CN110323802B - 一种储能系统的充电均衡装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种储能系统的充电均衡装置和方法，该装置包括N个储能单元、储能状态采集单元、充电电源规格判断单元、充电控制单元和N个充电执行单元。该充电控制单元根据储能系统充电所需电压值以及每个储能单元的实时电压和/或实时温度状态信息选择合适的充电电源对储能单元进行充电，使得电压较低和/或温度较低的储能单元被优先充电，从而达到充电均衡的目的，有利于提高储能系统的寿命和安全性能。

Description

一种储能系统的充电均衡装置和方法
技术领域
本发明涉及储能系统管理领域，具体涉及一种储能系统的充电均衡装置和方法。
背景技术
储能系统是由多个储能节点为基本单元，通过各种串并联方式构成大容量的整体。传统储能系统中所有节点为固定式连接，系统的充电方式是高压充电，即用比储能系统电压高的能量源对系统充电。
系统在充电的过程中，由于基本单元一致性存在差异，会对整个储能系统的寿命和安全带来影响。传统充电方案主要有两种方式：被动均衡式充电和主动均衡式充电。
被动均衡式充电是在充电过程中对于电压高的节点通过电阻放电，使得每个节点的电压保持一致从而达到充电容量均衡的目的。此方案能源利用率低。主动均衡式充电是在充电的过程同时将电压高的节点向电压低的节点充电从而达到充电容量均衡的目的。此方案设计复杂，成本昂贵，风险性高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种储能系统的充电均衡装置和方法，在储能系统中选择电压低的电源优先充电，从而使储能系统达到充电电量均衡的目的，提高整个储能系统的寿命和安全性能。
本发明采用如下技术方案实现：
本发明的第一方面提供了一种储能系统的充电均衡装置，包括N个储能单元、储能状态采集单元、充电电源规格判断单元、充电控制单元和N个充电执行单元；每个储能单元连接有所述储能状态采集单元，所述充电电源规格判断单元连接所述充电控制单元；所述储能状态采集单元与所述充电控制单元连接，所述充电控制单元与所述充电执行单元连接，所述充电执行单元与所述储能单元对应连接；其中，N为大于1的整数；
所述储能单元用于存储电能并向用电负载供电，N个储能单元相互串联连接；
所述储能状态采集单元用于采集每个所述储能单元的状态信息，并将所述状态信息发送至所述充电控制单元；
所述充电电源规格判断单元用于判断连接的充电电源的规格，并将其发送给所述充电控制单元；
所述充电控制单元根据所述充电电源规格和状态信息选择相应的M个储能单元，并控制与所述M个储能单元对应的充电执行单元，使充电电源对其进行充电，其中M为正整数，且M<N。
进一步的，所述储能状态采集单元采集的状态信息包括储能单元的电压和温度的状态信息。
进一步的，所述充电控制单元根据所述充电电源规格确定M的数值，使得M个储能单元串联连接的供电电压值小于等于所述充电电源的电压值。
进一步的，所述充电控制单元根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括：根据每个储能单元的实时电压值Vi，i∈N，对所述N个储能单元的电压从低到高进行排序，选择前M个储能单元，控制其对应的放电执行单元，使充电电源对所述M个储能单元进行充电。
进一步的，所述充电控制单元根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括：根据每个储能单元的实时电压值Vi，i∈N，对所述N个储能单元的电压从低到高进行排序，选择前round(1.2*M)个储能单元，再将该round(1.2*M)个储能单元的实时温度值从低到高进行排序，选择前M个储能单元，控制其对应的充电执行单元，使充电电源对所述M个储能单元进行充电。
进一步的，所述充电执行单元为旁路开关，每个储能单元对应设置一个旁路开关；所述充电控制单元控制所述M个储能单元对应的M个旁路开关呈断开状态，其他旁路开关呈闭合状态。
本发明的第二方面提供了一种根据如前所述的储能系统的充电均衡装置的充电均衡方法，包括如下步骤：
采集连接的充电电源规格发送至所述充电控制单元；
采集每个储能单元的状态信息发送至所述充电控制单元；
根据所述充电电源规格和所述状态信息选择M个储能单元；
控制与所述M个储能单元对应的充电执行单元使充电电源对其进行充电。
进一步的，所述充电控制单元根据所述充电电源规格确定M的数值，使得M个储能单元串联连接的电压值小于等于所述充电电源的电压值。
进一步的，根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括：根据每个储能单元的实时电压值Vi，i∈N，对所述N个储能单元的电压从低到高进行排序，选择前M个储能单元，控制其对应的充电执行单元，使充电电源对所述M个储能单元进行放电。
进一步的，根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括：根据每个储能单元的实时电压值Vi，i∈N，对所述N个储能单元的电压从低到高进行排序，选择前round(1.2*M)个储能单元，再将该round(1.2*M)个储能单元的实时温度值从低到高进行排序，选择前M个储能单元，控制其对应的充电执行单元，使充电电源对所述M个储能单元进行充电。
综上所述，本发明提供了一种储能系统的充电均衡装置和方法，通过每个储能单元的实时电压和/或实时温度状态信息选择充电电源对合适的储能单元进行充电，控制简单并能达到均衡控制的目的。
本发明可以应用低压源给高压大容量储能系统充电，而且相对被动均衡式充电能源利用率高，相对主动式均衡充电设计易于实现，风险性低。
附图说明
图1是本发明中的储能系统的充电均衡装置的结构示意图；
图2是本发明中的储能系统的充电均衡方法的具体流程示意图；
图3是本发明的储能系统的充电均衡装置的一个具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示，本发明的第一方面提供了一种储能系统的充电均衡装置，包括N个储能单元、储能状态采集单元、充电控制单元、充电电源规格判断单元和N个充电执行单元；每个储能单元连接所述储能状态采集单元，所述的充电电源规格判断单元连接所述充电控制单元；所述储能状态采集单元与所述充电控制单元连接，所述充电控制单元与所述充电执行单元连接，所述充电执行单元与所述储能单元对应连接；其中，N为大于1的整数；储能单元用于存储电能并向用电负载供电，N个储能单元相互串联连接；储能状态采集单元用于采集每个所述储能单元的状态信息，并将所述状态信息发送至所述充电控制单元；充电电源规格判断单元用于判断连接的充电电源的规格，并将其发送给所述充电控制单元；充电控制单元根据所述充电电源规格判和状态信息选择相应的M个储能单元，并控制与所述M个储能单元对应的充电执行单元，使充电电源对其进行充电，其中M为正整数，且M<N。
具体的，本发明的储能系统为大容量电池系统，每个储能单元为电池单元。
进一步的，储能状态采集单元采集的状态信息包括储能单元的电压和温度的状态信息。该储能状态采集单元包括N个电压传感器和N个温度传感器，分别设置在每个电池单元中，用于实时采集每个电池单元两端的电压值以及该电池单元的温度值，经将其电压值和温度值实时的传送给充电控制单元。
进一步的，充电控制单元根据充电电源规格确定M的数值，使得M个储能单元串联连接的电压值小于等于所述充电电源的电压值。
进一步的，充电执行单元为旁路开关，每个储能单元对应设置一个旁路开关；所述充电控制单元控制所述M个储能单元对应的M个旁路开关呈断开状态，其他旁路开关呈闭合状态。
进一步的，充电控制单元根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括：根据每个储能单元的实时电压值Vi，i∈N，对所述N个储能单元的电压从低到高进行排序，选择前M个储能单元，控制其对应的充电执行单元，使所述充电电源对M个储能单元进行充电。下面以一个具体实施例对其进行进一步的说明。
如图2所示，假设储能系统一共有N节电池，具有N个储能节点。储能系统的充电电源最多能给M节电池充电，(M＜N)。在充电的过程中，储能状态采集单元采集该N节电池中每节电池的电压，按照电池的电压值从低到高进行排序，假设V1＜V2…＜VM＜…VN，则电池按照V1、V2、…VM、…VN的顺序进行排列。每节电池的储能节点k(带有短路保护功能)对应一个旁路开关Sk，即充电执行单元。在正常状态下，该充电控制单元控制旁路开关S1～SM断开，S(M+1)～SN闭合，即充电电源为电压值处于前M位置的电池充电。由于储能节点具有短路保护功能，所以旁路的节点对外断开，储能状态采集单元随时采样所有的N节电池的电压，当有电压的高低顺序改变时，比如VM大于V(M+1)，系统将电压VM对应的电池的开关SM闭合，V(M+1)对应的电池的开关S(M+1)打开。上述方案对于每个储能的最小单元，在充电的时候采用电压最低优先原则。
进一步的，所述充电控制单元根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括：根据每个储能单元的实时电压值Vi，i∈N，对所述N个储能单元的电压从低到高进行排序，选择前round(1.2*M)个储能单元，再将该round(1.2*M)个储能单元的实时温度值从低到高进行排序，选择前M个储能单元，控制其对应的充电执行单元，使充电电源对所述M个储能单元进行充电。下面以一个具体实施例对其进行进一步的说明。
如图2所示，假设储能系统一共有N节电池，具有N个储能节点。储能系统的充电电源最多能够给M节电池充电(M＜N)。在充电的过程中，储能状态采集单元采集该N节电池中每节电池的电压和温度，按照电池的电压值从低到高进行排序，假设V1＜V2…＜VM＜…VN，则电池按照V1、V2、…VM、…VN的顺序进行排列。对于排序在前round(1.2*M)个的储能单元，再将该round(1.2*M)个储能单元的实时温度值从低到高进行排序，选择前M个储能单元。其中round()为四舍五入取整函数。这样在考虑电压值大小的同时考虑电池的温度值，使选择供电的电池的状态处于较佳状态。每节电池的储能节点k(带有短路保护功能)对应一个旁路开关Sk，即充电执行单元。在正常状态下，该充电控制单元控制旁路开关S1～SM断开，S(M+1)～SN闭合，即充电电源为电压值处于前M位置的电池充电。由于储能节点具有短路保护功能，所以旁路的节点对外断开，储能状态采集单元随时采样所有的N节电池的电压和温度。当有电压的高低顺序改变时，比如V[round(1.2*M)]大于V[round(1.2*M)+1]，则将后者的电池替换前者的电池；同时，当有温度的高低顺序改变时，比如TM大于T(M+1)，则系统将温度TM对应的电池的开关SM闭合，T(M+1)对应的电池的开关S(M+1)打开。
本发明的第二方面提供了一种根据如前所述的储能系统的充电均衡装置的充电均衡方法，如图3所示，包括如下步骤：
步骤S100，采集连接的充电电源规格发送至充电控制单元。具体的，由充电电源规格判断单元判断连接的充电电源的规格，并将其发送至充电控制单元。
步骤S200，采集每个储能单元的状态信息发送至所述充电控制单元。该状态信息包括每个储能单元的实时电压和实时温度信息。
步骤S300，根据充电电源规格和所述状态信息选择M个储能单元。
步骤S400，控制所述M个储能单元对应的充电执行单元使充电电源对其进行充电。
进一步的，所述步骤S300中，充电控制单元根据所述充电电源规格确定M的数值，使得M个储能单元串联连接的电压值小于等于充电电源的电压值。
进一步的，所述步骤S300中，根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括：根据每个储能单元的实时电压值Vi，i∈N，对所述N个储能单元的电压从低到高进行排序，选择前M个储能单元，控制其对应的充电执行单元，使充电电源对所述M个储能单元进行充电。
进一步的，所述步骤S300中，根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括：根据每个储能单元的实时电压值Vi，i∈N，对所述N个储能单元的电压从低到高进行排序，选择前round(1.2*M)个储能单元，再将该round(1.2*M)个储能单元的实时温度值从低到高进行排序，选择前M个储能单元，控制其对应的充电执行单针对元，使充电电源对所述M个储能单元进行充电。
本发明提供了一种储能系统的充电均衡装置和方法，通过每个储能单元的实时电压和温度状态信息选择充电电源对合适的储能单元充电，控制简单并能达到均衡控制的目的。本方法可以应用低压源给高压大容量储能系统充电，而且相对被动均衡式充电能源利用率高，相对主动式均衡充电设计易于实现，风险性低。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种储能系统的充电均衡装置，其特征在于，包括N个储能单元、储能状态采集单元、充电电源规格判断单元、充电控制单元和N个充电执行单元；每个储能单元连接有所述储能状态采集单元，所述充电电源规格判断单元连接所述充电控制单元；所述储能状态采集单元与所述充电控制单元连接，所述充电控制单元与所述充电执行单元连接，所述充电执行单元与所述储能单元对应连接；其中，N为大于1的整数；
所述储能单元用于存储电能并向用电负载供电，N个储能单元相互串联连接；
所述储能状态采集单元用于采集每个所述储能单元的状态信息，并将所述状态信息发送至所述充电控制单元；
所述充电电源规格判断单元用于判断连接的充电电源的规格，并将其发送给所述充电控制单元；
所述充电控制单元根据所述充电电源规格和状态信息选择相应的M个储能单元，根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括：根据每个储能单元的实时电压值Vi，i∈N，对所述N个储能单元的电压从低到高进行排序，选择前round(1.2*M)个储能单元，再将该round(1.2*M)个储能单元的实时温度值从低到高进行排序，选择前M个储能单元，控制其对应的充电执行单元，使充电电源对所述M个储能单元进行充电，并控制与所述M个储能单元对应的充电执行单元，使充电电源对其进行充电，其中M为正整数，round()为四舍五入取整函数，且M<N。
2.根据权利要求1所述的储能系统的充电均衡装置，其特征在于，所述储能状态采集单元采集的状态信息包括储能单元的电压和温度的状态信息。
3.根据权利要求2所述的储能系统的充电均衡装置，其特征在于，所述充电控制单元根据所述充电电源规格确定M的数值，使得M个储能单元串联连接的供电电压值小于等于所述充电电源的电压值。
4.根据权利要求3所述的储能系统的充电均衡装置，其特征在于，所述充电执行单元为旁路开关，每个储能单元对应设置一个旁路开关；所述充电控制单元控制所述M个储能单元对应的M个旁路开关呈断开状态，其他旁路开关呈闭合状态。
5.根据权利要求1-4任一项所述的储能系统的充电均衡装置的充电均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：
采集连接的充电电源规格发送至所述充电控制单元；
采集每个储能单元的状态信息发送至所述充电控制单元；
根据所述充电电源规格和所述状态信息选择M个储能单元；
控制与所述M个储能单元对应的充电执行单元使充电电源对其进行充电。
6.根据权利要求5所述的充电均衡方法，其特征在于，所述充电控制单元根据所述充电电源规格确定M的数值，使得M个储能单元串联连接的电压值小于等于所述充电电源的电压值。
7.根据权利要求6所述的充电均衡方法，其特征在于，根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括：根据每个储能单元的实时电压值Vi，i∈N，对所述N个储能单元的电压从低到高进行排序，选择前M个储能单元，控制其对应的充电执行单元，使充电电源对所述M个储能单元进行放电。
8.根据权利要求7所述的充电均衡方法，其特征在于，根据所述状态信息选择相应的M个储能单元包括：根据每个储能单元的实时电压值Vi，i∈N，对所述N个储能单元的电压从低到高进行排序，选择前round(1.2*M)个储能单元，再将该round(1.2*M)个储能单元的实时温度值从低到高进行排序，选择前M个储能单元，控制其对应的充电执行单元，使充电电源对所述M个储能单元进行充电。
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