器件、传感器数量众多，导致系统成本上升、体积增大；电路复杂，控制难度相应增加；非模块化均衡系统的可扩展性和灵活性较差，增加了后期维护的难度；部分均衡电路未充分考虑系统故障情况，容错率和可靠性不足。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了基于多输入单输出四开关buck-boost变换器的串并联电池均衡系统及其工作方法。

2、本发明提出一种基于多输入单输出四开关buck-boost变换器的串并联电池均衡系统，其特征在于，包括m个电池子系统mi，电池子系统mi的正极通过总线与电源/负载的正极相连，电池子系统mi的负极通过总线与电源/负载的负极相连；若干的电池子系统mi之间并联；

3、电池子系统mi包括电池组packi和变换器fi；电池组packi包括电池bi1至电池bin，变换器fi包括mos管qij1、mos管qij2，mos管qi1、mos管qi2、电感li和电容ci，其中，1≤i≤m，1≤j≤n；

4、电池组packi和变换器fi的连接关系为：电池bi1的正极连接mos管qi11的漏极，电池bi1的负极连接mos管qi12的源极，电池bi2的正极连接mos管qi21的漏极，电池bi2的负极连接mos管qi22的源极，......，电池bin的正极连接mos管qin1的漏极，电池bin的负极连接mos管qin2的源极；mos管qi11的源极连接mos管qi12的漏极，mos管qi21的源极连接mos管qi22的漏极，mos管qin1的源极连接mos管qin2的漏极；mos管qi11的源极和mos管qi21的漏极连接电感li的一端，电感li的另一端连接mos管qi1的源极和mos管qi2的漏极；mos管qi1的漏极连接电容ci的一端和总线的正极，mos管qi2的源极连接电容ci的另一端和总线的负极；电池bi1的负极和mos管qi12的源极连接mos管qi21的源极和mos管qi22的漏极，电池bi2的负极和mos管qi22的源极连接mos管qi31的源极和mos管qi32的漏极，......，电池bi(n-1)的负极和mos管qi(n-1)2的源极连接mos管qin1的源极和mos管qin2的漏极。

5、优选地，设置变换器fi中mos管qi1和mos管qi2的工作时序，根据电流流动路径及流动方向进行工作模态调整，从而实现总线电压稳定及电池模块间的soc均衡，即剩余能量状态均衡。

6、优选地，所述工作模态调整包括以下任一方式调整：

7、工作模态一调整：当电池储能系统向负载供电时，即电池储能系统放电时，根据电池子系统m1至电池子系统mm的soc状态，设置变换器f1至变换器fm中mos管q11和mos管q12至mos管qm1和mos管qm2的占空比，使电池子系统m1至电池子系统mm以不同的功率通过总线向负载放电，实现电池子系统m1至电池子系统mm之间的soc动态均衡；

8、工作模态二调整：当电源给电池储能系统充电时，根据电池子系统m1至电池子系统mm的soc状态，设置变换器f1至变换器fm中mos管q11和mos管q12至mos管qm1和mos管qm2的占空比，通过总线，使电池子系统m1至电池子系统mm以不同的功率充电，实现电池子系统m1至电池子系统mm之间的soc动态均衡；

9、工作模态三调整：s3，当总线不连接负载或电源时，设置变换器f1至变换器fm中mos管q11和mos管q12至mos管qm1和mos管qm2的占空比，电池子系统m1至电池子系统mm通过总线进行能量交换，实现电池子系统m1至电池子系统mm之间的soc静态均衡。

10、优选地，设置变换器f1至变换器fm中mos管qi11和mos管qi12至mos管qin1和mos管qin2的工作时序，根据能量流动路径及流动方向进行工作模态调整，从而实现单个电池子系统内部电池bi1至电池bin的soc均衡。

11、优选地，所述工作模态调整包括以下任一方式调整：

12、工作模态四调整：mos管qij1和mos管qij2的导通状态决定电池bij的工作状态，其中，1≤j≤n，当mos管qij1导通、mos管qij2关断时，电池bij串联接入电池组，当mos管qij1关断、mos管qij2导通时，电池bij被旁路；当电池子系统mi放电时，根据电池bi1至电池bin的soc状态，设置mos管qi11和mos管qi12至mos管qin1和mos管qin2的占空比，使电池bi1至电池bin以不同的工作时间通过变换器fi和总线向负载放电，实现电池bi1至电池bin的soc均衡；

13、工作模态五调整：当电池子系统mi充电时，根据电池bi1至电池bin的soc状态，设置mos管qi11和mos管qi12至mos管qin1和mos管qin2的占空比，使电池bi1至电池bin以不同的工作时间通过变换器fi和总线被电源充电，实现电池bi1至电池bin的soc均衡。

14、优选地，还包括判断所述系统是否满足以下条件：

15、条件一，均衡电路能量平衡：电池子系统mi通过总线进行能量交换的功率为pi，负载/电源通过总线进行能量交换的能量pload之间应该满足：

16、条件二，系统级能量均衡目标：能量通过变换器f1至变换器fm以及总线实现在电池组、负载/电源之间传输，均衡目标为实现电池子系统m1至电池子系统mm的soc一致，实现：soc1＝soc2＝...＝socm；各个电池子系统的输出端并联在直流总线上，通过控制电池子系统的输入、输出功率，实现电池子系统之间的能量均衡。

17、条件三，模块级能量均衡目标：设置mos管qi11和mos管qi12至mos管qin1和mos管qin2的占空比，调节电池bi1至电池bin的工作时间，均衡目标为实现单个电池子系统内电池bi1至电池bin的soc一致，实现：soci1＝soci2＝...＝socim。

18、对于同一个电池子系统的各节电池，其电感电流相同，因此，控制dij调节各节电池单体soc的变化率。当电池组放电时，电感电流ili＞0，则dij越大时，说明对应电池被旁路的时间越多，soc下降量越小，因此，soc越小的电池，其实际工作的dij应该越大，从而实现各节电池单体输出能量的差异；当电池组充电时，ili＜0，则dij越大时，soc上升量越小，因此，soc越小的电池，其实际工作的dij应该越小。

19、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明基于多输入单输出四开关buck-boost变换器设计，通过采用子系统内电池串联连接、子系统之间并联连接的结构，实现了按照应用需求灵活增加或减少电池或电池组的数量，展现出了强大的拓展性。同时，这种设计还减少了开关、电感、电容等元件的数量，有效降低了系统成本。该系统不仅能够实现电池组之间以及电池组内部的均衡，还具备在充放电状态下的动态均衡和无负载、电源连接时的静态均衡能力，从而在多种工况下提升了电池状态的一致性，延长了系统的使用寿命。此外，该系统还具备旁路故障电池的功能，即使电池出现故障，也不会影响系统的正常运行，显著提高了系统的容错性和安全性。

20、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。