CN105006864A - 储能供电系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能供电系统和方法，可获得在用单体电池的实时电压值、实时电流值和实时电压值从第一阈值到第二阈值之间的转换时间，据此计算每个在用单体电池的实际容量值，比较该实际容量值与容量预设值的大小，从而判断该在用单体电池的容量是否下降，不能达到工作标准，进而控制主电池模块和备用电池模块的供电状态，保证原有电压参数不受改变，无需整体更换电池或替换整个供电系统，能有效延长整个电池组的工作寿命。

Description

储能供电系统和方法

技术领域

本发明涉及供电领域，特别是涉及一种储能供电系统和方法。

背景技术

随着新能源技术的发展以及环保、低碳等生活理念的普及，太阳能系统及新能源应用受到越来越多的关注，目前已广泛应用于交通、通信、海洋、气象、等领域，具有很大的应用前景。

据了解，目前太阳能电池板的寿命已能做到25年左右，而作为其储能装置——电池组的平均寿命仅约为2-3年，从而制约着太阳能系统及新能源应用的发展。然而，以太阳能电池为例的电池式储能供电系统在工业与生活领域中应用越来越广泛，如在交通领域中，路灯、交通灯上的太阳能电池供电系统因其环保、光转换效率高而被大面积采用，路灯和交通灯的供电系统不可能2-3年就更换一次，该更换工程巨大，不仅更换成本高，浪费人力物力财力，而且更换时需要停电检修，无法正常投入工作，还可能造成危险。所以，如何解决电池组的寿命问题，以提高电池储能供电系统的寿命已迫在眉睫。

发明内容

基于此，有必要针对如何解决电池组的寿命问题，提供一种储能供电系统，包括：

主电池模块，包括至少一单体电池。

备用电池模块，包括与主电池模块的至少一单体电池并联的至少一单体电池。

采样模块，与主电池模块和备用电池模块连接，用于采集每个在用单体电池的实时电压值和实时电流值。

控制模块，包括：

接收单元，与采样模块连接，用于接收实时电压值和实时电流值。

计时单元，用于将实时电压值分别与第一阈值和第二阈值比较，并计算实时电压值从第一阈值到第二阈值之间的转换时间。

电池容量计算单元，用于根据实时电流值和转换时间计算对应的在用单体电池的实际容量值。

信号输出单元，用于将实际容量值与容量预设值进行比较，并根据比较的结果分别输出第一控制信号和第二控制信号。

开关模块，与控制模块连接，包括与主电池模块连接的第一开关和与备用电池模块连接的第二开关，开关模块用于接收第一控制信号和第二控制信号，并根据第一控制信号和第二控制信号控制第一开关和第二开关处于导通或者断开的状态，以控制主电池模块和备用电池模块的供电状态。

本发明进一步提供一种储能供电系统的储能供电方法，储能供电系统包括主电池模块和备用电池模块，主电池模块包括至少一单体电池。备用电池模块包括与主电池模块的至少一单体电池并联的至少一单体电池，该方法包括：

采集每个在用单体电池的实时电压值和实时电流值。

将实时电压值分别与第一阈值和第二阈值比较，并计算实时电压值从第一阈值到第二阈值之间的转换时间。

根据实时电流值和转换时间计算对应的在用单体电池的实际容量值。

将实际容量值与容量预设值进行比较，并根据比较的结果分别输出第一控制信号和第二控制信号。

根据第一控制信号和第二控制信号控制主电池模块和备用电池模块的供电状态。

本发明的储能供电系统和方法，可获得在用单体电池的实时电压值、实时电流值以及实时电压值从第一阈值到第二阈值之间的转换时间，据此计算每个在用单体电池的实际容量值，比较该实际容量值与容量预设值的大小，从而判断该在用单体电池的容量是否下降，不能达到工作标准，在该在用单体电池已损坏的情况下，可通过控制模块控制开关模块将该在用单体电池退出工作，选通与其并联的备用单体电池代替其投入工作，保证原有电压参数不受改变，无需整体更换电池或替换整个供电系统，能有效延长整个电池组的工作寿命。

附图说明

图1为本发明中一种储能供电系统的一个实施例的结构图；

图2为本发明中一种储能供电系统的主电池模块和备用电池模块的一个实施例的结构图；

图3为本发明中一种储能供电系统的采样模块的一个实施例的结构图；

图4为本发明中一种储能供电系统的开关模块的一个实施例的结构图；

图5为本发明中一种储能供电方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

如图1所示，显示了本发明一实施例，一种储能供电系统，包括：

主电池模块100，包括至少一单体电池。

备用电池模块200，包括与主电池模块100的至少一单体电池并联的至少一单体电池。

采样模块300，与主电池模块100和备用电池模块200连接，用于采集每个在用单体电池的实时电压值和实时电流值。

控制模块400，包括：

接收单元410，与采样模块300连接，用于接收实时电压值和实时电流值。

计时单元420，用于将实时电压值分别与第一阈值和第二阈值比较，并计算实时电压值从第一阈值到第二阈值之间的转换时间。

电池容量计算单元430，用于根据实时电流值和转换时间计算对应的在用单体电池的实际容量值。

信号输出单元440，用于将实际容量值与容量预设值进行比较，并根据比较的结果分别输出第一控制信号和第二控制信号。

开关模块500，与控制模块400连接，包括与主电池模块100连接的第一开关510和与备用电池模块200连接的第二开关520，开关模块500用于接收第一控制信号和第二控制信号，并根据第一控制信号和第二控制信号控制第一开关510和第二开关520处于导通或者断开的状态，以控制主电池模块100和备用电池模块200的供电状态。

在该实施例中，采样模块300采样每个在用单体电池的实时电压值和实时电流值，输入至控制模块400的接收单元410。计时单元420，将实时电压值分别与第一阈值和第二阈值比较，在实时电压值等于第一阈值时，记录第一时间，在实时电压值等于第二阈值时，记录第二时间，根据第一时间和第二时间，计算实时电压值从第一阈值到第二阈值之间的转换时间。电池容量计算单元430，则根据实时电流值和转换时间计算对应的在用单体电池的实际容量值。信号输出单元440，将该实时容量值与预先设定的容量预设值比较，判断每个在用单体电池是否出现严重容量下降现象，从而判断每个在用单体电池是否已严重老化，根据判断结果输出第一控制信号和第二控制信号分别控制开关模块500的第一开关510和第二开关520的导通与关断状态，以决定哪个单体电池退出工作，哪个单体电池投入工作。在一个实施例中，若电池容量计算单元430计算的在用单体电池的实际容量值不低于容量预设值，则认为该在用单体电池仍可用，无需退出工作，控制模块400的信号输出单元440则发出第一控制信号，使第一开关510维持导通状态，第二开关520维持断开状态，继续使用在用单体电池；若电池容量计算单元430计算的在用单体电池的实际容量值低于容量预设值，则认为该在用单体电池已严重老化，无使用价值，需退出工作，控制模块400的信号输出单元440则发出第二控制信号，使第一开关510切换至断开状态，第二开关520切换至导通状态，将在用单体电池退出，选用备用单体电池代替其工作。

在该实施例的储能供电系统中，可获得在用单体电池的实时电压值、实时电流值以及实时电压值从第一阈值到第二阈值之间的转换时间，据此计算每个在用单体电池的实际容量值，比较该实际容量值与容量预设值的大小，从而判断该在用单体电池的容量是否下降，不能达到工作标准，在该在用单体电池已损坏的情况下，可通过控制模块400控制开关模块500将该在用单体电池退出工作，选通与其并联的备用单体电池代替其投入工作，保证原有电压参数不受改变，无需整体更换电池或替换整个供电系统，能有效延长整个电池组的工作寿命。

优选的，实时电流值根据在用单体电池处于充电状态或者放电状态分别为充电电流或者放电电流。

具体的，当在用单体电池处于充电状态时，采样模块300采样每个在用单体电池的实时电压值和充电电流I，当在用单体电池处于放电状态时，采样模块300采样每个在用单体电池的实时电压值和放电电流I。

优选的，第一阈值为最高充电电压，第二阈值为最低放电电压，转换时间根据在用单体电池处于充电状态或者放电状态分别为充电时间或者放电时间，充电时间是指在用单体电池从开始充电到实时电压值与第一阈值相等的时间，放电时间是指在用单体电池从开始放电到实时电压值与第二阈值相等的时间。

具体的，第一阈值为最高充电电压，即若继续对该单体电池充电，则可能导致电池内压升高、电池变形、漏夜、性能显著降低甚至损坏等情况发生的最高工作电压值，也就是电池放电的起始电压。第二阈值为最低放电电压，即电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值，也就是电池充电的起始电压。该最高充电电压和最低放电电压与电池类型、电池容量、寿命要求、温度等充放电条件均有关，可由电池生产厂家提供或工作人员根据经验、实验获得。例如：1.2V镍氢电池的最高充电电压通常为1.4V，最低放电电压通常为0.9V；3.7V锂电池的最高充电电压通常为4.2V，最低放电电压通常为2.75V。更为具体的，当在用单体电池处于充电状态时，在实时电压值等于第二阈值时，计时单元420记录并存储第一时间T₁，当实时电压值等于第一阈值时，计时单元420记录并存储第二时间T₂，则T₂与T₁的时间差ΔT，即为该在用单体电池的充电时间，进而可通过充电电流I和充电时间ΔT，计算该在用单体电池的实际容量值；反之，当在用单体电池处于放电状态时，亦可通过放电电流和放电时间，计算该在用单体电池的实际容量值。

优选的，根据实时电流值I和转换时间ΔT计算对应的在用单体电池的实际容量值的公式为：

SOC＝I*ΔT           (1)

其中，I为实时电流值，ΔT为转换时间，SOC为在用单体电池的实际容量值。

优选的，主电池模块100包括多个串联或并联的单体电池，备用电池模块200包括与主电池模块100的每一个单体电池一一对应并联的多个单体电池。

具体的，图2给出了主电池模块100包括多个串联的单体电池，备用电池模块200包括与主电池模块100的每一个单体电池一一对应并联的一个单体电池的示例。

优选的，如图3所示，采样模块300，包括电压采样单元310和电流采样单元320。

电压采样单元310，包括与在用单体电池个数相同的多个电压采样子单元，用于采样每个在用单体电池的实时电压值。

电压采样子单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、选通开关K1和第一AD转换器，第一电阻R1的一端与在用单体电池连接，第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端、第一电容C1的一端和选通开关K1的一端连接，第二电阻R2的另一端与第一电容C1的另一端接地，选通开关K1的另一端与第一AD转换器的一端连接，选通开关K1和第一AD转换器的另一端还与控制模块400连接。

电流采样单元包括电流传感器和第二AD转换器，电流传感器的一端与在用单体电池连接，电流传感器的另一端与第二AD转换器的一端连接，第二AD转换器的另一端与控制模块400连接。

具体的，电流传感器可选但不仅限于采用霍尔传感器。

该实施例给出了采样模块300的具体电路结构，通过与在用单体电池个数对应的多个电压采样子单元，可采样每个在用单体电池的实时电压值。具体的，控制模块400顺序控制选通开关K1的导通与关断，顺序采样多个在用单体电池的实时电压值，即先导通第1#路电压采样子单元的选通开关K1，检测第1#路在用单体电池的实时电压值，再关闭第1#路电压采样子单元的选通开关K1，并导通第2#路电压采样子单元的选通开关K1，检测第2#路在用单体电池的实时电压值，直到最后一路n#在用单体电池的实时电压值检测完毕，则重新导通第1#路电压采样子单元的选通开关K1，检测第1#路在用单体电池的实时电压值。此外，由于串联单体电池的电流处处相等，所以可通过一个电流采样单元获得所有在用单体电池的实时电流值。

优选的，如图4所示，开关模块500包括光电耦合器D、第三电阻R3和开关器件K2，光电耦合器D的发光源与控制模块400连接，光电耦合器D的受光器与第三电阻的一端、开关器件K2的栅极和开关器件K2的漏极连接，第三电阻R3的另一端与开关器件的源极和每个单体电池的一端连接，开关器件K2的漏极与每个单体电池的另一端连接。

该实施例给出了开关模块500的具体电路结构，通过光电耦合器D将控制信号耦合至开关器件K2，控制是否将在用单体电池退出工作，以及是否将对应备用单体电池投入工作，控制简单方便。

优选的，第一控制信号为低电平，第二控制信号为高电平，开关器件为MOS开关管。

在一个实施例中，第一开关选用NMOS管，第二开关选用PMOS管。当第一控制信号为低电平，即信号输出单元440输出低电平时，光电耦合器D不工作，MOS开关管的栅极电压为0，上拉电阻得不到驱动电压，使得高通低阻特性的NMOS管处于关断状态，主电池模块100的在用单体电池仍接入电路，保持导通状态；低通高阻特性的PMOS管处于导通状态，备用电池模块200的单体电池仍短路，保持关断状态。当第二控制信号为高电平，即信号输出单元440输出高电平时，光电耦合器D工作，电压信号通过上拉电阻与光电耦合器输出到MOS管的栅极，产生相等的电压，使得高通低阻特性的NMOS管处于导通状态，短路主电池模块100的在用单体电池，使其退出工作；低通高阻特性的PMOS管处于关断状态，使备用电池模块200的单体电池投入工作，确保原有的电压参数不受改变。

优选的，开关器件还可为IGBT、IGCT、GTR、光控晶闸管、门极可关断晶闸管的一种或多种。

优选的，容量值阈值等于单体电池预先容量配置的百分之三十。具体的，工作人员可根据实际工况要求和经验，确定什么情况下，单体电池已老化到必须退出工作的状态，从而设定容量值阈值。

优选的，采样模块300，还可采样在用单体电池的温度；控制模块400还可根据在用单体电池的温度，控制开关模块500的导通与关断。

优选的，每个单体电池，具体为锂电池、磷酸铁电池、铅酸电池的一种或多种。

优选的，控制模块400，可具体为DSP芯片。

优选的，控制模块400包括多片DSP芯片串联。

由于DSP芯片的输入端口和输出端口数量有限，其最多采样12路的单体电池电压，输出8路控制信号。此情况下，锂电池的可控电量仅为3.7至44.4V，磷酸铁锂电池的可控电量仅为3.2至38.4V，铅酸电池的可控电量仅为12V-144V。在该实施例中，采用多片DSP芯片串联组成控制模块300，则可采样和控制更多路串联的单体电池，提高电池组的总电压和供电量，扩大该储能供电系统的应用领域。

如图5所示，本发明进一步提供一种储能供电系统的储能供电方法，储能供电系统包括主电池模块100和备用电池模块200，主电池模块100包括至少一单体电池。备用电池模块200包括与主电池模块100的至少一单体电池并联的至少一单体电池，该方法包括：

S100：采集每个在用单体电池的实时电压值和实时电流值。

S200：将实时电压值分别与第一阈值和第二阈值比较，并计算实时电压值从第一阈值到第二阈值之间的转换时间。

S300：根据实时电流值和转换时间计算对应的在用单体电池的实际容量值。

S400：将实际容量值与容量预设值进行比较，并根据比较的结果分别输出第一控制信号和第二控制信号。

S500：根据第一控制信号和第二控制信号控制主电池模块100和备用电池模块200的供电状态。

该储能供电方法可获得在用单体电池的实时电压值、实时电流值和实时电压值从第一阈值到第二阈值之间的转换时间，据此计算每个在用单体电池的实际容量值，比较该实际容量值与容量预设值的大小，从而判断该在用单体电池的容量是否下降，不能达到工作标准，进而控制主电池模块和备用电池模块的供电状态，保证原有电压参数不受改变，无需整体更换电池或替换整个供电系统，能有效延长整个电池组的工作寿命。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种储能供电系统，其特征在于，包括：

主电池模块，包括至少一单体电池；

备用电池模块，包括与所述主电池模块的至少一单体电池并联的至少一单体电池；

采样模块，与所述主电池模块和所述备用电池模块连接，用于采集每个在用单体电池的实时电压值和实时电流值；

控制模块，包括：

接收单元，与所述采样模块连接，用于接收所述实时电压值和所述实时电流值；

计时单元，用于将所述实时电压值分别与第一阈值和第二阈值比较，并计算所述实时电压值从所述第一阈值到所述第二阈值之间的转换时间；

电池容量计算单元，用于根据所述实时电流值和所述转换时间计算对应的所述在用单体电池的实际容量值；

信号输出单元，用于将所述实际容量值与容量预设值进行比较，并根据比较的结果分别输出第一控制信号和第二控制信号；

开关模块，与所述控制模块连接，包括与所述主电池模块连接的第一开关和与所述备用电池模块连接的第二开关，所述开关模块用于接收所述第一控制信号和所述第二控制信号，并根据所述第一控制信号和所述第二控制信号分别控制所述第一开关和所述第二开关处于导通或者断开的状态，以控制所述主电池模块和所述备用电池模块的供电状态。

2.根据权利要求1所述的储能供电系统，其特征在于，所述实时电流值根据所述在用单体电池处于充电状态或者放电状态分别为充电电流或者放电电流。

3.根据权利要求2所述的储能供电系统，其特征在于，所述第一阈值为最高充电电压，所述第二阈值为最低放电电压，所述转换时间根据所述在用单体电池处于充电状态或者放电状态分别为充电时间或者放电时间，所述充电时间是指所述在用单体电池从开始充电到所述实时电压值与所述第一阈值相等的时间，所述放电时间是指所述在用单体电池从开始放电到所述实时电压值与所述第二阈值相等的时间。

4.根据权利要求3所述的储能供电系统，所述主电池模块包括多个串联或并联的单体电池，所述备用电池模块包括与所述主电池模块的每一个单体电池一一对应并联的多个单体电池。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的储能供电系统，其特征在于，所述采样模块，包括电压采样单元和电流采样单元；

所述电压采样单元，包括与所述在用单体电池个数相同的多个电压采样子单元，用于采样每个在用单体电池的实时电压值；

所述电压采样子单元包括第一电阻、第二电阻、第一电容、选通开关和第一AD转换器，所述第一电阻的一端与所述在用单体电池连接，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端、所述第一电容的一端和所述选通开关的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第一电容的另一端接地，所述选通开关的另一端与所述第一AD转换器的一端连接，所述选通开关和所述第一AD转换器的另一端还与所述控制模块连接；

所述电流采样单元包括电流传感器和第二AD转换器，所述电流传感器的一端与所述在用单体电池连接，所述电流传感器的另一端与所述第二AD转换器的一端连接，所述第二AD转换器的另一端与所述控制模块连接。

6.根据权利要求5所述的储能供电系统，其特征在于，所述电流传感器，具体为霍尔传感器。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的储能供电系统，其特征在于，所述开关模块包括光电耦合器、第三电阻和开关器件，所述光电耦合器的发光源与所述控制模块连接，所述光电耦合器的受光器与所述第三电阻的一端、所述开关器件的栅极和所述开关器件的漏极连接，所述第三电阻的另一端与所述开关器件的源极和每个单体电池的一端连接，所述开关器件的漏极与每个单体电池的另一端连接。

8.根据权利要求7所述的储能供电系统，其特征在于，所述第一控制信号为低电平，所述第二控制信号为高电平，所述开关器件为MOS开关管。

9.根据权利要求7所述的储能供电系统，其特征在于，所述开关器件还可为IGBT、IGCT、GTR、光控晶闸管、门极可关断晶闸管的一种或多种。

10.一种储能供电系统的储能供电方法，其特征在于，所述储能供电系统包括主电池模块和备用电池模块，所述主电池模块包括至少一单体电池；所述备用电池模块包括与所述主电池模块的至少一单体电池并联的至少一单体电池，该方法包括：

采集每个在用单体电池的实时电压值和实时电流值；

将所述实时电压值分别与第一阈值和第二阈值比较，并计算所述实时电压值从所述第一阈值到所述第二阈值之间的转换时间；

根据所述实时电流值和所述转换时间计算对应的所述在用单体电池的实际容量值；

将所述实际容量值与容量预设值进行比较，并根据比较的结果分别输出第一控制信号和第二控制信号；

根据所述第一控制信号和所述第二控制信号控制所述主电池模块和所述备用电池模块的供电状态。