一种模块化电池PACK均衡电路控制方法与流程

本发明涉及电池管理，具体涉及一种模块化电池pack均衡电路控制方法。

背景技术：

1、规模化储能系统的建设与推广是当前能源转型的核心支撑。在移动式储能、工程施工临时供电等高动态应用场景中，电池系统普遍采用多模块并联或串联的pack架构，通过将若干电池簇组成电池堆来满足大功率输出需求。这类模块化pack系统在投入运营后，需要配套均衡电路对各模块的电荷量进行调配，以防止因单体或模块间参数偏差导致系统整体提前失效。

2、常见的电池均衡技术可分为耗散型均衡及非耗散型均衡两个方向。其中被动均衡通过消耗电量高的电池单体的能量以达到整体均衡的目的，虽可靠有效但浪费了能量；主动均衡虽可实现能量转移，但电路结构相对复杂，均衡控制难以兼顾快速性与稳定性。公开号为cn103532189a的中国专利申请文件公开了一种基于动态均衡点的电池组均衡控制系统及控制方法，其中系统包括：电池组、电压采样电路、均衡主电路和均衡控制电路，均衡控制电路用于比较各个单体电池的电压值，当不同单体电池的电压差超过预设阈值时，分别调节与单体电池对应的功率开关管的频率，控制功率开关管的频率追踪电池组处于动态均衡状态下的均衡频率。大部分均衡控制策略均基于电池电压差异的pfm控制模式，但由于未给出确定的频率值，磁性元件设计困难，均衡性能受限于硬件实现，制约了均衡策略在复杂工况下的适应性。

3、现有均衡电路的主流控制方法以荷电状态作为唯一均衡目标，即通过检测各模块soc值，驱动被动泄放电路或主动电感/电容转移电路，将各模块soc拉平至一致水平。部分较为先进的方案引入了压差门限，当簇内单体压差触发告警时启动均衡，当压差回落至正常区间后停止，整个控制逻辑以soc均等或电压均等作为收敛判据。

4、然而，在模块化pack系统投入运营一段时间后，各模块由于所处安装位置的热环境差异、累计充放电深度不同以及频繁大功率吞吐，其健康度会出现分化，不同模块的额定容量衰退速率并不一致。此时，以均一soc为均衡目标的控制方法存在一个根本性缺陷：soh为80%的模块与soh为100%的模块被均衡至相同的soc读数时，二者实际储存的物理电荷量并不相等，前者的可用能量仅为后者的80%。当系统在大功率放电工况下运行时，低soh模块因实际可用容量不足而率先触及截止电压，触发该簇的过放保护，进而引发整组保护性断电，而此时高soh模块仍有大量剩余能量未能释放，造成整组实际可用能量远低于各模块容量之和。随着运行周期延长，soh分化持续加深，上述提前断电现象愈发频繁，严重压缩系统的有效放电窗口。

技术实现思路

1、为了解决健康状态分化工况下因均衡目标失配导致低健康度模块率先触发过放保护、高健康度模块剩余能量搁置的现有技术问题，本发明提供一种模块化电池pack均衡电路控制方法。

2、本发明提供一种模块化电池pack均衡电路控制方法，采用如下的技术方案：

3、s1、采集电池堆、电池簇及单体三层级的运行参数，将每个电池簇记作一个模块，运行参数包括簇级荷电状态值、簇级健康状态值、簇温度均值以及单体内阻，基于簇级健康状态值与额定容量计算实际可用容量，并结合簇级荷电状态值计算归一化剩余能量指标，对归一化剩余能量指标进行平滑滤波得到稳定化归一化剩余能量指标；s2、以实际可用容量为权重，对各有效模块的稳定化归一化剩余能量指标进行加权计算，得到容量加权均衡基准值，将稳定化归一化剩余能量指标与容量加权均衡基准值进行作差处理得到均衡偏差，并依据均衡偏差确定参与均衡的有效模块；s3、针对参与均衡的有效模块，基于均衡偏差的绝对值、实际可用容量和均衡时间窗口计算目标均衡电流幅值，并依据簇温度均值确定温度修正系数，将目标均衡电流幅值与温度修正系数结合生成指令电流，以驱动主动均衡输出；s4、在均衡输出期间，基于单体内阻计算内阻相对偏离量与均衡保护触发上限，响应于内阻相对偏离量超过均衡保护触发上限，触发对应模块的均衡暂停保护，并将该模块从有效模块中剔除后，重新计算容量加权均衡基准值。

4、通过以归一化剩余能量替代传统荷电状态作为均衡目标量，使均衡基准真实反映各模块在当前老化状态下的物理储能水平，消除了健康状态分化工况下均衡目标与实际可用能量不符的矛盾。采用容量加权均值作为全组均衡基准，使健康度较高、容量较大的模块对基准值的贡献权重更高，避免了老化模块拉低基准、健康模块被过度放电的问题，有效延长了整组的运行寿命。

5、优选的，基于簇级健康状态值与额定容量计算实际可用容量，并结合簇级荷电状态值计算归一化剩余能量指标，包括：将簇级健康状态值与额定容量相乘，得到实际可用容量；将簇级荷电状态值与簇级健康状态值相乘，最终得到归一化剩余能量指标。

6、优选的，对归一化剩余能量指标进行平滑滤波得到稳定化归一化剩余能量指标，包括：获取连续多个采样周期内的归一化剩余能量指标；在设定的平滑窗口内对归一化剩余能量指标取滑动均值，最终得到稳定化归一化剩余能量指标。

7、优选的，对各有效模块的稳定化归一化剩余能量指标进行加权计算，得到容量加权均衡基准值，包括：计算稳定化归一化剩余能量指标与实际可用容量的乘积之和；计算所有有效模块的实际可用容量之和；将乘积之和除以实际可用容量之和，最终得到容量加权均衡基准值。

8、通过将各模块的实际健康度差异内嵌至基准值的形成过程，使均衡目标从统计意义上的状态一致转向物理意义上的可用能量最优分配，从而在健康状态分化持续加深的运行阶段仍能保持全组均衡基准与实际可调度能量的动态对应关系。

9、优选的，将稳定化归一化剩余能量指标与容量加权均衡基准值进行作差处理得到均衡偏差，并依据均衡偏差确定参与均衡的模块，包括：将稳定化归一化剩余能量指标减去容量加权均衡基准值，得到均衡偏差；对全部模块按照均衡偏差的绝对值由大到小进行排序；选取绝对值最大的模块，最终确定为参与均衡的模块。

10、优选的，基于均衡偏差的绝对值、实际可用容量以及均衡时间窗口计算目标均衡电流幅值，包括：获取当前充放电周期剩余时长与额定均衡响应时长；选取当前充放电周期剩余时长与额定均衡响应时长中的较小值作为均衡时间窗口；将均衡偏差的绝对值与实际可用容量相乘后，除以均衡时间窗口，最终得到目标均衡电流幅值。

11、通过将归一化能量偏差与模块可用容量结合推导均衡电流幅值，在保证均衡电流与各模块真实转移需求精确匹配的同时，内生地对低健康度模块施加了均衡电流量级上的保护，避免了绝对电荷量转移过载。

12、优选的，依据簇温度均值确定温度修正系数，包括：当簇温度均值处于正常工作区间时，设定温度修正系数为不衰减的固定值；当簇温度均值高于正常工作区间上限时，控制温度修正系数线性递减至零；当簇温度均值低于正常工作区间下限时，基于簇温度均值与低温截止充电温度的差值，控制温度修正系数线性递减，最终得到温度修正系数。

13、优选的，将目标均衡电流幅值与温度修正系数结合生成指令电流，以驱动主动均衡输出之后，还包括：计算全组稳定化归一化剩余能量指标的组内极差与组均值的比值，得到相对极差；记录连续多个均衡周期的相对极差序列；当相对极差序列在连续周期内的下降量小于相对极差序列的历史均值的设定比例时，判定均衡到达收敛平台并退出本轮均衡。

14、通过计算全组稳定化归一化剩余能量指标的相对极差，并监测其在连续均衡周期内的下降趋势是否趋于停滞，提供了一种不依赖绝对值门限的自适应收敛判定机制，能够准确识别均衡进入平台期并及时退出，避免无效均衡和能量振荡，同时适用于不同规模、不同分化程度的系统，无需人工设定固定收敛阈值。

15、优选的，基于单体内阻计算内阻相对偏离量与均衡保护触发上限，包括：在均衡启动前的静置采集窗口内，对模块内所有单体的单体内阻求取算术平均值，得到该模块的内阻基线均值，并基于静置窗口内各采样时刻的模块内阻均值序列计算内阻静置波动标准差；在均衡启动后，对模块内所有单体的当前单体内阻求取算术平均值，得到当前时刻的模块内阻均值；将内阻均值与基线均值的差值除以基线均值，最终得到内阻相对偏离量。

16、通过基于均衡启动前的静置窗口建立个体化的内阻基线均值和波动标准差，并结合均衡电流导致的额定自加热温升计算内阻变化量，使均衡保护触发上限能够自适应不同老化程度和阻抗特性的模块，在内阻异常抬升超出正常热效应和测量噪声范围时及时触发保护，有效识别连接松动、局部析锂等故障风险，防止异常模块持续参与均衡而引发安全隐患。

17、优选的，基于单体内阻计算内阻相对偏离量与均衡保护触发上限，还包括：基于指令电流、热阻估计值及内阻温度系数计算额定自加热温升对应的内阻变化量；将内阻变化量与预设倍数的内阻静置波动标准差进行求和；将求和结果除以基线均值，最终得到均衡保护触发上限。

18、通过将均衡保护触发阈值与各模块自身的静置内阻波动标准差及额定自加热量动态绑定，使内阻异动监测对不同老化程度与不同内阻基底的模块均具备自适应的灵敏度，在连接异常或局部阻抗突变发生时能够及时切出异常模块并保持其余模块均衡进程的连续性。

19、本发明具有以下技术效果：

20、1、本发明的均衡电流幅值由偏差量、模块可用容量和温度台账参数客观推导，低温截止条件与高温保护条件均从制造商台账参数读取，消除了全局经验定值引入的适配误差。内阻保护触发阈值基于各模块自身的静置波动标准差与额定自加热量动态计算，对不同老化程度、不同内阻基底的模块均能自适应，避免了在连接故障或析锂风险单体上持续注入均衡电流。

21、2、以电池管理系统台账参数与实时采集数据为唯一输入驱动，各阈值与限值均从制造商写入台账的物理参数中读取，不引入任何全局经验常数，在不同电池型号、不同老化程度的模块化pack系统中均可直接适用，无需针对具体部署场景重新标定控制参数。