CN206379755U - 一种储能电池组均衡装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种储能电池组均衡装置。解决了现有电池均衡系统采用多级均衡方案进行整组电池的均衡，增加了系统复杂度和成本的问题。装置包括若干电池组、均衡模块、主控模块，均衡模块包括开关阵列单元、桥接开关组单元、DC/DC单元和功率总线，在每个电池组上分别连接有一个开关阵列单元，每个开关阵列单元各自连接一个桥接开关组单元，每个桥接开关组单元分别连接到一个DC/DC单元和功率总线上，各DC/DC单元连接到功率总线上。本实用新型利用双向均衡电路和总线结构，实现了储能电池组中分组内和分组间电池的均衡，实现了整组电池的均衡，相比现有的多级均衡方案，系统结构简化，成本降低，均衡效率提高，而且系统易于实现扩展，实用性强。

Description

一种储能电池组均衡装置

技术领域

本实用新型涉及一种电池技术领域，尤其涉及一种电池间能量快速均衡的储能电池组均衡装置。

背景技术

储能电站需要数百节单体电池串联成组使用，才能达到储能系统要求的电压等级，然后通过PCS接入高压母线正常工作。电池组中的电池虽然投运前经过严格的筛选和配组，但电池间仍然存在性能差异，而且在电站运行过程中会加重这种差异化程度。电池组整体性能遵从“木桶原理”，即性能最差的单体电池决定了电池组整体性能的优劣，致使单体电池成组后寿命显著降低，甚至能降低到原来的50%或更低。因此如何有效改善电池组性能一致性，提高储能电站运行效率和效益，是长期困扰着用户、储能系统开发人员和电池制造商的难题。

储能电池投入使用后，在不需要更换性能最差的单体电池前，改善电池一致性只能通过外加电池均衡系统来实现。目前的均衡系统，为了保证可靠性和可维护性，通常采用分布式均衡方式，即整个电池组被分成若干个小组，对每个小组内的电池进行均衡。而不同小组间的电池不能直接均衡，需要在各小组电池之间增加一级组间均衡模块来实现，增加了储能系统复杂度和成本。

发明内容

本实用新型主要解决了现有电池均衡系统需采用多级均衡方案进行整组电池的均衡，存在增加了系统复杂度和成本的问题，提供了一种电池间能量快速均衡、结构简单、成本低的储能电池组均衡装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种储能电池组均衡装置，包括若干电池组，还包括有实现电池间能量转移的均衡模块，对均衡模块进行控制的主控模块，所述均衡模块包括开关阵列单元、桥接开关组单元、DC/DC单元和功率总线，在每个电池组上分别连接有一个开关阵列单元，每个开关阵列单元各自连接一个桥接开关组单元，每个桥接开关组单元分别连接到一个DC/DC单元和功率总线上，各DC/DC单元连接到功率总线上，共同组成能量传输网络。本实用新型通过均衡模块实现电能从高能量电池向低能量电池快速传递，传递效率高，使得整组电池的一致性得到了高效的改善，同时不会过多增加储能系统的复杂度和成本。主控模块用于控制均衡模块中开关阵列单元、桥接开关组单元的各开关组有序通断，从而实现电能在不同电池间转移。DC/DC单元用于对转移的电能进行升压和降压转换，以匹配各单元的电压。

作为上述方案的一种优选方案，所述电池组由2n个电池串联而成，所述开关阵列单元包括n个第一开关、n+1个第二开关，各第一开关的一端按顺序依次连接在奇数位的电池正极上，各第一开关的另一端相连接在一起形成开关阵列组第一输出端，第一个第二开关一端连接在第一个电池的负极端，其余第二开关的一端按顺序依次链接在偶数位的电池正极上，各第二开关的另一端相连接在一切形成开关阵列组第二输出端。

本方案中电池组包括电池B₁~B_2n，开关阵列单元包括第一开关S1₁~S1_n、第二开关S2₁~S2_n+1，第一开关S1_n的一端连接在电池B_2i+1的正极，其中i=0、…、n-1，第二开关S2₁的一端连接在电池B ₁的负极，其余的第二开关S2_n+1的一端连接在电池B_2j的正极，其中j=1、…、n。

作为上述方案的一种优选方案，所述桥接开关组单元包括第一桥接开关组和第二桥接开关组，第一桥接开关组和第二桥接开关组都分别由四个第三开关首尾相连而成，第一桥接开关组的正极输入端、第二桥接开关组的正极输入端分别与开关阵列第一输出端相连，第一桥接开关组的负极输入端、第二桥接开关组的负极输入端分别与开关阵列第二输出端相连，第一桥接开关组的正极输出端、第一桥接开关组的负极输出端分别链接DC/DC单元输入端，DC/DC单元输出端连接在功率总线上，第二桥接开关组的正极输出端、第二桥接开关组的负极输出端分别连接到功率总线上。

作为上述方案的一种优选方案，还包括有通讯模块，所述通讯模块与主控模块相连。本方案中主控模块通过通讯模块与BMS系统进行铜芯线，交换数据，实时获取电池电压、电流、温度等状态数据，以保证电池安全。

作为上述方案的一种优选方案，DC/DC单元包括开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃、开关管Q₄、变压器T、电感L_i、电容C_i、电容C₅、电阻R₁、电阻R₂、电容C_o1、电容C_o2、PWM驱动器，变压器T一次侧带中心抽头，中心抽头串联电感L_i后与DC/DC单元正极输入端相连，电容C_i连接在DC/DC单元正极输入端和负极输入端之间，开关管Q₁和开关管Q₂为极性不同的开关管，开关管Q₁的漏极与开关管Q₂的漏极相连，开关管Q₁的源极连接在变压器T的绕组N₁的同名端，开关管Q₂的源极连接在变压器T的绕组N₂的非同名端，开关管Q₁和Q₂的栅极分别连接到PWM驱动器上，开关管Q₃的源极与开关管Q₄的漏极相连，开关管Q₃的漏极与DC/DC单元正极输出端相连，开关管Q₄的源极与DC/DC单元负极输出端相连，开关管Q₃和Q₄的栅极分别连接到PWM驱动器上，电容C_o1一端连接开关管Q₃的漏极，电容C_o1的另一端连接电容C_o2一端，电容C_o2另一端连接开关管Q₄的源极，电子R₁并联在电容C_o1上，电阻R₂并联在电容C_o2上，变压器T的绕组N₃的同名端通过连接电容C₅后连接在电容C_o1和电容C_o2之间的连接点上，变压器T的绕组N₃的非同名端连接在开关管Q₃的源极与开关管Q₃的漏极之间的连接点上，在开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄上都分别反并联有二极管，且还分别并联有电容，开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄采用MOSFET管。

本方案中DC/DC单元采用推挽与半桥相结合的电路，适用于低压大电流场合。PWM驱动器包括电压采样电路、电压比较电路、PWM驱动芯片、驱动电路、隔离电路和电流采样电路。该单元内通过PWM驱动器控制各开关管开通和关断，利用变压器和储能电感传递电能，能够实现能量的双向流动，同时变压器起到隔离作用，防止电路故障导致电池间短路，提高了电路的可靠性。

DC/DC单元电路中输入端为低压侧，经过桥接开关组单元和开关阵列单元连接至单体电池。输出端为高压侧，连接至功率总线。

变压器T的一次侧为推挽拓扑单路，由开关管Q₁的源极和开关管Q₂的漏极推挽相连。电感L_i和电容C_i组成低通滤波电路。变压器T的二次侧为半桥拓扑电路，由两个串联的电容C_o1、C_o2和两个串联的开关管Q₃、Q₄并联后组成桥，桥臂连接变压器T的副边绕组N₃。电阻R₁、R₂用于给电容提供放电回路，吸收电容的电能，防止电容的放电电流过大，避免对与之并联的器件造成损坏。优选的电容C_o1、C_o2电容值相等。连接在变压器T二次侧的电容C₅为钳位电容，为了防止产生偏磁现象。所有开关管都反并联了二极管和电容，防止开关管高压损坏。

作为上述方案的一种优选方案，开关阵列单元和桥接开关组单元的开关都采用MOSFET管。本方案使得开关可以由同一个PWM驱动器集中控制，提高了电路可靠性同时减低了成本。

本实用新型的优点是：利用双向均衡电路和总线结构，实现了储能电池组中分组内和分组间电池的均衡，从而实现了整组电池的均衡，相比现有的多级均衡方案，系统结构简化，成本降低，均衡效率提高，而且系统易于实现扩展，实用性强。

附图说明

图1是本实用新型中均衡模块的一种电路结构示意图；

图2是本实用新型的一种电路结构框示图；

图3是本实用新型中DC/DC单元的一种电路结构示意图。

1-电池组 2-开关阵列单元 3-桥接开关组单元 4-DC/DC单元 5-功率总线6-均衡模块 7-主控模块 8-通讯模块。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

实施例：

本实施例一种储能电池组均衡装置，如图2所示，包括若干电池组1，实现电池间能量转移的均衡模块6，对均衡模块进行控制的主控模块7和通讯模块8。电池组分别与均衡模块相连，均衡模块与主控模块控制相连，主控模块与通讯模块相连，通讯模块与电池BMS系统相连。

如图1所示，均衡模块包括开关阵列单元2、桥接开关组单元3、DC/DC单元4和功率总线5。在每个电池组上分别连接有一个开关阵列单元，每个开关阵列单元各自连接一个桥接开关组单元，每个桥接开关组单元分别连接到一个DC/DC单元和功率总线上，各DC/DC单元连接到功率总线上，共同组成能量传输网络。

电池组由2n个电池串联而成，开关阵列单元包括n个第一开关、n+1个第二开关，各第一开关的一端按顺序依次连接在奇数位的电池正极上，各第一开关的另一端相连接在一起形成开关阵列组第一输出端，第一个第二开关一端连接在第一个电池的负极端，其余第二开关的一端按顺序依次链接在偶数位的电池正极上，各第二开关的另一端相连接在一切形成开关阵列组第二输出端。

桥接开关组单元包括第一桥接开关组和第二桥接开关组，第一桥接开关组和第二桥接开关组都分别由四个第三开关首尾相连而成，第一桥接开关组的正极输入端、第二桥接开关组的正极输入端分别与开关阵列第一输出端相连，第一桥接开关组的负极输入端、第二桥接开关组的负极输入端分别与开关阵列第二输出端相连，第一桥接开关组的正极输出端、第一桥接开关组的负极输出端分别链接DC/DC单元输入端，DC/DC单元输出端连接在功率总线上，第二桥接开关组的正极输出端、第二桥接开关组的负极输出端分别连接到功率总线上。

DC/DC单元包括开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃、开关管Q₄、变压器T、电感L_i、电容C_i、电容C₅、电阻R₁、电阻R₂、电容C_o1、电容C_o2、PWM驱动器，变压器T一次侧带中心抽头，中心抽头串联电感L_i后与DC/DC单元正极输入端相连，电容C_i连接在DC/DC单元正极输入端和负极输入端之间，开关管Q₁和开关管Q₂为极性不同的开关管，开关管Q₁的漏极与开关管Q₂的漏极相连，开关管Q₁的源极连接在变压器T的绕组N₁的同名端，开关管Q₂的源极连接在变压器T的绕组N₂的非同名端，开关管Q₁和Q₂的栅极分别连接到PWM驱动器上，开关管Q₃的源极与开关管Q₄的漏极相连，开关管Q₃的漏极与DC/DC单元正极输出端相连，开关管Q₄的源极与DC/DC单元负极输出端相连，开关管Q₃和Q₄的栅极分别连接到PWM驱动器上，电容C_o1一端连接开关管Q₃的漏极，电容C_o1的另一端连接电容C_o2一端，电容C_o2另一端连接开关管Q₄的源极，电子R₁并联在电容C_o1上，电阻R₂并联在电容C_o2上，变压器T的绕组N₃的同名端通过连接电容C₅后连接在电容C_o1和电容C_o2之间的连接点上，变压器T的绕组N₃的非同名端连接在开关管Q₃的源极与开关管Q₃的漏极之间的连接点上，在开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄上都分别反并联有二极管，且还分别并联有电容，开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，开关阵列单元和桥接开关组单元的开关都采用MOSFET管。

DC/DC单元的升降压工作原理如下：

电池放电过程，即电路升压过程，控制开关管Q₃和/或开关管Q₄截止。在本实施例中，可以通过现有技术中的控制方法对推挽电路进行控制，从而实现电池放电并对电容C01和电容C02进行充电。例如，分别给开关管Q₁和Q₂的基极一脉宽调制信号，在第一时间段内，使得开关管Q₁导通，开关管Q₂截止，在变压器T的一次侧，可电池通过开关管Q₁放电，在变压器T的二次侧通过二极管D₃、D₄整流分别同时对电容C_ol和电容C_o2进行充电。在第二时间段内，使得Q₁截止，Q₂导通，在变压器T的一次侧，电池通过Q₂放电，在变压器T的二次侧通过D₃、D₄整流分别同时对电容C_o1和电容C_o2进行充电。之后依次重复第一时间段和第二时间段的控制方法，最终实现了电能从电池传输到电容C_o1和电容C_o2中。在本实施例中，施加在开关管Q₁和Q₂的脉宽调制信号的占空比可以是固定的，也可以是可变的。

电池充电过程，即电路降压过程，控制Q₁和Q₂截止。在本实施例中，可以通过现有技术中的控制方法对半桥电路进行控制，从而实现电容C_ol和电容C_o2放电并对电池进行充电。例如，分别给Q₃和Q₄的基极一脉宽调制信号，在第一时间段内，控制Q₃导通且Q₄截止，此时电容C_ol放电，在变压器T的一次侧产生的电流流经二极管D₂到电池的正极，从而实现对电池进行充电；在第二时间段内，控制Q₃截止且Q₄导通，此时电容C_o2放电，在变压器T的一次侧产生的电流流经二极管D_l到电池的正极，从而实现对电池进行充电；之后依次重复第一时间段和第二时间段的控制方法，通过电容C_ol和电容C_o2轮流地放电并持续对电池进行充电。在本实施例中，施加在Q₃和Q₄的脉宽调制信号的占空比可以是固定或可变的。

本实施例具体以48节锂离子电池串联组成的电池组为例，电池组按照系统要求被分为4个小组，每组12节电池，即电池b1～b12为第1组，电池b13～b24为第2组，电池b25～b36为第3组，电池b37～b48为第4组；每个小组配备开关阵列单元、桥接开关组单元和DC/DC单元组；所有DC/DC单元都接入功率总线，组成能量传输网络。

（1）当电池b14较高，电池b11能量较低。b14的能量在开关阵列单元、桥接开关组单元中的开关选通后，通过DC/DC单元升压，将能量传入功率总线；同时，连接电池b11的开关阵列单元、桥接开关组单元中的开关选通，对应的DC/DC单元连接在功率总线上，降压后将能量传递至电池b11。因此电池b14通过能量传输网络将电能传递给电池b11。

（2）当电池b11能量较高，电池b39能量较低。b11的能量在开关阵列单元、桥接开关组单元中的开关选通后，通过DC/DC单元升压，将能量传入功率总线5；同时，连接电池b39的开关阵列单元、桥接开关组单元中的开关选通，对应的DC/DC单元连接在功率总线上，降压后将能量传递至电池b39。因此电池b11通过能量传输网络将电能传递给电池b39。

（3）当电池b11能量较高，电池b12能量较低。b11的能量在开关阵列单元、桥接开关组单元中的开关选通后，通过DC/DC单元升压，将能量传入功率总线；同时，连接电池b12的开关阵列单元、桥接开关组单元中的开关选通，对应的DC/DC单元连接在功率总线5上，降压后将能量传递至电池b12。因此电池b11通过能量传输网络将电能传递给电池b12。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了电池组、开关阵列单元、桥接开关组单元、DC/DC单元等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (6)

1.一种储能电池组均衡装置，包括若干电池组，其特征在于：还包括有实现电池间能量转移的均衡模块，对均衡模块进行控制的主控模块，所述均衡模块包括开关阵列单元、桥接开关组单元、DC/DC单元和功率总线，在每个电池组上分别连接有一个开关阵列单元，每个开关阵列单元各自连接一个桥接开关组单元，每个桥接开关组单元分别连接到一个DC/DC单元和功率总线上，各DC/DC单元连接到功率总线上，共同组成能量传输网络。

2.根据权利要求1所述的一种储能电池组均衡装置，其特征是所述电池组由2n个电池串联而成，所述开关阵列单元包括n个第一开关、n+1个第二开关，各第一开关的一端按顺序依次连接在奇数位的电池正极上，各第一开关的另一端相连接在一起形成开关阵列组第一输出端，第一个第二开关一端连接在第一个电池的负极端，其余第二开关的一端按顺序依次链接在偶数位的电池正极上，各第二开关的另一端相连接在一切形成开关阵列组第二输出端。

3.根据权利要求2所述的一种储能电池组均衡装置，其特征是所述桥接开关组单元包括第一桥接开关组和第二桥接开关组，第一桥接开关组和第二桥接开关组都分别由四个第三开关首尾相连而成，第一桥接开关组的正极输入端、第二桥接开关组的正极输入端分别与开关阵列第一输出端相连，第一桥接开关组的负极输入端、第二桥接开关组的负极输入端分别与开关阵列第二输出端相连，第一桥接开关组的正极输出端、第一桥接开关组的负极输出端分别链接DC/DC单元输入端，DC/DC单元输出端连接在功率总线上，第二桥接开关组的正极输出端、第二桥接开关组的负极输出端分别连接到功率总线上。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种储能电池组均衡装置，其特征是还包括有通讯模块，所述通讯模块与主控模块相连。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种储能电池组均衡装置，其特征是DC/DC单元包括开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃、开关管Q₄、变压器T、电感L_i、电容C_i、电容C₅、电阻R₁、电阻R₂、电容C_o1、电容C_o2、PWM驱动器，变压器T一次侧带中心抽头，中心抽头串联电感L_i后与DC/DC单元正极输入端相连，电容C_i连接在DC/DC单元正极输入端和负极输入端之间，开关管Q₁和开关管Q₂为极性不同的开关管，开关管Q₁的漏极与开关管Q₂的漏极相连，开关管Q₁的源极连接在变压器T的绕组N₁的同名端，开关管Q₂的源极连接在变压器T的绕组N₂的非同名端，开关管Q₁和Q₂的栅极分别连接到PWM驱动器上，开关管Q₃的源极与开关管Q₄的漏极相连，开关管Q₃的漏极与DC/DC单元正极输出端相连，开关管Q₄的源极与DC/DC单元负极输出端相连，开关管Q₃和Q₄的栅极分别连接到PWM驱动器上，电容C_o1一端连接开关管Q₃的漏极，电容C_o1的另一端连接电容C_o2一端，电容C_o2另一端连接开关管Q₄的源极，电子R₁并联在电容C_o1上，电阻R₂并联在电容C_o2上，变压器T的绕组N₃的同名端通过连接电容C₅后连接在电容C_o1和电容C_o2之间的连接点上，变压器T的绕组N₃的非同名端连接在开关管Q₃的源极与开关管Q₃的漏极之间的连接点上，在开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄上都分别反并联有二极管，且还分别并联有电容，开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄采用MOSFET管。

6.根据权利要求3所述的一种储能电池组均衡装置，其特征是开关阵列单元和桥接开关组单元的开关都采用MOSFET管。