CN117353416A - 一种储能器件荷电状态均衡电路和储能系统 - Google Patents

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CN117353416A CN202311253662.5A CN202311253662A CN117353416A CN 117353416 A CN117353416 A CN 117353416A CN 202311253662 A CN202311253662 A CN 202311253662A CN 117353416 A CN117353416 A CN 117353416A
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Abstract

一种储能器件荷电状态均衡电路和储能系统，该均衡电路包括：均衡开关阵列，包括若干均衡禁用开关和若干均衡启用开关；储能模组，包括串联设置的若干储能器件，相邻的两个所述储能器件之间设置有一所述均衡禁用开关，所述储能模组外接电源或负载；谐振模组，包括若干LC谐振单元，所述LC谐振单元与所述储能器件一一对应，每个所述LC谐振单元的第一端和第二端之间并联有对应的所述储能器件，每个所述LC谐振单元的第三端通过一所述均衡启用开关连接于第一公共点，每个所述LC谐振单元的第四端连接于第二公共点；以及控制模块。该均衡电路不仅能够实现自主均衡和过流保护，而且电路简单，判断逻辑少，控制成本低。

Description

一种储能器件荷电状态均衡电路和储能系统
技术领域
本发明属于储能器件均衡技术领域，具体涉及一种储能器件荷电状态均衡电路和储能系统。
背景技术
超级电容器(包括双电层电容、锂离子电容等)和电池(包括锂离子电池、钠离子电池等)等新型储能器件因其高功率密度、长寿命、绿色环保等特点，广泛应用于新能源汽车、储能系统等领域。
在实际应用中，多个储能器件单体需要连接成串以满足不同电压和电流需求。然而，由于材料、工艺等原因，储能器件单体之间存在电参数差异，可能导致部分单体过充或过放，从而影响整个系统的性能和寿命。为确保整个储能系统的可靠运行，需采取有效手段实现各单体之间的荷电状态(State of Charge，SOC)均衡。
目前已经提出了许多解决储能器件均衡问题的方法。工业上较为常见的是并联吸收电阻和稳压管法，还包括引入主动器件、结构较为简单的开关电阻法和开关电容法，以及使用电力电子变换器的反激变换器法、谐振变换器法、Buck-Boost变换器法等。其中，对于依赖于LC谐振单元的主动型均衡电路来说，该类电路能够实现电流的有效调节和软开关操作，但是存在几个明显的不足：
(1)均衡电路复杂，需要经过大量判断选择过程，有时需要付出较大的控制成本；
(2)缺少有效的过流保护机制，可能导致过流事件发生，对系统造成严重损害。
因此，开发出一种能够自主均衡，并且具备过流保护功能的均衡电路是至关重要的。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明设计了一种新型储能器件荷电状态均衡电路和储能系统，不仅均衡电路简单，而且能够实现自主均衡和过流保护的功能。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种储能器件荷电状态均衡电路，包括：
均衡开关阵列，包括若干均衡禁用开关和若干均衡启用开关；
储能模组，包括串联设置的若干储能器件，相邻的两个所述储能器件之间设置有一所述均衡禁用开关，所述储能模组外接电源或负载；
谐振模组，包括若干LC谐振单元，所述LC谐振单元与所述储能器件一一对应，每个所述LC谐振单元的第一端和第二端之间并联有对应的所述储能器件，每个所述LC谐振单元的第三端通过一所述均衡启用开关连接于第一公共点，每个所述LC谐振单元的第四端连接于第二公共点；
控制模块，用于根据各所述储能器件的荷电状态控制各所述均衡禁用开关和各所述均衡启用开关的开关状态，以使所述均衡电路处于均衡启用模式或均衡禁用模式，并在处于均衡启用模式时，控制各所述谐振模组工作以实现各所述储能器件的自主均衡。
在本发明的一可选实施例中，处于均衡启用模式，各所述均衡禁用开关关断，各所述均衡启用开关导通；
处于均衡禁用模式，各所述均衡禁用开关导通，各所述均衡启用开关关断。
在本发明的一可选实施例中，处于均衡启用模式，所述储能模组与外部负载或电源断开；
处于均衡禁用状态，所述储能模组与外部负载连通以实现放电，或与外部电源连通以实现充电。在本发明的一可选实施例中，所述储能器件包括超级电容器或电池，且所述超级电容器包括双电层电容和锂离子电容，所述电池包括锂离子电池和钠离子电池。
在本发明的一可选实施例中，所述LC谐振单元包括由两个开关管构成的半桥电路，以及谐振电感和谐振电容，所有的谐振电感参数一致，所有的谐振电容参数也一致，所述半桥电路的两端作为所述LC谐振单元的第一端和第二端，所述半桥电路的中点与所述LC谐振单元的第四端之间串接有所述谐振电感和谐振电容。
在本发明的一可选实施例中，各所述LC谐振单元的半桥电路同步控制。
在本发明的一可选实施例中，所述控制模块还用于当一个或多个所述储能器件的均衡电流超过过流阈值时，降低各所述LC谐振单元的半桥电路的开关频率，以降低均衡电流大于过流阈值的所述储能器件的均衡电流。
在本发明的一可选实施例中，所述半桥电路的开关频率低于所述谐振电容和所述谐振电感的串联谐振频率。
在本发明的一可选实施例中，当所述储能器件为超级电容器时，所述控制模块用于根据各所述超级电容器的电压控制各所述均衡禁用开关和各所述均衡启用开关的开关状态，以使所述均衡电路处于均衡启用模式或均衡禁用模式。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种储能系统，所述储能系统包括上述的储能器件荷电状态均衡电路。
本发明的储能器件荷电状态均衡电路不同于传统超级电容器均衡电路，不仅能够实现自主均衡和过流保护，而且电路简单，判断逻辑少，控制成本低。
本申请的储能器件荷电状态均衡电路，不包含变压器，可以降低整个系统的重量和体积。
附图说明
图1为本发明所提供的一种均衡电路一具体实施例的结构示意图。
图2为本发明所提供的一种均衡电路一具体实施例处于均衡启用模式的示意图。
图3为本发明所提供的一种均衡电路一具体实施例处于均衡禁用模式的示意图。
图4为本发明所提供的电路中LC谐振单元的电路等效示意图。
图5为本发明所提供的电路中LC谐振单元的电路另一等效示意图。
图6为本发明所提供的一仿真示例中超级电容器两端电压变化的波形图。
图7为本发明所提供的另一仿真示例中超级电容器两端电压变化的波形图。
图8为本发明所提供的又一仿真示例中超级电容器两端电压变化的波形图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
首先需要说明的是，为了使本技术领域的人员能够更好地理解本申请方案，对本申请实施例中一些专业词汇进行相应的解释。
荷电状态(State of Charge，SOC)被用来反映储能器件的剩余容量状况，其数值上定义储能器件的剩余容量占最大容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0～1，当SOC为0时表示电池放电完全，当SOC为1时表示电池完全充满。因此，在实施例中通过SOC表示储能器件单体的电参数。在本实施例中，储能器件是指新型储能器件，包括但不限于超级电容器或电池，其中，超级电容器例如可以是双电层电容或锂离子电容，电池可以是锂离子电池或钠离子电池。
需要补充的是，对于超级电容器而言，其SOC和电压有较强的相关性，单体的电压较高，即SOC较高。因此，在涉及超级电容器时，使用电压代替SOC对储能器件的容量状况进行衡量和比较。
如图1所示，本实施例公开一种储能器件荷电状态均衡电路，应用于储能系统中。该储能器件荷电状态均衡电路包括均衡开关阵列，储能模组，谐振模组及控制模块(未图示)。
其中，所述均衡开关阵列包括若干均衡禁用开关SBD和若干均衡启用开关SBE；所述储能模组包括串联设置的若干新型储能器件，相邻的两个所述储能器件之间设置有一所述均衡禁用开关SBD，所述储能模组的两端外接电源或负载；所述谐振模组包括若干LC谐振单元，每个所述LC谐振单元与所述储能器件一一对应，每个所述LC谐振单元的第一端和第二端之间并联有对应的所述储能器件，每个所述LC谐振单元的第三端通过一所述均衡启用开关SBE连接于第一公共点g，每个所述LC谐振单元的第四端连接于第二公共点n；所述控制模块，用于根据各所述储能器件的荷电状态控制各所述均衡禁用开关SBD和各所述均衡启用开关SBE的开关状态，以使所述均衡电路处于均衡启用模式或均衡禁用模式，并在处于均衡启用模式时，控制各所述谐振模组工作以实现各所述储能器件的自主均衡。
具体地，图1示出了包括2个均衡禁用开关SBD1、SBD2，3个均衡启用开关SBE1、SBE2及SBE3，3个超级电容器SC1、SC3及SC3，以及3个LC谐振单元(LC谐振单元1，LC谐振单元2及LC谐振单元3)的均衡电路，其中，第i个LC谐振单元包括桥臂开关管Si1、Si2构成的半桥电路，谐振电容Cri，谐振电感Lri，其中，i＝1，2，3。需要说明的是，本实施例的储能器件荷电状态均衡电路可适用于包括两个及两个以上新型储能器件的储能模组，以及两个及两个以上LC谐振单元的谐振模组的情形。
下面将结合附图来详细说明本实施例的储能器件荷电状态均衡电路。
如图1所示，在本实施例中，所述均衡开关阵列包括若干均衡禁用开关SBD和若干均衡启用开关SBE，均衡禁用开关SBD的个数比均衡电路中储能器件或LC谐振单元的个数少一个，均衡启用开关SBE的个数与储能器件或LC谐振单元的个数相等，此处每个均衡禁用开关SBD可由开关管构成或由继电器构成，同理，每个均衡启用开关SBE也可由开关管构成或由继电器构成。
如图1所示，在本实施例中，所述储能模组可由依次串联设置的若干新型储能器件构成，在相邻的两个所述储能器件之间设置有一个所述均衡禁用开关SBD，以控制相邻的两个所述储能器件之间线路的通断。新型储能器件包括但不限于超级电容器或电池，其中，超级电容器例如可以是双电层电容或锂离子电容，电池可以是锂离子电池或钠离子电池，在本实施例中，以超级电容器为例。所述储能模组外接电源或者负载，当所述储能模组的两端外接电源时，可以利用外接的电源对所述储能模组进行充电，当所述储能器件的两端外接负载时，可利用储能模组中存储的电能来为负载放电。
如图1所示，在本实施例中，所述谐振模组由若干LC谐振单元构成，LC谐振单元与储能器件的个数相等。每个所述LC谐振单元具有第一端、第二端、第三端及第四端，第一端和第二端之间并联有对应的所述储能器件，第三端通过一所述均衡启用开关SBE连接于第一公共点g，第四端连接于第二公共点n。
所述LC谐振单元包括半桥电路、谐振电感Lr和谐振电容Cr。所述半桥电路由两个带体二极管的开关管串联构成，所述半桥电路的两端作为所述LC谐振单元的第一端和第二端，并且第二端与第三端连接，所述半桥电路的中点与所述LC谐振单元的第四端之间串接有所述谐振电感和谐振电容。各LC谐振单元的元器件参数相同，也即各谐振电感参数一致，各谐振电容参数也一致，并且各LC谐振单元的工作参数相同。
如图1所示，所述控制模块作为整个均衡电路的控制单元，分别与各均衡禁用开关SBD、各均衡启用开关SBE及各LC谐振单元连接，用于根据各所述储能器件的荷电状态控制各所述均衡禁用开关SBD和各所述均衡启用开关SBE的开关状态，以使所述均衡电路处于均衡启用模式或均衡禁用模式，并在处于均衡启用模式时，控制各所述谐振模组工作以实现各所述储能器件的自主均衡。
具体地，如图2所示，当控制模块控制各所述均衡禁用开关SBD关断，各所述均衡启用开关SBE导通，所述均衡电路处于均衡启用模式，所述储能模组与外部负载或电源断开，控制各LC谐振单元的半桥电路工作，各储能器件可自主均衡，减小荷电状态差异。具体地，如图3所示，控制模块控制各所述均衡禁用开关SBD开启，各所述均衡启用开关SBE关断，所述均衡电路处于均衡禁用模式，储能器件不会均衡，可正常充放电。具体地，放电时，所述储能模组与外部负载连通以实现放电；充电时，所述储能模组与外部电源连通以实现充电。
需要说明的是，均衡电路处于均衡启用模式时，各LC谐振单元的半桥电路的桥臂开关管采用相同控制信号进行控制，各半桥电路的上桥臂开关管/下桥臂开关管同时导通和关断，从而实现对各所述LC谐振单元的同步控制。并且半桥电路的上桥臂开关管与下桥臂开关管的控制信号采用50％占空比方波信号，且桥电路的上桥臂开关管与下桥臂开关管的控制信号为互补信号。
需要说明的是，所述控制模块还用于当一个或多个所述储能器件的均衡电流超过过流阈值时，降低各所述LC谐振单元的半桥电路的开关频率，以增大阻抗的幅值和相角，降低均衡电流，从而限制所有储能器件的均衡电流，实现过流保护。
需要说明的是，由于超级电容器的SOC和电压有较强的相关性，单体的电压较高，即SOC较高。因此，在涉及超级电容器时，可使用电压代替SOC对储能器件的容量状况进行衡量和比较，也即当所述储能器件为超级电容器时，所述控制模块用于根据各所述超级电容器的电压控制各所述均衡禁用开关SBD和各所述均衡启用开关SBE的开关状态，以使所述均衡电路处于均衡启用模式或均衡禁用模式。
下面以超级电容器作为储能器件来说明均衡电路的工作原理。
如图4所示，对于第i个超级电容器，根据KVL法则有：
其中Vng为两个公共节点n和g之间的电压，Vi为第i个超级电容器通过半桥产生的电压，为第i个谐振电容的电压，R为等效串联电阻，包括谐振电感和电容的寄生电阻，Lr和Cr分别为谐振电感和谐振电容。
假设有m个超级电容器，则有：
又因为所有Cr相连，其电流ii求和为0，即：
注意上式无论电路是否进行均衡都成立。假设的初始电压为0，即电路搭建时电容不携带电荷，则可得：
即Vng为方波，幅值为所有电容初始电压的平均值。因此，原两端口LC谐振电路可化简为单端等效电路，如图5所示。基于此，可以导出第i个谐振电容的电流交流部分公式如下：
通过一次谐波近似，只取基波分量，得到：
该电流仅在上桥臂开关导通的时间内流经第i个超级电容器。因此，第i个超级电容器在一个开关周期内的平均电流为：
从中可以看出，如果一个超级电容器的电压高于平均电压|Vng|，则其均衡电流为负，表示放电；如果电压低于平均电压，则其均衡电流为正，表示充电。另外，如果某个超级电容器的均衡电流过大，可以降低开关频率ωs，以增加阻抗|Z(ωs)|和相角相当于增加了|Z(ωs)|并减小/>从而使超级电容器在一个开关周期内的平均电流下降，实现过流保护。
需要注意的是，均衡电路的目标是均衡SOC，而从以上分析可以看出，该电路的均衡功能本质上是均衡电压。对于超级电容器而言，其SOC和电压有较强的相关性，因此，在涉及超级电容器时，可以通过电压均衡对SOC进行均衡。对于其他新型储能器件而言，如电池，电压和SOC的相关性不如超级电容器强，但仍然可以通过均衡电压来减少SOC差异，从而达到均衡的目的。
下面将以几个仿真示例来验证本实施例的均衡电路的自主均衡和过流保护过程。
仿真示例1
均衡电路中的仿真参数如下：
8个超级电容器单体，电容均为0.3F，初始电压由高到低分布，单体电压自上而下分别为：2.7V，2.4V，2.1V，1.8V，1.2V，0.9V，0.6V，0.3V；谐振电感Lr为50μH，谐振电容Cr为50.6nF，谐振频率为100.06kHz；每个LC谐振单元的等效串联电阻为0.02Ω，开关频率设为100kHz，接近谐振频率100.06kHz。
仿真结果如图6所示，高于平均电压的超级电容器放电，低于平均电压的超级电容器充电，在0.337s时所有超级电容器电压达到1.525V，完成均衡。该仿真示例验证了本实施例的均衡电路具有自主均衡功能。
仿真示例2
均衡电路中的仿真参数如下：
8个超级电容器单体，电容均为0.3F，初始电压随机分布，单体电压自上而下分别为：2.4V，2.7V，0.6V，0.9V，0.3V，2.1V，1.8V，1.2V；谐振电感Lr为50μH，谐振电容Cr为50.6nF，谐振频率为100.06kHz；每个LC谐振单元的等效串联电阻为0.02Ω，开关频率设为100kHz，接近谐振频率100.06kHz。
仿真结果如图7所示，不论初始电压的排列顺序如何，高电压超级电容器放电，低电压超级电容器充电，均可在约0.337s时均衡。该仿真示例验证了本实施例的均衡电路的均衡过程与其初始电压的排列顺序无关。
仿真示例3
均衡电路中的仿真参数如下：
8个超级电容器单体，电容均为0.3F，初始电压由高到低分布，单体电压自上而下分别为：2.7V，2.4V，2.1V，1.8V，1.2V，0.9V，0.6V，0.3V；谐振电感Lr为50μH，谐振电容Cr为50.6nF，谐振频率为100.06kHz；每个LC谐振单元的等效串联电阻为0.02Ω，开关频率由100kHz降至99.8kHz。
仿真结果如图8所示，降低开关频率后，均衡时间增加至2.261s，比仿真示例1的0.337s大的多。这是因为降低频率增大了阻抗的幅值和相角，减小了均衡电流。该仿真示例验证了通过调节开关频率可以实现过流保护功能。
结合上述三个仿真示例析，并验证了本实施例的均衡电路的自主均衡功能、均衡过程与与排列顺序无关的特点以及过流保护功能。
综上所述，本发明的储能器件荷电状态均衡电路不同于传统超级电容器均衡电路，不仅电路简单，判断逻辑少，控制成本低，而且能够实现自主均衡和过流保护。本申请的储能器件荷电状态均衡电路，不包含变压器，可以降低整个系统的重量和体积。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
本发明所示实施例的上述描述(包括在说明书摘要中所述的内容)并非意在详尽列举或将本发明限制到本文所公开的精确形式。尽管在本文仅为说明的目的而描述了本发明的具体实施例和本发明的实例，但是正如本领域技术人员将认识和理解的，各种等效修改是可以在本发明的精神和范围内的。如所指出的，可以按照本发明所述实施例的上述描述来对本发明进行这些修改，并且这些修改将在本发明的精神和范围内。
因而，尽管本发明在本文已参照其具体实施例进行描述，但是修改自由、各种改变和替换亦在上述公开内，并且应当理解，在某些情况下，在未背离所提出发明的范围和精神的前提下，在没有对应使用其他特征的情况下将采用本发明的一些特征。因此，可以进行许多修改，以使特定环境或材料适应本发明的实质范围和精神。本发明并非意在限制到在下面权利要求书中使用的特定术语和/或作为设想用以执行本发明的最佳方式公开的具体实施例，但是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的任何和所有实施例及等同物。因而，本发明的范围将只由所附的权利要求书进行确定。

Claims (10)

1.一种储能器件荷电状态均衡电路，其特征在于，包括：
均衡开关阵列，包括若干均衡禁用开关和若干均衡启用开关；
储能模组，包括串联设置的若干储能器件，相邻的两个所述储能器件之间设置有一所述均衡禁用开关，所述储能模组外接电源或负载；
谐振模组，包括若干LC谐振单元，所述LC谐振单元与所述储能器件一一对应，每个所述LC谐振单元的第一端和第二端之间并联有对应的所述储能器件，每个所述LC谐振单元的第三端通过一所述均衡启用开关连接于第一公共点，每个所述LC谐振单元的第四端连接于第二公共点；
控制模块，用于根据各所述储能器件的荷电状态控制各所述均衡禁用开关和各所述均衡启用开关的开关状态，以使所述均衡电路处于均衡启用模式或均衡禁用模式，并在处于均衡启用模式时，控制各所述谐振模组工作以实现各所述储能器件的自主均衡。
2.根据权利要求1所述的储能器件荷电状态均衡电路，其特征在于，处于均衡启用模式，各所述均衡禁用开关关断，各所述均衡启用开关导通；
处于均衡禁用模式，各所述均衡禁用开关导通，各所述均衡启用开关关断。
3.根据权利要求1所述的储能器件荷电状态均衡电路，其特征在于，处于均衡启用模式，所述储能模组与外部负载或电源断开；
处于均衡禁用状态，所述储能模组与外部负载连通以实现放电，或与外部电源连通以实现充电。
4.根据权利要求1所述的储能器件荷电状态均衡电路，其特征在于，所述储能器件包括超级电容器或电池，且所述超级电容器包括双电层电容和锂离子电容，所述电池包括锂离子电池和钠离子电池。
5.根据权利要求1所述的储能器件荷电状态均衡电路，其特征在于，所述LC谐振单元包括由两个开关管构成的半桥电路，以及谐振电感和谐振电容，所述半桥电路的两端作为所述LC谐振单元的第一端和第二端，所述半桥电路的中点与所述LC谐振单元的第四端之间串接有所述谐振电感和谐振电容。
6.根据权利要求5所述的储能器件荷电状态均衡电路，其特征在于，各所述LC谐振单元的半桥电路同步控制。
7.根据权利要求6所述的储能器件荷电状态均衡电路，其特征在于，所述控制模块还用于当一个或多个所述储能器件的均衡电流超过过流阈值时，降低各所述LC谐振单元的半桥电路的开关频率，以降低均衡电流大于过流阈值的所述储能器件的均衡电流。
8.根据权利要求6所述的储能器件荷电状态均衡电路，其特征在于，所述半桥电路的开关频率低于所述谐振电容和所述谐振电感的串联谐振频率。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的储能器件荷电状态均衡电路，其特征在于，当所述储能器件为超级电容器时，所述控制模块用于根据各所述超级电容器的电压控制各所述均衡禁用开关和各所述均衡启用开关的开关状态，以使所述均衡电路处于均衡启用模式或均衡禁用模式。
10.一种储能系统，其特征在于，所述储能系统包括如权利要求1-9中任一项所述的储能器件荷电状态均衡电路。
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