CN104901350A - 一种基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统，包括第一组第一级母线100，第二组第一级母线200，第三组第一级母线300，24V公共直流母线400，驱动缓冲器500以及DSP控制器600，属于蓄电池组储能技术领域。本发明与原有的双向均衡充放电均衡系统相比，由于不借助中间多个单体电池通过均衡器进行多次能量交换，基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统中的任意两块电池之间只需通过公共直流母线进行能量交换，具有传输路径短、均衡速度快、转换效率高的优点；本发明的系统成本低、通用化、易扩展，可以方便的扩展成满足各种电压要求的蓄电池组。

Description

一种基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统

技术领域

本发明属于蓄电池组储能技术领域，具体是涉及一种基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统。

背景技术

大容量蓄电池组采用大量电池串联供电，单体电池在长期使用中性能差异是不可避免的，串联电池组中流过同样电流，相对而言，容量大者总是处于小电流浅充浅放、趋于容量衰减缓慢、寿命延长，而容量小者总是处于大电流过充过放、趋于容量衰减加快、寿命缩短，两者之间性能参数差异越来越大，形成正反馈特性，小容量提前失效，这是造成电池组寿命缩短、有效容量减小、安全性能降低的重要因素之一。

传统的双向均衡充放电均衡系统存在的主要缺点是在多单体电池串联的储能电源中，当能量由第一个单体电池向最后一个单体电池转移时，需要借助中间多个单体电池通过均衡器进行多次能量交换，能量为多级传输，由此造成能量的传输路径长、速度慢、效率低，且中间重复设置的均衡器造成了功率模块的浪费，不适用于多节数串联蓄电池组。

发明内容

本发明的目的在于解决多节数串联蓄电池组均衡过程中，减少均衡损耗、提高均衡速度、简化系统结构以及降低成本等问题，从而提供一种基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统，包括第一组第一级母线100，第二组第一级母线200，第三组第一级母线300，24V公共直流母线400，驱动缓冲器500以及DSP控制器600；其中，第一组第一级母线100包括1#蓄电池放电电路101、2#蓄电池放电电路102、3#蓄电池放电电路103、4#蓄电池放电电路104、5#蓄电池放电电路105、6#蓄电池放电电路106、第一组第一级母线蓄电池组电压信号采集107；第二组第一级母线200包括7#蓄电池放电电路201、8#蓄电池放电电路202、9#蓄电池放电电路203、10#蓄电池放电电路204、11#蓄电池放电电路205、12#蓄电池放电电路206、第二组第一级母线蓄电池组电压信号采集207；第三组第一级母线300包括13#蓄电池放电电路301、14#蓄电池放电电路302、15#蓄电池放电电路303、16#蓄电池放电电路304、17#蓄电池放电电路305、18#蓄电池放电电路306、第三组第一级母线蓄电池组电压信号采集307；24V公共直流母线400包括第一组第二级母线双向正激充放电电路401、第二组第二级母线双向正激充放电电路402、第三组第二级母线双向正激充放电电路403；驱动缓冲器500包括第一组第一级母线驱动缓冲器501、第一组第二级母线驱动缓冲器502、第二组第一级母线驱动缓冲器503、第二组第二级母线驱动缓冲器504、第三组第一级母线驱动缓冲器505、第三组第二级母线驱动缓冲器506；

18块单体电池依次串联组成3段第一级母线(100、200、300)，3段第一级母线经双向充放电电路(401、402、403)和24V公共直流母线400联通，则蓄电池组中的任意两块电池之间都可以进行能量交换，且能量交换的最长路径不超过4级变换器，能量交换效率高，交换速度快。DSP控制器通过对18块单体蓄电池的端电压进行检测， 计算3段第一级母线(100、200、300)的平均电压 当各个母线内的单体电池的电压U_i大于各一级母线的平均电压10mV，则该单体电池的放电电路启动，单体电池放电，能量回馈到第一级母线；当各个电池单体的电压与各一级母线的平均电压差小于10mV时，停止组内均衡；比较3段第一级母线(100、200、300)的平均电压若平均电压的差值大于门限值10mV，表示整个蓄电池组的电压梯度差较大，需要跨组均衡。对平均电压较高的第一级母线启动放电功能，能量回馈到24V母线；对平均电压较低的第一级母线启动充电功能，从24V母线吸收能量；使充放电电路吸收和回馈的能量相等，既使得24V电网电压稳定，又可满足能量交换的功能。

上述技术方案中，所述AD采样电路单元用于将单体电池电压转换成数字信号，这些单元采用基于AD7280A的电压采样芯片实现。

上述技术方案中，所述驱动缓冲器用于驱动放电电路和双向正激充放电电路，这些单元采用基于74LS125的三态门电路实现。

上述技术方案中，所述蓄电池组的单体电池充放电控制的均衡调度算法采用基于TMS320F28062的数字处理器实现。

本发明相比现有技术具有的优点：

1、与原有的双向均衡充放电均衡系统相比，由于不借助中间多个单体电池通过均衡器进行多次能量交换，基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统中的任意两块电池之间只需通过公共直流母线进行能量交换，具有传输路径短、均衡速度快、转换效率高的优点。

2、基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统具有低成本、通用化、易扩展的特点，可以方便的扩展成满足各种电压要求的蓄电 池组。

附图说明

图1为基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统图；

图2为反激放电电路图；

图3为双向正激充放电电路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图1～3详细地说明本发明的一种基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统。

本发明提供的公共直流母线的18块蓄电池组两级级联均衡系统，其原理框图如图1所示：主要包括第一组第一级母线100，第二组第一级母线200，第三组第一级母线300，24V公共直流母线400，驱动缓冲器500以及DSP控制器600。其中，第一组第一级母线100包括1#蓄电池放电电路101、2#蓄电池放电电路102、3#蓄电池放电电路103、4#蓄电池放电电路104、5#蓄电池放电电路105、6#蓄电池放电电路106、第一组第一级母线蓄电池组电压信号采集107；第二组第一级母线200包括7#蓄电池放电电路201、8#蓄电池放电电路202、9#蓄电池放电电路203、10#蓄电池放电电路204、11#蓄电池放电电路205、12#蓄电池放电电路206、第二组第一级母线蓄电池组电压信号采集207；第三组第一级母线300包括13#蓄电池放电电路301、14#蓄电池放电电路302、15#蓄电池放电电路303、16#蓄电池放电电路304、17#蓄电池放电电路305、18#蓄电池放电电路306、第三组第一级母线蓄电池组电压信号采集307；24V公共直流母线400包括第一组第二级母线双向正激充放电电路401、第二组第二级母线双向正激充放电电路402、第三组第二级母线双向正激充放电电路403； 驱动缓冲器500包括第一组第一级母线驱动缓冲器501、第一组第二级母线驱动缓冲器502、第二组第一级母线驱动缓冲器503、第二组第二级母线驱动缓冲器504、第三组第一级母线驱动缓冲器505、第三组第二级母线驱动缓冲器506。1#蓄电池放电电路101的电池端连接到第一组第一级母线100的B1、B2；2#蓄电池放电电路102的电池端连接到第一组第一级母线100的B2、B3；3#蓄电池放电电路103的电池端连接到第一组第一级母线100的B3、B4；4#蓄电池放电电路104的电池端连接到第一组第一级母线100的B4、B5；5#蓄电池放电电路105的电池端连接到第一组第一级母线100的B5、B6；6#蓄电池放电电路106的电池端连接到第一组第一级母线100的B6、B7；六个放电电路101、102、103、104、105、106的母线端分别连接到第一组第一级母线100的B1、B7；7#蓄电池放电电路201的电池端连接到第二组第一级母线200的B7、B8；8#蓄电池放电电路202的电池端连接到第二组第一级母线200的B8、B9；9#蓄电池放电电路203的电池端连接到第二组第一级母线200的B9、B10；10#蓄电池放电电路204的电池端连接到第二组第一级母线200的B10、B11；11#蓄电池放电电路205的电池端连接到第二组第一级母线200的B11、B12；12#蓄电池放电电路206的电池端连接到第二组第一级母线100的B12、B13；六个放电电路201、202、203、204、205、206的母线端分别连接到第二组第一级母线100的B7、B13；13#蓄电池放电电路301的电池端连接到第三组第一级母线300的B13、B14；14#蓄电池放电电路302的电池端连接到第三组第一级母线300的B14、B15；15#蓄电池放电电路303的电池端连接到第三组第一级母线300的B15、B16；16#蓄电池放电电路304的电池端连接到第三组第一级母线300的B16、B17；17#蓄电池放电电路305的电池端连接 到第三组第一级母线300的B17、B18；18#蓄电池放电电路306的电池端连接到第三组第一级母线300的B18、B19；六个放电电路301、302、303、304、305、306的母线端分别连接到第三组第一级母线300的B13、B19；第一组第二级母线双向正激充放电电路401的电池组电压输入端连接到第一组第一级母线100的B1、B7；第二组第二级母线双向正激充放电电路402的电池组电压输入端连接到第二组第一级母线200的B7、B13；第三组第二级母线双向正激充放电电路402的电池组电压输入端连接到第三组第一级母线300的B13、B19；三个双向正激充放电电路401、402、403的24V母线端分别连接到24V公共直流母线；第一组第一级母线蓄电池组电压信号采集输入107的B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7与第一组第一级母线100的B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7一一对应连接；第二组第一级母线蓄电池组电压信号采集输入207的B7、B8、B9、B10、B11、B12、B13与第二组第一级母线200的B7、B8、B9、B10、B11、B12、B13一一对应连接；第三组第一级母线蓄电池组电压信号采集输入307的B13、B14、B15、B16、B17、B118、B19与第三组第一级母线300的B13、B14、B15、B16、B17、B18、B19一一对应连接；第三组第一级母线蓄电池组电压信号采集307与第二组第一级母线蓄电池组电压信号采集207通过菊花链链接；第二组第一级母线蓄电池组电压信号采集207与第一组第一级母线蓄电池组电压信号采集107通过菊花链连接；第三组第一级母线蓄电池组电压信号采集307与DSP控制器600通过SPI接口连接；驱动缓冲器500的第一组第一级母线驱动缓冲器501、第一组第二级母线驱动缓冲器502、第二组第一级母线驱动缓冲器503、第二组第二级母线驱动缓冲器504、第三组第一级母线驱动缓冲器505、第三组第二级母线驱动缓冲器506的输入 端与DSP控制器600的PWM输出接口一一对应连接；第一组第一级母线驱动缓冲器501的输出端与六个放电电路101、102、103、104、105、106的驱动端一一对应连接；第一组第二级母线驱动缓冲器502的输出端与第一组第二级母线双向正激充放电电路401的驱动端对应连接；第二组第一级母线驱动缓冲器503的输出端与六个放电电路201、202、203、204、205、206的驱动端一一对应连接；第二组第二级母线驱动缓冲器504的输出端与第二组第二级母线双向正激充放电电路402的驱动端对应连接；第三组第一级母线驱动缓冲器505的输出端与六个放电电路301、302、303、304、305、306的驱动端一一对应连接；第三组第二级母线驱动缓冲器506的输出端与第三组第二级母线双向正激充放电电路403的驱动端对应连接。

所述蓄电池母线电压信号采集107、207、307用于将单体电池电压转换成数字信号，这些单元采用基于AD7280A的六差分通道12位AD电压采样芯片实现。

所述驱动缓冲器500用于驱动放电电路和双向正激充放电电路，这些单元采用基于74LS125的三态门电路实现。

所述CPU控制器600用于完成蓄电池组的单体电池充放电控制的均衡调度算法，这些单元采用基于TMS320F28062的数字处理器实现。

图2所示为反激电路的工作原理图，开关管Q按输入的PWM驱动信号周期性的通、断转换，在Q导通期间，单体电池电压B_i加在N1绕组，绕组的电流直线上升、磁通增大，N1绕组储能增加，二次绕组N2的感应电动势使二极管D1截止，负载电流由电容Cf1提供，电感L_f1、L_f2起到滤除电流纹波的作用；当在Q关断期间，N1绕组的电流转移到N2，二次绕组N2的感应电动势使二极管D1导通，变 压器电感储存的磁能变为电能向负载供电并给电容C_f1充电。通过设计合理的变压器匝比，就能实现单体蓄电池B_i放电并向蓄电池组第一级母线回馈能量的功能。

图3所示为双向正激充放电电路的工作原理图，第一级直流母线(B1、B2、B3、B4、B5、B6串联组成)的正极连接至滤波电感L_HV的一端，L_HV的另一端分别连接至滤波电容C_HV的正极、N1绕组的同名端和N3绕组的异名端，N1绕组的异名端连接至开关管Q的漏极，N3绕组同名端连接至复位二极管D_R的阴极，D_R的阳极分别连接至第一级直流母线(B1、B2、B3、B4、B5、B6串联组成)的负极和Q的源极，N2绕组同名端分别连接至励磁电感Lm的一端和漏感L_k的一端，漏感L_k的另一端分别连接至开关管Q_SR2的源极和滤波电感L_LV的一端，L_LV的另一端分别连接至滤波电容C_LV的正极和24V母线的正极，N2绕组的异名端分别连接至励磁电感Lm的另一端和开关管Q_SR1的漏极，Q_SR1的源极分别连接至Q_SR2的源极、C_LV的负极以及24V母线的负极。

双向正激充放电电路的三个开关管均为PWM工作，其中Q、Q_SR1同时关断，并与Q_SR2互补工作，控制开关管的PWM驱动波形，能使电感电流i_LV方向可变。在一个开关周期中，电感电流方向不改变时，电感电流i_LV为正(自24V母线向第一级直流母线方向流动为正方向)，则能量从24V公共直流母线向第一级直流母线方向传输；电感电流i_LV为负，则能量从第一级直流母线向24V公共直流母线方向传输。

上文中对本发明的基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统的电路结构做了说明，下面对该均衡系统的工作原理进行详细的描述。

18块蓄电池组的均衡系统如图1所示，18块单体电池依次串联组成3段第一级母线(100、200、300)，3段第一级母线经双向充放电电路(401、402、403)和24V公共直流母线400联通，则蓄电池组中的任意两块电池之间都可以进行能量交换，且能量交换的最长路径不超过4级变换器，能量交换效率高，交换速度快。DSP控制器通过3级菊花链串联的A/D采样电路单元AD7820A(107、207、307)，对18块单体蓄电池的端电压进行检测，18块单体电池的电压标记为U_i(1≤i≤18)。

第一级均衡策略如下：计算3段第一级母线(100、200、300)的平均电压当各个母线内的单体电池的电压U_i大于各一级母线的平均电压10mV，则该单体电池的放电电路启动，单体电池放电，能量回馈到第一级母线；当各个电池单体的电压与各一级母线的平均电压差小于10mV时，停止组内均衡。

第二级均衡策略如下：比较3段第一级母线(100、200、300)的平均电压若平均电压的差值大于门限值10mV，表示整个蓄电池组的电压梯度差较大，需要跨组均衡。对平均电压较高的第一级母线启动放电功能，能量回馈到24V母线；对平均电压较低的第一级母线启动充电功能，从24V母线吸收能量；使充放电电路吸收和回馈的能量相等，既使得24V电网电压稳定，又可满足能量交换的功能。

上述实施例中所描述的本发明的基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统适用于18块单体蓄电池串联的工作环境。若外部工作环境中有24块甚至更多的蓄电池组时，本发明的基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统也可适用，只是其中的第一级母线 放电电路、第二级母线双向充放电电路、电压信号采样电路的数目也要相应增加。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统，包括第一组第一级母线(100)，第二组第一级母线(200)，第三组第一级母线(300)，24V公共直流母线(400)，驱动缓冲器(500)以及DSP控制器(600)；其特征在于：所述的第一组第一级母线(100)包括1#蓄电池放电电路(101)、2#蓄电池放电电路(102)、3#蓄电池放电电路(103)、4#蓄电池放电电路(104)、5#蓄电池放电电路(105)、6#蓄电池放电电路(106)、第一组第一级母线蓄电池组电压信号采集(107)；第二组第一级母线(200)包括7#蓄电池放电电路(201)、8#蓄电池放电电路(202)、9#蓄电池放电电路(203)、10#蓄电池放电电路(204)、11#蓄电池放电电路(205)、12#蓄电池放电电路(206)、第二组第一级母线蓄电池组电压信号采集(207)；第三组第一级母线(300)包括13#蓄电池放电电路(301)、14#蓄电池放电电路(302)、15#蓄电池放电电路(303)、16#蓄电池放电电路(304)、17#蓄电池放电电路(305)、18#蓄电池放电电路(306)、第三组第一级母线蓄电池组电压信号采集(307)；24V公共直流母线(400)包括第一组第二级母线双向正激充放电电路(401)、第二组第二级母线双向正激充放电电路(402)、第三组第二级母线双向正激充放电电路(403)；驱动缓冲器(500)包括第一组第一级母线驱动缓冲器(501)、第一组第二级母线驱动缓冲器(502)、第二组第一级母线驱动缓冲器(503)、第二组第二级母线驱动缓冲器(504)、第三组第一级母线驱动缓冲器(505、第三组第二级母线驱动缓冲器(506)；

所述的18块单体电池依次串联组成3段第一级母线(100、200、300)，3段第一级母线经双向充放电电路(401、402、403)和24V公共直流母线(400)连通，蓄电池组中的任意两块电池之间都能够进行能量交换，且能量交换的最长路径不超过4级变换器；DSP控制器通过对18块单体蓄电池的端电压进行检测，计算3段第一级母线(100、200、300)的平均电压当各个母线内的单体电池的电压U_i大于各一级母线的平均电压10mV，则该单体电池的放电电路启动，单体电池放电，能量回馈到第一级母线；当各个电池单体的电压与各一级母线的平均电压差小于10mV时，停止组内均衡；比较3段第一级母线的平均电压若平均电压的差值大于门限值10mV，表示整个蓄电池组的电压梯度差较大，需要跨组均衡；对平均电压较高的第一级母线启动放电功能，能量回馈到24V母线；对平均电压较低的第一级母线启动充电功能，从24V母线吸收能量；使充放电电路吸收和回馈的能量相等。

2.根据权利要求1所述的一种基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统，其特征在于：所述的第二级直流母线的均衡控制策略采用基于母线恒压、限功率控制技术实现。

3.根据权利要求1所述的一种基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统，其特征在于：所述的AD采样电路单元用于将单体电池电压转换成数字信号，这些单元采用基于AD7280A的六差分通道12位电压采样芯片实现。

4.根据权利要求1所述的一种基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统，其特征在于：所述的蓄电池组的单体电池充放电控制的均衡调度算法采用基于TMS320F28062的数字处理器实现。

5.根据权利要求1所述的一种基于公共直流母线的蓄电池组两级级联均衡系统，其特征在于：所述的驱动缓冲器用于驱动放电电路和双向正激充放电电路，这些单元采用基于74LS125的三态门电路实现。