CN109217417A - 蓄电池均衡系统和分布式发电系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了蓄电池均衡系统和分布式发电系统，以弥补蓄电池组中各蓄电池在生产和使用过程中产生的不一致性所带来的影响。该蓄电池均衡系统包括：与构成蓄电池组的每一个电池单元一对一设置的双向DC/DC电路，所述双向DC/DC电路的第一端口连接所述电池单元，所述电池单元是单个蓄电池或者是多个蓄电池的串并联组合；所有双向DC/DC电路的第二端口相串联后再连接到能量转换设备，或者，多个双向DC/DC电路的第二端口相串联后构成串联支路，所有串联支路相并联后再连接到所述能量转换设备。

Description

蓄电池均衡系统和分布式发电系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及蓄电池均衡系统和分布式发电系统。

背景技术

蓄电池组由多个蓄电池串并联组成，蓄电池在生产和使用过程中产生的不一致性，会导致蓄电池组出现“木桶效应”，严重影响蓄电池组的整体性能。例如，多个蓄电池直接串联时，放电电流(或充电电流)最差的那一个蓄电池决定整个蓄电池串的放电容量(或充电容量)；多个蓄电池串直接并联时，放电电压(或充电电压)最差的那一个蓄电池串决定整体的放电容量(或充电容量)。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了蓄电池均衡系统和分布式发电系统，以弥补蓄电池组中各蓄电池在生产和使用过程中产生的不一致性所带来的影响。

一种蓄电池均衡系统，包括：与构成蓄电池组的每一个电池单元一对一设置的双向DC/DC电路，所述双向DC/DC电路的第一端口连接所述电池单元，所述电池单元是单个蓄电池或者是多个蓄电池的串并联组合；

所有双向DC/DC电路的第二端口相串联后再连接到能量转换设备，或者，多个双向DC/DC电路的第二端口相串联后构成串联支路，所有串联支路相并联后再连接到所述能量转换设备。

可选的，所述蓄电池均衡系统还包括：与每个双向DC/DC电路一对一设置的旁路开关，所述旁路开关并联在所述双向DC/DC电路的第二端口。

可选的，所述旁路开关为继电器或可控硅。

可选的，每个双向DC/DC电路都具有独立的控制器，每个旁路开关的控制端连接至本旁路开关对应的双向DC/DC电路的控制器。

可选的，所述双向DC/DC电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电容、第二电容和第一电感，其中：

所述第一电容并联在所述双向DC/DC电路的第一端口，所述第二电容并联在所述双向DC/DC电路的第二端口；

所述第一电容的正极连接所述第一开关管的第一端子、所述第三开关管的第一端子以及所述第二电容的正极；

所述第一电容的负极连接所述第二开关管的第二端子，所述第二电容的负极连接所述第四开关管的第二端子；

所述第一电感一端连接所述第一开关管的第二端子和所述第二开关管的第一端子，所述第一电感另一端连接所述第三开关管的第二端子和所述第四开关管的第一端子。

可选的，所述双向DC/DC电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第三电容、第四电容和第二电感，其中：

所述第三电容并联在所述双向DC/DC电路的第一端口，所述第四电容并联在所述双向DC/DC电路的第二端口；

所述第三电容的正极连接所述第五开关管的第一端子，所述第四电容的正极连接所述第七开关管的第一端子；

所述第三电容的负极连接所述第六开关管的第二端子、所述第八开关管的第二端子以及所述第四电容的负极；

所述第二电感一端连接所述第五开关管的第二端子和所述第六开关管的第一端子，所述第二电感另一端连接所述第七开关管的第二端子和所述第八开关管的第一端子。

可选的，所述双向DC/DC电路包括第九开关管、第十开关管、第五电容、第六电容和第三电感，其中：

所述第五电容并联在所述双向DC/DC电路的第一端口，所述第六电容并联在所述双向DC/DC电路的第二端口；

所述第五电容的正极连接所述第九开关管的第一端子和所述第六电容的正极；

所述第五电容的负极连接所述第十开关管的第二端子；

所述第三电感一端连接所述第九开关管的第二端子和所述第十开关管的第一端子，所述第三电感另一端连接所述第六电容的负极。

可选的，所述双向DC/DC电路包括第十一开关管、第十二开关管、第七电容、第八电容和第四电感，其中：

所述第七电容并联在所述双向DC/DC电路的第一端口，所述第八电容并联在所述双向DC/DC电路的第二端口；

所述第七电容的正极连接所述第十一开关管的第一端子；

所述第七电容的负极连接所述第十二开关管的第二端子和所述第八电容的负极；

所述第四电感一端连接所述第十一开关管的第二端子和所述第十二开关管的第一端子，所述第四电感另一端连接所述第八电容的正极。

一种分布式发电系统，包括上述公开的任一种蓄电池均衡系统。

从上述的技术方案可以看出，本发明为蓄电池组中的每个电池单元都单独串接了一个双向DC/DC电路，各个电池单元间通过双向DC/DC电路相互解耦，各个电池单元的放电电压和放电电流，都不会影响到其他电池单元的输出特性，各个电池单元的充电电压和充电电流，都不会影响到其他电池单元的输入特性，从而弥补了蓄电池在生产和使用过程中产生的不一致性所带来的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术公开的一种蓄电池组结构示意图；

图2为现有技术公开的又一种蓄电池组结构示意图；

图3为本发明实施例公开的一种蓄电池均衡系统结构示意图；

图4为本发明实施例公开的又一种蓄电池均衡系统结构示意图；

图5为本发明实施例公开的一种双向DC/DC电路拓扑结构示意图；

图6为本发明实施例公开的又一种双向DC/DC电路拓扑结构示意图；

图7为本发明实施例公开的又一种双向DC/DC电路拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种蓄电池均衡系统，用于弥补蓄电池组中各蓄电池在生产和使用过程中产生的不一致性所带来的影响。所述蓄电池组可以是由多个电池单元100相串联构成的一个电池单元串101(如图1所示)，也可以是由多个电池单元串101相并联构成的整体(如图2所示)，所述蓄电池组的输出接入至能量转换设备的输入端。其中，电池单元100可以是单个蓄电池，也可以是多个蓄电池的串并联组合，其串并联组合方式可以是串联、并联或混联。

所述蓄电池均衡系统的设计方案，就是为所述蓄电池组中的每个电池单元都单独串接一个双向DC/DC电路，基于此：

针对图1所示蓄电池组，所述蓄电池均衡系统的具体结构如图3所示，包括：与构成蓄电池组的每一个电池单元100一对一设置的双向DC/DC电路200，双向DC/DC电路200的第一端口(包括正负极两个端子)连接电池单元100；所述蓄电池均衡系统中所有双向DC/DC电路200的第二端口(包括正负极两个端子)相串联后再连接到能量转换设备。

针对图2所示蓄电池组，所述蓄电池均衡系统的具体结构如图4所示，包括：与构成蓄电池组的每一个电池单元100一对一设置的双向DC/DC电路200，双向DC/DC电路200的第一端口连接电池单元100；同一个电池单元串下对应的各个双向DC/DC电路200的第二端口相串联后构成串联支路，所述蓄电池均衡系统中所有的所述串联支路相并联后再连接到能量转换设备。

下面，以图2和图4为例，阐述所述蓄电池均衡系统的工作原理：

在图2中，放电电流(或充电电流)最差的那一个电池单元100决定整个电池单元串的放电容量(或充电容量)，所以为改善整个电池单元串的放电容量(或充电容量)，需要保证同一个电池单元串内电池单元100间的串联均衡；放电电压(或充电电压)最差的那一个电池单元串决定整个并联结构的放电容量(或充电容量)，所以为提高整个并联结构的放电容量(或充电容量)，还需要保证电池单元串间的并联均衡。

图4中为蓄电池组中的每个电池单元都单独串接了一个双向DC/DC电路200，双向DC/DC电路200对电池单元100进行独立的充放电控制，一方面使串内各个双向DC/DC电路200第二端口的电流达到相等，实现了同一电池单元串内电池单元100间的串联均衡，另一方面还使各电池单元串的电压达到相等，实现了电池单元串间的并联均衡。在该串、并联均衡中，各个电池单元100间通过双向DC/DC电路200相互解耦，各个电池单元100的放电电压和放电电流，都不会影响到其他电池单元100的输出特性，各个电池单元100的充电电压和充电电流，都不会影响到其他电池单元100的输入特性。可见，图4通过实现基于电池单元100级别的蓄电池均衡，弥补了蓄电池在生产和使用过程中产生的不一致性所带来的影响，解决了现有技术存在的问题。

图1所示蓄电池组是图2中的一个电池单元串，图1中仅需要保证电池单元100间的串联均衡；图3所示蓄电池均衡系统是图4中的一个串联支路，图3中实现电池单元100间的串联均衡的原理参考对图4的相关描述即可，此处不再赘述。

可选的，仍参见图3和图4，在上述公开的任一种蓄电池均衡系统中，还包括：与每个双向DC/DC电路200一对一设置的旁路开关，所述旁路开关并联在双向DC/DC电路200的第二端口。

双向DC/DC电路200第一端口连接的电池单元100，与第二端口连接的旁路开关一一对应。在某电池单元100故障时，控制该电池单元100对应的旁路开关闭合，电流从该旁路开关上流过，保证整个电池单元串中其他电池单元100正常运行，从而提高了系统的可靠性。所述旁路开关支持能量的双向流动，既能够在该电池单元串充电状态下，为该电池单元串的充电电流提供通路，又能在该电池单元串放电状态下，为该电池单元串的放电电流提供通路。所述旁路开关通常使用继电器或可控硅，但并不局限。

在上述公开的任一种蓄电池均衡系统中，可以是每个双向DC/DC电路200都具有独立的控制器，也可以是多个双向DC/DC电路200共用控制器(例如所有双向DC/DC电路200采用同一个控制器集中控制)，并不局限。

当每个双向DC/DC电路200都具有独立的控制器时，每个旁路开关的开关状态可以由本旁路开关对应的双向DC/DC电路的控制器进行控制(即每个旁路开关的控制端连接至本旁路开关对应的双向DC/DC电路的控制器)，双向DC/DC电路200的控制器在检测到本双向DC/DC电路200对应的电池单元100故障时，控制本双向DC/DC电路200对应的旁路开关闭合。或者，每个旁路开关的开关状态也可以由同一个控制器，例如能量转换设备的控制器集中控制，并不局限。

在上述公开的任一种蓄电池均衡系统中，双向DC/DC电路200可采用的拓扑结构有很多种，下面仅给出双向DC/DC电路200的几种典型拓扑结构。

仍参见图3，双向DC/DC电路200包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一电容C1、第二电容C2和第一电感L1，其中：

第一电容C1并联在双向DC/DC电路200的第一端口，第二电容C2并联在双向DC/DC电路200的第二端口；

第一电容C1的正极连接第一开关管Q1的第一端子、第三开关管Q3的第一端子以及第二电容C2的正极；

第一电容C1的负极连接第二开关管Q2的第二端子，第二电容C2的负极连接第四开关管Q4的第二端子；

第一电感L1一端连接第一开关管Q1的第二端子和第二开关管Q2的第一端子，第一电感L1另一端连接第三开关管Q3的第二端子和第四开关管Q4的第一端子。

或者，参见图5，双向DC/DC电路200包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第三电容C3、第四电容C4和第二电感L2，其中：

第三电容C3并联在双向DC/DC电路200的第一端口，第四电容C4并联在双向DC/DC电路200的第二端口；

第三电容C3的正极连接第五开关管Q5的第一端子，第四电容C4的正极连接第七开关管Q7的第一端子；

第三电容C3的负极连接第六开关管Q6的第二端子、第八开关管Q8的第二端子以及第四电容C4的负极；

第二电感L2一端连接第五开关管Q5的第二端子和第六开关管Q6的第一端子，第二电感L2另一端连接第七开关管Q7的第二端子和第八开关管Q8的第一端子。

或者，参见图6，双向DC/DC电路200包括第九开关管Q9、第十开关管Q10、第五电容C5、第六电容C6和第三电感L3，其中：

第五电容C5并联在双向DC/DC电路200的第一端口，第六电容C6并联在双向DC/DC电路200的第二端口；

第五电容C5的正极连接第九开关管Q9的第一端子和第六电容C6的正极；

第五电容C5的负极连接第十开关管Q10的第二端子；

第三电感L3一端连接第九开关管Q9的第二端子和第十开关管Q10的第一端子，第三电感L3另一端连接第六电容C6的负极。

或者，参见图7，双向DC/DC电路200包括第十一开关管Q11、第十二开关管Q12、第七电容C7、第八电容C8和第四电感L4，其中：

第七电容C7并联在双向DC/DC电路200的第一端口，第八电容C8并联在双向DC/DC电路200的第二端口；

第七电容C7的正极连接第十一开关管Q11的第一端子；

第七电容C7的负极连接第十二开关管Q12的第二端子和第八电容C8的负极；

第四电感L4一端连接第十一开关管Q11的第二端子和第十二开关管Q12的第一端子，第四电感L4另一端连接第八电容C8的正极。

在以上公开的各个双向DC/DC电路200的拓扑结构中，所采用的开关管可以是MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)，也可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)，也可以是三极管。当开关管为MOSFET时，开关管的第一端子为MOSFET的漏极，开关管的第二端子为MOSFET的源极，开关管的控制端为MOSFET的栅极。当开关管为IGBT时，开关管的第一端子为IGBT的集电极，开关管的第二端子为IGBT的发射极，开关管的控制端为IGBT的栅极。当开关管为三极管时，开关管的第一端子为三极管的集电极，开关管的第二端子为三极管的发射极，开关管的控制端为三极管的基极。

本发明实施例还公开了一种分布式发电系统，包括蓄电池组、能量转换设备以及上述公开的任一种蓄电池均衡系统。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种蓄电池均衡系统，其特征在于，包括：与构成蓄电池组的每一个电池单元一对一设置的双向DC/DC电路，所述双向DC/DC电路的第一端口连接所述电池单元，所述电池单元是单个蓄电池或者是多个蓄电池的串并联组合；

所有双向DC/DC电路的第二端口相串联后再连接到能量转换设备，或者，多个双向DC/DC电路的第二端口相串联后构成串联支路，所有串联支路相并联后再连接到所述能量转换设备。

2.根据权利要求1所述的蓄电池均衡系统，其特征在于，还包括：与每个双向DC/DC电路一对一设置的旁路开关，所述旁路开关并联在所述双向DC/DC电路的第二端口。

3.根据权利要求2所述的蓄电池均衡系统，其特征在于，所述旁路开关为继电器或可控硅。

4.根据权利要求2所述的蓄电池均衡系统，其特征在于，每个双向DC/DC电路都具有独立的控制器，每个旁路开关的控制端连接至本旁路开关对应的双向DC/DC电路的控制器。

5.根据权利要求1或2所述的蓄电池均衡系统，其特征在于，所述双向DC/DC电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电容、第二电容和第一电感，其中：

所述第一电容并联在所述双向DC/DC电路的第一端口，所述第二电容并联在所述双向DC/DC电路的第二端口；

所述第一电容的正极连接所述第一开关管的第一端子、所述第三开关管的第一端子以及所述第二电容的正极；

所述第一电容的负极连接所述第二开关管的第二端子，所述第二电容的负极连接所述第四开关管的第二端子；

所述第一电感一端连接所述第一开关管的第二端子和所述第二开关管的第一端子，所述第一电感另一端连接所述第三开关管的第二端子和所述第四开关管的第一端子。

6.根据权利要求1或2所述的蓄电池均衡系统，其特征在于，所述双向DC/DC电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第三电容、第四电容和第二电感，其中：

所述第三电容并联在所述双向DC/DC电路的第一端口，所述第四电容并联在所述双向DC/DC电路的第二端口；

所述第三电容的正极连接所述第五开关管的第一端子，所述第四电容的正极连接所述第七开关管的第一端子；

所述第三电容的负极连接所述第六开关管的第二端子、所述第八开关管的第二端子以及所述第四电容的负极；

所述第二电感一端连接所述第五开关管的第二端子和所述第六开关管的第一端子，所述第二电感另一端连接所述第七开关管的第二端子和所述第八开关管的第一端子。

7.根据权利要求1或2所述的蓄电池均衡系统，其特征在于，所述双向DC/DC电路包括第九开关管、第十开关管、第五电容、第六电容和第三电感，其中：

所述第五电容并联在所述双向DC/DC电路的第一端口，所述第六电容并联在所述双向DC/DC电路的第二端口；

所述第五电容的正极连接所述第九开关管的第一端子和所述第六电容的正极；

所述第五电容的负极连接所述第十开关管的第二端子；

所述第三电感一端连接所述第九开关管的第二端子和所述第十开关管的第一端子，所述第三电感另一端连接所述第六电容的负极。

8.根据权利要求1或2所述的蓄电池均衡系统，其特征在于，所述双向DC/DC电路包括第十一开关管、第十二开关管、第七电容、第八电容和第四电感，其中：

所述第七电容并联在所述双向DC/DC电路的第一端口，所述第八电容并联在所述双向DC/DC电路的第二端口；

所述第七电容的正极连接所述第十一开关管的第一端子；

所述第七电容的负极连接所述第十二开关管的第二端子和所述第八电容的负极；

所述第四电感一端连接所述第十一开关管的第二端子和所述第十二开关管的第一端子，所述第四电感另一端连接所述第八电容的正极。

9.一种分布式发电系统，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的蓄电池均衡系统。