一种新型可重构电池拓扑及分流均衡方法

1.本发明属于电池储能技术领域，特别是涉及一种新型可重构电池拓扑及分流均衡方法。


背景技术：

2.随着社会快速发展，现代化进程不断推进，城镇对电能的需求与日俱增。由于传统发电所需的化石类能源会对环境有害且不可再生，国家大力推广以风电、光伏等新能源发电政策。在新能源发电系统中，储能系统是关键的部件，其中电池储能系统又占据了储能系统的关键位置。电池储能系统既可作为“源”，也可作为“荷”，能够在风、光发电不足时放电，在风、光发电过剩时存储电能，亦可用于削峰填谷，平滑输出，对维持电力系统的稳定起着重要作用。
3.通常单体电池的电压只有几伏，无法满足储能系统的电压和容量要求，因此需要将上万个电池以串联或并联的形式连接在一起组成电池组。由于内阻、生产差异、外界环境等内部和外部原因，电池组各单体电池的荷电状态在工作过程中不能保持均衡，其荷电状态差异会越来越大，形成“木桶效应”。“木桶效应”的存在使得无法最大化利用电池组的容量，因为各电池之间的荷电状态不均衡，为了避免过充和过放影响电池使用寿命，充电时当电池组中的某个电池充满电后整个电池组需要停止充电，放电时当其中某个电池放完电后整个电池组也要停止放电，极大地影响了电池组的使用效率，为此必须对电池组进行均衡。
4.传统均衡方法包括被动均衡和主动均衡，被动均衡是通过并接电阻来耗散掉电池组中荷电状态较高的单体电池的多余能量，而主动均衡则是通过储能元件使能量在电池间传递。耗散掉多余能量的方式会降低电池组能量的利用率，而通过储能元件使能量在电池间传递的方式则降低了均衡效率。可重构电池组被认为是上述问题的另一种解决方案，通过变换开关状态从而改变电池的工作状态能够提升电池组的性能和延长电池组的使用寿命。但是，可重构电池组的灵活性与可靠性相互矛盾，且单体电池的旁路与再入使电池簇输出电压波动较大，现有可重构电池拓扑难以兼顾电池组可靠性高、输出电压波动小、均衡效率高的特点。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种新型可重构电池拓扑及分流均衡方法，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种新型可重构电池拓扑，包括：
7.若干个依次连接的电池模块；
8.每个所述电池模块均由电池bi、第一开关s
i1
、第二开关s
i2
、第三开关p
i1
和第四开关p
i2
组成，其中一个电池模块bn还额外连接有一个旁路开关；
9.所述第一开关s
i1
用于电池串联，所述第二开关s
i2
用于电池旁路，所述第三开关p
i1
和所述第四开关p
i2
用于电池并联，整个电池组初始状态为串联；当所述电池bi串联时，第一
开关s
i1
闭合，第二开关s
i2
、第三开关p
i1
和第四开关p
i2
关断；当所述电池bi并联时，第三开关p
i1
和第四p
i2
闭合，第一开关s
i1
和第二开关s
i2
关断；当所述电池bi旁路时，第二开关s
i2
闭合，第一开关s
i1
、第三开关p
i1
和第四开关p
i2
关断。
10.另一方面，本发明提供了一种新型可重构电池拓扑分流均衡方法，包括以下步骤：
11.s1.确定电池组的工作状态；
12.s2.判断是否有无法正常工作的电池模块，若有，对其进行旁路；
13.s3.获取各电池模块的荷电状态；
14.s4.对电池组进行分流均衡；
15.s5.重复执行s3和s4，直至各电池模块达到均衡精度。
16.可选的，所述s1中，
17.所述电池组的工作状态包括：充电状态、放电状态。
18.可选的，所述s2中，
19.所述无法正常工作的电池模块为：充电时满电的电池模块，放电时荷电状态低于设定阈值的电池模块，以及因短路、断路故障造成的无法工作的电池模块。
20.可选的，所述s4的具体步骤为：
21.s401：对所有电池模块的荷电状态进行排序；
22.s402：确定两个荷电状态最低的电池模块和两个荷电状态最高的电池模块；
23.s403：将两个荷电状态最低的电池模块并联、将两个荷电状态最高的电池模块并联；
24.s404：放电至有其余电池模块的荷电状态比所述两个荷电状态最低的电池模块的荷电状态低、充电至有其余电池模块的荷电状态比所述两个荷电状态最高的电池模块的荷电状态高。可选的，所述s403中，
25.开关初始状态为s
i1
闭合，s
i2
，p
i1
和p
i2
关断，电池bi和b
i+1
并联时，开关p
i1
，p
i2
和开关p
(i+1)1
，p
(i+1)2
闭合，开关s
(i+1)1
关断；当电池bi和bj(i，j不相等且不相连)并联时，开关p
i1
，p
i2
和开关p
j1
，p
j2
闭合，开关s
j2
闭合，开关s
j1
关断；电池bn被并联时，开关s
(n+1)1
关断；输出电压始终为n-1个电池电压的总和。
26.本发明的技术效果为：
27.本发明所提出的可重构电池拓扑中每个电池模块配置四个开关，其中电池模块bn额外配置一个旁路开关。开关s
i1
用于电池串联，开关s
i2
用于电池旁路，开关p
i1
和p
i2
用于电池并联，能够完成电池模块的串联、并联、旁路以及混联功能。整个电池组串联工作，放电时，并联两个荷电状态最低的电池模块减小其荷电状态的降低速度，充电时，并联两个荷电状态最高的电池模块减小其荷电状态的升高速度，最终实现所有电池模块荷电状态均衡。本发明能够提高电池组的可靠性，减小输出电压波动，均衡电池模块的荷电状态实现电池组的最大容量利用。
28.本发明提出的新型可重构电池拓扑具有较高的灵活性，具有较高的容错性能，能够提升电路的可靠性，仿真表明，基于新型可重构电池拓扑的分流均衡方法在实现电池均衡、提升电池组容量利用率的基础上，能够提供较稳定的输出电压。
附图说明
29.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
30.图1为本发明实施例中的新型可重构电池拓扑；
31.图2为本发明实施例中的新型可重构电池拓扑的串联容错；
32.图3为本发明实施例中的新型可重构电池拓扑的并联容错；
33.图4为本发明实施例中的新型可重构电池拓扑工作的流程图；
34.图5为本发明实施例中的放电过程中分流均衡示意图；
35.图6为本发明实施例中的放电均衡过程中电池组中各电池的荷电状态曲线；
36.图7为本发明实施例中的充电均衡过程中电池组中各电池的荷电状态曲线；
37.图8为本发明实施例中的放电均衡过程中电池组的输出电压曲线。
具体实施方式
38.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
39.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
40.针对现有技术中存在的不足之处，本发明提出了一种新型可重构电池拓扑及分流均衡方法，其目的是在实现各电池模块均衡功能的基础上，保持每一时刻都有一个电池模块与其它电池模块并联，电池组输出电压与电池模块输出电压关系固定，电压波动较小。同时，综合比较现有可重构电池拓扑，针对一个电池模块，本拓扑仅采用四个开关即可完成串、并联及其旁路以及分流均衡策略，而现有的其他拓扑则需要五开关甚至六开关，在保证电池组灵活性的前提下，使用开关数量减少，电池组可靠性较高。
41.本发明是通过以下技术方案来实现：
42.本发明公开了一种新型可重构电池拓扑，电路拓扑包括：
43.每个电池模块配置四个开关，电池模块bn额外配置一个旁路开关，开关s
i1
用于电池串联，开关s
i2
用于电池旁路，开关p
i1
和p
i2
用于电池并联，整个电池组初始状态为串联。当电池模块bi串联时，开关s
i1
闭合，开关s
i2
，p
i1
和p
i2
关断；当电池模块bi并联时，开关p
i1
和p
i2
闭合，开关s
i1
和s
i2
关断；当电池模块bi旁路时，开关s
i2
闭合，开关s
i1
，p
i1
和p
i2
关断。
44.一种用于新型可重构电池拓扑的分流均衡方法，包括以下步骤：
45.步骤1：确定电池组的工作状态；
46.步骤2：判断是否有无法正常工作的电池模块，若有，对其进行旁路；
47.步骤3：获取各电池模块的荷电状态；
48.步骤4：对电池组进行均衡；
49.步骤5：重复执行步骤3和步骤4，直至各电池模块达到均衡精度。
50.作为本发明的进一步改进，在所述步骤1中，
51.所述电池组的工作状态包括充电、放电两种状态。
52.作为本发明的进一步改进，在所述步骤2中，
53.无法正常工作的电池模块是指充电时满电的电池模块，放电时荷电状态低于设定阈值的电池模块，以及因短路、断路等故障造成的无法工作的电池模块。
54.作为本发明的进一步改进，在所述步骤4中，充电(放电)均衡方法具体包括：
55.步骤4.1：对所有电池模块的荷电状态进行排序；
56.步骤4.2：确定两个荷电状态最低(最高)的电池模块；
57.步骤4.3：将两个荷电状态最低(最高)的电池模块并联；
58.步骤4.4：放电(充电)至两个荷电状态最低(最高)的电池模块发生变化。
59.步骤4.3中，开关初始状态为s
i1
闭合，s
i2
，p
i1
和p
i2
关断，电池模块bi和b
i+1
并联时，开关p
i1
，p
i2
和开关p
(i+1)1
，p
(i+1)2
闭合，开关s
(i+1)1
关断；当电池模块bi和bj(i，j不相等且不相连)并联时，开关p
i1
，p
i2
和开关p
j1
，p
j2
闭合，开关s
j2
闭合，开关s
j1
关断；电池模块bn被并联时，开关s
(n+1)1
关断。输出电压始终为n-1个电池模块电压的总和。
60.实施例一
61.如图1-7所示，本实施例中提供一种新型可重构电池拓扑及分流均衡方法，包括：
62.如图1所示，本发明提供一种新型可重构电池拓扑，具体包括：
63.每个电池模块配置四个开关，电池模块bn额外配置一个旁路开关，开关s
i1
用于电池串联，开关s
i2
用于电池旁路，开关p
i1
和p
i2
用于电池并联，整个电池组初始状态为串联。
64.如图2所示，当电池模块bi串联时，开关s
i1
闭合，开关s
i2
，p
i1
和p
i2
关断；当电池模块bi串联旁路时，开关s
i2
闭合，开关s
i1
，p
i1
和p
i2
关断。
65.如图3所示，当电池模块bi并联时，开关p
i1
和p
i2
闭合，开关s
i1
和s
i2
关断；当电池模块bi并联旁路时，开关s
i1
，s
i2
，p
i1
和p
i2
关断。
66.如图4所示，本发明提供一种基于新型可重构电池拓扑的分流均衡方法，具体包括：
67.步骤1：确定电池组的工作状态；其中，电池组的工作状态包括放电、充电两种状态。
68.步骤2：判断是否有无法正常工作的电池模块，若有，对其进行旁路；其中，无法正常工作的电池模块是指充电过程中满电的电池模块，放电过程中荷电状态低于设定阈值的电池模块，以及因短路、断路等故障造成的无法工作的电池模块。
69.步骤3：获取各电池模块的荷电状态；
70.步骤4：对电池组进行均衡；
71.如图5所示，以放电均衡过程为例，具体包括：
72.步骤4.1：对所有电池模块的荷电状态进行排序；
73.步骤4.2：确定两个荷电状态最低的电池模块；此时电池模块b3和b4荷电状态最低。
74.步骤4.3：将两个荷电状态最低的电池模块并联；控制开关p
31
，p
32
和开关p
41
，p
42
闭合，开关s
41
关断，其余开关状态不变，使两个荷电状态最低的电池模块b3和b4并联进行分流放电。
75.步骤4.4：放电至两个荷电状态最低的电池模块发生变化，即放电至有其余电池模块的荷电状态比所述两个荷电状态最低的电池模块的荷电状态低；放电一段时间后，荷电状态最低的两个电池模块变为b2和b4。
76.步骤5：重复执行步骤3和步骤4，直至各电池模块达到均衡精度。
77.基于matlab/simulink，以4个电池组成的可重构电池组为对象，对电池组的分流均衡过程仿真，参考图6、图7和图8说明本发明提高的新型可重构电池拓扑及分流均衡方法能够最大化电池组容量利用率，且能够提供稳定的输出电压。
78.本发明所提出的可重构电池拓扑中每个电池模块配置四个开关，其中电池模块bn额外配置一个旁路开关。开关s
i1
用于电池串联，开关s
i2
用于电池旁路，开关p
i1
和p
i2
用于电池并联，能够完成电池模块的串联、并联、旁路以及混联功能。整个电池组串联工作，放电时，并联两个荷电状态最低的电池模块减小其荷电状态的降低速度，充电时，并联两个荷电状态最高的电池模块减小其荷电状态的升高速度，最终实现所有电池模块荷电状态均衡。本发明能够提高电池组的可靠性，减小输出电压波动，均衡电池模块的荷电状态实现电池组的最大容量利用。
79.本发明提出的新型可重构电池拓扑具有较高的灵活性，具有较高的容错性能，能够提升电路的可靠性，仿真表明，基于新型可重构电池拓扑的分流均衡方法在实现电池均衡、提升电池组容量利用率的基础上，能够提供较稳定的输出电压。
80.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种新型可重构电池拓扑，其特征在于，包括：若干个依次连接的电池模块；每个所述电池模块均由电池b
i
、第一开关s
i1
、第二开关s
i2
、第三开关p
i1
和第四开关p
i2
组成，其中一个电池模块b
n
还额外连接有一个旁路开关；所述第一开关s
i1
用于电池串联，所述第二开关s
i2
用于电池旁路，所述第三开关p
i1
和所述第四开关p
i2
用于电池并联，整个电池组初始状态为串联；当所述电池b
i
串联时，第一开关s
i1
闭合，第二开关s
i2
、第三开关p
i1
和第四开关p
i2
关断；当所述电池b
i
并联时，第三开关p
i1
和第四p
i2
闭合，第一开关s
i1
和第二开关s
i2
关断；当所述电池b
i
旁路时，第二开关s
i2
闭合，第一开关s
i1
、第三开关p
i1
和第四开关p
i2
关断。2.一种新型可重构电池拓扑分流均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.确定电池组的工作状态；s2.判断是否有无法正常工作的电池模块，若有，对其进行旁路；s3.获取各电池模块的荷电状态；s4.对电池组进行分流均衡；s5.重复执行s3和s4，直至各电池模块达到均衡精度。3.根据权利要求2所述的新型可重构电池拓扑分流均衡方法，其特征在于，所述s1中，所述电池组的工作状态包括：充电状态、放电状态。4.根据权利要求2所述的新型可重构电池拓扑分流均衡方法，其特征在于，所述s2中，所述无法正常工作的电池模块为：充电时满电的电池模块，放电时荷电状态低于设定阈值的电池模块，以及因短路、断路故障造成的无法工作的电池模块。5.根据权利要求2所述的新型可重构电池拓扑分流均衡方法，其特征在于，所述s4的具体步骤为：s401：对所有电池模块的荷电状态进行排序；s402：确定两个荷电状态最低的电池模块和两个荷电状态最高的电池模块；s403：将两个荷电状态最低的电池模块并联、将两个荷电状态最高的电池模块并联；s404：放电至有其余电池模块的荷电状态比所述两个荷电状态最低的电池模块的荷电状态低、充电至有其余电池模块的荷电状态比所述两个荷电状态最高的电池模块的荷电状态高。6.根据权利要求5所述的新型可重构电池拓扑分流均衡方法，其特征在于，所述s403中，开关初始状态为s
i1
闭合，s
i2
，p
i1
和p
i2
关断，电池b
i
和b
i+1
并联时，开关p
i1
，p
i2
和开关p
(i+1)1
，p
(i+1)2
闭合，开关s
(i+1)1
关断；当电池b
i
和b
j
并联时，开关p
i1
，p
i2
和开关p
j1
，p
j2
闭合，开关s
j2
闭合，开关s
j1
关断；电池b
n
被并联时，开关s
(n+1)1
关断；输出电压始终为n-1个电池电压的总和。

技术总结
本发明公开了一种新型可重构电池拓扑及分流均衡方法，包括：若干个依次连接的电池模块；每个所述电池模块均由电池Bi、第一开关S


技术研发人员：周娟 姜英龙 吴乃豪 马希哲 彭文静 原熙博 张永磊 于清华 左杰文
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/21