CN113595221A - 一种复合电源模块及复合电源均衡系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合电源模块及复合电源均衡系统。该复合电源均衡系统包括电池管理模块、电容器管理模块、均衡控制模块和复合电源模块。该复合电源模块包括：均衡电路、电池模组和电容器模组，电池模组和电容器模组并联；电池模组包括串联的电池单元，电容器模组包括串联的电容器单元，均衡电路包括：双向DC/DC转换器和/或均衡开关对(包括正极均衡开关和负极均衡开关)；电池单元、电容器单元的正极通过各自对应的双向DC/DC转换器的正极或正极均衡开关与第一均衡电流线连接，电池单元和电容器单元的负极通过各自对应的双向DC/DC转换器负极或负极均衡开关与第二均衡电流线连接。本发明实现了复合电源中各电源单元电压的均衡。

Description

一种复合电源模块及复合电源均衡系统
技术领域
本发明涉及复合电源技术领域，特别是涉及一种复合电源模块及一种复合电源均衡系统。
背景技术
电化学储能技术具有智能、移动、便捷、高效、绿色等优点，广泛应用于便携式电子产品、电动工具、电动车、电动船、轨道交通、航空航天、电力储能、军工装备等领域。锂离子电池作为一种典型的电化学储能技术，具有高能量密度(100～300Wh/kg)、效率高、自放电率低、绿色环保等优势，备受业界青睐。但是锂离子电池的功率特性(功率密度≤1kW/kg)在众多领域中很难满足要求，如轨道交通和电动汽车制动能量回馈、可再生能源并网储能系统等领域(这些领域需要在满足储能容量需求的同时满足高功率输出，否则需要匹配更多的装机容量来满足输出功率需求)。显然单一的锂离子电池储能技术很难达到要求。另外，锂离子电池在大倍率、满充满放工况下的循环寿命较短、低温特性较差、安全性问题严重。为了解决锂离子电池作为单一储能技术存在的弊端，通常与具有超高功率密度(≥1kW/kg)、长循环寿命(≥10万次)、宽温度范围(-40～70℃)的电化学电容器复合组成混合储能系统，以弥补锂离子电池的缺点，有效延长锂离子电池使用寿命，提高储能系统的输出功率。
然而，由于锂离子电池和电化学电容器在生产过程中难以保证性能完全一致，当串并联使用时，其差异随着循环充放电过程将日益加剧，影响锂离子电池组和电化学电容器组的工作性能和循环寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合电源模块及一种复合电源均衡系统，以实现复合电源模块中各电源电压和剩余电荷量的均衡。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种复合电源模块，包括：均衡电路、至少一个电池模组和至少一个电容器模组，所述电池模组和所述电容器模组并联；
所述电池模组包括若干串联的电池单元，每个所述电池单元包括一个或多个并联的电池单体，所述电容器模组包括若干串联的电容器单元，每个所述电容器单元包括一个或多个并联的电容器单体，所述均衡电路包括：若干双向DC/DC转换器和/或若干均衡开关对；
每一所述电池单元对应一双向DC/DC转换器或对应一均衡开关对，每一所述电容器单元对应一双向DC/DC转换器或对应一均衡开关对；每一均衡开关对对应一电池单元或一电容器单元，每一双向DC/DC转换器对应一电池单元或一电容器单元；所述均衡开关对包括正极均衡开关和负极均衡开关；
每一所述电池单元的正极以及每一所述电容器单元的正极均与各自对应的双向DC/DC转换器一侧的正极或对应的正极均衡开关的一端连接，所述双向DC/DC转换器另一侧的正极以及所述正极均衡开关的另一端均与第一均衡电流线连接；
每一所述电池单元的负极以及每一所述电容器单元的负极均与各自对应的双向DC/DC转换器一侧的负极或对应的负极均衡开关的一端连接，所述双向DC/DC转换器另一侧的负极以及所述负极均衡开关的另一端均与第二均衡电流线连接。
可选的，还包括：与所述电池模组串联的第一可变电阻，所述第一可变电阻用于调整所述电池模组的阻抗，以使所述电池模组的工作电压和工作电压与所述电容器模组的工作电压和工作电压相匹配。
可选的，还包括：与所述电容器模组串联的第二可变电阻，所述第二可变电阻用于调整所述电容器模组的阻抗，以使所述电容器模组的工作电压和工作电压与所述电池模组的工作电压和工作电压相匹配。
可选的，还包括：与所述电池模组串联的电池保护开关。
可选的，还包括：与所述电容器模组串联的电容器保护开关。
可选的，还包括：第一电阻和第一控制开关，所述第一均衡电流线连接通过第一电阻以及第一控制开关与所述第二均衡电流线连接。
本发明还提供了一种复合电源均衡系统，包括：均衡控制模块以及上述复合电源模块；
所述均衡控制模块根据各电池单元以及各电容器单元的电压或剩余荷电量控制双向DC/DC转换器、均衡开关、第一控制开关或保护开关的打开和关闭。
可选的，还包括：电池管理模块和电容器管理模块，所述电池管理模块用于采集各电池单元的电压以及剩余荷电量，所述电容器管理模块用于采集各电容器单元的电压以及剩余荷电量。
根据本发明提供的具体实施例，公开了以下技术效果：本发明实施例提供的复合电源模块包括均衡电路、至少一个电池模组和至少一个电容器模组。其中电池模组和所述电容器模组并联；电池模组包括若干电池单元，电容器模组包括若干电容器单元，均衡电路包括若干双向DC/DC转换器和/或若干均衡开关。每一电池单元的正极以及每一电容器单元的正极通过对应的双向DC/DC转换器或均衡开关与第一均衡电流线连接，每一电池单元的负极以及每一电容器单元的负极通过对应的双向DC/DC转换器或均衡开关与第二均衡电流线连接。本发明实施例提供的复合电源均衡系统除包括上述复合电源模块外，还包括均衡控制模块，均衡控制模块根据各电池单元以及各电容器单元的电压或剩余荷电量控制双向DC/DC转换器或均衡开关的打开和关闭。
通过双向DC/DC转换器或均衡开关的打开和关闭，实现电压高的电源单元向电压低的电源单元的充电，或者储能电量多的电源单元向储能电量少的电源单元的充电，进而实现了储能模组电量的平衡。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中复合电源均衡系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中复合电源均衡系统的又一结构示意图。
101——电池单元，102——电池模组，103——电池管理模块，104——电池双向DC/DC转换模块，105——电池保护开关，106——第一可调电阻，201——电容器单元，202——电容器模组，203——电容器管理模块，204——电容器双向DC/DC转换模块，205——电容器保护开关，206——第二可调电阻，301——第一均衡电流线，302——第二均衡电流线，303——均衡电路，304——双向DC/DC转换器，305——均衡控制模块，306——均衡开关对，307——被动均衡电阻，308——被动均衡控制开关，401——直流母线。
具体实施方式
为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案，在本申请的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一无线通信模块和第二无线通信模块仅仅是为了区分不同的无线通信模块，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。
需要说明的是，本申请中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
本发明实施例中，“和/或”用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B可以表示：单独存在A，同是存在A和B，单独存在B。其中A，B可以是单个中，也可以是多个。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种复合电源模块及一种复合电源均衡系统，以实现复合电源模块中各电源电压和剩余电荷量的均衡。
本发明实施例提供了一种复合电源模块及一种复合电源均衡系统。该复合电源均衡系统包括该复合电源模块以及对复合电源模块进行控制的均衡控制模块。
下面对上述复合电源模块进行具体介绍
参见图1和图2，上述复合电源模块包括：均衡电路303、电池模组102和电容器模组202，电池模组102和电容器模组202并联。在本实施例中，电池模组102和电容器模组202的数量为一个，当然，在其他的实施例中，电池模组102和电容器模组202的数量可以为多个。
电池模组102包括若干个串联的电池单元101，每个电池单元101由一个或者多个电池单体并联组成。
电容器模组202包括若干个串联的电容器单元201，每个电容器单元201由一个或者多个电容器单体并联组成。
均衡电路303包括若干双向DC/DC转换器304和/或若干均衡开关对306。双向DC/DC转换器304和均衡开关对306用于平衡电池模组102和电容器模组202的输出电压，实现电压高的模组向电压低的模组充电，或者储能电量多的模组向储能电量少的模组充电，进而实现储能模组电量的平衡，满足各类工况应用需求。
在本实施例中，每一电池单元101唯一对应一双向DC/DC转换器304或唯一对应一均衡开关对306，每一电容器单元201唯一对应一双向DC/DC转换器304或唯一对应一均衡开关对306。每一均衡开关对306唯一对应一电池单元101或一电容器单元201，每一双向DC/DC转换器304唯一对应一电池单元101或一电容器单元201。其中，均衡开关对306包括正极均衡开关和负极均衡开关。
每一所述电池单元101的正极以及每一所述电容器单元201的正极均与各自对应的双向DC/DC转换器304一侧的正极或对应的正极均衡开关的一端连接，所述双向DC/DC转换器304另一侧的正极以及所述正极均衡开关的另一端均与第一均衡电流线连接。
每一所述电池单元101的负极以及每一所述电容器单元201的负极均与各自对应的双向DC/DC转换器304一侧的负极或对应的负极均衡开关的一端连接，所述双向DC/DC转换器304另一侧的负极以及所述负极均衡开关的另一端均与第二均衡电流线连接。
第一均衡电流线和第二均衡电流线用于电池单元101和/或电容器单元201之间的能量转移。
需要说明的是，图1和图2仅仅是示例性的给出了双向DC/DC转换器304、均衡开关对306与电池单元101和电容器单元201的对应关系，即复合电源模块仅包括均衡开关对306，不包括双向DC/DC转换器304；或复合电源模块仅包括双向DC/DC转换器304，不包括均衡开关对306。其实质上，在同一复合电源模块中，既可以包括双向DC/DC转换器304，也可以包括均衡开关对306。
参见图1和图2，在本实施例中，电池模组102和电容器模组202并联于直流母线401，在其他的实施例中，电池模组102和电容器模组202还可以以并联的形式与其他电源、负载或其它复合电源连接。
上述电池单元101包括锂离子电池、钠离子电池、铅酸电池、液流电池、固态电池、锂硫电池、燃料电池一种或者多种。上述电容器单元201包括双电层电容器、锂离子电容器、电池电容器一种或者多种。
在一个示例中，复合电源模块还包括与电池模组102串联的第一可变电阻106以及与电容器模组202串联的第二可变电阻206。
第一可变电阻106用于调整电池模组102的阻抗，以使电池模组102的工作电压和工作电压与电容器模组202的工作电压和工作电压相匹配。
第二可变电阻206用于调整电容器模组202的阻抗，以使电容器模组202的工作电压和工作电压与电池模组102的工作电压和工作电压相匹配。
在一个示例中，复合电源模块还包括与所述电池模组102串联的电池保护开关105以及与所述电容器模组202串联的电容器保护开关205。
具体的，电池模组102的正极与电池保护开关105或者第一可变电阻106连接，电容器模组202的正极与电容器保护开关205或者第二可变电阻206连接。或者，电池模组102的负极与电池保护开关105或者第一可变电阻106连接，电容器模组202的负极与电容器保护开关205或者第二可变电阻206连接。
在电池模组102过充、过放、过流、故障、或者某一个电池单元101发生过充、过放、过流及故障的情况下，电池保护开关105断开，或者复合电源模块停止工作时，电池保护开关105断开。在电容器模组202过充、过放、过流、故障、或者某一个电容器单元201发生过充、过放、过流及故障的情况，电容器保护开关205断开，或者复合电源停止工作时，电容器保护开关205断开。
在一个示例中，电池模组102中电池单元101的数量为n，电池单体电压为Ub，电池模组102的总电压为n×Ub，电池模组侧均衡开关对306的数量为2n，其中n为大于等于1的自然数。电容器模组202中电容器单元201的数量为m，电容器单体电压为Ub，电容器模组202的总电压为m×Ub，电容器模组侧均衡开关306的数量为2m，其中m为大于等于1的自然数。优选的，n×Ub≥m×Ub。
在一个示例中，针对一些极端的情况，比如，仅有个别电池单元101或电容器单元201的电压或剩余电荷量高，其余电池单元101或电容器单元201的电压或剩余电荷量均衡的情况，设置了用于消耗掉上述个别电池单元101或电容器单元201高出的电荷量的构件。
具体的，上述构件可以是设置于第一均衡电流线与第二均衡电流线之间的被动均衡电阻307和被动均衡控制开关308，第一均衡电流线通过被动均衡电阻和被动均衡控制开关与所述第二均衡电流线连接。所述被动均衡开关由均衡控制模块控制其开断。
在一个示例中，参见图1和图2，复合电源模块还包括：电池双向DC/DC转换模块104以及电容器双向DC/DC转换模块204。
电池双向DC/DC转化模块104一侧的正负极分别与电池模组的正负极电连接，电池双向DC/DC转化模块104另一侧的正负极分别与直流母线的正负极电连接。
电容器双向DC/DC转化模块204一侧的正负极分别与电容器模组的正负极电连接，电容器双向DC/DC转化模块204另一侧的正负极分别与直流母线的正负极电连接。
上述电池双向DC/DC转化模块104和电容器双向DC/DC转化模块204的作用主要包括：(1)控制电池模组和电容器模组直接的能量转化；(2)电池模组的电压和电容器模组的电压通过DC/DC转化模块能够使各自的输出电压保持一致，避免因电池模组和电容器模组直接的电压差异导致相互之间的电流回流，即电流从电压高的模组向电压低的模组流动。
优选的，电池双向DC/DC转化模块104和电容器双向DC/DC转化模块204通过均衡控制模块控制他们的打开、关闭、转化方向等。
下面对复合电源均衡系统进行介绍
本实施例提供的复合电源均衡系统包括：电池管理模块103、电容器管理模块203、均衡控制模块305以及上述复合电源模块。电池管理模块103用于采集各电池单元的电压以及剩余荷电量，电容器管理模块203用于采集各电容器单元201的电压以及剩余荷电量。均衡控制模块305根据各电池单元以及各电容器单元201的电压或剩余荷电量控制双向DC/DC转换器或均衡开关对306的打开和关闭。
在本实施例中，电池管理模块103主要用于电池模组电流、温度和各个电池单元电压的数据采集、电池模组和/或电池单元剩余电荷量(SOC)的估算、健康度评价(SOH)等。
电容器管理模块203主要用于电容器模组202电流、温度和各个电池单元电压的数据采集、电容器模组202和/或电容器单元201剩余电荷量(SOC)的估算、(SOH)健康度评价等。
均衡控制模块305接收电池管理模块103和电容器管理模块203的数据信息包括电压、电流、温度、SOC、SOH等，并根据接收到的信息控制各双向DC/DC转换器、各均衡开关306、被动均衡控制开关308、电池双向DC/DC转化模块104以及电容器双向DC/DC转化模块204的打开和关闭。
上述电池管理模块103包括数据采集单元、通信单元和中处理单元。所述数据采集单元可以采集电池模组总电压和各个电池单元的电压。通信单元可以完成与均衡控制模块305的通信。中央处理单元用于估算电池单元和/或电池模组的SOC、SOH。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种复合电源模块，其特征在于，包括：均衡电路、至少一个电池模组和至少一个电容器模组，所述电池模组和所述电容器模组并联；
所述电池模组包括若干串联的电池单元，每个所述电池单元包括一个或多个并联的电池单体，所述电容器模组包括若干串联的电容器单元，每个所述电容器单元包括一个或多个并联的电容器单体，所述均衡电路包括：若干双向DC/DC转换器和/或若干均衡开关对；
每一所述电池单元对应一双向DC/DC转换器或对应一均衡开关对，每一所述电容器单元对应一双向DC/DC转换器或对应一均衡开关对；每一均衡开关对对应一电池单元或一电容器单元，每一双向DC/DC转换器对应一电池单元或一电容器单元；所述均衡开关对包括正极均衡开关和负极均衡开关；
每一所述电池单元的正极以及每一所述电容器单元的正极均与各自对应的双向DC/DC转换器一侧的正极或对应的正极均衡开关的一端连接，所述双向DC/DC转换器另一侧的正极以及所述正极均衡开关的另一端均与第一均衡电流线连接；
每一所述电池单元的负极以及每一所述电容器单元的负极均与各自对应的双向DC/DC转换器一侧的负极或对应的负极均衡开关的一端连接，所述双向DC/DC转换器另一侧的负极以及所述负极均衡开关的另一端均与第二均衡电流线连接。
2.根据权利要求1所述的复合电源模块，其特征在于，还包括：与所述电池模组串联的第一可变电阻，所述第一可变电阻用于调整所述电池模组的阻抗，以使所述电池模组的工作电压和工作电压与所述电容器模组的工作电压和工作电压相匹配。
3.根据权利要求1所述的复合电源模块，其特征在于，还包括：与所述电容器模组串联的第二可变电阻，所述第二可变电阻用于调整所述电容器模组的阻抗，以使所述电容器模组的工作电压和工作电压与所述电池模组的工作电压和工作电压相匹配。
4.根据权利要求1所述的复合电源模块，其特征在于，还包括：与所述电池模组串联的电池保护开关。
5.根据权利要求1所述的复合电源模块，其特征在于，还包括：与所述电容器模组串联的电容器保护开关。
6.根据权利要求1所述的复合电源模块，其特征在于，还包括：第一电阻和第一控制开关，所述第一均衡电流线连接通过第一电阻以及第一控制开关与所述第二均衡电流线连接。
7.一种复合电源均衡系统，其特征在于，包括：均衡控制模块以及权利要求1-6任一项所述的复合电源模块；
所述均衡控制模块根据各电池单元以及各电容器单元的电压或剩余荷电量控制双向DC/DC转换器或均衡开关的打开和关闭。
8.根据权利要求7所述的复合电源均衡系统，其特征在于，还包括：电池管理模块和电容器管理模块，所述电池管理模块用于采集各电池单元的电压以及剩余荷电量，所述电容器管理模块用于采集各电容器单元的电压以及剩余荷电量。
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CN114475352A (zh) * 2022-03-18 2022-05-13 珠海极海半导体有限公司 电池供电电路、电池管理系统、mpu和汽车动力系统

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