[发明专利]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

说明书

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。

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。