CN114914958A - 一种移动储能电源优化集成与控制系统 - Google Patents

一种移动储能电源优化集成与控制系统 Download PDF

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傅志栋
吴甜
林永清
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Abstract

本发明涉及一种移动储能电源优化集成与控制系统，包括上位机、控制器和储能元件，所述控制器通过DC/DC变换器连接至储能元件，所述控制器负责接收传感器测量的数据，并发送控制指令给DC/DC变换器，所述储能元件包括蓄电池组和超级电容；所述控制器通过检测单元管理蓄电池组，所述检测模块包括：电压、电流和温度检测模块、充电控制模块和放电控制模块；本发明提供的电源优化集成与控制系统，控制器与各单元之间能够正常通信以实时获取储能电池电压、电流、温度参数，获取系统工作温度数据以及用电器电流数据，实现对单体电池进行被动均衡，对单体电池在充放电过程中进行保护。

Description

一种移动储能电源优化集成与控制系统
技术领域
本发明属于电池安全技术领域，具体涉及一种移动储能电源优化集成与控制系统。
背景技术
随着新能源以及社会经济的发展，电力系统中供能和用能的复杂性和多样性也急剧的增加，而用户对电能供电可靠性和供电质量的要求越来越高。实际上，电力系统的本质是能量的实时平衡，所有的不确定和不安全因素都是在破坏电能生产、输送或消费的瞬时平衡，而电能存储(即储能技术)可作为直接解决电能不平衡问题的方案。
各类型储能电源中，电化学储能即储能电池的应用受环境等客观因素的影响较小，且配置灵活，并具备储能电源的基本特点如动作速度快、调节方式灵活，将储能电源中的储能电池类型运用于辅助电网调频，能有效改善电网调频性能，蓄电池中锂离子电池组同一规格型号的单体电池组成电池组后，其电压、容量、内阻、寿命、温度影响、自放电率等参数存在一定的差别。对存在不一致的电池组进行充放电时，由于电池的成组方式为串联连接，即充放电电流相同，相同时间内充入或放出的能量亦相同，在此情况下对电池组进行充电，当部分初始电压/SOC值较高的电池处于充满状态时，其余电池仍未充满，进行放电时，当部分初始电压/SOC值较低的电池放电截止时，其余电池仍存有很多电量。长时间进行这种充电方式，不仅会减少电池组的可用容量，而且还会导致部分电池过充过放，对电池造成损害，减少电池组使用寿命。
当电池组中一个单体电池充满电时，电池组须停止充电，避免电池出现过充电；当电池组中一个单体电池电压低于放电截至电压时，电池组须停止放电，避免电池出现过放电，每经历一次电池组充放电循环，就会导致电池组中部分电池充电时未充满，放电时未放完，长此累积，弱电池与强电池之间的容量之差变大，阻碍了电池组的充放电能力。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种移动储能电源优化集成与控制系统，MCU与各单元之间能够正常通信以实时获取储能电池电压、电流、温度参数，获取系统工作温度数据以及用电器电流数据，实现对单体电池进行被动均衡，对单体电池在充放电过程中进行保护。
本发明的目的是这样实现的：
一种移动储能电源优化集成与控制系统，包括上位机、控制器和储能元件，所述控制器通过DC/DC变换器连接至储能元件，所述控制器负责接收传感器测量的数据，并发送控制指令给DC/DC变换器，以实时调整混合储能系统中的功率分配，所述上位机负责接收控制器上传的数据信息并指挥控制器的行为，所述储能元件包括蓄电池组和超级电容；
所述控制器通过检测单元管理蓄电池组，所述检测模块包括：
电压、电流和温度检测模块，检测环境温度、串联连接的蓄电池组的充电/放电电流、端电压和蓄电池组的每个单电池的温度，防止蓄电池组的过度充电，过度放电和过热；
充电控制模块，对管控电压进行充电，对蓄电池组充电电压和温度进行检测，制止蓄电池组因环境温度的提高而大量充电的行为，平衡蓄电池组的充电，防止蓄电池组的每个单电池过度充电；
放电控制模块，对蓄电池组的放电管控，制止放电，按照放电截止电压管控放电，制止蓄电池组的每个单电池过放电。
优选的，所述储能元件通过CAN总线连接至直流母线，所述直流母线连接至负载。
优选的，所述控制器通过通信模块和单片机连接至检测模块，所述单片机与检测模块通过SPI协议进行内部通讯，所述单片机与负载的电流检测模块和绝缘检测模块之间通过I2C协议进行内部通讯，所述单片机与上位机的控制器之间的外部通讯采用CAN通讯、RS485和RS232的方式。
优选的，所述通信模块用于完成蓄电池组的检测模块与控制器之间的双向传输功能，所述通信模块采用GPRS模块完成数据的传输的工作并从控制器传输管控数据，把监视信息传输到上位机。
优选的，所述检测模块与蓄电池组之间通过均衡结构实现蓄电池组的电压均衡，所述均衡结构包括依次连接控制器的上层均衡器、中层均衡器和底层均衡器，所述底层均衡器连接至储能单元。
优选的，所述储能单元包括蓄电池组的三个串联的单体电池，所述底层均衡器以三个储能单元为均衡对象，所述储能单元设n个且n为3的倍数，所述中层均衡器以三个底层均衡器为均衡对象，所述上层均衡器以三个中层均衡器为均衡对象，所述上层均衡器连接至控制器。
优选的，所述底层均衡器采用单管多绕组反激变换器结构，所述中层均衡器和上层均衡器采用飞渡电容结构。
优选的，所述单片机在过充电检测的过程中，过充电解除电压Vr满足：
Vr＝Vd-Vh，其中Vd为过充电检测电压，Vh为过充电迟滞电压，且过充电解除电压Vr≥3.8Vo
优选的，过放电解除电压Vor满足：Vor＝Vod+Voh，其中Vod表示过放电检测电压，Voh表示过放电迟滞电压，且过放电解除电压Vor≤3.4V。
优选的，充电控制模块和放电控制模块保护的是整个蓄电池组充放电时的安全，与单片机的检测范围不相符，因此需要对蓄电池组的电压进行适当的分压，使之与单片机检测电压相对应，充放电保护电路中的VDD接口通过电阻R1和电阻R2与地连接，通过MOS管、电阻R3和电阻R4与蓄电池组的最高电位的最高点VH相连，VDD2作为MOS管驱动信号，当MOS管闭合时，电池组电压与芯片检测电压分压关系如下：
Vr＝(R1+R2)VH/(R1+R2+R3+R4)，此时的电压数值与单片机检测电压数值基本满足，能够实现电池组的充放电保护。
优选的，设蓄电池组串联的单体数量为3n个，分为n层，设单个均衡器的均衡效率为η，则对3n个单体来说，其失衡情况根据待均衡的电压最高和电压最低的两个单体出现的位置来确定，则有其失衡情况的总体为3n(3n-1)种，则有当均衡效率值为η时，系统均衡效率为P＝6×3n-1/[3n(3n-1)]，此时，系统均衡效率值出现η的情况发生在待均衡的两单体位于底层(n层)的同一个均衡器内时。
优选的，由上述类推，当系统均衡效率值出现ηk的情况发生在待均衡的两个单体位于第n-k+1层的同一个均衡器但是属于第n-k+2层的不同均衡器内的时候，待均衡的两个单体的位置情况有(3k-1×3k-1×2×3)×3n-k种，则有P＝3k-1×2/(3n-1)。
优选的，当系统均衡效率值出现ηn的情况发生在待均衡的两个单体分别位于底层的首尾两个均衡器内时，则有P＝3n-1×3n-1×2×3/[3n(3n-1)]。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的一种移动储能电源优化集成与控制系统，MCU与各单元之间能够正常通信以实时获取储能电池电压、电流、温度参数，获取系统工作温度数据以及用电器电流数据，实现对单体电池进行被动均衡，对单体电池在充放电过程中进行保护。
2、本发明提供的一种移动储能电源优化集成与控制系统，当发生组间电压失衡时，上层均衡器启动，判断出当前工作周期内电压失衡单元，并通过控制相应开关的开通和关断使飞渡电容在两单元间周期性切换，将能量从电压最高储能单元点对点的转移到电压最低的储能单元中，实现失衡电池组间电压快速高效均衡，高中低三层均衡器之间通过CAN总线的实时数据传输，协调动作，互不影响，实现电源组任两单体间的能量直接或跨越性传递，提高了整个系统均衡效率、缩短了均衡时间。
3、本发明提供的一种移动储能电源优化集成与控制系统，通过单体电池端进行使能控制，将单体电压高于电池组平均电压的电池，经FET和电阻将能量消耗，使整个电池组电压保持一致性，单片机的芯片内部存在FET和相应的分流电阻，能对小电流，慢速电池进行均衡，芯片与电池连接的外围电路中，添加外部FET和分流电阻，允许较大的电流和快速均衡，单体电池端除了控制均衡的开断外，还能够选择内部或外部均衡模式，选择最佳的均衡方式。
附图说明
图1是本发明一种移动储能电源优化集成与控制系统结构示意图。
图2是本发明一种移动储能电源优化集成与控制系统的蓄电池组与上位机连接示意图。
图3是本发明一种移动储能电源优化集成与控制系统的蓄电池组与负载连接示意图。
图4是本发明一种移动储能电源优化集成与控制系统的均衡结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。
实施例1
结合图1，一种移动储能电源优化集成与控制系统，包括上位机、控制器和储能元件，所述控制器通过DC/DC变换器连接至储能元件，通过一条直流总线连接不同的储能元件和负载，其中总线与储能元件之间可以直接连接，也可以通过DC/DC变压器相连接，所述控制器负责接收传感器测量的数据，并发送控制指令给DC/DC变换器，以实时调整混合储能系统中的功率分配，所述上位机负责接收控制器上传的数据信息并指挥控制器的行为，所述储能元件包括蓄电池组和超级电容，DC/DC变换器两端的电压、电流由DC/DC变换器记录并经由CAN发出，超级电容电流由电流传感器测量并经由CAN发出，控制器从CAN记录上述数据，并经由串口发至上位机，上位机记录相关数据。负载电压、电流由电池测试仪测量并记录。
结合图2和图3，所述控制器通过检测单元管理蓄电池组，所述检测模块包括：
电压、电流和温度检测模块，检测环境温度、串联连接的蓄电池组的充电/放电电流、端电压和蓄电池组的每个单电池的温度，防止蓄电池组的过度充电，过度放电和过热；
充电控制模块，对管控电压进行充电，对蓄电池组充电电压和温度进行检测，制止蓄电池组因环境温度的提高而大量充电的行为，平衡蓄电池组的充电，防止蓄电池组的每个单电池过度充电；
放电控制模块，对蓄电池组的放电管控，制止放电，按照放电截止电压管控放电，制止蓄电池组的每个单电池过放电；
通讯模块，用于完成蓄电池组的检测模块与控制器之间的双向传输功能，所述通信模块采用GPRS模块完成数据的传输的工作并从控制器传输管控数据，把监视信息传输到上位机。
控制器用于检测模块和上位机之间的信息传输，单片机收集由多个充电/放电检测模块数据，将其发送到上位机，然后将上位机控制命令发送到单个检测模块，以进行总体充电/放电监视并提供控制系统。
所述控制器通过通信模块和单片机连接至检测模块，所述单片机与检测模块通过SPI协议进行内部通讯，所述单片机与负载的电流检测模块和绝缘检测模块之间通过I2C协议进行内部通讯，所述单片机与上位机的控制器之间的外部通讯采用CAN通讯、RS485和RS232的方式。
实施例2
在实施例1的基础上，结合图4，所述检测模块与蓄电池组之间通过均衡结构实现蓄电池组的电压均衡，所述均衡结构包括依次连接控制器的上层均衡器、中层均衡器和底层均衡器，所述底层均衡器连接至储能单元。
所述储能单元包括蓄电池组的三个串联的单体电池，所述底层均衡器以三个储能单元为均衡对象，所述储能单元设n个且n为3的倍数，所述中层均衡器以三个底层均衡器为均衡对象，所述上层均衡器以三个中层均衡器为均衡对象，所述上层均衡器连接至控制器，所述底层均衡器采用单管多绕组反激变换器结构，所述中层均衡器和上层均衡器采用飞渡电容结构。
当发生组间电压失衡时，上层均衡器启动，判断出当前工作周期内电压失衡单元，并通过控制相应开关的开通和关断使飞渡电容在两单元间周期性切换，将能量从电压最高储能单元点对点的转移到电压最低的储能单元中，实现失衡电池组间电压快速高效均衡，高中低三层均衡器之间通过CAN总线的实时数据传输，协调动作，互不影响，实现电源组任两单体间的能量直接或跨越性传递，提高了整个系统均衡效率、缩短了均衡时间。
通过单体电池端进行使能控制，将单体电压高于电池组平均电压的电池，经FET和电阻将能量消耗，使整个电池组电压保持一致性，单片机的芯片内部存在FET和相应的分流电阻，能对小电流，慢速电池进行均衡，芯片与电池连接的外围电路中，添加外部FET和分流电阻，允许较大的电流和快速均衡，单体电池端除了控制均衡的开断外，还能够选择内部或外部均衡模式，选择最佳的均衡方式。
实施例3
在实施例1的基础上，所述单片机在过充电检测的过程中，过充电解除电压Vr满足：Vr＝Vd-Vh，其中Vd为过充电检测电压，Vh为过充电迟滞电压，且过充电解除电压Vr≥3.8V。
过放电解除电压Vor满足：Vor＝Vod+Voh，其中Vod表示过放电检测电压，Voh表示过放电迟滞电压，且过放电解除电压Vor≤3.4V。
充电控制模块和放电控制模块保护的是整个蓄电池组充放电时的安全，与单片机的检测范围不相符，因此需要对蓄电池组的电压进行适当的分压，使之与单片机检测电压相对应，充放电保护电路中的VDD接口通过电阻R1和电阻R2与地连接，通过MOS管、电阻R3和电阻R4与蓄电池组的最高电位的最高点VH相连，VDD2作为MOS管驱动信号，当MOS管闭合时，电池组电压与芯片检测电压分压关系如下：Vr＝(R1+R2)VH/(R1+R2+R3+R4)，此时的电压数值与单片机检测电压数值基本满足，能够实现电池组的充放电保护。
实施例4
在实施例2的基础上，设蓄电池组串联的单体数量为3n个，分为n层，设单个均衡器的均衡效率为η，则对3n个单体来说，其失衡情况根据待均衡的电压最高和电压最低的两个单体出现的位置来确定，则有其失衡情况的总体为3n(3n-1)种，则有当均衡效率值为η时，系统均衡效率为P＝6×3n-1/[3n(3n-1)]，此时，系统均衡效率值出现η的情况发生在待均衡的两单体位于底层(n层)的同一个均衡器内时。
由上述类推，当系统均衡效率值出现ηk的情况发生在待均衡的两个单体位于第n-k+1层的同一个均衡器但是属于第n-k+2层的不同均衡器内的时候，待均衡的两个单体的位置情况有(3k-1×3k-1×2×3)×3n-k种，则有P＝3k-1×2/(3n-1)。
当系统均衡效率值出现ηn的情况发生在待均衡的两个单体分别位于底层的首尾两个均衡器内时，则有P＝3n-1×3n-1×2×3/[3n(3n-1)]。
由上述计算，当串联储能电池组均衡单体数目较多时，基于均衡结构的均衡系统在均衡效率上有非常明显的优势。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所做的任何修改，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种移动储能电源优化集成与控制系统，其特征在于：包括上位机、控制器和储能元件，所述控制器通过DC/DC变换器连接至储能元件，所述控制器负责接收传感器测量的数据，并发送控制指令给DC/DC变换器，以实时调整混合储能系统中的功率分配，所述上位机负责接收控制器上传的数据信息并指挥控制器的行为，所述储能元件包括蓄电池组和超级电容；
所述控制器通过检测单元管理蓄电池组，所述检测模块包括：
电压、电流和温度检测模块，检测环境温度、串联连接的蓄电池组的充电/放电电流、端电压和蓄电池组的每个单电池的温度，防止蓄电池组的过度充电，过度放电和过热；
充电控制模块，对管控电压进行充电，对蓄电池组充电电压和温度进行检测，制止蓄电池组因环境温度的提高而大量充电的行为，平衡蓄电池组的充电，防止蓄电池组的每个单电池过度充电；
放电控制模块，对蓄电池组的放电管控，制止放电，按照放电截止电压管控放电，制止蓄电池组的每个单电池过放电。
2.根据权利要求1所述的一种移动储能电源优化集成与控制系统，其特征在于：所述储能元件通过CAN总线连接至直流母线，所述直流母线连接至负载。
3.根据权利要求2所述的一种移动储能电源优化集成与控制系统，其特征在于：所述控制器通过通信模块和单片机连接至检测模块，所述单片机与检测模块通过SPI协议进行内部通讯，所述单片机与负载的电流检测模块和绝缘检测模块之间通过12C协议进行内部通讯，所述单片机与上位机的控制器之间的外部通讯采用CAN通讯、RS485和RS232的方式。
4.根据权利要求3所述的一种移动储能电源优化集成与控制系统，其特征在于：所述通信模块用于完成蓄电池组的检测模块与控制器之间的双向传输功能，所述通信模块采用GPRS模块完成数据的传输的工作并从控制器传输管控数据，把监视信息传输到上位机。
5.根据权利要求1所述的一种移动储能电源优化集成与控制系统，其特征在于：所述检测模块与蓄电池组之间通过均衡结构实现蓄电池组的电压均衡，所述均衡结构包括依次连接控制器的上层均衡器、中层均衡器和底层均衡器，所述底层均衡器连接至储能单元。
6.根据权利要求5所述的一种移动储能电源优化集成与控制系统，其特征在于：所述储能单元包括蓄电池组的三个串联的单体电池，所述底层均衡器以三个储能单元为均衡对象，所述储能单元设n个且n为3的倍数，所述中层均衡器以三个底层均衡器为均衡对象，所述上层均衡器以三个中层均衡器为均衡对象，所述上层均衡器连接至控制器。
7.根据权利要求1所述的一种移动储能电源优化集成与控制系统，其特征在于：所述底层均衡器采用单管多绕组反激变换器结构，所述中层均衡器和上层均衡器采用飞渡电容结构。
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