CN109066929A - 一种动力电池充放电控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动力电池充放电控制系统，包括：连接于电网和动力电池之间，以通过不同工作模式实现电网与动力电池间或不同动力电池间电能流动的多端口变流器；用于控制多端口变流器的工作模式的上位机。一种动力电池充放电控制方法为：上位机通过控制多端口变流器的工作模式来控制动力电池的充放电；多端口变流器具有四种工作模式，分别为：单电池/多电池同步模式、电池充电优先模式、电池放电优先模式和电池充放电同优模式。本发明通过对多端口变流器使多个动力电池配合充放电，能够有效地降低外界对电网影响、降低动力电池充放电过程中能源损耗、提高能源利用率。
Description
技术领域
本发明涉及动力电池控制领域，具体涉及一种基于多端口变流器的动力电池充放电控制系统和方法。
背景技术
由于环境污染日益严重和能源紧缺日益加剧，新能源的引用越来越得到人们的重视。作为新能源领域有较大发展前景的动力电池也日益成为大家关注的焦点。动力电池是指具有较大电能容量和输出功率，可以配置电动交通工具(如电动自行车、电动汽车)和其他电气助动设备及各种驱动电源的电能储藏设备，同时也包括通讯电源和电力储能设备等。
现在国内外大量公司利用计算机控制、人工智能等先进技术，使得传统功能简单的电池管理系统发展成功能齐全、易于控制的智能型系统。然而，虽然各种动力电池的管理技术得到了较大的发展，但动力电池的充放电技术仍然面临较多问题，例如动力电池充放电的均衡性问题，动力电池组内部的均衡性问题，动力电池充放电过程中对电网的影响等。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够有效降低外界对电网影响、降低动力电池充放电过程中能源损耗、提高能源利用率的动力电池充放电控制系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种动力电池充放电控制系统，用于控制动力电池的充放电过程，所述动力电池充放电控制系统包括：
连接于电网和所述动力电池之间，以通过不同工作模式实现所述电网与所述动力电池间或不同所述动力电池间电能流动的多端口变流器；
用于控制所述多端口变流器的工作模式的上位机。
所述上位机通过现场总线与所述多端口变流器相连接。
所述现场总线为CAN总线、MODBUS总线或Ethercat总线。
所述多端口变流器包括：
能够工作于并网逆变模式或整流模式的双向AC/DC模块；
n个能够工作于升压模式或降压模式的双向DC/DC模块，n为大于1的正整数；
用于控制所述双向AC/DC模块和所述双向DC/DC模块的控制器；
以及直流母线；
所述双向AC/DC模块的交流侧与所述电网相连接，所述双向AC/DC模块的直流侧与所述直流母线的两端相连接；n个所述双向AC/DC模块的高压端相并联，并分别与所述直流母线的两端相连接，一个所述动力电池对应与一个所述双向AC/DC模块的低压端相连接；所述控制器通过控制信号分别与所述上位机、所述双向AC/DC模块、各个所述双向DC/DC模块相连接。
所述控制器的核心为单片机、数字信号处理器或可编程逻辑阵列。
所述双向AC/DC模块包括三条与所述电网的三相信号一一对应连接的AC/DC桥臂，每条所述AC/DC桥臂包括两个串联的AC/DC开关管，每条所述AC/DC桥臂的中点与所述电网相连接，每条所述AC/DC桥臂的两端与所述直流母线相连接。
所述DC/DC模块包括DC/DC桥臂、电感和电容，所述DC/DC桥臂包括两个串联的DC/DC开关管，每条所述DC/DC桥臂的两端与所述直流母线相连接，所述电感的一端与所述DC/DC桥臂的中点相连接，所述电容的两端分别与所述电感的另一端和所述DC/DC桥臂的一端相连接，所述电容的两端与所述动力电池相连接。
一种动力电池充放电控制方法，应用于上述动力电池充放电控制系统中，所述动力电池充放电控制方法为：所述上位机通过控制所述多端口变流器的工作模式来控制所述动力电池的充放电；
所述多端口变流器具有四种工作模式，分别为：单电池/多电池同步模式、电池充电优先模式、电池放电优先模式和电池充放电同优模式；
在所述单电池/多电池同步模式下，所述多端口变流器连接一个或多个所述动力电池，一个所述动力电池充放电或者多个所述动力电池同步充放电，当所述动力电池充电时，电能由所述电网经所述多端口变流器输送至所述动力电池，当所述动力电池放电时，电能由所述动力电池经所述多端口变流器回馈至所述电网；
在所述电池充电优先模式下，部分所述动力电池充电，另外部分所述动力电池放电，由放电的所述动力电池经所述多端口变流器为充电的所述动力电池充电，若放电的所述动力电池的电能不足时，则由所述电网经所述多端口变流器为充电的所述动力电池充电；
在所述电池放电优先模式下，部分所述动力电池充电，另外部分所述动力电池放电，由放电的所述动力电池经所述多端口变流器为充电的所述动力电池充电，且放电的所述动力电池的多余电能经所述多端口变流器回馈至所述电网，若放电的所述动力电池无多余电能则停止将电能回馈至所述电网；
在所述电池充放电同优模式下，部分所述动力电池按照所述上位机的设定参数充电，另外部分所述动力电池所述上位机的设定参数放电。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明通过对多端口变流器使多个动力电池配合充放电，能够有效地降低外界对电网影响、降低动力电池充放电过程中能源损耗、提高能源利用率。
附图说明
附图1为本发明的系统框图。
附图2为本发明的系统中多端口变流器的结构框图。
附图3为本发明的系统结构框图。
附图4为本发明的系统在单电池/多电池同步模式下的流程示意图。
附图5为本发明的系统中动力电池的充电电流控制框图。
附图6为本发明的系统中动力电池的放电电流控制框图。
附图7为本发明的系统在在电池协同工作时的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：如附图1所示，一种动力电池充放电控制系统，包括多端口变流器和上位机。多端口变流器连接于电网和动力电池之间，通过不同工作模式的切换实现电网与动力电池间或不同动力电池间电能流动，多端口变流器可以连接一个或多个动力电池，上位机则用于设定充放电电流和电压并控制多端口变流器的工作模式，从而控制动力电池的充放电与电网释放/吸收电能。上位机通过现场总线，如CAN总线、MODBUS总线或Ethercat总线，与多端口变流器相连接。
如附图2所示，多端口变流器包括双向AC/DC模块、n个(n为大于1的正整数)双向DC/DC模块、控制器以及直流母线。
双向AC/DC模块具有交流侧和直流侧并能够双线实现交直流转换，其能够工作于直流变交流的并网逆变模式或交流变直流的整流模式。该双向AC/DC模块的交流侧与电网相连接，直流侧与直流母线的两端相连接。
双向DC/DC模块具有高压侧和低压侧，其能够工作于升压模式(BOOST模式)或降压模式(BUCK模式)而实现直流转换。这n个双向AC/DC模块的高压端相并联，并分别与直流母线的两端相连接，每个双向AC/DC模块的低压端可以用于连接一个动力电池，使得一个动力电池对应与一个双向AC/DC模块的低压端相连接。本实施例中，设置两个双向DC/DC模块，与它们一一对应连接的动力电池分别为动力电池1和动力电池2，则多端口变流器成为三端口变流器，三个端口分别连接电网和两个动力电池。
控制器用于按照上位机的指令，基于不同的工作模式而控制双向AC/DC模块和双向DC/DC模块来切换它们的模式，控制器通过控制信号(PWM信号)分别与上位机、双向AC/DC模块、各个双向DC/DC模块相连接。控制器的核心为单片机、数字信号处理器(DSP)或可编程逻辑阵列(FPGA)。
具体的，双向AC/DC模块包括三条与电网的三相信号一一对应连接的AC/DC桥臂，每条AC/DC桥臂包括两个串联的AC/DC开关管，每条AC/DC桥臂的中点与电网相连接，每条AC/DC桥臂的两端与直流母线相连接。控制器的控制信号控制各个AC/DC开关管。
DC/DC模块包括DC/DC桥臂、电感和电容，DC/DC桥臂包括两个串联的DC/DC开关管，每条DC/DC桥臂的两端与直流母线相连接，电感的一端与DC/DC桥臂的中点相连接，电容的两端分别与电感的另一端和DC/DC桥臂的一端相连接，电容的两端与动力电池相连接。控制器的控制信号控制各个DC/DC开关管。
如附图3的简化结构框图所示，上位机通过现场总线，利用控制器控制双向AC/DC模块与双向DC/DC模块，从而可以分别实时设定两个动力电池的充电或者放电。对于双向AC/DC模块，电能可以在直流母线和交流电网之间双向流动。当直流母线的电压高于设定电压VBUSH时，其工作于并网逆变模式，把直流母线的电能馈送到电网。当直流母线的电压低于设定电压VBUSH时，其工作于整流模式，把电网电能传输到直流母线。对于双向DC/DC模块，电能可以在动力电池和直流母线之间双向流动。当双向DC/DC模块工作于降压模式(开关器件SBX关断，开关器件STX工作于脉宽调制模式，即PWM模式，X为1或2)时，给对应连接的动力电池充电，电能从直流母线流向动力电池。当双向DC/DC模块工作于升压模式(开关器件STX关断，开关器件SBX工作于脉宽调制模式，即PWM模式，X为1或2)时，对应动力电池放电，电能从动力电池流向直流母线。
上述动力电池充放电控制系统用于控制动力电池的充放电过程，其采用的一种动力电池充放电控制方法为：上位机通过控制多端口变流器的工作模式来控制动力电池的充放电。多端口变流器具有四种工作模式，分别为：单电池/多电池同步模式、电池充电优先模式、电池放电优先模式和电池充放电同优模式。
如附图4所示，在单电池/多电池同步模式下，多端口变流器连接一个或多个动力电池，且一个动力电池充放电或者多个动力电池同步充放电。当为单电池模式时，根据充放电的需求，动力电池对应的双向DC/DC模块工作于降压模式或升压模式，从而实现动力电池的充放电。当动力电池充电时，双向AC/DC模块工作于PWM整流模式，电能由电网经多端口变流器输送至动力电池；当动力电池放电时，双向AC/DC模块工作于并网逆变模式，电能由动力电池经多端口变流器回馈至电网。如果系统与两个动力电池同时连接，则两个动力电池同时充电或放电，即多电池同步模式，与单电池模式相似，根据充放电的需求，两个双向DC/DC模块同时工作于降压模式或升压模式，当动力电池放电时，双向AC/DC模块工作于并网逆变模式，电能由动力电池经多端口变流器回馈至电网；当动力电池充电时，双向AC/DC模块工作于PWM整流模式，电能由电网经多端口变流器输送至动力电池。
上述过程中，充放电电流通过上位机进行设定，还可以选择根据双向AC/DC模块的设计功率限制动力电池的充放电电流。对动力电池的充电电流进行控制的框图如附图5所示，其中iBUCK_ref为动力电池充电电流的设定值，其可以由上位机实时调整。该充电电流的设定值iBUCK_ref受限于动力电池充电的最大电流iBUCK_max。根据动力电池的实际充电电流iBAT进行反馈控制，使其基于充电电流的设定值iBUCK_ref而充电。对动力电池的放电电流进行控制的框图如附图6所示，其中为iBOOST_ref为动力电池放电电流的设定值，其可以由上位机实时调整。该放电电流的设定值iBOOST_ref受限于动力电池放电的最大电流iBOOST_max。根据动力电池的实际放电电流iBAT进行反馈控制，使其基于放电电流的设定值iBOOST_ref而放电。
该系统中，电池协同工作的状态包括电池充电优先模式、电池放电优先模式以及电池充放电同优模式，即既有部分动力电池充电，又有另外部分动力电池放电。结合本实施例，即一个动力电池充电，而另一个动力电池放电。
在电池充电优先模式下，由放电的动力电池经多端口变流器为充电的动力电池充电，若放电的动力电池的电能不足时，则由电网经多端口变流器为充电的动力电池充电。当系统处于电池充电优先模式时，假设动力电池1充电，动力电池2放电。则动力电池1的充电电流需要根据上位机给定控制到iBAT1_ref，而动力电池2的放电电流和电压仅仅受限于其本身的参数。这时可知动力电池1的充电功率为：
PBAT1＝iBAT1·uBAT1
从而可以得到动力电池2的放电功率参考：
如果假设动力电池的电压短时间内恒定，则可以得到动力电池2的放电电流参考：
这里ηBUCK和ηBOOST分别是双向DC/DC模块工作于降压模式或升压模式的效率，该效率随着工作点的不同而不同。此时电网提供的功率基本为零，主要由放电的动力电池2给充电的动力电池1提供电能。当放电的动力电池2不足以提供动力电池1的充电所需能量时，则由电网补偿缺口能量。在该工作模式下，双向AC/DC模块主要是提供充电功率和放电功率的差值及系统的损耗功率。
在电池放电优先模式下，由放电的动力电池经多端口变流器为充电的动力电池充电，且放电的动力电池的多余电能经多端口变流器回馈至电网，若放电的动力电池无多余电能则停止将电能回馈至电网。当系统处于电池放电优先模式时，仍假设动力电池1充电，动力电池2放电。动力电池2的放电电流需要根据上位机给定控制到iBOOST_ref，此时放电产生的功率为：
PBAT_Dis＝iBAT2·uBAT2
如果充电的动力电池1不能吸收放电功率，则多余的电能通过双向AC/DC模块回馈到电网。如果充电的动力电池1能够吸收放电功率，则双向AC/DC模块不需要工作，此时充电电流参考为：
这里ηBUCK和ηBOOST分别是双向DC/DC模块工作于降压模式或升压模式的效率，该效率随着工作点的不同而不同。此时电网吸收的功率基本为零，主要由充电的动力电池1吸收动力电池2的放电能量。
在电池充放电同优模式下，部分动力电池按照上位机的设定参数充电，另外部分动力电池上位机的设定参数放电。当系统处于电池充放电同优模式时，两个动力电池分别工作于充电和放电模式，且充电电流和放电电流都需要按照设定控制。假设动力电池1充电，动力电池2放电，此时充电功率和放电功率分别为：
PBAT_Char＝iBAT1·uBAT1
PBAT_Dis＝iBAT2·uBAT2
而电网需要提供或吸收的功率为：
PGrid＝PBAT_Dis·ηBOOST-PBAT_Char/ηBUCK
当PGrid＞0是向电网回馈能量；当PGrid＜0时，电网补偿能量；当PGrid＝0时，电网仅仅提供电压支持。
由此可见，本系统中，动力电池的充电过程主要分为两种方式，第一种方式为电网交流电压信号经过双向AC/DC模块转换为直流电压信号，再输入至双向DC/DC模块，输出稳定信号向动力电池充电，第二种方式为动力电池经过两次双向DC/DC模块为其他动力电池充电。动力电池的放电过程也主要分为两种方式，第一种方式为通过DC-AC转换向电网供电，第二种方式为经过两次DC-DC转换为其他动力电池供电。
上述方案的动力电池充放电控制系统和方法，利用现场总线将上位机于多端口变流器的控制器进行连接，通过上位机直接控制双向AC/DC模块和双向DC/DC模块来实现对动力电池的充放电控制，针对不同的工况信息设定不同的控制模式，铜鼓哦控制器是两个动力电池配合充放电，协同工作，有效地降低外界对电网的影响，在动力电池充放电过程中降低能源损耗，提高能源的利用率。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种动力电池充放电控制系统，用于控制动力电池的充放电过程，其特征在于：所述动力电池充放电控制系统包括：
连接于电网和所述动力电池之间，以通过不同工作模式实现所述电网与所述动力电池间或不同所述动力电池间电能流动的多端口变流器；
用于控制所述多端口变流器的工作模式的上位机。
2.根据权利要求1所述的一种动力电池充放电控制系统，其特征在于：所述上位机通过现场总线与所述多端口变流器相连接。
3.根据权利要求2所述的一种动力电池充放电控制系统，其特征在于：所述现场总线为CAN总线、MODBUS总线或Ethercat总线。
4.根据权利要求1所述的一种动力电池充放电控制系统，其特征在于：所述多端口变流器包括：
能够工作于并网逆变模式或整流模式的双向AC/DC模块；
n个能够工作于升压模式或降压模式的双向DC/DC模块，n为大于1的正整数；
用于控制所述双向AC/DC模块和所述双向DC/DC模块的控制器；
以及直流母线；
所述双向AC/DC模块的交流侧与所述电网相连接，所述双向AC/DC模块的直流侧与所述直流母线的两端相连接；n个所述双向AC/DC模块的高压端相并联，并分别与所述直流母线的两端相连接，一个所述动力电池对应与一个所述双向AC/DC模块的低压端相连接；所述控制器通过控制信号分别与所述上位机、所述双向AC/DC模块、各个所述双向DC/DC模块相连接。
5.根据权利要求4所述的一种动力电池充放电控制系统，其特征在于：所述控制器的核心为单片机、数字信号处理器或可编程逻辑阵列。
6.根据权利要求4所述的一种动力电池充放电控制系统，其特征在于：所述双向AC/DC模块包括三条与所述电网的三相信号一一对应连接的AC/DC桥臂，每条所述AC/DC桥臂包括两个串联的AC/DC开关管，每条所述AC/DC桥臂的中点与所述电网相连接，每条所述AC/DC桥臂的两端与所述直流母线相连接。
7.根据权利要求4所述的一种动力电池充放电控制系统，其特征在于：所述DC/DC模块包括DC/DC桥臂、电感和电容，所述DC/DC桥臂包括两个串联的DC/DC开关管，每条所述DC/DC桥臂的两端与所述直流母线相连接，所述电感的一端与所述DC/DC桥臂的中点相连接，所述电容的两端分别与所述电感的另一端和所述DC/DC桥臂的一端相连接，所述电容的两端与所述动力电池相连接。
8.一种动力电池充放电控制方法，应用于如权利要求1至7中任一项所述的动力电池充放电控制系统中，其特征在于：所述动力电池充放电控制方法为：所述上位机通过控制所述多端口变流器的工作模式来控制所述动力电池的充放电；
所述多端口变流器具有四种工作模式，分别为：单电池/多电池同步模式、电池充电优先模式、电池放电优先模式和电池充放电同优模式；
在所述单电池/多电池同步模式下，所述多端口变流器连接一个或多个所述动力电池，一个所述动力电池充放电或者多个所述动力电池同步充放电，当所述动力电池充电时，电能由所述电网经所述多端口变流器输送至所述动力电池，当所述动力电池放电时，电能由所述动力电池经所述多端口变流器回馈至所述电网；
在所述电池充电优先模式下，部分所述动力电池充电，另外部分所述动力电池放电，由放电的所述动力电池经所述多端口变流器为充电的所述动力电池充电，若放电的所述动力电池的电能不足时，则由所述电网经所述多端口变流器为充电的所述动力电池充电；
在所述电池放电优先模式下，部分所述动力电池充电，另外部分所述动力电池放电，由放电的所述动力电池经所述多端口变流器为充电的所述动力电池充电，且放电的所述动力电池的多余电能经所述多端口变流器回馈至所述电网，若放电的所述动力电池无多余电能则停止将电能回馈至所述电网；
在所述电池充放电同优模式下，部分所述动力电池按照所述上位机的设定参数充电，另外部分所述动力电池所述上位机的设定参数放电。
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| CN112389215A (zh) * | 2019-08-16 | 2021-02-23 | 比亚迪股份有限公司 | 充放电电路结构、充放电设备、充放电系统和充、放电方法 |
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