一种串并联电池储能系统分层能量均衡方法

本发明设计自动化控制领域，尤其涉及一种串并联电池储能系统分层能量均衡方法。

背景技术：

1、随着社会的高速发展，对能源的需求也随之增大。解决汽车工业发展的能耗问题，大力发展新能源电动汽车、使用清洁能源代替化石能源，坚持电动化、网联化、智能化发展方向，以融合创新为重点，突破关键核心技术，优化产业发展环境，已经成为电动汽车行业发展的航标。

2、为满足应用需求，通常需要将多节电池串并联形成电池组使用，但单节电池之间的特性差异会导致储能系统可用容量降低、使用寿命缩短。此外，电池的充放电行为也会对其使用寿命造成很大影响，例如，高频突变电流会对电池性能造成损害。锂离子电池具有动态非线性特性，对其可靠性关键技术的研究直接影响到电动汽车的质量和整体性能。因此，研究锂离子电池组能量均衡方法对提高大规模储能系统的运行效率、稳定性、安全性，以及降低成本具有重大意义。

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，特别创新地提出了一种串并联电池储能系统分层能量均衡方法。

2、为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种串并联电池储能系统分层能量均衡方法，其关键在于，包括如下步骤：

3、s1，基于串并联电池储能系统开关组的工作时序，建立单节电池周期平均电流与电感电流的关系式；

4、所述串并联电池储能系统包括m个电池子系统，每个电池子系统包括n对开关组和boost变换器，所述n对开关组用于将n节电池串联连接，其中每对开关组与一节电池连接；开关可为mos管、igbt等。

5、m个电池子系统的正极通过总线与电源/负载的正极相连，m个电池子系统的负极通过总线与电源/负载的负极相连，电池子系统之间并联；1≤i≤m，1≤j≤n；能量通过能量总线在电池子系统与负载/电源之间，电池子系统和电池子系统之间进行传输。

6、s2，基于单节电池周期平均电流与电感电流的关系式，采用安时积分法建立单个电池子系统的剩余能量状态(soc)模型，并推导出电池子系统的平均soc模型；

7、s3，基于电池子系统的平均soc模型，设计分层均衡控制策略，通过所述分层均衡控制策略得到串并联电池储能系统的电感电流参考值，其中，电感电流为boost变换器中的电感电流。

8、优选的，所述s1包括：

9、开关组除了作为多输入单输出四开关buck-boost变换器的功率开关外，其工作状态还决定了对应的电池单体是否接入串联电池组。对于同一个电池子系统的各节电池，为减小变换器输入电压的波动，设定同一时刻只有一节电池被旁路，其他电池都接入电路工作时，电池依次被旁路：当第i个电池子系统的第j节电池bij被旁路时(1≤i≤m,1≤j≤n)，与该电池相对应的输入端开关组的工作状态满足：

10、qij1＝0和qij2＝1，

11、其中，qij1和qij2表示该节电池单体对应的开关组的状态，且1表示开关导通，0表示开关关断。

12、设定t1为输入开关组的工作周期，定义dij为开关qij2的占空比，则(1-dij)为开关qij1的占空比，iij为电池电流，ili为电感电流。当电池bij被旁路时，电池电流为0，否则，电池电流等于电感电流，即电池电流满足：

13、当电路稳态运行时，认为周期t1内平均电感电流为常值，因此，检测电感电流后，能通过占空比求出各节电池单体在一个周期内的平均电流，即满足：其中，为一个工作周期内电池bij电流的平均值。

14、优选的，所述s2包括：

15、对于电池bij，在t时刻的剩余能量状态(soc)用安时积分法求取，即：

16、

17、其中，socij(t0)为电池bij在t0时刻的soc；

18、q为电池容量，

19、iij为电池电流，且同个子系统所有电池的容量相同。

20、求取一个周期内电池bij的soc变化值，得到：

21、

22、其中，为一个工作周期内电池bij电流的平均值。

23、结合上述公式，推导得到：

24、其中，dij为开关qij2的占空比，与之对应的，(1-dij)为开关qij1的占空比；

25、δsocij由其输入端开关占空比和电感电流决定。

26、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。

27、其中，对于同一个电池子系统，各个开关组的占空比满足：

28、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。对于第i个电池子系统，用该电池子系统内所有电池的平均soc来代表该电池组的能量情况，定义为soci，则：socij为电池bij的soc；结合上述公式，推导得到单个电池子系统的剩余能量状态(soc)模型：

29、

30、其中，t1表示第i个电池子系统的开关组控制周期；

31、ili表示第i个电池子系统的电感电流。

32、一个周期内电池子系统的平均soc的变化量由其电感电流决定，通过控制电感电流，实现电池子系统之间的能量均衡。

33、优选的，所述s3的分层均衡控制策略为主从控制结构，从控制器为每个电池子系统的控制器，用于本地电池子系统的电路控制，主控制器用于生成从控制器的电流参考值；

34、从控制器将本地电池子系统的变换器输入电压、输出电压、电感电流等参数上传到主控制器中，在主控制器中完成电池子系统的soc(soci)及电池子系统内单节电池的soc(socij)估计，并根据soc状态为各个从控制器产生作为控制参考值的电流参考值，并将更新后的soc和控制指令传送给各个从控制器：

35、电池子系统之间的组间均衡目标是通过调节每个电池子系统的输出功率来实现其soci达到稳态值，即所有电池子系统的soc平均值。

36、电池子系统组内均衡目标是通过调节电池单体的工作时间(一个工作周期)来实现其socij达到稳态值，即电池子系统内所有电池的soc平均值。

37、在主控制器中，通过检测总线电压，并利用电压补偿器gv(s)来生成电池系统输入总电流参考值irefall，表示为：

38、irefall＝gv(s)(vref-vbus)，

39、其中，gv(s)为传递函数，代表电压补偿器；

40、vref表示电压参考值；

41、vbus表示总线电压；

42、并将平均值irefall/m设为每个子系统的输入电流参考值，通过平均值irefall/m与电池子系统soc参考值socavg进行比较，得到第i个电池子系统的soc误差值δsoci，并通过组间能量均衡算法fmod产生该子系统的电流参考值：

43、

44、其中，irefi表示第i子系统的电流参考值；

45、kmod为增益参数；

46、对于所有电池子系统，局部输入电流参考值满足：

47、从控制器的参考电流来自两部分：一部分是来自主控制器的局部输入电流参考值irefall/m；另一部分是由组间能量均衡算法fmod(δsoci)产生的电流参考值irefi。因此，从控制器的电流参考值为(irefall/m+irefi)，并通过电流补偿器gi(s)和pwm信号发生电路产生pwm波形对变换器进行控制。

48、优选的，还包括：根据系统充放电状态确定均衡控制策略中增益参数kmod的取值范围；

49、当电池系统放电时，soc越大的电池子系统，希望其放电量越高，反之，希望放电量越小，因此，kmod的取值应大于0。

50、为保证放电过程中所有电池子系统都放电，因此，kmod满足约束条件：

51、

52、其中，iref为电池子系统电感电流的稳态值，且iref＞0。

53、根据δsoci的符号进一步分析，得到：

54、

55、其中，当δsoci＝0时，约束的第二项恒为0，kmod不受约束。因此，需要通过soci≠0时的情况来对kmod进行约束，后面的分析同理。最终得到放电情况下kmod的取值范围：当电池系统充电时，iref＜0，因此，soc越大的电池子系统，希望其充电量越低，反之，希望充电量越大，因此，kmod的取值依旧大于0。kmod满足约束条件：根据δsoci的符号进一步分析，得到公式：

56、

57、最终得到充电情况下kmod的取值范围：

58、

59、综上，得到电池子系统充放电情况下kmod的取值范围：

60、

61、其中，| |为绝对值；

62、iref表示iref的稳态值，iref为子系统的电流参考值；

63、soci表示第i个电池子系统的能量；

64、|·|max表示取绝对值的最大值。

65、对于组内电池均衡，通过调节电池单体工作时间来调整电池充放电能量大小，等效为调节开关组的占空比。

66、优选的，主控制器还用于为所有从控制器生成控制指令，即单节电池的占空比：

67、所述单节电池的占空比由两部分组成：一部分是组内所有电池占空比的稳态值，在这里稳态值为1/n；另一部分是根据socij与组内soc参考值sociavg进行比较，得到组内第j个电池误差δsocij，并通过组内能量均衡算法fsub产生该电池的占空比差值：

68、

69、其中，δdij表示第i子系统内第j个电池的电流参考值；

70、kisub为增益参数。

71、对于所有电池单体，占空比差值满足：

72、优选的，还包括：根据系统充放电状态确定均衡控制策略中增益参数kisub的取值范围；

73、当第i个电池子系统放电时，soc越大的电池单体，希望其放电量越高，反之，希望放电量越小，因此，kisub的取值应大于0。

74、由于占空比需满足条件：0≤dij≤1，因此，kisu需要满足约束条件：其中，sociavg为组内所有电池单体的soc平均值。根据δsocij的符号进一步分析，得到：

75、

76、最终得到电池子系统放电情况下kisub的取值范围：

77、

78、当第i个电池子系统充电时，soc越大的电池单体，希望其充电量越低，反之，希望充电量越高，因此，kisub的取值应小于0。结合δsocij的符号进行分析，得到电池子系统充电情况下kisub的取值范围：

79、

80、随着均衡的进行，soci趋于socavg、socij趋于sociavg，所以，需要依据soc初始值对kmod和kisub的取值进行约束。

81、优选的，所述电池子系统采用电压、电流双闭环pi控制结构，实现对系统电压和电流的控制：

82、电池子系统采用电压、电流双闭环pi控制结构，其中，电压补偿器为kpv、kiv分别为比例增益和积分增益；电流补偿器为kpi、kii分别为比例增益和积分增益，s为信号在频域的一种表示。通过分析电压环和电流环的开环频域特性设计控制器参数，需满足系统稳定性要求，且电流环的截止频率要远远大于电压环，使其动态响应速度更快，能快速进行调节，具有更强的抗干扰能力。

83、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明实现了电池组内电池单体的soc均衡以及电池组之间的soc均衡，从而实现所有电池单体的soc均衡。通过对组间能量均衡算法和组内能量均衡算法的增益参数的分析，求取其取值范围，实现充电/放电情况下，各个电池子系统的能量流动方向相同，避免能量的来回转移造成的额外能量损耗。

84、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。