CN107681733A - 电池均衡模块及分布式电池储能均衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池均衡模块及分布式电池储能均衡装置，其中电池均衡模块包括：多个均衡变换器，与多个电池一一对应连接，所述多个均衡变换器串联后的输入/输出端口与直流母线连接，用于均衡所述多个电池的电能；信息采集单元，与所述多个电池连接，用于采集所述电池的状态信息，所述状态信息包括：电流信息和/或电压信息；控制单元，分别与所述信息采集单元和驱动单元连接，用于根据所述电池的状态信息估算电池的电量，并根据各个电池的电量输出用于调节各个电池对应的均衡变换器的第一占空比信号，控制对应电池的充放电电流，从而可以快速的调节电池的电能。

Description

电池均衡模块及分布式电池储能均衡装置

技术领域

本发明涉及分布式发电技术领域，具体涉及一种电池均衡模块及分布式电池储能均衡装置。

背景技术

近年来，锂离子电池组已经广泛应用于电动汽车、医疗设备、新能源储能***等领域。单体锂离子电池标称电压为3.7V，所以需要串联一些电池单体组合成一个电池组来获得高电压输出，但是因为锂离子电池单体制造差异、老化衰减、温度梯度等不一致性，增加了电池组损坏、着火甚至***的几率，严重影响电池组的使用寿命。

目前，普遍采用串联式主动均衡电路来校正锂离子电池组中的不一致性，然而，串联式主动均衡电路通常会存在以下几个问题，一，均衡速度慢，例如，均衡电路由20个电池单体串联组成，假设每一个均衡器的效率为95％，为了均衡第一个和最后一个电池，所有的均衡器都需要工作来转移第一个和最后一个电池的能量，因此最终效率仅为35％；二，可靠性差，当串联电池中的一个电池单体出现故障，均衡回路将中断；三，可扩展性差，串联式均衡电路偏向定制化设计，用户在使用过程中不宜更改***配置，不能跟随实际需求，灵活的改变输出功率。

因此，如何较为快速的对电池均衡成为亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种电池均衡模块及分布式电池储能均衡装置，以解决电池电能不均衡的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种电池均衡模块，包括：多个均衡变换器，与多个电池一一对应连接，多个均衡变换器串联后的输入/输出端口与直流母线连接，用于均衡多个电池的电能；信息采集单元，与多个电池连接，用于采集电池的状态信息，状态信息包括：电流信息和/或电压信息；控制单元，分别与信息采集单元和驱动单元连接，用于根据电池的状态信息估算电池的电量，并根据各个电池的电量输出用于调节各个电池对应的均衡变换器的第一占空比信号，控制对应电池的充放电电流。

可选地，信息采集单元还用于与输入/输出端口连接，用于采集输入/输出端口的输入/输出电能信息。

可选地，均衡变换器包括：Buck/Boost双向变换器、隔离双向全桥变换器、隔离双向半桥变换器、双向全桥LLC变换器中的任意一种。

可选地，多个开关，分别与多个均衡变换器并联，在电池异常时闭合以旁路电池；控制单元还用于检测电池是否正常，当电池异常时，控制电池对应的开关闭合以旁路电池，并通过输出第一占空比信号，控制其他电池单元中均衡变换器的输出电压，使输入/输出端口的输出电压保持稳定。

可选地，电池均衡模块还包括：驱动单元，设置在控制单元和多个均衡变换器之间，用于将第一占空比信号转换为第一驱动信号，以驱动多个均衡变换器控制对应电池的充放电电流。

可选地，电池均衡模块还包括：通信单元，与控制单元连接，用于与外部通信。

根据第二方面本发明实施例提供了一种分布式电池储能均衡装置，包括：多个上述第一方面任意一项描述的电池均衡模块，多个电池均衡模块的输入/输出端口串联组成电池均衡模块串联组，多个电池均衡模块串联组并联连接至直流母线；控制模块，通过通信总线与电池均衡模块串联组内多个电池均衡模块连接，用于根据各个电池均衡模块的输出电压，输出用于调节电池均衡模块内的均衡变换器的第二占空比信号以调节电池均衡模块的输入输出功率。

可选地，分布式电池储能均衡装置还包括：信息采集模块，分别与直流母线和控制模块连接，用于采集直流母线电能信息，并输送至控制模块；控制模块还用于根据直流母线电能信息输出用于控制电池均衡模块输入/输出电能的控制信号，以维持直流母线电能稳定。

可选地，分布式电池储能均衡装置还包括：外部通信模块，与控制模块连接，用于与外部主机和电池均衡模块的通信单元进行通信。

本发明实施例提供了一种电池均衡模块及分布式电池储能均衡装置，多个均衡变换器与多个电池一一对应连接，多个均衡变换器串联后的输入输出端口与直流母线连接，用于均衡多个电池的电能，信息采集装置采集电池的状态信息，控制单元中用于根据电池的状态信息估算电池的电量，并根据各个电池的电量输出用于调节各个电池对应的均衡变换器的第一占空比信号，控制对应电池的充放电电流，从而快速对每个电池进行单独均衡，可以提高电池的均衡速度。

本发明提供的分布式电池储能均衡装置，多个电池均衡模块的输入/输出端口串联组成电池均衡模块串联组，多个电池均衡模块串联组并联连接至直流母线，通信模块接收输入/输出端口的输入/输出电能信息，并给控制模块，控制模块用于根据各个电池均衡模块的输出电压，输出用于调节电池均衡模块内的均衡变换器的第二占空比信号以调节电池均衡模块的输入输出功率，可以迅速调节各个电池均衡模块的输入/输出电能。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的电池均衡模块的示意图；

图2示出了根据本发明实施例的均衡变换器的电路示意图；

图3示出了根据本发明实施例的分布式电池储能均衡装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种电池均衡模块，如图1所示，该模块包括：

多个均衡变换器11，与多个电池12一一对应连接，多个均衡变换器11串联后的输入/输出端口13与直流母线连接，用于均衡多个电池12的电能。在具体的实施例中，均衡变换器11可以为Buck/Boost双向变换器，其集成到单体电池上构成电池单元，电池12可以为锂电池，其中不同的电池的型号可以不同，所称均衡变换器11包括两个端口网络，第一端口用于连接电池的正负极，第二端口向外引出，多个均衡变换器11的第二端口串联形成整个均衡模块的输入/输出端口13。图2示出了均衡变换器11的电路图，第一金属氧化物场效应晶体管SW的漏极与第二端口Vo的正极连接并连接第一电容Cf的一端，第一金属氧化物场效应晶体管SW的源极分别与电感L的一端和第二金属氧化物场效应晶体管SR的漏极连接，电感L的另一端分别与第一端口Vi的正极和第二电容Cd的一端连接，第一端口Vi的负极与第二金属氧化物场效应晶体管SR的源极、第二电容Cd的另一端、第一电容Cf的另一端连接，并连接至第二端口Vo的负极。均衡变换器11还可以为隔离双向全桥变换器、隔离双向半桥变换器、双向全桥LLC变换器中的任意一种。

信息采集单元14，与多个电池12连接，用于采集电池12状态信息。在具体的实施例中，状态信息包括：电流信息和/或电压信息。在本实施例中可以采集电池12的电压信息。

控制单元15，分别与信息采集单元14和驱动单元17连接，用于根据电池12的状态信息估算电池12的电量，并根据各个电池12的电量输出用于调节各个电池12对应的均衡变换器11的第一占空比信号，控制对应电池12的充放电电流，驱动单元17设置在控制单元15和多个均衡变换器11之间，用于将将第一占空比信号转换为第一驱动信号，以驱动多个均衡变换器11控制对应电池12的充放电电流。在本实施例中，电池12的状态信息可以为电池12的电压值，控制单元15在接收到采集的电池12的电压值后，可以估算电池12的荷电量，通过将当前电池12的荷电量与平均荷电量进行比较，在当前电池的荷电量大于平均荷电量时，则减小对应均衡变换器的占空比，减小充电电流，从而使电池的电量趋于平均电量，在当前电池的荷电量小于平均荷电量时，则增大对应均衡变换器的占空比，增大充电电流，从而使电池的电量趋于平均电量。在本实施例中为保证均衡变换器11能正常被驱动，需要将控制单元15输出的第一占空比信号变为第一驱动信号并放大，第一驱动信号往往电压较小，信号较弱，在驱动均衡变换器11之前往往先经过放大处理，以便更好的驱动均衡变换器11。

多个均衡变换器与多个电池一一对应连接，多个均衡变换器串联后的输入输出端口与直流母线连接，用于均衡多个电池的电能，信息采集装置采集电池的状态信息，控制单元中用于根据电池的状态信息估算电池的电量，并根据各个电池的电量输出用于调节各个电池对应的均衡变换器的第一占空比信号，控制对应电池的充放电电流，从而快速对每个电池进行单独均衡，可以提高电池的均衡速度。

为了较为清楚的得知电池均衡模块的输出/输入电能信息，在可选的实施例中，信息采集单元14还可以用于与输出/输入端口13连接，采集输入/输出端口13的输入/输出电能信息。在具体的实施例中，多个均衡变换器11串联后的输入/输出端口13为电池均衡模块整体的输入/输出端口，在电池均衡模块应用的过程中，需要电池均衡模块具有较为稳定输入/输出电能，信息采集单元14将采集的输入/输出电能信息发送至控制单元15。控制单元15根据输入/输出电能信息输出调整多个均衡变换器11的驱动信号的占空比，以调整各个均衡变换器11的输出功率的大小，以便稳定模块的输入/输出电能。

在电池均衡模块使用的过程中，由于电池均衡模块为多个电池12串联组成，如有电池12故障，可能会导致电池均衡模块不可用，为避免由其中某一电池12故障引起的电池均衡模块不可用的情况，在可选的实施例中，电池均衡模块还包括：多个开关16，与多个均衡变换器11并联，在电池12异常时闭合，以旁路电池12。在具体的实施例中，控制单元13可以通过接收到的电池12的状态信息判断电池是否异常，或者，计算电池12的荷电量是否超出电池正常荷电量的范围，如果检测到电池12异常，则由控制单元15发送控制开关闭合的闭合信号，控制开关闭合，将电池12短路，其余电池12可以正常使用。控制单元15可以检测其余电池12的状态信息和输入/输出电能信息，根据输入/输出电能信息和电池的状态信息输出调整其余均衡变换器11的第一占空比信号的占空比，以调整各个均衡变换器11的输出功率的大小，稳定电池均衡模块的输入/输出电能。

在可选的实施例中，电池均衡模块还包括：通信单元18，与控制单元15连接，用于与外部通信。在具体的实施例中，在实际应用中可能会用到多个电池均衡模块，在多个电池均衡模块配合使用时，需要得知各个电池均衡模块内部电池12的状态和电池均衡模块的输入/输出状态，需要通信模块18将输入/输出电能信息和电池的状态信息输出以便进行模块间均衡调整。

本发明实施例还提供了一种分布式电池储能均衡装置，如图3所示，该装置包括：

多个如上述实施例描述的电池均衡模块10，多个电池均衡模块的输入/输出端口13串联组成电池均衡模块串联组100，多个电池均衡模块串联组100并联连接至直流母线。在具体的实施例中，为满足实际功率或电压的需求，需要多个电池均衡模块10共同工作，具体的，可以将多个电池均衡模块10串联在一起，并将串联在一起的多组电池均衡模块串联组100并联到直流母线上提供容量，具体的数量可以根据实际需求选择。

控制模块20，通过通信总线与电池均衡模块串联组100内的多个电池均衡模块10连接，用于根据各个电池均衡模块10的输出电压，输出用于调节电池均衡模块10内的均衡变换器的第二占空比信号以调节电池均衡模块10的输入输出功率。在具体的实施例中，第二占空比信号控制模块20可以通过通信总线与电池均衡模块10中的通信单元18通信，电池均衡模块10中的通信单元18可以将电池均衡模块10的输入/输出电能信息传输至控制模块20，在控制模块20将电池均衡模块10的输入/输出电能信息与多个电池均衡模块10的输入/输出平均值的差输出对应的占空比的第二占空比信号，调节电池均衡模块10内的均衡变换器输入/输出的功率。在本实施例中，由于各个组中的电池均衡模块10为串联连接，各模块的电流相同，则输入/输出电能信息可以为电压信息。在充电模式中，输入端口电压值比平均电压值大时，控制模块20减小对应的电池均衡模块10中的各个均衡变换器的第二占空比信号的占空比，减小充电功率，从而使该电池均衡模块输入端口的电压趋于平均电压；在放电模式中，输出端口电压值比平均电压值大时，控制模块20增大对应的电池均衡模块10中各个均衡变换器的第二占空比信号的占空比，以增大放电功率，从而使该电池均衡模块10输出端口的电压趋于平均电压。

多个电池均衡模块的输入/输出端口串联组成电池均衡模块串联组，多个电池均衡模块串联组并联连接至直流母线，通信模块接收输入/输出端口的输入/输出电能信息，并给控制模块，控制模块用于根据各个电池均衡模块的输出电压，输出用于调节电池均衡模块内的均衡变换器的第二占空比信号以调节电池均衡模块的输入输出功率，可以迅速调节各个电池均衡模块的输入/输出电能。

为保证直流母线的电能稳定，在可选的实施例中，分布式电池储能均衡装置还可以包括：信息采集模块30，分别与直流母线和控制模块20连接，用于采集直流母线电能信息，并输送至控制模块20，控制模块20还用于根据直流母线电能信息输出用于控制电池均衡模块10输入/输出电能的控制信号。在具体的实施例中，分布式电池储能均衡装置还可以维持直流母线电能的稳定，以电压为例，在直流母线电压出现波动后，信息采集模块30采集到直流母线的电压的波动，并将采集到的信息传输至控制模块20，在直流母线的电压变小时，控制模块20增大各个电池均衡模块10中均衡变换器的第二占空比信号的占空比，以使电池均衡模块10增大输出电压，在直流母线的电压变大时，控制模块20减小各个电池均衡模块10中均衡控制器的第二占空比信号的占空比，以使电池均衡模块10减小输出电压。

为了更为方便的控制分布式电池储能均衡装置，有时可能需要人工干预控制，在可选的实施例中，分布式电池储能均衡装置还可以包括：外部通信模块40，与控制模块20连接，用于与外部主机通信。在具体的实施例中，外部通信模块40可以将分布式电池储能均衡装置内部各个电池或各个电池均衡模块10的信息传输至外部主机，以便用户清楚的得知分布式电池储能均衡装置的状态，同样的，外部通信模40可以将用户的控制信息传输至分布式电池储能均衡装置，以灵活的控制分布式电池储能均衡装置的工作状态。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种电池均衡模块，其特征在于，包括：

多个均衡变换器(11)，与多个电池(12)一一对应连接，所述多个均衡变换器(11)串联后的输入/输出端口(13)与直流母线连接，用于均衡所述多个电池的电能；

信息采集单元(14)，与所述多个电池(12)连接，用于采集所述电池(12)的状态信息，所述状态信息包括：电流信息和/或电压信息；

控制单元(15)，分别与所述信息采集单元(14)和驱动单元(17)连接，用于根据所述电池(12)的状态信息估算电池(12)的电量，并根据各个电池(12)的电量输出用于调节各个电池(12)对应的均衡变换器(11)的第一占空比信号，控制对应电池(12)的充放电电流。

2.如权利要求1所述的电池均衡模块，其特征在于，所述信息采集单元(14)还用于与所述输入/输出端口(13)连接，用于采集所述输入/输出端口(13)的输入/输出电能信息。

3.如权利要求1所述的电池均衡模块，其特征在于，所述均衡变换器(11)包括：Buck/Boost双向变换器、隔离双向全桥变换器、隔离双向半桥变换器、双向全桥LLC变换器中的任意一种。

4.如权利要求1-3任意一项所述的电池均衡模块，其特征在于，还包括：

多个开关(16)，分别与所述多个均衡变换器(11)并联，

所述控制单元(15)还用于检测所述电池(12)是否正常，

当所述电池(12)异常时，控制所述电池(12)对应的所述开关(16)闭合以旁路所述电池(12)，并通过输出所述第一占空比信号，控制其他电池单元中均衡变换器(11)的输出电压，使所述输入/输出端口(13)的输出电压保持稳定。

5.如权利要求1-3任意一项所述的电池均衡模块，其特征在于，还包括：

驱动单元(17)，设置在所述控制单元(15)和所述多个均衡变换器(11)之间，用于将所述第一占空比信号转换为第一驱动信号，以驱动所述多个均衡变换器(11)控制对应电池(12)的充放电电流。

6.如权利要求1-3任意一项所述的电池均衡模块，其特征在于，还包括：

通信单元(18)，与所述控制单元(15)连接，用于与外部通信。

7.一种分布式电池储能均衡装置，其特征在于，包括：

多个如权利要求1-6任意一项所述的电池均衡模块(10)，所述多个电池均衡模块(10)的输入/输出端口(13)串联组成电池均衡模块串联组(100)，所述多个电池均衡模块串联组(100)并联连接至直流母线；

控制模块(20)，通过通信总线与所述电池均衡模块串联组(100)内多个电池均衡模块(10)连接，用于根据各个电池均衡模块(10)的输出电压，输出用于调节电池均衡模块(10)内的均衡变换器的第二占空比信号以调节所述电池均衡模块(10)的输入输出功率。

8.如权利要求7所述的分布式电池储能均衡装置，其特征在于，还包括：

信息采集模块(30)，分别与直流母线和所述控制模块(20)连接，用于采集所述直流母线电能信息，并输送至所述控制模块(20)；

所述控制模块(20)还用于根据所述直流母线电能信息输出用于控制所述电池均衡模块(10)输入/输出电能的控制信号，以维持所述直流母线电能稳定。

9.如权利要求7或8所述的分布式电池储能均衡装置，其特征在于，还包括：

外部通信模块(40)，与所述控制模块(20)连接，用于与外部主机和电池均衡模块(10)的通信单元(18)进行通信。