学习笔记：储能系统中关于电池的安全性研究

     前言：上次通过对上海交大李睿老师的课程学习，我们知道，电池的安全性是储能系统最重要的关注点。今天我们来研究学习行业中的一种解决方案，也是我老家一个公司的解决方案，虽然可能后面不一定会做这个领域，但是已经研究到这了，顺手做一下学习笔记也是可以的。电源研发之路真的是苦途啊，如果对电源不感兴趣建议趁早转行，太累。。。以下内容也是个人的粗浅理解，由于对此行业了解还不深，如有错误或理解不对之处，欢迎大家沟通交流。

    为什么我们做电源要去研究电化学储能的系统，因为只有了解终端方案，才能真正做好性价比高且竞争力大的电源，这就是架构的力量，一小步就错开了布局的好几年差距。市场真正在创新系统级产品时，拼的就是战略层次的理解力。

正文

    上次上海交大李睿老师的课件中有说，关于电池簇间的解决方案，通常是加入串联的DCDC变换器来实现簇间的母线电压相同，进而实现串联的高压电池模组间的电池均衡。然而我们知道高压电池模组中又有上百个单节电池串联且多路并联，那么这个时候如何长期的保证单节电池的可靠性就需要去思考解决方案了，所以，我们今天主要来看一下清华大学慈松老师的解决方案———一种适用于非连续电流的、实施简单有效的多电池或多电池组并联放电或充电时均衡电流的方法与系统。（我对这个方案之前一直理解的不太对，也不知道这次理解的是否正确，我尽量按照我自己的理解写，如果思路出现明显偏差，欢迎大家跟我交流，然后我再写一篇整改篇的学习笔记）

      我去查了相关的专利（申请号：201410009755.8）：一种用于多电池或多电池组并联充电或放电的电流均衡的方法与系统。专利中的科普性知识我也摘抄了一部分：

      现有的电池并联均流技术有很多种，大致归纳为以下几类 ：

（1）输入输出特性斜率控制法 ：这种方法控制每个参与并联的电池或电池组的输入输出阻抗特性，使原来不一致的电池或电池组单元的输出特性斜率趋向一致，从而实现均流。

（2）主从控制法 ：这种方法选出一组电池或电池组作为主参考，其他电池或电池组采用电路和方法跟随主电池或电池组的电流，从而实现均衡。

（3）平均电流法 ：这种方法检测总的电流，各参与并联的电池或电池组通过电路控制达到计算出的平均电流，从而实现均流。

（4）最大电流均流法 ：这种方法设定最大电流，如果参与并联的电池或电池组输入输出电流达到最大电流则通过电路动作限制在最大电流，如果未达到，则不动作，从而实现一定程度的均流。

（5）强迫均流法 ：这种方法使用监控模块对各支路电流进行比较并实时进行强制均流。

（6）热应力自动均流法 ：这种办法监控各支路温度然后根据温度调节和分配支路电流，从而实现均流。

        从以上分析可以看出，现有的均流方法相对比较复杂，适用于精度要求高，对电路复杂程度要求低的应用场景。如果要求用最少器件和最简单的方法完成均流，以上各方法很难满足要求 ；同时以上方法主要用于连续电流的均流，在很多应用场景中，放电电流并非总是连续的均流，只要各支路电流平均值均流即可。因此，有必要提出一种适用于非连续电流的、实施简单有效的多电池或多电池组并联放电或充电时电流均衡的方法与系统。

       大致的意思就是：每个电池组给出一个类似于DCDC变换器（实际上是个高频斩波开关）并联一个降压器件来实现对单个电池模组的电流调节，利用时间周期来实现平均电流法，实现并联模组的电流的均衡，是一种离散的控制方法，非时间连续，这样可以实现各电池组间的电流的平均和功率的平均。

     关于离散化电流和时间的关系，我去找了2张关于保险管的图片（类同），下面的图片很容易识别出这是常规的数学思想——黎曼和的定积分（曲线面积求解）。

       看到这里，我想大家应该明白了，高频斩波是我们开关电源最常规的操作，但是斩波实现微调的思想并不是没有bug，因为上一节李睿老师的课上有说过电池希望的电流是电流纹波波动小的，那么在这里进行斩波的话，相当于在一个固定的电流上（降压部件的那部分）叠加一个高频的脉动电流，那么这个时候就需要对时间周期与电池特性进行综合考虑了，或者引入滤波单元（如电感电容等）。同时引入降压部件也会增加损耗和降低整体的系统效率。整体来看，对于并联电池系统的平衡具有很好的效果。正如下图所看到的最后的那块是时间周期与多个电池之间的能量关系，进而达到所谓细粒度管理效果，本质上是时域的离散化解决方法。

      上面我们学习了能量流的管控思想，那么下面我们再来回忆一下前几天的文章，关于未来数字能源的趋势一中说过的能源数字化问题，用比特流控制瓦特流的思想，从而实现高效、智能、无人、降本、可靠等等优点。数字化就需要信息的高密度采集，基于这种高密度的电池监控思想，对于底层架构实现上来看，就需要对电池更加细密度的管控。最理想的情况是实现所有单节电池的在线监测和所有单节电池的三端切换（可并联，可串联和可切断），这也属于电池簇内的管理思想。

     对于研究EMS（能量管理系统）的厂商来说，他们往往是基于大系统大组件解决方案和算法的研究，但是对于如何高效可靠的实现也存在很大的机会空间，这就给我们开关电源领域创造了很大的机会空间。能量的管控不存在唯一解是肯定的，如何保证安全、系统高效，成本低，密度高是能量管理系统设计的关键。基于之前的研究，我也有想出一种基于细粒度思想和实现层次上的一种系统优化解决方案。大致的思路：利用变换器与细粒度结合。我们回到最初的解决思路 均流。如何解决并联的均流问题就是所有的关键点。利用电源变换器即可实现该思想且细粒度管控，那么这个时候就需要拼电源和系统架构的理解力了，需要对电源足够的了解和对架构足够的熟悉才能想出更好的方法，同时解决好成本 效率 安全等问题。

       对于开关电源来说，常见的均流方法有：主从均流法，平均电流法（自然均流），并联强迫均流和最大均流法，对于电池系统应该也是一样的，如按照文中的思路应该都可以实现离散化的思想。但是我个人还是觉得时域连续的思想更好一些，变换的过程肯定还是黎曼和的定积分，只是对接电池和对接电池组或对接系统时，个人更加偏向于时域的连续性（即尽量减少脉动电流的思路）。

后记：这篇笔记写的比较一般，虽然有点差，但是还是大致把事情说清楚了，大家凑合着理解，说明我对能量管理及储能系统的研究还存在很大的学习空间。