CN106707190A - 链式储能系统中电池荷电状态均衡阈值的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电池组荷电状态均衡阈值的确定方法，包括：S1：计算电池组中第i个电池模块可充放电的最大时长T_i；S2：计算电池组中第i个电池模块SOC的下降率k_i；S3：计算电池组的平均荷电状态值S4：计算电池组的不均衡度ε；S5：当电池组的实际不均衡度ε大于ε_low时，启动第一均衡控制策略，其中，本发明还公开一种储能电池荷电状态均衡阈值的确定方法。本发明中的链式储能系统中电池荷电状态均衡阈值的确定方法，基于不均衡度的思想，通过合理的均衡阈值，能够有效的提高电池的循环寿命。

Description

链式储能系统中电池荷电状态均衡阈值的确定方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地，涉及一种链式储能系统中电池荷电状态均衡阈值的确定方法。

背景技术

荷电状态(State Of Charge,SOC)是指电池组剩余容量与其完全充电状态的容量之比。链式储能系统中同相各逆变单元流过相同的电流，各电池模块必须同时进行充放电。因此，各电池组由于生产工艺和使用等原因导致的荷电状态的差异，在充放电过程中不断扩大。假设电池SOC的正常工作范围为[30％，100％]，那么，在充电过程中当有电池模块的SOC提前升至100％，或者在放电过程中有电池模块的SOC提前降至30％时，整个电池储能系统就将退出运行。可见，最早结束充放电的电池模块将成为决定整个储能系统容量和可用率的瓶颈因素，各电池模块SOC的差异将严重降低电池储能系统的利用率，缩短电池的使用寿命。

SOC均衡控制分为相间均衡控制和相内均衡控制。根据电网接入方式的不同可将链式系统分为星形与三角形两种，链式系统根据不同的接入电网方式具有不同的控制自由度。对于三角形接线系统没有物理上的中性点，但具有可控的零序环流，通过调节零序电流相量可以达到相间SOC均衡控制；星形接线系统中中性点电位的选取引入了可控的零序电压，可通过调节其幅值和相位来改变各相之间的功率分布，达到相间SOC均衡控制目的。

文献《储能系统荷电状态的均衡方法及装置.申请号：201510907073.3》提供了一种储能系统荷电状态的均衡方法及装置，但没有给出均衡阈值的确定方法。而在实际中，均衡阈值的确定十分重要，合理的均衡阈值能够有效提高电池的循环寿命。

因此，需要提供一种链式储能系统中电池荷电状态均衡阈值的确定方法。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种电池组荷电状态均衡阈值的确定方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种电池组荷电状态均衡阈值的确定方法，该方法包括以下步骤：

S1：电池组中第i个电池模块可充放电的最大时长T_i：

其中：S_Ni为第i个电池模块的额定容量，I_i为电池的充放电电流，b为电池正常工作范围SOC最大值，a为电池正常工作范围SOC最小值；

S2：计算电池组中第i个电池模块SOC的下降率k_i：

S3：计算电池组的平均荷电状态值

其中：N为电池组中电池模块的总数量，SOC_i为电池组中第i个电池模块的荷电状态值，i、N为自然数且1≤i≤N；

S4：计算电池组的不均衡度ε：

S5：计算电池组荷电状态的第一均衡阈值ε_low：

S6：第一均衡控制策略启动判断：

当电池组的实际不均衡度ε大于ε_low时，启动第一均衡控制策略。

优选地，b取值为100％，a取值为30％。

进一步优选地，第一均衡控制策略为一次充放电过程调节。

优选地，当电池组的实际不均衡度ε大于ε_high时，启动第二均衡控制策略：

其中，ε_high为电池组荷电状态的第二均衡阈值。

进一步优选地，第二均衡控制策略为多次充放电过程调节。

优选地，当电池组的实际不均衡度ε小于ε_low时，退出电池自均衡控制。

本发明的另一个目的在于提供一种储能电池荷电状态均衡阈值的确定方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种储能电池荷电状态均衡阈值的确定方法，该方法包括以下步骤：

S1：计算储能电池中第j个电池组的平均荷电状态值SOC_j：

其中，N为第j个电池组中电池模块的总数量，SOC_i为电池组中第i个电池模块的荷电状态值，i、N为自然数且1≤i≤N；

S2：计算储能电池的平均荷电状态值

其中：M为储能电池中电池组的总数量，SOC_j为储能电池中第j个电池组的平均荷电状态值，j、M为自然数且1≤j≤M；

S3：计算储能电池的不均衡度ε'：

S4：确定ε_ydis为放电均衡阈值，ε_ycha为充电均衡阈值，且

放电过程中，若ε'大于ε_ydis，则启动均衡控制策略；

充电过程中，若ε'大于ε_ycha，则启动均衡控制策略。

优选地，放电均衡阈值ε_ydis和充电均衡阈值ε_ycha根据下式确定：

其中，SOC_min为储能电池中M个电池组平均荷电状态值中的最小值，SOC_max为储能电池中M个电池组平均荷电状态值中的最大值。

优选地，以时间为X轴，以电池荷电状态值为Y轴，构建储能电池工作区域(X，Y)，并将工作区域中电荷状态值为65％～100％对应的区域定义为I区，将工作区域中电荷状态值为30％～65％对应的区域定义为II区，放电均衡阈值ε_ydis和充电均衡阈值ε_ycha满足下式：

放电过程电池SOC工作的最低限值为30％，放电均衡阈值ε_ydis满足：

充电过程电池SOC工作的最高限值为100％，充电均衡阈值ε_ycha满足：

本发明的有益效果如下：

本发明中的一种链式储能系统中电池荷电状态均衡阈值的确定方法，基于不均衡度的思想，提出的电池组荷电状态均衡阈值的确定方法及储能电池荷电状态均衡阈值的确定方法，通过合理的均衡阈值，能够有效的提高电池的循环寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出电池SOC不均衡状态(1)的示意图。

图2示出电池SOC不均衡状态(2)的示意图。

图3示出电池SOC不均衡状态(3)的示意图。

图4示出电池组荷电状态均衡阈值的确定方法步骤图。

图5示出电池SOC工作区域示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

荷电状态SOC值是一个表示与电流、温度、电压、电池使用时间等相关的非线性变量。对于电池组来说，多个电池模块SOC不均衡的情况可归纳为以下3种：

(1)如图1所示，个别电池模块SOC值远高于整体平均值；

(2)如图2所示，个别电池模块SOC值远低于整体平均值；

(3)如图3所示，一部分电池模块SOC值比整体平均值高，另外一部分比整体平均值低，虽较为分散但分布均匀。

如图4所示，一种电池组荷电状态均衡阈值的确定方法，该方法包括以下步骤：

S1：假设第i个电池模块以恒定功率P_i放电/充电，其额定电压为V_Ni，放/充电电流：

电池组中第i个电池模块可充放电的最大时长T_i：

其中：S_Ni为第i个电池模块的额定容量，I_i为电池的充放电电流，b为电池正常工作范围SOC最大值，a为电池正常工作范围SOC最小值；

本发明中，电池SOC从100％放电至30％的时长为(即为电池可充放电的最大时长)：

S2：理论计算，在时间t内SOC下降值为：

进一步地，计算电池组中第i个电池模块SOC的下降率k_i：

S3：计算电池组的平均荷电状态值

其中：N为电池组中电池模块的总数量，SOC_i为电池组中第i个电池模块的荷电状态值，i、N为自然数且1≤i≤N；

S4：计算电池组的不均衡度ε：

S5：确定均衡阈值：

为了能在时间t内达到均衡的目标，要求理论计算值略大于实际值：

由此，得到第i个电池的不均衡度为：

即当检测到电池组不均衡度满足ε≥ε_low时，启动均衡控制策略，具体地：

1)、当电池组的实际不均衡度ε大于ε_low时，启动第一均衡控制策略，第一均衡控制策略为一次充放电过程调节：

其中，ε_low为电池组荷电状态的第一均衡阈值。

2)、当电池组的实际不均衡度ε大于ε_high时，启动第二均衡控制策略，第二均衡控制策略为多次充放电过程调节：

其中，ε_high为电池组荷电状态的第二均衡阈值。

本发明中，电池组SOC的不均衡度范围为：ε_low≤ε_i≤ε_high。ε_high和ε_low为均衡控制策略启动的上下限值，且满足以下条件：

当ε_i＞ε_high时，均衡电路不能经过一次充放电过程调节使所有电池达到均衡的状态；

当ε_i＜ε_low值时，认为电池组间是均衡的，可以退出电池自均衡控制，也可以等到不均衡度下降到ε_i＝0再退出均衡控制方式，即当电池组的实际不均衡度ε小于ε_low时，退出电池自均衡控制或当电池组的实际不均衡度ε等于零时，退出电池自均衡控制；

当ε_i≥ε_low时，可以启动电池自均衡控制。

本发明中，b取值为100％，a取值为30％。电池SOC值在[30％，100％]范围内为线性工作区域，是较为理想的工作状态，因此一般要保护电池充放电过程中SOC维持在此范围之内。

用“基于电池能量状态的串联电池组不均衡度”思想来表示电池组间SOC值的不一致性，储能电池电池组间SOC值不均衡事实上也是一种能量上的不均衡形式。基于能量状态的串联不均衡度是表示在电池组串联运行的情况下，由于能量状态的不同而出现的工作能力不一致的程度。

一种储能电池荷电状态均衡阈值的确定方法，该方法包括以下步骤：

S1：计算储能电池中第j个电池组的平均荷电状态值SOC_j：

其中，N为第j个电池组中电池模块的总数量，SOC_i为电池组中第i个电池模块的荷电状态值，i、N为自然数且1≤i≤N；

S2：计算储能电池的平均荷电状态值

其中：M为储能电池中电池组的总数量，SOC_j为储能电池中第j个电池组的平均荷电状态值，j、M为自然数且1≤j≤M；

S3：计算储能电池的不均衡度ε'：

S4：确定ε_ydis为放电均衡阈值，ε_ycha为充电均衡阈值，且

放电过程中，若ε'大于ε_ydis，则启动均衡控制策略；

充电过程中，若ε'大于ε_ycha，则启动均衡控制策略。

在一个示例中，放电均衡阈值ε_ydis和充电均衡阈值ε_ycha根据下式确定：

其中，SOC_min为储能电池中M个电池组平均荷电状态值中的最小值，SOC_max为储能电池中M个电池组平均荷电状态值中的最大值。

在另一个示例中，如图5所示，以时间为X轴，以电池荷电状态值为Y轴，构建储能电池工作区域(X，Y)，并将工作区域中电荷状态值为65％～100％对应的区域定义为I区，将工作区域中电荷状态值为30％～65％对应的区域定义为II区。不同的工作区域，自均衡控制策略启动的阈值不相同：

1)、越接近极限值的电池组可调整的范围越小，启动阈值越小；

2)、离极限值越远的电池组可调整的范围越大，启动阈值越大。

放电均衡阈值ε_ydis和充电均衡阈值ε_ycha满足下式：

放电过程电池SOC工作的最低限值为30％，放电均衡阈值ε_ydis满足：

充电过程电池SOC工作的最高限值为100％，充电均衡阈值ε_ycha满足：

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种电池组荷电状态均衡阈值的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：电池组中第i个电池模块可充放电的最大时长T_i：

$T_i=\frac{(b-a)S_{Ni}}{I_i}$

其中：S_Ni为第i个电池模块的额定容量，I_i为电池的充放电电流，b为电池正常工作范围SOC最大值，a为电池正常工作范围SOC最小值；

S2：计算电池组中第i个电池模块SOC的下降率k_i：

$k_i=\frac{I_i}{S_{Ni}};$

S3：计算电池组的平均荷电状态值

$\stackrel{\‾}{SOC}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SOC}}_i$

其中：N为电池组中电池模块的总数量，SOC_i为电池组中第i个电池模块的荷电状态值，i、N为自然数且1≤i≤N；

S4：计算电池组的不均衡度ε：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{SOC}}_i-\stackrel{\‾}{SOC})}^2}}{\stackrel{\‾}{SOC}};$

S5：计算电池组荷电状态的第一均衡阈值ε_low：

${\mathrm{\ϵ}}_{low}=1-k_i\·T_i/\stackrel{\‾}{SOC}$

S6：第一均衡控制策略启动判断：

当电池组的实际不均衡度ε大于ε_low时，启动第一均衡控制策略。

2.根据权利要求1所述的电池组荷电状态均衡阈值的确定方法，其特征在于，b取值为100％，a取值为30％。

3.根据权利要求1所述的电池组荷电状态均衡阈值的确定方法，其特征在于，所述第一均衡控制策略为一次充放电过程调节。

4.根据权利要求1所述的电池组荷电状态均衡阈值的确定方法，其特征在于，当电池组的实际不均衡度ε大于ε_high时，启动第二均衡控制策略：

${\mathrm{\ϵ}}_{high}=1+k_i\·T_i/\stackrel{\‾}{SOC}$

其中，ε_high为电池组荷电状态的第二均衡阈值。

5.根据权利要求4所述的电池组荷电状态均衡阈值的确定方法，其特征在于，所述第二均衡控制策略为多次充放电过程调节。

6.根据权利要求1所述的电池组荷电状态均衡阈值的确定方法，其特征在于，当电池组的实际不均衡度ε小于ε_low时，退出电池自均衡控制。

7.一种储能电池荷电状态均衡阈值的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：计算储能电池中第j个电池组的平均荷电状态值SOC_j：

${\mathrm{SOC}}_j=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SOC}}_i$

其中，N为第j个电池组中电池模块的总数量，SOC_i为电池组中第i个电池模块的荷电状态值，i、N为自然数且1≤i≤N；

S2：计算储能电池的平均荷电状态值

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{SOC}}^{\′}}=\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SOC}}_j$

其中：M为储能电池中电池组的总数量，SOC_j为储能电池中第j个电池组的平均荷电状态值，j、M为自然数且1≤j≤M；

S3：计算储能电池的不均衡度ε'：

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\frac{\sqrt{\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{SOC}}_j-\stackrel{\‾}{{\mathrm{SOC}}^{\′}})}^2}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{SOC}}^{\′}}};$

S4：确定ε_ydis为放电均衡阈值，ε_ycha为充电均衡阈值，且

放电过程中，若ε'大于ε_ydis，则启动均衡控制策略；

充电过程中，若ε'大于ε_ycha，则启动均衡控制策略。

8.根据权利要求7所述的储能电池荷电状态均衡阈值的确定方法，其特征在于，所述放电均衡阈值ε_ydis和充电均衡阈值ε_ycha根据下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{ydis}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{SOC}}^{\′}}-SO{C}_{min}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{ycha}={\mathrm{SOC}}_{\max }-\stackrel{\‾}{{\mathrm{SOC}}^{\′}}\end{array}\right.$

其中，SOC_min为储能电池中M个电池组平均荷电状态值中的最小值，SOC_max为储能电池中M个电池组平均荷电状态值中的最大值。

9.根据权利要求7所述的储能电池荷电状态均衡阈值的确定方法，其特征在于，以时间为X轴，以电池荷电状态值为Y轴，构建储能电池工作区域(X，Y)，并将所述工作区域中电荷状态值为65％～100％对应的区域定义为I区，将所述工作区域中电荷状态值为30％～65％对应的区域定义为II区，所述放电均衡阈值ε_ydis和充电均衡阈值ε_ycha满足下式：

放电过程电池SOC工作的最低限值为30％，放电均衡阈值ε_ydis满足：

充电过程电池SOC工作的最高限值为100％，充电均衡阈值ε_ycha满足：