CN106329594B - 储能系统电池充电限流的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能系统电池充电限流的装置，包括控制单元、充电限流电路、监测单元和数据处理单元，所述充电限流电路包括第一场效应管、电感、电容、续流二极管和采样电阻；所述第一场效应管的源极与电源负极连接，所述第一场效应管的漏极与电感的第一端连接，所述电感的第二端与所述采样电阻的一端连接，所述采样电阻的另一端与电池串负极侧连接；电容与所述续流二极管并联，且并联后的第一端公共连接点连接于所述第一场效应管漏极与所述电感之间，第二端公共连接点连接于所述电源正极与所述电池串正极侧之间。本发明实施例对储能系统的电池充电限流控制，给电池提供恒流充电，以提高电池性能。

Description

储能系统电池充电限流的装置及方法

技术领域

本发明涉及储能系统，尤其涉及储能系统电池充电限流的装置及方法。

背景技术

储能技术主要分为储电与储热。目前储能方式主要分为三类：机械储能、电磁储能、电化学储能。本申请中的储能系统是指由电池和双向变流器组成的存储并释放电能的电源系统。储能系统中的电池部分我们称之为电池系统，电池系统有拆分为电芯阵列及电池管理系统。大型储能系统（1MWh）的电池系统由数量庞大的电芯以某种组串方式串并而成。由于锂电池的一致性问题和铅酸电池的充放电管理问题，如此多的不一致的电芯，其电池管理系统尤为重要，同时电池管理系统所负责的是电池在运行过程中的安全问题、性能问题。

大型储能系统的电池组串方式必须是经过设计的组串方案，大多采用先将单体电芯串联成较高的电压，在将高电压的电池串并联成一个电池阵列；另一种较为常用的方案是先将多颗电芯并联成大容量的电芯，然后再将并联的大电芯串联成较高电压的电池阵列。理论上，上述两种方案均没有问题，但是由于电池内阻一致性问题以及工艺问题，很难做到并联的两个电芯或电池串内阻一致，内阻不一致会造成电池或电池串出现出力不均现象，进而表现出来的就是电池的放电深度不一样。电池放电深度不一致，会造成放电深度大的单体电芯寿命大大降低，严重影响了电池系统的使用性能。电池管理系统在实际应用中无法很好地解决该问题，而且该问题也经常会被我们所忽视。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中，由于电芯内阻的不一致性，导致储能系统在运行一段时间后，并联电池串（包含配阻一致的电池串）的内阻不一致，而且随着时间的推移会越来越严重，严重影响了电池系统的使用寿命的技术问题，本发明提供一种解决该技术问题的技术方案，即在电池串并联的汇流处增加充电限流控制电路，并控制其电流大小。本发明的具体技术方案如下：

一种储能系统电池充电限流装置，包括控制单元、充电限流电路、监测单元和数据处理单元，所述充电限流电路包括第一场效应管、电感、电容、续流二极管和采样电阻；所述第一场效应管的栅极与控制单元连接，所述第一场效应管的源极与电源负极连接，所述第一场效应管的漏极与电感的第一端连接，所述电感的第二端与所述采样电阻的一端连接，所述采样电阻的另一端与电池串负极侧连接；所述电容与所述续流二极管并联，且并联后的第一端公共连接点连接于所述第一场效应管漏极与所述电感之间，并联后的第二端公共连接点连接于所述电源正极与所述电池串正极侧之间；所述监测单元实时监测所述采样电阻的电流值，并将该电流值传输至所述数据处理单元，所述数据处理单元根据所述电流值进行数据处理，得出导通频率及导通占空比，所述控制单元根据所述导通频率及导通占空比发出PWM控制信号控制所述第一场效应管的导通，以提供特定恒流充电，所述第一场效应管为N型场效应管。

进一步的，所述充电限流电路包括第三场效应管，所述第三场效应管的源极与电感的第二端连接，所述第三场效应管的漏极与所述采样电阻的一端连接。

进一步的，所述充电限流电路包括控制开关，所述控制开关的一端与所述第一场效应管的源极连接，另一端与所述第三场效应管的源极连接。

进一步的，所述充电限流电路包括第二场效应管，所述第二场效应管为N型场效应管，所述第二场效应管的源极与所述第一场效应管的源极连接，所述第二场效应管的漏极与所述第三场效应管的源极连接。

进一步的，所述充电限流电路包括第一电阻，所述第一电阻的与所述电容串联，且与所述续流二极管并联。

进一步的，包括比较单元，所述监测单元检测所述采样电阻的电流/电压值，并将所述电流/电压值传输至所述比较单元，若所述电流/电压值大于预置值，所述比较单元发出电信号，所述控制单元根据所述电信号通过电平控制所述第三场效应管断开。

一种所述的储能系统电池充电限流方法，所述方法包括如下步骤：

所述监测单元实时监测所述采样电阻的电流值，并将所述电流值传输至所述数据处理单元，所述数据处理单元根据所述电流值进行数据处理，得出导通频率及导通占空比，所述控制单元根据所述导通频率与所述导通占空比发出PWM控制信号控制所述第一场效应管的导通和关断；

所述第一场效应管导通，所述电容储能；

所述第一场效应管断开，所述电容释放电能，并通过所述电感输出稳定的电流，以使所述电池串充电；

重复上述步骤达到为所述电池串持续充电至充电完成。

进一步的，所述方法还包括：

所述第一场效应管导通，所述电容储能；

所述第一场效应管断开，所述第三场效应管导通时，所述电容释放电能，所述电感储能，并通过所述电感输出稳定的电流，以使所述电池串充电。

所述监测单元监测所述采样电阻的电流/电压值，并将所述电流/电压值传输至比较单元，若所述电流/电压值大于预置值，所述控制单元通过电平控制所述第三场效应管关断。

进一步的，所述方法还包括：

所述控制单元控制电平控制所述第二场效应管、第三场效应管断开，电压输出端电压值大于电池侧电压值；

所述第一场效应管导通，所述电容储能；

所述第一场效应管断开，所述第三场效应管导通时，所述电容释放电能，所述电感储能，并通过所述电感输出稳定的电流至电池端，重复上述步骤达到为所述电池串持续充电至充电完成。

进一步的，所述电池充电完成后，所述方法进一步还包括：

所述控制单元通过电平控制所述第二场效应管和所述第三效应管导通，所述第二场效应管和所述第三场效应管组成放电通路；

所述监测模块检测所述采样电阻的电流/电压值，并将所述电流/电压值传输至比较单元，若所述电流/电压值大于预置值，所述控制单元通过电平控制所述第三场效应管或/和第二场效应管关断。

相较于现有技术，本发明提供一种储能系统电池充电限流装置的主要有益效果在于：通过监测单元实时监测采样电阻的电流值，数据处理单元根据电流值进行数据处理，得出导通频率及导通占空比，控制单元根据导通频率及导通占空比控制第一场效应管的导通或关断，进而控制电流的大小，为电池提供恒流充电，提高电池性能；第二场效应管与第三场效应管组成放电通路，当多串电池并联时，通过控制单元输出不同占空比的PWM信号至每一个电池簇，本发明的技术方案即包括充电限流功能又包括放电保护功能，取代了传统的断路器多串汇流的方案，操作更迅速，可实现20mS保护断开；电池簇间自主充放电功能的实现，可以帮助电池进行主动标定，电池维护无需再有人为操作；并且成本较传统断路器方案成本，要低很多，且系统方案简单，利于扩展。

附图说明

图1为本发明实施例1储能系统电池充电限流的装置内部结构方框示意图。

图2为本发明实施例1充电限流电路图。

图3为本发明实施例2储能系统电池充电限流的装置内部结构方框示意图。

图4为本发明实施例2充电限流电路图。

图5为本发明实施例3充电限流电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用来限定本发明。

实施例1

请参阅图1和图2所示。

本发明提供一种储能系统电池充电限流的装置，包括控制单元、充电限流电路、监测单元和处理单元，所述充电限流电路包括第一场效应管Q1、电感L1、电容C1、续流二极管D1、第一电阻R1和采样电阻R2；所述第一场效应管Q1的栅极G与控制单元连接，所述第一场效应管Q1的源极S与电源负极连接，所述第一场效应管Q1的漏极D与电感L1的第一端连接，所述电感L1的第二端与所述采样电阻R2的一端连接，所述采样电阻R2的另一端与电池串负极侧连接；所述电容C1与第一电阻R1串联，且所述电容C1与所述第一电阻R1均与所述续流二极管D1并联，且并联后的第一端公共连接点连接于所述第一场效应管Q1漏极D与所述电感L1之间，并联后的第二端公共连接点连接于所述电源正极与所述电池串正极侧之间。

所述监测单元实时监测所述采样电阻R2的电流值，并将该电流值传输至所述处理单元，所述处理单元根据所述电流值进行数据处理，得出导通频率及导通占空比，所述控制单元根据所述导通频率及导通占空比发出PWM控制信号控制所述第一场效应管Q1的导通和关断，从而控制电流的大小，以提供特定恒流充电，所述第一场效应管Q1为N型场效应管。

所述续流二极管D1起到续流的作用，用于防止所述电感L1的感应电压过高，击穿电容C1，起到保护电容C1的作用。由于所述续流二极管D1续流需要恢复时间，电容C1和第一电阻R1同时起到吸收电荷的作用。

储能系统电池充电限流方法：

Vp大于Vb；Vp为电源端电压，Vb为电池端电压。

所述监测单元实时监测所述采样电阻R2的电流值，并将所述电流值传输至所述处理单元，所述处理单元根据所述电流值进行数据处理，得出导通频率及导通占空比，所述控制单元根据所述导通频率与所述导通占空比发出PWM控制信号控制所述第一场效应管Q1的导通和关断，从而控制电流的大小。

所述控制单元控制所述第一场效应管Q1导通，所述电容C1储能。

所述控制单元所述第一场效应管Q1断开，所述电容C1释放电能，所述电感L1储能，并通过所述电感L1输出稳定的电流，以使所述电池充电。

重复上述步骤达到为所述电池串持续充电至充电完成，Vp等于Vb。

实施例2

请参阅图3和图4所示。

本发明提供一种储能系统电池充电限流的装置，包括控制单元、充电限流电路、监测单元和处理单元，所述充电限流电路包括第一场效应管Q1、第三场效应管Q3、电感L1、电容C1、续流二极管D1、第一电阻R1和采样电阻R2；所述第一场效应管Q1的栅极G与控制单元连接，所述第一场效应管Q1的源极S与电源负极连接，所述第一场效应管Q1的漏极D与电感L1的第一端连接，所述电感L1的第二端与所述第三场效应管Q3的源极S连接，所述第三场效应管Q3的漏极D与所述采样电阻R2的一端连接，所述采样电阻R2的另一端与电池串负极侧连接；所述电容C1与第一电阻R1串联，且所述电容C1与所述第一电阻R1均与所述续流二极管D1并联，且并联后的第一端公共连接点连接于所述第一场效应管Q1漏极D与所述电感L1之间，并联后的第二端公共连接点连接于所述电源正极与所述电池串正极侧之间。

所述监测单元实时监测所述采样电阻R2的电流值，并将该电流值传输至所述处理单元，所述处理单元根据所述电流值进行数据处理，得出导通频率及导通占空比，所述控制单元根据所述导通频率及导通占空比发出PWM控制信号控制所述第一场效应管Q1的导通，从而控制电流的大小，以提供特定恒流充电，所述第一场效应管Q1和所述第三场效应管Q3均为N型场效应管。

进一步包括比较单元，所述监测单元检测所述采样电阻R2的电流/电压值，并将所述电流/电压值传输至所述比较单元，若所述电流/电压值大于预置值，所述比较单元发出电信号，所述控制单元根据所述电信号通过电平控制所述第三场效应管Q3断开。所述第三场效应管Q3起到充电电流保护的作用。

储能系统电池充电限流方法：

所述监测单元实时监测所述采样电阻R2的电流值，并将所述电流值传输至所述处理单元，所述处理单元根据所述电流值进行数据处理，得出导通频率及导通占空比，所述控制单元根据所述导通频率与所述导通占空比发出PWM控制信号控制所述第一场效应管Q1的导通和关断，从而控制电流的大小。

所述控制单元发出PWM导通信号所述第一场效应管Q1导通，所述电容C1储能；

所述控制单元发出PWM断开信号所述第一场效应管Q1断开，所述控制单元通过电平控制所述第三场效应管Q3导通时，所述电容C1释放电能，所述电感L1储能，并通过所述电感L1输出稳定的电流，以使所述电池串充电。

需要说明的是，在充电过程中，所述监测单元监测所述采样电阻R2的电流/电压值，并将所述电流/电压值传输至比较单元，若所述电流/电压值大于预置值，所述比较单元发出中断信号，所述控制单元根据所述中断信号通过电平控制所述第三场效应管Q3关断。防止充电电路中电流过大，起到充电保护功能。

实施例3

请参阅图3和图5所示。

本发明提供一种储能系统电池充电限流的装置，包括控制单元、充电限流电路、监测单元和处理单元，所述充电限流电路包括第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3、电感L1、电容C1、续流二极管D1、第一电阻R1和采样电阻R2；所述第一场效应管Q1的栅极G与控制单元连接，所述第一场效应管Q1的源极S与电源负极连接，所述第一场效应管Q1的漏极D与电感L1的第一端连接，所述电感L1的第二端与所述第三场效应管Q3的源极S连接，所述第三场效应管Q3的漏极D与所述采样电阻R2的一端连接，所述采样电阻R2的另一端与电池串负极侧连接；所述电容C1与第一电阻R1串联，且所述电容C1与所述第一电阻R1均与所述续流二极管D1并联，且并联后的第一端公共连接点连接于所述第一场效应管Q1漏极D与所述电感L1之间，并联后的第二端公共连接点连接于所述电源正极与所述电池串正极侧之间；所述第二场效应管Q2的源极S与所述第一场效应管Q1的源极S连接，所述第二场效应管Q2的漏极D与所述第三场效应管Q3的源极S连接。

所述监测单元实时监测所述采样电阻R2的电流值，并将该电流值传输至所述处理单元，所述处理单元根据所述电流值进行数据处理，得出导通频率及导通占空比，所述控制单元根据所述导通频率及导通占空比发出PWM控制信号控制所述第一场效应管Q1的导通，从而控制电流的大小，以提供特定恒流充电，所述第一场效应管Q1、所述第二场效应管Q2和所述第三场效应管Q3均为N型场效应管。

所述第二场效应管Q2也可以为控制开关。

所述第二场效应管Q2和所述第三场效应管Q3组成放电通道，当多串电池并联时，通过控制单元输出不同占空比的PWM信号至每一个电池簇，可实现电池簇充电均流功能，同时可实现电池簇间自主充放电功能。能够极大提升电池性能。

进一步包括比较单元，所述监测单元检测所述采样电阻R2的电流/电压值，并将所述电流/电压值传输至所述比较单元，若所述电流/电压值大于预置值，所述比较单元发出电信号，所述控制单元根据所述电信号通过电平控制所述第三场效应管Q3或/和第二场效应管Q2断开。所述第二场效应管Q2和所述第三场效应管Q3均起到保护的作用。

储能系统电池充电限流方法：

所述第二场效应管Q2断开，所述第三场效应管Q3闭合，Vp大于Vb；

所述监测单元实时监测所述采样电阻R2的电流值，并将所述电流值传输至所述处理单元，所述处理单元根据所述电流值进行数据处理，得出导通频率及导通占空比，所述控制单元根据所述导通频率与所述导通占空比发出PWM控制信号控制所述第一场效应管Q1的导通和关断；

所述控制单元发出PWM导通信号控制所述第一场效应管Q1导通，所述电容C1储能。

所述控制单元发出PWM导通信号所述第一场效应管Q1断开，所述控制单元通过电平控制所述第三场效应管Q3闭合，所述电容C1释放电能，并通过所述电感L1输出稳定的电流至所述电池，以使所述电池串充电。重复上述步骤达到为所述电池串持续充电至充电完成。

所述控制单元通过电平控制所述第二场效应管Q2和所述第三效应管导通，所述第二场效应管Q2和所述第三场效应管Q3组成放电通道。

所述监测模块检测所述采样电阻R2的电流/电压值，并将所述电流/电压值传输至比较单元，若所述电流/电压值大于预置值，所述控制单元通过电平控制所述第三场效应管Q3或/和第二场效应管Q2关断，起到充电放电保护作用。

本发明实施例提供的充电限流装置即包括充电限流功能又包括放电保护功能，取代了传统的断路器多串汇流的方案，操作更迅速，可实现20mS保护断开；电池簇间自主充放电功能的实现，可以帮助电池进行主动标定，电池维护无需再有人为操作；并且成本较传统断路器方案成本，要低很多，且系统方案简单，利于扩展。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种储能系统电池充电限流的装置，其特征在于，包括控制单元、充电限流电路、监测单元和数据处理单元，所述充电限流电路包括第一场效应管、电感、电容、续流二极管和采样电阻；所述第一场效应管的栅极与控制单元连接，所述第一场效应管的源极与电源负极连接，所述第一场效应管的漏极与电感的第一端连接，所述电感的第二端与所述采样电阻的一端连接，所述采样电阻的另一端与电池串负极侧连接；所述电容与所述续流二极管并联，且并联后的第一端公共连接点连接于所述第一场效应管漏极与所述电感之间，并联后的第二端公共连接点连接于所述电源正极与所述电池串正极侧之间；所述监测单元实时监测所述采样电阻的电流值，并将该电流值传输至所述数据处理单元，所述数据处理单元根据所述电流值进行数据处理，得出导通频率及导通占空比，所述控制单元根据所述导通频率及导通占空比发出PWM控制信号控制所述第一场效应管的导通，以提供特定恒流充电，所述第一场效应管为N型场效应管；

所述充电限流电路包括第三场效应管，所述第三场效应管的源极与电感的第二端连接，所述第三场效应管的漏极与所述采样电阻的一端连接；

所述装置还包括比较单元，所述监测单元检测所述采样电阻的电流/电压值，并将所述电流/电压值传输至所述比较单元，若所述电流/电压值大于预置值，所述比较单元发出电信号，所述控制单元根据所述电信号通过电平控制所述第三场效应管断开。

2.根据权利要求1所述的储能系统电池充电限流的装置，其特征在于，所述充电限流电路包括控制开关，所述控制开关的一端与所述第一场效应管的源极连接，另一端与所述第三场效应管的源极连接。

3.根据权利要求1所述的储能系统电池充电限流的装置，其特征在于，所述充电限流电路包括第二场效应管，所述第二场效应管为N型场效应管，所述第二场效应管的源极与所述第一场效应管的源极连接，所述第二场效应管的漏极与所述第三场效应管的源极连接。

4.根据权利要求1所述的储能系统电池充电限流的装置，其特征在于，所述充电限流电路包括第一电阻，所述第一电阻的与所述电容串联，且与所述续流二极管并联。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的储能系统电池充电限流的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

所述监测单元实时监测所述采样电阻的电流值，并将所述电流值传输至所述数据处理单元，所述数据处理单元根据所述电流值进行数据处理，得出导通频率及导通占空比，所述控制单元根据所述导通频率与所述导通占空比发出PWM控制信号控制所述第一场效应管的导通和关断；

所述第一场效应管导通，所述电容储能；

所述第一场效应管断开，所述电容释放电能，并通过所述电感输出稳定的电流，以使所述电池串充电；

重复上述步骤达到为所述电池串持续充电至充电完成；

所述第三场效应管导通时，所述监测单元监测所述采样电阻的电流/电压值，并将所述电流/电压值传输至比较单元，若所述电流/电压值大于预置值，所述控制单元通过电平控制所述第三场效应管关断。

6.根据权利要求5所述的储能系统电池充电限流的方法，其特征在于，所述充电限流电路包括第二场效应管，所述方法还包括：

所述控制单元控制电平控制所述第二场效应管、第三场效应管断开，电压输出端电压值大于电池侧电压值；

所述第一场效应管导通，所述电容储能；

所述第一场效应管断开，所述第三场效应管导通时，所述电容释放电能，所述电感储能，并通过所述电感输出稳定的电流至电池端，重复上述步骤达到为所述电池串持续充电至充电完成。

7.根据权利要求6所述的储能系统电池充电限流的方法，其特征在于，所述电池充电完成后，所述方法进一步还包括：

所述控制单元通过电平控制所述第二场效应管和所述第三效应管导通，所述第二场效应管和所述第三场效应管组成放电通路；

所述监测模块检测所述采样电阻的电流/电压值，并将所述电流/电压值传输至比较单元，若所述电流/电压值大于预置值，所述控制单元通过电平控制所述第三场效应管或/和第二场效应管关断。

Images