CN113193618A - 一种高压电池簇内主动均衡系统及主动均衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压电池簇内主动均衡系统及主动均衡控制方法,该均衡系统包括串联的电池组,电池组中每个电池的正极通过一第二晶闸管连接至正极母线,每个电池的负极通过一第一晶闸管连接至负极母线,正极母线与负极母线之间并联连接一储能单元和一谐振单元,储能单元为电感,谐振单元包括电容、第三晶闸管、第四晶闸管,第三晶闸管和第四晶闸管反向并接后与电容串接在正极母线与负极母线之间,主动均衡控制方法通过控制第一至第四晶闸管的导通和关断并配合电感、电容的储能效应,实现电池模组之间的电量均衡。本发明高效、低成本地解决了高压大容量储能电站簇内电池模组在运行过程中因电量差异而引起的电压差异问题。
Description
技术领域
本发明属于储能领域,具体涉及一种高压储能电站系统电池簇内串联电池模组间的主动均衡系统及主动均衡控制方法。
背景技术
主动均衡因其可以更加高效率地延长电池寿命,降低被动均衡所产生的发热,在储能电站领域被广泛应用在电池模组内串联电芯间。随着储能系统电压的不断提升,在模组电压受限的情况下,电池簇内串联的模组明显增加,运行过程中模组间的电量差异导致的电压差异更加明显,模组间迫切需要主动均衡系统。现有的基于全控器件的主动均衡方案,受限于全控器件电压的限制,难以应用在高压储能系统中,因此需要一种适用于储能侧额定电压为1500VDC的储能系统电池簇内模组间主动均衡系统。
发明内容
发明目的:本发明的目的是为了解决高压大容量储能电站电池簇内电池模组在运行过程中因电量差异而引起的电压差异问题。
技术方案:第一方面,提供一种高压电池簇内主动均衡系统,包括串联电池组,电池组中每个电池的正极通过一第二晶闸管连接至正极母线,每个电池的负极通过一第一晶闸管连接至负极母线,正极母线与负极母线之间并联连接一储能单元和一谐振单元,储能单元为电感,谐振单元包括电容、第三晶闸管、第四晶闸管,第三晶闸管和第四晶闸管反向并接后与电容串接在正极母线与负极母线之间;
其中电池A向电池B转移电量的过程包括:
第一阶段,通过触发与电池A相连接的第一晶闸管K1A和第二晶闸管K2A使之导通,使得电池A向电感充电;
第二阶段,通过拉低第一晶闸管K1A和第二晶闸管K2A的门极电压,并在电感电流达到设定值时,触发第四晶闸管使之导通,使得第一晶闸管K1A和第二晶闸管K2A电流降至0并关断,并且电容向电感充电;
第三阶段,基于谐振,电感向电容反向充电,通过拉低第四晶闸管的门极电压,使得第四晶闸管电流降至0并关断,当电容电压反向至预设值时,通过触发连接至电池B-1的第二晶闸管K2B-1和连接至电池B+1的第一晶闸管K1B+1使之导通,使得电感向电池B充电;
第四阶段,通过拉低第二晶闸管K2B-1和第一晶闸管K1B+1的门极电压,使得电感电流降低,当电感电流降至0时,第二晶闸管K2B-1和第一晶闸管K1B+1电流降至0并关断;
第五阶段,通过触发第三晶闸管使之导通,使得电容与电感发生谐振,通过拉低第三晶闸管的门极电压,使得当电容电压恢复至预设值,电感电流降至0时,第三晶闸管关断,电池A向电池B电量转移完毕。
第二方面,提供一种高压电池簇内主动均衡控制方法,其中电池簇由串联电池组构成,电池组中每个电池的正极通过一第二晶闸管连接至正极母线,每个电池的负极通过一第一晶闸管连接至负极母线,正极母线与负极母线之间并联连接一储能单元和一谐振单元,储能单元为电感,谐振单元包括电容、第三晶闸管、第四晶闸管,第三晶闸管和第四晶闸管反向并接后与电容串接在正极母线与负极母线之间,所述方法从电池A向电池B转移电量的过程包括:
通过触发与电池A相连接的第一晶闸管K1A和第二晶闸管K2A使之导通,使得电池A向电感充电;
通过拉低第一晶闸管K1A和第二晶闸管K2A的门极电压,并在电感电流达到设定值时,触发第四晶闸管使之导通,使得第一晶闸管K1A和第二晶闸管K2A电流降至0并关断,并且电容向电感充电;
基于谐振,电感向电容反向充电,通过拉低第四晶闸管的门极电压,使得第四晶闸管电流降至0并关断,当电容电压反向至预设值时,通过触发连接至电池B-1的第二晶闸管K2B-1和连接至电池B+1的第一晶闸管K1B+1使之导通,使得电感向电池B充电;
通过拉低第二晶闸管K2B-1和第一晶闸管K1B+1的门极电压,使得电感电流降低,当电感电流降至0时,第二晶闸管K2B-1和第一晶闸管K1B+1电流降至0并关断;
通过触发第三晶闸管使之导通,使得电容与电感发生谐振,通过拉低第三晶闸管的门极电压,使得当电容电压恢复至预设值,电感电流降至0时,第三晶闸管关断,电池A向电池B电量转移完毕。
有益效果:本发明通过控制第一至第四晶闸管的导通和关断并配合电感、电容的储能效应,实现电池模组之间的电量均衡。相比于采用IGBT、MOSFET等全控器件的方案,本方案提出的主动均衡系统采用晶闸管器件,单体的最大击穿电压提升明显,且晶闸管级联技术成熟,因此系统电路击穿电压明显提升;同时,晶闸管单位功率成本较全控器件低,同时使用成本较低的高频电感替代成本较高的高频变压器,使得均衡电路成本明显降低。本发明可高效地实现高压大容量储能系统簇内模组间电量主动均衡。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的高压电池簇内模块间主动均衡系统电气拓扑图;
图2为根据本发明另一实施例的含20个模组的电池簇及主动均衡系统拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明的技术方案。
参照图1,对于一个包含n个电池模组(4001至400n)串联的电池簇,其配置的主动均衡系统包括正极母线1002、负极母线1001、n+1个第二晶闸管(2201至2220n、2210)、n+1个第一晶闸管(2110、2101至210n)、储能电感3001、电容3002,第三晶闸管3003、第四晶闸管3004。在本文描述中,电池指的是单个电池模组,电池簇指的是由若干电池模组串联形成的集合。为了描述的便利,下文中电池模组也称为电池或模组,三者可以互换使用。
正极母线1002通过n个第二晶闸管(2201至220n)分别连接至电池簇内各串联电池模组(4001至400n)正极,通过第二晶闸管2210连接至电池簇负极,即电池模组400n的负极,其中n个电池模组(4001至400n)的正极分别连接n个第二晶闸管(2201至220n)的阳极,电池模组400n的负极连接第二晶闸管2210的阳极,n个第二晶闸管(2201至220n)以及第二晶闸管2210的阴极均连接至正极母线1002;负极母线1001通过n个第一晶闸管(2101至210n)分别连接至电池簇内串联电池模组(4001至400n)负极,通过第一晶闸管2110连接至电池簇正极,即电池模组4001的正极,其中n个电池模组(4001至400n)的负极分别连接n个第一晶闸管(2101至210n)的阴极,电池模组4001的正极连接第一晶闸管2110的阴极,n个第一晶闸管(2101至210n)以及第一晶闸管2110的阳极均连接至负极母线1001。储能电感3001连接在正极母线1002和负极母线1001之间;谐振电容3002的负极连接负极母线1001,正极连接第三晶闸管3003的阴极和第四晶闸管3004的阳极,第三晶闸管3003的阳极和第四晶闸管3004的阴极与正极母线1002连接。
设簇内电池模组最高电压为U1,各晶闸管导通压降均为U2,谐振电容电压U3的初始值应设置为略高于(U1+2*U2),使得谐振电容在投入时关断晶闸管的同时尽可能降低损耗。在本实施例中,U3设置为1.05*(U1+2*U2),当电池模组400ka中电量需要向电池模组400kb转移时,实现的控制方法如下:
1)第一阶段:触发第二晶闸管220ka和第一晶闸管210ka的门极,使之导通,电池模组400ka通过第二晶闸管220ka和第一晶闸管210ka为储能电感3001充电;
2)第二阶段:拉低第二晶闸管220ka和第一晶闸管210ka的门极电压,当电感电流达到设定值I1时,触发第四晶闸管3004门极使之导通,第二晶闸管220ka和第一晶闸管210ka电流降至0并关断,电容3002向电感3001充电,电容3002的电压U3下降;
3)第三阶段:当电容3002的电压降至0时,电感3001的电流最大,基于谐振,电容3002电压反向,电感3001为电容3002充电,拉低第四晶闸管3004门极电压,当U3=-1.05*(U1+2*U2)时,触发与电池模组400kb-1相连的第一晶闸管210kb-1和与电池模组400kb+1相连的第二晶闸管220kb+1使之导通,第四晶闸管3004电流降至0并关断,储能电感3001向电池模组400kb充电;
4)第四阶段:拉低第一晶闸管210kb-1和第二晶闸管220kb+1门极电压,当电感3001电流降至0时,第一晶闸管210kb-1和第二晶闸管220kb+1关断;
5)第五阶段:触发第三晶闸管3003使之导通,电容3002与电感3001发生谐振,拉低第三晶闸管3003门极电压,当电容3002电压反向达到最大值,忽略谐振损耗下,电容3002电压U3为1.05*(U1+2*U2),电感3001电流降至0,第三晶闸管3003关断,电池模组400ka中电量需要向电池模组400kb转移完毕,转移电量约为0.5*L*I1*I1,L为电感3001的感值。
对于一个如图2所示的电池簇,簇内包含20个串联电池模组,每个模组的额定电压为76.8V。初始时刻模组4005的电压最高,其电压为78V;模组40015的电压最低,其电压为76V,系统需要从模组4005向模组40015转移电量。主动均衡系统中晶闸管(2201至22020、2210、2101至21020、2110、3003、3004)导通压降为1.2V。初始时刻,系统模组最高电压U1=78V,U2=1.2V,那么电容3002的电压U3应设置为1.05*(78+2*1.2)=84.42V,取84.4V。储能电感3004的最大电流I1设置为5A。
从模组4005向模组40015转移电量的控制过程如下:
触发第二晶闸管2205和第一晶闸管2105,电池4005向储能电感3001充电,拉低第二晶闸管2205和第一晶闸管2105门极电压;
当电感3001的电流达到5A时,触发第四晶闸管3004,第二晶闸管2205和第一2105电流降至0A并关断,拉低第四晶闸管3004门极电压;
电感3001向电容3002反向充电,电容3002电压反向至-84.4V时,触发与电池模组40014相连的第一晶闸管21014和与电池模组40016相连的第二晶闸管22016,电感3001向电池40015充电,第四晶闸管3004电流降至0A并关断,拉低第一晶闸管21014和第二晶闸管22016的门极电压;
当储能电感电流降至0A时,第一晶闸管21014和第二晶闸管22016电流降至0A并关断;
触发第三晶闸管3003,电容3002及电感3001谐振,拉低第三晶闸管3003的门极电压,当电感电流再次降至0A时,第三晶闸管3003电流降至0A并关断,忽略谐振损耗,电容3002的电压恢复至约84.4V,电量由电池模组4005向电池模组40015转移完毕。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解,依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高压电池簇内主动均衡系统,其特征在于,包括串联电池组,电池组中每个电池的正极通过一第二晶闸管连接至正极母线,每个电池的负极通过一第一晶闸管连接至负极母线,正极母线与负极母线之间并联连接一储能单元和一谐振单元,储能单元为电感,谐振单元包括电容、第三晶闸管、第四晶闸管,第三晶闸管和第四晶闸管反向并接后与电容串接在正极母线与负极母线之间;
其中电池A向电池B转移电量的过程包括:
第一阶段,通过触发与电池A相连接的第一晶闸管K1A和第二晶闸管K2A使之导通,使得电池A向电感充电;
第二阶段,通过拉低第一晶闸管K1A和第二晶闸管K2A的门极电压,并在电感电流达到设定值时,触发第四晶闸管使之导通,使得第一晶闸管K1A和第二晶闸管K2A电流降至0并关断,并且电容向电感充电;
第三阶段,基于谐振,电感向电容反向充电,通过拉低第四晶闸管的门极电压,使得第四晶闸管电流降至0并关断,当电容电压反向至预设值时,通过触发连接至电池B-1的第二晶闸管K2B-1和连接至电池B+1的第一晶闸管K1B+1使之导通,使得电感向电池B充电;
第四阶段,通过拉低第二晶闸管K2B-1和第一晶闸管K1B+1的门极电压,使得电感电流降低,当电感电流降至0时,第二晶闸管K2B-1和第一晶闸管K1B+1电流降至0并关断;
第五阶段,通过触发第三晶闸管使之导通,使得电容与电感发生谐振,通过拉低第三晶闸管的门极电压,使得当电容电压恢复至预设值,电感电流降至0时,第三晶闸管关断,电池A向电池B电量转移完毕。
2.根据权利要求1所述的高压电池簇内主动均衡系统,其特征在于,第二晶闸管阳极连接电池正极,第二晶闸管阴极连接至正极母线;第一晶闸管阴极连接电池负极,第一晶闸管阳极连接至负极母线。
3.根据权利要求2所述的高压电池簇内主动均衡系统,其特征在于,还包括串首晶闸管、串尾晶闸管,串首晶闸管阴极连接串首电池正极,串首晶闸管阳极连接至负极母线,串尾晶闸管阳极连接串尾电池负极,串尾晶闸管阴极连接至正极母线。
4.根据权利要求1所述的高压电池簇内主动均衡系统,其特征在于,电容负极连接负极母线,电容正极连接第三晶闸管阴极和第四晶闸管阳极,第三晶闸管阳极和第四晶闸管阴极与正极母线连接。
5.根据权利要求1所述的高压电池簇内主动均衡系统,其特征在于,电容电压的预设值确定为:U3=1.05*(U1+2*U2),U1为簇内电池最高电压,U2为各晶闸管导通压降。
6.一种高压电池簇内主动均衡控制方法,其特征在于,电池簇由串联电池组构成,电池组中每个电池的正极通过一第二晶闸管连接至正极母线,每个电池的负极通过一第一晶闸管连接至负极母线,正极母线与负极母线之间并联连接一储能单元和一谐振单元,储能单元为电感,谐振单元包括电容、第三晶闸管、第四晶闸管,第三晶闸管和第四晶闸管反向并接后与电容串接在正极母线与负极母线之间,所述方法从电池A向电池B转移电量的过程包括:
通过触发与电池A相连接的第一晶闸管K1A和第二晶闸管K2A使之导通,使得电池A向电感充电;
通过拉低第一晶闸管K1A和第二晶闸管K2A的门极电压,并在电感电流达到设定值时,触发第四晶闸管使之导通,使得第一晶闸管K1A和第二晶闸管K2A电流降至0并关断,并且电容向电感充电;
基于谐振,电感向电容反向充电,通过拉低第四晶闸管的门极电压,使得第四晶闸管电流降至0并关断,当电容电压反向至预设值时,通过触发连接至电池B-1的第二晶闸管K2B-1和连接至电池B+1的第一晶闸管K1B+1使之导通,使得电感向电池B充电;
通过拉低第二晶闸管K2B-1和第一晶闸管K1B+1的门极电压,使得电感电流降低,当电感电流降至0时,第二晶闸管K2B-1和第一晶闸管K1B+1电流降至0并关断;
通过触发第三晶闸管使之导通,使得电容与电感发生谐振,通过拉低第三晶闸管的门极电压,使得当电容电压恢复至预设值,电感电流降至0时,第三晶闸管关断,电池A向电池B电量转移完毕。
7.根据权利要求6所述的高压电池簇内主动均衡控制方法,其特征在于,电容电压的预设值确定为:U3=1.05*(U1+2*U2),U1为簇内电池最高电压,U2为各晶闸管导通压降。
8.根据权利要求6所述的高压电池簇内主动均衡控制方法,其特征在于,第二晶闸管阳极连接电池正极,第二晶闸管阴极连接至正极母线;第一晶闸管阴极连接电池负极,第一晶闸管阳极连接至负极母线。
9.根据权利要求6所述的高压电池簇内主动均衡控制方法,其特征在于,电容负极连接负极母线,电容正极连接第三晶闸管阴极和第四晶闸管阳极,第三晶闸管阳极和第四晶闸管阴极与正极母线连接。
10.根据权利要求6所述的高压电池簇内主动均衡控制方法,其特征在于,电池A向电池B转移电量为0.5*L*I*I,其中L为电感的感值。
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