一种串联电池组多阈值自适应聚类群组均衡控制方法

1.本发明涉及一种串联电池组多阈值自适应聚类群组均衡控制方法，适用于电池储能系统的均衡。


背景技术：

2.锂离子电池组广泛应用于配电网储能系统。由于制造工艺、材料等方面不可能完全一致，造成了单体电池容量、阻抗存在不可避免的一致性差异，这些差异会随着电池组运行时间而增加，进而减少电池组的可用容量及循环寿命，甚至造成过充过放，带来安全隐患。为提高电池组的能量利用率及延长其循环寿命，必须引入有效的均衡来降低电池组的一致性差异。串联电池组相比于并联电池组更容易受到单体电池一致性差异的影响，本

技术实现要素：
针对串联电池组的均衡展开。
3.电池组均衡作为电池管理系统最重要的功能，国内外众多学者对其进行了较为深入的研究。均衡技术的研究包括均衡拓扑结构的研究和均衡控制方法的研究。本发明内容涉及均衡控制方法的研究。对于均衡控制方法的研究，重点是确定均衡指标以及能量转移方式，目前常见的均衡指标包含电池开路电压、工作电压、电池荷电状态(state of charge,soc)等，常见的能量转移类型包括单体与单体、单体与模块、模块与模块等。
4.常见均衡指标中，电池的开路电压参数易得，且在电池处于搁置状态时，开路电压与soc存在稳定的映射关系，但以开路电压作为均衡指标时每次测量前电池需处于搁置状态并静置一段时间，使得均衡时间较长。与开路电压相比，电池的工作电压测量更加方便快捷，可以在电池的工作过程中实时测量，但其与电池组的充放电电流大小有关，当电流变化较大时，会导致电池工作电压出现较大的波动，造成电池组均衡系统发生误动作而频繁启停，甚至出现过均衡；另外，不同类型的锂电池均存在电压平台期，在剩余电量为10％至90％之间时，电压变化很小，这导致如果以电压作为均衡指标，电压的微弱变化可能会导致剩余电量的显著变化，不利于均衡精度的提高。当以soc作为均衡指标时，可以有效避开由于各个电池容量衰减老化程度不同而造成各自的最大可用容量不同，尽可能保证每节电池的容量充分利用。本发明以soc作为均衡指标建立均衡控制方法。
5.当前常见的均衡能量转移类型包括在任意单体间、相邻单体间、单体与电池模块或整组电池间等，目前的均衡控制关注点主要放在了对串联电池组中某一个高电量单体(或单体个数固定的高电量电池模块)的放电均衡或某一个低电量单体(或单体个数固定的低电量电池模块)的充电均衡，虽然可以改善电池组的一致性，但当电池组单体数量较多时，均衡速度较慢。
6.实际情况中，尤其是电池组单体数量庞大时，会存在不同个数的多节相邻单体电量虽不相等，但相互之间差异很小的情况。均衡过程中，可以考虑根据实际情况，将不同个数的一致性差异较小的相邻单体进行聚类，将其作为电池群组进行均衡，实现基于不同单体个数一致性差异较小的相邻单体的聚类群组均衡，提高均衡速度。
7.总体而言，以电池soc作为均衡指标可以最为直观精确地反映电池单体间的一致
性差异，利用一致性差异较小的不同个数相邻单体聚类成组的群组均衡控制方法可以进一步提高均衡速度。
发明内容
8.本发明的目的在于以电池soc作为均衡指标，将与最高电量单体相邻且soc差值在一定范围内的单体和最高电量单体聚类成为高电量电池群组，将与最低电量单体相邻且soc差值在一定范围内的单体和最低电量单体聚类成为低电量电池群组，根据成组单体的数量输出对应占空比的控制信号，实现随机数量多单体间的均衡，最终在既定硬件电路基础上，提高均衡速度。
9.基于此，本发明提出以串联电池组中单体soc作为均衡指标的多阈值自适应聚类群组均衡控制方法和电路，该方法包括以下步骤：
10.实时判断各单体电池soc的一致性是否满足均衡电路启动条件；
11.当时，启动均衡电路，将高电量电池群组的电量持续转移至低电量电池群组，直至
12.其中，δ＝soc
max-soc
min
；soc
max
为串联电池组中最高单体电量，soc
min
为串联电池组中最低单体电量；为均衡电路启动的预设阈值。
13.进一步地，将高电量电池群组的电量持续转移至低电量电池群组，包括：
14.设所述串联电池组中最高电量单体编号为bm，最低电量单体编号为bn；以所述bm为中心进行高电量单体聚类，得到单体电量均大于的高电量电池群组；以所述bn为中心进行低电量单体聚类，得到单体电量均大于的低电量电池群组；
15.将高电量电池群组的电量持续转移至低电量电池群组；
16.为高电量单体聚类成组阈值；为低电量单体聚类成组阈值，为soc
max
与0.2δ之差；为soc
min
与0.2δ之和。
17.进一步地，得到单体电量均大于的高电量电池群组，包括：
18.在一个采样周期内，判断所述bm相邻的单体b
m 1
和单体b
m-1
的电量，如果单体b
m 1
和单体b
m-1
的电量均小于则仅将bm作为高电量电池群组；
19.如果单体b
m 1
和单体b
m-1
的电量均大于则，再判断单体b
m 1
相邻的单体b
m 2
和单体b
m-1
相邻的单体b
m-2
的电量是否大于如果单体b
m 2
和单体b
m-2
的电量均大于则将b
m-2
、b
m-1
、bm、b
m 1
、b
m 2
作为高电量电池群组；如果单体b
m 2
和单体b
m-2
的电量均小于则将b
m-1
、bm、b
m 1
作为高电量电池群组；如果单体b
m 2
和单体b
m-2
仅其中之一的电量大于则将b
m-1
、bm、b
m 1
以及单体b
m 2
和单体b
m-2
中电量大于的单体作为高电量电池群组；
20.如果单体b
m 1
的电量大于而单体b
m-1
的电量小于则，再判断单体b
m 1
相邻的单体b
m 2
的电量是否大于如果单体b
m 2
的电量大于则将bm、b
m 1
、b
m 2
作为高电量电池群组；如果单体b
m 2
的电量小于则将bm、b
m 1
作为高电量电池群组；
21.如果单体b
m-1
的电量大于而单体b
m 1
的电量小于则，再判断单体b
m-1
相邻的单体b
m-2
的电量是否大于如果单体b
m-2
的电量大于则将b
m-1
、b
m-2
、bm作为高电量电池
群组；如果单体b
m-2
的电量小于则将b
m-1
、bm作为高电量电池群组。
22.进一步地，得到单体电量均小于的低电量电池群组，包括：
23.在一个采样周期内，判断所述bn相邻的单体b
n 1
和单体b
n-1
的电量，如果单体b
n 1
和单体b
n-1
的电量均大于则仅将bn作为低电量电池群组；
24.如果单体b
n 1
和单体b
n-1
的电量均小于则，再判断单体b
n 1
相邻的单体b
n 2
和单体b
n-1
相邻的单体b
n-2
的电量是否小于如果单体b
n 2
和单体b
n-2
的电量均小于则将b
n-2
、b
n-1
、bn、b
n 1
、b
n 2
作为低电量电池群组；如果单体b
n 2
和单体b
n-2
的电量均大于则将b
n-1
、bn、b
n 1
作为低电量电池群组；如果单体b
n 2
和单体b
n-2
仅其中之一的电量小于则将b
n-1
、bn、b
n 1
以及单体b
n 2
和单体b
n-2
中电量小于的单体作为低电量电池群组；
25.如果单体b
n 1
的电量小于而单体b
n-1
的电量大于则，再判断单体b
n 1
相邻的单体b
n 2
的电量是否小于如果单体b
n 2
的电量小于则将bn、b
n 1
、b
n 2
作为低电量电池群组；如果单体b
n 2
的电量大于则将bn、b
n 1
作为低电量电池群组；
26.如果单体b
n-1
的电量小于而单体b
n 1
的电量大于则，再判断单体b
n-1
相邻的单体b
n-2
的电量是否小于如果单体b
n-2
的电量小于则将b
n-2
、b
n-1
、bn作为低电量电池群组；如果单体b
n-2
的电量大于则将b
n-1
、bn作为低电量电池群组。
27.进一步地，当最高电量单体数不为1时，选择序号最小的最高电量单体作为bm；当最低电量单体数不为1时，序号最大的最低电量单体作为bn。
28.进一步地，串联电池组中的单体电池为二次电池；所述二次电池为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器中的一种。
29.本发明的有益效果在于：以最高电量单体与最低电量单体的soc差值作为均衡指标，引入聚类思想，将传统的对单节电池的充/放电均衡控制方式改为soc接近的相邻多节高/低电量单体组成的电池群组间的均衡控制方式，在保证均衡效率的前提下，获得更快的均衡速度。
附图说明
30.为了更加清楚地说明本发明的原理与实施中的技术方案，下面将对本发明涉及的技术方案使用附图作进一步的介绍，以下附图仅是本发明的部分实施例子，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下可以根据以下附图获得其他的技术方案。
31.图1为本发明控制方法一个采样周期的程序设计流程图；
32.图2为本发明控制方法中高电量单体聚类程序设计流程图；
33.图3为本发明控制方法中低电量单体聚类程序设计流程图；
34.图4为本发明控制方法所应用的一种均衡拓扑实例示意图；
35.图5为本发明控制方法仿真模型结构图；
36.图6为串联电池组中12节单体电量中间高、两边低的情况下，单体对单体均衡的极差控制方法与本发明聚类群组控制方法均衡前后单体soc分布图。
37.图7为串联电池组中12节单体电量中间高、两边低的情况下，单体对单体均衡的极差控制方法与本发明聚类群组控制方法均衡过程中所有单体soc极差变化图。
38.图8为串联电池组中12节单体电量两边高、中间低的情况下，单体对单体均衡的极差控制方法与本发明聚类群组控制方法均衡前后单体soc分布图。
39.图9为串联电池组中12节单体电量两边高、中间低的情况下，单体对单体极差控制方法和本发明聚类群组控制方法均衡过程中所有单体soc极差变化图。
40.图10为串联电池组中12节单体电量均匀分布的情况下，单体对单体均衡的极差控制方法与本发明聚类群组控制方法均衡前后单体soc分布图。
41.图11为串联电池组中12节单体电量分布均匀的情况下，单体对单体均衡的极差控制方法和本发明聚类群组控制方法均衡过程中所有单体soc极差变化图。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，示例性地，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
44.实施例
45.如图1、图2、图3所示，一种串联电池组多阈值自适应聚类群组均衡控制方法原理图，多阈值是指均衡电路启动阈值高电量单体聚类成组阈值与低电量单体聚类成组阈值设串联电池组中最高单体电量soc
max
与最低单体电量soc
min
的差值为δ，当均衡电路启动，否则均衡电路不工作；为soc
max
与0.2δ的差，为soc
min
与0.2δ的和。自适应是指，当串联电池组中δ发生变化时，与可以自动调节，串联电池组中各单体根据最新的计算阈值进行聚类群组均衡，避免了由于固定均衡阈值设置不合理造成均衡失败的情况。
46.若均衡电路启动，设最高电量单体编号为bm，最低电量单体编号为bn。在一个采样周期内，首先，判断与单体bm相邻的单体b
m-1
或单体b
m 1
的电量是否大于与单体bn相邻的单体b
n-1
或单体b
n 1
的电量是否小于若单体b
m-1
电量大于继续判断单体b
m-2
电量是否大于否则停止判断，若单体b
m 1
电量大于继续判断单体b
m 2
电量是否大于否则停止判断；若单体b
n-1
电量小于继续判断单体b
n-2
电量是否小于否则停止判断，若单体b
n 1
电量小于继续判断单体b
n 2
电量是否小于否则停止判断。其次，将b
m-2
、b
m-1
、bm、b
m 1
、b
m 2
中电量大于的相邻单体作为高电量电池群组参与均衡，若b
m-2
、b
m-1
、bm、b
m 1
、b
m 2
中电量大于的单体不相邻，对bm均衡；将b
n-2
、b
n-1
、bn、b
n 1
、b
n 2
中电量小于的相邻单体作为低电量电池群组参与均衡，若b
n-2
、b
n-1
、bn、b
n 1
、b
n 2
中电量小于的单体不相邻，对bn均衡。最后，根据聚类成组情况在一个采样周期内将高电量相邻单体构成
的电池群组或单体bm的电量持续转移至低电量相邻单体构成的电池群组或单体bn。下一个采样周期开始时，重新采集串联电池组各单体soc，判别是否满足均衡启动条件，并进行聚类群组均衡，直至各单体soc满足电池组一致性指标。
47.当最高电量单体数或最低电量单体数不为1时，选择序号最小的最高电量单体和序号最大的最低电量单体分别与其相邻单体比较，并聚类。
48.所述多阈值自适应聚类群组均衡控制方法，包含以下步骤：
49.(1)设定均衡阈值
50.以电池组中最高电量单体电量与最低电量单体电量的差值作为均衡指标，设各节单体编号为bi,各单体电池电量为soci，最高电量单体电量为soc
max
，最低电量单体电量为soc
min
，令：
51.δ＝soc
max-soc
min
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
52.(2)设定聚类阈值
53.设定均衡电路工作的临界参数为高电量单体聚类成组阈值为低电量单体聚类成组阈值为每个采样周期开始时，若均衡电路启动，若均衡电路启动，若均衡电路不工作。令：
[0054][0055][0056]
(3)聚类群组均衡
[0057]
均衡过程包含若干个采样周期，每个采样周期包含若干个均衡周期。设定最高电量单体编号为bm，最低电量单体编号为bn。
[0058]
若单体b
m-1
电量满足继续判断单体b
m-2
电量是否满足否则停止判断b
m-2
；若单体b
m 1
电量满足继续判断单体b
m 2
电量是否满足否则停止判断b
m 2
。判断完毕后，将b
m-2
、b
m-1
、bm、b
m 1
、b
m 2
中电量大于的相邻单体作为高电量电池群组参与均衡，若b
m-2
、b
m-1
、bm、b
m 1
、b
m 2
中电量大于的单体不相邻，对bm均衡。
[0059]
若单体b
n-1
电量满足继续判断单体b
n-2
电量是否满足否则停止判断b
m-2
；若单体b
n 1
电量满足继续判断单体b
n 2
电量是否满足否则停止判断b
n 2
。判断完毕后，将b
n-2
、b
n-1
、bn、b
n 1
、b
n 2
中电量小于的相邻单体作为低电量电池群组参与均衡，若b
n-2
、b
n-1
、bn、b
n 1
、b
n 2
中电量小于的单体不相邻，对bn均衡。
[0060]
最后，根据聚类成组情况在一个采样周期内将高电量电池群组或单体bm的电量持续转移至低电量电池群组或单体bn。
[0061]
(4)均衡结束
[0062]
每个采样周期结束，若各单体电池soc差值仍满足均衡电路工作条件，均衡电路继续工作，若不满足，均衡电路停止工作，均衡过程结束。
[0063]
以图4所示均衡拓扑为例，来验证本发明多阈值自适应聚类群组均衡控制方法的
优越性。
[0064]
如图5所示为本发明控制方法仿真模型结构图。主要包含均衡主电路、群组聚类判别模块、控制信号占空比确定模块、开关管判别模块等。本发明控制方法所使用的控制信号占空比依据聚类出的高电量电池群组包含的单体数量进行设置。为保证均衡电路安全工作，电感需始终工作在电流断续模式下，高电量电池群组包含单体数量为2、3、4、5时对应的电感充电阶段占空比分别为33％、25％、20％、16％，电感放电阶段占空比为67％、75％、80％、84％。若高电量单体未能聚类为群组，即仅有一节高电量单体参与均衡时，电感充、放电阶段占空比均为50％。
[0065]
将基于极差的单体对单体均衡的极值均衡控制方法和本发明多阈值自适应聚类群组均衡控制方法分别应用在图4的拓扑中，极值均衡控制方法电感充放电阶段占空比均为50％。以搁置状态下的均衡过程为例，仿真模型具体参数设置如表1所示。
[0066]
表1仿真模型参数
[0067][0068]
图6、图8、图10分别展示了三种不同soc初始值分布条件下，使用不同控制方法均衡前后电池组内单体soc分布情况，图7、图9、图11分别展示了三种不同情况下，使用不同控制方法均衡过程中串联电池组中单体soc极差变化曲线。由图7、图9、图11可知，在不同的soc分布情况下，本发明所提出的群组控制方法相比于常见的极值控制方法，均衡速度均有不同程度的提升。soc分布中间高、两边低的情况下，均衡速度提高了40.0％；soc分布两边高、中间低的情况下，均衡速度提高了24.6％；soc均衡分布情况下，均衡速度提高了17.5％。均衡效率η定义为：
[0069][0070]
其中，(soci)
start
为序号为i的单体初始soc值，(soci)
end
为序号为i的单体均衡结束时soc值，n为电池组单体个数，n＝12。表2展示了均衡结束后各单体的soc值以及两种控制方法的均衡效率对比。
[0071]
由表2及图7、图9、图11可知，本发明所提出的多阈值自适应聚类群组均衡控制方法相较于极值控制方法，相同的硬件条件下，在保证均衡效率基本不变的同时，不同的soc初始差异分布情况下，均衡速度均有显著提高。
[0072]
表2均衡效率对比
[0073][0074]
以上对本发明实施例公开的一种串联电池组多阈值自适应聚类群组均衡控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。