CN116505632B - 电池充放电电路及控制系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电池充放电电路，包括：n个储能电芯串联构成电池模组，电池模组正极连接双向DC/DC变换器正极输入端，电池模组负极连接双向DC/DC变换器负极输入端、负极输出端，双向DC/DC变换器的正极输入端和正极输出端之间连接ECO开关电路，双向DC/DC变换器的正、负极输出端之间连接旁路开关，旁路开关上连接电路输出端子；结合本发明电池充放电控制系统及方法，在电路故障或者根据用电系统运行需求，在冗余数量范围内可退出，不影响用电系统运行，且退出过程不会产生母线电压中断和异常，也不会影响后级系统以及负载运行。
Description
技术领域
本发明属于电化学储能电池充放电能量管理技术领域，具体涉及电池充放电电路，还涉及电池充放电控制系统及控制方法。
背景技术
随着新能源发电技术的发展以及“双碳”目标的提出，解决“弃风”、“弃光”最有效的技术方案就是储能的应用，储能系统可以有效解决能量的时空分布，储能系统的大规模应用中尤其是电化学储能技术更是得到了更快的发展。由于电芯的电压低、容量小，因此在各种储能应用场景中，需要将大量的电芯单体进行串并联，在电芯的生产制造过程中，难以确保各电芯性能的一致性，电芯在运行过程中，各电芯工作环境的差异性，电芯的老化速率也不尽相同，导致电芯性能不一致进一步加剧。单个电芯性能的不一致，使得在同一储能系统中，难以保证每个电池荷电状态相同，而电芯的开路电压跟内阻均跟电芯荷电状态相关，当电芯荷电状态不一致时，在电池模组内部以及各并联电池模组间，都将由于电芯电压的不一致产生环流，环流进一步导致电池储能系统的充放电循环效率降低，同时换流进一步加剧了电芯的老化，使得电池内阻增大，损耗增大，效率降低，也降低了储能系统的整体寿命，增加了系统的成本。
虽然在储能电池模组生产之初，需要对电芯进行筛选，将开路电压跟电池等效内阻一致的电芯分类使用，但即使筛选的电芯，在后续的运行过程中依然会出现电芯参数的差异化，导致电池荷电状态的不一致。
对于大功率储能系统，多采用多个电池模组串联构成高电压，当串联的电池模组中其中一个出现异常，将导致串联的电池模组簇整体退出运行，降低电池利用效率，严重影响系统运行的可靠性。
接入电网运行的储能系统，当电网发生高电压穿越，由于高电压穿越发生时间的随机性，由于储能电池持续放电，在发生时刻储能电池簇的直流母线电压降低，这时候将无法满足高电压穿越要求，这是电网所不允许的。
中国专利申请号：202211204986.5针对每颗电芯采用了半桥开关，并且针对每颗电芯具备旁路功能，半桥开关纹波电流注入电芯，造成电芯内阻增大，电芯损耗增大，长期应用会导致电芯损坏，而且针对每颗电芯控制，会导致控制系统复杂，成本高，生产工艺复杂，很难实现工业化应用需求；中国发明专利申请号：202110738804.1在电芯模组两端并联有电力电子半桥开关，通过开关上管闭合，将电芯模组接入，实现多个电芯模组相串联，下管闭合，将该电芯模组退出，相对于直接将电芯模组串联构成高电压储能电池簇，可以方便的将某个或者某些电芯模组接入或者退出储能电池簇。中国发明专利申请号：202110682357.2，在电芯两端并联有电力电子半桥开关，通过开关上管闭合，将电芯模组接入，实现多个电芯模组相串联，下管闭合，将该电芯模组退出，相对于直接将电芯模组串联构成高电压储能电池簇，可以方便的将某个或者某些电芯模组接入或者退出，同时将上下管进行开关控制，实现电压调节。中国专利申请号：202020897366.4，电芯模组接于H桥电路，若干个这样的单元串联构成高电压的电池簇结构，在整个串联构成电池簇的正负极接入另外H桥电路，既可以实现电芯模组输出电压的调节以及双向的充放电的需求，另外簇级的H桥变换器可以对整簇的电压进行调节，但是无法实现某个电池模组异常的退出方式，如果有某个电池模组异常，只能将整个簇退出运行。
发明内容
本发明的目的是提供电池充放电电路，解决了多模态电池中个例异常情况对系统的运行影响，提高用电系统的冗余度和可靠性。
本发明的第二个目的是提供电池充放电控制系统。
本发明的第三个目的是提供电池充放电控制方法。
本发明所采用的第一个技术方案是，电池充放电电路，包括：n个储能电芯串联构成电池模组，电池模组正极连接双向DC/DC变换器正极输入端，电池模组负极连接双向DC/DC变换器负极输入端、负极输出端，双向DC/DC变换器的正极输入端和正极输出端之间连接ECO开关电路，双向DC/DC变换器的正、负极输出端之间连接旁路开关，旁路开关上连接电路输出端子。
本发明的特点还在于：
双向DC/DC变换器为非隔离型双向DC/DC变换器。
旁路开关包括串联的开关T5、开关T6，开关T6并联有开关K2，开关T5连接双向DC/DC变换器的正极，开关T6连接双向DC/DC变换器的负极，开关T6两端连接电路输出端子。
开关T5、开关T6均为全控型电力电子开关器件。
本发明所采用的另一个技术方案是，电池充放电控制系统，包括控制器，控制器连接隔离驱动模块，控制器控制采集电池模组电压U_battery和电路输出端子两端电压U_dc，并输出的PWM信号通过隔离驱动模块电气隔离和信号放大后给电池充放电电路中对应的开关进行开/关控制。
本发明所采用的第三个技术方案是，电池充放电控制方法，采用电池充放电控制系统，具体按照以下步骤实施：
步骤1、设置阈值电压A，控制器检测电池模组电压U_battery是否大于阈值电压A，若是，则双向DC/DC变换器处于降压电路工作模态，执行步骤2，否则，双向DC/DC变换器降压电路封锁，运行于ECO模态，执行步骤3；
步骤2、继续判断电池模组电压U_battery是否大于阈值电压A，大于则重复执行步骤2，否则，执行步骤3；
步骤3、设置电压阈值B，判断电池模组电压U_battery是否大于阈值电压B，若是，则重复执行步骤3，否则，执行步骤4；
步骤4、运行于旁路运行模态，封锁除了开关T6以外的电子开关，控制器给电子开关T6驱动信号，使得T6开关导通，同时给开关K2闭合信号，待开关K2导通后，给电子开关T6封锁信号，该电子开关关断。
阈值电压A取值为电池模组的电芯数量×单电芯额定电压。
阈值电压B取值为电池模组的电芯数量×单电芯下限截止电压。
还包括：在ECO运行模态，检测到电池模组电压中各电芯参数信息，如存在电芯异常或者接收到上级调度系统，将运行模态转换至旁路运行模态，则执行步骤4。
还包括：在双向DC/DC变换器运行模态，检测到双向DC/DC变换器运行异常或者接收到上级调度系统将运行模态转换至旁路运行模态，则返回步骤4。
本发明的有益效果是：
本发明电池充放电电路，在电路故障或者根据用电系统运行需求，在冗余数量范围内可退出，不影响用电系统运行，且退出过程不会产生母线电压中断和异常，也不会影响后级系统以及负载运行。
电池模组放电使得电池模组电压降低时，设置阈值电压A，旁路开关闭合，双向DC/DC变换器可退出运行，降低系统运行损耗，提高运行效率；另外当运行中由于双向DC/DC变换器故障，双向DC/DC变换器将退出运行，K1开关闭合，该电池模组串联直接接入系统运行，消除由于双向DC/DC变换器故障对系统的影响，提高系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明中双向DC/DC变换器的第一种结构示意图；
图2为本发明中双向DC/DC变换器的第二种结构示意图；
图3为本发明中双向DC/DC变换器的第三种结构示意图；
图4为本发明中ECO开关电路示意图；
图5为本发明中旁路开关示意图；
图6为本发明电池充放电电路示意图；
图7为本发明电池充放电控制系统结构示意图；
图8为本发明电池充放电控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
双向DC/DC变换器结构如图1所示，包括相互连接的开关T1、开关T2，相互连接的开关T3、开关T4，开关T1、开关T2连接节点与开关T3、开关T4连接节点之间连接电感L，开关T1另一端与开关T2另一端之间连接n个储能电芯串联构成电池模组，开关T3与开关T4并联电容C1，电容C1两端接触端子作为变换器正负极输出端。
如图1中DC/DC 变换器具备双向能量流动，可以满足对电芯的充电和放电应用需求，通过DC/DC 对电压调节，弥补电池充放电过程中电压的变化对系统运行的影响，尤其是电网高电压穿越功能需求的保障。ECO 开关电路、以及旁路开关结合使得系统根据系统需求运行于不同的模态，提高了系统的运行可靠性和运行效率的兼容，总体而言，通过DC/DC变换器以及ECO 开关电路、旁路开关的结合既可以满足不同电芯的混合使用，省略不必要的人工筛选成本，同时提高系统运行可靠性，提升系统冗余，将会极大提高系统运行效率和经济性。
实施例2
双向DC/DC变换器结构如图2所示，包括一端连接n个储能电芯串联构成电池模组正极端的电感L，电感L另一端连接开关T1和开关T3，开关T1连接开关T2和电容一端，开关T3连接电容另一端、开关T4一端，开关T4另一端与电池模组负极端之间连接电容C1，开关T2连接电池模组负极端，电容C1两端接触端子作为变换器正负极输出端。
实施例3
双向DC/DC变换器结构如图3所示，包括一端连接n个储能电芯串联构成电池模组正极端的开关T1，开关T1分别连接电感L一端、开关T2一端，开关T2另一端与n个储能电芯串联构成电池模组负极端之间连接电容C1，电感L另一端连接n个储能电芯串联构成电池模组负极端，电容C1两端接触端子作为变换器正负极输出端。
以上三个实施例中开关T1-T4均为全控型电力电子开关器件，包含但不限于MOSFET、IGBT、IGCT等,可以为单管也可为多个开关并联的开关组。
双向DC/DC变换器为非隔离型双向DC/DC变换器。包含但不限于以上三个实施例中结构，也可以是其它任何非隔离型的双向DC/DC变换器。
ECO开关电路如图4所示：ECO开关电路,其开关K1可以是机械开关、也可以是电力电子开关，可以是单只开关也可以是多个开关串并联构成的开关组，开关K1的两端分别定义为连接点H和I；其中K1包含但不限于接触器、断路器、继电器、IGBT、MOSFET、IGCT等，也可以是机械开关与电子开关串并联构成的开关组。
本发明中，ECO开关有两个作用：1、在放电模式下，电芯电压较高时候，可以运行于ECO 模态，降低系统损耗，提高效率或者在充电模式下，电芯电压较低时，可以运行于ECO模式，快速充电，降低系统损耗，提高运行效率；2、DC/DC 变换器需要退出工况下或者异常工况下，DC/DC 变换器退出运行，保证储能系统可以持续运行，不会因为串联系统部件异常对系统整体运行的影响。
如图5所示，旁路开关包括由开关T5、开关T6串联构成的半桥电路，其中该半桥两端分别定义为连接点D和F，中点为连接点E，开关T6并联有开关K2，开关T5连接双向DC/DC变换器的正极，开关T6连接双向DC/DC变换器的负极，开关T6两端连接电路输出端子。
其中，开关K2是机械开关也可以是电力电子开关，可以是单只开关也可以是多个开关串并联构成的开关组。
开关T5、开关T6均为全控型电力电子开关器件；包含但不限于MOSFET、IGBT、IGCT等，可以为单管也可为多个开关并联的开关组。
由于双向DC/DC变换器滤波电容C1两端存在电压，所以在旁路运行模态下，开关T5断开，开关T6断开，开关T6为全控电力电子开关，开关的动作时间在ns级，可以实现快速动作，避免开关动作器件导致后级电路电压的中断，与开关T6并联开关K2大多为机械开关，具有更好的通流能力，机械开关动作时间长，所以开关T6与开关K2并联既满足了通流能力同时满足切换动作时间短。
本发明电池充放电电路，如图6所示，包括：n个储能电芯串联构成电池模组，将双向DC/DC变换器的连接点A与ECO开关电路的连接点相连接；将双向DC/DC变换器的连接点B与旁路开关电路的连接点D相连接；将ECO开关电路的连接点I与旁路开关电路的连接点E相连接；将双向DC/DC变换器的连接点C与旁路开关电路的连接点F相连接；组合电路（电池充放电电路）的旁路开关电路连接点E和连接点F为该组合电路输出DC+和DC-，该组合电路将各独立电路的优势集合于一起，具有更好的应用价值。电池充放电电路可以工作在恒功率方式、恒压方式、恒流方式等工作方式下，该工作方式可以根据系统需求进行控制选择。
本发明电池充放电电路具备以下特性：
1）本发明电池充放电电路具备冗余退出：
多模态电力电子电池模组故障或者根据系统运行需求，在冗余数量范围内可退出，不影响系统运行，且退出过程不会产生母线电压中断和异常，也不会影响后级系统以及负载运行问题。
2）本发明电池充放电电路具备ECO运行模式：
多模态电力电子电池模组放电使得电池模组电压降低时，设置阈值为Va1（一般设置为电芯设置电压Vn×串联电芯数量n）,K1机械开关闭合， DC/DC变换器可退出运行，降低系统运行损耗，提高运行效率；另外当运行中由于DC/DC变换器故障，DC/DC变换器将退出运行，K1开关闭合，该电池模组串联直接接入系统运行，消除由于DC/DC变换器故障对系统的影响，提高系统的可靠性。
3）本发明电池充放电电路具备旁路运行模式：
在系统运行过程中，多模态电力电子电池模组中电芯异常，控制器发出T1～T5关断信号，同时发出T6驱动开通信号，使得T6开通，同时控制器控制K2闭合，当K2确定闭合后，再由控制器发出T6关断信号，使得T6关断，由于T6的存在，使得旁路投入运行时间在us级，保证了直流母线电压的稳定。
如图7所示，电池充放电控制系统，包括控制器，控制器连接隔离驱动模块，控制器控制采集电池模组电压U_battery和电路输出端子两端电压U_dc，并输出的PWM信号通过隔离驱动模块电气隔离和信号放大后给对应的电子开关T1~T6对开关进行开/关控制。控制器对外有通讯接口，可以对外通讯信息交互，将电池充放电电路运行的状态和运行数据上传给外部数据监控平台，也可以接受外部数据监控平台的下发指令，包括运行模式、工作模态状态下发、运行数据、运行状态等数据的交互通讯。
采集输出电压U_dc 主要是系统控制需求，无论是DC/DC 运行于充电模式还是放电模式，均需要精确控制或者检测该电压作为一个关键的电气量。
电池充放电控制方法，采用电池充放电控制系统，如图8所示，电池充放电电路各运行模态逻辑图，按照该逻辑图其实现以下步骤：
步骤1、根据电池模组的电芯数量×单电芯额定电压设置阈值电压A，控制器检测电池模组电压U_battery是否大于阈值电压A，若是，则双向DC/DC变换器处于降压电路工作模态，执行步骤2，否则，双向DC/DC变换器降压电路封锁，运行于ECO模态，执行步骤3；
在ECO运行模态，检测到电池模组电压中各电芯参数信息，如存在电芯异常或者接收到上级调度系统，将运行模态转换至旁路运行模态，则执行步骤4。
步骤2、继续判断电池模组电压U_battery是否大于阈值电压A，大于则重复执行步骤2，否则，执行步骤3；
步骤3、根据电池模组的电芯数量×单电芯下限截止电压设置电压阈值B，判断电池模组电压U_battery是否大于阈值电压B，若是，则重复执行步骤3，否则，执行步骤4；
步骤4、运行于旁路运行模态，封锁除了开关T6以外的电子开关，控制器给电子开关T6驱动信号，使得T6开关导通，同时给开关K2闭合信号，待开关K2导通后，给电子开关T6封锁信号，该电子开关关断。
还包括：在双向DC/DC变换器运行模态，检测到双向DC/DC变换器运行异常或者接收到上级调度系统将运行模态转换至旁路运行模态，则返回步骤4。
本发明电池充放电电路中，双向DC/DC变换器多模态双向DC/DC变换器拓扑：该电路拓扑具备多种运行模态，可以运行于双向BUCK模态，以及ECO运行模态，实现系统的高效率运行，同时该模态也增强了系统的可靠性（针对双向DC/DC变换器异常退出）；另外也可以运行于旁路模态，进一步增强了系统运行的可靠性和异常状态冗余性。本发明电池充放电电路、电路控制系统、控制方法结合使用，实现了将储能系统电能高效变换和运行安全性和可靠性的技术融合，将多种在储能系统甚至在电力电子系统所追求的多种目标技术融合和方法融合。
本发明电路结构的实现和器件参数的选取具备可行性，器件均为通用的电子器件，其中本发明所提到的开关可以为MOSFET、IGBT、IGCT等可控型的电力电子开关均在本发明的实现保护范围内；开关K1、开关K2可以为继电器、接触器、断路器等可控或者不控的各种机械的或者电子开关均在本发明的实现保护范围内。
通过上述方式，本发明电路、控制系统、控制方法应用于储能系统、新能源发电等其它具有类似或者相同应用的场合均可以使用，不仅实现了双向DC/DC变换，同时实现了多种运行模态满足各种应用需求，同时具备故障的冗余，提高了可靠性，具有很大的应用技术经济效益。
Claims (5)
1.电池充放电控制方法，其特征在于，采用电池充放电控制系统，该系统包括控制器，所述控制器连接隔离驱动模块，所述控制器控制采集电池模组电压U_battery和电路输出端子两端电压U_dc，并输出的PWM信号通过隔离驱动模块电气隔离和信号放大后对电池充放电电路中对应的开关进行开/关控制；
电池充放电电路，包括：n个储能电芯串联构成电池模组，电池模组正极连接双向DC/DC变换器正极输入端，电池模组负极连接双向DC/DC变换器负极输入端、负极输出端，所述双向DC/DC变换器的正极输入端和正极输出端之间连接ECO开关电路，所述双向DC/DC变换器的正、负极输出端之间连接旁路开关，所述旁路开关上连接电路输出端子；所述旁路开关包括串联的开关T5、开关T6，所述开关T6并联有开关K2，所述开关T5连接双向DC/DC变换器的正极，所述开关T6连接双向DC/DC变换器的负极，所述开关T6两端连接电路输出端子；
具体按照以下步骤实施：
步骤1、设置阈值电压A，控制器检测电池模组电压U_battery是否大于阈值电压A，若是，则双向DC/DC变换器处于降压电路工作模态，执行步骤2，否则，双向DC/DC变换器降压电路封锁，运行于ECO模态，执行步骤3；
步骤2、继续判断电池模组电压U_battery是否大于阈值电压A，大于则重复执行步骤2，否则，执行步骤3；
步骤3、设置电压阈值B，判断电池模组电压U_battery是否大于阈值电压B，若是，则重复执行步骤3，否则，执行步骤4；
步骤4、运行于旁路运行模态，封锁除了开关T6以外的电子开关，控制器给电子开关T6驱动信号，使得T6开关导通，同时给开关K2闭合信号，待开关K2导通后，给电子开关T6封锁信号，该电子开关关断。
2.根据权利要求1所述电池充放电控制方法，其特征在于，所述阈值电压A取值为电池模组的电芯数量×单电芯额定电压。
3.根据权利要求1所述电池充放电控制方法，其特征在于，所述阈值电压B取值为电池模组的电芯数量×单电芯下限截止电压。
4.根据权利要求1所述电池充放电控制方法，其特征在于，还包括：在ECO运行模态，检测到电池模组电压中各电芯参数信息，如存在电芯异常或者接收到上级调度系统，将运行模态转换至旁路运行模态，则执行步骤4。
5.根据权利要求1所述电池充放电控制方法，其特征在于，还包括：在双向DC/DC变换器运行模态，检测到双向DC/DC变换器运行异常或者接收到上级调度系统将运行模态转换至旁路运行模态，则返回步骤4。
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