阅读说明：本技术 一种用于大规模电池组的可重构多单体电池拓扑和重构算法 (A kind of restructural more single battery topologys and restructing algorithm for extensive battery pack ) 是由 朱钰 张武洋 于同伟 邵宝珠 洪鹤 郎斌 张永辉 程俊 丁隆耀 徐茂达 于 2019-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明属于电池均衡技术领域,尤其涉及一种用于大规模电池组的可重构多单体电池拓扑和重构算法。本发明中电路拓扑包括每个电池单体均由四个开关控制,除了最右端的那个电池单体之外；电路中的每个电池单体都能够被配置成三种不同的结构,分别为串联、并联或旁路。在这个结构中,先将几个电池单体并联组成模块,然后再将几个模块串联起来组成电池组；在这种配置方式下,模块内的电池单体之间自动均衡,然后再实现模块之间的均衡。本发明能够提供稳定的输出电压；自动切除故障的电池单体,提高电池组的可靠性和安全性；最大程度地利用所有电池单体的容量,减少储能系统所需要的备用容量；另外,电池组内的各个电池单体能够实现主动均衡。(The invention belongs to technical field of battery balancing more particularly to a kind of restructural more single battery topologys and restructing algorithm for extensive battery pack.Circuit topology includes each battery cell by four switch controls in the present invention, other than that battery cell of right end；Each battery cell in circuit can be configured to three kinds of different structures, respectively series, parallel or bypass.In this structure, several battery cells are first composed in parallel into module, then again several block coupled in series gets up to form battery pack；In this configuration mode, then automatic equalization between the battery cell in module realizes the equilibrium between module again.The present invention is capable of providing stable output voltage；The battery cell of automatic excision failure, improves the reliability and safety of battery pack；The capacity for farthest utilizing all battery cells, reduces spare capacity required for energy-storage system；In addition, each battery cell in battery pack can be realized active equalization.)

一种用于大规模电池组的可重构多单体电池拓扑和重构算法

技术领域

本发明属于电池均衡技术领域，尤其涉及一种用于大规模电池组的可重构多单体电池拓扑和重构算法。

背景技术

特斯拉以生产电动汽车而闻名，它的电动汽车使用了数千节的18650锂电池。另外，大规模的铅酸电池组已被广泛应用在变电站来给直流负载供电。为了将更多的可再生能源整合到未来的能源互联网中和实现电力系统稳定运行的目的，电池组已经成为当前的研究热点。

在传统的电池组应用中，电池以固定的串并联连接来满足负载对于电压和电流/功率的要求。固定结构中存在的问题包括：

1)电池组更容易发生故障，因为一个电池发生故障会导致整个串联支路发生故障。串联支路的电池单体数越多，它的可靠性越差；

2)电池不均衡。即便是生产于同一条生产线的电池也会在内阻、容量和老化特性上表现出差异，而这些是电池不均衡问题的主要诱导因素。对于串联支路而言，流过每个电池单体的电流是相同的。一旦电量最低的电池的端电压达到了截止电压，它就会表现出很高的内阻，这会阻碍其它电池继续释放所储存的能量。因此，串联支路的容量取决于支路中电量最低的电池，这极大地影响了电池容量的利用率；

3)电池组无法提供稳定的输出电压。随着放电过程的进行，电池组的输出电压会越来越低，并且在大规模电池组中这个问题尤为严重。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提出了一种用于大规模电池组的可重构多单体电池拓扑和重构算法。其目的是为了基于可重构拓扑给出了重构的目标以及对应的重构算法，实现改善电池组的灵活性和可靠性、最大化电池组容量、提供稳定的输出电压和消除电池参数差异造成的不均衡等目标。

为了实现上述发明目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种用于大规模电池组的可重构多单体电池拓扑，其中电路拓扑包括：

每个电池单体均由开关控制；电路中的每个电池单体都能够被配置成三种不同的结构，分别为串联、并联或旁路。

一种用于大规模电池组的可重构多单体电池重构算法，包括以下步骤：

步骤1：确定每个模块最少的电池单体数；

步骤2：确定电池组中能继续使用的电池单体数；

步骤3：确定模块数；

步骤4：根据步骤1、2和3确定所有可能的配置，基于所提出的目标函数从中选取最优的配置。

所述步骤1中确定每个模块最少的电池单体数是根据负载电流和每个电池单体的额定电流来确定，每个模块的电池单体数有一个最小限制。

所述步骤2中确定能继续使用的电池单体数，是指：用总电池单体数减去故障的和电量低于设定阈值的电池单体数，即通过电池组的故障检测和管理系统，找出故障的和电量低于设定阈值的单体电池，并通过开关矩阵的作用将其旁路，则确定其它能够继续正常工作的电池单体的数目。

所述步骤3中确定模块数，是通过来确定的，其中V_T是期望的输出电压，V_A是所有能够继续使用的电池单体的平均电压，运算符号表示求取比它自己大的最小整数。所述步骤4中选取最优的配置，其中所述目标函数由公式(3)实现：

电池组是由n个完好的额定容量为C的电池单体组成，电池单体的荷电状态分别为SOC₁，SOC₂，…，SOC_n，端电压分别为V₁，V₂，…，V_n；N个模块的电池单体数分别为n₁，n₂，…，n_N，各个模块的剩余容量C₁，C₂，…，C_N表示为：

实现均衡采用如下式所示的目标函数：

min{var(C₁,C₂,…,C_N)} (2)

上式(2)中：var表示求方差，min表示求最小值；

反映对于单个模块剩余电量的要求，最终确定的目标函数如下式所示：

其中，W是一个常数，它的值取决于模块剩余容量的方差，C₀是模块剩余容量的门槛值。

所述步骤4中选取最优的配置，是指根据能继续使用的电池单体数和模块数来确定所有可能的配置方式；当模块数为2，电池单体数为4时，其所有的配置方式为：第一个电池单体单独组成模块1，第二个电池单体、第三个电池单体和第四个电池单体组成模块2；第一个电池单体和第二个电池单体组成模块1，第三个电池单体和第四个电池单体组成模块2；第一个电池单体、第二个电池单体和第三个电池单体组成模块1，第四个电池单体单独组成模块2。

所述对于串联连接的模块，每个模块的输出电流是相同的，而输出电压是独立的，并且电池组的输出电压约等于所有模块输出电压的总和。

所述电池单体，当其并联连接时，每个电池单体的输出电压相同，输出电流是独立的。

所述并联连接的电池单体数在实际应用中通常为3-5个。

本发明具有以下优点及有益效果：

本发明提出的用于大规模电池组的可重构多单体电池的设计能够实现以下目标：

(1)提供稳定的输出电压；

(2)自动切除故障的电池单体，提高电池组的可靠性和安全性；

(3)最大程度地利用所有电池单体的容量，减少储能系统所需要的备用容量；

(4)电池组内的各个电池单体能够实现主动均衡。

附图说明

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但应当理解为本发明的保护范围并不受

具体实施方式

的限制。

图1是本发明的电路拓扑图；

图2是本发明4个电池单体的连接组合图。

发明内容

本发明是一种用于大规模电池组的可重构多单体电池拓扑和重构算法，可利用较少的开关获取较好的电池组性能。其重构算法将开关配置问题转化为确定模块数和每个模块的电池单体数并求最优解的问题，能够实现自动切除故障电池、提供稳定的输出电压和电池单体间主动均衡等目标。

其中，本发明中可重构的电路拓扑如图1所示。

每个电池单体均由四个开关控制，除了最右端的那个电池单体之外。电路中的每个电池单体都能够被配置成三种不同的结构，分别为串联、并联或旁路。

如果开关S11、S12和S13闭合，S14关断，则第一个电池单体与第二个电池单体并联。

如果开关S11和S14闭合，S12和S13断开，则第一个电池单体和第二个电池单体串联。

如果开关S11断开，S12闭合，则第一个电池单体被旁路。

在这个结构中，可以很方便地先将几个电池单体并联组成模块，然后再将几个模块串联起来组成电池组。在这种配置方式下，模块内的电池单体之间会自动均衡，所以接下来需要做的是实现模块之间的均衡。

本发明所提出的一种用于大规模电池组的可重构多单体电池重构算法包括以下步骤：

步骤1：确定每个模块最少的电池单体数；根据负载电流和每个电池单体的额定电流来确定，每个模块的电池单体数有一个最小限制。步骤2：确定电池组中能继续使用的电池单体数；用总电池单体数减去故障的和电量低于设定阈值的电池单体数。

步骤3：确定模块数，将步骤1中确定的电池组中能继续使用的电池单体并联组成模块，将模块串联组成电池组；通过确定模块数，其中V_T是期望的输出电压，V_A是所有可以继续使用的电池单体的平均电压，运算符号表示求取比它自己大的最小整数。

步骤4：根据步骤1、2和3确定所有可能的配置，基于所提出的目标函数可以从中选取最优的配置。

所述步骤1中确定每个模块最少的电池单体数，是指根据供电负荷的要求，确定每个模块至少需要多少电池单体，以提供负荷所需的电流和供电容量。

所述步骤2中确定电池组中能继续使用的电池单体数，是指通过电池组的故障检测和管理系统，找出故障的和电量低于设定阈值的单体电池，并通过开关矩阵的作用将其旁路，则可以确定其它可以继续正常工作的电池单体的数目。

所述步骤3中通过确定模块数是指：首先根据使用需要确定电池组的期望输出电压V_T，然后通过测量电路获取所有能继续使用的电池单体的端电压并计算其平均值V_A，最后将期望输出电压除以电池单体的平均电压并取整，即可确定模块数。

所述步骤4中选取最优的配置是指：

1)根据步骤2确定的能继续使用的电池单体数和步骤3确定的模块数来确定所有可能的配置方式。例如，如图2所示，图2是本发明4个电池单体的连接组合图。

当模块数为2，电池单体数为4时，其所有的配置方式为：第一个电池单体单独组成模块1，第二个电池单体、第三个电池单体和第四个电池单体组成模块2；第一个电池单体和第二个电池单体组成模块1，第三个电池单体和第四个电池单体组成模块2；第一个电池单体、第二个电池单体和第三个电池单体组成模块1，第四个电池单体单独组成模块2。

2)在所有可能的配置方式中，根据使模块之间剩余容量的差异最小的原则，按照本发明提出的目标函数确定其中的最优的配置方式。

具体而言，本发明提出的重构算法目标函数由公式(3)实现。

公式说明如下：

假设一个电池组是由n个完好的额定容量为C的电池单体组成，这些电池单体的荷电状态分别为SOC₁，SOC₂，…，SOC_n，端电压分别为V₁，V₂，…，V_n。此外，这些电池单体组成了N个模块，且各个模块的电池单体数分别为n₁，n₂，…，n_N，则各个模块的剩余容量C₁，C₂，…，C_N可以表示为：

要实现均衡，也就是要使模块之间剩余容量的差异最小，则可以采用如下式所示的目标函数：

min{var(C₁,C₂,…,C_N)} (2)

上式(2)中：var表示求方差，min表示求最小值。

但是，上述目标函数只能反映对于电池组整体的要求而无法反映对于单个模块的要求。有可能存在一个或几个模块的剩余容量很低，而整体的方差仍然最小的情况，这是不满足要求的。因此，可以增加一项来反映对于单个模块剩余电量的要求。最终确定的目标函数如下式所示：

其中，W是一个常数，它的值取决于模块剩余容量的方差，C₀是模块剩余容量的门槛值。

对于串联连接的模块，每个模块的输出电流是相同的，而输出电压是独立的，并且电池组的输出电压约等于所有模块输出电压的总和。因此，通过改变模块数来获取所需要的输出电压是可行的。

对于并联连接的电池单体，每个电池单体的输出电压是相同的，而输出电流是独立的。因为并联连接的电池单体电量的自动均衡会造成各电池单体输出电流的分布不均，所以并联连接的电池单体数会受到限制。根据理论分析，随着并联电池单体数目的增加，电流的不均衡程度会迅速增加。在实际应用中，并联连接的电池单体数通常为3-5个。本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。