CN118232484A - 直流储能设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流储能设备，包括：隔离型双向DC‑DC变换器，包括原边电路、副边电路以及设置于原边电路与副边电路之间的隔离变压器，原边电路与副边电路通过隔离变压器电连接；电池单元，分别连接于原边电路和副边电路；控制单元，分别连接于原边电路和副边电路，用于控制隔离型双向DC‑DC变换器维持副边电路的电压为预设的目标稳定电压，以使得原边电路与电池单元等效并联、副边电路与电池单元等效串联。本发明中，电池单元提供主要能量，隔离型双向DC‑DC变换器只需补充提供电压不均衡的辅助能量，而无需处理所有的功率能量，相比于相关技术，该直流储能设备的变换器功率更低，损耗更小，有利于提高电池单元的实际使用容量。

Description

直流储能设备

技术领域

本发明涉及电力电子电路技术领域，尤其是一种直流储能设备。

背景技术

目前，基于电化学储能电池所组成的直流供电系统，如果采用多个电池单元直接并联，则会因为单个电池电压和内阻不一致而导致存在电池间环流的情况。为了解决上述问题，通常在电池与并联点之间添加辅助的充放电控制单元，例如DC-DC变换器，但是通常的DC-DC变换器自身功率大，损耗高，会大大降低电池的实际使用容量。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种功率低、损耗小的直流储能设备。

第一方面，本发明实施例提供了一种直流储能设备，包括：

隔离型双向DC-DC变换器，包括原边电路、副边电路以及设置于所述原边电路与所述副边电路之间的隔离变压器，所述原边电路与所述副边电路通过所述隔离变压器电连接；

电池单元，分别连接于所述原边电路和所述副边电路；

控制单元，分别连接于所述原边电路和所述副边电路，用于控制所述隔离型双向DC-DC变换器维持所述副边电路的电压为预设的目标稳定电压，以使得所述原边电路与所述电池单元等效并联、所述副边电路与所述电池单元等效串联。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述原边电路包括第一原边连接端和第二原边连接端，所述副边电路包括第一副边连接端和第二副边连接端，所述电池单元的正极分别连接于所述第一原边连接端和所述第一副边连接端，所述电池单元的负极连接于所述第二原边连接端且作为所述直流储能设备的输出负极，所述第二副边连接端作为所述直流储能设备的输出正极。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述原边电路包括第一原边连接端和第二原边连接端，所述副边电路包括第一副边连接端和第二副边连接端，所述电池单元的负极分别连接于所述第二原边连接端和所述第二副边连接端，所述电池单元的正极连接于所述第一原边连接端且作为所述直流储能设备的输出正极，所述第一副边连接端作为所述直流储能设备的输出负极。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述原边电路包括第一开关器件和第一电容，所述副边电路包括第二开关器件和第二电容，所述控制单元分别连接于所述第一开关器件的一端和所述第二开关器件的一端，所述第一开关器件的另一端连接于所述隔离变压器的第一端，所述第二开关器件的另一端连接于所述隔离变压器的第二端，所述第一电容连接于所述第一原边连接端和所述第二原边连接端之间，所述第二电容连接于所述第一副边连接端和所述第二副边连接端之间。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述控制单元，具体用于：

在所述电池单元放电时，控制所述第一开关器件高频斩波以将所述第一电容的直流能量斩波变换为高频交流能量，使得所述第二开关器件根据通过所述隔离变压器获取到的高频交流能量进行整流，以维持所述第二电容两端的电压为预设的目标稳定电压；

或者，

在所述电池单元充电时，控制所述第二开关器件高频斩波以将所述第二电容的直流能量斩波变换为高频交流能量，使得所述第一开关器件根据通过所述隔离变压器获取到的高频交流能量进行整流，并将整流后的高频交流能量向所述电池单元传递，以维持所述第二电容两端的电压为预设的目标稳定电压。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述控制单元，还用于：

根据预设的目标稳定电压与所述副边电路的电压之间的差值，设定所述原边电路和所述副边电路的功率流流向。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述控制单元，具体用于：

当预设的目标稳定电压与所述副边电路的电压之间的差值大于或等于第一预设阈值，首先控制所述第一开关器件工作于高频开关状态，然后控制所述第二开关器件工作于关断状态，使得功率流从所述原边电路向所述副边电路传递；

或者，

当预设的目标稳定电压与所述副边电路的电压之间的差值小于或等于第二预设阈值，首先控制所述第二开关器件工作于高频开关状态，然后控制所述第一开关器件工作于关断状态，使得功率流从所述副边电路向所述原边电路传递；

或者，

当预设的目标稳定电压与所述副边电路的电压之间的差值大于所述第二预设阈值且小于所述第一预设阈值，首先控制所述副边电路工作于常通状态，然后控制所述第一开关器件工作于关断状态。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述第二开关器件包括第三开关器件和第四开关器件，所述控制单元分别连接于所述第三开关器件的一端和所述第四开关器件的一端，所述第三开关器件的另一端与所述第四开关器件的另一端反向连接。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述控制单元，还用于：

调节所述第三开关器件和所述第四开关器件的开闭状态，以控制所述副边电路的输出电压的极性。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述第一开关器件/所述第二开关器件包括如下至少之一：

MOSFET；

IGBT；

二极管。

本发明提出的直流储能设备，基于控制单元控制隔离型双向DC-DC变换器维持副边电路的电压为预设的目标稳定电压，使得原边电路与电池单元等效并联、副边电路与电池单元等效串联，在这种情况下，电池单元提供主要能量，隔离型双向DC-DC变换器只需补充提供电压不均衡的辅助能量，而无需处理所有的功率能量，因此，在相同的变换器效率下，相比于相关技术，该直流储能设备的变换器功率更低，损耗更小，有利于提高电池单元的实际使用容量。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的直流储能设备的电路原理图；

图2是本发明另一实施例提供的直流储能设备的电路原理图；

图3是本发明另一实施例提供的直流储能设备的电路原理图；

图4是本发明另一实施例提供的直流储能设备的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块进行划分。

本发明提供一种直流储能设备，包括：隔离型双向DC-DC变换器，包括原边电路、副边电路以及设置于原边电路与副边电路之间的隔离变压器，原边电路与副边电路通过隔离变压器电连接；电池单元，分别连接于原边电路和副边电路；控制单元，分别连接于原边电路和副边电路，用于控制隔离型双向DC-DC变换器维持副边电路的电压为预设的目标稳定电压，以使得原边电路与电池单元等效并联、副边电路与电池单元等效串联。本发明中，基于控制单元控制隔离型双向DC-DC变换器维持副边电路的电压为预设的目标稳定电压，使得原边电路与电池单元等效并联、副边电路与电池单元等效串联，在这种情况下，电池单元提供主要能量，隔离型双向DC-DC变换器只需补充提供电压不均衡的辅助能量，而无需处理所有的功率能量，因此，在相同的变换器效率下，相比于相关技术，该直流储能设备的变换器功率更低，损耗更小，有利于提高电池单元的实际使用容量。

图1为本发明一实施例提供的直流储能设备的电路原理图。

如图1所示，该直流储能设备，具体包括但不限于：

隔离型双向DC-DC变换器，包括原边电路、副边电路以及设置于原边电路与副边电路之间的隔离变压器，原边电路与副边电路通过隔离变压器电连接，其中，隔离变压器的变压器比为n；

电池单元M，分别连接于原边电路和副边电路；

控制单元，分别连接于原边电路和副边电路，用于控制隔离型双向DC-DC变换器维持副边电路的电压为预设的目标稳定电压，以使得原边电路与电池单元M等效并联、副边电路与电池单元M等效串联。

可以看出，基于控制单元控制隔离型双向DC-DC变换器维持副边电路的电压为预设的目标稳定电压，使得原边电路与电池单元M等效并联、副边电路与电池单元M等效串联。由于相关技术中的电池充电、放电能量全部要通过DC-DC变换器来处理，因此，电池的充电功率和放电功率有多大，那么需要的DC-DC变换器的功率就有多大，而本实施例提供的技术方案中，电池单元M和副边电路串联，则一起充电或者放电，由于电池单元M的电压远大于副边电路的电压，而由于两者是串联的，因此流过两者的电流是相同的，可见，无论是充电还是放电，都是电池单元M直接在提供主要的能量，副边电路只提供了辅助能量；原边电路通过隔离变压器间接地为副边电路提供了能量源，也即在有隔离变压器的作用下，才能使电池单元M和副边电路串联连接，而原边电路又和电池单元M并联连接，因此，最终充电、放电能量全部来自于电池单元M，也就是说，基于本实施例的隔离型双向DC-DC变换器，将原边电路的高压小电流转换为副边电路的低压大电流，原边电路和电池单元M并联，副边电路和电池单元M串联，从原边电路看，原边电路和电池单元M并联，电压相等，电池单元M提供大电流，原边电路提供小电流；从副边电路看，电池单元M和副边电路串联，电流相等，电池单元M的电压高，副边电路电压低。因此，电池单元M和隔离型双向DC-DC变换器同时提供能量，电池单元M提供主要能量，隔离型双向DC-DC变换器提供辅助能量，由于隔离型双向DC-DC变换器不用像相关技术一样，需要处理所有的功率能量，因此，变换器的功率就可以大大降低，在相同的变换器效率下，损耗自然大大降低。

在一实施例中，例如，相关技术中，假设电池的规格书为48V、100Ah，当1C满功率充电或者放电时，变换器的功率是48V乘以100A等于4.8KW，如果变换器的效率是98%，则变换器自身的损耗是96W，可以看出，变换器自身损耗大，显然会大大降低电池的实际使用容量；而在本技术方案中，例如若只需要补1V，电池单元M放电100A，则副边电路实际需要的功率只有100W，也就是说隔离型双向DC-DC变换器只需要100W的功率，即使隔离型双向DC-DC变换器的效率只有90%，变换器自身的损耗也只有10W，这大大降低了损耗。在这种情况下，电池单元M提供主要能量，隔离型双向DC-DC变换器只需补充提供电压不均衡的辅助能量，而无需处理所有的功率能量，因此，在相同的变换器效率下，相比于相关技术，该直流储能设备的变换器功率更低，损耗更小，有利于提高电池单元M的实际使用容量。

在一实施例中，电池单元M的具体构成及参数可以为多种，例如可以但不限于采用各种型号的电化学储能电池及其组合等，或者，由本领域技术人员根据具体应用场景进行相应设置，此处并未限制。

在一实施例中，如图1所示，原边电路包括第一原边连接端P1和第二原边连接端P2，副边电路包括第一副边连接端S1和第二副边连接端S2，电池单元M的正极BAT+分别连接于第一原边连接端P1和第一副边连接端S1，电池单元M的负极BAT-连接于第二原边连接端P2且作为直流储能设备的输出负极DC-，第二副边连接端S2作为直流储能设备的输出正极DC+。

在一实施例中，如图2所示，原边电路包括第一原边连接端P1和第二原边连接端P2，副边电路包括第一副边连接端S1和第二副边连接端S2，电池单元M的负极BAT-分别连接于第二原边连接端P2和第二副边连接端S2，电池单元M的正极BAT+连接于第一原边连接端P1且作为直流储能设备的输出正极DC+，第一副边连接端S1作为直流储能设备的输出负极DC-。

需要说明的是，本发明实施例提供的图1所示的直流储能设备和图2所示的直流储能设备的基本工作原理是相同的，区别仅在于两者的电路拓扑存在一些细微差异，因此，图1所示的直流储能设备和图2所示的直流储能设备具有类似的实施例及有益技术效果，为免冗余，在后续实施例中，主要针对图1所示的直流储能设备进行实施例及有益技术效果的详细说明，图2所示的直流储能设备可以参照图1所示的直流储能设备的相关内容描述，即后续不再赘述图2所示的直流储能设备的实施例及有益技术效果，但不应理解为对其的任意限制。

在一实施例中，如图3所示，原边电路包括第一开关器件K1和第一电容C1，副边电路包括第二开关器件K2和第二电容C2，控制单元分别连接于第一开关器件K1的一端和第二开关器件K2的一端，第一开关器件K1的另一端连接于隔离变压器的第一端，第二开关器件K2的另一端连接于隔离变压器的第二端，第一电容C1连接于第一原边连接端P1和第二原边连接端P2之间，第二电容C2连接于第一副边连接端S1和第二副边连接端S2之间；具体地，第一开关器件K1/第二开关器件K2包括如下至少之一：

MOSFET；

IGBT；

二极管。

在一实施例中，控制单元，具体用于：

在电池单元M放电时，控制第一开关器件K1高频斩波以将第一电容C1的直流能量斩波变换为高频交流能量，使得第二开关器件K2根据通过隔离变压器获取到的高频交流能量进行整流，以维持第二电容C2两端的电压为预设的目标稳定电压；

或者，

在电池单元M充电时，控制第二开关器件K2高频斩波以将第二电容C2的直流能量斩波变换为高频交流能量，使得第一开关器件K1根据通过隔离变压器获取到的高频交流能量进行整流，并将整流后的高频交流能量向电池单元M传递，以维持第二电容C2两端的电压为预设的目标稳定电压。

也就是说，在控制单元的控制下，第一开关器件K1和第二开关器件K2高频动作，维持副边电路的第一副边连接端S1和第二副边连接端S2的两端电压直接为预设的目标稳定电压，副边电路等效为一个直流电压源，此时，第一副边连接端S1为副边电路的负极BAT-，第二副边连接端S2为副边电路的正极BAT+；电池单元M和副边电路（等效电压源）正向串联，电池单元M的正极BAT+连接等效电压源的负极BAT-，电池单元M的电压和等效电压源的电压叠加，直流储能设备的输出电压实际高于电池单元M的电压，并且高出那部分的电压就是预设的目标稳定电压；那么，调节预设的目标稳定电压，就可以改变直流储能设备的输出电压值，因此，这种情况下的直流储能设备并联使用，可以调节预设的目标稳定电压，进行均流调节抑制环流，从而解决电池单元M直接并联产生的环流问题。

具体地，电池单元M放电时，第一开关器件K1高频斩波，将电池单元M的直流能量斩波变换成高频交流能量，通过隔离变压器传递到副边电路，经过第二开关器件K2整流后，维持副边电路中的第二电容C2两端电压为预设的目标稳定电压；电池单元M充电时，外部充电电流流过副边电路，使第二电容C2两端的电压上升，控制单元控制第二开关器件K2高频斩波，将第二电容C2的能量斩波变换成高频交流能量，通过隔离变压器传递到原边电路，经过第一开关器件K1整流后，能量传递到电池单元M，从而维持副边电路中的第二电容C2两端电压为预设的目标稳定电压。

在一实施例中，如图4所示，第二开关器件K2包括第三开关器件K3和第四开关器件K4，控制单元分别连接于第三开关器件K3的一端和第四开关器件K4的一端，第三开关器件K3的另一端与第四开关器件K4的另一端反向连接，也就是说，副边电路中的第二开关器件K2是由一组双向开关构成的，可以使副边电路的输出电压为双极性电压，即预设的目标稳定电压可以是正电压，也可以是负电压，当预设的目标稳定电压是正电压时，直流储能设备的输出电压实际高于电池单元M的电压；当预设的目标稳定电压是负电压时，直流储能设备的输出电压实际低于电池单元M的电压；当预设的目标稳定电压为0时，直流储能设备的输出电压等于电池单元M的电压。

在一实施例中，第三开关器件K3/第四开关器件K4包括如下至少之一：

MOSFET；

IGBT；

二极管。

在一实施例中，控制单元，还用于：

调节第三开关器件K3和第四开关器件K4的开闭状态，以控制副边电路的输出电压的极性。

具体地，在第三开关器件K3打开、第四开关器件K4关闭的状态下，副边电路只允许整流电流流通的方向是从第三开关器件K3到第四开关器件K4，副边电路的输出极性为上正下负；在第三开关器件K3关闭、第四开关器件K4打开的状态下，副边电路只允许整流电流流通的方向是从第四开关器件K4到第三开关器件K3，副边电路的输出极性为上负下正；因此，通过控制单元控制第三开关器件K3和第四开关器件K4的状态，可以控制副边电路输出电压的极性为正或者负，这样使得电池单元M的电压和副边电路串联之后，总的输出电压既可以高于电池单元M的电压，也可以低于电池单元M的电压。

在一实施例中，控制单元，还用于：

根据预设的目标稳定电压与副边电路的电压之间的差值，设定原边电路和副边电路的功率流流向。

具体地，控制单元可以但不限于用于基于设定的目标稳定电压控制隔离型双向DC-DC变换器的副边电路的电压值，也即控制单元基于设定的目标稳定电压和隔离型双向DC-DC变换器的副边电路的电压值之间的差值，确定原边电路和副边电路的功率流流向。当差值不小于预先设定的一个阈值时，优先设定原边电路的工作状态，使功率流从原边传递到副边；当差值不大于预先设定的另一个阈值时，优先设定副边电路的工作状态，使功率流从副边传递到原边；当差值介于该两个阈值之间时，优先设置副边电路，并且将副边电路设置为常通状态，使副边电路呈现短路状态。

在一实施例中，控制单元，具体用于：

当预设的目标稳定电压与副边电路的电压之间的差值大于或等于第一预设阈值，首先控制第一开关器件K1工作于高频开关状态，然后控制第二开关器件K2工作于关断状态，使得功率流从原边电路向副边电路传递；

或者，

当预设的目标稳定电压与副边电路的电压之间的差值小于或等于第二预设阈值，首先控制第二开关器件K2工作于高频开关状态，然后控制第一开关器件K1工作于关断状态，使得功率流从副边电路向原边电路传递；

或者，

当预设的目标稳定电压与副边电路的电压之间的差值大于第二预设阈值且小于第一预设阈值，首先控制副边电路工作于常通状态，然后控制第一开关器件K1工作于关断状态。

具体地，控制单元设定原边电路的工作状态和副边工作状态，可以通过设置开关器件的工作状态实现，开关器件的工作状态包括但不限于：高频开关状态、关断状态和常通状态。当差值大于或等于预先设定的第一预设阈值A时，优先设定原边电路的工作状态，控制单元设置原边电路中的第一开关器件K1工作在高频开关状态，设定副边电路中的第二开关器件K2工作在关断状态；当差值小于或等于预先设定的第二预设阈值B时，优先设置副边电路，控制单元设置副边电路中的第二开关器件K2工作在高频开关状态，设定原边电路中的第一开关器件K1工作在关断状态；当差值介于第二预设阈值B到第一预设阈值A之间时，控制单元优先设置副边电路，并且将副边电路设置为常通状态，使副边电路呈现短路状态，并设定原边电路中的第一开关器件K1工作在关断状态。

需要说明的是，本发明实施例描述的直流储能设备以及应用场景是为了更加清楚的说明本发明实施例的技术方案，并不构成对于本发明实施例提供的技术方案的限定，本领域技术人员可知，随着直流储能设备的演变和新应用场景的出现，本发明实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流储能设备，其特征在于，包括：

隔离型双向DC-DC变换器，包括原边电路、副边电路以及设置于所述原边电路与所述副边电路之间的隔离变压器，所述原边电路与所述副边电路通过所述隔离变压器电连接；

电池单元，分别连接于所述原边电路和所述副边电路；

控制单元，分别连接于所述原边电路和所述副边电路，用于控制所述隔离型双向DC-DC变换器维持所述副边电路的电压为预设的目标稳定电压，以使得所述原边电路与所述电池单元等效并联、所述副边电路与所述电池单元等效串联。

2.根据权利要求1所述的直流储能设备，其特征在于，所述原边电路包括第一原边连接端和第二原边连接端，所述副边电路包括第一副边连接端和第二副边连接端，所述电池单元的正极分别连接于所述第一原边连接端和所述第一副边连接端，所述电池单元的负极连接于所述第二原边连接端且作为所述直流储能设备的输出负极，所述第二副边连接端作为所述直流储能设备的输出正极。

3.根据权利要求1所述的直流储能设备，其特征在于，所述原边电路包括第一原边连接端和第二原边连接端，所述副边电路包括第一副边连接端和第二副边连接端，所述电池单元的负极分别连接于所述第二原边连接端和所述第二副边连接端，所述电池单元的正极连接于所述第一原边连接端且作为所述直流储能设备的输出正极，所述第一副边连接端作为所述直流储能设备的输出负极。

4.根据权利要求2或3所述的直流储能设备，其特征在于，所述原边电路包括第一开关器件和第一电容，所述副边电路包括第二开关器件和第二电容，所述控制单元分别连接于所述第一开关器件的一端和所述第二开关器件的一端，所述第一开关器件的另一端连接于所述隔离变压器的第一端，所述第二开关器件的另一端连接于所述隔离变压器的第二端，所述第一电容连接于所述第一原边连接端和所述第二原边连接端之间，所述第二电容连接于所述第一副边连接端和所述第二副边连接端之间。

5.根据权利要求4所述的直流储能设备，其特征在于，所述控制单元，具体用于：

在所述电池单元放电时，控制所述第一开关器件高频斩波以将所述第一电容的直流能量斩波变换为高频交流能量，使得所述第二开关器件根据通过所述隔离变压器获取到的高频交流能量进行整流，以维持所述第二电容两端的电压为预设的目标稳定电压；

或者，

在所述电池单元充电时，控制所述第二开关器件高频斩波以将所述第二电容的直流能量斩波变换为高频交流能量，使得所述第一开关器件根据通过所述隔离变压器获取到的高频交流能量进行整流，并将整流后的高频交流能量向所述电池单元传递，以维持所述第二电容两端的电压为预设的目标稳定电压。

6.根据权利要求4所述的直流储能设备，其特征在于，所述控制单元，还用于：

根据预设的目标稳定电压与所述副边电路的电压之间的差值，设定所述原边电路和所述副边电路的功率流流向。

7.根据权利要求6所述的直流储能设备，其特征在于，所述控制单元，具体用于：

当预设的目标稳定电压与所述副边电路的电压之间的差值大于或等于第一预设阈值，首先控制所述第一开关器件工作于高频开关状态，然后控制所述第二开关器件工作于关断状态，使得功率流从所述原边电路向所述副边电路传递；

或者，

当预设的目标稳定电压与所述副边电路的电压之间的差值小于或等于第二预设阈值，首先控制所述第二开关器件工作于高频开关状态，然后控制所述第一开关器件工作于关断状态，使得功率流从所述副边电路向所述原边电路传递；

或者，

当预设的目标稳定电压与所述副边电路的电压之间的差值大于所述第二预设阈值且小于所述第一预设阈值，首先控制所述副边电路工作于常通状态，然后控制所述第一开关器件工作于关断状态。

8.根据权利要求4所述的直流储能设备，其特征在于，所述第二开关器件包括第三开关器件和第四开关器件，所述控制单元分别连接于所述第三开关器件的一端和所述第四开关器件的一端，所述第三开关器件的另一端与所述第四开关器件的另一端反向连接。

9.根据权利要求8所述的直流储能设备，其特征在于，所述控制单元，还用于：

调节所述第三开关器件和所述第四开关器件的开闭状态，以控制所述副边电路的输出电压的极性。

10.根据权利要求4所述的直流储能设备，其特征在于，所述第一开关器件/所述第二开关器件包括如下至少之一：

MOSFET；

IGBT；

二极管。