一种基于动态可重构电池储能系统的PWM充放电控制策略

本发明涉及电池储能系统均衡控制领域，特别是涉及一种高过载运行条件下的均衡控制策略。

背景技术：

1、随着电化学储能的快速发展，储能系统本质安全的问题日益凸显。储能电池系统往往由若干电池模组串并联构成，而同一规格型号的电芯，其电压、荷电状态、容量、内阻、寿命、自放电率等参数存在天然差别，这些细微差别在组成电池模组后会得到放大，这就使得整个电池系统的离散化程度变得很高。在一个储能系统中，串联在一起的模组所接受充放电电流一致。但由于离散现象的存在，每个电池模组间的容量存在差异，而整个电池系统的充放电容量取决于容量最小的单体电池，因此就会形成“木桶效应”。

2、在充放电过程中，容量小的电池模组先达到充放深度阈值，制约电池系统中其他电池的充放电能力。如果电池系统长时间无法被满充或满放，则会损失部分容量，对电池系统容量造成不可逆的伤害，整个电池系统soc不准确，放电深度下降，运行效率降低。在长时间的运行下，电池的两极分化越来越严重，电池系统的可用容量还将进一步下降，进而引发整个电池系统在安全性、经济性等方面的问题，因此电池的均衡技术就尤为重要。

3、近年来，基于动态可重构电池网络的数字储能系统得到了广泛的关注。动态可重构电池网络通过低功耗功率半导体器件与电池进行深度耦合，将电池从电化学反应装置转变为一种新型数字装置，并通过毫秒级电池物理连接拓扑重构从原理上杜绝了由于过充过放所带来的热堆积和热失控问题，实现了电池系统级本质安全。此外，动态可重构电池网络能够快速诊断并切除故障电池，同时保持电化学储能的正常运行，极大提升了系统的可用性和可靠性。

4、对于传统数字储能均衡策略，当功率需求不超过n-1列电池容量时，执行n选n-1(列)、m选m-1(行)的充放电控制；而当功率指令超过n-1列电池容量上限但未达n列电池容量时，则将n列电池全部投入使用。此时均衡策略失效，长时间运行对电池单体的寿命产生不利影响。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，对传统方法进行改进，采用pwm充放电控制。所谓pwm充放电控制，即将每个延时间隔划分为更小的时间尺度，在功率指令超过n-1列电池容量上限但未达n列电池容量时，通过计算超出部分功率与单串容量之比，得到未导通列每个电池单体导通的占空比，进而对未导通列电池单体的电力电子开关进行pwm控制开断。与常规数字储能二维均衡策略相比，改进策略更适用于高过载的工况，提高了电池利用率，相应地延长了电池寿命，储能成本也有所降低。

2、本发明提出一种基于动态可重构电池储能系统的pwm充放电控制策略，其特征在于快速实现储能系统电量均衡的同时可为系统提供高过载功率，主要包括如下步骤：

3、1)建立动态可重构电池储能系统的电路拓扑模型，主要包括建立基于磷酸铁锂电池单体的n并m串的电池网络拓扑结构，并分别为每个磷酸铁锂电池单体串联一个高频电力电力开关，同时每n个并联单体与一个旁路高频电力电力开关并联，此处的高频电力电子开关均选择mosfet器件。

4、2)监测并采集储能系统的各项电气参数，包括各电池单体的荷电状态(state ofcharge,soc)、储能系统对外输出电压电流和外部功率指令。

5、3)建立动态可重构电池储能系统的传统数字储能均衡控制模型，将取得的各电池单体soc数据以及外部功率指令输入控制模块，基于各电池单体soc数据通过控制模块控制mosfet通断进而控制每个电池单体的投入和切出，对电池网络进行动态重构，最终实现整个储能系统的soc均衡。

6、4)建立双向dc/dc变流器控制模型，构建基于pid控制的电流环。

7、5)对双向dc/dc变流器采用定功率控制，将监测采集到的外部功率指令输入双向dc/dc变流器控制模型，基于功率指令不同得到不同的电流指令，通过pid电流环让储能系统输出电流跟踪电流指令，进而控制储能系统的充放电。

8、6)对传统soc均衡控制模型进行改进，根据外部功率指令对高频电力电子开关进行pwm控制，实现pwm充放电控制，当储能系统满载后运行于全功率模式，保证输出功率匹配。

技术特征：

1.一种基于动态可重构电池储能系统的pwm充放电控制策略，其特征在于快速实现储能系统电量均衡的同时可为系统提供高过载功率，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤s10包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤s20包括：

4.一种储能系统检测单元，用于监测采集权利要求3中所提及的电池单体soc、储能系统输出电压电流以及外部功率指令数据。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤s30包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤s40包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤s50包括：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤s60包括：

9.根据权利要求1所述一种基于动态可重构电池储能系统的pwm充放电控制策略，其特征在于，所述装置的硬件结构主要分为主电路和控制程序部分，其中主电路由动态可重构电池储能系统和双向dc/dc变流器组成，以便测试权利要求1所提及的相关控制策略。

技术总结基于能量数字化的动态可重构电池储能技术，改变了电池发明以来固定串并联的应用范式，将电池之间的物理连接由传统固定串并联的刚性连接改变为程序控制的柔性连接，通过控制每个电池接入充放电回路里的时间实现了较好的均衡控制效果。本发明针对动态可重构电池储能系统，提出了一种条件下PWM充放电控制策略，通过给未导通电池单体施加占空比信号，使其在一个周期内不完全导通，很好的兼顾了输出功率指令和均衡效果。同时相比于传统的均衡控制策略，改进策略的均衡速度也有提升，极大提升电池储能系统的安全性和能量效率，为构建大规模长寿命低成本电池储能系统提供了新的均衡控制思路。技术研发人员：贾焦心,杨耀辉,颜湘武受保护的技术使用者：华北电力大学（保定）技术研发日：技术公布日：2025/1/6