双层嵌套结构式可重构储能电池系统及分层均衡控制方法

本发明涉及新能源储能，特别是涉及一种双层嵌套结构式可重构储能电池系统及分层均衡控制方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、传统储能电池系统通常具有固定的结构和参数，难以根据不同的运行需求进行动态调整，这虽然一定程度上降低了成本，但也会影响储能电池系统的性能和使用寿命，此外，在特定工况下，某些类型的传统电池系统可能存在安全稳定性方面的隐患，需要额外的安全保护措施。

3、由此，传统储能电池系统若想要长久安全的运行，需要配备额外的电池均衡设备，其往往以被动均衡为主，且每个电池模块均需要配备一个被动均衡电路，被动均衡主要是通过利用电阻器对能量较高的单体电池进行旁路放电，将其多余的能量以热量的形式进行消耗，以达到各个电池模块能量的一致，被动均衡优点是电路结构简单易行，成本较低，电路体积小且控制容易。

4、但是，由于能量是以热量的形式耗散，电池模块总能量利用率较低，且电池模块内的温度会升高且不均匀，导致发热问题，增大了电池热管理系统的设计难度，增加对电池进行热管理的成本。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种双层嵌套结构式可重构储能电池系统及分层均衡控制方法，通过引入储能电感和内外层的分层控制，拥有较高电量的电池首先将能量转移至电感当中，之后再转移至电量较低的电池中，解决能量耗散较大和发热问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种双层嵌套结构式可重构储能电池系统，包括：可重构储能电池模块、外层均衡系统和若干个内层均衡系统；

4、所述可重构储能电池模块包括若干个电池模块和用于重构电池模块间串并联连接方式的第一开关，每个电池模块对应一个内层均衡系统，每个电池模块包括若干个电池单体；

5、所述外层均衡系统与可重构储能电池模块串联，包括串联的第一电感和mos开关管，用于根据电池模块的荷电状态，控制第一开关的通断，改变可重构储能电池模块的拓扑，通过对第一电感的充放电，使电池模块间的电压均衡，根据负载需求调节mos开关管占空比，以输出负载所需电压；

6、所述内层均衡系统包括第二电感和每个电池单体正负极连接的第二开关，用于根据电池单体的荷电状态，控制第二开关的通断，通过对第二电感的充放电，使电池单体间的电压均衡。

7、作为可选择的实施方式，用于重构电池模块间串并联连接方式的第一开关包括：分别连接在电池模块正极和负极的第一子开关，相邻电池模块之间通过第二子开关串联；除第一个电池模块和最后一个电池模块外，在中间的电池模块和其对应的第二子开关上并联一个第三子开关。

8、作为可选择的实施方式，对电池模块按荷电状态进行排序，判断最大荷电状态和最小荷电状态的差是否小于第一设定阈值，若否，则闭合mos开关管、最大荷电状态电池模块正负极的第一子开关，以通过最大荷电状态的电池模块为第一电感充电；通过将最小荷电状态电池模块与外层均衡系统串联，第一电感为最小荷电状态的电池模块充电，直至各电池模块间的电压均衡。

9、作为可选择的实施方式，通过闭合待并联电池模块对应的两个第一子开关实现任意两个或多个电池模块的并联。

10、作为可选择的实施方式，若干个电池单体依次串联连接，每个电池单体的正负极均连接一个第二开关，所有第二开关之间相互连通并串联第二电感。

11、作为可选择的实施方式，将电池单体按荷电状态由大到小进行排序，判断最大荷电状态和最小荷电状态的差是否小于第二设定阈值，若否，则通过最大荷电状态的电池单体为第二电感充电，通过第二电感为最小荷电状态的电池单体充电，直至各电池单体间的电压均衡。

12、作为可选择的实施方式，所述第二设定阈值小于第一设定阈值。

13、作为可选择的实施方式，通过闭合其中一个电池单体的正负极上的第二开关，将该电池单体与第二电感构成回路；通过闭合前一个电池单体负极上的第二开关，和处于该电池单体之后的电池单体正极上的第二开关，则将两个第二开关所对应的电池单体和中间流经的电池单体与第二电感构成回路。

14、作为可选择的实施方式，内外层均衡均采用电流环pi控制策略控制电感上的电流。

15、第二方面，本发明提供一种双层嵌套结构式可重构储能电池系统的分层均衡控制方法，采用第一方面所述的双层嵌套结构式可重构储能电池系统，包括：

16、对电池模块按荷电状态进行排序，判断最大荷电状态和最小荷电状态的差是否小于第一设定阈值，若否，则通过最大荷电状态的电池模块为第一电感充电，通过第一电感为最小荷电状态的电池模块充电，直至各电池模块间的电压均衡；

17、将电池单体按荷电状态进行排序，判断最大荷电状态和最小荷电状态的差是否小于第二设定阈值，若否，则通过最大荷电状态的电池单体为第二电感充电，通过第二电感为最小荷电状态的电池单体充电，直至各电池单体间的电压均衡。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

19、本发明提出一种双层嵌套结构式可重构储能电池系统及分层均衡控制方法，通过引入储能电感和内外层的分层控制，解决能量耗散较大的问题，拥有较高电量的电池首先将能量转移至电感当中，之后再转移至电量较低的电池模块中，此过程能量耗散小，且发热问题比被动均衡中小，有助于提高电池系统的整体能量利用率，也更容易设计电池热管理系统，保证系统安全。

20、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.双层嵌套结构式可重构储能电池系统，其特征在于，包括：可重构储能电池模块、外层均衡系统和若干个内层均衡系统；

2.如权利要求1所述的双层嵌套结构式可重构储能电池系统，其特征在于，用于重构电池模块间串并联连接方式的第一开关包括：分别连接在电池模块正极和负极的第一子开关，相邻电池模块之间通过第二子开关串联；除第一个电池模块和最后一个电池模块外，在中间的电池模块和其对应的第二子开关上并联一个第三子开关。

3.如权利要求2所述的双层嵌套结构式可重构储能电池系统，其特征在于，对电池模块按荷电状态进行排序，判断最大荷电状态和最小荷电状态的差是否小于第一设定阈值，若否，则闭合mos开关管、最大荷电状态电池模块正负极的第一子开关，以通过最大荷电状态的电池模块为第一电感充电；通过将最小荷电状态电池模块与外层均衡系统串联，第一电感为最小荷电状态的电池模块充电，直至各电池模块间的电压均衡。

4.如权利要求2所述的双层嵌套结构式可重构储能电池系统，其特征在于，通过闭合待并联电池模块对应的两个第一子开关实现任意两个或多个电池模块的并联。

5.如权利要求1所述的双层嵌套结构式可重构储能电池系统，其特征在于，若干个电池单体依次串联连接，每个电池单体的正负极均连接一个第二开关，所有第二开关之间相互连通并串联第二电感。

6.如权利要求5所述的双层嵌套结构式可重构储能电池系统，其特征在于，将电池单体按荷电状态由大到小进行排序，判断最大荷电状态和最小荷电状态的差是否小于第二设定阈值，若否，则通过最大荷电状态的电池单体为第二电感充电，通过第二电感为最小荷电状态的电池单体充电，直至各电池单体间的电压均衡。

7.如权利要求3或6所述的双层嵌套结构式可重构储能电池系统，其特征在于，所述第二设定阈值小于第一设定阈值。

8.如权利要求5所述的双层嵌套结构式可重构储能电池系统，其特征在于，通过闭合其中一个电池单体的正负极上的第二开关，将该电池单体与第二电感构成回路；通过闭合前一个电池单体负极上的第二开关，和处于该电池单体之后的电池单体正极上的第二开关，则将两个第二开关所对应的电池单体和中间流经的电池单体与第二电感构成回路。

9.如权利要求1所述的双层嵌套结构式可重构储能电池系统，其特征在于，内外层均衡均采用电流环pi控制策略控制电感上的电流。

10.双层嵌套结构式可重构储能电池系统的分层均衡控制方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的双层嵌套结构式可重构储能电池系统，包括：

技术总结
本发明公开一种双层嵌套结构式可重构储能电池系统及分层均衡控制方法，包括：可重构储能电池模块、外层均衡系统和若干个内层均衡系统；外层均衡系统根据电池模块的荷电状态，控制第一开关的通断，改变可重构储能电池模块的拓扑，通过对第一电感的充放电，使电池模块间的电压均衡，根据负载需求调节MOS开关管占空比，以输出负载所需电压；内层均衡系统根据电池单体的荷电状态，控制第二开关的通断，通过对第二电感的充放电，使电池单体间的电压均衡。解决能量耗散较大和发热问题。

技术研发人员：张强,万广伟,李娜,李孟涵
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21