CN111740463A - 一种模块化电池均衡系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化电池均衡系统及方法，用于针对电池簇进行电池均衡，所述电池簇由多个电池插箱构成，所述电池插箱由多个电池构成，所述模块化电池均衡系统包括控制模块、被动均衡模块、插箱内均衡模块、插箱间均衡模块；所述控制模块用于控制所述被动均衡模块、所述插箱内均衡模块、所述插箱间均衡模块中的至少一个模块对所述电池簇进行电池均衡；所述被动均衡模块和所述插箱内均衡模块均用于所述电池插箱内的电池均衡；所述插箱间均衡模块用于所述电池插箱间的电池均衡。对比现有技术，本发明可以选择对其中一种或多种情况进行电池均衡，进而能够实现多变需求。

Description

一种模块化电池均衡系统及方法
技术领域
本发明涉及电池领域，特别涉及一种模块化电池均衡系统及方法。
背景技术
锂电池组一般由多节单体电池进行串、并联而组成，由于电池组包含多个单体电池，因此，需要保证单体电池之间的一致性，如果单体电池之间出现差异而又不能够及时进行均衡处理，则这种差异在电池组的日常使用过程中进一步加大，最终会导致整个电池组的容量严重衰减。
电池均衡技术是指在拓扑结构的基础上，采用适当的控制策略减少各电池单体的差异。目前均衡技术主要分为主动均衡和被动均衡。被动均衡将电池中额外的能量通过并联电阻的方式进行消耗，这种方法结构简单，成本低，但是均衡效率较低。主动均衡是近些年的研究热点，主动均衡采用不同的拓扑结构，实现能量在电池之间、电池与电池组、电池组之间进行转移，以达到均衡的目的。主动均衡一般采用变压器均衡，但是存在电路结构复杂、电路中存在大量元器件、变压器绕线复杂、控制要求高、成本高等缺点。
随着商业应用储能以及电网侧储能技术的发展，锂电池储能的规模越来越大，通常由接近上百个电池串联而成。采用现有技术对多个电池进行电池均衡，存在的较大的局限性。当插箱内电池不均衡或插箱间电池不均衡，采用现有技术，每个单体电池对应一个均衡电路，无法选择对其中一种或多种情况进行电池均衡。所以，如何在电池均衡中，实现多变需求，成为研究的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术不能满足在电池均衡中多变的需求的缺陷，提供一种模块化电池均衡系统及方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供一种模块化电池均衡系统，用于针对电池簇进行电池均衡，所述电池簇由多个电池插箱构成，所述电池插箱由多个电池构成，所述模块化电池均衡系统包括控制模块、被动均衡模块、插箱内均衡模块、插箱间均衡模块；
所述控制模块用于控制所述被动均衡模块、所述插箱内均衡模块、所述插箱间均衡模块中的至少一个模块对所述电池簇进行电池均衡；
所述被动均衡模块和所述插箱内均衡模块均用于所述电池插箱内的电池均衡；所述插箱间均衡模块用于所述电池插箱间的电池均衡。
较佳地，所述被动均衡模块包括开关器件；
所述电池插箱内的每个电池分别与一个所述开关器件对应电连接；
所述控制模块用于控制所述开关器件选通所述电池插箱内待均衡的电池所对应的电路，对所述电池插箱内待均衡的电池进行放电，以实现所述电池插箱内的电池均衡。
较佳地，所述被动均衡模块还包括若干电阻；
所述电池插箱内的每个电池正负两端分别通过所述电阻与对应的开关器件电连接。
较佳地，所述插箱内均衡模块包括开关矩阵和第一直流转直流变换器；
所述电池插箱内的每个电池均与所述开关矩阵电连接；所述开关矩阵与所述第一直流转直流变换器电连接；所述第一直流转直流变换器直接与所述插箱电连接；
所述控制模块用于控制所述开关矩阵选通所述电池插箱内待均衡的电池所对应的电路，通过所述第一直流转直流变换器控制所述电池插箱内待均衡的电池向所述电池插箱进行放电或充电，以实现所述电池插箱内的电池均衡。
较佳地，所述开关矩阵包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、若干个第五开关；
所述若干个第五开关具有固定的排列顺序且所述若干个第五开关的第一端用于依次与所述电池插箱内顺序排列的电池的正端或负端电连接；
排列顺序为偶数的所述第五开关的第二端分别与所述第一开关的第一端及所述第二开关的第一端电连接，排列顺序为奇数的所述第五开关的第二端分别与所述第三开关的第一端及所述第四开关的第一端电连接；所述第一开关的第二端与所述第三开关的第二端电连接后再与所述第一直流转直流变换器电连接；所述第三开关的第二端与所述第四开关的第二端电连接后再与所述第一直流转直流变换器电连接；
和/或，
所述第一直流转直流变换器为双向直流转直流变换器或两个方向相反的单向直流转直流变换器组成的直流转直流变换器。
较佳地，所述插箱间均衡模块包括母线和若干第二直流转直流变换器；
每个所述电池插箱通过对应的一个所述第二直流转直流变换器与所述母线电连接；
所述控制模块用于控制所述第二直流转直流变换器将待均衡的电池插箱通过母线向其它所述电池插箱进行放电或充电，以实现所述电池插箱间电池均衡。
较佳地，所述第二直流转直流变换器为双向直流转直流变换器或两个方向相反的单向直流转直流变换器组成的直流转直流变换器。
较佳地，所述电池插箱内待均衡的电池为电池容量高于第一阈值的电池。
较佳地，所述电池插箱内待均衡的电池为电池容量高于第二阈值或低于第三阈值的电池。
较佳地，所述待均衡的电池插箱为所有电池的总容量高于第四阈值或低于第五阈值的电池插箱。
本发明还提供一种模块化电池均衡方法，所述模块化电池均衡方法利用前述的模块化电池均衡系统实现，所述模块化电池均衡方法包括以下步骤：
对所述电池簇进行检测；
若存在所述电池插箱内待均衡的电池，则所述控制模块控制所述被动均衡模块或所述插箱内均衡模块对所述电池簇进行均衡；若存在待均衡的电池插箱，则所述控制模块控制所述插箱间均衡模块对所述电池簇进行均衡。
本发明的积极进步效果在于：
本发明提供一种模块化电池均衡系统及方法，通过采用了模块化的方式对电池进行均衡，模块化电池均衡系统可以从被动均衡模块、插箱内均衡模块、插箱间均衡模块中选择一种或多种模块，进行组合，以实现插箱内电池均衡和/或插箱间电池均衡，对比现有技术，本发明可以选择对其中一种或多种情况进行电池均衡，进而能够实现多变需求。
附图说明
图1为本发明实施例1的模块化电池均衡系统的模块示意图。
图2为本发明实施例1的被动均衡模块的电路结构示意图。
图3为本发明实施例1的被动均衡模块配置示意图。
图4为本发明实施例1的插箱内均衡模块的电路结构示意图。
图5为本发明实施例1的插箱内均衡模块配置示意图。
图6为本发明实施例1的插箱间均衡模块的电路结构示意图。
图7为本发明实施例1的插箱间均衡模块配置示意图。
图8为本发明实施例1的插箱内及插箱间均衡模块配置示意图。
图9为本发明实施例1的插箱内、插箱间均衡模块及被动均衡模块配置示意图。
图10为本发明实施例2模块化电池均衡方法的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
如图1所示，本实施例公开了一种模块化电池均衡系统，用于针对电池簇进行电池均衡，所述电池簇由多个电池插箱构成，所述电池插箱由多个电池构成，所述模块化电池均衡系统包括控制模块1、被动均衡模块2、插箱内均衡模块3、插箱间均衡模块4；
本实施例中，多个电池构成电池组，多个电池组构成一个电池插箱，多个电池插箱构成电池簇。
所述控制模块1用于控制所述被动均衡模块2、所述插箱内均衡模块3、所述插箱间均衡模块4中的至少一个模块对所述电池簇进行电池均衡；
所述被动均衡模块2和所述插箱内均衡模块3均用于所述电池插箱内的电池均衡；所述插箱间均衡模块4用于所述电池插箱间的电池均衡。
本实施例中，采用模块化电池均衡技术，可根据需求对均衡模块进行配置，有效满足实际应用中的需求。
如图2所示，所述被动均衡模块2包括开关器件21和若干电阻22；
所述电池插箱内的每个电池分别与一个所述开关器件21对应电连接；
所述控制模块1用于控制所述开关器件21选通所述电池插箱内待均衡的电池所对应的电路，对所述电池插箱内待均衡的电池进行放电，以实现所述电池插箱内的电池均衡；如图所示，假设插箱内电池B_2容量偏高，控制Control_2打开MOS管，B_2电池通过电阻和MOS管放电至和其他电池容量一致，电池插箱内的电池均衡。
所述电池插箱内的每个电池正负两端分别通过所述电阻22与对应的开关器件21电连接；
所述电池插箱内待均衡的电池为电池容量高于第一阈值的电池。
本实施例中被动均衡模块的内部为控制电路和均衡电阻的组合，通过对内部使能电路的控制，实现插箱内电池的被动均衡。本实施例中，被动均衡模块主要是针对电池容量高的电池进行均衡，例如：插箱内某一节电池容量偏高，控制被动均衡模块在充电时抑制该节电池电压攀升，实现电池的均衡。电池均衡是指电池插箱内的电池容量不高于第一阈值，从而使得电池插箱内的电池电量保持均衡。
图2中B_1至B_n均为电池插箱内的电池，Contol_1至Contol_n均为被动均衡模块中的开关器件，在本实施例中开关器件选用MOS管。
如图3所示，分别是电池插箱1至电池插箱m，其中的1_1至1_n表示电池插箱1内的电池，2_1至2_n表示电池插箱2内的电池，m_1至m_n表示电池插箱m内的电池。每个电池插箱均与一个被动均衡模块电连接。
如图4所示，所述插箱内均衡模块3包括开关矩阵31和第一直流转直流变换器32；
所述电池插箱内的每个电池均与所述开关矩阵31电连接；所述开关矩阵31与所述第一直流转直流变换器32电连接；所述第一直流转直流变换器直接32与所述插箱电连接；
本实施例中，第一直流转直流变换器为双向直流转直流变换器或两个方向相反的单向直流转直流变换器组成的直流转直流变换器。双向直流转直流变换器，能够实现能量双向流动。本实施例中，转换效率极高，电池能量无损失。
所述控制模块1用于控制所述开关矩阵选通所述电池插箱内待均衡的电池所对应的电路，通过所述第一直流转直流变换器控制所述电池插箱内待均衡的电池向所述电池插箱进行放电或充电，以实现所述电池插箱内的电池均衡。如图所示，假设B_2电池容量偏高，控制开关矩阵选通B_2电池，开启DC/DC1(第一直流转直流变换器)，B_2电池向插箱放电，实现电池插箱内的电池均衡。
所述电池插箱内待均衡的电池为电池容量高于第二阈值或低于第三阈值的电池。
本实施例中，插箱内均衡模块主要是针对电池容量偏高或偏低的电池进行均衡，电池均衡是指电池插箱内的电池容量不高于第二阈值且不低于第三阈值，从而使得电池插箱内的电池电量保持均衡。
所述开关矩阵31包括第一开关311、第二开关312、第三开关313、第四开关314、若干个第五开关315；
所述若干个第五开关315具有固定的排列顺序且所述若干个第五开关315的第一端用于依次与所述电池插箱内顺序排列的电池的正端或负端电连接。
本实施例中，将第五开关315按照从1到N的自然数进行依次编号。其中，从图中所示的与B_1电池负极电连接的第五开关开始编号。
本实施例中，排列顺序为偶数的所述第五开关315的第二端分别与所述第一开关311的第一端及所述第二开关312的第一端电连接，排列顺序为奇数的所述第五开关315的第二端分别与所述第三开关313的第一端及所述第四开关314的第一端电连接；所述第一开关311的第二端与所述第三开关313的第二端电连接后再与所述第一直流转直流变换器32电连接；所述第三开关313的第二端与所述第四开关314的第二端电连接后再与所述第一直流转直流变换器32电连接；
本实施例中，插箱内均衡模块的内部为开关矩阵和直流转直流变换器的组合，通过对内部选通器件的控制，可以选通单节选定的电池向整个电池插箱充放电。
本实施例中，开关矩阵内部为电控开关器件的组合，通过对其内部电控器件的控制，可以选通单节选定的电池或者选通多节串联的电池；电控开关器件可以为半导体器件，电磁器件等可控开关。本实施例中通过选通开关的方式，直流转直流变换器只需要一套电路，可大幅降低均衡装置的成本。
图4中B_1至B_n均为电池插箱内的电池，Switch matrix为开关矩阵，DC/DC1为第一直流转直流变换器。
如图5所示，分别是电池插箱1至电池插箱m，其中的1_1至1_n表示电池插箱1内的电池，2_1至2_n表示电池插箱2内的电池，m_1至m_n表示电池插箱m内的电池，Switchmatrix为电池插箱内均衡模块的开关矩阵，DC/DC1为第一直流转转直流变换器。每个电池插箱均与一个插箱内均衡模块电连接。
如图6所示，所述插箱间均衡模块4包括若干第二直流转直流变换器41和母线42；
每个所述电池插箱通过对应的一个所述第二直流转直流变换器41与所述母线42电连接；
本方案中母线为直流电能母线，其呈现形式可以为外部电池、外部开关电源提供的电源、外部电容等储能装置。该直流母线的电压维持在一定的范围。
所述控制模块1用于控制所述第二直流转直流变换器41将待均衡的电池插箱通过母线42向其它所述电池插箱进行放电或充电，以实现所述电池插箱间电池均衡。如图所示，假设插箱2内电池容量偏高，控制插箱2的DC/DC2(第二直流转直流变换器)将插箱向BUS母线放电，同时控制其他插箱的DC/DC2降母线向其他插箱充电，实现插箱间电池均衡。
所述第二直流转直流变换器41为双向直流转直流变换器或两个方向相反的单向直流转直流变换器组成的直流转直流变换器。
所述待均衡的电池插箱为所有电池的总容量高于第四阈值或低于第五阈值的电池插箱。
本实施例中，插箱间均衡模块内部为控制电路和直流转直流变换器的组合，通过对内部使能电路的控制，可以选通本电池插箱向另一个电池插箱充放电。
本实施例中，插箱间均衡模块主要是针对电池容量偏高或偏低的电池进行均衡，电池均衡是指电池插箱的所有电池的总容量第四阈值且低于第五阈值，从而使得电池插箱的所有电池的总电量均衡。
图6中B_1至B_n均为电池插箱内的电池，DC/DC2为第二直流转直流变换器，BUS+为母线正极，BUS-为母线负极。
如图7所示，分别是电池插箱1至电池插箱m，其中的1_1至1_n表示电池插箱1内的电池，2_1至2_n表示电池插箱2内的电池，m_1至m_n表示电池插箱m内的电池，DC/DC2为第二直流转转直流变换器，BUS为母线。每个电池插箱均与一个插箱内均衡模块电连接。电池插箱1至电池插箱m通过插箱内均衡模块均与母线连接。
如图8所示，示出控制模块同时控制插箱内均衡模块及插箱间均衡模块的配置示意图，分别是电池插箱1至电池插箱m，其中的1_1至1_n表示电池插箱1内的电池，2_1至2_n表示电池插箱2内的电池，m_1至m_n表示电池插箱m内的电池，DC/DC1为第一直流转转直流变换器，DC/DC2为第二直流转转直流变换器，Switch matrix为电池插箱内均衡模块的开关矩阵，BUS为母线。每个电池插箱均与一个插箱内均衡模块电连接后再与一个插箱间均衡模块电连接。电池插箱1至电池插箱m通过插箱内均衡模块及插箱间均衡模块均与母线连接。
如图9所示，示出控制模块同时控制插箱内均衡模块、插箱间均衡模块及被动均衡模块的配置示意图，分别是电池插箱1至电池插箱m，其中的1_1至1_n表示电池插箱1内的电池，2_1至2_n表示电池插箱2内的电池，m_1至m_n表示电池插箱m内的电池，DC/DC1为第一直流转转直流变换器，DC/DC2为第二直流转转直流变换器，Switch matrix为电池插箱内均衡模块的开关矩阵，BUS为母线。每个电池插箱均与一个插箱内均衡模块电连接后再与一个插箱间均衡模块电连接。每个电池插箱均与一个被动均衡模块电连接。电池插箱1至电池插箱m通过插箱内均衡模块及插箱间均衡模块均与母线连接。
本实施例公开了一种模块化电池均衡系统，通过采用了模块化的方式对电池进行均衡，控制模块控制所述被动均衡模块、所述插箱内均衡模块、所述插箱间均衡模块中的至少一个模块对所述电池簇进行电池均衡，对比现有技术，本发明能够实现多变需求。
实施例2
如图10所示，本实施例公开了一种模块化电池均衡方法，所述模块化电池均衡方法利用实施例1的模块化电池均衡系统实现，所述模块化电池均衡方法包括以下步骤：
步骤S101、对所述电池簇进行检测；
步骤S102、若存在所述电池插箱内待均衡的电池，则所述控制模块控制所述被动均衡模块或所述插箱内均衡模块对所述电池簇进行均衡；若存在待均衡的电池插箱，则所述控制模块控制所述插箱间均衡模块对所述电池簇进行均衡。
本实施例中，采用模块化电池均衡技术，可根据需求对均衡模块进行配置，有效满足实际应用中的需求。
本实施例公开了一种模块化电池均衡方法，通过采用了模块化的方式对电池进行均衡，控制模块控制所述被动均衡模块、所述插箱内均衡模块、所述插箱间均衡模块中的至少一个模块对所述电池簇进行电池均衡，对比现有技术，本发明能够实现多变需求。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种模块化电池均衡系统，其特征在于，用于针对电池簇进行电池均衡，所述电池簇由多个电池插箱构成，所述电池插箱由多个电池构成，所述模块化电池均衡系统包括控制模块、被动均衡模块、插箱内均衡模块、插箱间均衡模块；
所述控制模块用于控制所述被动均衡模块、所述插箱内均衡模块、所述插箱间均衡模块中的至少一个模块对所述电池簇进行电池均衡；
所述被动均衡模块和所述插箱内均衡模块均用于所述电池插箱内的电池均衡；所述插箱间均衡模块用于所述电池插箱间的电池均衡。
2.如权利要求1所述的模块化电池均衡系统，其特征在于，所述被动均衡模块包括开关器件；
所述电池插箱内的每个电池分别与一个所述开关器件对应电连接；
所述控制模块用于控制所述开关器件选通所述电池插箱内待均衡的电池所对应的电路，对所述电池插箱内待均衡的电池进行放电，以实现所述电池插箱内的电池均衡。
3.如权利要求1所述的模块化电池均衡系统，其特征在于，所述被动均衡模块还包括若干电阻；
所述电池插箱内的每个电池正负两端分别通过所述电阻与对应的开关器件电连接。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的模块化电池均衡系统，其特征在于，所述插箱内均衡模块包括开关矩阵和第一直流转直流变换器；
所述电池插箱内的每个电池均与所述开关矩阵电连接；所述开关矩阵与所述第一直流转直流变换器电连接；所述第一直流转直流变换器直接与所述插箱电连接；
所述控制模块用于控制所述开关矩阵选通所述电池插箱内待均衡的电池所对应的电路，通过所述第一直流转直流变换器控制所述电池插箱内待均衡的电池向所述电池插箱进行放电或充电，以实现所述电池插箱内的电池均衡。
5.如权利要求4所述的模块化电池均衡系统，其特征在于，所述开关矩阵包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、若干个第五开关；
所述若干个第五开关具有固定的排列顺序且所述若干个第五开关的第一端用于依次与所述电池插箱内顺序排列的电池的正端或负端电连接；
排列顺序为偶数的所述第五开关的第二端分别与所述第一开关的第一端及所述第二开关的第一端电连接，排列顺序为奇数的所述第五开关的第二端分别与所述第三开关的第一端及所述第四开关的第一端电连接；所述第一开关的第二端与所述第三开关的第二端电连接后再与所述第一直流转直流变换器电连接；所述第三开关的第二端与所述第四开关的第二端电连接后再与所述第一直流转直流变换器电连接；
和/或，
所述第一直流转直流变换器为双向直流转直流变换器或两个方向相反的单向直流转直流变换器组成的直流转直流变换器。
6.如权利要求1-3任意一项所述的模块化电池均衡系统，其特征在于，所述插箱间均衡模块包括母线和若干第二直流转直流变换器；
每个所述电池插箱通过对应的一个所述第二直流转直流变换器与所述母线电连接；
所述控制模块用于控制所述第二直流转直流变换器将待均衡的电池插箱通过母线向其它所述电池插箱进行放电或充电，以实现所述电池插箱间电池均衡。
7.如权利要求6所述的模块化电池均衡系统，其特征在于，所述第二直流转直流变换器为双向直流转直流变换器或两个方向相反的单向直流转直流变换器组成的直流转直流变换器。
8.如权利要求2所述的模块化电池均衡系统，其特征在于，所述电池插箱内待均衡的电池为电池容量高于第一阈值的电池。
9.如权利要求4所述的模块化电池均衡系统，其特征在于，所述电池插箱内待均衡的电池为电池容量高于第二阈值或低于第三阈值的电池。
10.如权利要求6所述的模块化电池均衡系统，其特征在于，所述待均衡的电池插箱为所有电池的总容量高于第四阈值或低于第五阈值的电池插箱。
11.一种模块化电池均衡方法，其特征在于，所述模块化电池均衡方法利用如权利要求1-10中任意一项所述的模块化电池均衡系统实现，所述模块化电池均衡方法包括以下步骤：
对所述电池簇进行检测；
若存在所述电池插箱内待均衡的电池，则所述控制模块控制所述被动均衡模块或所述插箱内均衡模块对所述电池簇进行均衡；若存在待均衡的电池插箱，则所述控制模块控制所述插箱间均衡模块对所述电池簇进行均衡。
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