CN103312041A - 电池系统及包括该电池系统的能量存储系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池系统及包括该电池系统的能量存储系统。所述电池系统包括：多个单电池；以及单电池平衡单元，被配置为调整所述单电池中的每个单电池两端的电压，以减少所述单电池两端的电压之中的变化。所述单电池平衡单元包括：控制器，被配置为接收DC参考电流并且基于所述DC参考电流产生AC电流；变压器；整流器电路，包括连接至所述输出线圈的整流器；和包括多个开关的开关单元，每个开关被配置为选择性地将所述整流器连接至所述单电池中的一个单电池。

Description

电池系统及包括该电池系统的能量存储系统

技术领域

所公开的技术涉及电池系统及包括该电池系统的能量存储系统。

背景技术

随着诸如环境污染和资源枯竭之类的问题增加，对用于存储能量并高效地使用所存储能量的系统的兴趣也已增加。还存在对在发电期间不引起污染或引起少许污染的可再生能源的增加的兴趣。因此，随着环境发生改变，已积极地开展对与可再生能源、电力存储电池系统和现有电网电力一起使用的能量存储系统的研究。

电池系统可被供应有外部电力、存储所供应的电力并且向外供应所存储的电力。也就是说，电池系统可以执行充电和放电操作。已进行诸多尝试来通过高效地控制电池系统而稳定地执行充电和放电操作。

发明内容

一个发明方面是电池系统。所述电池系统包括：多个单电池；以及单电池平衡单元，所述单电池平衡单元被配置为调整所述单电池中的每个单电池两端的电压，以减少所述单电池两端的电压之中的变化。所述单电池平衡单元包括：控制器，被配置为接收DC参考电流并且基于所述DC参考电流产生AC电流；和变压器，具有被配置为接收所述AC电流的输入线圈和耦合至所述输入线圈的输出线圈。所述单电池平衡单元还包括：整流器电路，具有连接至所述输出线圈的整流器；和包括多个开关的开关单元，每个开关被配置为选择性地将所述整流器连接至所述单电池中的一个单电池。

另一发明方面是能量存储系统，该能量存储系统包括具有单电池平衡单元和多个单电池的电池系统。所述单电池平衡单元被配置为调整所述单电池中的每个单电池两端的电压，以减少所述单电池两端的电压之中的变化。所述单电池平衡单元包括：控制器，被配置为接收DC参考电流并且基于所述DC参考电流产生AC电流；和变压器，具有被配置为接收所述AC电流的输入线圈和耦合至所述输入线圈的输出线圈。所述单电池平衡单元还包括：整流器电路，具有连接至所述输出线圈的整流器；和包括多个开关的开关单元，每个开关被配置为选择性地将所述整流器连接至所述单电池中的一个单电池。所述电池系统还包括电力变换系统，所述电力变换系统包括控制器，所述控制器被配置为利用来自发电系统或电网的电力对所述电池系统充电，并且通过向负载提供来自所述电池系统的电力对所述电池系统放电。

附图说明

图1为根据实施例的能量存储系统的框图；

图2为图示根据实施例的电池系统的框图；

图3为图示根据实施例的电压变化补偿电路的电路图；

图4为图示根据另一实施例的电压变化补偿电路的电路图；

图5为图示根据另一实施例的电压变化补偿电路的电路图；

图6为图示根据本发明另一实施例的电压变化补偿电路的电路图；

图7为图示根据另一实施例的电压变化补偿电路的电路图；以及

图8为图示根据另一实施例的电压变化补偿电路的电路图。

具体实施方式

现在将详细参照在附图中图示出其示例的实施例，其中相似的附图标记一般始终表示相似的元件。

可以实践各种改变和为数众多的实施例。某些实施例被图示在图中，并且以书面描述的形式被详细地描述。然而，这不是旨在将本发明限制于实践的特定模式，并且应当理解，各种改变、等同物和替代物包含在本发明中。

虽然诸如“第一”、“第二”等的术语可以用于描述各种组件，但这种组件不必受限于上述术语。上述术语可以仅用于将一个组件与另一组件区分开。

本申请文件中所使用的术语用于描述特定实施例，并且不旨在限制本发明。以单数使用的表达包含复数的表达，除非其在上下文中具有明显不同的含义。在本申请文件中，应当理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本申请文件中所公开的特征、数目、步骤、动作、组件、部件或其组合的存在，并且不旨在排除一个或多个其它特征、数目、步骤、动作、组件、部件或其组合可能存在或者可能被增加或也被包括的可能性。

详细参照在附图中图示中其示例的某些实施例。在图中，相同的元件一般由相同的附图标记指代，并且其重复的说明可以不给出。

图1为根据实施例的能量存储系统1的框图。参见图1，能量存储系统1与发电系统2和电网3一起使用以向负载4供电。

发电系统2为通过使用能源发电的系统。发电系统2发电并向能量存储系统1供电。发电系统2可以例如为太阳能发电系统、风力发电系统或潮汐发电系统。然而，太阳能发电系统、风力发电系统和潮汐发电系统为示例性的，并且发电系统2不限于此。发电系统2可以例如为利用诸如太阳热力或地热之类的可再生能源发电的任意发电系统。具体来说，通过使用太阳光产生电能的太阳能电池可以应用于能量存储系统1，因为易于在房屋和工厂中安装太阳能电池，因此太阳能电池可以分布在例如房屋和工厂中。发电系统2可以通过使用并行布置的多个发电模块发电而充当高容量能量系统。

电网3包括发电厂、变电站、电力线等。如果电网3处于正常状态，则电网3或者向能量存储系统1供电以向负载4和/或电池系统20供电，或者从能量存储系统1接收电力。如果电网3处于异常状态，则电网3不向能量存储系统1供电，并且能量存储系统1停止向电网3供电。

负载4消耗由发电系统2产生的电力、存储在电池系统20中的电力或从电网3供应的电力。房屋或工厂可以例如为负载4或包括负载4。

能量存储系统1可以将由发电系统2产生的电力存储在电池系统20中，并且向电网3供应所产生的电力。能量存储系统1可以向电网3供应存储在电池系统20中的电力，或者将从电网3供应的电力存储在电池系统20中。在异常情况下，例如如果电网3中存在电力故障，则能量存储系统1可以通过执行不间断电源（UPS）操作而向负载4供电。即使电网3处于正常状态，能量存储系统1也可以向负载4供应发电系统2所产生的电力或存储在电池系统20中的电力。

能量存储系统1包括控制电力变换的电力变换系统（PCS）10、电池系统20、第一开关30、第二开关40等。PCS 10将发电系统2、电网3和电池系统20的电力变换成合适的电力，并且向需要的地方供应所变换的电力。PCS 10包括电力变换单元11、直流（DC）链路单元12、逆变器13、变换器14和集成控制器15。

电力变换单元11连接在发电系统2和DC链路单元12之间。电力变换单元11将发电系统2所产生的电力传送至DC链路单元12。从电力变换单元11输出的电力的电压为DC链路电压。

电力变换单元11可以根据发电系统2的类型包括电力变换电路，例如变换器或整流器电路。如果发电系统2产生DC电力，则电路变换单元11可以包括用于将DC电力变换为DC电力的变换器。可替代地，如果发电系统2产生交流（AC）电力，则电力变换单元11可以包括用于将AC电力变换为DC电力的整流器电路。具体来说，如果发电系统2为太阳能发电系统，则电力变换单元11可以包括最大功率点跟踪（MPPT）变换器，以便根据太阳辐射、温度等的改变而获得从发电系统2输出的最大功率。在发电系统2不发电时，电力变换单元11可以停止操作，并且使包括在电力变换单元11等中的变换器的功耗最小化。

DC链路电压的电平可能由于发电系统2或电网3中的瞬时电压降或者负载4中需求的高峰而变得不稳定。然而，DC链路电压需要被稳定，以正常地操作逆变器13和变换器14。DC链路单元12连接在电力变换单元11和逆变器13之间，并且维持DC链路电压。DC链路单元12可以例如为大容量存储电容器。

逆变器13为连接在DC链路单元12和第一开关30之间的电力变换器。逆变器13可以包括将从发电系统2和/或电池系统20输出的DC链路电压变换成用于电网3的AC电压并且在放电模式下输出该AC电压的逆变器。逆变器13可以包括将从电网3输出的AC电压整流成DC链路电压以在充电模式下存储于电池系统20中的整流器电路。

逆变器13可以是输入和输出的方向可改变的双向逆变器。可替代地，逆变器13可以包括多个逆变器，使得输入和输出的方向可改变。

逆变器13可以包括用于从输出到电网3的AC电压中去除谐波的滤波器，和用于将从逆变器13输出的AC电压的相位与电网3的AC电压的相位匹配以便防止无功功率损耗的锁相环（PLL）电路。而且，逆变器13可以执行其它功能，例如电压变化范围的限制、功率因子校正、DC组分的去除和对瞬时现象的保护。在不使用逆变器13时，逆变器13的操作可以停止以便最小化功耗。

变换器14为连接在DC链路单元12和电池系统20之间的电力变换器。变换器14包括通过将从电池系统20输出的电力的电压变换成逆变器13在放电模式下所需要的DC链路电压而执行DC-DC变换的变换器。而且，变换器14包括通过将从电力变换单元11或逆变器13输出的电力的电压变换成电池系统20在充电模式下的充电电压而执行DC-DC变换的变换器。在不需要对电池系统20充电和放电时，变换器14的操作可以停止，以便最小化功耗。

变换器14可以是输入和输出的方向可改变的双向变换器。可替代地，变换器14可以包括多个变换器，使得输入和输出的方向可改变。

集成控制器15监控发电系统2、电网3、电池系统20和负载4的状态，并且根据监控的结果控制电力变换单元11、逆变器13、变换器14、电池系统20、第一开关30和第二开关40。集成控制器15可以监控电网3中是否发生电力故障、发电系统2是否发电、发电系统2所产生的电量、电池系统20的充电状态、负载4所消耗的电量、时间等。如果从电网3供应至负载4的电力不充分，例如如果电网3中发生电力故障，则集成控制器15可以控制负载4，以确定包括在负载4中的使用电力的器件的优先级，并且向具有最高优先级的使用电力的器件供电。

第一开关30和第二开关40串联连接在逆变器13和电网3之间，并且通过在集成控制器15的控制下被接通或关断而控制发电系统2和电网3之间的电流的流动。第一开关30和第二开关40可以根据发电系统2、电网3和电池系统20的状态而接通或关断。

例如，如果发电系统2和/或电池系统20的电力被供应至负载4，或者来自电网3的电力被供应至电池系统20，则第一开关20被接通。如果发电系统2和/或电池系统20的电力被供应至电网3，或者来自电网3的电力被供应至负载4和/或电池系统20，则第二开关40被接通。

另外，如果电网3中存在电力故障，则第二开关40被关断，而第一开关30被接通。相应地，来自发电系统2和/或电池系统20的电力可以被供应至负载4，但不可以供应至电网3，这防止能量存储系统1单独地操作，例如以防止在电网3等的配电线处工作的工人由于能量存储系统1的电力而遭受电击。

能够经受大电流量的类似继电器的开关器件，可以用作第一开关30和第二开关40。电池系统20接收并存储由发电系统2产生的电力和/或从电网3输出的电力，并且向负载4或电网3供应所存储的电力。电池系统20可以包括用于存储电力的部分以及用于控制并保护用于存储电力的这部分的部分。下文中，将参照图2详细描述电池系统20。

图2为根据本发明实施例的电池系统20的框图。参见图2，电池系统20包括电池模块100、单电池平衡单元200、电池管理系统（BMS）300和电池保护电路400。

电池模块100存储从外部，即发电系统2和/或电网3供应的电力，并且向负载4和/或电网3供电。电池模块100表示包括多个电池子单元的结构。例如，电池系统20可以包括具有多个电池托盘的电池架。类似地，电池系统20可以包括具有多个单电池的电池托盘。

单电池平衡单元200连接至电池模块100，并且在BMS 300的控制下使用多输出变换器补偿电池模块100的电压变化。下面将参照图3至图8描述单电池平衡单元200的结构。

BMS 300连接至电池模块100，并且控制电池模块100的充电和放电操作。而且，BMS 300可以执行过充电保护、过放电保护、过电流保护、过电压保护、过热保护、单电池平衡等。为此，BMS 300可以包括测量单元，该测量单元测量来自电池模块100的电压、电流、温度、剩余电量、寿命和充电状态（SOC），根据测量结果产生控制信号，并且控制电池保护电路400。BMS 300可以将测量结果传递至集成控制器15，并且从集成控制器15接收涉及电池模块100的控制的一个或多个命令。

根据一些实施例的BMS 300输出开关信号SW，以补偿电池模块100的电压变化。如果电池模块100包括多个单电池，则单电池开关信号SW被接收，以便选择待补偿其电压变化的单电池。如果电池模块100包括多个托盘，则托盘开关信号SW被接收，以便选择待补偿其电压变化的托盘。

电池保护电路400可以通过从BMS 300接收控制信号而控制电流流动。而且，电池保护电路400可以测量电池模块100的总输出电压或总输出电流，并且向BMS300传输测量结果。电池保护电路400可以与BMS 300物理分离。换句话说，BMS300可以与布置在高电流通道上的电池保护电路400分离，以便保护免于电流的影响。

图3为图示根据实施例的单电池平衡单元200的电路图。单电池平衡单元200可以为，例如电压变化补偿电路。参见图3，电压变化补偿电路200包括控制器210、第一开关单元220、多输出变压器230、整流器电路240和第二开关单元250，整流器电路和单电池或托盘可以通过第二开关单元250被选择。

控制器210包括Vin端子、I ref端子、GND端子、Gate端子和Limit端子，并且从BMS 300接收参考电流，以便操作多输出变压器230。从BMS 300输出的参考电流经由I_ref端子被输入控制器210。参考电流为确定从多输出变换器230输出的电量的值，并且可以为可变值或固定值。控制器210经由Gate端子输出用于操作多输出变压器230的电力传送控制信号。另外，控制器210检测经由Limit端子流过多输出变压器230的第一线圈N1的电流值，以便监控BMS 300所引导的电流是否流过多输出变压器230的第一线圈N1。

控制器210可以通过使用电力传送控制信号控制流过多输出变压器230的第一线圈N1的电流。大部分多输出变换器以电压控制方法操作，并且如果变压器的输出较高，则变压器的第一侧和第二侧的输出可以具有不同的耦合。因此，难以控制每个输出具有相同的电压。然而，根据当前实施例，多输出变压器230根据在多输出变压器230的第一线圈N1处的电流控制方法向所期望的单电池或托盘供电，并且相应地，可以防止电压变化控制方法的缺点，在该方法中，变压器的输出被传输给不同的耦合。

第一开关单元220可以由通过控制器210的Gate端子输出的电力传送控制信号接通或关断。相应地，电力传送控制信号可以输出到第一开关单元220，以便控制从Limit端子流过多输出变压器230的第一线圈N1的电流。

多输出变压器230可以包括逆向变换器，至少因为成本和空间配置的原因这是有利的，因为在其输出端不需要电感器。通过根据从控制器210输出的电力传送控制信号接通或关断第一开关单元220，可以允许或阻止电感电动势传输至第二线圈N21、N22、…、N2n。然后，通过多输出变压器230的第二线圈N21、N22、…、N2n输出的交流电压，通过对二极管D1、D2、…、Dn进行整流并且对整流器电路240的电容器C1、C2、…、Cn进行滤波而变换为直流电压，以作为输出电力源被供应，从而由电池模块100_1、100_2、…、100_n使用。

第二开关单元250的开关SW1、SW2、…、SWn，切换通过多输出变压器230从整流器电路240输出的直流电力，以供应至电池模块100。第二开关单元250的开关SW1、SW2、…、SWn由BMS 300接通或关断，并且仅仅由BMS 300选择的那些开关被接通，使得通过多输出变压器230从整流器电路240输出的直流电力被供应至电池模块100_1、100_2、…、100_n的所选择的相应单电池或托盘。

第二开关单元250的开关SW1、SW2、…、SWn维持在接通状态，直到所选择的单电池或托盘的电压变化被补偿，并且BMS 300监控电压变化补偿的操作，并且在所选择单电池或托盘的电压变化完成时，BMS 300关断第二开关单元250的开关SW1、SW2、…、SWn。

论述在第四单电池或托盘100_4和第十单电池或托盘100_10处发生问题时，BMS 300测量电池模块100_1、100_2、…、100_n的单电池或托盘的电压并补偿电压变化的实施例。

BMS 300接通开关SW4以补偿第四单电池或托盘的电压变化。经由控制器210的Gate端子输出的电力传送控制信号接通第一开关单元220，以允许电流流过多输出变压器230。从多输出变压器230输出的直流电压通过整流器电路240被整流，然后经由开关SW4施加于第四单电池或托盘100_4。当第四单电池或托盘100_4的电压增加至阈值电压时，BMS 300关断开关SW4。

另外，BMS 300接通开关SW10，以补偿第十单电池或托盘100_10的电压变化。从多输出变压器230输出的直流电力通过整流器电路240被整流，然后经由开关SW10施加于第十单电池或托盘1001_0。一旦第十单电池或托盘100_10的电压增加至阈值电压，BMS 300关断开关SW10。

如上所述，通过执行电压变化的选择性补偿，电池模块100_1、100_2、…、100_n的电压平衡被进行。

图4为图示根据另一实施例的电压变化补偿电路的电路图。与图3的实施例相比，图4的多输出变压器230包括串联连接至第一开关单元220的两个第一线圈N11和N12，第一开关单元220根据从控制器210输出的电力传送控制信号操作。图4的电压变化补偿电路的其余描述与图3的类似，并且不再重复。

图5为图示根据另一实施例的电压变化补偿电路的电路图。图5的多输出变压器230包括并联连接至第一开关单元220的两个第一线圈N11和N12。图5的电压变化补偿电路的其余描述与图3的类似，并且不再重复。

图6为图示根据另一实施例的电压变化补偿电路200的电路图。参见图6，电压变化补偿电路200包括控制器210、第一开关单元220、多输出变压器230、整流器电路240以及第二开关单元250。

控制器210包括Vin端子、I_ref端子、GND端子、Gate端子和Limit端子，并且从BMS 300接收参考电流以便操作多输出变压器230。从BMS 300输出的参考电流经由I_ref端子输入控制器210。参考电流具有确定从多输出变压器230输出的电量的值，并且可以为可变值或固定值。控制器210经由Gate端子输出用于操作第一开关单元220的电力传送控制信号。另外，控制器210检测经由Limit端子流过多输出变压器230的第一线圈N1的电流值，以便监控由BMS 300引导的电流是否流过多输出变压器230的第一线圈N1。

第一开关单元220可以由通过控制器210的Gate端子输出的电力传送控制信号接通或关断。相应地，电力传送控制信号可以输出到第一开关单元220，以便控制从Limit端子流过多输出电压器230的第一线圈N1的电流值。

多输出变压器230可以包括前向变换器。通过根据从控制器210输出的电力传送控制信号接通或关断第一开关单元220，可以允许或阻止电感电动势通过多输出变压器230的第一线圈N1传输至第二线圈N21、N22、…、N2n。当第一开关单元220通过从控制器210输出的电力传送控制信号被接通时，整流器电路240的第一二极管D1a、D2a、…、Dna被导通，其第二二极管D 1b、D2b、…、Dnb被截止。相应地，被阻止传输至第二线圈N21、N22、…、N2n的电感电动势经由第一二极管D1a、D2a、…、Dna积聚在电感器L1、L2、…、Ln中。

当第一开关单元220通过从控制器210输出的电力传送控制信号被关断时，整流器电路240的第一二极管D1a、D2a、…、Dna被截止，其第二二极管D1b、D2b、…、Dnb被导通。相应地，积聚在电感器L1、L2、…、Ln中的电感电动势分别通过第二二极管D1b、D2b、…、Dnb输出。电容器C1、C2、…、Cn分别连接至电感器L1、L2、…、Ln，并且与电感器L1、L2、…、Ln一起用作输出滤波器。

第二开关单元250的开关SW1、SW2、…、SWn切换通过多输出变压器230从整流器电路240输出的直流源，以便供应给电池模块100。第二开关单元250的开关SW1、SW2、…、SWn由BMS 300接通或关断，并且仅仅由BMS 300选择的这些开关被接通，使得通过多输出变压器230从整流器电路240输出的直流源被供应给电池模块100_1、100_2、…、100_n的相应单电池或托盘。

第二开关单元250的开关SW1、SW2、…、SWn被维持在接通状态，直到所选择的单电池或托盘的电压变化被补偿，并且BMS 300监控电压变化补偿的操作，并且如果所选择的单电池或托盘的电压变化被完成，则BMS 300关断第二开关单元250的开关SW1、SW2、…、SWn。

图7为图示根据另一实施例的电压变化补偿电路的电路图。

图7的多输出电压变压器230包括串联连接至第一开关单元220的两个第一线圈N11和N12，图7的电压变化补偿电路的其它描述与上述类似。

图8为图示根据另一实施例的电压变化补偿电路的电路图。图8的多输出电压变压器230包括并联连接至第一开关单元220的两个第一线圈N11和N12。图8的电压变化补偿电路的其它描述与上述类似。

为了使用传统的多输出变换器实现所有单电池或托盘的电压平衡，即使匝数比在输入之间的耦合系数不同时相同，不同的电压也被输出。因此，难以平衡单电池或托盘的电压。然而，当在多输出变换器中使用逆向或前向变压器来控制输入电流并且仅向所选择的单电池或托盘施加电流时，即使每个输出和每个输入具有不同的耦合系数，所期望的电量也可以充入每个单电池或托盘中。因此，可以针对发生电压变化的单电池或托盘补偿电压。

虽然已结合示例性实施例具体示出并描述了各个方面，但本领域普通技术人员将理解，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下，在这里对形式和细节方面做出各种改变。示例性实施例应当仅从描述性意义上考虑，并且不是为了限制的目的。各个实施例的特征或方面通常应当被考虑为可用于其它实施例的其它特征或方面的选择。

Claims (12)

1.一种电池系统，包括：

多个单电池；以及

单电池平衡单元，被配置为调整所述多个单电池中的每个单电池两端的电压，以减少所述多个单电池两端的电压之中的变化，所述单电池平衡单元包括：

控制器，被配置为接收DC参考电流并且基于所述DC参考电流产生AC电流，

变压器，包括被配置为接收所述AC电流的输入线圈和耦合至所述输入线圈的输出线圈，

整流器电路，包括连接至所述输出线圈的整流器，和

包括多个开关的开关单元，每个开关被配置为选择性地将所述整流器连接至所述多个单电池中的一个单电池。

2.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述变压器包括耦合至所述输入线圈的多个输出线圈，并且所述整流器电路包括多个整流器，每个整流器连接至所述多个输出线圈中的一个输出线圈。

3.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述变压器包括多个输出线圈和多个被配置为接收所述AC电流的输入线圈，每个输出线圈耦合至所述多个输入线圈中的一个输入线圈，其中所述整流器电路包括多个整流器，每个整流器连接至所述多个输出线圈中的一个输出线圈。

4.根据权利要求3所述的电池系统，其中所述多个输入线圈串联连接。

5.根据权利要求3所述的电池系统，其中所述多个输入线圈并联连接。

6.根据权利要求2、4或5所述的电池系统，其中所述多个整流器中的每个整流器包括：

电感器；

连接至所述电感器的第一二极管和第二二极管；和

连接至所述电感器的电容器。

7.根据权利要求1所述的电池系统，进一步包括被配置为向所述单电池平衡单元提供所述DC参考电流的电池管理系统。

8.根据权利要求7所述的电池系统，其中所述AC电流根据来自所述控制器的信号所控制的开关状态由所述控制器提供给所述变压器。

9.根据权利要求7所述的电池系统，其中所述DC参考电流为可变电流。

10.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述开关单元从电池管理系统接收开关控制信号。

11.一种能量存储系统，包括：

根据权利要求1-10中任一项所述的电池系统；以及

包括控制器的电力变换系统，所述电力变换系统的控制器被配置为利用来自发电系统或电网的电力对所述电池系统充电，并且通过向负载提供来自所述电池系统的电力对所述电池系统放电。

12.根据权利要求11所述的能量存储系统，其中所述AC电流根据来自所述单电池平衡单元的控制器的信号所控制的开关状态由所述单电池平衡单元的控制器提供给所述变压器。

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