CN107681758A - 复合能源*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了复合能源***，包括：电池组单元、超级电容单元、智能配电单元和管理单元，电池组单元包括若干电池分组模块，智能配电单元，包括若干主支路模块、若干预充回路模块、若干电流检测模块、正总接口模块和负总接口模块；每一电池分组模块的第一端通过对应的电流检测模块连接对应的主支路模块的第一端，每一主支路模块的第二端和超级电容单元的第一端均连接至正总接口模块，每一电池分组模块的第二端和超级电容单元的第二端均连接至负总接口模块；每一主支路模块的两端并联一对应的预充回路模块；管理单元分别连接电池组单元、超级电容单元和智能配电单元。本发明能满足智能能源的功率输出与输入需求，控制精度高，电池使用寿命高。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，尤其涉及复合能源***。
背景技术
通过标准化电压等级电池包并联，可以灵活组合配置不同需求的能量与功率的电池组，可实现标准化生产，同时也解决单个电池包的损耗导致整个电池***故障的问题。而并联电池包由于电压和内阻的不确定性会导致电池包间的环流，而且在电子包间电压差别较大，则会导致大的电流，不利于电池安全与能源的利用。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种复合能源***，能满足能源***的功率的智能输入输出，控制精度高，电池使用寿命高。
为实现上述目的，本发明实施例提供了复合能源***，包括：电池组单元、超级电容单元、智能配电单元和管理单元，所述电池组单元包括若干电池分组模块，所述智能配电单元，包括若干主支路模块、若干预充回路模块、若干电流检测模块、正总接口模块和负总接口模块；其中，
每一所述电池分组模块的第一端通过对应的所述电流检测模块连接对应的所述主支路模块的第一端，每一所述主支路模块的第二端和所述超级电容单元的第一端均连接至所述正总接口模块，每一所述电池分组模块的第二端和所述超级电容单元的第二端均连接至负总接口模块；每一所述主支路模块的两端并联一对应的所述预充回路模块；
所述管理单元分别连接所述电池组单元、所述超级电容单元和所述智能配电单元以分别控制所述电池组单元、所述超级电容单元和所述智能配电单元；所述管理单元还连接每一所述电流检测模块的反馈端。
进一步的，所述管理单元分别连接所述电池组单元、所述超级电容单元和所述智能配电单元以分别控制所述电池组单元、所述超级电容单元和所述智能配电单元包括：
所述管理单元分别连接每一所述电池分组模块的控制端、所述超级电容单元的控制端、每一所述主支路模块的控制端、每一所述预充回路模块的控制端、正总接口模块的控制端和负总接口模块的控制端。
进一步的，所述超级电容单元包括超级电容和DC/DC转换器，所述超级电容和所述DC/DC转换器并联，所述DC/DC转换器的第一端作为超级电容模块的第一电极端，所述DC/DC转换器的第二端作为所述超级电容模块的第二电极端。
进一步的，每一所述预充回路模块均包括第一开关元件和功率电阻，所述第一开关元件的第一端作为所述预充回路模块的第一端，所述第一开关元件的第二端的连接所述功率电阻，所述第一开关元件的控制端作为所述预充回路模块的控制端。
进一步的，每一所述主支路模块均包括第二开关元件，所述第二开关元件的第一端作为所述主支路模块的第一端，所述第二开关元件的第二端作为所述主支路模块的第一端的第二端。
进一步的，所述第一开关元件和所述第二开关元件均为继电器。
进一步的，所述正总接口模块包括充电正接口和放电正接口，所述负总接口模块包括充电负接口和放电负接口。
进一步的，每一所述电池分组模块均包括一电池管理***。
进一步的，每一所述电流检测模块包括一分流器，所述分流器的第一端连接对应的所述第一电极接入端，所述分流器的第二端连接对应的所述主支路模块的第一端，所述分流器的反馈端作为所述电流检测模块的反馈端连接所述第五通讯输出端。
进一步的，还包括主控制单元，用于控制所述管理单元，所述主控制单元连接所述管理单元。
本发明实施例通过电池组并联带DC/DC的超级电容，利用超级电容充电速度快、大电流充放电特性好、能量转换效率高等特性，实现能源的缓存，并设计智能能源管理***，通过管理***控制超级电容与电池包、及电池包间的充放电策略，实现电池包间一致性；同时在能源***瞬间大功率充放电时，发挥超级电容大电流充放电特性，实现能源的智能输入输出。
附图说明
图1是本发明实施例中复合能源***的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通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。
参见图1，是本发明实施例提供的复合能源***的结构示意图。包括：电池组单元、超级电容单元、智能配电单元和管理单元EMS，所述电池组单元包括若干电池分组模块，所述智能配电单元，包括若干主支路模块、若干预充回路模块、若干电流检测模块、正总接口模块和负总接口模块；其中，
每一所述电池分组模块的第一端通过对应的所述电流检测模块连接对应的所述主支路模块的第一端，每一所述主支路模块的第二端和所述超级电容单元的第一端均连接至所述正总接口模块，每一所述电池分组模块的第二端和所述超级电容单元的第二端均连接至负总接口模块；每一所述主支路模块的两端并联一对应的所述预充回路模块；
所述管理单元EMS分别连接所述电池组单元、所述超级电容单元和所述智能配电单元。
本实施例通过预充回路模块，避免并联电池中产生的环流现象，从而延长电池寿命；采用“电池组单元+超级电容单元”的组合共同放电，可减少电池组数量，从而减轻重量，节约能源；采用“电池组单元+智能配电单元”的组合，可灵活增加或减少并联电池的数量。
进一步的，所述管理单元EMS分别连接所述电池组单元、所述超级电容单元和所述智能配电单元以分别控制所述电池组单元、所述超级电容单元和所述智能配电单元包括：
所述管理单元EMS分别连接每一所述电池分组模块的控制端、所述超级电容单元的控制端、每一所述主支路模块的控制端、每一所述预充回路模块的控制端、正总接口模块的控制端和负总接口模块的控制端。
功率电阻与和功率电阻串联的第一开关元件组成一个预充回路模块，用来避免电池组间环流现象产生，在电池组单元准备开始对外放电之前，可以先闭合各个预充回路模块中的第一开关元件，这样就使得电池组单元中的各电池分组模块形成了并联关系，并且，电压较高的电池分组模块将会对电压较低的电池分组模块充电，直至所有的电池分组模块的电压基本平衡，电路中不再存在环流现象。接着通过断开各电池分组模块的预充回路的第一开关元件，闭合各个电池分组模块支路上的第二开关元件，开始对外放电。
进一步的，所述管理单元EMS还连接每一所述电流检测模块的反馈端。
进一步的，每一电池分组模块均设有相对应的电池管理***BMS。
进一步的，所述超级电容单元包括超级电容SC和DC/DC转换器，所述超级电容SC和所述DC/DC转换器并联，所述DC/DC转换器的第一端作为超级电容模块的第一电极端，所述DC/DC转换器的第二端作为所述超级电容模块的第二电极端。
DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器，有变流、调压的功能。通过控制DC/DC转换器中的开关导通时间，改变其占空比，从而控制其输出的功率或电压。在本***中，用DC/DC转换器连接端电压不同的两种储能元件，对每种储能设备直接控制，电池组单元和超级电容单元可以深度放电因此其储能量可以充分利用，延长电池使用寿命。
进一步的，每一所述预充回路模块均包括第一开关元件和功率电阻，所述第一开关元件的第一端作为所述预充回路模块的第一端，所述第一开关元件的第二端的连接所述功率电阻，所述第一开关元件的控制端作为所述预充回路模块的控制端。
进一步的，每一所述主支路模块均包括第二开关元件，所述第二开关元件的第一端作为所述主支路模块的第一端，所述第二开关元件的第二端作为所述主支路模块的第一端的第二端。
进一步的，所述第一开关元件和所述第二开关元件均为继电器。继电器是一种电控制器件的“自动开关”，当输入量(激励量)的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
进一步的，所述智能配电单元还包括：若干第一熔断器Fuse1，每一所述主支路模块通过对应的所述第一熔断器Fuse1连接所述正总接口模块。
进一步的，所述正总接口模块包括充电正接口和放电正接口，所述负总接口模块包括充电负接口和放电负接口。另外，还可以包括空调接口和DC/DC接口。即正总接口模块还可以包括空调正接口和DC/DC正接口；负总接口单元还可以包括空调负接口和DC/DC负接口。
优选的，为更好地发挥继电器的作用，预充回路模块上设有继电器，本实施例中通常设置正总接口模块与预充回路模块连接，当然，在其它实施例中根据电路需求调整，相应将正总接口模块替换为负总接口模块，负总接口模块替换为正总接口模块的实施方式也在本实施例的保护范围内。
进一步的，正总接口模块的总继电器均通过一相应的第二熔断器Fuse2连接每一分接口(包括充电正接口、放电正接口、空调正接口和DC/DC正接口)，负总接口模块的总继电器通过一相应的第二熔断器Fuse2连接每一分接口(包括充电负接口、放电负接口、空调负接口和DC/DC负接口)，实现过流保护。
进一步的，所述正总接口模块还包括第一总继电器，所述负总接口模块还包括第二总继电器；
所述充电正接口和所述放电正接口均用于通过所述第一总继电器连接每一所述主支路模块的第二端，所述第一总继电器的控制端作为所述正总接口模块的控制端；
所述充电负接口和所述放电负接口均用于通过所述第二总继电器连接每一所述电池分组模块的第二电极端，所述第二总继电器的控制端作为所述负总接口单元的控制端。
通过智能均衡配电设备，放电时，通过闭合各预充回路模块的继电器，使得电池组单元中每一电池分组模块的所在支路的端电压基本相等，消除环流现象，在环流现象消除后，断开预充回路模块的继电器并闭合各主支路模块的继电器，电池组单元对外供电。
进一步的，正总接口模块的第一总继电器均通过一相应的一第二熔断器Fuse2连接每一分接口(包括充电正接口、放电正接口、空调正接口和DC/DC正接口)，负总接口单元的第二总继电器通过另一相应的第二熔断器Fuse2连接每一分接口(包括充电负接口、放电负接口、空调负接口和DC/DC负接口)，实现过流保护。
进一步的，每一所述电流检测模块包括一分流器FL，所述分流器FL的第一端连接对应的所述第一电极接入端，所述分流器FL的第二端连接对应的所述主支路模块的第一端，所述分流器FL的反馈端作为所述电流检测模块的反馈端连接所述第五通讯输出端。
第五通讯输出端主要包含从分流器FL读取到各电池分组模块对应的支路上的电流数据，第五通讯输出端把接收到的电流数据反馈给相应的管理单元EMS。
进一步的，还包括主控制单元VCS，用于控制所述管理单元EMS，所述主控制单元VCS连接所述管理单元EMS。
主控制单元的控制对象可以有主控制器、放电控制器、电池管理***、多能源管理***、信息显示***和通信***。各***之间的信息传递通过网络通信***网络化实现，本***中，管理单元通过CAN与主控制单元连接，进行数据交流和指令传递。
具体的，电池组单元中每个并联支路的电池分组模块的第一电极均与相对应智能配电单元中的分流器连接，接着，分流器连接相对应的主支路模块的继电器和一个预充回路组成的并联电路，最后，经过一第一熔断器Fuse1后，各电池分组模块的第一电极连接成一个电池组主正母线连接至正总接口模块，其中，电池组单元的各并联支路的电池分组的第二电极均接到智能配电单元中负总接口模块组成一个电池组主负母线连接至负总接口模块，正总接口模块和负总接口模块均有相对应的总继电器控制开闭，与此同时，电池组单元的各并联支路的电池分组模块均有各自的电池管理***BMS与管理单元EMS进行通讯连接。智能配电***中各分流器以及继电器均与能源管理***进行通讯控制连接，分流器采集各支路电流信息，继电器控制对应电路开闭。超级电容SC连接在DC/DC转换器两端，DC/DC转换器两端再分别与电池组主正母线和电池组主负母线连接，即超级电容作为辅助储能元件通过DC/DC转换器与电池组并联，复合对外供电，并且，超级电容SC与DC/DC转换器通过通讯端口分别与能源管理***进行通讯连接。若干电池分组模块、超级电容SC、DC/DC转换器以及智能配电单元复合后，其输入输出端口通过继电器可连接充电桩、负载、DC/DC转换器以及其他设备。
需要说明的是，不同模块/单元/***间的通讯连接可以通过通讯电缆/串口或其它形式的信号线进行连接。
基于本实施例的复合能源***的结构，根据不同的使用需求工况，可以通过管理单元对电池组单元、超级电容单元和智能配电单元实现相应的控制，制定复合能源的充放电策略以及电池组中电池与电池间、电池组与超级电容之间的相互均衡控制策略。
具体的，使用需求工况包能量输出工况、能量输入工况和无输入输出工况。其中，能量输出工况包括：大功率输出、一般功率输出和无输出；能量输入工况包括：包括大功率充电、大功率瞬时能量回馈和一般功率输入。
当复合能源***需要对外部负载进行供电时，可以能量输出工况制定对应的供电(放电)策略；举例，大功率输出时，可以选择通过管理单元EMS控制控制所述电池组单元和超级电SC共同供电；一般功率输出时，可以选择通过管理单元EMS控制所述电池组单元单独供电；上述供电策略仅仅为一种举例说明，实际的供电策略可以根据实际需求进行调整，本实施例并不限制本复合能源***只能采用该供电策略。
大功率输出和一般功率输出的区分可以通过外部负载的负载功率和电池组单元的允许输出的功率的大小关系进行判定，如，电池组单元允许输出的功率小于外部负载的功率，此时判定为大功率输出；电池组单元允许输出的功率大于外部负载的功率，此时判定为一般功率输出。当然，能量输出工况还可以通过其它判定标准进行确定，此处仅为一种可实现方式的举例说明。当复合能源***处于充电状态时，可以根据能量输入工况制定对应的充电策略；如大功率瞬时能量回馈，基于超级电容充电速度快、效率高的特性，可以优先通过管理单元将瞬时回馈的能量给超级电容单元进行充电，然后再通过控制管理单元给电池组单元进行充电，从而使得电池组与超级电容之间均衡性好。
另外，在复合能源***制定相应的充电策略，还可以考虑当前所述电池组单元的荷电状态和所述超级电容单元的荷电状态来确定电池组单元与超级电容单元间，电池组单元内每一电池分组模块相互间的充放电策略：
比如，当所述超级电容单元的荷电状态小于所述超级电容单元的荷电状态最高限值，可以控制所述超级电容单元通过进行充电；当所述超级电容单元的荷电状态不小于所述超级电容单元的荷电状态最高限值时，并，当所述电池组单元的荷电状态小于所述电池组单元的荷电状态最高限值，可以控制所述电池组单元进行充电；
又比如，复合能源在无输入和输出工况下，为保持电池分组模块一致性，综合考虑电池分组中电压与荷电状态状况，在电池分组模块间或电池分组模块与超级电容间进行充放电。当电池分组模块端电压压差超过限值，且超级电容荷电状态小于最高限值，将电池分组模块中的最高电压分组通过直通继电器与超级电容连接，实现对超级电容充电；如果超级电容的电容荷电状态达到最高限值，电池分组模块中的最高电压分组则通过功率电阻与继电器支路与最低电压分组模块连接，实现最高与最低端电压电池分组模块实现电压平衡。另外，当电池分组模块端电压压差超过限值，且电池组模块SOC不高、超级电容荷电状态大于参考值，则可将电池分组模块中的最低电压分组则通过继电器支路与超级电容连接，实现对电池组充电。
上述放电策略的仅仅为一种可实现方式，说明本实施例能够实现电池分组模块间、电池组单元与超级电容单元检能够实现相互均衡，实际的放电策略可以根据实际需求进行指定，本实施例并不限制本复合能源***只能采用该放电策略。
本实施例通过管理单元对电池组模块和超级电容单元的控制，可避免电池过充过放，影响电池寿命。
进一步的，所述超级电容单元的荷电状态的最高限值为所述超级电容单元充满电时的荷电状态，或为预先设置的最高限值；
所述电池组单元的荷电状态的最高限值为所述电池组单元充满电时的荷电状态，或为预先设置的最高限值。
进一步的，电池组单元工作时，若检测到某个电池分组模块出现问题或不工作，可通过智能配电单元断开此电池分组模块的连接，不影响整体使用，单独电池片更换方便。
本实施例将大功率动力电池和高电压超级电容通过智能配电***和DC/DC转换器并联在一起，可以充分发挥超级电容的特点，达到高能量和高功率的非常好的结合。既充分利用了动力电池的高能量密度和高循环使用寿命，又充分利用了超级电容的高功率密度及超常的充放电使用次数，使用方便，并且可以稳定提供高功率的电能输出；可承受充电电压和电流相当程度的波动；由于超级电容可作为能量滤波使用，使得瞬间能量反馈的波动电流，完全被电容所储存，可有效地保护动力电池组，提高电池组整体安全性；可充分保证电能提供的稳定性和便捷性；由于超级电容的存在，可以完全克服对于负载的变动或电压的波动；由于不需要内燃机的启动过程或与电网连接的过程，可在十几秒内达到满功率输出。
本实施例由“电池组单元+智能配电单元+超级电容+DC/DC转换器”组成的复合能源***，可有效避免环流现象，各电池片之间有效地均，电池与电池间、电池与电容可控制的相互充放电，避免电池和超级电容的过充过放问题；超级电容与电池组共同供电以应对尖峰功率要求，可减少电池组数量，从而减轻复合能源***的重量，提高使用经济性；制动时能产生能量回馈，节约能源。本实施例能量密度高、循环寿命长、功率输出高和安全可靠。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.复合能源***，其特征在于，包括：电池组单元、超级电容单元、智能配电单元和管理单元，所述电池组单元包括若干电池分组模块，所述智能配电单元，包括若干主支路模块、若干预充回路模块、若干电流检测模块、正总接口模块和负总接口模块；其中，
每一所述电池分组模块的第一端通过对应的所述电流检测模块连接对应的所述主支路模块的第一端，每一所述主支路模块的第二端和所述超级电容单元的第一端均连接至所述正总接口模块，每一所述电池分组模块的第二端和所述超级电容单元的第二端均连接至负总接口模块；每一所述主支路模块的两端并联一对应的所述预充回路模块；
所述管理单元分别连接所述电池组单元、所述超级电容单元和所述智能配电单元以分别控制所述电池组单元、所述超级电容单元和所述智能配电单元；所述管理单元还连接每一所述电流检测模块的反馈端。
2.如权利要求1所述的复合能源***，其特征在于，所述管理单元分别连接所述电池组单元、所述超级电容单元和所述智能配电单元以分别控制所述电池组单元、所述超级电容单元和所述智能配电单元包括：
所述管理单元分别连接每一所述电池分组模块的控制端、所述超级电容单元的控制端、每一所述主支路模块的控制端、每一所述预充回路模块的控制端、正总接口模块的控制端和负总接口模块的控制端。
3.如权利要求1所述的复合能源***，其特征在于，所述超级电容单元包括超级电容和DC/DC转换器，所述超级电容和所述DC/DC转换器并联，所述DC/DC转换器的第一端作为超级电容模块的第一电极端，所述DC/DC转换器的第二端作为所述超级电容模块的第二电极端。
4.如权利要求1所述的复合能源***，其特征在于，每一所述预充回路模块均包括第一开关元件和功率电阻，所述第一开关元件的第一端作为所述预充回路模块的第一端，所述第一开关元件的第二端的连接所述功率电阻，所述第一开关元件的控制端作为所述预充回路模块的控制端。
5.如权利要求4所述的复合能源***，其特征在于，每一所述主支路模块均包括第二开关元件，所述第二开关元件的第一端作为所述主支路模块的第一端，所述第二开关元件的第二端作为所述主支路模块的第一端的第二端。
6.如权利要求5所述的复合能源***，其特征在于，所述第一开关元件和所述第二开关元件均为继电器。
7.如权利要求1所述的复合能源***，其特征在于，所述正总接口模块包括充电正接口和放电正接口，所述负总接口模块包括充电负接口和放电负接口。
8.如权利要求1所述的复合能源***，其特征在于，每一所述电池分组模块均包括一电池管理***。
9.如权利要求1所述复合能源***，其特征在于，每一所述电流检测模块包括一分流器，所述分流器的第一端连接对应的所述第一电极接入端，所述分流器的第二端连接对应的所述主支路模块的第一端，所述分流器的反馈端作为所述电流检测模块的反馈端连接所述第五通讯输出端。
10.如权利要求1所述复合能源***，其特征在于，还包括主控制单元，用于控制所述管理单元，所述主控制单元连接所述管理单元。
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