CN108011430A - 一种电网串联可变向电池成组系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网串联可变向电池成组系统及控制方法，包括串联的储能能量模块和动力能量模块；所述储能能量模块和动力能量模块串联后连接电网；所述储能能量模块设有至少一个，包括储能电池和反接隔离电路，所述反接隔离电路能将储能电池反接或隔离；所述动力能量模块设有至少一个，包括动力电池和变功率输出输入电路，所述变功率输出输入电路能将动力电池的输出进行升压和对动力电池进行充电；所述反接隔离电路和变功率输出输入电路都与总控制器连接。本发明可以使每一串电池主动隔离出母线，故可以实现在某串电池出现不一致时将电池隔离停止充放电或者反接给电池充放电，以期达到整个电池包电池均衡的目的。

Description

一种电网串联可变向电池成组系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电网电池成组系统技术领域，尤其涉及一种电网串联可变向电池成组系统及控制方法。

背景技术

目前发电厂或家庭发电中普遍采用的储能电池的电池成组方案是电池串联、并联或串并联结合，其中串并联结合的方案最为常见。该方案结构固然简单但其带来的缺点也不容忽视。

串并联结合的方案中要求电池性能高度一致，即对电池的一致性要求较高。但电池加工工艺必然导致实际生产中电池性能的差异产生。提高电池一致性需要对电池设备、人员、技术、工艺等提出较高的要求，这将大大增加电池的生产成本。

目前发电厂或家庭发电中采用电池包往往是电动汽车退役的梯次电池或电池厂生产的B品电池。这种电池往往一致性较差，且在发电厂或家庭发电使用中采用的普通串并联结合成组方案。这将面临“短板效应”，即，电池包使用过程中某一串电池出现电量过少，则整个电池包可用电量将取决于该串电池的电量，其他性能完好的电池多余的能量无法得以使用。另外，串并联结合的成组方案中各串电池之间如果出现“SOC(State of Charge)错位现象”(即，各串电池不会同时充满电和各串电池不会同时放完电)，则整个电池包的可用能量将限定在最先充满电和最先放完电的电池荷电状态(SOC)之间。这两个现象都将导致发电用储能电池包电量达不到续航电量要求而提前退役。

目前，解决“短板效应”和“SOC错位现象”问题的方案主要是电池SOC均衡系统。但是目前电池均衡系统面临着质量大、结构复杂、成本高，且关键的一点是均衡功率过低，无法较快的完成均衡任务。另外一种耗能式均衡系统是在每一串电池上并联一个电阻，当电池不一致到设定阈值之后SOC较大的电池并联的电阻前的开关闭合，电阻开始将该串电池多余的电量消耗掉。但该方案发热严重、浪费能量，反而从另一个角度导致发电用储能电池包续航电量下降，且也面临均衡效率低、均衡效果不佳的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种电网串联可变向电池成组系统及控制方法，能够快速在线不停机均衡电池SOC的不一致现象；实现均衡时，不影响系统输入输出性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电网串联可变向电池成组系统，包括串联的储能能量模块和动力能量模块；

所述储能能量模块设有至少一个，包括储能电池和反接隔离电路，所述反接隔离电路能将储能电池反接或隔离；所述储能能量模块和动力能量模块串联后连接电网；

所述动力能量模块设有至少一个，包括动力电池和变功率输出输入电路，所述变功率输出输入电路能将动力电池的输出进行升压和对动力电池进行充电；

所述反接隔离电路和变功率输出输入电路都与总控制器连接。

所述储能能量模块在系统中的数量根据对电池包续航的多少确定。

所述动力能量模块在系统中的数量根据对电池包功率的多少确定。

所述储能能量模块的能量密度大于所述动力能量模块的能量密度；所述储能能量模块的功率密度小于所述动力能量模块的功率密度。

所述反接隔离电路包括H桥电路和反接隔离电路控制器，所述H桥电路包括开关K₁、K₂、K₃、K₄，所述储能电池的一端同时连接开关K₁和K₄的一端，开关K₁的另一端连接开关K₃的一端，开关K₄的另一端连接开关K₂的一端，开关K₃的另一端和开关K₂的另一端同时连接储能电池的另一端；

所述开关K₁、K₂、K₃、K₄都与所述反接隔离电路控制器连接，反接隔离电路控制器与所述主控制器连接，反接隔离电路控制器在主控制器的控制下控制开关K₁、K₂、K₃、K₄的开断。

所述变功率输出输入电路包括变功率输出输入电路控制器和可变向DC-DC电路，所述可变向DC-DC电路包括，所述动力电池的负极连接开关S₁的一端，开关S₁的另一端同时连接电感L的一端和开关S₂的一端，开关S₂的另一端同时连接开关S₆的一端和开关S3的一端，开关S₆的另一端同时连接开关S₄的一端和电容C₂的一端，电容C₂的另一端和开关S₃的另一端同时连接开关S₅的一端，开关S₄的另一端、开关S₅的另一端及电感L的另一端同时连接动力电池的正极；

所述开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆都与所述变功率输出输入电路控制器连接，所述变功率输出输入电路控制器与总控制器连接。

所述储能电池包括多个并联和/或串联的单体电池。

所述动力电池包括多个并联和/或串联的单体电池。

采用所述一种电网串联可变向电池成组系统的控制方法，发电功率-电网需求功率＝发电冗余功率；控制方法包括：

当电网中电池包某一块或某几块储能能量模块电池SOC低于或高于其他储能能量模块SOC值且超过设定阈值时：

若发电冗余功率绝对值大于设定值，系统流过的电流大于本储能能量模块允许的充电或放电最大电流，则该储能能量模块将主动隔离出系统；

若发电冗余功率绝对值小于设定值，系统流过的电流小于本储能能量模块允许的充电或放电最大电流，则该储能能量模块反接进行充电或放电；

储能能量模块的退出导致系统放电或充电功率下降，此时动力能量模块开始接入系统承担退出系统的储能能量模块的工作。

本发明的有益效果：

本发明由于可以使每一串电池主动隔离出母线，故可以实现在某串电池出现不一致时将电池隔离停止充放电或者反接给电池充放电，以期达到整个电池包电池均衡的目的。

由于本发明电池包中可以将不一致电池主动处理，故可降低对电池一致性的要求，降低对设备、人员、技术、工艺等的要求，减少电池的生产成本。

本发明能够快速在线不停机均衡电池SOC的不一致现象；实现均衡时，不影响系统输入输出性能。

本发明储能能量模块中的反接隔离电路不具有DC/DC电路，其结构将大大简化；反接隔离电路不光可以实现隔离作用，更重要的是其可实现反接作用，反接作用带来的优点是不一致模块不是简单的等待其他模块慢慢地靠近自己的SOC而是主动去追平其他的模块的SOC。这是可将均衡效率提升将近10倍，几乎可以在10min之内即可完成均衡。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为反接隔离电路原理图；

图3为变功率输出输入电路原理图；

图4为放电电路结构示意图；

图5为充电电路结构图。

其中，1.动力能量模块，2.动力电池，3.变功率输出输入电路，4.储能电池，5.储能能量模块，6.动力电路母线，7.反接隔离电路，8.通讯线路，9.电网，10.总控制器；

51.反接隔离电路控制器，52.H桥电路，11.变功率输出输入电路控制器，12可变向DC-DC电路。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种电网串联可变向电池成组系统，包含两种电池，分别是：储能电池4、动力电池2。储能电池4可以存储较多的能量，即能量密度较高；动力电池2可以提供较高的功率输出，即功率密度较高。在系统中一般储能电池4要比动力电池数量2要多。储能电池4和动力电池2单体之间的连接关系都是并联。

反接隔离电路7，其有两个作用：一、将储能电池4反接，使该串电池在系统充电(放电)时放电(充电)，即使其工作状态与整个系统的工作状态相反；二、隔离该串电池，即当该串电池不一致超过阈值之后，该电路将该串电池隔离出母线，而该串依然可以通过该电路保持母线的通路。

变功率输出输入电路3，其作用有：一、将单串的动力电池进行升压以弥补由于储能电池4隔离产生的系统电压不足或功率不足的问题；二、可以实现无论系统工作在充电或放电状态都可对该串电池进行充电。

反接隔离电路7和变功率输出输入电路3的区别在于：一、前者没有升压降压电路，而后者具有该电路即可实现大功率输出该串电池能量的目的；二、前者由于没有后者的升降压电路故其重量较小、结构简单、成本低廉，故本发明中反接隔离电路7的数量要比变功率输出输入电路3多很多。

储能能量模块5由储能电池4和反接隔离电路7组成，储能能量模块5在系统中的数量可根据对电池包续航的多少而增加或减少。

动力能量模块1由动力电池2和变功率输出输入电路3组成，动力能量模块1在系统中的数量可根据对电池包功率的多少而增加或减少。

动力电路母线6，将所有的能量模块串联起来。

储能能量模块和动力能量模块串联后连接电网9。

总控制器10，负责控制所有能量模块的协同工作。

通讯线路8，负载在能量模块和总控制器10之间传递信号。

如图2所示，所述反接隔离电路包括H桥电路52和反接隔离电路控制器51，所述H桥电路包括开关K₁、K₂、K₃、K₄，所述储能电池的一端同时连接开关K₁和K₄的一端，开关K₁的另一端连接开关K₃的一端，开关K₄的另一端连接开关K₂的一端，开关K₃的另一端和开关K₂的另一端同时连接储能电池的另一端；

所述开关K₁、K₂、K₃、K₄都与所述反接隔离电路控制器连接，反接隔离电路控制器与所述主控制器连接，反接隔离电路控制器在主控制器的控制下控制开关K₁、K₂、K₃、K₄的开断。

H桥电路52，其由开关K₁、K₂、K₃、K₄及其连接组成，开关K₁、K₂、K₃、K₄可由反接隔离电路控制器51控制开关状态。其可以实现本模块电池的反接和退出。

反接隔离电路控制器51，可与总控制器10实现通讯，控制H桥电路52中的开关K₁、K₂、K₃、K₄的开的关状态。

反接隔离电路控制器51和H桥电路52组成反接隔离电路7。

如图3所示，所述变功率输出输入电路包括变功率输出输入电路控制器11和可变向DC-DC电路12，所述可变向DC-DC电路包括，所述动力电池的负极连接开关S₁的一端，开关S₁的另一端同时连接电感L的一端和开关S₂的一端，开关S₂的另一端同时连接开关S₆的一端和开关S3的一端，开关S₆的另一端同时连接开关S₄的一端和电容C₂的一端，电容C₂的另一端和开关S₃的另一端同时连接开关S₅的一端，开关S₄的另一端、开关S₅的另一端及电感L的另一端同时连接动力电池的正极；

所述开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆都与所述变功率输出输入电路控制器连接，所述变功率输出输入电路控制器与总控制器连接，变功率输出输入电路控制器在总控制器的控制下控制开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆的开断。

变功率输出输入电路控制器11，其可与总控制器10实现通讯，控制可变向DC-DC电路12中的开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆的通断。

可变向DC-DC电路12，其由开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆，电感L和电容C₂及其连接线路组成。其中S₃、S₄、S₅、S₆及其连接线路组成H桥负责DC-DC的反向。

变功率输出输入电路控制器11和可变向DC-DC电路12，共同组成变功率输出输入电路3。

所述储能电池包括多个并联和/或串联的单体电池。

所述动力电池包括多个并联和/或串联的单体电池。

采用所述一种电网串联可变向电池成组系统的控制方法，

规定：发电功率-电网需求功率＝发电冗余功率

1.当电网中电池包某一块或某几块储能能量模块5电池SOC低于或高于其他储能能量模块SOC值且超过一定阈值。

1.1若发电冗余功率绝对值过大，系统流过的电流大于本模块允许的充电或放电最大电流，则该模块将主动隔离出系统。

1.2若发电冗余功率绝对值较小或适中，系统流过的电流小于本模块允许的充电或放电最大电流，则该模块可反接进行充电或放电。

储能能量模块5的退出导致系统放电或充电功率下降，此时动力能量模块1开始接入系统承担退出系统的储能能量模块的工作，且由于动力能量模块1有较高的功率输入输出能力，其可以以很少的数量承担较多数量的储能能量模块5的工作。

如图4所示，当发电冗余功率<0时，我们称电网状态为欠功率电网，此时需要外接电源给电网提供能量，电池系统放电。对于储能能量模块，如果某模块K₃、K₄同时闭合且其K₁、K₂同时打开时该模块为正接，其参与给电网供电；而如果K₃、K₄同时打开且K₁、K₂同时闭合时该模块为反接，其将被充电；如果某模块K₁、K₄同时闭合且K₂、K₃同时断开此时该模块退出系统，或者K₂、K₃同时闭合且K₁、K₄同时断开此模块也是退出系统。对于动力能量模块，如果某模块S₅、S₆同时闭合且S₃、S₄同时断开该模块为正接，其可参与放电，其参与给电网供电；而如果S₃、S₄同时闭合且S₅、S₆同时断开，该模块为反接，其可被充电；S₃、S₆和S₅、S₄两组开关只有一组同时断开另外一组同时闭合，该模块退出系统；另外，动力能量模块在以上三种状态下，只要S₂常闭，S₁常开该模块也退出系统。

如图5所示，当发电冗余功率>0时，我们称电网状态为过功率电网，此时需要外接电源吸收电网多余的能量，电池系统充电。储能能量模块和动力能量模块串联后连接充电装置。对于储能能量模块，如果某模块K₃、K₄同时闭合且其K₁、K₂同时打开时该模块为正接，其参与吸收电网冗余能量；而如果K₃、K₄同时打开且K₁、K₂同时闭合时该模块为反接，其将放电；如果某模块K₁、K₄同时闭合且K₂、K₃同时断开此时该模块退出系统，或者K₂、K₃同时闭合且K₁、K₄同时断开此模块也是退出系统。对于动力能量模块，如果某模块S₅、S₆同时闭合且S₃、S₄同时断开该模块为正接，其可其参与吸收电网冗余能量；而如果S₃、S₄同时闭合且S₅、S₆同时断开，该模块为反接，其可放电；S₃、S₆和S₅、S₄两组开关只有一组同时断开另外一组同时闭合，该模块退出系统；另外，动力能量模块在以上三种状态下，只要S₂常闭，S₁常开该模块也退出系统。

本发明解决了发电厂或家庭发电电池包工作在电池“短板效应”下的问题；解决了发电厂或家庭发电电池包工作在电池“SOC错位现象”下的问题；解决了发电厂或家庭发电电池包电池均衡效率低的问题；解决了发电厂或家庭发电电池包对电池一致性要求较高的问题。

本发明由于可以使每一串电池主动隔离出母线，故可以实现在某串电池出现不一致时将电池隔离停止充放电或者反接给电池充放电，以期达到整个电池包电池均衡的目的。由于该发明电池包中可以将不一致电池主动处理，故可降低对电池一致性的要求，降低对设备、人员、技术、工艺等的要求，减少电池的生产成本。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种电网串联可变向电池成组系统，其特征是，包括串联的储能能量模块和动力能量模块；所述储能能量模块和动力能量模块串联后连接电网；

所述储能能量模块设有至少一个，包括储能电池和反接隔离电路，所述反接隔离电路能将储能电池反接或隔离；

所述动力能量模块设有至少一个，包括动力电池和变功率输出输入电路，所述变功率输出输入电路能将动力电池的输出进行升压和对动力电池进行充电；

所述反接隔离电路和变功率输出输入电路都与总控制器连接。

2.如权利要求1所述一种电网串联可变向电池成组系统，其特征是，所述储能能量模块在系统中的数量根据对电池包续航的多少确定。

3.如权利要求1所述一种电网串联可变向电池成组系统，其特征是，所述动力能量模块在系统中的数量根据对电池包功率的多少确定。

4.如权利要求1所述一种电网串联可变向电池成组系统，其特征是，所述储能能量模块的能量密度大于所述动力能量模块的能量密度；所述储能能量模块的功率密度小于所述动力能量模块的功率密度。

5.如权利要求1所述一种电网串联可变向电池成组系统，其特征是，所述反接隔离电路包括H桥电路和反接隔离电路控制器，所述H桥电路包括开关K₁、K₂、K₃、K₄，所述储能电池的一端同时连接开关K₁和K₄的一端，开关K₁的另一端连接开关K₃的一端，开关K₄的另一端连接开关K₂的一端，开关K₃的另一端和开关K₂的另一端同时连接储能电池的另一端；

所述开关K₁、K₂、K₃、K₄都与所述反接隔离电路控制器连接，反接隔离电路控制器与所述主控制器连接，反接隔离电路控制器在主控制器的控制下控制开关K₁、K₂、K₃、K₄的开断。

6.如权利要求1-5任意一项所述一种电网串联可变向电池成组系统，其特征是，所述变功率输出输入电路包括变功率输出输入电路控制器和可变向DC-DC电路，所述可变向DC-DC电路包括，所述动力电池的负极连接开关S₁的一端，开关S₁的另一端同时连接电感L的一端和开关S₂的一端，开关S₂的另一端同时连接开关S₆的一端和开关S3的一端，开关S₆的另一端同时连接开关S₄的一端和电容C₂的一端，电容C₂的另一端和开关S₃的另一端同时连接开关S₅的一端，开关S₄的另一端、开关S₅的另一端及电感L的另一端同时连接动力电池的正极；

所述开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆都与所述变功率输出输入电路控制器连接，所述变功率输出输入电路控制器与总控制器连接。

7.如权利要求1-5任意一项所述一种电网串联可变向电池成组系统，其特征是，所述储能电池包括多个并联和/或串联的单体电池。

8.如权利要求1-5任意一项所述一种电网串联可变向电池成组系统，其特征是，所述动力电池包括多个并联和/或串联的单体电池。

9.采用权利要求1所述一种电网串联可变向电池成组系统的控制方法，其特征是，发电功率-电网需求功率＝发电冗余功率；控制方法包括：

当电网中电池包某一块或某几块储能能量模块电池SOC低于或高于其他储能能量模块SOC值且超过设定阈值时：

若发电冗余功率绝对值大于设定值，系统流过的电流大于本储能能量模块允许的充电或放电最大电流，则该储能能量模块将主动隔离出系统；

若发电冗余功率绝对值小于设定值，系统流过的电流小于本储能能量模块允许的充电或放电最大电流，则该储能能量模块反接进行充电或放电；

储能能量模块的退出导致系统放电或充电功率下降，此时动力能量模块开始接入系统承担退出系统的储能能量模块的工作。