CN113049978A - 一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统及方法，包括串联模组单元和负载电源或其他电力电子装置；M个串联模组单元依次串联，其中M≥1；当大于等于两个串联模组单元时，其中第n个串联模组单元的Vin端与第n+1个串联模组单元的Vout端连接，其中(M‑1)≥n≥1；在第一个串联模组单元的Vout端和第M个串联模组单元的Vin端接入负载、电源或其他电力电子装置。本发明将工作过程中的串联电源系统自身的工作电流或电压作为扰动对象，同时也作为扰动源，通过扰动装置的动作使串联模组单元的工作电流或电压发生对应于扰动信号的改变，通过实时电压电流采样检测被测对象对该扰动的响应。

Description

一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统及方法

技术领域

本发明属于电源系统的在线扰动检测技术领域，特别涉及一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统及方法。

背景技术

随着传统能源、交通等行业对环境造成的压力逐年增加，国家和社会对新能源电力、新能源交通等的需求愈发强烈。各类政策的出台也促进了新能源产业的高速发展。

在新能源电力和交通产业中，大量的清洁能源电源被采用来提供电力供应。例如光伏发电系统中，采用光伏组件作为发电电源；电动汽车中，采用锂离子电池作为汽车动力电源；作为终极清洁能源的氢燃料电池发动机也是采用燃料电池作为车辆的动力电源；在新能源配套的储能产品中更是大量使用各类电化学电池、超级电容或其他电力电子电源作为基本电源使用。

而这些电源由于单体电压较低或电流较小，往往需要串并联使用，形成串联的电源系统。同时，由于单体电源的不一致性，容易造成串联系统的失效，如锂离子电池由于单体不一致性，个别电池使用过程中容易老化，如不能及时加以识别，将很容易造成系统效率下降；严重情况下甚至会造成系统故障，乃至于系统损毁。氢燃料电堆中的个别电池输出特性不一致，或催化剂中毒等原因，在串联使用时很容易造成电池堆系统性能下降，乃至系统失效。光伏组串由于其中个别组件影裂、电势诱导衰减等原因造成组串发电量下降等。因此如何检测串联电源系统中每个电源的本质特性，如锂电池，燃料电池的电化学特性，光伏组件的内部等效特性等，成为避免此类问题的先决条件。

而目前能进行电源本质特性检测需要采用专用设备，进行离线检测。此类专用设备主要通过向单体电源注入不同频率的微量扰动，检测其对微量扰动的响应进行采样实现检测，因此对采样系统的精度往往要求非常高。由于频率范围往往较宽，因此生成宽频率范围微量信号设备成本巨大且能够检测的通道数量有限，需要花费大量的时间。同时由于无法在线检测，不能实时的发现电源单体存在的问题，存在巨大的漏检风险。由于需要离线检测，会造成串联电源系统无法正常工作，会造成收益损失，特别是在新能源汽车等领域内是不被允许的，或需要做重复的资源投入以确保系统的不中断供电，系统成本将成倍增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统及方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统，包括串联模组单元和负载电源或其他电力电子装置；M个串联模组单元依次串联，其中M≥1；当大于等于两个串联模组单元时，其中第n个串联模组单元的Vin端与第n+1个串联模组单元的Vout端连接，其中(M-1)≥n≥1；在第一个串联模组单元的Vout端和第M个串联模组单元的Vin端接入负载、电源或其他电力电子装置。

进一步的，串联模组单元包括I类串联模组单元和II类串联模组单元；

II类串联模组单元包括基本单元和扰动装置；J个基本单元，其中J≥1；当大于等于2个基本单元时，其中第i个基本单元的Sig-端与第i+1个基本单元的Sig+端连接，其中(J-1)≥i≥1；第一个基本单元的Sig+端与扰动装置的V+端连接，最后一个基本单元的Sig-端与扰动装置的V-端连接，构成II类串联模组单元；

I类串联模组单元包括基本单元、扰动装置和实时电流采样模块；J个基本单元，其中J≥1；当大于等于2个基本单元时，其中第i个基本单元的Sig-端与第i+1个基本单元的Sig+端连接，其中(J-1)≥i≥1；第一个基本单元的Sig+端与扰动装置的V+端连接，最后一个基本单元的Sig-端与扰动装置的V-端连接，采用一个实时电流采样模块并串联于最后一个基本单元之后，构成I类串联模组单元。

进一步的，II类串联模组单元两端分别标记为Vin和Vout，另有信号输入端口，输入扰动信号，J个信号输出端口，输出内部各基本单元的实时电压信号；I类串联模组单元有实时电流信号输出端口。

进一步的，扰动装置包括第一扰动装置、第二扰动装置、第三扰动装置和第四扰动装置；第一扰动装置包括可控的开关K1和二极管D，二极管D阳极连接V-端，阴极连接Vout端，旁路信号与K1控制端连接，K1设置在端口V+和二极管D的阴极之间；第二扰动装置包括可控的开关K2和K3，旁路信号连接K2的控制端，旁路信号经反向后连接K3的控制端，K2设置在Vout端和V+端之间，K3设置于Vout端和V-端；第三扰动装置包括可控的开关K4，旁路信号连接开关K4的控制端，K4设置在Vout端和V+端之间；第四扰动装置包括单刀双掷开关K5，旁路信号连接K5的控制端，单刀双掷开关K5的动端连接Vout端，两不动端分别连接V+端和V-端。

进一步的，K1、K2、K3、K4是指具有可控的单向或双向开关能力的器件，具体包括三极管、达林顿管、IGBT、MOSFET、继电器或干簧管。

进一步的，当扰动信号控制K1连接V+端，或控制K2连接V+端，同时K3与V-端断开，或K4连接V+端，或K5切换到V+端时，电流流过基本单元；当扰动信号控制K4与V+端断开时，电流不再流过基本单元；当扰动信号控制K1与V+端断开，或者控制V2与V+端断开，同时K3与V-端连接，或者K5切换到V-端时，电流不在流过基本单元，但通过旁路流通。

进一步的，基本单元包括被测单元与实时电压采集模块，被测单元两端并联实时电压采样模块，被测单元的一端与实时电压采样的V+端连接，连接后的端定义为Sig+端；被测单元另一端与实时电压采样的V-端连接，连接后的端定义为Sig-端；实时电压采样模块实现被测单元两端电压的实时采集和必要的信号处理，并输出被测单元的实时电压信号。

进一步的，被测单元为单个电源或多个电源串并联后的等效电源；等效电源为单个电源或多个电源的并联等效电源。

进一步的，一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统的检测方法，包括：

在串联电源系统正常运行时，通过向该系统中的一个或多个串联模组单元发出扰动信号，使通过被扰动串联模组单元的实时电流发生相应的改变，即被旁路或断路，同时实时采样扰动信号期间各个被测单元的实时电压和电流，用于进一步计算得出被测单元在该扰动信号下的响应。

进一步的，扰动信号是可变频率的周期性开关信号；采用冗余串联模块单元的模式，即串联电源系统中额外接入一个或多个串联模组单元，或在原系统中选取一个或多个串联模组单元，使其在系统正常运行时，此类串联模组单元被旁路，当需要进行信号扰动时，通过扰动系统将冗余串联模组单元接入串联电源系统中；被测串联模块单元切入系统与冗余串联模块单元切出系统同时发生，被测串联模块单元切出系统与冗余串联模块单元切入系统同时发生；选取与被测串联单元特性相近的冗余串联单元进行切换；选取与被测串联单元特性相近的冗余串联单元进行同步切换。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明将工作过程中的串联电源系统自身的工作电流或电压作为扰动对象，同时也作为扰动源，通过扰动装置的动作使串联模组单元的工作电流或电压发生对应于扰动信号的改变，通过实时电压电流采样检测被测对象对该扰动的响应。其具有以下优点：

第一：通过将被测单元切出系统同时实现工作电流旁路的方式实现对被测对象的信号扰动，串联电源系统其余部分能够正常工作，因此本发明的系统能够对被测单元进行实时在线检测；

第二：进一步的，通过冗余串联模组单元的工作模式，实现对系统影响的最小化，能够不改变原有串联电源系统外特性继续正常运行；

第三：不同于采用专用设备，需要离线操作且测试通道有限，本发明在线检测切没有通道数量限制，提高了检测效率，节省了检测耗时；

第四：对本身就有采样系统的电源来说，例如锂离子电池串联而成的电源本身有BMS系统，燃料电池堆的每个电池本身有电流和电压采样装置，本发明能够利用已有装置进一步降低系统成本；

第五：扰动输入是利用为串联的电源系统自身的工作电流或电压，无需额外的能量注入。降低了测试能源成本和额外的能源设备开销；

第六：不同于其他离线扰动方式采用小信号作为扰动源，本发明采用串联电源系统的工作电流或电压作为扰动信号，信号量级提升，减少了对采样系统的采样精度要求，同时能够进一步降低采样系统成本；

第七：扰动信号频率仅仅收到扰动装置中开关器件自身的特性限制，扰动频率范围较宽；

第八：不同于专用设备，价格昂贵，本发明系统实现成本低；

第九：通过扰动装置的旁路或断路功能，本发明能够对原有串联电源系统提供额外的保护功能。对故障被测单元可通过使其切出系统，从而保证其他正常被测单元继续工作。

附图说明

图1为被测单元并联实时电压采样结构。

图2为基本单元。

图3为多个基本单元串联结构。

图4为II类串联模组单元。

图5为多个基本单元和实时电流采样串联结构。

图6为I类串联模组单元。

图7为扰动装置。

图8为电流流过基本单元示意图。

图9为电流通过扰动装置旁路示意图。

图10为扰动装置具体实施例。

图11为采用I类串联模组单元构成的串联电源应用系统。

图12为采用II类串联模组单元构成的串联电源应用系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

本发明提供一种利用串联的电源自身的工作电流或电压进行实时在线的信号扰动，并检测该扰动下系统的电流和电压响应的装置。该电源是指在特定条件下能够提供或吸收电能的器件、设备或装置，包括但不限于各种锂电池、铅酸电池、燃料电池、光伏组件、超级电容及电力电子电源。

本发明通过以下技术方案实现：

被测单元两端并联实时电压采样模块，如图1所示。被测单元的一端与实时电压采样的V+端连接，连接后的端定义为Sig+端。被测单元另一端与实时电压采样的V-端连接，连接后的端定义为Sig-端。其中被测单元为单个电源或多个电源串并联后的等效电源。实时电压采样模块实现被测单元两端电压的实时采集和必要的信号处理，并输出被测单元的实时电压信号。定义被测单元与实时电压采集的组合为基本单元，其两端分别标记为Sig+和Sig-，另有信号端口用于电压信号输出，如图2所示。

J个基本单元，依次定义为基本单元1，基本单元2，……基本单元J，其中J≥1。当大于等于2个基本单元时，其中第i个基本单元的Sig-端与第i+1个基本单元的Sig+端连接，其中(J-1)≥i≥1。之后基本单元1的Sig+端与扰动装置的V+端连接，基本单元J的Sig-端与扰动装置的V-端连接，如图3所示，构成II类串联模组单元，II类串联模组单元两端分别标记为Vin和Vout，另有信号输入端口，输入扰动信号，J个信号输出端口，输出内部各基本单元的实时电压信号，如图4所示。进一步可在J个基本单元的串联支路的任意位置中串联接入任意个实时电流采样模块。实时电流采样模块包含电流传感器及必要的信号处理部分，负责采集流过串联的J个基本单元的实时电流，由于串联系统电流处处相等，因此，实时电流采集模块放置任意数量于串联支路的任意位置，所得到的一个或多个电流信号均相等。图5以采用一个实时电流模块并串联于基本单元J之后为例，构成I类串联模组单元，相对于II类串联模组单元，I类串联模组单元多了一个实时电流信号输出端口，如图6所示。

I类和II类串联模组单元中的扰动装置，如图7所示，用于根据输入的扰动信号控制开关器件实现单向或双向导通和关断功能，从而控制电流流过和不流过基本单元。在此基础上可增加旁路功能，从而控制电流不流过被测单元时可以通过其他通路继续流通。扰动装置在具体实施时可使用包括但不限于图8中的四种方式，其中D为二极管，K5为单刀双掷开关，K1、K2、K3、K4是指具有可控的单向或双向开关能力的器件，具体实现可采用包括但不限于三极管、达林顿管、IGBT、MOSFET、继电器、干簧管以及他们的组合。当扰动信号控制K1连接V+端，或控制K2连接V+端，同时K3与V-端断开，或K4连接V+端，或K5切换到V+端时，电流流过基本单元，如图9中以I类串联模组单元为例所示；当扰动信号控制K4与V+端断开时，电流不再流过基本单元；当扰动信号控制K1与V+端断开，或者控制V2与V+端断开，同时K3与V-端连接，或者K5切换到V-端时，电流不在流过基本单元，但通过旁路流通，如图10以I类串联模组单元为例所示。

M个I类串联模组单元或II类串联模组单元或两类的混合串联模组单元，依次编号为串联模组单元1，串联模组单元2，……串联模组单元M，其中M≥1；当大于等于2各串联模组单元时，其中第n个串联模组单元的Vin端与第n+1个串联模组单元的Vout端连接，其中(M-1)≥n≥1。在串联模组单元1的Vout端和串联模组单元M的Vin端接入负载、电源或其他电力电子装置，即构成了具有实时在线的信号扰动能力，并通过检测被测单元实时电压电流信号分析扰动响应的串联电源应用系统。如图11所示为采用I类串联模组单元为例构成的串联电源应用系统。进一步的当采用II类串联模组单元时，可在M个串联模组单元支路的任意位置中串联接入任意个实时电流采样模块。实时电流采样模块包含电流传感器及必要的信号处理部分，负责采集流过串联的M个串联模组单元的实时电流，由于串联系统电流处处相等，因此，实时电流采集模块放置任意数量于串联支路的任意位置，所得到的一个或多个电流信号均相等。图12以采用一个电流采样模块串联与II类串联模组单元1的Vout端为例来说明此具体实施例。

在串联电源系统正常运行时，通过向该系统中的一个或多个串联模组单元发出扰动信号，从而使通过被扰动串联模组单元的实时电流发生相应的改变，即被旁路或断路，同时实时采样扰动信号期间各个被测单元的实时电压和电流,即可用于进一步计算得出被测单元在该扰动信号下的响应。一般的，扰动信号是可变频率的周期性开关信号。扰动频率范围仅受扰动装置中实际采用的开关器件自身特性限制。

进一步的，为减少扰动对开关器件的冲击，采用冗余串联模块单元的模式，即串联电源系统中额外接入一个或多个串联模组单元，或在原系统中选取一个或多个串联模组单元，使其在系统正常运行时，此类串联模组单元被旁路。当需要进行信号扰动时，通过扰动系统将冗余串联模组单元接入串联电源系统中，从而减少对系统正常运行的影响。

进一步的，冗余串联模块单元与被测串联模块单元实现同步切换，即被测串联模块单元的扰动信号与冗余串联模块单元的扰动信号同步且反向，即被测串联模块单元切入系统与冗余串联模块单元切出系统同时发生，被测串联模块单元切出系统与冗余串联模块单元切入系统同时发生，可进一步减少扰动对开关器件的冲击。

进一步的，为减少扰动对开关器件的冲击，会选取与被测串联单元特性相近的冗余串联单元进行切换。此处的特性包括但不限于：电压接近，输出电流接近。

更进一步的，为减少扰动对开关器件的冲击，会选取与被测串联单元特性相近的冗余串联单元进行同步切换。

Claims (10)

1.一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统，其特征在于，包括串联模组单元和负载、电源或其他电力电子装置；M个串联模组单元依次串联，其中M≥1；当大于等于两个串联模组单元时，其中第n个串联模组单元的Vin端与第n+1个串联模组单元的Vout端连接，其中(M-1)≥n≥1；第一个串联模组单元的Vout端和第M个串联模组单元的Vin端接入负载、电源或其他电力电子装置。

2.根据权利要求1所述的一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统，其特征在于，串联模组单元包括I类串联模组单元和II类串联模组单元；

II类串联模组单元包括基本单元和扰动装置；J个基本单元，其中J≥1；当大于等于2个基本单元时，其中第i个基本单元的Sig-端与第i+1个基本单元的Sig+端连接，其中(J-1)≥i≥1；第一个基本单元的Sig+端与扰动装置的V+端连接，最后一个基本单元的Sig-端与扰动装置的V-端连接，构成II类串联模组单元；

I类串联模组单元包括基本单元、扰动装置和实时电流采样模块；J个基本单元，其中J≥1；当大于等于2个基本单元时，其中第i个基本单元的Sig-端与第i+1个基本单元的Sig+端连接，其中(J-1)≥i≥1；第一个基本单元的Sig+端与扰动装置的V+端连接，最后一个基本单元的Sig-端与扰动装置的V-端连接，采用一个或多个实时电流采样模块，串联于基本单元支路的任意位置，构成I类串联模组单元。

3.根据权利要求2所述的一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统，其特征在于，II类串联模组单元两端分别标记为Vin和Vout，另有信号输入端口，输入扰动信号，J个信号输出端口，输出内部各基本单元的实时电压信号；I类串联模组单元在II类串联模组单元的基础上有一路或多路实时电流信号输出端口。

4.根据权利要求2所述的一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统，其特征在于，扰动装置包括第一扰动装置、第二扰动装置、第三扰动装置和第四扰动装置；第一扰动装置包括可控的开关K1和二极管D，二极管D阳极连接V-端，阴极连接Vout端，扰动信号与K1控制端连接，K1设置在端口V+和二极管D的阴极之间；第二扰动装置包括可控的开关K2和K3，扰动信号连接K2的控制端，扰动信号经反向后连接K3的控制端，K2设置在Vout端和V+端之间，K3设置于Vout端和V-端；第三扰动装置包括可控的开关K4，扰动信号连接开关K4的控制端，K4设置在Vout端和V+端之间；第四扰动装置包括单刀双掷开关K5，扰动信号连接K5的控制端，单刀双掷开关K5的动端连接Vout端，两不动端分别连接V+端和V-端。

5.根据权利要求4所述的一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统，其特征在于，K1、K2、K3、K4是指具有可控的单向或双向开关能力的器件，具体包括三极管、达林顿管、IGBT、MOSFET、继电器或干簧管。

6.根据权利要求4所述的一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统，其特征在于，当扰动信号控制K1连接V+端，或控制K2连接V+端，同时K3与V-端断开，或K4连接V+端，或K5切换到V+端时，电流流过基本单元；当扰动信号控制K4与V+端断开时，电流不再流过基本单元；当扰动信号控制K1与V+端断开，或者控制V2与V+端断开，同时K3与V-端连接，或者K5切换到V-端时，电流不在流过基本单元，但通过旁路流通。

7.根据权利要求2所述的一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统，其特征在于，基本单元包括被测单元与实时电压采集模块，被测单元两端并联实时电压采样模块，被测单元的一端与实时电压采样的V+端连接，连接后的端定义为Sig+端；被测单元另一端与实时电压采样的V-端连接，连接后的端定义为Sig-端；实时电压采样模块实现被测单元两端电压的实时采集和必要的信号处理，并输出被测单元的实时电压信号。

8.根据权利要求7所述的一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统，其特征在于，被测单元为单个电源或多个电源串并联后的等效电源；等效电源为单个电源或多个电源的并联等效电源。

9.一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统的检测方法，其特征在于，基于权利要求1至8任意一项所述的一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统，包括：

在串联电源系统正常运行时，通过向该系统中的一个或多个串联模组单元发出扰动信号，使通过被扰动串联模组单元的实时电流发生相应的改变，即被旁路或断路，同时实时采样扰动信号期间各个被测单元的实时电压和电流，用于进一步计算得出被测单元在该扰动信号下的响应。

10.根据权利要求9所述的一种串联电源系统的在线扰动发生检测系统的检测方法，其特征在于，扰动信号是可变频率的周期性开关信号；采用冗余串联模块单元的模式，即串联电源系统中额外接入一个或多个串联模组单元，或在原系统中选取一个或多个串联模组单元，使其在系统正常运行时，此类串联模组单元被旁路，当需要进行信号扰动时，通过扰动系统将冗余串联模组单元接入串联电源系统中；被测串联模块单元切入系统与冗余串联模块单元切出系统同时发生，被测串联模块单元切出系统与冗余串联模块单元切入系统同时发生；选取与被测串联单元特性相近的冗余串联单元进行切换；选取与被测串联单元特性相近的冗余串联单元进行同步切换。

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