CN110661316A - 一种电池储能电路的控制方法及其*** - Google Patents

一种电池储能电路的控制方法及其*** Download PDF

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康重庆
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Abstract

本申请公开了一种电池储能电路的控制方法及其***，其中电路的控制方法具体包括以下步骤：接收指令，获取选择的工作模式；根据选择的工作模式获取对应的数据信息；根据获取的数据信息和选择的工作模式控制电池间形成拓扑连接，完成工作模式的执行。本申请能够根据对电路的控制从而选择任一工作模式的执行，对于电路的控制更加灵活。

Description

一种电池储能电路的控制方法及其***
技术领域
本申请涉及电池储能领域，具体地，涉及一种电池储能电路的控制方法及其***。
背景技术
ES(Energy storage,储能)技术提供了广泛的功率和能量密度，使其适用于移动应用和固定批量存储应用。对电动汽车和电网的储能需求日益强烈推动了电池ES的发展，同时电池技术成本也显著降低。在应用中，单个电池具有低电压和低电流容量，无法满足储能***的应用需求，大多数ES***都有多个串并联模块，每个模块由多个串并联单元组成。通常，dc-dc变换器用于在电池模块和负载之间提供一个可控的电源接口。但是，在传统固定连接的ES***中，串联电池模块具有不同的属性和操作条件，即使在相同的电流作用下，电池模组的它们的荷电状态(SoC)也会偏离。详细地，在放电过程中，如果电池单体在串连电池模组中放电至截止电压时，则整个电池模组将无法为负载提供能量；同样地，在充电过程中，如果串联电池模组中某一电池单体达到满充电压时，则整个电池模组不应再对电池模组进行充电；从而降低了电池模组及ES***的使用有效使用容量。为了充分利用电池ES***的容量，延长ES使用寿命，需要一种基于模块模块充/放电和均衡控制的方法和***。
现有技术中为能够实现电池模组间SoC均衡，需通过在模块之间引入额外的平衡电路来实现，或者为每个电池模块提供单独控制的dc-dc转换器，但是两种方法都需要大量的额外组件。因此在现有电路的基础上，需要一种更灵活的电路的控制方法，能够对电路进行多种控制从而完成电池的充放电过程。
发明内容
本申请的目的在于提供一种电池储能电路的控制方法及其***，能够控制电路的同时实现多种工作模式，在执行指定工作模式时能够均衡电池间的能量，以及最大限度地减少电池在充电周期的压力。
为达到上述目的，本申请提供了一种电池储能电路的控制方法，具体包括以下步骤：接收指令，获取选择的工作模式；根据选择的工作模式获取对应的数据信息；根据获取的数据信息和选择的工作模式控制电池间形成拓扑连接，完成工作模式的执行。
如上的，其中，工作模式包括：外部电源为电池组充电模式、电池组间的均衡控制模式、电池组为负载供电模式以及外部电源为负载供电模式。
如上的，其中，若接收的指令为选择电池组为负载供电模式，则获取的数据信息为负载所需的电压信息；若接收的指令为电池组间的均衡控制模式，则获取的数据信息为负载所需的电压信息。
如上的，其中，若选择的工作模式为电池组为负载供电模式，则控制电池间形成拓扑连接，完成工作模式的执行具体包括以下子步骤：控制开关阵列，获取电池拓扑连接；根据电池拓扑连接，计算电池组为负载供电模式中的导通比；根据导通比计算控制后的电池组输出电压。
如上的，其中，控制开关阵列具体为：控制开关(S1)和(S4)导通，其余开关断开；电流从电池组(B1)流出，依次流经开关(S1)、负载、电感线圈(L)，再从电感线圈(L)流出经过开关(S4)到达电池组(B2)，电池组(B1)和(B2)形成拓扑连接。
如上的，其中，计算选择的工作模式中的导通比之前，还包括，获取电池模组的输出电压；其中电池组为负载供电模式下的输出电压为电池模组(B1)和(B2)串联后的电压，定义为VModule。
如上的，其中，若选择的工作模式为电池组间的均衡控制模式，则控制电池间形成拓扑连接具体包括：首先控制开关(S2)和(S5)导通，电流从电池组(B1)流出，经过二极管(D1)将电池组B1的电压存储在电感线圈L中；其次，控制开关(S2)、(S5)和(S4)导通，电感线圈(L)中存储的电压依次经过开关(S5)、(S2)流入电池组(B2)中；最后从电池组(B2)流出，经过开关(S4)回到电感线圈(L)中，电池组(B1)中的电压被转移至电池组(B2)中。
如上的，其中，若选择的为外部电源为负载供电模式，则控制电池间形成拓扑连接具体包括：控制开关(S1)、(S6)导通，电流通过外部电源依次经过开关(S1)、负载、电感线圈(L)以及开关(S6)，最后回到外部电源中，形成一个供电回路对负载进行供电。
一种电池储能电路控制***，具体包括：接收获取单元、控制单元；接收获取单元，用于接收指令进行工作模式的选取，以及根据不同的工作模式获取不同的数据信息；控制单元，用于根据选择的工作模式和获取的数据信息，控制电池拓扑连接，完成工作模式的执行。
如上的，其中，控制单元具体包括以下子模块：开关阵列控制模块、导通比计算模块、输出电压计算模块；开关阵列模块，用于控制若干开关中的某几个开关导通或断开，形成电路的导通从而形成电池拓扑连接；导通比计算模块，用于在形成的电池拓扑连接中，计算相应工作状态下的导通比；输出电压计算模块，用于根据导通比计算控制后的输出电压。
本申请具有以下有益效果：
(1)本申请提供的电池储能电路的控制方法及其***能够根据对电路的控制从而选择任一工作模式的执行，对于电路的控制更加灵活。
(2)本申请提供的电池储能电路的控制方法及其***能够实现不间断为负载供电的模式，在此工作模式下控制的电池拓扑连接，能够最大限度地减少电池在充电周期的压力。
(3)本申请提供的电池储能电路的控制方法及其***能够对开关阵列进行控制从而实现最快捷的电池电压均衡的控制，避免出现某一电池组电压过高进而破坏电路的完整性，同时延长了电池组的寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中的电池储能***的电路框图；
图2是根据本申请实施例提供的电池储能电路的控制方法流程图；
图3是根据本申请实施例提供的电池储能电路的控制***的内部结构图；
图4是根据本申请实施例提供的电池储能电路的控制***的内部子模块结构图。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请涉及一种电池储能电路的控制方法及其***。根据本申请，能够控制电路的同时实现多种工作模式，在执行指定工作模式时能够均衡电池间的能量，以及在电池充放电过程中减少。
如图1所示为现有技术中的电池储能***的电路框图。
电路框图中包括6个三极晶体管，从左至右分别定义为开关S1、S2、S3、S4、S5、S6。
进一步地，电路框图中还包括两个电池组(其中将电池组从左至右分别定义为B1、B2)和一个负载，其中电池组能够对负载进行充电。
具体地，负载由电感和电容组成。
再进一步地，电路框图中还包括2个二极管(从左至右分别定义为D1和D2)以及和电感线圈L，二极管和电感线圈能够对流经电路的电流起到保护的作用，优选地，电感线圈L还能够进行电池组中电压的存储。
依然进一步地，电路框图中还包括一个外部电源，能够对电池组进行供电以及对负载进行供电。
如图2为本申请提供的电池储能电路控制方法，具体包括以下步骤：
步骤S210：接收指令，获取选择的工作模式。
其中接收的指令为选择任一工作模式的指令，其中工作模式可以有多个，示例性的，本实施例提供的工作模式包括四种，分别为：外部电源为电池组充电模式、电池组间的均衡控制模式、电池组为负载供电模式以及外部电源为负载供电模式。
优选地，接收的指令与工作模式存在一一对应的关系，可预先根据指令与工作模式的对应的关系形成指令表，将指令表存储在***中，从而在下一次接收指令时，能够根据指令进行工作模式的查找。
步骤S220：根据选择的工作模式获取对应的数据信息。
其中数据信息包括负载所需的电压信息，以及各电池单体的电压信息。根据选择的工作模式不同，从而获取不同的数据信息。
例如若接收的指令为选择电池组为负载供电模式，则获取的数据信息为负载所需的电压信息。
若接收的指令为电池组间的均衡控制模式，则获取的数据信息为负载所需的电压信息。
若接收的指令为外部电源为电池组充电模式或外部电源为负载供电模式，则不进行数据信息的获取直接执行步骤S230。
步骤S230：控制电池间形成拓扑连接，完成工作模式的执行。
具体地，根据获取的数据信息和选择的工作模式控制若干开关中的某几个开关导通或断开，形成电路的导通从而形成电池拓扑连接。
其中，若选择的为电池组为负载供电模式，则获取的数据信息为负载所需的电压信息，在此工作模式下为不间断的供电模式，可将电池组B1和B2进行串联为负载进行供电。
在此工作状态下步骤S230具体包括以下子步骤：
步骤D1：控制开关阵列，获取电池拓扑连接。
进一步地，控制图1中的开关S1和S4导通，其余开关断开，此时电流通过电池组B1的正极流出，到开关S1并从开关S1的发射极流出到负载，从负载流出经过电感线圈L，从电感线圈L流出到达开关S4的集电极，再从开关S4的发射极流出到达电池组B2形成一个通路，电池组B1和B2形成拓扑连接，实现为负载供电。
步骤D2：根据电池拓扑连接，获取电池模组的输出电压。
在此时工作状态下获取的电池模组的输出电压为串联后的电池模组B1、B2的电压，将此种工作模式下的电池组的串联电压定义为VModule。
一般的，电池模组电压大于负载电压，即：VModule≥VLoad，Vload表示负载所需的电压，即负载电压。
步骤D3：根据电池模组的输出电压计算电池组为负载供电模式下的导通比。
其中导通比表示在一个控制周期T内，开关导通时间占周期T的百分比，周期T一般为5微秒。依据脉冲宽度调制(Pulse width modulation,PWM)，通过控制开关的导通比，实现升/降压的充放电均衡控制，从而实现对***功率的均衡补偿。并通过控制开关通断的导通比实现对电池组电压的控制。
具体地，导通比D表示为：
Figure BDA0002238893660000061
其中Vload表示负载电压，VModule表示电池组为负载供电模式下电池组的串联电压。
步骤D4：根据电池模组的输出电压与导通比计算经过PWM(Pulse widthmodulation，多种脉冲宽度调制技术)控制后的输出电压。
具体地，由于通常情况下电池模组电压大于负载电压，因此需要对电池模组的电压进行控制，从而使控制后的电池组的输出电压与负载所需的电压值匹配，根据得到的控制后的电池组的输出电压对负载进行供电。
优选地，本实施例采用PWM方式对输出电压进行控制。
控制后的电池组的输出电压Vout具体表示为：
Vout＝D×VModule (公式二)
其中D表示电池组为负载供电模式下的导通比，VModule表示电池组为负载供电模式下电池组的串联电压。
其中，若选择的为电池组间的均衡控制模式，则获取的数据信息为各电池单体的电压信息，则通过进行电池的电压转移从而实现对电池组的均衡控制。
优选地，将高于指定电压的电池电压转移至电压低的电池中。本步骤中默认为电池组B1额能量高于电池组B2的能量。
其中指定电压可以为工作人员预先设置的电压，也可以为电路中标准的节点电压，在此不进行电压具体数值的限定。
进一步地，控制开关S2和S5导通，电流从电池组B1流出，经过二极管D1，将电池组B1的电压暂时存储在电感线圈L中，接下来控制开关S2、S5和开关S4导通，电感线圈L中存储的电压依次经过开关S5、S2流入电池组B2中，再从电池组B2流出，经过开关S4回到电感线圈中，至此形成一个回路，电池组B1中的电压被转移至电池组B2中。
其中，若选择的为外部电源为电池组充电模式，则在此工作模式下，步骤S230具体包括以下子步骤：
步骤F1：控制开关阵列，获取电池拓扑连接。
控制开关S6的基极使其导通，剩余开关断开，则电流通过外部电源DC的正极流出，分别经过电池组B1、电池组B2、电感线圈L，至开关S6，再从开关S6的集电极流入外部电源中，由此形成回路。
步骤F2：根据获取的电池拓扑连接进行外部电源为电池组充电模式下的导通比计算。
其中外部电源为电池组充电模式下的导通比D1表示为：
其中V充表示在外部电源为电池组充电模式下电池组B1、B2的串联电压，V外表示在外部电源为电池组充电模式下的外部电源电压。
在另一实施例中，由于本申请参考的电路图中，外部电源为电池组充电模式下的电池组B1和B2为串联模式，若电路图进行变化，B1和B2为并联状态，则公式三中的V充表示在外部电源为电池组充电模式下电池组B1、B2的并联电压，其余参数不变。
步骤F3：根据导通比计算经过PWM控制后的外部电源充电电压。
其中由于外部电源电压与电池组的所需电压可能不同，因此需要对外部电源电压进行控制使其与电池组所需的电压相匹配，根据控制后的外部电源充电电压为电池组进行充电。
控制后的外部电源充电电压Vin具体表示为：
Vin＝D1×V外 (公式四)
其中D1表示外部电源为电池组充电模式下的导通比，V外表示在外部电源为电池组充电模式下的外部电源电压。
其中，若选择的为外部电源为负载供电模式，则说明此时的电池储能***发生故障，外部电源经过电池储能***直接为负载供电。
进一步地，控制开关S1、S6导通，电流通过外部电源依次经过开关S1、负载、电感线圈L以及开关S6，最后回到外部电源中，形成一个供电回路为负载进行供电。
本申请还提供了电池储能电路控制***，如图3所示，电路控制***其中包括了接收获取单元301、控制单元302。
其中接收获取单元301用于接收指令进行工作模式的选取，以及根据不同的工作模式获取不同的数据信息。
控制单元302与接收获取单元301连接，用于根据选择的工作模式和获取的数据信息，控制电池拓扑连接，完成工作模式的执行。
具体地，如图4所示，控制单元302具体包括开关阵列控制模块401、导通比计算模块402、输出电压计算模块403。
其中开关阵列模块401用于控制若干开关中的某几个开关导通或断开，形成电路的导通从而形成电池拓扑连接。
导通比计算模块402与开关阵列模块401连接，用于在形成的电池拓扑连接中，获取相应工作状态下的输出电压并根据输出电压计算相应工作状态下的导通比。
输出电压计算模块403与导通比计算模块402连接，用于根据导通比计算经过PWM控制后的输出电压。
本申请具有以下有益效果：
(1)本申请提供的电池储能电路的控制方法及其***能够根据对电路的控制从而选择任一工作模式的执行，对于电路的控制更加灵活。
(2)本申请提供的电池储能电路的控制方法及其***能够实现不间断为负载供电的模式，在此工作模式下控制的电池拓扑连接，能够最大限度地减少电池在充电周期的压力。
(3)本申请提供的电池储能电路的控制方法及其***能够对开关阵列进行控制从而实现最快捷的电池电压均衡的控制，避免出现某一电池组电压过高进而破坏电路的完整性，同时延长了电池组的寿命。
虽然当前申请参考的示例被描述，其只是为了解释的目的而不是对本申请的限制，对实施方式的改变，增加和/或删除可以被做出而不脱离本申请的范围。
以上所述，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所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电池储能电路的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
接收指令，获取选择的工作模式；
根据选择的工作模式获取对应的数据信息；
根据获取的数据信息和选择的工作模式控制电池间形成拓扑连接，完成工作模式的执行。
2.如权利要求1所述的电池储能电路的控制方法，其特征在于，工作模式包括：外部电源为电池组充电模式、电池组间的均衡控制模式、电池组为负载供电模式以及外部电源为负载供电模式。
3.如权利要求2所述的电池储能电路的控制方法，其特征在于，若接收的指令为选择电池组为负载供电模式，则获取的数据信息为负载所需的电压信息；
若接收的指令为电池组间的均衡控制模式，则获取的数据信息为负载所需的电压信息。
4.如权利要求2所述的电池储能电路的控制方法，其特征在于，若选择的工作模式为电池组为负载供电模式，则控制电池间形成拓扑连接，完成工作模式的执行具体包括以下子步骤：
控制开关阵列，获取电池拓扑连接；
根据电池拓扑连接，计算电池组为负载供电模式中的导通比；
根据导通比计算控制后的电池组输出电压。
5.如权利要求4所述的电池储能电路的控制方法，其特征在于，控制开关阵列具体为：控制开关(S1)和(S4)导通，其余开关断开；电流从电池组(B1)流出，依次流经开关(S1)、负载、电感线圈(L)，再从电感线圈(L)流出经过开关(S4)到达电池组(B2)，电池组(B1)和(B2)形成拓扑连接。
6.如权利要求5所述的电池储能电路的控制方法，其特征在于，计算选择的工作模式中的导通比之前，还包括，获取电池模组的输出电压；
其中电池组为负载供电模式下的输出电压为电池模组(B1)和(B2)串联后的电压，定义为VModule。
7.如权利要求2所述的电池储能电路的控制方法，其特征在于，若选择的工作模式为电池组间的均衡控制模式，则控制电池间形成拓扑连接具体包括：
首先控制开关(S2)和(S5)导通，电流从电池组(B1)流出，经过二极管(D1)将电池组B1的电压存储在电感线圈L中；
其次，控制开关(S2)、(S5)和(S4)导通，电感线圈(L)中存储的电压依次经过开关(S5)、(S2)流入电池组(B2)中；
最后从电池组(B2)流出，经过开关(S4)回到电感线圈(L)中，电池组(B1)中的电压被转移至电池组(B2)中。
8.如权利要求2所述的电池储能电路的控制方法，其特征在于，若选择的为外部电源为负载供电模式，则控制电池间形成拓扑连接具体包括：
控制开关(S1)、(S6)导通，电流通过外部电源依次经过开关(S1)、负载、电感线圈(L)以及开关(S6)，最后回到外部电源中，形成一个供电回路对负载进行供电。
9.一种电池储能电路控制***，其特征在于，具体包括：接收获取单元、控制单元；
接收获取单元，用于接收指令进行工作模式的选取，以及根据不同的工作模式获取不同的数据信息；
控制单元，用于根据选择的工作模式和获取的数据信息，控制电池拓扑连接，完成工作模式的执行。
10.如权利要求1所述的电路控制***，其特征在于，控制单元具体包括以下子模块：开关阵列控制模块、导通比计算模块、输出电压计算模块；
开关阵列模块，用于控制若干开关中的某几个开关导通或断开，形成电路的导通从而形成电池拓扑连接；
导通比计算模块，用于在形成的电池拓扑连接中，计算相应工作状态下的导通比；
输出电压计算模块，用于根据导通比计算控制后的输出电压。
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