CN113783252B - 一种用于电池簇间均衡的虚拟内阻调节装置 - Google Patents

一种用于电池簇间均衡的虚拟内阻调节装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电池簇间均衡的虚拟内阻调节装置，包括多个电池簇（2），所述电池簇（2）均通过调节装置（5）与直流母线（1）相连接，所述调节装置（5）包括旁路开关（6）和调压直流变换器（7）；所述直流母线（1）与储能变流器（3）相连接，所述储能变流器（3）与电网（4）相连接，通过储能变流器（3）将直流电转换为交流电，并接入电网（4），实现电池簇（2）与电网（4）的能量交换。本发明通过调整调节装置（5）的输出电压可达到均衡电池簇（2）间的SOC的目的，可实现每电池簇（2）独立管理，避免长期运行导致电池内阻、电压不一致而影响整体的运行效果及循环寿命。

Description

一种用于电池簇间均衡的虚拟内阻调节装置
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种用于电池簇间均衡的虚拟内阻调节装置。
背景技术
储能技术主要是指电能的储存。储存的能量可以用做应急能源，也可以用于在电网负荷低的时候储能，在电网高负荷的时候输出能量，用于削峰填谷，减轻电网波动。能量有多种形式，包括辐射，化学的，重力势能，电势能，电力，高温，潜热和动力。 能量储存涉及将难以储存的形式的能量转换成更便利或经济可存储的形式。
其中，电化学储能因响应快等诸多优点，目前已广泛应用发电侧、电网侧和用户侧等各种场合。而且因成本等因素，电化学储能朝着高容量，高功率密度，高功率集成度的方向发展。支撑该方向的发展采用的技术路线是增加电池簇的并联支路，扩增单机系统的容量。
但经过长期的运行表明，运行过程中电池簇间的电压会发生一定的偏差，内阻也发生不同程度的变化。该变化会使得电池簇的直接并联能力减弱，导致零功率运行时的环流，充电时内阻大的电池簇无法充满，放电时内阻大的电池簇无法提供足够的功率。长此以往，就会出现整个系统因一包电池异常后发生的短板效应而无法持续运行的情况。在单包电池维护后，使用新电池包进行更替，又存在新旧电池混合使用的情况，进而导致差异进一步增大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于电池簇间均衡的虚拟内阻调节装置，包括多个电池簇，所述电池簇均通过调节装置与直流母线相连接，所述调节装置包括旁路开关和调压直流变换器；所述直流母线与储能变流器相连接，所述储能变流器与电网相连接，通过储能变流器将直流电转换为交流电，并接入电网，实现电池簇与电网的能量交换。
具体的，所述调节直流变换器包括主控板，所述主控板上设置主控芯片和控制电路。
具体的，所述主控芯片采用的型号为TMS320F28034。
具体的，所述控制电路包括闭环控制电路和开环高频控制电路，所述闭环控制电路用以实现闭环电压控制和限流控制；所述开环高频控制电路用以实现副边电流均衡。
具体的，所述调节直流变换器上设置有指示灯和通信接口，所述指示灯至少包括电源指示灯和运行状态指示灯；所述通信接口至少包括IO接口、RS485接口和CAN通信接口。
具体的，所述调节直流变换器上设置有提手。
具体的，还包括电池管理模块BMS，所述电池管理模块BMS通过CAN或RS485总线与调节装置相连接。
本发明的有益效果在于：通过调整调节装置的输出电压可达到均衡电池簇间的SOC（State of charge，荷电状态）的目的，可实现每电池簇独立管理，避免长期运行导致电池内阻、电压不一致而影响整体的运行效果及循环寿命。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明调节装置结构示意图；
图3为本发明调压直流变换器主电路图；
图4为本发明调压直流变换器结构示意图；
图5为本发明的控制流程图；
图6为本发明输出电压参考生成模块结构示意图；
图7为本发明电压控制环模块结构示意图；
图8为本发明电流控制环模块结构示意图；
图9为本发明前馈模块结构示意图；
图中：1-直流母线，2-电池簇，3-储能变流器，4-电网，5-调节装置，6-旁路开关，7-调节直流变换器，8-提手，9-电池管理模块BMS。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接， 或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
参阅图1-9，一种用于电池簇间均衡的虚拟内阻调节装置，包括多个电池簇2，所述电池簇2均通过调节装置5与直流母线1相连接，所述调节装置5包括旁路开关6和调压直流变换器7，所述旁路开关6和调压直流变换器7并联连接；所述直流母线1与储能变流器3相连接，所述储能变流器3与电网4相连接，通过储能变流器3将直流电转换为交流电，并接入电网4，实现电池簇2与电网4的能量交换。当无需调压直流变换器7工作或者调压直流变换器7异常时，吸合旁路开关6，将电池簇2直接连接至直流母线1，此时相当于该电池簇2的虚拟内阻为0；当需要调压直流变换器7工作时，断开旁路开关6，通过调节与该电池簇2相连接的调压直流变换器7的输出电压，改变调整调压直流变换器7的输出特性，从而起到均衡电池簇2间电压和SOC（State of charge，荷电状态）的作用。本发明等同于调节电池簇内阻，此外，本发明还具有降低电池簇2投入到直流母线1时因电池簇2电压与直流母线1电压的压差所导致瞬时电流冲击的作用。
进一步的，在本实施例当中，所述调节直流变换器7包括主控板，所述主控板上设置主控芯片和控制电路。
进一步的，在本实施例当中，所述主控芯片采用的型号为TMS320F28034。该芯片为DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。
进一步的，在本实施例当中，所述控制电路包括闭环控制电路和开环高频控制电路，所述闭环控制电路用以实现闭环电压控制和限流控制；所述开环高频控制电路用以实现副边电流均衡。具体的，瞬时闭环控制电路由一个三电平的BUCK/BOOST拓扑完成（包括滤波电容C1~C4，开关管BT1~BT4，储能电感L1~L2），可进行闭环电压控制和限流控制，三电平BUCK/BOOST拓扑可降低调压压差，便于提升效率；所述开环高频控制电路由高压侧一组、低压侧两组双向全桥实现（包括开关管BT5~BT16，变压器T1~T2，滤波电容C5），中间两个变压器串联进行强迫流入的电流相同，实现副边电流均衡。例如，将1500V电池簇2电压接入调节直流变换器7，通过闭环控制电路将电压降至800V，再通过开环高频控制电路将输出电压控制至40V。（参阅图3）
进一步的，在本实施例当中，所述调节直流变换器7上设置有指示灯和通信接口，所述指示灯至少包括电源指示灯和运行状态指示灯；所述通信接口至少包括IO接口、RS485接口和CAN通信接口。
进一步的，在本实施例当中，所述调节直流变换器7上设置有提手8，便于提携、安装和拆卸。（参阅图4）
进一步的，在本实施例当中，还包括电池管理模块BMS（BATTERY MANAGEMENTSYSTEM，BMS电池管理系统）9，所述电池管理模块BMS9通过CAN或RS485通信总线与调节装置5相连接。BMS电池管理系统俗称之为电池保姆或电池管家，主要就是为了智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。BMS电池管理系统单元包括BMS电池管理系统、控制模组、显示模组、无线通信模组、电气设备、用于为电气设备供电的电池组以及用于采集电池组的电池信息的采集模组，所述BMS电池管理系统通过通信接口分别与无线通信模组及显示模组连接，所述采集模组的输出端与BMS电池管理系统的输入端连接，所述BMS电池管理系统的输出端与控制模组的输入端连接，所述控制模组分别与电池组及电气设备连接，所述BMS电池管理系统通过无线通信模块与Server服务器端连接。
本发明的启动控制策略包括如下步骤：
步骤一：通过电池管理模块BMS9配置各电池簇2初始输出电压和最大充、放电电流；
步骤二：启动单个调节装置5，并投入到直流母线1中；
步骤三：实时采样直流母线1的电压和各电池簇2的电压、输出电流，并计算所有已投入电池簇2的平均输出电流；
步骤四：分别对比每个电池簇2的输出电流与平均输出电流的大小，若存在较大偏差（偏差门限可自行设定），则表明本电池簇2与其他电池簇2存在环流，若存在环流则进行步骤五，否则进行步骤六；
步骤五：本电池簇2输出电流大于平均输出电流时，则降低本电池簇2的输出电压；若小于平均输出电流时，则升高本电池簇2的输出电压，然后重复步骤3和步骤四；
步骤六：判定是否已经投入所有电池簇2的调节装置5，如果已完全投入，则将所有调节装置5的最大充、放电电流配置为可运行的最大值；否则进行步骤二。
本发明运行均衡策略的具体步骤包括：
步骤一：通过电池管理模块BMS9调节每个电池簇2的SOC，并计算所有SOC的平均值，得到SOCa；
步骤二：判定用电系统是否处于大功率运行（可自行设定，优选为额定值的20%或10%）中，若是则进行均衡处理，否则就退出本次均衡；
步骤三：判定当前电池簇2的SOC是否小于SOCa一定程度（优选阈值为SOCa值的20%），若是则降低本电池簇2的输出电压，然后进行步骤五，否则进行步骤四；
步骤四：判定当前电池簇2的SOC是否大于SOCa一定程度（优选阈值为SOCa值的20%），若是则升高本电池簇2的输出电压，然后进行步骤5，否则进行步骤6；
步骤五：判定本电池簇2输出电压是否超过最高、最低限制，若是则对本电池簇2输出电压限制于最高、最低限制范围内，然后进行步骤六，否则直接进行步骤六；
步骤六：判定是否已完成对所有电池簇2的均衡处理，若未完成则重复步骤二至步骤六，否则退出本次均衡。
具体的，所述调节装置5还包括控制模块，所述控制模块包括输出电压参考生成模块、电压控制环模块、电流控制环模块、前馈模块，控制模块的配置参数包括输出电压给定和虚拟电阻，采样参数包括输出电流、输出电压、输入电压，输出参数为PWM调制度。
具体的，参阅图5-9，调节装置5的控制方法步骤如下步骤：
步骤一：实时采集调节装置5的输出电流、输出电压和输入电压，其中输出电流和输出电压为被控信号；
步骤二：电池管理模块BMS9通过通信的方式对调节装置的输出电压给定和虚拟内阻进行配置；
步骤三：输出电压参考生成模块：输出电流与虚拟内阻的乘积得到下垂电压，输出电压给定与下垂电压作差，得到输出电压参考；（附图6）
步骤四：电压控制环模块：输出电压参考与输出电压的偏差，经PI调节器后输出控制量，将该控制量限制于最大放电电流和最大充电电流之间，得到输出电流参考；（附图7）
步骤五：电流控制环模块：输出电流参考与输出电电流的偏差，经PI调节器后输出控制量，将该控制量限制于最大调节偏差和最小调节偏差之间，得到PWM调制度偏差；（附图8）
步骤六：前馈模块：输出电压与输入电压相除得到PWM调制度基值，PWM调制度偏差叠加上PWM调制度基值后得到PWM调制度。该调制度与载波实时比较，调整输出脉宽驱动开关管（BT1~BT16）工作，从而实现对调节装置5输出电压的调节。（附图9）
本发明通过调整调节装置5的输出电压实现电池簇2间的SOC均衡，达到每电池簇2独立管理的目的，避免长期运行导致电池内阻、电压不一致从而影响整体的运行效果及循环寿命。
实施例2：
在本实施例当中，在调压直流变换器7上串联一个IGBT开关管（未在附图中标出），用于直流母线1短路的us级保护，同时也可用于直流母线1的瞬时过欠压保护。IGBT开关管在运行过程中保持开通，虽仅有开通损耗，但在大功率工况下，固定损耗也很大，对整体散热有一定的要求。另外，该IGBT开关管串联于主回路中，无缓冲环节，抗冲击能力较差，那么在直流母线1上投入电容负载时存在保护关断，或者关断不及时而导致器件损坏的情况。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
需要说明的是，对于前述的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本申请所必须的。
上述实施例中，描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于电池簇间均衡的虚拟内阻调节装置，包括多个电池簇（2），其特征在于，所述电池簇（2）均通过调节装置（5）与直流母线（1）相连接，所述调节装置（5）包括旁路开关（6）和调压直流变换器（7）；所述直流母线（1）与储能变流器（3）相连接，所述储能变流器（3）与电网（4）相连接，通过储能变流器（3）将直流电转换为交流电，并接入电网（4），实现电池簇（2）与电网（4）的能量交换；所述调节直流变换器（7）包括主控板，所述主控板上设置主控芯片和控制电路；所述控制电路包括闭环控制电路和开环高频控制电路，所述闭环控制电路用以实现闭环电压控制和限流控制；所述开环高频控制电路用以实现副边电流均衡；还包括电池管理模块BMS（9），所述电池管理模块BMS（9）通过CAN或RS485通信总线与调节装置（5）相连接；BMS电池管理系统单元包括BMS电池管理系统、控制模组、显示模组、无线通信模组、电气设备、用于为电气设备供电的电池组以及用于采集电池组的电池信息的采集模组，所述BMS电池管理系统通过通信接口分别与无线通信模组及显示模组连接，所述采集模组的输出端与BMS电池管理系统的输入端连接，所述BMS电池管理系统的输出端与控制模组的输入端连接，所述控制模组分别与电池组及电气设备连接，所述BMS电池管理系统通过无线通信模块与Server服务器端连接；
调节装置（5）还包括控制模块，所述控制模块包括输出电压参考生成模块、电压控制环模块、电流控制环模块、前馈模块，控制模块的配置参数包括输出电压给定和虚拟电阻，采样参数包括输出电流、输出电压、输入电压，输出参数为PWM调制度；
启动控制策略包括如下步骤：
步骤一：通过电池管理模块BMS（9）配置各电池簇（2）初始输出电压和最大充、放电电流；
步骤二：启动单个调节装置（5），并投入到直流母线（1）中；
步骤三：实时采样直流母线（1）的电压和各电池簇（2）的电压、输出电流，并计算所有已投入电池簇（2）的平均输出电流；
步骤四：分别对比每个电池簇（2）的输出电流与平均输出电流的大小，若存在较大偏差，则表明本电池簇（2）与其他电池簇（2）存在环流，若存在环流则进行步骤五，否则进行步骤六；
步骤五：本电池簇（2）输出电流大于平均输出电流时，则降低本电池簇（2）的输出电压；若小于平均输出电流时，则升高本电池簇（2）的输出电压，然后重复步骤三和步骤四；
步骤六：判定是否已经投入所有电池簇（2）的调节装置（5），如果已完全投入，则将所有调节装置（5）的最大充、放电电流配置为可运行的最大值；否则进行步骤二；
运行均衡策略的具体步骤包括：
步骤一：通过电池管理模块BMS9调节每个电池簇（2）的SOC，并计算所有SOC的平均值，得到SOCa；
步骤二：判定用电系统是否处于大功率运行中，若是则进行均衡处理，否则就退出本次均衡；
步骤三：判定当前电池簇（2）的SOC是否小于SOCa的设定阈值，所述设定阈值为SOCa值的20%，若是则降低本电池簇（2）的输出电压，然后进行步骤五，否则进行步骤四；
步骤四：判定当前电池簇（2）的SOC是否大于SOCa的设定阈值，所述设定阈值为SOCa值的20%，若是则升高本电池簇（2）的输出电压，然后进行步骤五，否则进行步骤六；
步骤五：判定本电池簇（2）输出电压是否超过最高、最低限制，若是则对本电池簇（2）输出电压限制于最高、最低限制范围内，然后进行步骤六，否则直接进行步骤六；
步骤六：判定是否已完成对所有电池簇（2）的均衡处理，若未完成则重复步骤二至步骤六，否则退出本次均衡；
调节装置（5）的控制方法步骤如下步骤：
步骤一：实时采集调节装置（5）的输出电流、输出电压和输入电压，其中输出电流和输出电压为被控信号；
步骤二：电池管理模块BMS（9）通过通信的方式对调节装置的输出电压给定和虚拟内阻进行配置；
步骤三：输出电压参考生成模块：输出电流与虚拟内阻的乘积得到下垂电压，输出电压给定与下垂电压作差，得到输出电压参考；
步骤四：电压控制环模块：输出电压参考与输出电压的偏差，经PI调节器后输出控制量，将该控制量限制于最大放电电流和最大充电电流之间，得到输出电流参考；
步骤五：电流控制环模块：输出电流参考与输出电电流的偏差，经PI调节器后输出控制量，将该控制量限制于最大调节偏差和最小调节偏差之间，得到PWM调制度偏差；
步骤六：前馈模块：输出电压与输入电压相除得到PWM调制度基值，PWM调制度偏差叠加上PWM调制度基值后得到PWM调制度，从而实现对调节装置（5）输出电压的调节。
2.如权利要求1所述的一种用于电池簇间均衡的虚拟内阻调节装置，其特征在于，所述主控芯片采用的型号为TMS320F28034。
3.如权利要求1所述的一种用于电池簇间均衡的虚拟内阻调节装置，其特征在于，所述调节直流变换器（7）上设置有指示灯和通信接口，所述指示灯至少包括电源指示灯和运行状态指示灯；所述通信接口至少包括IO接口、RS485接口和CAN通信接口。
4.如权利要求1所述的一种用于电池簇间均衡的虚拟内阻调节装置，其特征在于，所述调节直流变换器（7）上设置有提手（8）。
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