本發(fā)明屬于電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域，具體為一種用于液態(tài)金屬電池的主動(dòng)均衡控裝置及控制方法。

技術(shù)背景

隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，可再生能源的規(guī)模利用成為世界各國研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。借助大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)可以有效解決可再生能源間歇性和波動(dòng)性帶來的諸多問題，同時(shí)對(duì)于電力系統(tǒng)的“削峰填谷”，提高電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，降低供電成本有著重要的意義。液態(tài)金屬電池作為一種新型的儲(chǔ)能電池，具有壽命長(zhǎng)、容量大、倍率高的優(yōu)點(diǎn)，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

液態(tài)金屬電池是一種高溫電池，工作溫度在300℃～700℃，運(yùn)行時(shí)正負(fù)極金屬呈液態(tài)，電解質(zhì)為熔融態(tài)無機(jī)鹽，電池內(nèi)部因電極和電解質(zhì)密度不同和互不相溶的特性而自動(dòng)分為三層。全液態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使液態(tài)金屬電池傳質(zhì)速度快，電池效率高。由于摒棄了常規(guī)電池隔膜，液態(tài)金屬電池性能穩(wěn)定，壽命較長(zhǎng)，預(yù)期壽命15年以上。

為應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)能，液態(tài)金屬電池必須串聯(lián)以滿足電壓等級(jí)的要求，串聯(lián)使用過程中電池組的不一致性會(huì)逐漸變大，由于電池“短板效應(yīng)”的存在，電池組的容量利用率會(huì)顯著降低，循環(huán)壽命也會(huì)大為縮短，因此必須對(duì)電池組采取均衡控制以提高電池組的整體性能。常見能耗型分流電阻均衡電路由于能耗大，均衡電流小，均衡效率低，不適用于大容量的串聯(lián)液態(tài)金屬電池組，電容型均衡電路只能實(shí)現(xiàn)電壓均衡，而液態(tài)金屬電池電壓在荷電狀態(tài)(SOC)10％～90％范圍內(nèi)較為平坦，且標(biāo)稱電壓只有0.9V，因此即使液態(tài)金屬電池SOC極差較大時(shí)，單體電池間壓差依舊很小，再加上開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降，因此均衡能量很難轉(zhuǎn)移，甚至無法轉(zhuǎn)移，無法實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬電池SOC均衡，導(dǎo)致均衡效率低和液態(tài)金屬電池大的不一致性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述缺陷，本發(fā)明提供一種用于液態(tài)金屬電池的主動(dòng)均衡控制裝置及控制方法，旨在解決由于液態(tài)金屬電池電壓在液態(tài)金屬電池SOC為10％～90％非常平坦導(dǎo)致采用電壓為均衡變量無法實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬電池SOC均衡的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于液態(tài)金屬電池的主動(dòng)均衡控制裝置，包括

數(shù)據(jù)采集模塊，其輸入端與被均衡電池組中各個(gè)液態(tài)金屬電池連接，用于檢測(cè)并輸出被均衡電池組中各液態(tài)金屬電池的電流信號(hào)；

SOC計(jì)算模塊，其輸入端連接至所述數(shù)據(jù)采集模塊的電流信號(hào)輸出端，用于根據(jù)各液態(tài)金屬電池的電流信號(hào)計(jì)算各個(gè)液態(tài)金屬電池的SOC；

控制模塊，其SOC信號(hào)輸入端連接至所述SOC計(jì)算模塊的輸出端，所述控制模塊的反饋電流輸入端與所述均衡模塊的反饋端連接；用于根據(jù)各個(gè)液態(tài)金屬電池的SOC計(jì)算SOC的極差，并根據(jù)SOC的極差輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并根據(jù)反饋電流信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以及

均衡模塊，具有多個(gè)電池連接端，分別與被均衡電池組中各個(gè)液態(tài)金屬電池的正極和負(fù)極連接，所述均衡模塊的控制端連接至所述控制模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端；用于通過與被均衡電池組相連形成均衡回路，并根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)使被均衡電池組中液態(tài)金屬電池均衡充電和均衡放電，并實(shí)時(shí)輸出所述反饋電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬電池間能量的轉(zhuǎn)移。

數(shù)據(jù)采集模塊檢測(cè)被均衡電池組中各個(gè)液態(tài)金屬電池電流信號(hào)，并將采集到的電流信號(hào)傳輸給SOC計(jì)算模塊，SOC計(jì)算模塊根據(jù)接收到的電流信號(hào)計(jì)算液態(tài)金屬電池的SOC，并將液態(tài)金屬電池的SOC信號(hào)傳輸給控制模塊，控制模塊根據(jù)由SOC計(jì)算模塊傳輸?shù)囊簯B(tài)金屬電池SOC計(jì)算SOC極差，再根據(jù)SOC的極差確定均衡回路中均衡電流調(diào)整目標(biāo)值，并將液態(tài)金屬電池SOC最大值所對(duì)應(yīng)的液態(tài)金屬電池作為均衡放電對(duì)象，將液態(tài)金屬電池SOC最小值所對(duì)應(yīng)的液態(tài)金屬電池作為均衡充電對(duì)象，根據(jù)均衡充電對(duì)象、均衡放電對(duì)像以及均衡電流調(diào)整目標(biāo)值確定均衡模塊控制端驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并通過反饋電流輸入端接收由均衡模塊反饋端輸出的反饋電流信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)，液態(tài)金屬電池通過均衡回路均衡充電和均衡放電，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬電池間能量轉(zhuǎn)移，若SOC的極差不為零，則控制模塊持續(xù)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制液態(tài)金屬電池的均衡充電與均衡放電，通過反復(fù)的能量轉(zhuǎn)移使液態(tài)金屬電池的SOC極差為零，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬電池的SOC均衡。

進(jìn)一步地，所述均衡模塊包括兩個(gè)開關(guān)管、2n個(gè)雙向開關(guān)管和一個(gè)均衡電感L；其中，一個(gè)開關(guān)管記為開關(guān)管P₁，一個(gè)開關(guān)管記為開關(guān)管Q_n+1，n個(gè)雙向開關(guān)管分別記為雙向開關(guān)管P₂、雙向開關(guān)管P₃、……雙向開關(guān)管P_n+1，剩余n個(gè)雙向開關(guān)管分別記為雙向開關(guān)管Q₁、雙向開關(guān)管Q₂、……雙向開關(guān)管Q_n；

所述雙向開關(guān)管P_i第一端子連接液態(tài)金屬電池C_i-1負(fù)極，所述雙向開關(guān)管P_i第二端子和均衡電感L一端相連，所述雙向開關(guān)管Q_j第一端子與液態(tài)金屬電池C_j正極連接，所述雙向開關(guān)管Q_j第二端子和均衡電感L另一端相連；所述雙向開關(guān)管P_i控制端和所述雙向開關(guān)管Q_j控制端均與控制模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接；其中，2<i<n+1，1<j＜n；

所述開關(guān)管P₁負(fù)極與均衡電感L一端連接，所述開關(guān)管P₁正極與被均衡電池組正極連接；所述開關(guān)管Q_n+1正極與均衡電感L另一端連接，所述開關(guān)管Q_n+1負(fù)極與被均衡電池組負(fù)極連接；所述開關(guān)管P₁控制端和所述開關(guān)管Q_n+1控制端均與控制模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接；

所述雙向開關(guān)管能夠控制電流的雙向流通，用于控制均衡回路的斷開與導(dǎo)通，并用于防止液態(tài)金屬電池短路；

所述開關(guān)管均能夠控制電流從正極向負(fù)極導(dǎo)通與斷開，均用于控制均衡回路的斷開與導(dǎo)通；

所述被均衡電池組包括n個(gè)依次串聯(lián)的液態(tài)金屬電池。

進(jìn)一步地，所述均衡模塊中雙向開關(guān)管包括第一MOS管和第二MOS管，第一MOS管的源極與第二MOS管的源極連接，第一MOS管的漏極為雙向開關(guān)管的第一端子，第二MOS管的漏極為雙向開關(guān)的第二端子，第一MOS管的柵極和第二MOS管的柵極都為雙向開關(guān)管的控制端。

進(jìn)一步地，開關(guān)管均MOS管，MOS管漏極為開關(guān)管的正極，MOS管源極開關(guān)管的負(fù)極，MOS管柵極為開關(guān)管的控制端，MOS管的導(dǎo)通電阻小，能夠減少均衡過程的中的壓降。

作為本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明提供一種用于液態(tài)金屬電池的主動(dòng)均衡控制裝置的控制方法，包括如下步驟：

(1)采集各個(gè)液態(tài)金屬電池的電流信號(hào)；

(2)根據(jù)各個(gè)液態(tài)金屬電池的電流信號(hào)計(jì)算各個(gè)液態(tài)金屬電池的SOC；

(3)對(duì)各個(gè)液態(tài)金屬電池的SOC按照從大到小進(jìn)行排序，根據(jù)公式ΔSOC＝SOC_max-SOC_min計(jì)算SOC極差，其中，ΔSOC為SOC極差，SOC_max為最大的液態(tài)金屬電池的SOC，SOC_min為最小的液態(tài)金屬電池的SOC；

(4)若ΔSOC＞0，根據(jù)ΔSOC確定均衡回路中均衡電流調(diào)整目標(biāo)值，并將最大液態(tài)金屬電池SOC所對(duì)應(yīng)的液態(tài)金屬電池作為均衡放電對(duì)象，將最小液態(tài)金屬電池SOC所對(duì)應(yīng)的液態(tài)金屬電池作為均衡充電對(duì)象；否則進(jìn)入步驟(7)；

(5)根據(jù)均衡放電對(duì)象、均衡充電對(duì)象以及均衡電流調(diào)整目標(biāo)值，確定均衡回路的控制信號(hào)；

(6)檢測(cè)均衡回路中實(shí)時(shí)均衡電流，并根據(jù)實(shí)時(shí)均衡電流與均衡電流調(diào)整目標(biāo)值修正均衡回路的控制信號(hào)，返回步驟(1)；

(7)輸出使所有液態(tài)金屬電池既不放電也不充電的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，返回步驟(1)；

以液態(tài)金屬電池的SOC作為控制變量，根據(jù)SOC極差確定均衡回路中均衡電流大小，能夠快速且精確地實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬電池SOC的均衡。

進(jìn)一步地，所述步驟(2)中通過公式計(jì)算液態(tài)金屬電池SOC，其中，t為液態(tài)金屬池充電時(shí)間或放電時(shí)間，SOC₀為放電起始時(shí)刻或充電起始時(shí)刻的液態(tài)金屬電池SOC，Q_N為液態(tài)金屬電池容量，η為庫倫效率，當(dāng)液態(tài)金屬電池放電時(shí)，η＝1，I為放電電流，且為正值，當(dāng)液態(tài)金屬電池充電時(shí)，η＜1，I為充電電流，且為負(fù)值。

進(jìn)一步地，所述步驟(4)中根根據(jù)SOC的極差確定均衡回路中均衡電流調(diào)整目標(biāo)值，包括以下步驟：

(41)當(dāng)ΔSOC≥0.2時(shí)，采用0.5C均衡電流進(jìn)行大步均衡，否則，進(jìn)入步驟(42)；

(42)當(dāng)0.1≤ΔSOC＜0.2時(shí)，采用變均衡電流進(jìn)行變步均衡，均衡電流根據(jù)公式I_L＝44.44ΔSOC變化，否則，進(jìn)入步驟(43)；

(43)當(dāng)0.05≤ΔSOC＜0.1時(shí)，采用0.2C均衡電流進(jìn)行常規(guī)均衡，否則，進(jìn)入步驟(24)；

(44)當(dāng)0＜ΔSOC＜0.05時(shí)，采用0.1C均衡電流進(jìn)行小步均衡，否則，退出根據(jù)液態(tài)金屬電池SOC的極差確定均衡電流的流程；

其中，ΔSOC為SOC極差，I_L為均衡電流；

根據(jù)SOC的極差大小，采用不同的均衡電流進(jìn)行變步長(zhǎng)均衡，在SOC極差很大時(shí)，采用大步均衡，快速縮小SOC的極差，在SOC極差逐漸變小的過程中，逐漸變化均衡策略，既能夠提高均衡速度，也能夠保證均衡精度。

通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明中以液態(tài)金屬電池的SOC為均衡控制變量，輸出控制均衡模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并以SOC的極差是否為零作為液態(tài)金屬電池SOC是否達(dá)到均衡的標(biāo)準(zhǔn)，解決了由于液態(tài)金屬電池電壓在液態(tài)金屬電池SOC為10％～90％非常平坦導(dǎo)致采用電壓為均衡變量無法實(shí)液態(tài)金屬電池SOC均衡的問題。

2、本發(fā)明中通過實(shí)時(shí)檢測(cè)液態(tài)金屬電池的電流，計(jì)算液態(tài)金屬電池的SOC，根據(jù)SOC極差確定均衡回路中均衡電流大小，實(shí)現(xiàn)控制液態(tài)金屬電池間轉(zhuǎn)移電荷量的速率，實(shí)現(xiàn)高效率地均衡液態(tài)金屬池SOC。

3、本發(fā)明中通過閉環(huán)控制均衡回路中均衡電流，使被均衡液態(tài)金屬電池組在指定SOC的極差內(nèi)均衡電流恒定，提高了均衡過程中被均衡電池組的穩(wěn)定性與可靠性。

4、在均衡初期，液態(tài)金屬電池SOC差異大，采用大步均衡，快速縮小液態(tài)金屬電池SOC差異，在均衡后期，液態(tài)金屬電池SOC差異由液態(tài)金屬電池容量衰減不一致造成，該差異較小，采用小均衡電流，能夠提高均衡精度，避免液態(tài)金屬電池SOC過均衡，提升均衡速度和均衡精度，且根據(jù)SOC極差實(shí)時(shí)調(diào)整均衡策略，使均衡電感工作在電流連續(xù)模式也提高了均衡速度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的主動(dòng)均衡控制裝置的原理框圖；

圖2為本發(fā)明提供實(shí)施例中均衡電路模塊與被均衡電池組的電路圖；

圖3為本發(fā)明提供的實(shí)施例中液態(tài)金屬電池均衡過程的相關(guān)圖：其中，(a)為均衡電流圖，(b)為均衡充電過程雙向開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)圖，(c)為均衡放電過程雙向開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)圖；

圖4為本發(fā)明提供實(shí)施例中步驟(4)中確定均衡電流的流程圖；

圖5本發(fā)明中提供實(shí)施例中主動(dòng)均衡控制裝置的仿真模型圖；

圖6本發(fā)明中提供實(shí)施例中電池模型在靜置狀態(tài)下均衡過程中的均衡電流曲線圖；

圖7本發(fā)明中提供實(shí)施例中被均衡電池組靜置狀態(tài)下均衡過程中的電池模型的SOC曲線圖；

圖8本發(fā)明中提供實(shí)施例中被均衡電池組充電狀態(tài)下均衡過程中的電池模型的SOC曲線圖；

圖9本發(fā)明中提供實(shí)施例中被均衡電池組充電狀態(tài)下未施加主動(dòng)均衡控制的電池模型的SOC曲線圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的用于液態(tài)金屬電池的主動(dòng)均衡控制裝置，包括數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集液態(tài)金屬電池的電流信號(hào)，并通過電流信號(hào)輸出端將電流信號(hào)傳輸給SOC計(jì)算模塊，SOC計(jì)算模塊的電流信號(hào)輸入端與數(shù)據(jù)采集模塊的電流信號(hào)輸出端連接，SOC模塊根據(jù)接收到的電流信號(hào)計(jì)算各個(gè)液態(tài)金屬電池的SOC，并通過SOC信號(hào)輸出端將各個(gè)液態(tài)金屬電池的SOC傳輸給控制模塊，控制模塊輸入端與SOC計(jì)算模塊SOC信號(hào)輸出端連接，控制模塊計(jì)算SOC的極差，SOC極差為液態(tài)金屬電池SOC的最大值和液態(tài)金屬電池的SOC的最小值，并將液態(tài)金屬電池的SOC最大值對(duì)應(yīng)的液態(tài)金屬電池作為均衡放電對(duì)象，并將液態(tài)金屬電池的SOC最小值對(duì)應(yīng)的液態(tài)金屬電池作為均衡充電對(duì)象，根據(jù)SOC的極差確定均衡電流調(diào)整目標(biāo)值，根據(jù)均衡充電對(duì)象、均衡放電對(duì)象和均衡電流調(diào)整目標(biāo)值確定均衡模塊的控制端的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，均衡模塊的控制端與控制模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接，均衡模塊的連接電池端與被均衡電池組連接，組成均衡回路，均衡模塊通過控制端接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)均衡回路的斷開與導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬電池的充電與放電，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬電池能量的轉(zhuǎn)移，均衡模塊反饋端向控制模塊反饋電流輸入端實(shí)時(shí)輸出反饋均衡電流，控制模塊根據(jù)反饋均衡電流與均衡電流調(diào)整目標(biāo)值調(diào)整輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使均衡電流保持恒定，有利于提高被均衡電池組的穩(wěn)定性。同時(shí)本發(fā)明以液態(tài)金屬電池SOC為控制變量，根據(jù)SOC極差輸出控制均衡模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并以SOC的極差是否為零作為液態(tài)金屬電池是否達(dá)到SOC均衡的標(biāo)準(zhǔn)，解決了由于液態(tài)金屬電池開路電壓在液態(tài)金屬電池SOC為10％～90％非常平坦導(dǎo)致采用電壓為均衡變量無法實(shí)液態(tài)金屬電池SOC均衡的問題。

如圖2所示，本發(fā)明提供的實(shí)施例中均衡模塊和被均衡電池組，包括開關(guān)管(其中，一個(gè)開關(guān)管記為開關(guān)管P₁，另一個(gè)開關(guān)管記為開關(guān)管Q_n+1)、2n個(gè)雙向開關(guān)管(其中，n個(gè)雙向開關(guān)管分別記為雙向開關(guān)管P₂、雙向開關(guān)管P₃、……、雙向開關(guān)管P_n+1，n個(gè)雙向開關(guān)管分別記為雙向開關(guān)管Q₁、雙向開關(guān)管Q₂、……、雙向開關(guān)管Q_n)和均衡電感L，被均衡電池組包括液態(tài)金屬電池C₁至液態(tài)金屬電池C_n，且液態(tài)金屬電池C₁至液態(tài)金屬電池C_n依次串聯(lián)；

開關(guān)管P₁為MOS管，該MOS管存在由源極向漏極導(dǎo)通的寄生二極管，開關(guān)管P₁源極與均衡電感L一端連接，開關(guān)管P₁漏極與液態(tài)金屬電池C₁正極連接；雙向開關(guān)管P_n+1由MOS管Z₁和MOS管Z₂組成，該MOS管存在由源極向漏極導(dǎo)通的寄生二極管，雙向開關(guān)管P₂至雙向開關(guān)管P_n和雙向開關(guān)管Q₁至雙向開關(guān)管Q_n的結(jié)構(gòu)和雙向開關(guān)管P_n+1相同，雙向開關(guān)管P_n+1第一端子與均衡電感一端連接，雙向開關(guān)管P_n+1第二端子與液態(tài)金屬電池C_n負(fù)極相連，雙向開關(guān)管P₂至雙向開關(guān)管P_n與液態(tài)金屬電池C₁至液態(tài)金屬電池C_n接關(guān)系同雙向開關(guān)管P_n+1與液態(tài)金屬電池C₁至液態(tài)金屬電池C_n連接關(guān)系相同，雙向開關(guān)管P₂至雙向開關(guān)管P_n與均衡電感L的連接關(guān)系同雙向開關(guān)管P_n+1與均衡電感L的連接關(guān)系相同。

開關(guān)管Q_n+1為MOS管，該MOS管存在由源極向漏極導(dǎo)通的寄生二極管，開關(guān)管Q_n+1漏極與均衡電感L另一端相連，開關(guān)管Q_n+1源極與液態(tài)金屬電池C₁負(fù)極相連；雙向開關(guān)管Q_n第一端子與液態(tài)金屬電池C_n正極相連，雙向開關(guān)管Q_n第二端子與均衡電感L另一端相連，雙向開關(guān)管Q₁至向開關(guān)管Q_n-1與液態(tài)金屬電池C₁至液態(tài)金屬電池C_n連接關(guān)系同雙向開關(guān)管Q_n與液態(tài)金屬電池C₁至液態(tài)金屬電池C_n連接關(guān)系相同，雙向開關(guān)管Q₁至雙向開關(guān)管Q_n-1與均衡電感L的連接關(guān)系同雙向開關(guān)管Q_n與均衡電感L的連接關(guān)系相同。

開關(guān)管使用MOS管，可以利用其飽和導(dǎo)通電阻小，從而減少均衡過程中壓降，同時(shí)由兩個(gè)MOS管串聯(lián)而成的雙向開關(guān)管能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電流的雙向控制，同時(shí)能防止由于MOS管寄生二極管的存在導(dǎo)致被均衡電池組短路?？紤]均衡過程中開關(guān)切換間隔、均衡結(jié)束以及被均衡電池組停止運(yùn)行等工作情況，電感電流可以通過開關(guān)管P₁、開關(guān)管Q_n+1中寄生二極管進(jìn)行續(xù)流，而避免產(chǎn)生電壓尖峰擊穿開關(guān)管。

數(shù)據(jù)采集模塊檢測(cè)被均衡電池組中液態(tài)金屬電池C₁至液態(tài)金屬電池C_n的電流信號(hào)，數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的電流信號(hào)傳輸給SOC計(jì)算模塊，由SOC計(jì)算模塊計(jì)算出液態(tài)金屬電池C₁至液態(tài)金屬電池C_n的SOC，并將液態(tài)金屬電池的SOC信號(hào)傳輸給控制模塊，假設(shè)此時(shí)液態(tài)金屬電池的SOC的最大值對(duì)應(yīng)液態(tài)金屬電池C₂，液態(tài)金屬電池的SOC的最小值對(duì)應(yīng)液態(tài)金屬電池C_n，則液態(tài)金屬電池C₂為均衡充電對(duì)象，液態(tài)金屬電池C_n為均衡放電對(duì)象，并計(jì)算SOC的極差，根據(jù)SOC的極差確定均衡電流，并輸出控制均衡模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)使雙向開關(guān)Q₂沿著液態(tài)金屬電池C₂正極向均衡電感L方向?qū)?，使雙向開關(guān)P₃沿著均衡電感L向液態(tài)金屬電池C₂負(fù)極方向?qū)ǎ簯B(tài)金屬電池C₂、雙向開關(guān)管Q₂、均衡電感L和雙向開關(guān)管P₃構(gòu)成均衡回路，液態(tài)金屬電池C₂通過均衡回路向均衡電感L放電，均衡電流逐漸上升，當(dāng)上升到一定值后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)使雙向開關(guān)管Q₂和雙向開關(guān)管P₃均截止，使開關(guān)管Q_n+1沿著液態(tài)金屬電池C_n負(fù)極向均衡電感導(dǎo)通，雙向開關(guān)管P_n沿著均衡電感向液態(tài)金屬電池C_n正極導(dǎo)通，液態(tài)金屬電池C_n、開關(guān)管Q_n+1、均衡電感L和雙向開關(guān)管P_n構(gòu)成均衡回路，均衡電感L通過均衡回路向電液態(tài)金屬電池C_n充電。

如圖3(b)所示，PWM 1為液態(tài)金屬電池C₂均衡放電過程中雙向開關(guān)管Q₂和雙向開關(guān)管P₃的控制信號(hào)，如圖3(c)所示，PWM 2為液態(tài)金屬電池C_n均衡充電過程中雙向開關(guān)管Q_n+1和雙向開關(guān)管P_n的控制信號(hào)，如圖3(a)所示，讓雙向開關(guān)管Q₂和雙向開關(guān)管P₃導(dǎo)通，液態(tài)金屬電池C₂放電，均衡電流逐漸上升，當(dāng)均衡電流上升到一定值，使雙向開關(guān)管Q₂和向開關(guān)管P₃截止，使雙向開關(guān)管P_n和開關(guān)管Q_n+1導(dǎo)通，此時(shí)電感L向液態(tài)金屬電池C_n充電，均衡電流逐漸降低。若將雙向開關(guān)管與雙向開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間減少，可以實(shí)現(xiàn)均衡電流小波動(dòng)，有利于被均衡電池組的穩(wěn)定性。

本發(fā)明提供了一種用于液態(tài)金屬電池的主動(dòng)均衡控制裝置的控制方法，包括以下步驟：

(1)采集各個(gè)液態(tài)金屬電池和電流信號(hào)；

(2)根據(jù)各個(gè)液態(tài)金屬電池的電流計(jì)算各個(gè)液態(tài)金屬電池的SOC；液態(tài)金屬電池的SOC用于作為主動(dòng)均衡控制方法的控制變量；

(3)對(duì)各個(gè)液態(tài)金屬電池的SOC按照從大到小進(jìn)行排序，根據(jù)公式ΔSOC＝SOC_max-SOC_min計(jì)算SOC極差，其中，ΔSOC為SOC極差，SOC_max為最大的液態(tài)金屬電池的SOC，SOC_min為最小的液態(tài)金屬電池的SOC；

(4)若ΔSOC＞0，根據(jù)ΔSOC確定均衡回路中均衡電流調(diào)整目標(biāo)值，并將最大液態(tài)金屬電池SOC所對(duì)應(yīng)的液態(tài)金屬電池作為均衡放電對(duì)象，將最小液態(tài)金屬電池SOC所對(duì)應(yīng)的液態(tài)金屬電池作為均衡充電對(duì)象；否則進(jìn)入步驟(7)；以SOC極差確定均衡電流調(diào)整目標(biāo)值，并以最大和最小的液態(tài)金屬電池SOC對(duì)應(yīng)的液態(tài)金屬電池作為均衡放電對(duì)象和均衡充電對(duì)象，能夠快速并且精確的實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬電池的SOC均衡。

(5)根據(jù)均衡放電對(duì)象、均衡充電對(duì)象以及均衡電流調(diào)整目標(biāo)值，確定均衡回路的控制信號(hào)；

(6)檢測(cè)均衡回路中實(shí)時(shí)均衡電流，并根據(jù)實(shí)時(shí)均衡電流與均衡電流調(diào)整目標(biāo)值修正均衡回路的控制信號(hào)，返回步驟(1)；對(duì)均衡電流進(jìn)行閉環(huán)控制，保證均衡電流在指定極差內(nèi)的恒定，有利于提高被均衡電池組的穩(wěn)定性。

(7)均衡回路的控制信號(hào)為使所有液態(tài)金屬電池及不放電也不充電，返回步驟(1)。

本發(fā)明提供的另一實(shí)施例中，采用安時(shí)積分法計(jì)算液態(tài)金屬電池SOC，公式為：

$SOC={\mathrm{SOC}}_0-\frac{1}{Q_N}\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}\mathrm{\&eta;}Idt$

其中，t為液態(tài)金屬池充電時(shí)間或放電時(shí)間，SOC₀為放電起始時(shí)刻或充電起始時(shí)刻的液態(tài)金屬電池SOC，Q_N為液態(tài)金屬電池容量，η為庫倫效率，當(dāng)液態(tài)金屬電池放電時(shí)，η＝1，I為放電電流，且為正值，當(dāng)液態(tài)金屬電池充電時(shí)，η＜1，I為充電電流，且為負(fù)值。

如圖4所示，本發(fā)明提供的另一實(shí)施例中步驟(2)中根據(jù)液態(tài)金屬電池SOC的極差確定均衡電流，包括以下步驟：

(21)當(dāng)ΔSOC≥0.2時(shí)，采用0.5C均衡電流進(jìn)行大步均衡，否則，進(jìn)入步驟(22)；

(22)當(dāng)0.1≤ΔSOC＜0.2時(shí)，采用變均衡電流的變步均衡，均衡電流根據(jù)公式I_L＝44.44ΔSOC變化，否則，進(jìn)入步驟(23)；

(23)當(dāng)0.05≤ΔSOC＜0.1時(shí)，采用0.2C均衡電流進(jìn)行常規(guī)均衡，否則，進(jìn)入步驟(24)；

(24)當(dāng)0＜ΔSOC＜0.05時(shí)，采用0.1C均衡電流進(jìn)行小步均衡，否則，退出根據(jù)液態(tài)金屬電池SOC的極差確定均衡電流的流程；

ΔSOC為最大的液態(tài)金屬電池SOC與最小的液態(tài)金屬電池SOC之差。

針對(duì)不同的SOC極差，采用不同的均衡策略，在均衡初期，液態(tài)金屬電池的SOC差異大，采用大均衡電流進(jìn)行大步均衡，快速降低液態(tài)金屬電池的SOC差異，在均衡前中期，液態(tài)金屬電池的SOC差異由于大步均衡被縮小，此時(shí)采用根據(jù)SOC的極差確定均衡電流，避免由于均衡電流變化過快影響被均衡電池組的穩(wěn)定性，在均衡后中期，此時(shí)采用常規(guī)均衡，在均衡后期，由于液態(tài)金屬電池容量衰減不一致造成的液態(tài)金屬電池SOC差異，該SOC差異小，采用小均衡電流的小步均衡，能夠提高均衡精度，避免液態(tài)金屬電池SOC過均衡，采用不同均衡電流同時(shí)提升均衡速度和均衡精度，另外，均衡電感中的電流變化跨度小使均衡電感工作在電流連續(xù)模式，提高了均衡速度。

如圖5所示，本實(shí)施例中利用MATLAB/SIMULINK仿真軟件，搭建液態(tài)金屬電池的主動(dòng)均衡控制裝置的模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

被均衡電池組包括串聯(lián)的電池模型1、電池模型2和電池模型3，電池模型1輸出電壓為V1，電池模型1的SOC初始值為SOC1，電池模型2輸出電壓為V2，電池模型2的SOC初始值為SOC2，電池模型3輸出電壓為V3，電池模型3的SOC初始值為SOC3。電池模型1至電池模型3的標(biāo)稱電壓均為0.9V，額定容量均為20Ah，電池模型1至電池模型3的是通過混合脈沖功率性能測(cè)試并進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)建立的二階戴維南等效電路模型，電池模型1至電池模型3可以計(jì)算各自的實(shí)時(shí)SOC，并通過SOC端口輸出實(shí)時(shí)電池模型的SOC。

均衡電路，包括兩個(gè)開關(guān)管、六個(gè)雙向開關(guān)管和一個(gè)均衡電感，通過均衡電路的電壓輸入端與三個(gè)電池模型電壓輸出端相連，使均衡電路與被均衡電池組成均衡回路。

SOC極差模塊，SOC極差模塊通過采集各電池模型SOC計(jì)算SOC極差，并通過SOC極差示波器顯示SOC極差。

控制模塊包括均衡充電控制器和均衡放電控制器，均衡放電控制器用于控制液態(tài)金屬電池通過均衡回路均衡放電的過程，均衡充電控制器用于控制液態(tài)金屬電池通過均衡回路均衡充電的過程，根據(jù)液壓金屬電池SOC的極差確定均衡電流和需要接入均衡回路中的液壓金屬電池，產(chǎn)生均衡電路中開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PMW1至PWM4并采集反饋器中均衡電流，實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM1至PWM4。

外接充電電流為零時(shí)，表示被均衡電池組處于靜置狀態(tài)。當(dāng)外接充電電流大于零時(shí)，表示被均衡電池組處于充電狀態(tài)。

SOC極差示波器用于實(shí)時(shí)顯示SOC極差，均衡電流示波器用于實(shí)時(shí)顯示均衡電流。

仿真實(shí)施實(shí)例一：

設(shè)置電池模型1的SOC初始值為80％，設(shè)置電池模型2的SOC初始值為70％，設(shè)置電池模型3的SOC初始值為75％，設(shè)置外接充電電流為零，即被均衡電池組處于靜置狀態(tài)，根據(jù)電池模型SOC極差控制均衡電流，如圖6所示，在均衡初期，SOC極差在0.05至0.1之間，均衡電流平均值為4A；均衡后期，SOC極差在0至0.05之間，均衡電流平均值為2A；進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖7所示為靜置狀態(tài)下均衡過程電池模型SOC變化曲線，約在2715s各電池模型SOC值基本一致，電池模型SOC值約為74.65％。整個(gè)過程，均衡效率約為81.58％。在被均衡電池組初始SOC趨于一致以后，均衡控制系統(tǒng)采用小步均衡，依然能夠保持被均衡電池組SOC的一致性，且每個(gè)SOC極差范圍內(nèi)，電感電流的穩(wěn)定有利于減弱系統(tǒng)波動(dòng)。仿真結(jié)果表明，主動(dòng)均衡控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被均衡電池組的快速、高效均衡，從而提高被均衡電池組的一致性和容量利用率。

仿真實(shí)施實(shí)例二：

設(shè)置電池模型1的SOC初始值為35％，設(shè)置電池模型2的SOC初始值為40％，設(shè)置電池模型3的SOC初始值為45％，設(shè)置外接充電電流大于零，即被均衡電池組處于充電狀態(tài)，對(duì)上述被均衡電池組施加主動(dòng)均衡控制，得到單體電池SOC變化曲線如圖8所示，由圖可知大約在2672S時(shí)被均衡電池組SOC基本趨于一致，當(dāng)在4000S時(shí)，被均衡電池組SOC約為98％。

仿真對(duì)比實(shí)施例一：

設(shè)置電池模型1的SOC初始值為35％，設(shè)置電池模型2的SOC初始值為40％，設(shè)置電池模型3的SOC初始值為45％，設(shè)置充電電流為10A，對(duì)被均衡電池組不施加主動(dòng)均衡控制，圖9為被均衡電池組在充電狀態(tài)下未對(duì)被均衡電池組進(jìn)行均衡控制的電池模型SOC曲線圖，未對(duì)被均衡電池組進(jìn)行主動(dòng)均衡控制，在3786S時(shí)，被均衡電池組充電截止，電池模型1至電池模型3的SOC依次為0.9％、0.95％、1.0％，被均衡電池組的不一致性依舊很大。電池模型1先被充滿，此時(shí)電池模型2和電池模型3仍可充入一定電量，但由于電池模型1充滿，需停止對(duì)被均衡電池組充電，導(dǎo)致被均衡電池組充電容量比所有電池模型總的充電容量低。

仿真實(shí)施例二與仿真對(duì)比例一相比，施加主動(dòng)均衡控制的被均衡電池組較不施加均衡控制的被均衡電池組恒流充電時(shí)間更長(zhǎng)，被均衡電池組的一致性和容量利用率明顯提高，說明該主動(dòng)均衡控制裝置在充電狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)由串聯(lián)的液態(tài)金屬被均衡電池組成的被均衡電池組快速均衡。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。