CN117937701A - 一种用于电池主动均衡的储能变流器、储能***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于电池主动均衡的储能变流器、储能***及控制方法，该储能变流器包括：切换单元，切换单元与电池单元连接，电池单元包括若干串联的电池，切换单元用于电池之间切换充电；直流开关单元，直流开关单元与切换单元连接；第一功率变换单元，第一功率变换单元与直流开关单元连接；第一功率变换单元实现交流电与直流电的双向变换；第二功率变换单元，第二功率变换单元与切换单元及直流开关单元、第一功率变换单元均连接；第二功率变换单元用于直流电的降压。该方案可以有效延长电池的使用寿命，增加投资回报。
Description
技术领域
本申请涉及储能变流器技术领域，尤其涉及一种用于电池主动均衡的储能变流器、储能***及控制方法。
背景技术
储能***中，由于常常有数个电池串联，一个电池就可能影响整个储能***，从而引发“木桶效应”，即容量最低的电池决定了储能***的充电容量及放电容量。一致性对储能***的循环寿命以及充放电特性的影响，也是一样遵循了“木桶效应”，电池中循环寿命和充放电特性最差的一组电池，决定了整个储能***的整体性能。
储能***的不同电池串联，在充电时，部分已经充满，有一部分还未充满；同样，放电时，部分电已经用完，有一部分还没用完。由于木桶短板效应，在充电时，会导致一些电池无法完全充满，在放电时，一些电池的电量用不尽，导致电池利用率低。
而现有的储能***中电池如果过度充放电，将影响电池寿命，以及影响投资回报。
发明内容
本申请的实施例提供一种用于电池主动均衡的储能变流器、储能***及控制方法。
第一方面，本申请的实施例提供了一种用于电池主动均衡的储能变流器，该储能变流器包括：切换单元，切换单元与电池单元连接，电池单元包括若干串联的电池，切换单元用于电池之间切换充电；
直流开关单元，直流开关单元与切换单元连接；
第一功率变换单元，第一功率变换单元与直流开关单元连接；第一功率变换单元实现交流电与直流电的双向变换；
第二功率变换单元，第二功率变换单元与切换单元及直流开关单元、第一功率变换单元均连接；第二功率变换单元用于直流电的降压。
在其中一个实施例中，切换单元包括第一开关和第二开关，第一开关的第一端与第一电池的正极连接，第一开关的第二端与直流开关单元连接；第一电池为若干串联的电池中的第一个电池；
第二开关的第一端与第二电池的负极连接，第二开关的第二端与第二功率变换单元连接；第二电池为若干串联的电池中的最后一个电池；
切换单元还包括第三开关，第三开关的第一端与第二功率变换单元连接；
切换单元还包括至少两个第四开关，第四开关的数量比电池的数量少1个；
第四开关的第一端分别连接在相邻的两个电池之间，所有第四开关的第二端均与第一开关的第二端连接，且与第三开关的第二端连接；所有第四开关的第三端均与第二开关的第二端连接。
在其中一个实施例中，该储能变流器还包括：EMI单元，EMI单元与切换单元及直流开关单元连接。
在其中一个实施例中，该储能变流器还包括：滤波单元，滤波单元与第一功率变换单元连接，滤波单元还与三相电源线连接。
在其中一个实施例中，该储能变流器还包括：交流开关单元，交流开关单元与滤波单元和三相电源线连接。
在其中一个实施例中，第一功率变换单元采用三电平拓扑结构或全桥拓扑结构。
在其中一个实施例中，第二功率变换单元采用BUCK降压电路。
第二方面，本申请实施例提供了一种储能***，该储能***包括：电池单元，电池单元包括若干串联的电池；
如第一方面的用于电池主动均衡的储能变流器，储能变流器中的切换单元与电池单元连接。
第三方面，本申请实施例提供了一种如第二方面的储能***的电池主动均衡的控制方法，该控制方法包括：获取电池单元中各个电池的电压；
根据所有电压，控制切换单元切换为待充电电池充电，待充电电池的电压满足预设条件。
在其中一个实施例中，预设条件为：待充电电池的电压与所有电压中的最大电压的压差大于预设阈值；
或待充电电池的电压为所有电压中的最小电压。
本申请相比现有技术具有以下有益效果：通过切换单元为电池切换充电，实现电池的主动均衡，使得成组电池容量最大化，即充电结束后电池单元中所有电池的电压均相同或在预设的压差范围内，放电时可以同时放完电，可以有效延长电池的使用寿命，增加投资回报。
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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例用于电池主动均衡的储能变流器的结构示意图；
图2（a）为本申请实施例提供的第一功率变换单元结构示意图一；图2（b）为本申请实施例提供的第一功率变换单元结构示意图二；图2（c）为本申请实施例提供的第一功率变换单元结构示意图三；
图3为本申请实施例提供的第二功率变换单元的结构示意图。
具体实施方式
下面将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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通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。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
储能***中，由于常常有数个电池串联，一个电池就可能影响整个储能***，从而引发“木桶效应”，即容量最低的电池决定了储能***的充电容量及放电容量。一致性对储能***的循环寿命以及充放电特性的影响，也是一样遵循了“木桶效应”，电池中循环寿命和充放电特性最差的一组电池，决定了整个储能***的整体性能。
储能***的不同电池串联，在充电时，部分已经充满，有一部分还未充满；同样，放电时，部分电已经用完，有一部分还没用完。由于木桶短板效应，在充电时，会导致一些电池无法完全充满，在放电时，一些电池的电量用不尽，电池利用率低。
例如：一个储能***中的电池组有5个Pack电池组成，Pack1电量为80%、Pack2电量为70%、Pack3电量为60%、Pack4电量为50%、Pack5电量为40%，那么BMS（Battery ManagementSystem，电池管理***）一定会以最小的值为整个储能***的SOC（State of Charge，电池中剩余电荷的可用状态）显示。原因是如果一直放电，同样放掉40%的电，最少的Pack5电池就会完全没电，继续放电的话就会导致过放，对电池损耗很多。但是最多那个电池还有40%的电没有放出来，这就导致了浪费，充放电利用率比较低。
现有的储能***中如果电池过度充放电，将影响电池寿命，以及影响投资回报。
从木桶效应可以看出主动均衡可以让成组的电池容量最大化，同时充满、同时放完，有效的延长成组电池使用寿命。因此，本申请提出一种用于电池主动均衡的储能变流器及储能***。
参照图1，其示出了本申请实施例提供的用于电池主动均衡的储能变流器。
如图1所示，该用于电池主动均衡的储能变流器可以包括：切换单元11，切换单元11与电池单元2连接，电池单元2包括若干串联的电池，切换单元11用于电池之间切换充电；
直流开关单元12，直流开关单元12与切换单元11连接；
第一功率变换单元13，第一功率变换单元13与直流开关单元12连接；第一功率变换单元13实现交流电与直流电的双向变换；
第二功率变换单元14，第二功率变换单元14与切换单元11及直流开关单元12、第一功率变换单元13均连接；第二功率变换单元14用于直流电的降压。
具体的，切换单元11用于实现电池单元2中各电池之间的充电切换，即电池单元2中某个电池的电压低时，通过切换单元切换至为电压低的电池充电，而其他电池不充电，如此重复，直至所有电池的电压均与电池单元2中最大电压一致或在预设的压差范围内。直流开关单元12用于控制直流电路的连接和断开，以及调节电流的大小和方向，来满足储能***的需求。第一功率变换单元13为双向AC/DC（Alternating Current/Direct Current，交流电/直流电）变换器，用于实现交流电到直流电的双向变换功能，以完成从交流电源转换为所需电压的直流电，并将其存储到电池单元2中，也可以将电池单元2的电能转换为交流电并输出到负载或电网中。第二功率变换单元14为单向DC/DC变换器，用于实现直流电的降压功能，以实现电池单元2在充电时需要特定的电压及电流来确保充电过程的安全且有效。
本申请实施例提供的用于电池主动均衡的储能变流器中的切换单元可以为电池切换充电，以实现电池的主动均衡，使得成组电池容量最大化，即充电结束后电池单元中所有电池的电压均相同或在预设的压差范围内，放电时可以同时放完电，可以有效延长电池的使用寿命，增加投资回报。
一个实施例中，切换单元11包括第一开关111和第二开关112，第一开关111的第一端与第一电池的正极连接，第一开关111的第二端与直流开关单元12连接；第一电池为若干串联的电池中的第一个电池；
第二开关112的第一端与第二电池的负极连接，第二开关112的第二端与第二功率变换单元14连接；第二电池为若干串联的电池中的最后一个电池；
切换单元11还包括第三开关113，第三开关113的第一端与第二功率变换单元14连接；
切换单元11还包括至少两个第四开关114，第四开关114的数量比电池的数量少1个；
第四开关114的第一端分别连接在相邻的两个电池之间，所有第四开关114的第二端均与第一开关111的第二端连接，且与第三开关113的第二端连接；所有第四开关114的第三端均与第二开关112的第二端连接。
具体的，第一开关、第二开关、第三开关及第四开关均为能实现通断功能的器件，以实现各个电池之间切换充电。例如，第一开关、第二开关、第三开关及第四开关可以为电力电子器件，也可以为继电器，还可以为接触器等，在此不作限制，只要第一开关、第二开关、第三开关包括两个触点（即第一端和第二端），第四开关包括三个触点（即第一端、第二端和第三端）即可。
第四开关的数量比电池单元2中电池的数量少1个，各个第四开关的第一端分别连接在相邻的两个电池之间，而所有第四开关的第二端均与第一开关的第二端、第三开关的第二端连接，所有第四开关的第三端均与第二开关的第二端连接。通过不同开关的通断组合，实现仅对需要充电的电池进行充电。
示例性的，继续参照图1，图1中以电池单元2包括n个串联的电池为例示出，假设n=5，则对应的n个电池设为Pack1-Pack5，及对应的第四开关的数量为4个，依次命名为第四开关a、第四开关b、第四开关c和第四开关d，4个第四开关的第一端分别连接在Pack1和Pack2、Pack2和Pack3、Pack3和Pack4、Pack4和Pack5之间。
下述为为串联的5个电池充电时各个开关的逻辑：Pack1充电：断开第四开关b、第四开关c、第四开关d、第二开关，闭合第一开关、第三开关，第四开关a的1触点和3触点闭合，启动第一功率变换单元DC/AC和第二功率变换单元DC/DC。
Pack2充电：断开第一开关、第四开关c、第四开关d、第二开关，闭合第三开关，第四开关a的1触点和2触点闭合，第四开关b的1触点和3触点闭合，启动DC/AC和DC/DC。
Pack3充电：断开第一开关、第四开关a、第四开关d、第二开关，闭合第三开关，第四开关b的1触点和2触点闭合，第四开关c的1触点和3触点闭合，启动DC/AC和DC/DC。
Pack4充电：断开第一开关、第四开关a、第四开关b、第二开关，闭合第三开关，第四开关c的1触点和2触点闭合，第四开关d的1触点和3触点闭合，启动DC/AC和DC/DC。
Pack5充电：断开第一开关、第四开关a、第四开关b、第四开关c，闭合第二开关和第三开关，第四开关d的1触点和2触点闭合，启动DC/AC和DC/DC。
本实施例提供的切换单元，通过第一开关、第二开关、第三开关及若干个第四开关的组合，可以实现切换为电池单元中任意一个电池进行单独充电，以实现电池单元中所有电池的电压一致或在预设的压差范围内，达到有效延长电池单元使用寿命的效果。
一个实施例中，继续参照图1，用于电池主动均衡的储能变流器还包括：EMI单元15，EMI单元15与切换单元11及直流开关单元12连接。
具体的，EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰）单元，用于处理与电磁干扰相关的问题，以确保***的正常运行并避免对周围环境和其他电子设备的干扰。
一个实施例中，继续参照图1，用于电池主动均衡的储能变流器还包括：滤波单元16，滤波单元16与第一功率变换单元13连接，滤波单元16还与三相电源线连接。
具体的，滤波单元16用于对***中的电信号进行滤波处理，以去除杂散信号和谐波，确保***输出的电能质量良好，同时减少对其他电子设备的干扰。示例性的，滤波单元16可以采用LCL滤波器。
一个实施例中，继续参照图1，用于电池主动均衡的储能变流器还包括：交流开关单元17，交流开关单元17与滤波单元16和三相电源线连接。
具体的，交流开关单元17用于控制交流电路的连接和断开。示例性的，交流开关单元17可以采用交流接触器或交流断路器等。
一个实施例中，第一功率变换单元13采用三电平拓扑结构或全桥拓扑结构。示例性的，如图2（a）-图2（c）示出了第一功率变换单元的结构示意图，其中，如图2（a）和图2（b）为三电平拓扑结构示意图，如图2（c）为全桥拓扑结构示意图。采用图2所示的拓扑，实现交流电到直流电的双向变换功能。
一个实施例中，第二功率变换单元14采用BUCK降压电路。如图3示出了第二功率变换单元的常用拓扑。采用图3所示的拓扑，实现直流电的降压功能。
继续参照图1，本申请实施例还提供了一种储能***，该储能***包括：电池单元2，电池单元2包括若干串联的电池；
如上述任一实施例提供的用于电池主动均衡的储能变流器1，储能变流器1中的切换单元11与电池单元2连接。
本申请提供的储能***，通过储能变流器中的切换单元为电池切换充电，实现了电池的主动均衡，可以让成组电池容量最大化，即充电结束后电池单元中所有电池的电压均相同或在预设的压差范围内，放电时可以同时放完电，有效的延长了电池的使用寿命，可以增加投资回报。
本申请实施例还提供了一种储能***的电池主动均衡的控制方法，该控制方法包括：获取电池单元中各个电池的电压；
根据所有电压，控制切换单元切换为待充电电池充电，待充电电池的电压满足预设条件。
可选的，预设条件为：待充电电池的电压与所有电压中的最大电压的压差大于预设阈值；
或待充电电池的电压为所有电压中的最小电压。
具体的，电池单元中各个电池的电压可以通过电压传感器、电压测量装置、具有电压测量功能的集成电路等设备进行测量。
预设阈值可以根据实际需求进行设置，该预设阈值也可以称为标准压差。
储能***中的电池单元由多个Pack电池串联组成，假设为Pack1-Packn。单个Pack电池的电压范围为Vmin1-Vmax1（48个电芯一般为：DC130-175V）。所设计的单向DC/DC输出电压范围为Vmin2-Vmax2。其中DC/DC输出电压范围涵盖电池Pack的电压范围即：Vmin1≥Vmin2，Vmax1≤Vmax2。n个电池Pack的电压分别为V1,V2,V3……Vn。假设，最大电压为Vmax3。
如果预设条件为：待充电电池的电压与所有电压中的最大电压的压差大于预设阈值。设定预设阈值为Vh，即电池单元中各个Pack电压与Vmax3的标准压差为Vh。
当***在间歇期间检测到某个Pack的电压与Vmax3压差大于Vh时，启动DC/AC和DC/DC单元和切换单元中对应的开关切换为Pack充电，直至电压达到Vmax3的电压。
可以理解的，重复循环几组后，可以使每个Pack的电压和Vmax3的压差小于Vh，结束充电。
还可以理解的，当检测到某个Pack的电压与Vmax3压差小于或等于Vh时，不启动第二功率变换单元，也不切换切换单元中的开关。
如果预设条件为：待充电电池的电压为所有电压中的最小电压。启动第二功率变换单元和切换对应的开关切换为最小电压对应的Pack充电，直至电压达到最大电压。
示例性的，以一个215KWH的储能***为例，电池组由5个Pack电池（分别为Pack1-Pack5）组成，当***需要充电时PCS闭合第一开关、第二开关、交流开关单元、其他开关断开，给***充电，由于长时间充放电差异满电后Pack1电压为DC160v、Pack2电压为DC175v、Pack3电压为DC175v、Pack4电压为DC175v、Pack5电压为DC175v，BMS一定会以最小的电压值作为整个电池***的SOC显示。BMS把5个Pack的电压对比后，确认Pack1电压最低，发送充电指令给PCS，PCS接收到充电指令后，断开第四开关b、第四开关c、第四开关d、第二开关，闭合第一开关和第三开关，第四开关a的1触点和3触点闭合，启动DC/AC和DC/DC单元给Pack1充电，当Pack1的电压充到最大电压时，停止充电。这样5个Pack的电压电量一致，再进行放电时就不会产生木桶效应。
以此类推，其余各个Pack充电逻辑如下：Pack2充电：断开第一开关，第四开关c，第四开关d，第二开关，闭合第三开关，第四开关a的1触点和2触点闭合，第四开关b的1触点和3触点闭合，启动DC/AC和DC/DC单元充电。
Pack3充电：断开第一开关，第四开关a，第四开关d，第二开关，闭合第三开关，第四开关b的1触点和2触点闭合，第四开关c的1触点和3触点闭合，启动DC/AC和DC/DC单元充电。
Pack4充电：断开第一开关、第四开关a、第四开关b、第二开关，闭合第三开关，第四开关c的1触点和2触点闭合，第四开关d的1触点和3触点闭合，启动DC/AC和DC/DC单元充电。
Pack5充电：断开第一开关、第四开关a、第四开关b、第四开关c，闭合第二开关和第三开关，第四开关d的1触点和2触点闭合，启动DC/AC和DC/DC单元充电。
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，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于电池主动均衡的储能变流器，其特征在于，所述储能变流器包括：
切换单元（11），所述切换单元（11）与电池单元（2）连接，所述电池单元（2）包括若干串联的电池，所述切换单元（11）用于所述电池之间切换充电；
直流开关单元（12），所述直流开关单元（12）与所述切换单元（11）连接；
第一功率变换单元（13），所述第一功率变换单元（13）与直流开关单元（12）连接；所述第一功率变换单元（13）实现交流电与直流电的双向变换；
第二功率变换单元（14），所述第二功率变换单元（14）与所述切换单元（11）及所述直流开关单元（12）、所述第一功率变换单元（13）均连接；所述第二功率变换单元（14）用于直流电的降压。
2.根据权利要求1所述的用于电池主动均衡的储能变流器，其特征在于，所述切换单元（11）包括第一开关（111）和第二开关（112），所述第一开关（111）的第一端与第一电池的正极连接，所述第一开关（111）的第二端与所述直流开关单元（12）连接；所述第一电池为所述若干串联的电池中的第一个电池；
所述第二开关（112）的第一端与第二电池的负极连接，所述第二开关（112）的第二端与所述第二功率变换单元（14）连接；所述第二电池为所述若干串联的电池中的最后一个电池；
所述切换单元（11）还包括第三开关（113），所述第三开关（113）的第一端与所述第二功率变换单元（14）连接；
所述切换单元（11）还包括至少两个第四开关（114），所述第四开关（114）的数量比所述电池的数量少1个；
所述第四开关（114）的第一端分别连接在相邻的两个电池之间，所有所述第四开关（114）的第二端均与所述第一开关（111）的第二端连接，且与所述第三开关（113）的第二端连接；所有所述第四开关（114）的第三端均与所述第二开关（112）的第二端连接。
3.根据权利要求1所述的用于电池主动均衡的储能变流器，其特征在于，所述储能变流器还包括：
EMI单元（15），所述EMI单元（15）与所述切换单元（11）及所述直流开关单元（12）连接。
4.根据权利要求1所述的用于电池主动均衡的储能变流器，其特征在于，所述储能变流器还包括：
滤波单元（16），所述滤波单元（16）与所述第一功率变换单元（13）连接，所述滤波单元（16）还与三相电源线连接。
5.根据权利要求4所述的用于电池主动均衡的储能变流器，其特征在于，所述储能变流器还包括：
交流开关单元（17），所述交流开关单元（17）与所述滤波单元（16）和所述三相电源线连接。
6.根据权利要求1所述的用于电池主动均衡的储能变流器，其特征在于，所述第一功率变换单元（13）采用三电平拓扑结构或全桥拓扑结构。
7.根据权利要求6所述的用于电池主动均衡的储能变流器，其特征在于，所述第二功率变换单元（14）采用BUCK降压电路。
8.一种储能***，其特征在于，所述储能***包括：
电池单元（2），所述电池单元（2）包括若干串联的电池；
如权利要求1-7任一项所述的用于电池主动均衡的储能变流器（1），所述储能变流器（1）中的切换单元（11）与所述电池单元（2）连接。
9.一种如权利要求8所述的储能***的电池主动均衡的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
获取电池单元中各个电池的电压；
根据所有所述电压，控制切换单元切换为待充电电池充电，所述待充电电池的电压满足预设条件。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述预设条件为：
所述待充电电池的电压与所有所述电压中的最大电压的压差大于预设阈值；
或所述待充电电池的电压为所有所述电压中的最小电压。
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| CN (1) | CN117937701A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105449296A (zh) * | 2015-12-30 | 2016-03-30 | 苏州科纽普新能源科技有限公司 | 一种模块化大功率电池组的无损均衡管理*** |
| CN108199445A (zh) * | 2018-02-05 | 2018-06-22 | 江门市敏华电器有限公司 | 一种串联蓄电池组的主动均衡电路和方法 |
| CN110323794A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-10-11 | 成都汇云创科技有限公司 | 一种主动均衡的控制方法和电路 |
| CN113783265A (zh) * | 2021-09-18 | 2021-12-10 | 上海玫克生储能科技有限公司 | 电池阵列的管理***和管理方法 |
-
2024
- 2024-03-22 CN CN202410329960.6A patent/CN117937701A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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