WO2024032463A1 - Dc/dc变换器及其输出电压控制方法、储能系统 - Google Patents

Dc/dc变换器及其输出电压控制方法、储能系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种DC/DC变换器及其输出电压控制方法、储能系统，该DC/DC变换器的第一输入端和第二输入端连接电池簇，DC/DC变换器的输出端连接直流母线，DC/DC变换器包括第一直流变换电路、第二直流变换电路和控制器。第一直流变换电路的输入端连接直流电源，第一输出端和第二输出端分别连接DC/DC变换器的第一输入端和第二直流变换电路的第一输入端。第二直流变换电路的第二输入端连接DC/DC变换器的第二输入端，输出端连接DC/DC变换器的输出端。控制器根据电池簇的电池电压与直流母线的母线电压之间的电压差值，控制第一直流变换电路的输出电压。采用本申请，可实现DC/DC变换器在全范围电压差值的高效率。

Description

DC/DC变换器及其输出电压控制方法、储能系统
本申请要求于2022年08月12日提交中国专利局、申请号为202210968684.9、申请名称为“DC/DC变换器及其输出电压控制方法、储能系统”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及电源技术领域，尤其涉及一种DC/DC变换器及其输出电压控制方法、储能系统。
背景技术
储能系统应用场景下，多个电池簇(由多个电池单元串并联构成)通常通过汇流箱并联后，接入一台集中式逆变器的直流侧，集中式逆变器的交流侧连接负载。由于电池差异(如不同厂家甚至同一厂家的电池容量和电池容量衰减程度均存在不同程度的差异)会造成多个电池簇的电压存在差异，从而会造成多个电池簇并联时的环流问题。
为了解决环流问题，目前提供了图1所示的储能系统。如图1所示，n个电池簇中各电池簇均与各自对应的一个DC/DC变换器的输出端串联后连接至直流母线，直流母线通过集中式逆变器连接负载。其中，n个电池簇对应的n个DC/DC变换器的输入端均连接电源。该储能系统通过n个DC/DC变换器补偿各自对应的电池簇与直流母线之间的电压差，从而保证各电池簇与各自对应DC/DC变换器串联后向直流母线输出的电压均相同，进而抑制多个电池簇并联时产生的环流。但是，上述DC/DC变换器的电压调节范围宽，在进行电压差补偿时存在某些工作点效率较低的情况，无法实现全范围电压差值的高效率。
发明内容
本申请提供了一种DC/DC变换器及其输出电压控制方法、储能系统，可实现DC/DC变换器在全范围电压差值的高效率。
第一方面，本申请提供了一种DC/DC变换器，该DC/DC变换器的第一输入端和第二输入端连接电池簇，DC/DC变换器的输出端连接直流母线，DC/DC变换器包括第一直流变换电路、第二直流变换电路和控制器。其中：第一直流变换电路的输入端连接直流电源，第一直流变换电路的第一输出端和第二输出端分别连接DC/DC变换器的第一输入端和第二直流变换电路的第一输入端，第一直流变换电路用于将直流电源输入的电压直流变换后输出至第二直流变换电路。第二直流变换电路的第二输入端连接DC/DC变换器的第二输入端，第二直流变换电路的输出端连接DC/DC变换器的输出端，第二直流变换电路用于对输入电压进行直流变换后输出。在DC/DC变换器工作后，控制器获取电池簇的电池电压与直流母线的母线电压之间的电压差值，并根据电压差值控制第一直流变换电路的输出电压，以使DC/DC变换器的输出电压为母线电压。可以理解的，DC/DC变换器可以基于电压差值动态调整第一直流变换电路的输出电压，进而动态调整第二直流变换电路的输入电压，从而通过第一直流变换电路和第二直流变换电路的配合，使得DC/DC变换器在输出电压达到母线电压时效率达到预设效率，以实现DC/DC变换器在全范围电压差值的高效率。
结合第一方面，在第一种可能的实施方式中，在电压差值小于第一预设阈值时，即电压差值较小时，控制器控制第一直流变换电路的输出电压为电压差值。可以理解的，在电压差值较小时，第一直流变换电路只需补偿电压差值，该电路中仅通过差模功率，损耗较小，因此可实现DC/DC变换器在其电压差值位于小于第一预设阈值范围内的高效率。
结合第一方面第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式中，在第一直流变换电路的输出电压为电压差值时，控制器还控制第二直流变换电路的第一输入端和第二输入端与输出端直接连通。可以理解的，DC/DC变换器在第一直流变换电路的输出电压为电压差值时，可通过控制第二直流变换电路处于直通模式的方式，保证DC/DC变换器的输出电压为母线电压。由于第二直流变换电路处于直通模式时，第二直流变换电路中无需通过功率，基本没有损耗，因此可有效提高DC/DC变换器的效率。此外，本实施方式无需额外添加器件，可有效降低DC/DC变换器的成本。
结合第一方面第一种可能的实施方式，在第三种可能的实施方式中，DC/DC变换器还包括第一开关，第二直流变换电路的输出端包括第一输出端，第一开关连接于第二直流变换电路的第一输入端和第一输出端之间。在第一直流变换电路的输出电压为电压差值时，控制器还控制第一开关导通。可以理解的，在有些直流变换电路不支持直通模式的情况下，可以通过增加与该直流变换电路并联的第一开关的方式，实现直通模式下的相同功能，从而提高了DC/DC变换器的适用性。
结合第一方面，在第四种可能的实施方式中，在电压差值大于或者等于第二预设阈值时，即电压差值较大时，控制器控制第一直流变换电路的输出电压为0。可以理解的，在电压差值较大时，也即直流母线的母线电压较小时，由于第一直流变换电路的输出电压为0，即第一直流变换电路停止工作，可以得到DC/DC变换器中仅第二直流变换电路工作。由于第二直流变换电路需要向直流母线输出的母线电压较小，可以得到第二直流变换电路需要处理的功率较小，因此DC/DC变换器的损耗较小，从而可实现DC/DC变换器在其电压差值位于大于或者等于第二预设阈值的范围内的高效率。
结合第一方面至第一方面第四种可能的实施方式中的任一种，在第五种可能的实施方式中，DC/DC变换器还包括第二开关，第二开关连接于第一直流变换电路的第一输出端和第二输出端之间。在电压差值大于或者等于第二预设阈值时，控制器还控制第二开关导通。可以理解的，DC/DC变换器可通过控制第二开关导通将第一直流变换电路短路的方式，实现第一直流变换电路的输出电压为0，控制方式简单，便于实现，可提高DC/DC变换器的稳定性。
结合第一方面至第一方面第五种可能的实施方式中的任一种，在第六种可能的实施方式中，在第一直流变换电路的输出电压为0时，即在第二直流变换电路的输入电压为电池电压时，控制器还控制第二直流变换电路的输出电压为母线电压。进而不仅可以实现DC/DC变换器在其电压差值位于大于或者等于第二预设阈值的范围内的高效率，还可以在DC/DC变换器所在储能系统包含多个DC/DC变换器的情况下，通过各DC/DC变换器中第二直流变换电路均输出母线电压的方式，保证各DC/DC变换器的输出电压均为母线电压，从而可有效抑制电池簇之间的环流，从而提高DC/DC变换器的安全性和稳定性。
结合第一方面，在第七种可能的实施方式中，控制器根据电压差值和电压差值与输出电压之间的映射关系确定电压差值对应的第一输出电压，并控制第一直流变换电路的输出电压为第一输出电压。可以理解的，DC/DC变换器可以通过电压差值与输出电压之间的映射关系，控制第一直流变换电路的输出电压为DC/DC变换器的效率达到预设效率时的第一输出电压，从而可实现DC/DC变换器在全范围电压差值内的效率最优。
结合第一方面第七种可能的实施方式，在第八种可能的实施方式中，在第一直流变换电路的输出电压为第一输出电压时，控制器控制第二直流变换电路的输出电压为母线电压。进而在第一直流变换电路的输出电压为DC/DC变换器的效率达到预设效率时的第一输出电压后，通过第二直流变换电路的配合，使得DC/DC变换器的输出电压为母线电压的同时DC/DC变换器的效率达到预设效率。
第二方面，本申请提供了一种储能系统，该储能系统包括一个或者多个如第一方面至第一方面第八种可能的实施方式中任一种提供的DC/DC变换器和一个或者多个电池簇，其中，一个DC/DC变换器连接一个电池簇。可以理解的，储能系统中各DC/DC变换器均可以基于各自的电压差值动态调整各自的第一直流变换电路的输出电压，进而动态调整各自的第二直流变换电路的输入电压，从而使得各DC/DC变换器在输出电压达到母线电压时效率达到预设效率，以实现各DC/DC变换器在全范围电压差值的高效率，进而提高储能系统的效率。此外，在储能系统中的电池簇的数量为多个时，由于各DC/DC变换器的输出电压均为母线电压，因此可有效抑制电池簇之间的环流，从而提高储能系统的安全性和稳定性。
结合第二方面，在第一种可能的实施方式中，电池簇包括至少两个电池模块，电池模块包括电池单元、第一电池开关和第二电池开关，电池单元与第一电池开关串联在第二电池开关的两端。储能系统还包括电池管理单元，电池管理单元用于获取至少两个电池模块中各电池模块的电池模块电压；在至少两个电池模块中的第一电池模块的电池模块电压大于第四预设阈值，或者小于第五预设阈值时，控制第一电池模块中的第一电池开关关断和第二电池开关导通。进而，储能系统可通过对各电池簇中最小电池单元的切入切出控制，避免电池簇内电池单元间的短板效应，同时提高了电池簇中电池单元的利用率。
结合第二方面或者第二方面第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式中，储能系统还包括逆变器，逆变器的输入端连接直流母线，逆变器的输出端连接交流负载。
第三方面，本申请提供了一种DC/DC变换器的输出电压控制方法，该DC/DC变换器的第一输入端和第二输入端连接电池簇，DC/DC变换器的输出端连接直流母线，DC/DC变换器包括第一直流变换电路和第二直流变换电路。其中：第一直流变换电路的输入端连接直流电源，第一直流变换电路的第一输出端和第二输出端分别连接DC/DC变换器的第一输入端和第二直流变换电路的第一输入端，第一直流变换电路用于将直流电源输入的电压直流变换后输出至第二直流变换电路。第二直流变换电路的第二输入端连接DC/DC变换器的第二输入端，第二直流变换电路的输出端连接DC/DC变换器的输出端，第二直流变换电路用于对输入电压进行直流变换后输出。该方法包括：DC/DC变换器获取电池簇的电池电压与直流母线的母线电压之间的电压差值，并根据电压差值控制第一直流变换电路的输出电压。
结合第三方面，在第一种可能的实施方式中，在电压差值小于第一预设阈值时，DC/DC变换器控制第一直流变换电路的输出电压为电压差值。
结合第三方面第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式中，在第一直流变换电路的输出电压为电压差值时，DC/DC变换器还控制第二直流变换电路的第一输入端和第二输入端与输出端直接连通。
结合第三方面第一种可能的实施方式，在第三种可能的实施方式中，DC/DC变换器还包括第一开关，第二直流变换电路的输出端包括第一输出端，第一开关连接于第二直流变换电路的第一输入端和第一输出端之间。在第一直流变换电路的输出电压为电压差值时，DC/DC变换器还控制第一开关导通。
结合第三方面，在第四种可能的实施方式中，在电压差值大于或者等于第二预设阈值时，DC/DC变换器控制第一直流变换电路的输出电压为0。
结合第三方面至第一方面第四种可能的实施方式中的任一种，在第五种可能的实施方式中，DC/DC变换器还包括第二开关，第二开关连接于第一直流变换电路的第一输出端和第二输出端之间。在电压差值大于或者等于第二预设阈值时，DC/DC变换器还控制第二开关导通。
结合第三方面至第三方面第五种可能的实施方式中的任一种，在第六种可能的实施方式中，在第一直流变换电路的输出电压为0时，DC/DC变换器还控制第二直流变换电路的输出电压为母线电压。
结合第三方面，在第七种可能的实施方式中，DC/DC变换器根据电压差值和电压差值与输出电压之间的映射关系确定电压差值对应的第一输出电压，并控制第一直流变换电路的输出电压为第一输出电压。
结合第三方面第七种可能的实施方式，在第八种可能的实施方式中，在第一直流变换电路的输出电压为第一输出电压时，DC/DC变换器控制第二直流变换电路的输出电压为母线电压。
应理解的是，本申请上述多个方面的实现和有益效果可互相参考。
附图说明
图1是现有技术提供的储能系统的结构示意图；
图2是本申请提供的DC/DC变换器的应用场景示意图；
图3是本申请提供的储能系统的一结构示意图；
图4是本申请提供的储能系统的另一结构示意图；
图5是本申请提供的第二直流变换电路的结构示意图；
图6是本申请提供的电池簇的结构示意图；
图7是本申请提供的DC/DC变换器的输出电压控制方法的流程示意图。
具体实施方式
本申请提供的DC/DC变换器可适用于不同的应用场景，比如，数据中心电源供电场景(用于为负载芯片供电)、光伏供电场景、储能供电场景、光储混合供电场景、风储混合供电场景等。下面以储能供电场景为例进行说明。
参见图2，图2是本申请提供的DC/DC变换器的应用场景示意图。如图2所示，储能系统包括DC/DC变换器11及其对应的储能电池簇21、……、DC/DC变换器1n及其对应的储能电池簇2n、直流母线(即正直流母线BUS+和负直流母线BUS-)和逆变器。其中，n为正整数。DC/DC变换器11的 两个输入端连接储能电池簇21，两个输出端连接直流母线；……；DC/DC变换器1n的两个输入端连接储能电池簇2n，两个输出端连接直流母线。直流母线通过逆变器连接交流电网或者交流用电设备。在图2所示的储能供电场景下，本申请提供的DC/DC变换器可以为图2所示的n个DC/DC变换器中的任意一个。由于上述n个DC/DC变换器的结构和工作原理均一致，为了便于描述，以下以DC/DC变换器11为例进行介绍。DC/DC变换器11包括DC/DC电路1、DC/DC电路2和控制器(图未示)。DC/DC电路1的两个输入端连接直流电源(图未示)，正输出端连接DC/DC电路2的正输入端，负输出端连接DC/DC变换器11的正输入端。DC/DC电路2的负输入端连接DC/DC变换器11的负输入端，两个输出端连接DC/DC变换器11的两个输出端。
在DC/DC变换器11开始工作后，控制器实时获取储能电池簇21的电池电压和直流母线的母线电压(即正直流母线BUS+和负直流母线BUS-之间的电压差)，并计算储能电池簇21的电池电压与母线电压之间的差值得到电压差值。之后，控制器根据电压差值控制DC/DC电路1的输出电压，并将储能电池簇21的电池电压和DC/DC电路1的输出电压之和作为DC/DC电路2的输入电压，控制DC/DC电路2的输出电压为母线电压，以使DC/DC变换器11的输出电压为母线电压。之后，逆变器将直流母线上的母线电压逆变为交流电，进而实现对交流负载(如交流电网或者交流用电设备)的供电。可以理解的，DC/DC变换器11可以根据电压差值动态调整DC/DC电路1和DC/DC电路2，使得DC/DC变换器11在输出电压达到母线电压时效率达到预设效率，以实现DC/DC变换器11在全范围电压差值的高效率，进而提高储能系统的效率。此外，在储能系统中的储能电池簇的数量为多个时，由于各DC/DC变换器的输出电压均为母线电压，因此可有效抑制储能电池簇之间的环流，从而提高储能系统的安全性。
上述只是对本申请提供的DC/DC变换器的应用场景进行示例，而非穷举，本申请不对应用场景进行限制。
下面结合图3至图6对本申请提供的储能系统和DC/DC变换器的工作原理进行示例说明。
参见图3，图3是本申请提供的储能系统的一结构示意图。如图3所示，储能系统1包括DC/DC变换器11及其对应的电池簇21、……、DC/DC变换器1n及其对应的电池簇2n、直流母线(即正直流母线BUS+和负直流母线BUS-)。n为正整数。其中，DC/DC变换器11的正输入端和负输入端连接电池簇21，正输出端和负输出端分别连接正直流母线BUS+和负直流母线BUS-；……；DC/DC变换器1n的正输入端和负输入端连接电池簇2n，正输出端和负输出端分别连接正直流母线BUS+和负直流母线BUS-。正直流母线BUS+和负直流母线BUS-连接负载。DC/DC变换器11包括第一直流变换电路111、第二直流变换电路112和控制器113。第一直流变换电路111的两个输入端连接直流电源114，正输出端连接第二直流变换电路112的正输入端，负输出端连接DC/DC变换器11的正输入端。第二直流变换电路112的负输入端连接DC/DC变换器11的负输入端，正输出端和负输出端分别连接DC/DC变换器11的正输出端和负输出端。……。DC/DC变换器1n包括第一直流变换电路1n1、第二直流变换电路1n2和控制器1n3。第一直流变换电路1n1的两个输入端连接直流电源1n4，正输出端连接第二直流变换电路1n2的正输入端，负输出端连接DC/DC变换器1n的正输入端。第二直流变换电路1n2的负输入端连接DC/DC变换器1n的负输入端，正输出端和负输出端分别连接DC/DC变换器1n的正输出端和负输出端。
其中，上述各第二直流变换电路输入端连接的直流电源可以为各自所在DC/DC变换器对应的电池簇、直流母线或者其他电源。上述n个第一直流变换电路为可以BUCK降压电路、BOOST升压电路和BUCK-BOOST升降压电路中的任一种，上述n个第二直流变换电路可以为BUCK降压电路、BOOST升压电路和BUCK-BOOST升降压电路中的任一种。上述各电池簇中进行串并联的电池的类型并不局限于锂电池，电池的类型还可以为其他类型的电化学电池，如铅酸电池、铅碳电池、三元锂电池，磷酸铁锂电池，钛酸锂电池等。负载可以为直流电网、逆变器等。
在一可选实施方式中，在储能系统1工作后，上述n个DC/DC变换器中均开始获取各自对应电池簇的电池电压和直流母线的母线电压(即正直流母线BUS+和负直流母线BUS-之间的电压差)，并计算各自对应的电池簇的电池电压与母线电压之间的电压差值。上述n个DC/DC变换器均基于各自的电压差值控制各自的第一直流变换电路的输出电压，从而使得各自的第二直流变换电路的输入电压为各自对应的电池簇的电池电压与各自的第一直流变换电路的输出电压之和。之后，上述n个DC/DC变换器控制各自的第二直流变换电路将各自的第二直流变换电路的输入电压直流变换为母线电压， 以使上述n个DC/DC变换器的输出电压均为母线电压。
在本申请实施例中，储能系统1中各DC/DC变换器均可以基于各自的电压差值动态调整各自的第一直流变换电路的输出电压，进而动态调整各自的第二直流变换电路的输入电压，从而使得各DC/DC变换器在输出电压达到母线电压时效率达到预设效率，以实现各DC/DC变换器在全范围电压差值的高效率，进而提高储能系统1的效率。此外，在储能系统1中的电池簇的数量为多个时，由于各DC/DC变换器的输出电压均为母线电压，因此可有效抑制电池簇之间的环流，从而提高储能系统1的安全性和稳定性。
由于储能系统1中各DC/DC变换器的结构和工作原理均一致，为了方便描述，下面以DC/DC变换器11为例进行介绍。
参见图4，图4是本申请提供的储能系统的另一结构示意图。如图4所示，储能系统1包括DC/DC变换器11及其对应的电池簇21、……、DC/DC变换器1n及其对应的电池簇2n、直流母线(即正直流母线BUS+和负直流母线BUS-)和逆变器31。n为正整数。其中，DC/DC变换器11的正输入端和负输入端连接电池簇21，正输出端和负输出端分别连接正直流母线BUS+和负直流母线BUS-；……；DC/DC变换器1n的正输入端和负输入端连接电池簇2n，正输出端和负输出端分别连接正直流母线BUS+和负直流母线BUS-。正直流母线BUS+和负直流母线BUS-分别连接逆变器31的正输入端和负输入端，逆变器31的输出端连接交流电网。这里，DC/DC变换器11至DC/DC变换器1n中各DC/DC变换器所包含的电路及其内部电路的具体连接关系请参见图3所示实施例中对应部分的描述，此处不再赘述。可选的，DC/DC变换器11还包括第一开关S11和第二开关S12，第一开关S11连接于第二直流变换电路112的正输出端和正输出端之间，第二开关S12连接于第一直流变换电路111的正输出端和负输出端之间；……；DC/DC变换器1n还包括第一开关Sn1和第二开关Sn2，第一开关Sn1连接于第二直流变换电路1n2的正输出端和正输出端之间，第二开关Sn2连接于第一直流变换电路1n1的正输出端和负输出端之间。
具体的，DC/DC变换器11在工作后，控制器113开始获取电池簇21的电池电压和直流母线的母线电压，并计算电池簇21的电池电压与直流母线的母线电压之间的差值得到电压差值。
在一可选实施方式中，在得到电压差值后，控制器113根据上述电压差值和电压差值与输出电压之间的映射关系确定上述电压差值对应的第一输出电压，并控制第一直流变换电路111的输出电压为第一输出电压。其中，电压差值与输出电压之间的映射关系包括多个电压差值区间以及与多个电压差值区间一一对应的DC/DC变换器的效率达到预设效率时第一直流变换电路的输出电压。需要说明的是，若DC/DC变换器的效率达到预设效率时第一直流变换电路的输出电压的数量为多个时，可以将DC/DC变换器的效率达到预设效率的多个输出电压中DC/DC变换器效率最高对应的输出电压确定为电压差值区间对应的第一直流变换电路的输出电压。
具体来讲，控制器113根据上述电压差值和电压差值与输出电压之间的映射关系，确定上述电压差值所在的电压差值区间，即第一电压差值区间。并根据第一电压差值区间和电压差值与输出电压之间的映射关系，确定第一电压差值区间对应的第一输出电压，并控制第一直流变换电路111的输出电压为第一输出电压。在第一直流变换电路111的输出电压为第一输出电压时，第二直流变换电路112的输入电压为第一输出电压和电池簇21的电池电压，则控制器113控制第二直流变换电路112将其输入电压直流变换为母线电压并输出，此时DC/DC变换器11的输出电压为母线电压。
可以理解的，DC/DC变换器11可以通过电压差值与输出电压之间的映射关系，控制第一直流变换电路111的输出电压为DC/DC变换器11的效率达到预设效率时的第一输出电压，进而通过第二直流变换电路112的配合，使得DC/DC变换器11的输出电压为母线电压的同时效率达到预设效率，从而可实现DC/DC变换器11在全范围电压差值的效率最优。
在另一可选实施方式中，在得到电压差值后，控制器113根据上述电压差值与预设阈值的比较结果，控制第一直流变换电路111的输出电压，以使DC/DC变换器11的输出电压为母线电压。
在一可选实施例中，在电压差值小于第一预设阈值时，控制器113控制第一直流变换电路111的输出电压为电压差值。在第一直流变换电路111的输出电压为电压差值时，第二直流变换电路112的输入电压为电压差值与电池簇21的电池电压之和，即母线电压，则控制器113控制第二直流变换电路112的正输入端与正输出端直接连通，以及负输入端与负输出端直接连通，即第二直流变换电路112处于直通模式。此时，第二直流变换电路112的输出电压为母线电压，也即DC/DC变换器11的输出电压为母线电压。
示例性的，在第二直流变换电路112为图5所示的4开关对称BUCK-BOOST电路时，控制器113可以通过控制开关S11和S13均导通且开关S12和S14均断开的方式，使得第二直流变换电路112的两个输入端与两个输出端直接连通，即第二直流变换电路112处于直通模式，此时，第二直流变换电路112输入端的电能直接传送到输出端，第二直流变换电路112没有开关管的高频斩波损耗，因此第二直流变换电路112在直通模式下的效率较高。
可以理解的，在电压差值较小时，DC/DC变换器11通过控制第一直流变换电路111补偿电压差值和控制第二直流变换电路112处于直通模式，使得DC/DC变换器11的输出电压达到母线电压。由于第一直流变换电路111只通过差模功率，损耗较小，而且第二直流变换电路112处于直通模式时效率较高，因此，DC/DC变换器11的效率可以在其电压差值小于第一预设阈值时达到预设效率，也即DC/DC变换器11在其电压差值位于小于第一预设阈值的范围内实现高效率。
在另一可选实施例中，在电压差值小于第一预设阈值时，控制器113控制第一直流变换电路111的输出电压为电压差值。在第一直流变换电路111的输出电压为电压差值时，第二直流变换电路112的输入电压为电压差值与电池簇21的电池电压之和，即母线电压，则控制器113控制第一开关S11导通，此时，第二直流变换电路112的正输入端与正输出端直接连通，以及负输入端与负输出端直接连通。从而可以得到第二直流变换电路112的输出电压为母线电压，也即DC/DC变换器11的输出电压为母线电压。
可以理解的，在有些直流变换电路不支持直通模式的情况下，可以通过增加与该直流变换电路并联的第一开关的方式，实现直通模式下的相同功能，从而提高了DC/DC变换器11的适用性。
在另一可选实施例中，在电压差值大于或者等于第二预设阈值时，控制器113通过控制第一直流变换电路111中可控开关占空比为0的方式，使得第一直流变换电路111的输出电压为0。在第一直流变换电路111的输出电压为0时，第二直流变换电路112的输入电压为电池簇21的电池电压，则控制器113控制第二直流变换电路112将其输入电压直流变换为母线电压并输出，此时DC/DC变换器11的输出电压为母线电压。其中，第二预设阈值可以与第一预设阈值相等，也可以与第一预设阈值不等。
可以理解的，在电压差值较大时，也即直流母线的母线电压较小时，DC/DC变换器11中的第二直流变换电路112需要处理的功率也较小，而第一直流变换电路111的输出电压为0，即第一直流变换电路111停止工作，因此DC/DC变换器11的损耗较小，从而可实现DC/DC变换器11在其电压差值位于大于或者等于第二预设阈值的范围内的高效率。
在另一可选实施例中，在电压差值大于或者等于第二预设阈值时，控制器113控制第二开关S12导通，以使第一直流变换电路111的输出电压为0。在第一直流变换电路111的输出电压为0时，第二直流变换电路112的输入电压为电池簇21的电池电压，则控制器113控制第二直流变换电路112将其输入电压直流变换为母线电压并输出，此时DC/DC变换器11的输出电压为母线电压。其中，第二预设阈值可以与第一预设阈值相等，也可以与第一预设阈值不等。
可以理解的，DC/DC变换器11除了通过控制第一直流变换电路111中可控开关占空比的方式之外，还可以通过控制第二开关S12导通将第一直流变换电路111短路的方式，实现第一直流变换电路111的输出电压为0，控制方式多样，灵活性高。
在另一可选实施例中，在电压差值大于或者等于第二预设阈值时，控制器113控制第一直流变换电路111中可控开关占空比为0且控制第二开关S12导通，以使第一直流变换电路111的输出电压为0。在第一直流变换电路111的输出电压为0时，第二直流变换电路112的输入电压为电池簇21的电池电压，则控制器113控制第二直流变换电路112将其输入电压直流变换为母线电压并输出，此时DC/DC变换器11的输出电压为母线电压。其中，第二预设阈值可以与第一预设阈值相等，也可以与第一预设阈值不等。
可以理解的，DC/DC变换器11通过控制第一直流变换电路111中可控开关占空比为0且控制第二开关S12导通的方式，实现第一直流变换电路111的输出电压为0，可防止在第一直流变换电路111在正常输出电压的情况下由第二开关S12导通造成的电源短路问题，从而可有效提高DC/DC变换器11的安全性和稳定性。
在另一可选实施例中，在电压差值大于或者等于第二预设阈值时，控制器113根据上述电压差值和电压差值与输出电压之间的映射关系确定上述电压差值对应的第二输出电压，并控制第一直流变换电路111的输出电压为第二输出电压。其中，电压差值与输出电压之间的映射关系包括多个电 压差值区间以及与多个电压差值区间一一对应的DC/DC变换器的效率达到预设效率时第一直流变换电路的输出电压。需要说明的是，若DC/DC变换器的效率达到预设效率时第一直流变换电路的输出电压的数量为多个时，可以将DC/DC变换器的效率达到预设效率的多个输出电压中DC/DC变换器效率最高对应的输出电压确定为电压差值区间对应的第一直流变换电路的输出电压。
具体来讲，在电压差值大于或者等于第二预设阈值时，控制器113根据上述电压差值和电压差值与输出电压之间的映射关系，确定上述电压差值所在的电压差值区间，即第二电压差值区间。并根据第二电压差值区间和电压差值与输出电压之间的映射关系，确定第二电压差值区间对应的第二输出电压，并控制第一直流变换电路111的输出电压为第二输出电压。在第一直流变换电路111的输出电压为第二输出电压时，第二直流变换电路112的输入电压为第二输出电压和电池簇21的电池电压，则控制器113控制第二直流变换电路112将其输入电压直流变换为母线电压并输出，此时DC/DC变换器11的输出电压为母线电压。其中，第二预设阈值可以与第一预设阈值相等，也可以与第一预设阈值不等。在第二电压差值区间与上述第一电压差值区间相同时，第二输出电压与第一输出电压相等。
可以理解的，DC/DC变换器11可以通过电压差值与输出电压之间的映射关系，控制第一直流变换电路111的输出电压为DC/DC变换器11的效率达到预设效率时的第二输出电压，进而通过第二直流变换电路112的配合，使得DC/DC变换器11的输出电压为母线电压的同时效率达到预设效率，从而可实现DC/DC变换器11在其电压差值位于大于或者等于第二预设阈值的范围内的效率最优。
在又一可选实施例中，在电压差值大于第一预设阈值且小于第二预设阈值时，控制器113根据上述电压差值和电压差值与输出电压之间的映射关系确定上述电压差值对应的第三输出电压，并控制第一直流变换电路111的输出电压为第三输出电压。其中，电压差值与输出电压之间的映射关系包括多个电压差值区间以及与多个电压差值区间一一对应的DC/DC变换器的效率达到预设效率时第一直流变换电路的输出电压。需要说明的是，若DC/DC变换器的效率达到预设效率时第一直流变换电路的输出电压的数量为多个时，可以将DC/DC变换器的效率达到预设效率的多个输出电压中DC/DC变换器效率最高对应的输出电压确定为电压差值区间对应的第一直流变换电路的输出电压。
具体来讲，在电压差值大于或者等于第二预设阈值时，控制器113根据上述电压差值和电压差值与输出电压之间的映射关系，确定上述电压差值所在的电压差值区间，即第三电压差值区间。并根据第三电压差值区间和电压差值与输出电压之间的映射关系，确定第三电压差值区间对应的第三输出电压，并控制第一直流变换电路111的输出电压为第三输出电压。在第一直流变换电路111的输出电压为第三输出电压时，第二直流变换电路112的输入电压为第三输出电压和电池簇21的电池电压，则控制器113控制第二直流变换电路112将其输入电压直流变换为母线电压并输出，此时DC/DC变换器11的输出电压为母线电压。其中，在第三电压差值区间与上述第一电压差值区间相同时，第三输出电压与第一输出电压相等。
可以理解的，DC/DC变换器11可以通过电压差值与输出电压之间的映射关系，控制第一直流变换电路111的输出电压为DC/DC变换器11的效率达到预设效率时的第三输出电压，进而通过第二直流变换电路112的配合，使得DC/DC变换器11的输出电压为母线电压的同时效率达到预设效率，从而可实现DC/DC变换器11在其电压差值位于大于第一预设阈值且小于第二预设阈值的范围内的效率最优。
综上可知，DC/DC变换器11可将电压差值的全部取值所在范围划分为多个区间(如两个区间或者三个区间)，通过保证DC/DC变换器11的电压差值在位于上述多个区间中各区间时DC/DC变换器11的效率达到预设效率的方式，实现DC/DC变换器11在全范围电压差值的高效率。
储能系统1除了可以实现各DC/DC变换器在全范围电压差值的高效率外，还可以通过对各电池簇的管理，避免在电池簇中出现故障电池单元(如电池电压不在电池运行电压范围内的电池单元)导致电池簇直接退出运行的情况，也即避免电池簇内电池单元间的短板效应。
参见图6，图6是本申请提供的电池簇的结构示意图。如图6所示，电池簇21包括m个电池模块，即电池模块211、……、电池模块21m。其中,m为大于1的正整数。电池模块211包括电池单元Bat1、第一电池开关Q11和第二电池开关Q12；……；电池模块21m电池单元Batm、第一电池开关Qm1和第二电池开关Qm2。其中，上述第一电池开关和上述第二电池开关可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxide semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或者氮化镓(Gallium Nitride，GaN)晶体 管等电力电子器件。在本申请实施例中，以MOSFET为例对上述第一电池开关和上述第二电池开关进行说明。电池单元Bat1与第一电池开关Q11串联在第二电池开关Q12的两端。具体来讲，电池单元Bat1的正极连接第一电池开关Q11的漏极，第一电池开关Q11的源极与第二电池开关Q12的漏极连接后构成电池簇21的正极，第二电池开关Q12的源极连接电池单元Bat1的负极；……；电池单元Batm与第一电池开关Qm1串联在第二电池开关Qm2的两端。具体来讲，电池单元Batm的正极连接第一电池开关Qm1的漏极，第一电池开关Qm1的源极连接第二电池开关Qm2的漏极，第二电池开关Q12的源极与电池单元Batm的负极连接后构成电池簇21的负极。
储能系统1还包括电池管理单元，电池管理单元可以独立于储能系统1中的n个DC/DC变换器，也可以集成在各DC/DC变换器中的控制器上。需要说明的是，当电池管理单元集成在各DC/DC变换器的控制器上时，则是由各DC/DC变换器中的控制器实现对各DC/DC变换器对应电池簇的控制。
在储能系统1工作后，电池管理单元控制上述m个电池模块中各电池模块的第一电池开关均导通，此时电池簇21开始向DC/DC变换器11输出电能。之后，电池管理单元开始获取上述m个电池模块中各电池模块的电池单元的电池电压，并将各电池模块的电池单元的电池电压确定为各电池模块的电池模块电压，从而得到m个电池模块电压。在m个电池模块中存在电池模块电压大于第四预设阈值或者小于第五预设阈值的第一电池模块时，即第一电池模块的电池模块电压不在电池运行范围内时，电池管理单元控制第一电池模块中的第一电池开关关断和第二电池开关导通，此时，第一电池模块中的电池单元被第一电池模块中的第二电池开关短路，使得第一电池模块中的电池单元故障时直接从多个串联的电池模块中切出，从而并不影响电池簇21中除第一电池模块之外的其他电池模块的正常工作，进而避免电池簇内电池单元间的短板效应，同时提高了电池簇中电池单元的利用率。此外，还可以通过控制各电池模块中第一电池开关和第二电池开关，实现最小电池单元的切入和切换，从而可以实现对电池簇21的电池电压的灵活控制。
这里，电池管理单元对其他(n-1)电池簇的具体控制方式请参见电池管理单元对电池簇21的控制方式，此处不再赘述。
在本申请实施例中，储能系统1中各DC/DC变换器均可以基于各自的电压差值动态调整各自的第一直流变换电路的输出电压，进而动态调整各自的第二直流变换电路的输入电压，从而使得各DC/DC变换器在输出电压达到母线电压时效率达到预设效率，以实现各DC/DC变换器在全范围电压差值的高效率，进而提高储能系统1的效率。此外，在储能系统1中的电池簇的数量为多个时，由于各DC/DC变换器的输出电压均为母线电压，因此可有效抑制电池簇之间的环流，从而提高储能系统1的安全性和稳定性。再者，储能系统1可通过对各电池簇中最小电池单元的切入切出控制，避免电池簇内电池单元间的短板效应，同时提高了电池簇中电池单元的利用率。最后，由于储能系统1中各DC/DC变换器中的两个直流变换电路均具备电压调节功能，因此，储能系统1可以兼顾电网高低穿场合的应用，防止高低穿引起的电池的过配，适用性强。
参见图7，图7是本申请提供的DC/DC变换器的输出电压控制方法的流程示意图。本申请实施例提供的DC/DC变换器的输出电压控制方法适用于图3和图4所示的储能系统1中的任一DC/DC变换器。DC/DC变换器的输出电压控制方法可包括步骤：
S101，获取电池簇的电池电压与直流母线的母线电压之间的电压差值。
在一可选实施方式中，DC/DC变换器在工作后，开始获取其对应电池簇的电池电压和直流母线的母线电压，并计算上述电池电压与直流母线的母线电压之间的差值得到电压差值。
S102，根据电压差值控制第一直流变换电路的输出电压。
在一可选实施方式中，DC/DC变换器根据上述电压差值和电压差值与输出电压之间的映射关系确定上述电压差值对应的第一输出电压，并控制第一直流变换电路的输出电压为第一输出电压。在第一直流变换电路的输出电压为第一输出电压时，第二直流变换电路的输入电压为第一输出电压和DC/DC变换器对应电池簇的电池电压，则DC/DC变换器控制第二直流变换电路输出母线电压。
在另一可选实施方式中，在电压差值小于第一预设阈值时，DC/DC变换器控制第一直流变换电路的输出电压为电压差值。在第一直流变换电路的输出电压为第一输出电压时，第二直流变换电路的输入电压为母线电压，则DC/DC变换器控制第二直流变换电路的第一输入端和第二输入端与输出端直接连通，或者控制位于第二直流变换电路的第一输入端和第一输出端之间的第一开关导通。
在另一可选实施方式中，在电压差值大于或者等于第二预设阈值时，DC/DC变换器控制第一直流 变换电路中可控开关占空比为0和/或控制位于第一直流变换电路的第一输出端与第二输出端之间的第二开关导通，以使第一直流变换电路的输出电压为0。在第一直流变换电路的输出电压为0时，第二直流变换电路的输入电压为DC/DC变换器对应电池簇的电池电压，则DC/DC变换器控制第二直流变换电路输出母线电压。其中，第二预设阈值与第一预设阈值可以相同，也可以不同。
在另一可选实施方式中，在电压差值大于或者等于第二预设阈值时，DC/DC变换器根据上述电压差值和电压差值与输出电压之间的映射关系确定上述电压差值对应的第二输出电压，并控制第一直流变换电路的输出电压为第二输出电压。在第一直流变换电路的输出电压为第二输出电压时，第二直流变换电路的输入电压为第二输出电压和DC/DC变换器对应电池簇的电池电压，则DC/DC变换器控制第二直流变换电路输出母线电压。其中，第二预设阈值与第一预设阈值可以相同，也可以不同。
在又一可选实施方式中，在电压差值大于第一预设阈值且小于第二预设阈值时，DC/DC变换器根据上述电压差值和电压差值与输出电压之间的映射关系确定上述电压差值对应的第三输出电压，并控制第一直流变换电路的输出电压为第三输出电压。在第一直流变换电路的输出电压为第三输出电压时，第二直流变换电路的输入电压为第三输出电压和DC/DC变换器对应电池簇的电池电压，则DC/DC变换器控制第二直流变换电路输出母线电压。
具体实现中，本申请提供的DC/DC变换器的输出电压控制方法中DC/DC变换器所执行的更多操作可参见图3和图4所示的DC/DC变换器11所执行的实现方式，在此不再赘述。
本申请实施例中，DC/DC变换器可以基于电压差值动态调整第一直流变换电路的输出电压，进而动态调整第二直流变换电路的输入电压，从而使得DC/DC变换器在输出电压达到母线电压时效率达到预设效率，以实现DC/DC变换器在全范围电压差值的高效率。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (21)

  1. 一种DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器的第一输入端和第二输入端连接电池簇，所述DC/DC变换器的输出端连接直流母线，所述DC/DC变换器包括第一直流变换电路、第二直流变换电路和控制器，其中：
    所述第一直流变换电路的输入端连接直流电源，所述第一直流变换电路的第一输出端和第二输出端分别连接所述DC/DC变换器的第一输入端和所述第二直流变换电路的第一输入端，所述第一直流变换电路用于将所述直流电源输入的电压直流变换后输出至所述第二直流变换电路；
    所述第二直流变换电路的第二输入端连接所述DC/DC变换器的第二输入端，所述第二直流变换电路的输出端连接所述DC/DC变换器的输出端，所述第二直流变换电路用于对输入电压进行直流变换后输出；
    所述控制器，用于根据所述电池簇的电池电压与所述直流母线的母线电压之间的电压差值，控制所述第一直流变换电路的输出电压。
  2. 根据权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述控制器用于在所述电压差值小于第一预设阈值时，控制所述第一直流变换电路的输出电压为所述电压差值。
  3. 根据权利要求2所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述控制器还用于在所述第一直流变换电路的输出电压为所述电压差值时，控制所述第二直流变换电路的第一输入端和第二输入端与输出端直接连通。
  4. 根据权利要求2所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器还包括第一开关，所述第二直流变换电路的输出端包括第一输出端，所述第一开关连接于所述第二直流变换电路的第一输入端和第一输出端之间；
    所述控制器还用于在第一直流变换电路的输出电压为所述电压差值时，控制所述第一开关导通。
  5. 根据权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述控制器用于在所述电压差值大于或者等于第二预设阈值时，控制所述第一直流变换电路的输出电压为0。
  6. 根据权利要求1-5任一项所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器还包括第二开关，所述第二开关连接于所述第一直流变换电路的第一输出端和第二输出端之间；
    所述控制器还用于在所述电压差值大于或者等于第二预设阈值时，控制所述第二开关导通。
  7. 根据权利要求1-6任一项所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述控制器还用于在第一直流变换电路的输出电压为0时，控制所述第二直流变换电路的输出电压为所述母线电压。
  8. 根据权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述控制器用于根据所述电压差值和电压差值与输出电压之间的映射关系确定所述电压差值对应的第一输出电压，并控制所述第一直流变换电路的输出电压为所述第一输出电压。
  9. 根据权利要求8所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述控制器还用于在所述第一直流变换电路的输出电压为所述第一输出电压时，控制所述第二直流变换电路的输出电压为所述母线电压。
  10. 一种储能系统，其特征在于，所述储能系统包括一个或者多个如权利要求1-9任一项所述的DC/DC变换器、和一个或者多个电池簇，其中，一个所述DC/DC变换器连接一个所述电池簇。
  11. 根据权利要求10所述的储能系统，其特征在于，所述电池簇包括至少两个电池模块，所述电池模块包括电池单元、第一电池开关和第二电池开关，所述电池单元与所述第一电池开关串联在所述第二电池开关的两端；
    所述储能系统还包括电池管理单元，所述电池管理单元用于获取所述至少两个电池模块中各电池模块的电池模块电压；在所述至少两个电池模块中的第一电池模块的电池模块电压大于第四预设阈值，或者小于第五预设阈值时，控制所述第一电池模块中的第一电池开关关断和第二电池开关导通。
  12. 根据权利要求10或11所述的储能系统，其特征在于，所述储能系统还包括逆变器，所述逆变器的输入端连接直流母线，所述逆变器的输出端连接交流负载。
  13. 一种DC/DC变换器的输出电压控制方法，其特征在于，所述DC/DC变换器的第一输入端和第二输入端连接电池簇，所述DC/DC变换器的输出端连接直流母线，所述DC/DC变换器包括第一直流变换电路和第二直流变换电路，其中：所述第一直流变换电路的输入端连接直流电源，所述第一直流变换电路的第一输出端和第二输出端分别连接所述DC/DC变换器的第一输入端和所述第二直流变换电路的第一输入端，所述第一直流变换电路用于将所述直流电源输入的电压直流变换后输出至所述第二直流变换电路；所述第二直流变换电路的第二输入端连接所述DC/DC变换器的第二输入端，所述第二直流变换电路的输出端连接所述DC/DC变换器的输出端，所述第二直流变换电路用于对输入电压进行直流变换后输出；
    所述方法包括：
    获取所述电池簇的电池电压与所述直流母线的母线电压之间的电压差值；
    根据所述电压差值控制所述第一直流变换电路的输出电压。
  14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述根据所述电压差值控制所述第一直流变换电路的输出电压，包括：
    在所述电压差值小于所述第一预设阈值时，控制所述第一直流变换电路的输出电压为所述电压差值。
  15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
    在所述第一直流变换电路的输出电压为所述电压差值时，控制所述第二直流变换电路的第一输入端和第二输入端与输出端直接连通。
  16. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述DC/DC变换器还包括第一开关，所述第二直流变换电路的输出端包括第一输出端，所述第一开关连接于所述第二直流变换电路的第一输入端和第一输出端之间；
    所述方法还包括：
    在所述第一直流变换电路的输出电压为所述电压差值时，控制所述第一开关导通。
  17. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述根据所述电压差值控制所述第一直流变换电路的输出电压，包括：
    在所述电压差值大于或者等于第二预设阈值时，控制所述第一直流变换电路的输出电压为0。
  18. 根据权利要求13-17任一项所述的方法，其特征在于，所述DC/DC变换器还包括第二开关，所述第二开关连接于所述第一直流变换电路的第一输出端和第二输出端之间；
    所述方法还包括：
    在所述电压差值大于或者等于第二预设阈值时，控制所述第二开关导通。
  19. 根据权利要求13-18任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
    在所述第一直流变换电路的输出电压为0时，控制所述第二直流变换电路的输出电压为所述母线电压。
  20. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述根据所述电压差值控制所述第一直流变换电路的输出电压，包括：
    根据所述电压差值和电压差值与输出电压之间的映射关系确定所述电压差值对应的第一输出电压，并控制所述第一直流变换电路的输出电压为所述第一输出电压。
  21. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
    在所述第一直流变换电路的输出电压为所述第一输出电压时，控制所述第二直流变换电路的输出电压为所述母线电压。
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CN113517747A (zh) * 2021-08-30 2021-10-19 阳光储能技术有限公司 一种电池簇均衡储能系统及其控制方法
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