CN113690982A - 一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置 - Google Patents

一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置，包括：第一主母线B+、充放电开关模块、电池簇模块、第二主母线B‑；所述第一主母线B+的一端与充放电开关模块的一端连接，充放电开关模块的另一端与电池簇模块的一端连接，电池簇模块的另一端与第二主母线B‑连接。本发明可以在解列期间将电池簇的电压差调整到并列电压阈值范围之内，提高簇间均衡效率，延长电池使用寿命并提高系统可靠性。

Description

一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置
技术领域
本发明涉及锂离子储能电池技术领域，具体涉及一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置。
背景技术
锂电池具有“无记忆”效应、循环寿命长、充放电倍率高等特点，使得锂电池成为储能领域的重点关注对象。锂电池技术经过多年的发展，逐渐从研究阶段进入大规模的商业应用阶段：单体锂离子电芯能够通过串并联配组，使得锂电池可以实现小型、大型储能系统，其中小型锂离子储能系统可以由一个单体锂离子电芯组成，而大型锂离子储能系统可以由成千上万个单体锂离子电芯组成，先通过大容量的电芯串联形成电池簇，再通过并联实现容量倍增。
大容量电池储能系统中，为提高系统可靠性和冗余度，电池通常采用分簇并联运行。多簇并解列控制的主要参数是簇间电压差。然而，现有的均衡电路大都存在电路结构复杂、簇间均衡效率低、均衡能力弱等缺陷，亟需一种簇间电压均衡装置来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的均衡电路大都存在电路结构复杂、簇间均衡效率低、均衡能力弱等缺陷，目的在于提供一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置，解决上述的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置，包括：第一主母线B+、充放电开关模块、电池簇模块、第二主母线B-；所述第一主母线B+的一端与充放电开关模块的一端连接，充放电开关模块的另一端与电池簇模块的一端连接，电池簇模块的另一端与第二主母线B-连接。
优选地，所述充放电开关模块包括N个并联的充放电开关单元；所述N大于或者等于1；所述充放电开关单元包括：放电开关管Qdsg、充电开关管QChg和电压竞争二极管D1；放电开关管Qdsg的一端与第一主母线B+连接，另一端与充电开关管QChg的一端连接，充电开关管QChg远离放电开关管Qdsg的一端与电压竞争二极管D1连接。
优选地，所述电池簇模块包括N个并联的电池簇单元；所述N大于或者等于1；所述电池簇单元包括：Buck桥开关管、线圈L、续流二极管Dc、锂电池组；Buck桥开关管的一端与电压竞争二极管D1远离充电开关管QChg的一端连接，Buck桥开关管的另一端与续流二极管Dc以及线圈L的一端连接，续流二极管Dc的另一端与锂电池组以及第二主母线B-连接，锂电池组的另一端与线圈L的另一端连接。
优选地，所述锂电池组包含多个串联的锂电池。
优选地，在高电压系统中，续流二极管Dc使用肖特基二极管。
优选地，在中低压系统中，为了降低续流损耗，续流二极管Dc使用场效应晶体管MOSFET。
优选地，在中低压系统中，为了降低续流损耗，续流二极管Dc使用绝缘栅双极型晶体管IGBT。
本发明充放电的具体过程如下：
当电池充电的时候：来自充电机的电流经主母线B+进入，经过放电开关管Qdsg、充电开关管QChg之后，对并列在主母线上的各簇电池进行充电；
当电池放电的时候：并列在主母线上的各簇电池的电流流经充电开关管QChg、放电开关管Qdsg，汇流于主母线B+，再流经负载回到B-。
Buck桥开关管在该电路中起的作用：簇间均压动作只发生在解列期间，已经并列成功的各簇电压与主母线电压一致，无需再做均压。
本发明在电池簇并联之前，如果电池簇间总电压大于设定阈值，当Buck桥开关管Q与续流二极管Dc构成的Buck桥有导通时，二极管D1、D2…Dn构成簇间电压竞争，让最高电压的簇输出电流放电。控制系统根据电池管理系统BMS的电压测量结果控制最低电压的Buck桥做PWM开关，对最低电压的簇进行充电，直到所有电池簇的总电压小于设定阈值停止工作。Buck桥的PWM控制方式为DCM或CCM模式。本发明在高电压系统中续流二极管Dc可使用肖特基二极管，在中低压系统中，为了降低续流损耗，也可用同步整流MOSFET或IGBT代替二极管。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提出一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置，可以在解列期间将电池簇的电压差调整到并列电压阈值范围之内，提高簇间均衡效率，延长电池使用寿命并提高系统可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为本发明电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
如图1所示，Qdsg为放电开关管，QChg为充电开关管，D1～Dn为电压竞争二极管，Q1～Qn为Buck桥开关管，Dc为续流二极管；
实施例1
一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置，包括：第一主母线B+、充放电开关模块、电池簇模块、第二主母线B-；所述第一主母线B+的一端与充放电开关模块的一端连接，充放电开关模块的另一端与电池簇模块的一端连接，电池簇模块的另一端与第二主母线B-连接。
充放电的具体过程如下：
当电池充电的时候：来自充电机的电流经主母线B+进入，经过放电开关管Qdsg、充电开关管QChg之后，对并列在主母线上的各簇电池进行充电；
当电池放电的时候：并列在主母线上的各簇电池的电流流经充电开关管QChg、放电开关管Qdsg，汇流于主母线B+，再流经负载回到B-。
簇间均压动作只发生在解列期间，已经并列成功的各簇电压与主母线电压一致，无需再做均压。
充放电开关模块包括N个并联的充放电开关单元；N大于或者等于1；充放电开关单元包括：放电开关管Qdsg、充电开关管QChg和电压竞争二极管D1；
放电开关管Qdsg的一端与第一主母线B+连接，另一端与充电开关管QChg的一端连接，充电开关管QChg远离放电开关管Qdsg的一端与电压竞争二极管D1连接。
电池簇模块包括N个并联的电池簇单元；N大于或者等于1；电池簇单元包括：Buck桥开关管、线圈L、续流二极管Dc、锂电池组；
Buck桥开关管的一端与电压竞争二极管D1远离充电开关管QChg的一端连接，Buck桥开关管的另一端与续流二极管Dc以及线圈L的一端连接，续流二极管Dc的另一端与锂电池组以及第二主母线B-连接，锂电池组的另一端与线圈L的另一端连接。锂电池组包含多个串联的锂电池。
本实施例应用于高电压系统中，续流二极管Dc使用肖特基二极管。
实施例2
一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置，包括：第一主母线B+、充放电开关模块、电池簇模块、第二主母线B-；所述第一主母线B+的一端与充放电开关模块的一端连接，充放电开关模块的另一端与电池簇模块的一端连接，电池簇模块的另一端与第二主母线B-连接。
充放电的具体过程如下：
当电池充电的时候：来自充电机的电流经主母线B+进入，经过放电开关管Qdsg、充电开关管QChg之后，对并列在主母线上的各簇电池进行充电；
当电池放电的时候：并列在主母线上的各簇电池的电流流经充电开关管QChg、放电开关管Qdsg，汇流于主母线B+，再流经负载回到B-。
簇间均压动作只发生在解列期间，已经并列成功的各簇电压与主母线电压一致，无需再做均压。
充放电开关模块包括N个并联的充放电开关单元；N大于或者等于1；充放电开关单元包括：放电开关管Qdsg、充电开关管QChg和电压竞争二极管D1；
放电开关管Qdsg的一端与第一主母线B+连接，另一端与充电开关管QChg的一端连接，充电开关管QChg远离放电开关管Qdsg的一端与电压竞争二极管D1连接。
电池簇模块包括N个并联的电池簇单元；N大于或者等于1；所述电池簇单元包括：Buck桥开关管、线圈L、续流二极管Dc、锂电池组；
Buck桥开关管的一端与电压竞争二极管D1远离充电开关管QChg的一端连接，Buck桥开关管的另一端与续流二极管Dc以及线圈L的一端连接，续流二极管Dc的另一端与锂电池组以及第二主母线B-连接，锂电池组的另一端与线圈L的另一端连接。锂电池组包含多个串联的锂电池。
本实施例应用于中低压系统中，为了降低续流损耗，续流二极管Dc使用场效应晶体管MOSFET。
实施例3
一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置，包括：第一主母线B+、充放电开关模块、电池簇模块、第二主母线B-；所述第一主母线B+的一端与充放电开关模块的一端连接，充放电开关模块的另一端与电池簇模块的一端连接，电池簇模块的另一端与第二主母线B-连接。
充放电的具体过程如下：
当电池充电的时候：来自充电机的电流经主母线B+进入，经过放电开关管Qdsg、充电开关管QChg之后，对并列在主母线上的各簇电池进行充电；
当电池放电的时候：并列在主母线上的各簇电池的电流流经充电开关管QChg、放电开关管Qdsg，汇流于主母线B+，再流经负载回到B-。
簇间均压动作只发生在解列期间，已经并列成功的各簇电压与主母线电压一致，无需再做均压。
充放电开关模块包括N个并联的充放电开关单元；N大于或者等于1；充放电开关单元包括：放电开关管Qdsg、充电开关管QChg和电压竞争二极管D1；
放电开关管Qdsg的一端与第一主母线B+连接，另一端与充电开关管QChg的一端连接，充电开关管QChg远离放电开关管Qdsg的一端与电压竞争二极管D1连接。
电池簇模块包括N个并联的电池簇单元；N大于或者等于1；电池簇单元包括：Buck桥开关管、线圈L、续流二极管Dc、锂电池组；
Buck桥开关管的一端与电压竞争二极管D1远离充电开关管QChg的一端连接，Buck桥开关管的另一端与续流二极管Dc以及线圈L的一端连接，续流二极管Dc的另一端与锂电池组以及第二主母线B-连接，锂电池组的另一端与线圈L的另一端连接。锂电池组包含多个串联的锂电池。
本实施例应用于中低压系统中，为了降低续流损耗，续流二极管Dc使用绝缘栅双极型晶体管IGBT。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置，其特征在于，包括：第一主母线B+、充放电开关模块、电池簇模块、第二主母线B-；所述第一主母线B+的一端与充放电开关模块的一端连接，充放电开关模块的另一端与电池簇模块的一端连接，电池簇模块的另一端与第二主母线B-连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置，其特征在于，所述充放电开关模块包括N个并联的充放电开关单元；所述N大于或者等于1；所述充放电开关单元包括：放电开关管Qdsg、充电开关管QChg和电压竞争二极管D1；
放电开关管Qdsg的一端与第一主母线B+连接，另一端与充电开关管QChg的一端连接，充电开关管QChg远离放电开关管Qdsg的一端与电压竞争二极管D1连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置，其特征在于，所述电池簇模块包括N个并联的电池簇单元；所述N大于或者等于1；所述电池簇单元包括：Buck桥开关管、线圈L、续流二极管Dc、锂电池组；
Buck桥开关管的一端与电压竞争二极管D1远离充电开关管QChg的一端连接，Buck桥开关管的另一端与续流二极管Dc以及线圈L的一端连接，续流二极管Dc的另一端与锂电池组以及第二主母线B-连接，锂电池组的另一端与线圈L的另一端连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置，其特征在于，所述锂电池组包含多个串联的锂电池。
5.根据权利要求3所述的一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置，其特征在于，在高电压系统中，续流二极管Dc使用肖特基二极管。
6.根据权利要求3所述的一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置，其特征在于，在中低压系统中，为了降低续流损耗，续流二极管Dc使用场效应晶体管MOSFET。
7.根据权利要求3所述的一种基于半桥Buck原理的簇间电压均衡装置，其特征在于，在中低压系统中，为了降低续流损耗，续流二极管Dc使用绝缘栅双极型晶体管IGBT。
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