CN204271706U - 一种基于交流总线的电池模块电压均衡装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于交流总线的电池模块电压均衡装置，属于电力系统电池储能技术领域。本装置包括均衡模块、均衡控制器、通讯总线和交流总线。本装置通过多个均衡模块与串联的电池模块逐一连接，进行高效低损耗的主动型均衡。采用均衡控制器对均衡模块的启停及工作方式进行控制，采用交流总线连接各个均衡模块，采用通讯总线实现各个均衡模块之间的交流输出同步，实现主动式多点对多点的电池模块电压均衡控制，快速达到多个电池模块之间的电压均衡效果，缩短电池模块的均衡时间，保证电池模块之间的电压一致，并提高了能量转移效果。

Description

一种基于交流总线的电池模块电压均衡装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于交流总线的电池模块电压均衡装置，属于电力系统电池储能技术领域。

背景技术

大规模电池储能系统中，电池单体通过串并联方式组成电池模块，电池模块通过串联方式组成电池簇。成千上万节电池单体，即使是在同一环境下进行相同的充放电操作，仍然免不了产生不一致性。

电池不一致性，是指同一时刻，不同电池之间的性能参数不完全相同，这些性能参数包括电池电压、剩余电量(SOC)、内阻和总容量等。电池不一致性对电池组应用的影响是不利的。例如，串联的电池组中存在一个SOC较小的电池，则整个电池组的SOC受此电池制约。假设电池的容量为100Ah，而电池组内电池的SOC最大差异为10％，则电池组的“视在”总容量为90Ah。其余10Ah的容量虽然存在电池组内，但无法利用。由此可见，减小电池不一致性对电池组的应用意义重大。而减小电池不一致性需要通过电池均衡电路实现。电池的均衡电路可划分为主动型与被动型。被动型均衡方式指每个电池单体或电池模块安装独立的放电回路，当出现电压值偏高时，将该电池由放电回路进行消耗放电，从而达到均衡目的。这种均衡方式容易引起电池温升，同时存在低效耗能的缺点。主动型均衡方式指通过电力电子能量变换器实现电池间的能量转移，达到电量平均的效果。相对于被动型均衡而言，主动式均衡原理及实现方式复杂，但是能量转移效率高且具有节能效果。

主动型均衡，是指利用电容、电感等作为储能元件和利用常见的电源变换电路作为拓扑基础，将部分电池的多余电量传递给电量不足的电池，从而使所有组内电池的电量达到相同水平。目前大部分主动型均衡装置只能实现单点对单点的均衡，即同一时刻只有两个电池进行均衡，以致在多个电池相互不一致时，需要花费较多时间进行反复均衡。此外，大部分主动型均衡装置工作时能量转移的效率并不高。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种基于交流总线的电池模块电压均衡装置，针对大规模电池储能中电池模块之间的电压不一致性，进行高效低损耗的主动型均衡。同时，采用交流总线连接不同的均衡模块，以实现多点对多点的均衡，快速达到多个电池模块之间的电压均衡效果，并提高能量转移效果。

本实用新型提出的基于交流总线的电池模块电压均衡装置，包括多个均衡模块、一个均衡控制器、一路通讯总线和一路交流总线；

所述的均衡模块包括一个双向DC/AC变换器，双向DC/AC变换器的DC侧连接装置外部的电池模块，AC侧连接至交流总线，交流总线将不同的均衡模块并联，交流总线搭载高频交流电流，实现不同均衡模块之间的能量转移，所述的双向DC/AC变换器包括第一MOS管、第二MOS管、隔离变压器和继电器，所述的第一MOS管的漏极与隔离变压器原边的第一接头连接，第一MOS管的源极与DC侧的负极连接，第二MOS管的漏极与隔离变压器原边的第三接头连接，第二MOS管的源极与DC侧的负极连接，隔离变压器原边的第二接头与DC侧的正极连接，隔离变压器副边的第一接头与继电器的一端连接，继电器的另一端与AC侧的一端连接，隔离变压器副边的第二接头与AC侧的另一端连接；

所述的均衡模块包括两个开入接口、一个开出接口和一个脉宽调制信号传输接口，所述的两个开入接口和一个开出接口分别与均衡控制器连接，其中一个开入接口输入均衡模块的启动或停止命令，另一个开入接口输入均衡模块的主机模式或从机模式命令，开出接口输出均衡模块的故障信号；所述的脉宽调制信号传输接口用于使处于运行状态且为主机模式的均衡模块将产生的脉宽调制信号发送至通讯总线上，使处于运行状态且为从机模式的均衡模块从通讯总线上接收脉宽调制信号，脉宽调制信号传输接口连接至所述的通讯总线；

所述的均衡控制器包括多个开入接口、多个开出接口和一个RS-485接口，所述的开入接口的数量大于电池模块电压均衡装置中均衡模块的数量，所述的开出接口的数量等于开入接口数量的两倍，均衡控制器的开入接口与开出接口分别与每一个均衡模块的开出接口和开入接口连接，均衡控制器的开入接口输入均衡模块的故障信号，均衡控制器的开出接口输出均衡模块的启动或停止命令以及主机模式或从机模式命令；所述的RS-485接口与电池模块电压均衡装置外部的控制系统连接，用于与电池模块电压均衡装置外部的控制系统进行通信，通信信息包括均衡模块的启动或停止命令、主机模块或从机模式命令以及故障信号；

所述的通讯总线将所有的均衡模块的，脉宽调制信号传输接口连接在一起；

所述的交流总线将所有的均衡模块的AC侧连接在一起。

本实用新型提出的基于交流总线的电池模块电压均衡装置，其特征在于：

包括两个或两个以上均衡模块、一个均衡控制器、一路通讯总线和一路交流总线；

所述的均衡模块包括一个双向DC/AC变换器，其中DC侧连接装置外部的电池模块，AC侧连接至交流总线。交流总线将不同的均衡模块并联，交流总线搭载高频交流电流，实现不同均衡模块之间的能量转移。双向DC/AC变换器采用推挽式结构，主要器件包括一个隔离变压器，两个MOS管。

所述的均衡模块包括两个开入接口和一个开出接口，接口与均衡控制器连接。其中一个开入接口输入均衡模块的启动或停止命令，另一个开入接口输入均衡模块的主机模式或从机模式命令，开出接口输出均衡模块的故障信号。当均衡模块接收到启动命令时，均衡模块的内部控制电路上电工作，均衡模块的AC侧与交流总线之间的继电器接通，均衡模块处于运行状态；当均衡模块接收到停止命令时，均衡模块的内部控制电路不工作，均衡模块的AC侧与交流总线之间的继电器断开，均衡模块处于停机状态。当处于运行状态的均衡模块接收到主机模式命令时，均衡模块产生PWM信号；当处于运行状态的均衡模块接收到从机模式命令时，均衡模块接收PWM信号；当处于停机状态的均衡模块接收到主机模式或从机模式命令时，均衡模块不产生也不接收PWM信号。在所有处于运行状态的均衡模块中，有且只有一个均衡模块处于主机模式，其它均衡模块处于从机模式。开出接口输出均衡模块的故障信号，包括DC侧过压故障、AC侧过流故障、MOS管过温故障。

所述的均衡模块包括一个PWM传输接口，接口连接至通讯总线。处于运行状态且为主机模式的均衡模块将其产生的PWM信号发送至通讯总线上；处于运行状态且为从机模式的均衡模块从通讯总线上接收PWM。

所述的均衡控制器包括多个开入接口和多个开出接口，开入接口的数量不小于电池模块电压均衡装置中均衡模块的数量，开出接口的数量等于两倍开入接口的数量。均衡控制器的开入接口与开出接口分别与每一个均衡模块的开出接口和开入接口连接。均衡控制器的开入接口输入均衡模块的故障信号，均衡控制器的开出接口输出均衡模块的启动或停止命令以及主机模式或从机模式命令。

所述的均衡控制器包括一个RS-485接口，接口与装置外部的控制系统连接，可与装置外部的控制系统进行通信，通信信息包括均衡模块的启动或停止命令、主机模块或从机模式命令以及故障信号。

所述的通讯总线将所有的均衡模块的PWM传输接口连接在一起。

所述的交流总线将所有的均衡模块的AC侧连接在一起。

本实用新型提出的基于交流总线的电池模块电压均衡装置，通过多个均衡模块与串联的电池模块逐一连接，采用均衡控制器对均衡模块的启停及工作方式进行控制，采用交流总线连接各个均衡模块，采用通讯总线实现各个均衡模块之间的交流输出同步，实现主动式多点对多点的电池模块电压均衡控制，缩短电池模块的均衡时间，保证电池模块之间的电压一致。

附图说明

图1是本实用新型提出的基于交流总线的电池模块电压均衡装置的电路原理图。

图2是图1所示的电池模块电压均衡装置均衡模块中的双向DC/AC变换器的电路原理图。

图3是电池模块电压均衡装置中的均衡模块与均衡控制器之间的开入接口与开出接口的连接图。

图4是本电池模块电压均衡装置的工作流程图。

图2中，1是第一MOS管，2是第二MOS管，3是隔离变压器，4是继电器。

具体实施方式

本实用新型提出的基于交流总线的电池模块电压均衡装置，其电路原理图如图1所示，包括多个均衡模块、一个均衡控制器、一路通讯总线和一路交流总线；

所述的均衡模块包括一个双向DC/AC变换器，双向DC/AC变换器的DC侧连接装置外部的电池模块，AC侧连接至交流总线，交流总线将不同的均衡模块并联，交流总线搭载高频交流电流，实现不同均衡模块之间的能量转移，所述的双向DC/AC变换器的电路原理图如图2所示，包括第一MOS管1、第二MOS管2、隔离变压器3和继电器4，所述的第一MOS管的漏极与隔离变压器原边的第一接头连接，第一MOS管的源极与DC侧的负极连接，第二MOS管的漏极与隔离变压器原边的第三接头连接，第二MOS管的源极与DC侧的负极连接，隔离变压器原边的第二接头与DC侧的正极连接，隔离变压器副边的第一接头与继电器的一端连接，继电器的另一端与AC侧的一端连接，隔离变压器副边的第二接头与AC侧的另一端连接；

所述的均衡模块包括两个开入接口、一个开出接口和一个脉宽调制信号传输接口，所述的两个开入接口和一个开出接口分别与均衡控制器连接，其中一个开入接口输入均衡模块的启动或停止命令，另一个开入接口输入均衡模块的主机模式或从机模式命令，开出接口输出均衡模块的故障信号；所述的脉宽调制信号传输接口用于使处于运行状态且为主机模式的均衡模块将产生的脉宽调制信号发送至通讯总线上，使处于运行状态且为从机模式的均衡模块从通讯总线上接收脉宽调制信号，脉宽调制信号传输接口连接至所述的通讯总线；

所述的均衡控制器包括多个开入接口、多个开出接口和一个RS-485接口，所述的开入接口的数量大于电池模块电压均衡装置中均衡模块的数量，所述的开出接口的数量等于开入接口数量的两倍，均衡控制器的开入接口与开出接口分别与每一个均衡模块的开出接口和开入接口连接，均衡控制器的开入接口输入均衡模块的故障信号，均衡控制器的开出接口输出均衡模块的启动或停止命令以及主机模式或从机模式命令；所述的RS-485接口与电池模块电压均衡装置外部的控制系统连接，用于与电池模块电压均衡装置外部的控制系统进行通信，通信信息包括均衡模块的启动或停止命令、主机模块或从机模式命令以及故障信号；

所述的通讯总线将所有的均衡模块的，脉宽调制信号传输接口连接在一起；

所述的交流总线将所有的均衡模块的AC侧连接在一起。

以下介绍本实用新型提出的基于交流总线的电池模块电压均衡装置的工作原理和工作过程，如图4所示：

如图1所示，N个电池模块分别与N个均衡模块连接，均衡控制器与N个均衡模块连接，起始时，所有的均衡模块处于停止状态，均衡控制器的开出接口均为低电平；

外部的电池模块电压检测装置，例如电池管理系统，发送均衡启动指令至均衡控制器，即将电压最高与电压最低的两个电池模块的模块编号(假设为X和Y，其中X,Y＝1,2,…,N)通过RS-458接口发送至均衡控制器；

如图3所示，均衡控制器的开出接口X-1和开出接口Y-1输出高电平，即启动命令，使均衡模块X和均衡模块Y启动并进行运行状态，此时AC侧的继电器闭合；

均衡模块包括两个开入接口和一个开出接口，接口与均衡控制器连接。其中一个开入接口输入均衡模块的启动或停止命令，另一个开入接口输入均衡模块的主机模式或从机模式命令，开出接口输出均衡模块的故障信号。当均衡模块接收到启动命令时，均衡模块的内部控制电路上电工作，均衡模块的AC侧与交流总线之间的继电器接通，均衡模块处于运行状态；当均衡模块接收到停止命令时，均衡模块的内部控制电路不工作，均衡模块的AC侧与交流总线之间的继电器断开，均衡模块处于停机状态。当处于运行状态的均衡模块接收到主机模式命令时，均衡模块产生PWM信号；当处于运行状态的均衡模块接收到从机模式命令时，均衡模块接收PWM信号；当处于停机状态的均衡模块接收到主机模式或从机模式命令时，均衡模块不产生也不接收PWM信号。在所有处于运行状态的均衡模块中，有且只有一个均衡模块处于主机模式，其它均衡模块处于从机模式。

均衡控制器的开出接口X-2输出高电平，即主机模式，开出接口Y-2保持低电平，即从机模式，使均衡模块X为主机模式，均衡模块Y为从机模式，此时均衡模块X产生PWM信号并发送至通讯总线，均衡模块Y接收来自通讯总线的PWM信号；

PWM信号控制均衡模块中两个MOS管的导通和断开，如图2所示，电压高的电池模块对应的均衡模块工作在逆变情形，电流由电池模块流向交流总线，电压低的电池模块对应的均衡模块工作在整流情形，电流由交流总线流向电池模块，实现能量由电压高的电池模块转移至电压低的电池模块，最终达到电池模块之间的电压一致。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，本发明不仅仅局限于上述实施例，凡在本发明的精神和原则之内所做的局部改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于交流总线的电池模块电压均衡装置，其特征在于该电池模块电压均衡装置包括多个均衡模块、一个均衡控制器、一路通讯总线和一路交流总线；

所述的均衡模块包括一个双向DC/AC变换器，双向DC/AC变换器的DC侧连接装置外部的电池模块，AC侧连接至交流总线，交流总线将不同的均衡模块并联，交流总线搭载高频交流电流，实现不同均衡模块之间的能量转移，所述的双向DC/AC变换器包括第一MOS管、第二MOS管、隔离变压器和继电器，所述的第一MOS管的漏极与隔离变压器原边的第一接头连接，第一MOS管的源极与DC侧的负极连接，第二MOS管的漏极与隔离变压器原边的第三接头连接，第二MOS管的源极与DC侧的负极连接，隔离变压器原边的第二接头与DC侧的正极连接，隔离变压器副边的第一接头与继电器的一端连接，继电器的另一端与AC侧的一端连接，隔离变压器副边的第二接头与AC侧的另一端连接；

所述的均衡模块包括两个开入接口、一个开出接口和一个脉宽调制信号传输接口，所述的两个开入接口和一个开出接口分别与均衡控制器连接，其中一个开入接口输入均衡模块的启动或停止命令，另一个开入接口输入均衡模块的主机模式或从机模式命令，开出接口输出均衡模块的故障信号；所述的脉宽调制信号传输接口用于使处于运行状态且为主机模式的均衡模块将产生的脉宽调制信号发送至通讯总线上，使处于运行状态且为从机模式的均衡模块从通讯总线上接收脉宽调制信号，脉宽调制信号传输接口连接至所述的通讯总线；

所述的均衡控制器包括多个开入接口、多个开出接口和一个RS-485接口，所述的开入接口的数量大于电池模块电压均衡装置中均衡模块的数量，所述的开出接口的数量等于开入接口数量的两倍，均衡控制器的开入接口与开出接口分别与每一个均衡模块的开出接口和开入接口连接，均衡控制器的开入接口输入均衡模块的故障信号，均衡控制器的开出接口输出均衡模块的启动或停止命令以及主机模式或从机模式命令；所述的RS-485接口与电池模块电压均衡装置外部的控制系统连接，用于与电池模块电压均衡装置外部的控制系统进行通信，通信信息包括均衡模块的启动或停止命令、主机模块或从机模式命令以及故障信号；

所述的通讯总线将所有的均衡模块的，脉宽调制信号传输接口连接在一起；

所述的交流总线将所有的均衡模块的AC侧连接在一起。