CN110011365A - 储能电池组均衡系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能电池组均衡系统包括电池组，整组电池组分为若干个小组，分别配备电池管理模块（BMU）、组内变换器、组间变换器和开关组，以加快均衡速度和不过多增加系统复杂度。本发明所提出的均衡方案不仅能实现整组电池内局部电池小组的内部电量均衡，而且能实现不同局部电池小组的组间均衡，能量损失少，均衡速度快，效率高，结构简单，成本低，适合用于大容量电池储能系统。

Description

储能电池组均衡系统

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其是一种储能电池组均衡系统。

背景技术

电池成组后因制造工艺水平和衰退速率差异产生单体性能不一致，相比单体电池性能会降低到80%以下，目前只能通过更换最差单体电池来解决，无疑会增加电池生产企业和用户的成本，已成为困扰电池储能应用的一个亟待解决的难题。

通过额外增加电池均衡系统来改善电池组性能被认为是切实可行的方案，其中不乏用电阻散热的被动均衡方案，但该方案因仅适用于充电过程、电阻发热和电池能量浪费的缺陷致使其应用范围狭窄；能量损失少的飞渡电容或储能电感方案因功率小和均衡速度慢的缺点，不适合用在大容量电池储能场合；通过DC/DC变换器、DC/AC变换器或二者相结合的方案更适合大容量电池储能。

目前基于DC/DC变换器和DC/AC变换器方案的研究多集中在电池组内局部单体间均衡的实现方式和如何提高变换器转换效率方面，很少考虑整组电池如何实现低成本、快速高效均衡问题，而这个问题又是大容量电池储能必须要解决的难题。

发明内容

本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种结构简单、高效快速均衡的储能电池组均衡系统，用以适应储能系统电池节数多、系统容量大的特点。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种储能电池组均衡系统包括电池组，整组电池组分为若干个小组，分别配备电池管理模块（BMU）、组内变换器、组间变换器和开关组，以加快均衡速度和不过多增加系统复杂度；组内变换器、组间变换器和开关组集成在BMU内；组内变换器用于实现小组内单体电池的均衡，其低压侧与开关组、单体电池构成低压回路，高压侧直接连接于小组电池组端构成高压回路；组间变换器用于小组间的电池均衡，一侧与小组电池组端直接连接构成回路，另一侧连接至电池管理模块供电总线构成回路；BMU内设置了主控单元，能够根据均衡策略控制开关组、组内变换器和组间变换器运行和停止；BMU内还集成了电池电压采集电路，能够实时采集电池电压,用于保护电池免于过充和过放，同时为均衡策略的执行提供电压数据。

作为优选，组内变换器为带隔离变压器的双向DC/DC变换器，能够将能量在电池小组与同组单体电池间双向传递，不受整组电池充电、放电或开路状态影响。

作为优选，组内变换器运行工况具有低压大电流特点，单体电池端工作电压不高于5V，工作电流不高于5A，功率较低。因此其拓扑结构采用推挽半桥形式，隔离变压器一次侧采用推挽电路，隔离变压器二次侧采用半桥电路，变压器变比根据电池类型及小组电池串联数量确定。

作为优选，隔离变压器一次侧由2个开关管的源极和漏极推挽相连，开关管剩余的漏极和源极与变压器原边绕组相连。变压器原边绕组带中心抽头，串接储能电感后接入输入端正极。储能电感和滤波电容组成低通滤波电路；变压器二次侧为半桥拓扑电路，由2个串联的等电容值电容和2个串联的开关管并联后组成桥，桥臂连接变压器的副边绕组。其中电容通常需要并联电阻使用，给电容提供放电回路，吸收电容的电能，防止电容的放电电流过大，避免对与之并联的器件造成损坏。为了防止产生偏磁现象，在变压器二次侧引入了钳位电容。所述开关管都连接了反并联二极管和电容，防止开关管高压损坏；该电路通过PWM驱动芯片控制开关管的开通和关断，利用变压器和储能电感传递电能，能够实现能量的双向流动，同时变压器起到隔离作用，可防止电路故障导致的电池间短路，提高了电路可靠性。

作为优选，开关组由三部分组成，偶数序号开关一端连接至奇数节号电池负极，另一端连接在一起；奇数序号开关一端连接至偶数节号电池负极，另一端连接在一起；两个单刀双掷开关的不动端分别连接至上述两组开关，动端分别连接至组内变换器的低压端。开关组构成了单体电池的充放电通路。

作为优选，实际电池组配备的若干个BMU供电通常采取集中供电的方式，配有供电总线。BMU的供电电源通常为AC220V、DC24V、DC12V等规格，因此组间变换器可以根据BMU的供电方式设计为DC/DC变换器或DC/AC变换器两种类型，而且具有双向变换功能，能实现电池能量在不同电池小组间传递。其中DC/DC变换器也采用与组内变换器电路拓扑相同的推挽半桥拓扑形式。

作为优选，单体电池和电池小组都具有能量存储功能，在电池能量转移过程中不会出现输出和输入能量不匹配的问题。

作为优选，电池小组内均衡策略以组内单体电池电压为基础，当单体电压极差值达到阈值启动均衡，高电压电池向电池组放电，低电压电池从电池小组接收充电，直至小组单体电池电压极差低于阈值为止，同时设置单体电压上下限阈值，超出阈值时系统不启动均衡，以避免电池因过充或过放而损坏。

作为优选，电池小组间均衡策略以小组组端电压为基础，当组端电压极差值达到阈值启动均衡，组端电压高的电池小组向BMU供电总线释放电能，同时组端电压低的电池小组从BMU供电总线接受电能，直至小组单体电池电压极差低于阈值为止。同时设置单体电压上下限阈值，超出阈值时不启动均衡，以避免电池因过充或过放而损坏。该过程要控制放电和充电同步执行，以达到充放电能量相匹配。

发明有益的效果是：本发明所提出的均衡方案不仅能实现整组电池内局部电池小组的内部电量均衡，而且能实现不同局部电池小组的组间均衡，能量损失少，均衡速度快，效率高，结构简单，成本低，均衡过程中电压变化见附图4，电池组电压极差从558mV下将到30mV，均衡效果显著，适合用于大容量电池储能系统。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是变换器的电路拓扑图；

图3是均衡控制流程图；

图4是均衡过程电压变化图；

附图标记说明：电池组1，电池管理模块2，组内变换器3，组间变换器4，开关组5，供电总线6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例：

均衡系统结构见附图1，主要包括电池组1、电池管理模块（BMU）2、组内变换器3、组间变换器4、开关组5和供电总线6。电池组1由24节磷酸铁锂单体电池串联组成，电池管理模块2支持12节电池电压采集，则电池组1被分为两个小组；组内变换器3用于实现小组内单体电池的均衡，其低压侧与开关组、单体电池构成低压回路，高压侧直接连接小组电池组端构成高压回路；组间变换器4用于小组间的电池均衡，一侧与小组电池组端直接连接构成回路，另一侧连接至电池管理模块供电总线6构成回路；开关组5用于选通3与单体电池的连接回路；供电总线6为电池管理模块2的供电总线，根据电池管理模块2的供电要求确定，本实施例中以DC24V供电为例。

电池组1被分为两个小组，每个小组分别配备1个BMU、组内变换器3、组间变换器4和开关组5，以加快均衡速度和不过多增加系统复杂度，开关组5、变换器3和变换器4集成在BMU内；BMU内设置了主控单元，能够根据均衡策略控制开关组5、变换器3和变换器4运行和停止；BMU内还集成了电池电压采集电路，能够实时采集电池电压,用于保护电池免于过充、过放，同时为均衡策略的执行提供电压数据。

组内变换器3为带隔离变压器的双向DC/DC变换器，能够将能量在高压电池小组与同组低压单体电池间双向传递，不受整组电池充电、放电或开路状态影响。其运行工况具有低压大电流特点，单体电池端工作电压不高于5V，工作电流不高于5A，功率较低。因此其拓扑结构采用推挽半桥形式，见附图2，隔离变压器T一次侧采用推挽电路，隔离变压器T二次侧采用半桥电路，变压器变比为1:16。

隔离变压器T一次侧由2个开关管Q100、Q200的源极和漏极推挽相连，开关管Q100、Q200剩余的漏极和源极与变压器T原边绕组相连。变压器T原边绕组带中心抽头，串接储能电感Li后接入输入端正极。储能电感Li和滤波电容Ci组成低通滤波电路。

变压器二次侧为半桥拓扑电路，由2个串联的等电容值电容Co1、Co2和2个串联的开关管Q300、Q400并联后组成桥，桥臂连接变压器T的副边绕组。其中电容Co1、Co2通常需要并联电阻R1、R2使用，给电容提供放电回路，吸收电容的电能，防止电容的放电电流过大，避免对与之并联的器件造成损坏。二极管D1、D2、D3、D4为开关管Q100、Q200、Q300、Q400的体二极管。

上述电路通过PWM驱动芯片控制开关管的开通和关断，利用变压器和储能电感传递电能，能够实现能量的双向流动，同时变压器起到隔离作用，可防止电路故障导致的电池间短路，提高了电路可靠性。

实际电池组配备的若干个BMU供电通常采取集中供电的方式，配有供电总线6。BMU的供电电源通常为AC220V、DC24V、DC12V等规格，因此组间变换器4可以根据BMU的供电方式设计为DC/DC变换器或DC/AC变换器两种类型，而且具有双向变换功能，能实现电池能量在不同电池小组间传递。其中DC/DC变换器也采用与组内变换器电路拓扑相同的推挽半桥拓扑形式。

开关组5由三部分组成，以电池小组1为例，偶数序号开关Q0、Q2、Q4至Q10，一端连接至奇数节号电池负极，Q12一端连接至第12节电池正极，偶数序号开关另一端连接在一起；奇数序号开关Q1、Q3、Q5至Q11，一端连接至偶数节号电池负极，另一端连接在一起；两个单刀双掷开关K11、K12的不动端分别连接至上述两组开关，动端分别连接至组内变换器3的低压端。开关组5构成了单体电池的充放电通路。

单体电池和电池组都具有能量存储功能，在电池能量转移过程中不会出现输出和输入能量不匹配的问题。

电池小组内均衡执行策略以组内单体电池电压U为基础。首先进行单体电池电压采集，经过排序处理后，得到最高电压Umax及对应电池节号n1,同时得到最高电压Umin及对应电池节号n2，计算小组内所有电池电压极差Up=Umax-Umin，当Up达到阈值50mV及以上时启动均衡，高电压电池n1向电池组放电，低电压电池n2从电池小组接受充电，直至小组单体电池电压极差Up低于阈值50mV为止，均衡流程见附图3。同时设置单体电压上下限阈值分别为3.6V和2.8V，超出电压区间[2.8,3.6]时，系统不启动均衡，以避免电池因过充或过放而损坏。

假设电池小组1的单体电压经过采集并处理后，得到最高电压为电池b2的电压3.283V，最低电压为电池b11的电压3.215V，该组电池电压极差为68mV，每节电池电压在[2.8,3.6]内，满足均衡启动条件。

高压电池b2放电给电池小组1：BMU控制芯片先通过PWM波控制开关管Q1、Q2导通，K11的c和b连通，K12的f和e连通，其他开关关断；BMU控制芯片通过PWM波控制组内变换器3的开关管Q100、Q300导通，Q200、Q400关断，然后Q100、Q300关断，Q200、Q400导通，如此交替导通循环后，b2能量传递给电池小组1。

电池小组1充电给低压电池b11：判断每节电池电压在[2.8,3.6]内，则BMU控制芯片先通过PWM波控制开关管Q10、Q11导通，K11的c和a连通，K12的f和d连通，其他开关关断；BMU控制芯片通过PWM波控制组内变换器3的开关管Q300、Q100导通，Q400、Q200关断，然后Q300、Q100关断，Q400、Q200导通，如此交替导通循环后，电池小组1能量传递给b11。

判断每节电池电压是否在[2.8,3.6]内，电压极差是否高于50mV，若电压极差高于50mV并且在[2.8,3.6]内,则进行6.1～6.3的循环，直至电压极差低于50mV。在循环内当单体电压超出[2.8,3.6]范围，则停止均衡。

上述过程中，偶数序号开关和奇数序号开关不能同时打开，K11的a、c触点和K12的e、f触点不能同时连通，以免造成短路。同理K11的b、c触点和K12的d、f触点也不能同时连通。

电池小组间均衡的均衡流程见附图3，执行策略以小组组端电压Ut为基础，Ut为小组内所有单体电压总和，即Ut=ΣUi(i=1,2,…,12)。类似电池小组内电压处理方式，当组端电压极差值Utp达到阈值150mV启动均衡，组端电压高的电池小组m1向BMU供电总线释放电能，同时组端电压低的电池小组m2从BMU供电总线接受电能，直至小组单体电池电压极差Utp低于阈值150mV为止。该过程要由上一级电池组管理模块联合BMU来实施控制，而且放电和充电需同步执行，以达到充放电配比为1:1。同时设置单体电压上下限阈值分别为3.6V和2.8V，超出电压区间[2.8,3.6]时，系统不启动均衡，以避免电池因过充或过放而损坏。在均衡过程中，当单体电压超出[2.8,3.6]范围，则停止均衡。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种储能电池组均衡系统，包括电池组（1），其特征是：整个电池组（1）分为若干个小组，分别配备电池管理模块（2）、组内变换器（3）、组间变换器（4）和开关组（5），组内变换器（3）、组间变换器（4）和开关组（5）集成在电池管理模块（2）内；组内变换器（3）低压侧与开关组（5）、单体电池构成低压回路，高压侧直接连接于小组电池组端构成高压回路，用于实现小组内单体电池的均衡；组间变换器（4）一侧与小组电池组端直接连接构成回路，另一侧连接至电池管理模块供电总线（6）构成回路，用于小组间的电池均衡；电池管理模块（2）内设置了主控单元，能够根据均衡策略控制开关组（5）、组内变换器（3）和组间变换器（4）运行和停止；电池管理模块（2）内还集成了电池电压采集电路，能够实时采集电池电压，用于保护电池免于过充和过放，同时为均衡策略的执行提供电压数据。

2.根据权利要求1所述的储能电池组均衡系统，其特征是：组内变换器（3）为带隔离变压器的双向DC/DC变换器，能够将能量在电池小组与同组单体电池间双向传递，不受整组电池充电、放电或开路状态影响。

3.根据权利要求1所述的储能电池组均衡系统，其特征是：组内变换器（3）拓扑结构采用推挽半桥形式，隔离变压器一次侧采用推挽电路，隔离变压器二次侧采用半桥电路。

4.根据权利要求3所述的储能电池组均衡系统，其特征是：上述隔离变压器一次侧由2个开关管的源极和漏极推挽相连，开关管剩余的漏极和源极与变压器原边绕组相连，变压器原边绕组带中心抽头，串接储能电感后接入输入端正极，储能电感和滤波电容组成低通滤波电路；上述变压器二次侧为半桥拓扑电路，由2个串联的等电容值电容和2个串联的开关管并联后组成桥，桥臂连接变压器的副边绕组，其中电容并联电阻使用，给电容提供放电回路，吸收电容的电能，防止电容的放电电流过大，避免对与之并联的器件造成损坏。

5.根据权利要求4所述的储能电池组均衡系统，其特征是：上述半桥电路通过PWM驱动芯片控制开关管的开通和关断，利用变压器和储能电感传递电能，能够实现能量的双向流动，同时变压器起到隔离作用，可防止电路故障导致的电池间短路，提高了电路可靠性。

6.根据权利要求1所述的储能电池组均衡系统，其特征是：开关组（5）由三部分组成，偶数序号开关一端连接至奇数节号电池负极，另一端连接在一起；奇数序号开关一端连接至偶数节号电池负极，另一端连接在一起；两个单刀双掷开关的不动端分别连接至上述两组开关，动端分别连接至组内变换器的低压端，开关组（5）构成了单体电池的充放电通路。

7.根据权利要求1所述的储能电池组均衡系统，其特征是：组间变换器（4）可以根据电池管理模块（2）的供电方式设计为DC/DC变换器或DC/AC变换器，而且具有双向变换功能，能实现电池能量在不同电池小组间传递，其中DC/DC变换器也采用与组内变换器（3）电路拓扑相同的推挽半桥拓扑形式。

8.根据权利要求1所述的储能电池组均衡系统，其特征是：单体电池和电池小组都具有能量存储功能，在电池能量转移过程中不会出现输出和输入能量不匹配的问题。

9.根据权利要求1所述的储能电池组均衡系统，其特征是：电池小组内均衡策略以组内单体电池电压为基础，当单体电压极差值达到阈值启动均衡，高电压电池向电池小组放电，低电压电池从电池小组接收充电，直至小组单体电池电压极差低于阈值为止；同时设置单体电压上下限阈值，超出阈值时不启动均衡，以避免电池因过充或过放而损坏。

10.根据权利要求1所述的储能电池组均衡系统，其特征是：电池小组间均衡策略以小组组端电压为基础，当组端电压极差值达到阈值启动均衡，组端电压高的电池小组向供电总线（6）释放电能，同时组端电压低的电池小组从供电总线（6）接受电能，直至小组单体电池电压极差低于阈值为止；同时设置单体电压上下限阈值，超出阈值时不启动均衡，以避免电池因过充或过放而损坏，该过程要控制放电和充电同步执行，以达到充放电能量相匹配。