CN110445205B - 一种直流电源均衡管理系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流电源均衡管理系统及控制方法，包括直流电源、采集模块、均衡模块、控制模块、运算处理模块。采集模块对直流电源的电压、电流、温度进行精确采集，经过运算处理模块与控制模块控制均衡模块的启停，实现对直流电源的闭环电压控制。均衡模块包括主控模块与从控模块，主控模块完成电池组间电压均衡，从控模块完成单体电压均衡。控制模块包括比较环节、延时环节、互锁环节，能够保证升压、降压模式间不会发生频繁切换以及同时工作的问题。本发明能够实现直流电源正常运行过程中各单体间的电压均衡，并能够在单体出现断路故障时，仍可稳定电源的输出电压，对变电站直流电源、电动汽车用电源、UPS备用电源的安全稳定运行提供保障。

Description

一种直流电源均衡管理系统及控制方法

技术领域

本发明属于电源均衡领域，涉及一种直流电源均衡管理系统及控制方法。

背景技术

现阶段，社会各界对直流电源的需求飞速增长，诸如电动汽车中的锂电池组、变电站中的铅酸直流电源、UPS备用电源等等。以变电站直流电源系统为例，其主要由铅酸电池组成，铅酸电池因其电池成分呈酸性，电芯经常会因老化、酸性腐蚀发生断裂，导致整个直流电源因断路而发生故障，失去带载能力，提升了变电站直流系统的故障率与维护成本，降低了变电站的运行可靠性。另一方面，直流电源各单体间因存在不一致性，长期运行会导致不一致性进一步加剧，导致直流电源容量急剧下降，同时大大降低了直流电源的带载能力与使用寿命。

目前对直流电源的均衡管理系统主要包括主动均衡方式与被动均衡方式，其中被动均衡方式成本较低、原理简单易于实现，但其稳定性较差且对电源的电能有较高的消耗。主动均衡方式是通过升降压电路或电容、电感等储能元件进行单体间电压均衡，但其主要存在以下问题：

(1)仅能在正常运行情况下均衡电芯两端电压，不能解决因电芯断裂等故障导致变电站直流电源电压丢失的问题；

(2)仅能通过相邻电池单体进行能量搬移，当直流电源单体间不一致性较强时，电压均衡效果较差；

(3)均衡系统的控制方法存在易受扰动产生误动作或升压、降压频繁切换的问题。

因此，需要一种新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种直流电源均衡管理系统及控制方法，适用于多种材料的蓄电池直流电源，能够实现直流电源正常运行过程中各单体间的电压均衡，并能够在单体出现断路故障时，仍可稳定电源的输出电压，对变电站直流电源、电动汽车用电源、备用电源的安全稳定运行提供保障。

本发明所采用的技术方案是：

一种直流电源均衡管理系统，其特征在于，包括：

直流电源：用于给整个系统供电；

以及依次连接的

采集模块：用于采样直流电源各单体均衡电流、端电压、温度；

均衡模块：用于构成直流电源均衡能量通路；

控制模块：用于控制均衡模块内的开关器件开断，实现均衡控制策略；

运算处理模块：用于运算采样数据，进行比较判断。

在上述的一种直流电源均衡管理系统，所述的采集模块包括高量程电流传感器、直流电源电压单体采集模块、温度传感器，所述高量程电流传感器的量程根据直流电源发生断路时的最大均衡电流设置。

在上述的一种直流电源均衡管理系统，所述的直流电源电芯包括铅酸蓄电池或磷酸铁锂电池或三元锂电池；所述的直流电源被分为N个模组，每个模组包含 n个电池单体；所述直流电源N个模组构成串联回路，对负载供电。

在上述的一种直流电源均衡管理系统，所述的均衡模块包括：主控模块和若干从控模块；

所述的主控与从控模块均并联于直流电源两端，其中主控模块并联与每个模组两端，用于各模组之间的电压均衡；从控模块并联于每节电池单体两端，用于各单体间的电压均衡；主控与从控之间无连接关系；

所述的主控模块包括大功率开关器件与二极管组成的N个BUCK-BOOST升降压电路，其中二极管反并联于大功率开关器件两端，每路升降压电路两端分别并联连接于相邻两个电池模组两端，通过N组相邻电池模组间的能量流动进行电压均衡；

所述的从控模块包含n-1路均衡电路，所述的每路均衡电路包括2个大功率开关器件与2个低导通压降肖特基二极管，其中二极管反并联于大功率开关器件两端；所述的均衡电路两端分别连接于电池单体两端和直流母线正负极。

一种直流电源均衡管理系统的控制方法，其特征在于，控制方法为电压闭环控制，具体包括：

运算处理模块计算得到N组电池组中每组电池组电压的平均值，并输入至控制模块，控制模块包括；

比较环节：对每组的平均电压与相应从控均衡电路一端的电池单体电压做减法，将两者差值与设定的均衡误差阙值进行比较，若大于设定阙值，将数字1 输入至延时环节；若小于设定阙值，将数字0输入至延时环节；

延时环节：通过设置一个大于大功率开关管开关周期的延时，根据比较环节得到的数字进行判断，若比较环节持续输入数1，表明系统状态在设定延时时间范围内，则启动均衡电路对相应电池单体进行电压均衡，电池单体与直流母线经由均衡模块构成双向能量通路；若不满足上述条件，则不启动均衡电路；

互锁环节：对功率开关管进行互补控制，保证均衡电路在单体欠压时仅工作于升压模态，在单体过压时仅工作于降压模态。

本发明中，直流电源均衡管理系统包括运行电压均衡与故障均衡双模式，其能够在直流电源发生单体断路的故障情况下进行输出电压稳定均衡。

本发明优点：能够实现直流电源正常运行过程中各单体间的电压均衡，并能够在单体出现断路故障时，仍可稳定电源的输出电压，对变电站直流电源、电动汽车用电源、UPS备用电源的安全稳定运行提供保障。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图。

图2为本发明的均衡模块结构框图。

图3为本发明的均衡模块主控模块电路原理图。

图4a为本发明的均衡模块从控模块示意图。

图4b为本发明的均衡模块从控模块电路原理图。

图5为本发明的控制模块框图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，本实施例以一个48V，100Ah的24节铅酸蓄电池单体串联而成的直流电源为例，对本发明公开的一种直流电源均衡管理系统及控制方法进行详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，其他容量或不同种类的直流电源均可作为本发明的均衡对象。

请见图1，所述的直流电源可为铅酸蓄电池组、磷酸铁锂蓄电池组、三元锂电池组，且不局限于上述种类的蓄电池组。所述的采集模块能够实现对直流电源总电压、总电流、多点温度及单体两端电压的精确采集，采集模块一端分别与直流电源各单体进行电连接，另一端与运算处理模块电连接，采集模块采用TI公司bq76pl455EVM采集芯片。所述的大量程电流传感器型号为ACS758xCB。所述的运算处理模块、控制模块与均衡模块均进行电连接。所述的运算处理模块采用的是TI公司的TMS320F28335型DSP芯片。能够实现对采集系统输入数据的处理、运算以及控制方案的实现。

请见图2，所述的均衡模块包括主控模块与从控模块，本实施例将直流电源的24节电池单体分为4组，每组包含6节电池单体，从控模块对6节电池单体进行均衡管理，6节电池单体组成一个Pack，主控模块对四个Pack进行均衡管理。所述的主控模块与DSP进行电连接。

请见图3，所述的主控模块采用BUCK-BOOST均衡拓扑结构实现模块间的均衡控制。BUCK-BOOST均衡拓扑结构具有结构简单、可靠性较高并且可扩展性强，用于主控模块能量均衡容易实现从控模块的扩展。每相邻两个电池组使用一个BUCK-BOOST均衡单元电路，可实现相邻电池组间的能量双向传递。 BUCK-BOOST均衡单元电路并联在相邻的两个电池组之间，由两个电感、两个 MOSFET开关以及两个二极管组成。MOSFET采用的是IXTP200N055T2型号，二极管采用的是242NQ030型肖特基二极管。电感取值原则参见式1至式3，其中U_i与U_o分别为电池单体对地电压与直流母线电压，Δi_L为流过电感的电流波动值。D为开关管占空比，T为开关管开关周期：

其中Pack_n为6节电池单体组成的电池组。通过控制器输出PWM控制开关 S_na和S_nb实现相邻两个电池组间的能量双向传递。原理如下：

当Pack_n的电压比Pack_n+1高时，使用PWM波驱动开关S_na，将Pack_n的电量转移到Pack_n+1中：

(1)闭合开关S_na，Pack_n产生电流流过L_n，Pack_n放电，电感L₁储能。

(2)断开开关S_na，电感L_n中的能量转移给Pack_n+1，Pack_n+1充电。

当Pack_n的电压比Pack_n+1低时，使用PWM波驱动开关S_na，将Pack_n+1的电量转移到Pack_n中：

(1)闭合开关S_nb，Pack_n+1产生电流流过L₁，Pack_n+1放电，电感L_n储能。

(2)断开开关S_nb，电感L_n中的能量转移给Pack_n，Pack_n充电。

请见图4，所述的从控模块一侧连接电池组，一侧连接电池单体。其电路拓扑如图4b所示，由电感、两个MOS管以及两个二极管组成，MOSFET采用的是IXTP200N055T2型号，二极管采用的是242NQ030型肖特基二极管。其中 Cell_n为任意电池单体，Pack由剩余所有电池单体组成。通过控制器输出PWM 控制开关S_na和S_nb实现电池单体Cell_n与电池组之间的能量双向传递。

当Cell_n的电压比Pack的平均电压高时，使用PWM波驱动开关S_na，将Cell_n的电量转移到Pack中：

(1)闭合开关S_na，Cell_n产生电流流过L₁，Cell_n放电，电感L₁储能。

(2)断开开关S_na，电感L₁中的能量转移给Pack，Pack充电。

当Cell_n的电压比Pack的平均电压低时，使用PWM波驱动开关S_nb，将Pack 的电量转移到Cell_n中：

(1)闭合开关S_nb，Pack产生电流流过L₁，Pack放电，电感L₁储能。

(2)断开开关S_nb，电感L₁中的能量转移给Cell_n，Cell_n充电。

请见图5，其中U_j表示通过所述采集模块采集得到的电池单体电压，U_a表示一个Pack中电池电压的平均值，Error表示U_j与U_a之间差值的绝对值。所述的运算处理模块计算得到N组电池组中每组电池组电压的平均值，并输入至所述的控制模块，所述的控制模块包括比较环节、延时环节、互锁环节。所述的比较环节对每组的平均电压与相应从控均衡电路一端的电池单体电压做减法，将两者差值与设定的均衡误差阙值进行比较，若大于设定阙值，将数字1输入至延时环节；若小于设定阙值，将数字0输入至延时环节。所述的延时环节通过设置一个大于大功率开关管开关周期的延时，根据比较环节得到的命令数字进行判断，若在设定延时时间范围内，比较环节持续输入命令数1，表明系统状态在设定延时时间范围内，则通过PI闭环控制产生一个占空比为D的PWM波来启动均衡电路，启动均衡电路对相应电池单体进行电压均衡，电池单体与直流母线经由均衡模块构成双向能量通路；若不满足上述条件，则不启动均衡电路。所述的互锁环节对功率开关管进行互补控制，保证均衡电路在单体欠压时仅工作于升压模态，在单体过压时仅工作于降压模态。

本实施例在使用时，实现直流电源正常运行过程中各单体间的电压均衡，并能够在单体出现断路故障时，仍可稳定电源的输出电压，对变电站直流电源、电动汽车用电源、UPS备用电源的安全稳定运行提供保障。

尽管本说明书较多地使用了采集模块、运算处理模块、延时环节、均衡模块等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种直流电源均衡管理系统，其特征是，该直流电源均衡管理系统包括：

直流电源：用于给整个系统供电；

以及依次连接的

采集模块：用于采样直流电源各单体均衡电流、端电压、温度；

均衡模块：用于构成直流电源均衡能量通路；

控制模块：用于控制均衡模块内的开关器件开断，实现均衡控制策略；

运算处理模块：用于运算采样数据，进行比较判断；

采集模块包括：高量程电流传感器、直流电源电压单体采集模块、温度传感器，所述高量程电流传感器的量程根据直流电源发生断路时的最大均衡电流设置；

直流电源电芯包括铅酸蓄电池或磷酸铁锂电池或三元锂电池；所述的直流电源被分为N个模组，每个模组包含n个电池单体；所述直流电源N个模组构成串联回路，对负载供电；

均衡模块包括：主控模块和若干从控模块；主控与从控模块均并联于直流电源两端，其中主控模块并联与每个模组两端，用于各模组之间的电压均衡；从控模块并联于每节电池单体两端，用于各单体间的电压均衡；主控与从控之间无连接关系；

主控模块包括大功率开关器件与二极管组成的N个BUCK-BOOST升降压电路，其中二极管反并联于大功率开关器件两端，每路升降压电路两端分别并联连接于相邻两个电池模组两端，通过N组相邻电池模组间的能量流动进行电压均衡；从控模块包含n-1路均衡电路，所述的每路均衡电路包括2个大功率开关器件与2个低导通压降肖特基二极管，其中二极管反并联于大功率开关器件两端；所述的均衡电路两端分别连接于电池单体两端和直流母线正负极；

系统采用方法为电压闭环控制，具体包括：

运算处理模块计算得到N组电池组中每组电池组电压的平均值，并输入至控制模块，控制模块包括：

比较环节：对每组的平均电压与相应从控均衡电路一端的电池单体电压做减法，将两者差值与设定的均衡误差阙值进行比较，若大于设定阙值，将数字1输入至延时环节；若小于设定阙值，将数字0输入至延时环节；

延时环节：通过设置一个大于大功率开关管开关周期的延时，根据比较环节得到的数字进行判断，若比较环节持续输入数1，表明系统状态在设定延时时间范围内，则启动均衡电路对相应电池单体进行电压均衡，电池单体与直流母线经由均衡模块构成双向能量通路；若不满足上述条件，则不启动均衡电路；

互锁环节：对功率开关管进行互补控制，保证均衡电路在单体欠压时仅工作于升压模态，在单体过压时仅工作于降压模态。