CN113131011A - 电池系统的能量均衡装置以及能量均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池系统的能量均衡装置以及能量均衡方法，所述电池系统包括多个电池插箱，每个所述电池插箱均对应连接一个所述能量均衡装置，所述能量均衡装置包括第一DC/DC变换器；所述第一DC/DC变换器的一侧接口连接电池插箱组端，所述第一DC/DC变换器的另一侧接口连接母线；当任意两个所述电池插箱组端的电压差值超过第一预设阈值时，两个所述电池插箱组端通过所述第一DC/DC变换器以及所述母线进行第一能量交换。本发明技术方案通过电池插箱、DC/DC变换器以及母线之间的相互配合，使得电池插箱之间的能量可以灵活流动，进而实现电池插箱间的能量均衡。

Description

电池系统的能量均衡装置以及能量均衡方法
技术领域
本发明涉及电池能量均衡控制领域，具体涉及一种电池系统的能量均衡装置以及能量均衡方法。
背景技术
伴随着经济全球化进程的不断加快和能源需求的日益高涨，寻找新的储能装置已经成为新能源相关领域关注的热点。研究表明，锂离子电池(LIB)是目前综合性能表现最好的电池体系，具有高比能量、高循环寿命、体积小、质量轻、无记忆效应、无污染等独有优势，现阶段已迅速发展成为新一代储能电源，广泛应用于信息技术、电动汽车、航空航天、储能等领域。
虽然锂离子电池市场前景广阔，发展潜力巨大。但在实际应用时，同一个电池插箱内的单体锂电池之间的容量存在差异，直接导致电池插箱可存储的能量存在差异，大容量锂电池的容量差异更加明显。究其原因，其中一方面是由于电池生产制造工艺不完善，导致同一批次电池容量有一定的离散性；另一方面是由于各个单体电池初始电量存在差异。随着时间的推移，电池在实际应用过程还会因其内阻差异、自放电率差异等原因，导致单体电池容量的不一致性越来越大。多个单体电池先并联后串联组成电池插箱，再由多个电池插箱串联成为电池簇,单个电池簇或多个电池簇并联成为了电池系统。由于单体电池的不一致性，最终会影响整个电池系统的整体充放电能力及循环寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中因电池容量不一致而影响电池系统的整体充放电能力及循环寿命的技术问题，提供一种电池系统的能量均衡装置以及能量均衡方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供一种电池系统的能量均衡装置，所述电池系统包括多个电池插箱，每个所述电池插箱均对应连接一个所述能量均衡装置，所述能量均衡装置包括第一DC/DC(直流/直流)变换器；
所述第一DC/DC变换器的一侧接口连接电池插箱组端，所述第一DC/DC变换器的另一侧接口连接母线；
当任意两个所述电池插箱组端的电压差值超过第一预设阈值时，两个所述电池插箱组端通过所述第一DC/DC变换器以及所述母线进行第一能量交换，所述第一能量交换的方向为高电压的电池插箱组端流向低电压的电池插箱组端。
较佳地，所述电池插箱包括多个单体电池，所述能量均衡装置还包括第二DC/DC变换器以及开关模块；
每个所述单体电池的正极和负极均连接所述开关模块的一侧接口，所述开关模块的另一侧接口连接所述第二DC/DC变换器的一侧接口，所述第二DC/DC变换器的另一侧接口连接所述电池插箱组端；
当同一个所述电池插箱内的任意两个所述单体电池的电压差值超过第二预设阈值时，两个所述单体电池通过所述开关模块以及所述第二DC/DC变换器进行第二能量交换，所述第二能量交换的方向为高电压的单体电池流向低电压的单体电池。
较佳地，所述第二DC/DC变换器的另一侧接口还连接所述第一DC/DC变换器的一侧接口；
当任意两个分别位于不同插箱内的所述单体电池的电压差值超过第三预设阈值时，两个所述单体电池通过所述开关模块、所述第二DC/DC变换器、所述第一DC/DC变换器以及所述母线进行第三能量交换，所述第三能量交换的方向为高电压的单体电池流向低电压的单体电池。
较佳地，所述能量均衡装置还包括监测保护模块，所述监测保护模块用于检测所述电池插箱组端的第一电信号，并根据所述第一电信号确定所述电池插箱或所述能量均衡装置是否存在故障；
和/或，
所述监测保护模块还用于检测所述母线的第二电信号，并根据所述第二电信号确定所述母线或所述能量均衡装置是否存在故障。
较佳地，所述第一DC/DC变换器为单独的双向DC/DC变换器或两个传输方向不同的DC/DC变换器的组合。
较佳地，所述第二DC/DC变换器为单独的双向DC/DC变换器或两个传输方向不同的DC/DC变换器的组合。
本发明还提供一种电池系统的能量均衡方法，所述能量均衡方法基于前述的能量均衡装置实现；
所述均衡方法包括：
检测每个所述电池插箱组端的第一电压；
计算任意两个所述电池插箱组端的电压差值；
判断两个所述电池插箱组端的电压差值是否超过所述第一预设阈值；
若是，则控制所述第一DC/DC变换器，以使得两个所述电池插箱组端通过所述第一DC/DC变换器以及所述母线进行第一能量交换，所述第一能量交换的方向为高电压的电池插箱组端流向低电压的电池插箱组端。
较佳地，若两个所述电池插箱组端的电压差值不超过所述第一预设阈值，则所述均衡方法还包括：
检测每个所述单体电池的第二电压；
计算任意两个所述单体电池的电压差值；
判断同一个所述电池插箱内的两个所述单体电池的电压差值是否超过所述第二预设阈值；
若是，则控制所述开关模块以及所述第二DC/DC变换器，以使得两个所述单体电池通过所述开关模块以及所述第二DC/DC变换器进行第二能量交换，所述第二能量交换的方向为高电压的单体电池流向低电压的单体电池。
较佳地，若同一个所述电池插箱内的两个所述单体电池的电压差值不超过所述第二预设阈值，则所述能量均衡方法还包括：
判断任意两个分别位于不同所述电池插箱内的所述单体电池的电压差值是否超过所述第三预设阈值；
若是，则控制所述开关模块、所述第二DC/DC变换器以及所述第一DC/DC变换器，以使得两个所述单体电池通过所述开关模块、所述第二DC/DC变换器、所述第一DC/DC变换器以及所述母线进行第三能量交换，所述第三能量交换的方向为高电压的单体电池流向低电压的单体电池。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的电池系统的能量均衡装置以及能量均衡方法通过设置第一DC/DC变换器，所述第一DC/DC变换器的一侧接口连接电池插箱组端，所述第一DC/DC变换器的另一侧接口连接母线，当任意两个电池插箱组端的电压差值超过第一预设阈值时，两个所述电池插箱组端通过所述第一DC/DC变换器以及所述母线进行第一能量交换，由此，通过电池插箱、DC/DC变换器以及母线之间的相互配合，使得电池插箱之间的能量可以灵活的由高电压的电池插箱组端流向低电压的电池插箱组端，进而实现电池插箱间的能量均衡。
附图说明
图1为本发明实施例1的电池系统的能量均衡装置的结构示意图。
图2为本发明实施例1的电池系统的能量均衡方法的流程图。
图3为本发明实施例2的电池系统的能量均衡装置的结构示意图。
图4为本发明实施例2的电池系统的能量均衡方法的流程图。
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
本实施例提供一种电池系统的能量均衡装置2，如图1所述，所述电池系统可以是电池簇，其可以包括多个电池插箱1，每个所述电池插箱1均可以对应连接一个所述能量均衡装置2，所述能量均衡装置2可以包括第一DC/DC变换器21；所述第一DC/DC变换器21的一侧接口连接电池插箱组端，所述第一DC/DC变换器21的另一侧接口连接母线3。所述母线3可以为直流母线。当任意两个所述电池插箱组端的电压差值超过第一预设阈值时，两个所述电池插箱组端可以通过所述第一DC/DC变换器21以及所述母线3进行第一能量交换，所述第一能量交换的方向为高电压的电池插箱组端流向低电压的电池插箱组端。
所述电池插箱组端为由单体电池构成的电池组的对外正极Stack+以及对外负极Stack-。
优选地，所述第一DC/DC变换器21可以为单独的双向DC/DC变换器或两个传输方向不同的DC/DC变换器的组合。
本实施例中，多个电池插箱1通过母线3进行能量均衡的过程可以通过BMS(电池管理系统)进行控制。
具体地，如图2所示，所述能量均衡装置2可以实现如下的能量均衡方法：
步骤S1：检测每个所述电池插箱组端的第一电压。
每个所述电池插箱组端的第一电压可以分别代表(或相应计算为)每个所述电池插箱1当前的剩余容量。
步骤S2：计算任意两个所述电池插箱组端的电压差值；
步骤S3：判断两个所述电池插箱组端的电压差值是否超过所述第一预设阈值；
若步骤S3的判断结果为是，则执行步骤S4：控制所述第一DC/DC变换器21，以使得两个所述电池插箱组端通过所述第一DC/DC变换器21以及所述母线3进行第一能量交换，所述第一能量交换的方向为高电压的电池插箱组端流向低电压的电池插箱组端。在步骤S4的能量均衡过程执行完毕后可以转而执行步骤S1。
若步骤S3的判断结果为否，则转而执行步骤S1，以实现对电池簇中多个电池插箱1的持续监控，若一旦达到能量均衡的条件则在电池插箱1之间进行能量均衡。
可以理解的是，本领域技术人员可以根据具体的应用场合而适应性的设置第一预设阈值，本发明实施例对其具体数值不作限制。
本实施例提供的电池系统的能量均衡装置2可以通过电池插箱1、第一DC/DC变换器21以及母线3之间的相互配合，使得电池插箱1之间的能量可以灵活流动，进而实现电池插箱1间的能量均衡。
实施例2
本实施例提供一种电池系统的能量均衡装置2，如图3所述，所述能量均衡装置2是在实施例1基础上的进一步改进。
具体地，所述电池插箱1可以包括多个单体电池，所述能量均衡装置2还包括第二DC/DC变换器22以及开关模块23；每个所述单体电池的正极和负极均连接所述开关模块23的一侧接口，所述开关模块23的另一侧接口连接所述第二DC/DC变换器22的一侧接口，所述第二DC/DC变换器22的另一侧接口连接所述电池插箱组端。
当同一个所述电池插箱1内的任意两个所述单体电池的电压差值超过第二预设阈值时，两个所述单体电池通过所述开关模块23以及所述第二DC/DC变换器22进行第二能量交换，所述第二能量交换的方向为高电压的单体电池流向低电压的单体电池。
进一步地，所述第二DC/DC变换器22的另一侧接口还可以连接所述第一DC/DC变换器21的一侧接口。
当任意两个分别位于不同所述电池插箱1内的所述单体电池的电压差值超过第三预设阈值时，两个所述单体电池通过所述开关模块23、所述第二DC/DC变换器22、所述第一DC/DC变换器21以及所述母线3进行第三能量交换，所述第三能量交换的方向为高电压的单体电池流向低电压的单体电池。
优选地，所述第二DC/DC变换器22可以为单独的双向DC/DC变换器或两个传输方向不同的DC/DC变换器的组合。
如图4所示，本实施例中的能量均衡装置2除了可以实现实施例1中的能量均衡方法之外，还可以在步骤S3的判断结果为否后继续执行如下步骤：
步骤S5：检测每个所述单体电池的第二电压。所述第二电压可以代表(或相应计算为)单体电池当前的剩余容量。
在执行步骤S5时，可以同时检测整个电池系统中全部单体电池各自的第二电压，并不区分每个所述单体电池具体位于哪个电池插箱1。
步骤S6：计算任意两个所述单体电池的电压差值；
步骤S7：判断同一个所述电池插箱1内的两个所述单体电池的电压差值是否超过所述第二预设阈值；
若步骤S7的判断结果为是，则执行步骤S8：控制所述开关模块23以及所述第二DC/DC变换器22，以使得两个所述单体电池通过所述开关模块23以及第二DC/DC变换器22进行第二能量交换，所述第二能量交换的方向为高电压的单体电池流向低电压的单体电池。在步骤S8的能量均衡过程结束后转而执行步骤S1。
若步骤S7的判断结果为否，则执行步骤S9：判断任意两个分别位于不同所述电池插箱1内的所述单体电池的电压差值是否超过所述第三预设阈值；
若步骤S9的判断结果为是，则执行步骤S10：控制所述开关模块23、所述第二DC/DC变换器22以及所述第一DC/DC变换器21，以使得两个所述单体电池通过所述开关模块23、所述第二DC/DC变换器22、所述第一DC/DC变换器21以及所述母线3进行第三能量交换，所述第三能量交换的方向为高电压的单体电池流向低电压的单体电池。在步骤S10的能量均衡过程结束后转而执行步骤S1。
若步骤S9的判断结果为否，则转而执行步骤S1，以实现对电池簇中多个电池插箱1及单体电池的持续监控。
优选地，不同单体电池之间的能量均衡过程也可以通过BMS(电池管理系统)进行控制。
可以理解的是，本领域技术人员可以根据具体的应用场合而适应性的设置第二预设阈值以及第三预设阈值，本发明实施例对其具体数值不作限制。
需要说明的是，本实施例中不但可以实现某一节单体电池与另一节单体电池之间的能量交换，还可以实现一电池串与另一单体电池或另一电池串的能量均衡，在这种情况下，还可以采集电池串的电压，并判断某一电池串与另一单体电池或另一电池串之间的电压差，并根据该电压差来确定是否需要进行能量均衡以及能量均衡的方向。
本实施例中，所述能量均衡装置2还可以包括监测保护模块24，所述监测保护模块24可以用于检测所述电池插箱组端的第一电信号，并根据所述第一电信号确定所述电池插箱1或所述能量均衡装置2是否存在故障。
所述监测保护模块24还可以用于检测所述母线3的第二电信号，并根据所述第二电信号确定所述母线3或所述能量均衡装置2是否存在故障。
所述第一电信号以及第二电信号可以是电流信号或电压信号。若所述监测保护模块24检测到过压、欠压或过流故障，则可以通过可控开关及时切断电池插箱1与母线3之间的连接，停止能量的交换，保护各器件及电池不受损伤，优选地，可以在电池插箱1和能量均衡装置2之间设置熔丝，并在母线3和能量均衡装置2之间设置熔丝，熔丝能在电流异常升高且可控开关失效时及时切断能量的传输，保护电池不受损伤。
本实施例提供的电池系统的能量均衡装置2，通过第一DC/DC变换器21以及第二DC/DC变换器22的配合，不仅可以实现不同电池插箱1之间的能量均衡，还可以实现同一个电池插箱1内不同单体电池之间的能量均衡以及不同电池插箱1的单体电池之间的能量均衡，可以灵活适应大规模锂电池的储能需求。另外，通过设置监测保护模块，可以有效保证能量均衡过程安全可靠，提高了能量均衡装置2的运行稳定性。
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 (9)

1.一种电池系统的能量均衡装置，其特征在于，所述电池系统包括多个电池插箱，每个所述电池插箱均对应连接一个所述能量均衡装置，所述能量均衡装置包括第一DC/DC变换器；
所述第一DC/DC变换器的一侧接口连接电池插箱组端，所述第一DC/DC变换器的另一侧接口连接母线；
当任意两个所述电池插箱组端的电压差值超过第一预设阈值时，两个所述电池插箱组端通过所述第一DC/DC变换器以及所述母线进行第一能量交换，所述第一能量交换的方向为高电压的电池插箱组端流向低电压的电池插箱组端。
2.如权利要求1所述的电池系统的能量均衡装置，其特征在于，所述电池插箱包括多个单体电池，所述能量均衡装置还包括第二DC/DC变换器以及开关模块；
每个所述单体电池的正极和负极均连接所述开关模块的一侧接口，所述开关模块的另一侧接口连接所述第二DC/DC变换器的一侧接口，所述第二DC/DC变换器的另一侧接口连接所述电池插箱组端；
当同一个所述电池插箱内的任意两个所述单体电池的电压差值超过第二预设阈值时，两个所述单体电池通过所述开关模块以及所述第二DC/DC变换器进行第二能量交换，所述第二能量交换的方向为高电压的单体电池流向低电压的单体电池。
3.如权利要求2所述的电池系统的能量均衡装置，其特征在于，所述第二DC/DC变换器的另一侧接口还连接所述第一DC/DC变换器的一侧接口；
当任意两个分别位于不同插箱内的所述单体电池的电压差值超过第三预设阈值时，两个所述单体电池通过所述开关模块、所述第二DC/DC变换器、所述第一DC/DC变换器以及所述母线进行第三能量交换，所述第三能量交换的方向为高电压的单体电池流向低电压的单体电池。
4.如权利要求1所述的电池系统的能量均衡装置，其特征在于，所述能量均衡装置还包括监测保护模块，所述监测保护模块用于检测所述电池插箱组端的第一电信号，并根据所述第一电信号确定所述电池插箱或所述能量均衡装置是否存在故障；
和/或，
所述监测保护模块还用于检测所述母线的第二电信号，并根据所述第二电信号确定所述母线或所述能量均衡装置是否存在故障。
5.如权利要求1所述的电池系统的能量均衡装置，其特征在于，所述第一DC/DC变换器为单独的双向DC/DC变换器或两个传输方向不同的DC/DC变换器的组合。
6.如权利要求2所述的电池系统的能量均衡装置，其特征在于，所述第二DC/DC变换器为单独的双向DC/DC变换器或两个传输方向不同的DC/DC变换器的组合。
7.一种电池系统的能量均衡方法，其特征在于，所述能量均衡方法基于权利要求3所述的能量均衡装置实现；
所述均衡方法包括：
检测每个所述电池插箱组端的第一电压；
计算任意两个所述电池插箱组端的电压差值；
判断两个所述电池插箱组端的电压差值是否超过所述第一预设阈值；
若是，则控制所述第一DC/DC变换器，以使得两个所述电池插箱组端通过所述第一DC/DC变换器以及所述母线进行第一能量交换，所述第一能量交换的方向为高电压的电池插箱组端流向低电压的电池插箱组端。
8.如权利要求7所述的电池系统的能量均衡方法，其特征在于，
若两个所述电池插箱组端的电压差值不超过所述第一预设阈值，则所述均衡方法还包括：
检测每个所述单体电池的第二电压；
计算任意两个所述单体电池的电压差值；
判断同一个所述电池插箱内的两个所述单体电池的电压差值是否超过所述第二预设阈值；
若是，则控制所述开关模块以及所述第二DC/DC变换器，以使得两个所述单体电池通过所述开关模块以及所述第二DC/DC变换器进行第二能量交换，所述第二能量交换的方向为高电压的单体电池流向低电压的单体电池。
9.如权利要求8所述的电池系统的能量均衡方法，其特征在于，
若同一个所述电池插箱内的两个所述单体电池的电压差值不超过所述第二预设阈值，则所述能量均衡方法还包括：
判断任意两个分别位于不同所述电池插箱内的所述单体电池的电压差值是否超过所述第三预设阈值；
若是，则控制所述开关模块、所述第二DC/DC变换器以及所述第一DC/DC变换器，以使得两个所述单体电池通过所述开关模块、所述第二DC/DC变换器、所述第一DC/DC变换器以及所述母线进行第三能量交换，所述第三能量交换的方向为高电压的单体电池流向低电压的单体电池。
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