CN106300545B - 一种用于液态金属电池的主动均衡控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于液态金属电池的主动均衡控制装置及控制方法，该装置包括均衡模块、数据采集模块、SOC计算模块以及控制模块；均衡模块与被均衡电池组构成均衡回路，被均衡电池组包括多个串联的液态金属电池，数据采集模块采集液态金属电池的电流信号，将电流信号传输给SOC计算模块，SOC计算模块计算各液态金属电池的SOC，并将各液态金属电池的SOC传输给控制模块，控制模块根据各液态金属电池的SOC计算SOC的极差，并根据SOC的极差输出控制均衡回路的驱动信号，驱动信号控制均衡回路的通断，实现对液态金属电池组的均衡充电和均衡放电，实现被均衡电池组SOC均衡，提高电池组的容量利用率，延长电池组的循环寿命。
Description
技术领域
本发明属于电化学储能领域，具体为一种用于液态金属电池的主动均衡控装置及控制方法。
技术背景
随着全球经济的高速发展，能源和环境问题日益严峻，可再生能源的规模利用成为世界各国研究和发展的热点。借助大规模储能技术可以有效解决可再生能源间歇性和波动性带来的诸多问题，同时对于电力系统的“削峰填谷”，提高电力系统的安全性、稳定性，降低供电成本有着重要的意义。液态金属电池作为一种新型的储能电池，具有寿命长、容量大、倍率高的优点，在大规模储能领域有着广阔的应用前景。
液态金属电池是一种高温电池，工作温度在300℃～700℃，运行时正负极金属呈液态，电解质为熔融态无机盐，电池内部因电极和电解质密度不同和互不相溶的特性而自动分为三层。全液态的结构设计使液态金属电池传质速度快，电池效率高。由于摒弃了常规电池隔膜，液态金属电池性能稳定，寿命较长，预期寿命15年以上。
为应用于大规模储能，液态金属电池必须串联以满足电压等级的要求，串联使用过程中电池组的不一致性会逐渐变大，由于电池“短板效应”的存在，电池组的容量利用率会显著降低，循环寿命也会大为缩短，因此必须对电池组采取均衡控制以提高电池组的整体性能。常见能耗型分流电阻均衡电路由于能耗大，均衡电流小，均衡效率低，不适用于大容量的串联液态金属电池组，电容型均衡电路只能实现电压均衡，而液态金属电池电压在荷电状态(SOC)10％～90％范围内较为平坦，且标称电压只有0.9V，因此即使液态金属电池SOC极差较大时，单体电池间压差依旧很小，再加上开关器件的导通压降，因此均衡能量很难转移，甚至无法转移，无法实现液态金属电池SOC均衡，导致均衡效率低和液态金属电池大的不一致性。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供一种用于液态金属电池的主动均衡控制装置及控制方法，旨在解决由于液态金属电池电压在液态金属电池SOC为10％～90％非常平坦导致采用电压为均衡变量无法实现液态金属电池SOC均衡的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种用于液态金属电池的主动均衡控制装置，包括
数据采集模块，其输入端与被均衡电池组中各个液态金属电池连接，用于检测并输出被均衡电池组中各液态金属电池的电流信号；
SOC计算模块，其输入端连接至所述数据采集模块的电流信号输出端，用于根据各液态金属电池的电流信号计算各个液态金属电池的SOC；
控制模块，其SOC信号输入端连接至所述SOC计算模块的输出端，所述控制模块的反馈电流输入端与所述均衡模块的反馈端连接；用于根据各个液态金属电池的SOC计算SOC的极差，并根据SOC的极差输出驱动信号，并根据反馈电流信号实时调整所述驱动信号；以及
均衡模块，具有多个电池连接端，分别与被均衡电池组中各个液态金属电池的正极和负极连接，所述均衡模块的控制端连接至所述控制模块的驱动信号输出端；用于通过与被均衡电池组相连形成均衡回路，并根据所述驱动信号使被均衡电池组中液态金属电池均衡充电和均衡放电，并实时输出所述反馈电流信号，实现液态金属电池间能量的转移。
数据采集模块检测被均衡电池组中各个液态金属电池电流信号，并将采集到的电流信号传输给SOC计算模块，SOC计算模块根据接收到的电流信号计算液态金属电池的SOC，并将液态金属电池的SOC信号传输给控制模块，控制模块根据由SOC计算模块传输的液态金属电池SOC计算SOC极差，再根据SOC的极差确定均衡回路中均衡电流调整目标值，并将液态金属电池SOC最大值所对应的液态金属电池作为均衡放电对象，将液态金属电池SOC最小值所对应的液态金属电池作为均衡充电对象，根据均衡充电对象、均衡放电对像以及均衡电流调整目标值确定均衡模块控制端驱动信号，并通过反馈电流输入端接收由均衡模块反馈端输出的反馈电流信号，实时调整驱动信号，液态金属电池通过均衡回路均衡充电和均衡放电，实现液态金属电池间能量转移，若SOC的极差不为零，则控制模块持续输出驱动信号，控制液态金属电池的均衡充电与均衡放电，通过反复的能量转移使液态金属电池的SOC极差为零，实现液态金属电池的SOC均衡。
进一步地，所述均衡模块包括两个开关管、2n个双向开关管和一个均衡电感L；其中，一个开关管记为开关管P1，一个开关管记为开关管Qn+1，n个双向开关管分别记为双向开关管P2、双向开关管P3、……双向开关管Pn+1，剩余n个双向开关管分别记为双向开关管Q1、双向开关管Q2、……双向开关管Qn；
所述双向开关管Pi第一端子连接液态金属电池Ci-1负极，所述双向开关管Pi第二端子和均衡电感L一端相连，所述双向开关管Qj第一端子与液态金属电池Cj正极连接，所述双向开关管Qj第二端子和均衡电感L另一端相连；所述双向开关管Pi控制端和所述双向开关管Qj控制端均与控制模块的驱动信号输出端连接；其中，2<i<n+1，1<j＜n；
所述开关管P1负极与均衡电感L一端连接，所述开关管P1正极与被均衡电池组正极连接；所述开关管Qn+1正极与均衡电感L另一端连接，所述开关管Qn+1负极与被均衡电池组负极连接；所述开关管P1控制端和所述开关管Qn+1控制端均与控制模块的驱动信号输出端连接；
所述双向开关管能够控制电流的双向流通，用于控制均衡回路的断开与导通，并用于防止液态金属电池短路；
所述开关管均能够控制电流从正极向负极导通与断开，均用于控制均衡回路的断开与导通；
所述被均衡电池组包括n个依次串联的液态金属电池。
进一步地，所述均衡模块中双向开关管包括第一MOS管和第二MOS管，第一MOS管的源极与第二MOS管的源极连接，第一MOS管的漏极为双向开关管的第一端子，第二MOS管的漏极为双向开关的第二端子，第一MOS管的栅极和第二MOS管的栅极都为双向开关管的控制端。
进一步地，开关管均MOS管，MOS管漏极为开关管的正极，MOS管源极开关管的负极，MOS管栅极为开关管的控制端，MOS管的导通电阻小，能够减少均衡过程的中的压降。
作为本发明的另一目的，本发明提供一种用于液态金属电池的主动均衡控制装置的控制方法，包括如下步骤：
(1)采集各个液态金属电池的电流信号；
(2)根据各个液态金属电池的电流信号计算各个液态金属电池的SOC；
(3)对各个液态金属电池的SOC按照从大到小进行排序，根据公式ΔSOC＝SOCmax-SOCmin计算SOC极差，其中，ΔSOC为SOC极差，SOCmax为最大的液态金属电池的SOC，SOCmin为最小的液态金属电池的SOC；
(4)若ΔSOC＞0，根据ΔSOC确定均衡回路中均衡电流调整目标值，并将最大液态金属电池SOC所对应的液态金属电池作为均衡放电对象，将最小液态金属电池SOC所对应的液态金属电池作为均衡充电对象；否则进入步骤(7)；
(5)根据均衡放电对象、均衡充电对象以及均衡电流调整目标值，确定均衡回路的控制信号；
(6)检测均衡回路中实时均衡电流，并根据实时均衡电流与均衡电流调整目标值修正均衡回路的控制信号，返回步骤(1)；
(7)输出使所有液态金属电池既不放电也不充电的驱动信号，返回步骤(1)；
以液态金属电池的SOC作为控制变量，根据SOC极差确定均衡回路中均衡电流大小，能够快速且精确地实现液态金属电池SOC的均衡。
进一步地，所述步骤(2)中通过公式计算液态金属电池SOC，其中，t为液态金属池充电时间或放电时间，SOC0为放电起始时刻或充电起始时刻的液态金属电池SOC，QN为液态金属电池容量，η为库伦效率，当液态金属电池放电时，η＝1，I为放电电流，且为正值，当液态金属电池充电时，η＜1，I为充电电流，且为负值。
进一步地，所述步骤(4)中根根据SOC的极差确定均衡回路中均衡电流调整目标值，包括以下步骤：
(41)当ΔSOC≥0.2时，采用0.5C均衡电流进行大步均衡，否则，进入步骤(42)；
(42)当0.1≤ΔSOC＜0.2时，采用变均衡电流进行变步均衡，均衡电流根据公式IL＝44.44ΔSOC变化，否则，进入步骤(43)；
(43)当0.05≤ΔSOC＜0.1时，采用0.2C均衡电流进行常规均衡，否则，进入步骤(24)；
(44)当0＜ΔSOC＜0.05时，采用0.1C均衡电流进行小步均衡，否则，退出根据液态金属电池SOC的极差确定均衡电流的流程；
其中，ΔSOC为SOC极差，IL为均衡电流；
根据SOC的极差大小，采用不同的均衡电流进行变步长均衡，在SOC极差很大时，采用大步均衡，快速缩小SOC的极差，在SOC极差逐渐变小的过程中，逐渐变化均衡策略，既能够提高均衡速度，也能够保证均衡精度。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明中以液态金属电池的SOC为均衡控制变量，输出控制均衡模块的驱动信号，并以SOC的极差是否为零作为液态金属电池SOC是否达到均衡的标准，解决了由于液态金属电池电压在液态金属电池SOC为10％～90％非常平坦导致采用电压为均衡变量无法实液态金属电池SOC均衡的问题。
2、本发明中通过实时检测液态金属电池的电流，计算液态金属电池的SOC，根据SOC极差确定均衡回路中均衡电流大小，实现控制液态金属电池间转移电荷量的速率，实现高效率地均衡液态金属池SOC。
3、本发明中通过闭环控制均衡回路中均衡电流，使被均衡液态金属电池组在指定SOC的极差内均衡电流恒定，提高了均衡过程中被均衡电池组的稳定性与可靠性。
4、在均衡初期，液态金属电池SOC差异大，采用大步均衡，快速缩小液态金属电池SOC差异，在均衡后期，液态金属电池SOC差异由液态金属电池容量衰减不一致造成，该差异较小，采用小均衡电流，能够提高均衡精度，避免液态金属电池SOC过均衡，提升均衡速度和均衡精度，且根据SOC极差实时调整均衡策略，使均衡电感工作在电流连续模式也提高了均衡速度。
附图说明
图1为本发明提供的主动均衡控制装置的原理框图；
图2为本发明提供实施例中均衡电路模块与被均衡电池组的电路图；
图3为本发明提供的实施例中液态金属电池均衡过程的相关图：其中，(a)为均衡电流图，(b)为均衡充电过程双向开关管的驱动信号图，(c)为均衡放电过程双向开关管的驱动信号图；
图4为本发明提供实施例中步骤(4)中确定均衡电流的流程图；
图5本发明中提供实施例中主动均衡控制装置的仿真模型图；
图6本发明中提供实施例中电池模型在静置状态下均衡过程中的均衡电流曲线图；
图7本发明中提供实施例中被均衡电池组静置状态下均衡过程中的电池模型的SOC曲线图；
图8本发明中提供实施例中被均衡电池组充电状态下均衡过程中的电池模型的SOC曲线图；
图9本发明中提供实施例中被均衡电池组充电状态下未施加主动均衡控制的电池模型的SOC曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供的用于液态金属电池的主动均衡控制装置，包括数据采集模块，用于采集液态金属电池的电流信号，并通过电流信号输出端将电流信号传输给SOC计算模块，SOC计算模块的电流信号输入端与数据采集模块的电流信号输出端连接，SOC模块根据接收到的电流信号计算各个液态金属电池的SOC，并通过SOC信号输出端将各个液态金属电池的SOC传输给控制模块，控制模块输入端与SOC计算模块SOC信号输出端连接，控制模块计算SOC的极差，SOC极差为液态金属电池SOC的最大值和液态金属电池的SOC的最小值，并将液态金属电池的SOC最大值对应的液态金属电池作为均衡放电对象，并将液态金属电池的SOC最小值对应的液态金属电池作为均衡充电对象，根据SOC的极差确定均衡电流调整目标值，根据均衡充电对象、均衡放电对象和均衡电流调整目标值确定均衡模块的控制端的驱动信号，均衡模块的控制端与控制模块的驱动信号输出端连接，均衡模块的连接电池端与被均衡电池组连接，组成均衡回路，均衡模块通过控制端接收驱动信号，实现均衡回路的断开与导通，实现液态金属电池的充电与放电，实现液态金属电池能量的转移，均衡模块反馈端向控制模块反馈电流输入端实时输出反馈均衡电流，控制模块根据反馈均衡电流与均衡电流调整目标值调整输出的驱动信号，使均衡电流保持恒定，有利于提高被均衡电池组的稳定性。同时本发明以液态金属电池SOC为控制变量，根据SOC极差输出控制均衡模块的驱动信号，并以SOC的极差是否为零作为液态金属电池是否达到SOC均衡的标准，解决了由于液态金属电池开路电压在液态金属电池SOC为10％～90％非常平坦导致采用电压为均衡变量无法实液态金属电池SOC均衡的问题。
如图2所示，本发明提供的实施例中均衡模块和被均衡电池组，包括开关管(其中，一个开关管记为开关管P1，另一个开关管记为开关管Qn+1)、2n个双向开关管(其中，n个双向开关管分别记为双向开关管P2、双向开关管P3、……、双向开关管Pn+1，n个双向开关管分别记为双向开关管Q1、双向开关管Q2、……、双向开关管Qn)和均衡电感L，被均衡电池组包括液态金属电池C1至液态金属电池Cn，且液态金属电池C1至液态金属电池Cn依次串联；
开关管P1为MOS管，该MOS管存在由源极向漏极导通的寄生二极管，开关管P1源极与均衡电感L一端连接，开关管P1漏极与液态金属电池C1正极连接；双向开关管Pn+1由MOS管Z1和MOS管Z2组成，该MOS管存在由源极向漏极导通的寄生二极管，双向开关管P2至双向开关管Pn和双向开关管Q1至双向开关管Qn的结构和双向开关管Pn+1相同，双向开关管Pn+1第一端子与均衡电感一端连接，双向开关管Pn+1第二端子与液态金属电池Cn负极相连，双向开关管P2至双向开关管Pn与液态金属电池C1至液态金属电池Cn接关系同双向开关管Pn+1与液态金属电池C1至液态金属电池Cn连接关系相同，双向开关管P2至双向开关管Pn与均衡电感L的连接关系同双向开关管Pn+1与均衡电感L的连接关系相同。
开关管Qn+1为MOS管，该MOS管存在由源极向漏极导通的寄生二极管，开关管Qn+1漏极与均衡电感L另一端相连，开关管Qn+1源极与液态金属电池C1负极相连；双向开关管Qn第一端子与液态金属电池Cn正极相连，双向开关管Qn第二端子与均衡电感L另一端相连，双向开关管Q1至向开关管Qn-1与液态金属电池C1至液态金属电池Cn连接关系同双向开关管Qn与液态金属电池C1至液态金属电池Cn连接关系相同，双向开关管Q1至双向开关管Qn-1与均衡电感L的连接关系同双向开关管Qn与均衡电感L的连接关系相同。
开关管使用MOS管，可以利用其饱和导通电阻小，从而减少均衡过程中压降，同时由两个MOS管串联而成的双向开关管能够实现对电流的双向控制，同时能防止由于MOS管寄生二极管的存在导致被均衡电池组短路。考虑均衡过程中开关切换间隔、均衡结束以及被均衡电池组停止运行等工作情况，电感电流可以通过开关管P1、开关管Qn+1中寄生二极管进行续流，而避免产生电压尖峰击穿开关管。
数据采集模块检测被均衡电池组中液态金属电池C1至液态金属电池Cn的电流信号，数据采集模块将采集到的电流信号传输给SOC计算模块，由SOC计算模块计算出液态金属电池C1至液态金属电池Cn的SOC，并将液态金属电池的SOC信号传输给控制模块，假设此时液态金属电池的SOC的最大值对应液态金属电池C2，液态金属电池的SOC的最小值对应液态金属电池Cn，则液态金属电池C2为均衡充电对象，液态金属电池Cn为均衡放电对象，并计算SOC的极差，根据SOC的极差确定均衡电流，并输出控制均衡模块的驱动信号，控制模块产生驱动信号使双向开关Q2沿着液态金属电池C2正极向均衡电感L方向导通，使双向开关P3沿着均衡电感L向液态金属电池C2负极方向导通，液态金属电池C2、双向开关管Q2、均衡电感L和双向开关管P3构成均衡回路，液态金属电池C2通过均衡回路向均衡电感L放电，均衡电流逐渐上升，当上升到一定值后，驱动信号使双向开关管Q2和双向开关管P3均截止，使开关管Qn+1沿着液态金属电池Cn负极向均衡电感导通，双向开关管Pn沿着均衡电感向液态金属电池Cn正极导通，液态金属电池Cn、开关管Qn+1、均衡电感L和双向开关管Pn构成均衡回路，均衡电感L通过均衡回路向电液态金属电池Cn充电。
如图3(b)所示，PWM 1为液态金属电池C2均衡放电过程中双向开关管Q2和双向开关管P3的控制信号，如图3(c)所示，PWM 2为液态金属电池Cn均衡充电过程中双向开关管Qn+1和双向开关管Pn的控制信号，如图3(a)所示，让双向开关管Q2和双向开关管P3导通，液态金属电池C2放电，均衡电流逐渐上升，当均衡电流上升到一定值，使双向开关管Q2和向开关管P3截止，使双向开关管Pn和开关管Qn+1导通，此时电感L向液态金属电池Cn充电，均衡电流逐渐降低。若将双向开关管与双向开关管的导通时间减少，可以实现均衡电流小波动，有利于被均衡电池组的稳定性。
本发明提供了一种用于液态金属电池的主动均衡控制装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)采集各个液态金属电池和电流信号；
(2)根据各个液态金属电池的电流计算各个液态金属电池的SOC；液态金属电池的SOC用于作为主动均衡控制方法的控制变量；
(3)对各个液态金属电池的SOC按照从大到小进行排序，根据公式ΔSOC＝SOCmax-SOCmin计算SOC极差，其中，ΔSOC为SOC极差，SOCmax为最大的液态金属电池的SOC，SOCmin为最小的液态金属电池的SOC；
(4)若ΔSOC＞0，根据ΔSOC确定均衡回路中均衡电流调整目标值，并将最大液态金属电池SOC所对应的液态金属电池作为均衡放电对象，将最小液态金属电池SOC所对应的液态金属电池作为均衡充电对象；否则进入步骤(7)；以SOC极差确定均衡电流调整目标值，并以最大和最小的液态金属电池SOC对应的液态金属电池作为均衡放电对象和均衡充电对象，能够快速并且精确的实现液态金属电池的SOC均衡。
(5)根据均衡放电对象、均衡充电对象以及均衡电流调整目标值，确定均衡回路的控制信号；
(6)检测均衡回路中实时均衡电流，并根据实时均衡电流与均衡电流调整目标值修正均衡回路的控制信号，返回步骤(1)；对均衡电流进行闭环控制，保证均衡电流在指定极差内的恒定，有利于提高被均衡电池组的稳定性。
(7)均衡回路的控制信号为使所有液态金属电池及不放电也不充电，返回步骤(1)。
本发明提供的另一实施例中，采用安时积分法计算液态金属电池SOC，公式为：
其中，t为液态金属池充电时间或放电时间，SOC0为放电起始时刻或充电起始时刻的液态金属电池SOC，QN为液态金属电池容量，η为库伦效率，当液态金属电池放电时，η＝1，I为放电电流，且为正值，当液态金属电池充电时，η＜1，I为充电电流，且为负值。
如图4所示，本发明提供的另一实施例中步骤(2)中根据液态金属电池SOC的极差确定均衡电流，包括以下步骤：
(21)当ΔSOC≥0.2时，采用0.5C均衡电流进行大步均衡，否则，进入步骤(22)；
(22)当0.1≤ΔSOC＜0.2时，采用变均衡电流的变步均衡，均衡电流根据公式IL＝44.44ΔSOC变化，否则，进入步骤(23)；
(23)当0.05≤ΔSOC＜0.1时，采用0.2C均衡电流进行常规均衡，否则，进入步骤(24)；
(24)当0＜ΔSOC＜0.05时，采用0.1C均衡电流进行小步均衡，否则，退出根据液态金属电池SOC的极差确定均衡电流的流程；
ΔSOC为最大的液态金属电池SOC与最小的液态金属电池SOC之差。
针对不同的SOC极差，采用不同的均衡策略，在均衡初期，液态金属电池的SOC差异大，采用大均衡电流进行大步均衡，快速降低液态金属电池的SOC差异，在均衡前中期，液态金属电池的SOC差异由于大步均衡被缩小，此时采用根据SOC的极差确定均衡电流，避免由于均衡电流变化过快影响被均衡电池组的稳定性，在均衡后中期，此时采用常规均衡，在均衡后期，由于液态金属电池容量衰减不一致造成的液态金属电池SOC差异，该SOC差异小，采用小均衡电流的小步均衡，能够提高均衡精度，避免液态金属电池SOC过均衡，采用不同均衡电流同时提升均衡速度和均衡精度，另外，均衡电感中的电流变化跨度小使均衡电感工作在电流连续模式，提高了均衡速度。
如图5所示，本实施例中利用MATLAB/SIMULINK仿真软件，搭建液态金属电池的主动均衡控制装置的模型进行仿真验证。
被均衡电池组包括串联的电池模型1、电池模型2和电池模型3，电池模型1输出电压为V1，电池模型1的SOC初始值为SOC1，电池模型2输出电压为V2，电池模型2的SOC初始值为SOC2，电池模型3输出电压为V3，电池模型3的SOC初始值为SOC3。电池模型1至电池模型3的标称电压均为0.9V，额定容量均为20Ah，电池模型1至电池模型3的是通过混合脉冲功率性能测试并进行参数辨识建立的二阶戴维南等效电路模型，电池模型1至电池模型3可以计算各自的实时SOC，并通过SOC端口输出实时电池模型的SOC。
均衡电路，包括两个开关管、六个双向开关管和一个均衡电感，通过均衡电路的电压输入端与三个电池模型电压输出端相连，使均衡电路与被均衡电池组成均衡回路。
SOC极差模块，SOC极差模块通过采集各电池模型SOC计算SOC极差，并通过SOC极差示波器显示SOC极差。
控制模块包括均衡充电控制器和均衡放电控制器，均衡放电控制器用于控制液态金属电池通过均衡回路均衡放电的过程，均衡充电控制器用于控制液态金属电池通过均衡回路均衡充电的过程，根据液压金属电池SOC的极差确定均衡电流和需要接入均衡回路中的液压金属电池，产生均衡电路中开关管的驱动信号PMW1至PWM4并采集反馈器中均衡电流，实时调整驱动信号PWM1至PWM4。
外接充电电流为零时，表示被均衡电池组处于静置状态。当外接充电电流大于零时，表示被均衡电池组处于充电状态。
SOC极差示波器用于实时显示SOC极差，均衡电流示波器用于实时显示均衡电流。
仿真实施实例一：
设置电池模型1的SOC初始值为80％，设置电池模型2的SOC初始值为70％，设置电池模型3的SOC初始值为75％，设置外接充电电流为零，即被均衡电池组处于静置状态，根据电池模型SOC极差控制均衡电流，如图6所示，在均衡初期，SOC极差在0.05至0.1之间，均衡电流平均值为4A；均衡后期，SOC极差在0至0.05之间，均衡电流平均值为2A；进行仿真验证，如图7所示为静置状态下均衡过程电池模型SOC变化曲线，约在2715s各电池模型SOC值基本一致，电池模型SOC值约为74.65％。整个过程，均衡效率约为81.58％。在被均衡电池组初始SOC趋于一致以后，均衡控制系统采用小步均衡，依然能够保持被均衡电池组SOC的一致性，且每个SOC极差范围内，电感电流的稳定有利于减弱系统波动。仿真结果表明，主动均衡控制装置能够实现对被均衡电池组的快速、高效均衡，从而提高被均衡电池组的一致性和容量利用率。
仿真实施实例二：
设置电池模型1的SOC初始值为35％，设置电池模型2的SOC初始值为40％，设置电池模型3的SOC初始值为45％，设置外接充电电流大于零，即被均衡电池组处于充电状态，对上述被均衡电池组施加主动均衡控制，得到单体电池SOC变化曲线如图8所示，由图可知大约在2672S时被均衡电池组SOC基本趋于一致，当在4000S时，被均衡电池组SOC约为98％。
仿真对比实施例一：
设置电池模型1的SOC初始值为35％，设置电池模型2的SOC初始值为40％，设置电池模型3的SOC初始值为45％，设置充电电流为10A，对被均衡电池组不施加主动均衡控制，图9为被均衡电池组在充电状态下未对被均衡电池组进行均衡控制的电池模型SOC曲线图，未对被均衡电池组进行主动均衡控制，在3786S时，被均衡电池组充电截止，电池模型1至电池模型3的SOC依次为0.9％、0.95％、1.0％，被均衡电池组的不一致性依旧很大。电池模型1先被充满，此时电池模型2和电池模型3仍可充入一定电量，但由于电池模型1充满，需停止对被均衡电池组充电，导致被均衡电池组充电容量比所有电池模型总的充电容量低。
仿真实施例二与仿真对比例一相比，施加主动均衡控制的被均衡电池组较不施加均衡控制的被均衡电池组恒流充电时间更长，被均衡电池组的一致性和容量利用率明显提高，说明该主动均衡控制装置在充电状态下能够实现对由串联的液态金属被均衡电池组成的被均衡电池组快速均衡。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于液态金属电池的主动均衡控制装置，其特征在于，包括：
数据采集模块，其输入端与被均衡电池组中各液态金属电池连接，用于采集被均衡电池组中各液态金属电池的电流信号；
SOC计算模块，其输入端连接至所述数据采集模块的电流信号输出端，用于根据各液态金属电池的电流信号计算各液态金属电池的SOC；
控制模块，其SOC信号输入端连接至所述SOC计算模块的输出端，所述控制模块的反馈电流输入端与均衡模块的反馈端连接；用于根据各液态金属电池的SOC计算SOC极差，并根据SOC极差确定均衡电流调整目标值，并根据实时均衡电流和均衡电流调整目标值调整输出的驱动信号；以及
均衡模块，具有多个电池连接端，分别与被均衡电池组中各液态金属电池的正极和负极连接；所述均衡模块的控制端连接至所述控制模块的驱动信号输出端，用于通过与被均衡电池组相连形成均衡回路，并根据所述驱动信号使被均衡电池组中液态金属电池均衡充电和均衡放电，实现液态金属电池间能量的转移；所述均衡模块的反馈端向控制模块反馈电流输入端实时均衡电流；
所述根据SOC极差确定均衡电流调整目标值，具体包括：
当ΔSOC≥0.2时，采用大均衡电流进行大步均衡；当0.1≤ΔSOC＜0.2时，采用变均衡电流进行变步均衡；当0.05≤ΔSOC＜0.1时，采用常规均衡；当0＜ΔSOC＜0.05时，采用小均衡电流进行小步均衡，其中，ΔSOC为SOC极差。
2.根据权利要求1所述的主动均衡控制装置，其特征在于，所述均衡模块包括两个开关管、2n个双向开关管和一个均衡电感L；其中，一个开关管记为开关管P1，另一个开关管记为开关管Qn+1，n个双向开关管分别记为双向开关管P2、双向开关管P3、……双向开关管Pn+1，剩余n个双向开关管分别记为双向开关管Q1、双向开关管Q2、……双向开关管Qn；
所述双向开关管Pi第一端子连接液态金属电池Ci-1负极，所述双向开关管Pi第二端子和均衡电感L一端相连，所述双向开关管Qj第一端子与液态金属电池Cj正极连接，所述双向开关管Qj第二端子和均衡电感L另一端相连；所述双向开关管Pi控制端和所述双向开关管Qj控制端均与控制模块的驱动信号输出端连接；其中，2<i<n+1，1<j＜n；
所述开关管P1负极与均衡电感L一端连接，所述开关管P1正极与被均衡电池组正极连接；所述开关管Qn+1正极与均衡电感L另一端连接，所述开关管Qn+1负极与被均衡电池组负极连接；所述开关管P1控制端和所述开关管Qn+1控制端均与控制模块的驱动信号输出端连接；
所述双向开关管能够控制电流的双向流通，用于控制均衡回路的断开与导通，并用于防止液态金属电池短路；
所述开关管能够控制电流从正极向负极流通，均用于控制均衡回路的断开与导通；
所述被均衡电池组包括n个依次串联的液态金属电池。
3.根据权利要求2所述的主动均衡控制装置，其特征在于，所述均衡模块中双向开关管包括第一MOS管和第二MOS管，第一MOS管的源极与第二MOS管的源极连接，第一MOS管的漏极为双向开关管的第一端子，第二MOS管的漏极为双向开关的第二端子，第一MOS管的栅极和第二MOS管的栅极都为双向开关管的控制端。
4.根据权利要求2所述的主动均衡控制装置，其特征在于，开关管均为MOS管，MOS管漏极为开关管的正极，MOS管源极为开关管的负极，MOS管栅极为开关管的控制端。
5.一种如权利要求1中所述的用于液态金属电池的主动均衡控制装置的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)采集各液态金属电池的电流信号；
(2)根据各液态金属电池的电流信号计算各液态金属电池的SOC；
(3)对各液态金属电池的SOC按照从大到小进行排序，根据公式ΔSOC＝SOCmax-SOCmin计算SOC极差，其中，ΔSOC为SOC极差，SOCmax为液态金属电池SOC最大值，SOCmin
为液态金属电池SOC最小值；
(4)若ΔSOC＞0，根据ΔSOC确定均衡回路中均衡电流调整目标值，并将最大液态金属电池SOC所对应的液态金属电池作为均衡放电对象，将最小液态金属电池SOC所对应的液态金属电池作为均衡充电对象；否则进入步骤(7)；
(5)根据均衡放电对象、均衡充电对象以及均衡电流调整目标值，确定均衡回路的控制信号；
(6)检测均衡回路中实时均衡电流，并根据实时均衡电流与均衡电流调整目标值修正均衡回路的控制信号，返回步骤(1)；
(7)输出使所有液态金属电池既不均衡放电也不均衡充电的驱动信号，返回步骤(1)；
所述根据SOC极差确定均衡电流调整目标值，具体包括：
当ΔSOC≥0.2时，采用大均衡电流进行大步均衡；当0.1≤ΔSOC＜0.2时，采用变均衡电流进行变步均衡；当0.05≤ΔSOC＜0.1时，采用常规均衡；当0＜ΔSOC＜0.05时，采用小均衡电流进行小步均衡，其中，ΔSOC为SOC极差。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过公式计算液态金属电池的SOC，其中，t为液态金属池充电时间或放电时间，SOC0为放电起始时刻或充电起始时刻的液态金属电池SOC，QN为液态金属电池容量，η为库伦效率，当液态金属电池放电时，η＝1，I为放电电流，且为正值，当液态金属电池充电时，η＜1，I为充电电流，且为负值。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中根据SOC极差确定均衡回路中均衡电流调整目标值，包括以下步骤：
(41)当ΔSOC≥0.2时，采用0.5C均衡电流进行大步均衡，否则，进入步骤(42)；
(42)当0.1≤ΔSOC＜0.2时，采用变均衡电流进行变步均衡，均衡电流根据公式IL＝44.44ΔSOC变化，否则，进入步骤(43)；
(43)当0.05≤ΔSOC＜0.1时，采用0.2C均衡电流进行常规均衡，否则，进入步骤(44)；
(44)当0＜ΔSOC＜0.05时，采用0.1C均衡电流进行小步均衡，否则，退出根据液态金属电池SOC极差确定均衡电流的流程；
其中，ΔSOC为SOC极差，IL为均衡电流。
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