CN103904741A - 一种储能设备电压平衡的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种储能设备电压平衡的方法，当串联(电源)储能设备组中单体电源电压差达到设定值时，高电压单体电源与其他一个或多个单体电源串联后对飞渡电容器充电，降低高电压单体电源电压，然后低电压单体电源被多个串联飞渡电容器充电，提高低电压单体电源的电压，如此反复，实现储能设备组电压均衡。本发明还公布了采用上述方法的电压平衡系统。本发明以超级电容器串联作为飞渡元件，解决传统的压差过小问题，不仅能满足大功率充放电的要求，还能提供足够的容量，提高能量转移效率。电路简单，可根据需要组合串联飞渡超级电容个数调节均衡电流大小，且增加控制的灵活性。

Description

一种储能设备电压平衡的方法及其系统

技术领域

本发明涉及储能器件电源管理系统的技术领域，尤其是涉及到储能设备的管理系统中的电压平衡的方法及其系统。

背景技术

随着新能源产业如新能源汽车和新能源发电的快速发展，新能源储能成为一个关键技术。用于新能源储能的产品主要有铅酸电池、锂离子电池和超级电容器等，这些产品的单体电压都很低，一般小于5V。然而，这些新能源储能的应用场合往往电压在几百V甚至上千V。因此在实际应用中需要把储能产品的单体进行串并联组合，按照需要的电压和容量设计串并联结构。比如一台600V400AH的大巴车电源系统，所需要的电池和超级电容为：

3.2V5AH磷酸铁锂电池：每80支电池先并联组成3.2V400AH模组，然后再由187个3.2V400AH模组串联起来构成主电源；

2.7V3000F超级电容器：每18支超级电容器单体串联组成48.6V166.7F模组，然后再由13个48.6V166.7F模组串联起来构成辅助电源。

众所周知，对于串联电路，无论是充电还是放电，串联电路上的单元充放电是完全一致的。但是由于储能产品单体和单体之间的差异性，如等效电阻、容量以及单元衰减性能等，使每个单体在相同的充放电条件下会出现差异性。同理，储能模组和模组之间也存在差异性。

由于充放电是同时进行的，对于容量不同的两个单元，电压上升会有不同，这就会导致在充电末期或者放电末期，单元储能器件的过充或者过放，尤其是经过多次充放电。这一差异性会逐渐累积，任其发展的话，会造成很大的潜在危险和寿命的急剧衰减。

针对此种情况，人们提出了多种解决方案来进行系统的电压平衡，总结下来分为以下四类：

1、稳压管电压均衡法，每一个储能单元都并联一个稳压管。当该单元的工作电压超过稳压管的击穿电压时，充电电流就会从稳压管上流过，电压不再上升。这种方法的优点是：电路结构简单、成本低；但缺点是：充电能量完全消耗在稳压管上，稳压管会严重发热，能量浪费严重；稳压管的击穿电压精度低，分散性差，使电压平衡电路的工作可靠性降低，且不具有全程的实时平衡能力，因此，第一种方法仅适用于充电功率非常小的场合。

2、开关电阻法，每一个储能单元都与由一个电阻和一个开关串联组成的一支路并联。这种方法较第一种方法控制更为灵活，可以根据充电电流的大小设定旁路的电阻，同时还具有电压监控精度高，均衡效果好、可靠性高的优点，但其仍存在耗费能量、电阻发热量大等缺点。因此，第二种方法也仅适用于充电功率小的场合。

3、DC/DC双向变换器法，在每两个相邻储能单元之间都有一个直流斩波电路(BUCK/BOOST降压或升压变换器)，在这里为DC/DC变换器。通过比较相邻两个储能单元之间的电压，将其中电压高的那一个储能的能量通过DC/DC变换器转移到电压低的那一个储能单元中去。对于由n个储能单元的串联组合，需要n-1个DC/DC变换器。与前两种均衡方法相比，第三种DC/DC双向变换器法的优点是：能量损耗低，电压均衡速度快，对充放电状态，都可以进行电压均衡；但缺点是：需要的电感、开关管等功率器件较多，控制复杂，成本高。因此，第三种方法适用于充放电功率高的场合。

4、飞渡电容器法：为每一组串联电池或者超级电容器配备一个电容器，在充放电过程中，当串联电源中单体电源电压差达到设定值时，飞渡电容器先于最高电压单元并联，从最高电压单元抽取能量，降低最高电压单元电压，然后飞渡电容器再与最低电压单元并联，对最低电压单元充电，提高最低电压单元的电压。如此反复，实现电压均衡。此种方法优点是：能量损失低，电压均衡速度快，对充放电状态都可以进行电压均衡；但缺点是电容器与储能单元相比容量有限，平衡时需要多次开关网络的切换并且平衡时间长，系统可靠性和平衡效率很难满足要求，且实现起来存在开关器件选择困难，如果选用继电器，则继电器本身可靠性差，触点开关切换时有火花，若选用电子开关则存在电子开关自身的压降导致平衡效果变差，即超级电容和飞渡超级电容之间的压差过小，平衡电流就会很小。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的缺陷提供一种有效解决电子开关自身的压降和电路本身的内阻导致飞渡超级电容与超级电容之间压差过小，平衡电流过小的储能设备电压平衡的方法及其系统。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种储能设备电压平衡的方法，当串联储能设备中单体电源电压差达到设定值时，飞渡电容器从高电压单体电源抽取能量，高电压单体电源对其充电，降低高电压单体电源电压，然后飞渡电容器再与低电压单体电源并联，对低电压单体电源充电，提高低电压单体电源的电压，如此反复，实现储能设备组电压均衡；其特征在于：所述飞渡电容器为超级电容器，所述高电压单体电源与其他一个或多个单体电源串联后对单个飞渡超级电容器充电；低电压单体电源被串联飞渡超级电容器充电。

优选的方案：所述储能设备组是经过一致性挑选并按照容量大小顺序排列串联的，所述高电压单体电源与相邻的单体电源串联后对单个飞渡超级电容器充电；低电压单体电源被串联飞渡超级电容器充电。

优选的：根据单体电源电压对储能设备中单体电源进行排序；高电压序列的单体电源串联后对单个飞渡超级电容器充电；最低电压单体电源被串联飞渡超级电容器充电。

所述电压平衡的具体控制算法步骤为：

（1）系统运行后，首先巡检单体电源电压和飞渡超级电容电压及充电电流，并计算最高与最低的单体电源之间的电压差，如果电压差在容许的最大压差内，则继续巡检，并计算每个单体电源的电荷量，电池组按照下面公式计算根据上一次的充电电流f(i),计算总电荷量为

$Q={\∫}_{t1}^{t2}f\left(i\right)\mathrm{dt}$

超级电容则先计算每个单体电源容量,计算公式为

式中f(i)为充电电流，ΔU为t1时刻到t2时刻电压的变化，根据容量计算每个单体电源的充到aV所需电荷量，计算公式为Q＝aC

（2）根据步骤（1）计算的电荷量，得到所需总电荷量最大单体电源Q_m和所需总电荷量最小单体电源Q_n；计算总电荷量的平均值

计算总电荷量最大单体电源与平均值的差ΔQ_m和平均值与总电荷量最小单体电源的差ΔQ_n；

（3）当巡检到电压差超过容许的最大压差时，则开始通过开关管的切换电压最高单体电源与相邻的单体电源串联并单个飞渡超级电容器，电压次高的单体电源与邻近的单体电源串联后并另一个飞渡超级电容器.根据步骤2计算的平均值与总电荷量最小单体电源的差ΔQ_n，得出所需要转移的电荷量为ΔQ_n，同理次高的所需转移的电荷量为平均值与次高的容量的差ΔQ_n1；

（4）步骤（3）转移完成后则把飞渡超级电容器串联后与电压最低单体电源并联，飞渡超级电容器对电压最低单体电源充电，根据步骤（2）的ΔQ_m，得出需要转移的电荷为ΔQ_m；

（5）如此反复最终达到平衡。

一种采用上述方法的储能设备电压平衡系统，包括微机控制器、N个单体电源、N个检测电路、由微机控制器控制的开关网络和由飞渡电容组成的平衡电路；

所述N个单体电源串联；

所述N个检测电路用于分别检测N个单体电源的电压、飞渡电容单体电源电压和平衡电流，并传输给微机控制器；

所述微机控制器用于根据N个检测电路输入的数据控制开关网络使高电压单体电源与其他一个或多个单体电源串联后对平衡电路的单个飞渡超级电容器充电，或是使低电压单体电源被多个飞渡超级电容器充电；

所述平衡电路由多个飞渡电容串联组成，并由开关网络切换单个或多个串联进行电压的平衡。

优选的：所述开关网络开关采用三极管开关管，单体电源作为控制开关三极管的工作电源。

本发明具有下述优点：

1、以多个单体电源串联对飞渡元件充电，解决传统的压差过小问题，不仅能满足大功率充放电的要求，还能提供足够的容量，提高能量转移效率。

2、电路简单，以每个单体电源作为控制开关三极管的工作电源。

3、可灵活设置串联个数来切换均衡电流大小。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

图2为电子开关电路图。

具体实施方式

如图1所示一种超级电容器电压平衡系统，包括微机控制器1、N个串联的单体电源2、N个检测电路3、每个单体电源2两端设有一个开关5，每个单体电源2同极端的开关5并联，和由飞渡电容4组成的平衡电路。

所述N个检测电路3用于分别检测N个单体电源2的电压、飞渡电容4单体电压和平衡电流，并传输给微机控制器1。

所述平衡电路由多个飞渡电容4串联组成，每个飞渡电容4之间设置有开关5，每个飞渡电容4两端也设置有开关5，同极端的开关5并联，同极端开关的共同端点与单体电源同极端开关端点相连。

如图2所示，所述开关网络开关采用三极管开关管，单体电源作为控制开关三极管的工作电源。

均衡控制算法流程：

1.系统运行后，首先巡检超级电容电压和飞渡超级电容电压及充电电流，并计算最高与最低的单体电源之间的电压差，如果电压差在容许的最大压差内，则继续巡检，并计算每个单体电源的容量，容量根据下面的公式计算，

$C=\frac{{\∫}_{t1}^{t2}f\left(i\right)\mathrm{dt}}{\mathrm{\ΔU}}$

计算容量最高单体电源与容量最低单体电源的容量差值ΔC_m，计算容量平均值和容量最高单体电源与平均值的差ΔC_mavr，平均值与容量最低单体电源的差ΔC_navr；

2.根据步骤1计算的容量计算每个单体电源充到2.7V所需要的电荷量和时间，计算公式为

Q＝2.7C

得到所需总电荷量最大单体电源Q_m和所需总电荷量最小单体电源Q_n

计算总电荷量的平均值

计算总电荷量最大单体电源与平均值的差ΔQ_m和平均值与总电荷量最小单体电源的差ΔQ_n；

3.当巡检到电压差超过容许的最大压差时，则开始通过开关管的切换电压最高单体电源与相邻的单体电源串联并单个飞渡超级电容器，电压次高的单体电源与邻近的单体电源串联后并另一个飞渡超级电容器.根据步骤2计算的平均值与总电荷量最小单体电源的差ΔQ_n，得出所需要转移的电荷量为ΔQ_n，同理次高的所需转移的电荷量为平均值与次高的容量的差ΔQ_n1；

4.步骤3转移完成后则把飞渡超级电容器串联后与电压最低单体电源并联，飞渡超级电容器对电压最低单体电源充电，根据步骤2的ΔQ_m，得出需要转移的电荷为ΔQ_m；

5.如此反复最终达到平衡。

下面通过一个平衡实例来说明本发明方法。

18个超级电容器串联，其单体电压和容量为2.7V3000F，容量偏差最大为100F，配置飞渡电容器为2个2.7V100F作为飞渡电容。

由于超级电容器电位窗范围为0-2.7V，在充电初期电压较低，对超级电容器寿命没有过多影响，因此设定充电至超级电容器单体电压最大的达到1V时开始工作。

1、充电开始前，飞渡超级电容器与超级电容器单体断开，开始对18个超级电容器充电并对单体电源进行电压监测，当监测到任一超级电容器单体电压达到1V时，平衡电路启动工作。

2、当检测到超级电容器之间压差达到0.1V时，则选中其中电压最大的和它临近的电容串联组合给单个飞渡电容充电，选其中电压次大的和临近的串联组合给另一个飞渡电容充电，直到飞渡超级电容充至2.7V或超级电容放电到电压最小。

3、再把已充电到2.7V的飞渡超级电容串联组合给最小的超级电容反向充电。

4、如此循环往复，只要超级电容器单体间有压差，平衡电路就会工作。

5、由于超级电容器模组最大容量偏差为100F，所以配备的100F的飞渡超级电容器完全能够满足需求，实现主动电压均衡。

在放电过程中，当超级电容器单体最高电压和最低电压压差达到0.1V时，两个飞渡超级电容器分别与最低电压和次低电压的超级电容器单体并联，降低该超级电容器的放电速度。

Claims (6)

1.一种储能设备电压平衡的方法，当串联储能设备中单体电源电压差达到设定值时，飞渡电容器从高电压单体电源抽取能量，高电压单体电源对其充电，降低高电压单体电源电压，然后飞渡电容器再与低电压单体电源并联，对低电压单体电源充电，提高低电压单体电源的电压，如此反复，实现储能设备电压均衡；其特征在于：所述飞渡电容器为超级电容器，所述高电压单体电源与其他一个或多个单体电源串联后对单个飞渡超级电容器充电；低电压单体电源被串联飞渡超级电容器充电。

2.根据权利要求1所述的储能设备电压平衡的方法，其特征在于：所述高电压单体电源与相邻的单体电源串联后对单个飞渡超级电容器充电；低电压单体电源被串联飞渡超级电容器充电。

3.根据权利要求1所述的储能设备组电压平衡的方法，其特征在于：根据单体电源电压对储能设备中单体电源进行排序；高电压序列的单体电源串联后对单个飞渡超级电容器充电；最低电压单体电源被串联飞渡超级电容器充电。

4.根据权利要求1-3任一项所述的储能设备电压平衡的方法，其特征在于：所述储能设备为电池组或超级电容器组，所述电压平衡的控制算法步骤为：

（1）系统运行后，首先巡检单体电源电压和飞渡超级电容电压及充电电流，并计算最高与最低的单体电源之间的电压差，如果电压差在容许的最大压差内，则继续巡检，并计算每个单体电源的电荷量，电池组按照下面公式计算根据上一次的充电电流f(i)，计算总电荷量为

$Q={\∫}_{t1}^{t2}f\left(i\right)\mathrm{dt}$

超级电容则先计算每个单体电源容量,计算公式为式中f(i)为充电电流，ΔU为t1时刻到t2时刻电压的变化，根据容量计算每个单体电源的充到aV所需电荷量，计算公式为Q＝aC；

（2）根据步骤（1）计算的电荷量，

得到所需总电荷量最大单体电源Q_m和所需总电荷量最小单体电源Q_n计算总电荷量的平均值

计算总电荷量最大单体电源与平均值的差ΔQ_m和平均值与总电荷量最小单体电源的差ΔQ_n；

（3）当巡检到电压差超过容许的最大压差时，则开始通过开关管的切换电压最高单体电源与相邻的单体电源串联并单个飞渡超级电容器，电压次高的单体电源与邻近的单体电源串联后并另一个飞渡超级电容器.根据步骤2计算的平均值与总电荷量最小单体电源的差ΔQ_n，得出所需要转移的电荷量为ΔQ_n，同理次高的所需转移的电荷量为平均值与次高的容量的差ΔQ_n1；

（4）步骤（3）转移完成后则把飞渡超级电容器串联后与电压最低单体电源并联，飞渡超级电容器对电压最低单体电源充电，根据步骤（2）的ΔQ_m，得出需要转移的电荷为ΔQ_m；

（5）如此反复最终达到平衡。

5.一种采用权利要求1-4所述方法的储能设备电压平衡系统，包括微机控制器、N个单体电源、N个检测电路、由微机控制器控制的开关网络和由飞渡电容组成的平衡电路；

所述N个单体电源串联；

所述N个检测电路用于分别检测N个单体电源的电压、飞渡电容单体电压和平衡电流，并传输给微机控制器；

所述微机控制器用于根据N个检测电路输入的数据控制开关网络使高电压单体电源与其他一个或多个单体电源串联后对平衡电路中的单个飞渡电容充电，或是使低电压单体电源被多个飞渡超级电容器串联充电；

所述平衡电路由多个飞渡电容串联组成，并由开关网络切换单个或多个串联进行电源电压的平衡。

6.根据权利要求5所述的储能设备电压平衡系统，其特征在于：所述开关网络开关采用三极管开关管，单体电源作为控制开关三极管的工作电源。

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