CN102522790B - 一种串联电池组均衡装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于储能技术领域，具体涉及一种串联电池组均衡装置，此装置用于储能电池单体及电池组之间的均衡调节及管理。该装置包括至少一个电池组；电池组之间串联，称为串联电池组；电池组包括至少两个单体，单体之间串联；单体包括电池和均衡模块；电池的两端并联均衡模块。本发明提供的均衡装置实现电池组间、组内的电池单体点对点能量均衡，大大提高均衡速度和效率，形成组间带有电气隔离的能量通道，保证***可适应从低电压等级到高电压等级的多种应用，具备良好的通用性能，依托灵活的硬件工作方式，可以方便的实现复杂的均衡策略。
Description
技术领域
本发明属于储能技术领域，具体涉及一种串联电池组均衡装置，此装置用于储能电池单体及电池组之间的均衡调节及管理。
背景技术
串联电池组中，电池单体由于本身的不一致性降低了整组电池的性能及使用寿命，使用过程中电池组的容量利用率下降，整体性能(如：成组后循环充放电次数小于单体充放电次数)达不到单体电池指标。为解决串联电池组的不一致问题，电池管理***通常配有均衡管理电路。
现有的均衡方式主要包括利用放电电阻均衡的能耗型均衡以及由电容、电感或变压器等构成的非能耗型均衡装置。能耗型均衡通过电阻将多余能量耗散，温升较大，效率低；非能耗型均衡由于包含电容、电感等电子元件，结构较复杂，但其效率高，能量损失小。
利用电阻实现的能耗型均衡，如图1所示。电池单体两端并联放电电阻及功率开关管，通过控制开关管的通断对电压较高的单体放电，能量通过放电电阻以热的形式耗散。这种均衡方式最简单，但它只能通过给电压最高的电池单体放电调节电池的一致性，均衡效率较低，能量浪费严重，不能实现组间均衡。
将电容作为储能元件对电池均衡，如图2所示。相邻单体通过开关的控制，利用电容作为能量的载体，可以将能量从电压高单体转移到电压低单体上，从而实现电池组内单体电池电压的均衡。对于N节单体电池，需要N个功率开关和N-1个能量电容，从而构成开关电容网络。但这种均衡能量只能在相邻单体之间转移，不能实现组间均衡，且电容充放电过程中能量损失较大，均衡效率较低。
利用电感元件及续流二极管构成的均衡装置，如图3所示。每个均衡模块由一对功率开关管，一个储能电感和一对续流二极管组成。每个均衡模块两端分别各接一节单体电池，形成一个非隔离式半桥变换装置。当某一单体过充时，其对应的开关管导通，能量储存在旁路电感中；当开关管关断时，储存的能量流向相邻的单体，使各单体能量趋于一致。但这种均衡方式开关损耗大，能量只能在相邻单体直接转移，不同组间均衡时对电感需要重更新设计，通用性差，控制较复杂。
利用变压器构成的均衡装置，如图4所示，B1，B2，...Bn为串联的蓄电池，D1，D2，...Dn为防反二极管，S1为功率开关管，N为n:1变压器。这种方式可将较高电池组的能量传递到较低能量的电池单体上，而且单体两端的电压精确可调。当***检测到低能量单体，变压器电池组侧功率开关导通，原边形成回路通过电流，能量储存于变压器线圈中；开关关断时，变压器储存的能量释放到电池单体，能量低的单体吸收能量。但其配线复杂，且模块体积较大，组间均衡时变压器承受电压较高，不同组间均衡时对电感需要重更新设计，通用性差，影响***的稳定性。
由于在储能电站中，电池的电压等级较高，电池不仅分箱摆放，有的还需要多组电池柜，这样不同电池柜体之间的不一致也将对整组电池性能产生影响。目前针对组间均衡方案较少，不能满足高电压等级电池模组的应用需要。
发明内容
本发明的目的是针对现有均衡装置的优缺点，结合储能电池的应用环境，本发明提供一种串联电池组均衡装置。该均衡装置不受电池箱体或者柜体的限制，可以在任意两节单体之间进行能量转移，将能量从电压高的单体转移至电压低的单体，能量损耗小，均衡效率高，可以满足大容量电池的均衡需求。
本发明的目的是采用下述技术方案予以实现的：
一种串联电池组均衡装置，其改进之处在于，所述装置包括至少一个电池组；所述电池组之间串联，称为串联电池组；所述电池组包括至少两个单体，所述单体之间串联；所述单体包括电池和均衡模块；所述电池的两端并联均衡模块。
本发明提供的一种优选的技术方案是：所述均衡模块包括滤波装置、功率开关管和变压器；所述滤波装置、功率开关管和变压器依次串联。
本发明提供的第二优选的技术方案是：所述均衡模块包括二极管，所述二极管连接在功率开关管和变压器之间。
本发明提供的第三优选的技术方案是：所述滤波装置包括电感Ln-n和电容Cn-n；所述功率开关管包括Tn-Am和Tn-Bm；所述二极管包括Dn-Am和Dn-Bm；所述电感Ln-n和电容Cn-n串联；所述电感Ln-n与功率开关管Tn-Am串联；所述功率开关管Tn-Bm与二极管Dn-Bm并联；所述二极管Dn-Am和Dn-Bm均连接在变压器原边绕组上；变压器副边绕组连接功率管Tn；所述功率管Tn连接电池组；所述n和m为自然数，即n＝1，2，3...；m＝1，2，3...。
本发明提供的第四优选的技术方案是：所述变压器是基于电力电子变换电路及带中间抽头的高频变压器。
本发明提供的第五优选的技术方案是：所述电池组内部的单体之间实现组内均衡；所述电池组之间实现组间均衡。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明提供的串联电池组均衡装置，通过改变各箱体间的能量流动方向，由于箱体间存在能量流动的通道，电池可以既可以完成箱体内点对点均衡，也可以实现箱体间的点对点均衡，即各箱体可工作在能量输入和能量输出状态，进而使能量均衡速度和运送效率大大提高，方便的实现整簇电池的均衡策略，而不会因能量通道不灵活而造成均衡策略的关联度高、复杂性强；；
2、本发明提供的串联电池组均衡装置，形成组间带有电气隔离的能量通道，保证***可适应从低电压等级到高电压等级的多种应用，具备良好的通用性能，依托灵活的硬件工作方式，可以方便的实现复杂的均衡策略。
附图说明
图1是现有技术利用电阻实现的能耗型均衡装置示意图，
其中：B1，B2，...Bn为蓄电池，S1，S2，...Sn为功率开关管，R1，R2，...Rn为功率电阻；
图2是现有技术将电容作为储能元件对电池均衡装置示意图，
其中：B1，B2，B3为蓄电池，S1，S2，S3为功率开关管，C1，C2为电容；
图3是现有技术利用电感元件及续流二极管构成的均衡装置示意图，
其中：B1，B2，...Bn为蓄电池，S1，S2，...Sn为功率开关管，D1，D2，...Dn为反并联二极管；
图4是现有技术利用变压器构成的均衡装置示意图，
其中：B1，B2，...Bn为蓄电池，D1，D2，...Dn为二极管，S1为功率开关管，N为n:1变压器；
图5是依据本发明单体电路的示意图；
图6是依据本发明组内均衡以第一箱电池为例的示意图；
图7是依据本发明组间均衡以第一箱和第二箱电池为例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明是基于电力电子变换电路及带中间抽头的高频变压器，本发明提供的串联电池组均衡装置包括N个电池组(N≤100)；所述电池组之间串联，称为串联电池组；所述电池组包括M个单体(M的个数依据工程而定，为十几个甚至更多)，所述单体之间串联；所述单体包括电池和均衡模块；所述电池的两端并联均衡模块，其中电池主要针对磷酸铁锂电池及其他各种锂离子电池，同时适用于铅酸电池和超级电容组。
图5是本发明单体电路的示意图，单体包括电池和均衡模块，电池两端并联一个均衡模块，均衡模块包括包括滤波电路、功率开关管、二极管以及变压器；滤波电路由电感L1-1和电容C1-1组成，其中电感和电容串联；功率开关管包括T1-A1和T1-B1；二极管包括D1-A1和D1-B1；所述电感L与功率开关管T1-A1串联；所述功率开关管T1-B1与二极管D1-B1并联；二极管D1-A1和D1-B1均连接在变压器原边绕组上；变压器副边绕组连接功率管T1；功率管T1连接电池组；其中，T1-B1工作于高频状态，T1-A1工作于常通常断状态。
组内均衡以第一箱电池为例，如图6所示，假设B1-1单体电压高，B1-3单体电压低，当均衡工作时，闭合功率开关管T1-B1，同时闭合功率开关管T1-A3；B1-1单体的功率开关管工作在高频开关状态，能量通过高频变压器N1感应到B1-3，此时B1-3的功率开关管工作在常闭状态。
组间均衡以第一箱和第二箱电池为例，如图7所示。假设B1-1单体电压高，B2-1单体电压低，均衡电路工作时，闭合功率开关管T1-B1，同时闭合功率开关管T2-A1，B1-1的能量通过高频变压器的原边绕组，感应到高频变压器N1副边绕组，与高频变压器N1并联的高频变压器N2将能量感应到B2-1单体的变压器原边绕组，经电感整流给B2-1补电。
从图2和图3中可以看出，此种均衡装置不受电池箱体的限制，通用性强，可有效解决箱体之间的不一致问题；同时控制策略简单灵活，只需对单体电压最高及最低电池的功率管进行控制。
本发明提供的串联电池组均衡装置适应不同的电压等级：比如可应用于电动汽车的300-500VDC等级，也可应用于800-1000VDC的储能电站等级，低压也可以应用于备用电源48VDC等级。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，这些变更、修改或者等同替换，其均在其申请待批的权利要求范围之内。
Claims (1)
1.一种串联电池组均衡装置，其特征在于，所述装置包括至少一个电池组；所述电池组之间串联，称为串联电池组；所述电池组包括至少两个单体，所述单体之间串联；所述单体包括电池和均衡模块；所述电池的两端并联均衡模块；
所述均衡模块包括滤波装置、功率开关管和变压器；所述滤波装置、功率开关管和变压器依次串联；
所述均衡模块包括二极管，所述二极管连接在功率开关管和变压器之间；
所述滤波装置包括电感Ln-n和电容Cn-n；所述功率开关管包括Tn-Am和Tn-Bm；所述二极管包括Dn-Am和Dn-Bm；所述电感Ln-n的一端与电容Cn-n的一端连接；所述电感Ln-n的另一端与功率开关管Tn-Am的漏极连接；所述功率开关管Tn-Am的源极与二极管Dn-Am的阴极连接；二极管的阳极与变压器原边绕组的一端连接，电容Cn-n的另一端、二极管Dn-Bm的阳极和B1-1单体的负极均与变压器原边绕组的另一端连接，二极管Dn-Bm的阴极与变压器原边绕组的中间抽头连接，电池Bn-m单体的正极与电容Cn-n的一端连接；所述功率开关管Tn-Bm的漏极与Bn-m单体的正极连接；所述功率开关管Tn-Bm的源极与二极管Dn-Bm的阴极连接；变压器副边绕组连接功率管Tn；所述功率管Tn连接电池组；所述n和m为自然数；其中，n表示电池组数，m表示每组电池组的单体个数；Tn-Bm工作于高频状态，Tn-Am工作于常通常断状态；
所述变压器是基于电力电子变换电路及带中间抽头的高频变压器；
所述电池组内部的单体之间实现组内均衡；所述电池组之间实现组间均衡。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE STATE ELEC Free format text: FORMER OWNER: CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE Effective date: 20130809 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20130809 Address after: 102200 Beijing city Changping District South Shao Zhen Nan Road No. 16 Applicant after: CHINA EPRI SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd. Applicant after: China Electric Power Research Institute Applicant after: State Grid Corporation of China Address before: 102200 Beijing city Changping District South Shao Zhen Nan Road No. 16 Applicant before: CHINA EPRI SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd. Applicant before: China Electric Power Research Institute |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150708 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |