CN220492672U - 一种储能电池均衡装置及储能电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种储能电池均衡装置，包括开关阵列模块、开关控制模块、直流母线和有源器件，所述开关阵列模块包括多个开关组件，各开关组件与储能电池中的各单体电池一一对应，且均与开关控制模块相连，各单体电池均通过对应的开关组件与直流母线相连，所述有源器件并联在所述直流母线上。本实用新型还公开了一种储能电池，包括多个依次串联的单体电池，以及如上所述的储能电池均衡装置。本实用新型具有整体结构简单、元器件少、成本低且操作简便等优点。

Description

一种储能电池均衡装置及储能电池

技术领域

本实用新型主要涉及储能电池技术领域，具体涉及一种储能电池均衡装置及储能电池。

背景技术

随着清洁能源(如风能、太阳能等)的快速发展以及电动汽车、智能家居等新兴应用的普及，储能电池的需求量迅速增加，成为节能环保和可持续发展的重要手段。储能电池一般由数百节电池串联而成，不同单体电池由于容量、寿命等方面的差异，会导致电池组中的电池电量不均衡，一些电池的电量过高或过低。如果不进行均衡，这些不同电量的电池会影响整个电池组的输出电压、容量、寿命等性能，甚至会造成电池故障。因此，需要对电池组进行均衡，使电池组中每个单体电池的电量维持在一个合理的范围内，保证整个电池组的性能和安全。

针对储能电池运行过程中充放电的不一致问题，行业相关研究采用被动和主动两种均衡方式，电池被动均衡是一种常见的电池均衡方法，通过在电池单体之间串联电阻器或放置平衡器等被动元件，实现电池单体之间的电荷传递，因而使电池单体电量实现均衡。被动均衡不需要任何电路控制，实现简单且成本较低，因此在某些应用场景下被广泛采用，但被动均衡效率较低，并且不够精确，对电池的寿命和性能影响较大。电池主动均衡是一种高效的电池均衡方法，通过控制电池内、外部电路，实现电池单体之间的电荷传递，使电池单体电量实现均衡。电池主动均衡通常采用电池管理***(BMS)来控制和监测整个电池组的状态，根据单体电压、内阻、温度等参数进行均衡控制，达到电池单体电量均衡的目标。

在主动均衡方面，近年来行业内提出了新的解决方案，例如公布号CN114899923A“一种中高压储能***中电池组动态均衡***和方法”提出了一种能量切片装置串联在两个电池模组之间，根据采集的电池模组参数，将充电快的电池模组或放电快的电池模组从储能***中切出，并根据充电快的程度和/或放电快的程度设置切出的预设时间，使得各电池模组之间“相互协作，量力而行”，在充电阶段让充电快的等一等，在放电阶段让放电快的等一等。公布号CN204947672U“基于电感储能的串联电池组双向无损均衡电路”公开了基于电感储能的串联电池组双向无损均衡电路，其中串联电池组均分为上下两部分，上半部分电池单体为上电池组，下半部分电池单体为下电池组。每一个电池单体与单个均衡子电路相连接，总均衡子电路跨接在电源与地之间，每一个均衡子电路又与控制电路相连接。通过控制均衡子电路中上下桥MOSFET的通断与电感储能作用，该电路可以实现电池组充放电过程中的动态均衡，改善串联电池组的不均衡现象。公布号CN110011365A“储能电池组均衡***”公布一种储能电池组均衡***包括电池组，整组电池组分为若干个小组，分别配备电池管理模块(BMU)、组内变换器、组间变换器和开关组，以加快均衡速度和不过多增加***复杂度。

其中CN114899923A“一种中高压储能***中电池组动态均衡***和方法”采用能量切片装置，将soc较高的模组整体旁路，会导致充电及放电过程中，电池电压突变，在充电过程中，电池***电压骤降可能导致充电电流急速上升，对***造成冲击。放电过程中，电池电压骤降，可能导致逆变器直流电压巨幅波动，影响电能质量。CN204947672U“基于电感储能的串联电池组双向无损均衡电路”上下桥臂采用反并联二极管的MOSFET，在充放电过程中，与MOSFET并联的二极管内部会存在电流，造成能量损失。CN110011365A“储能电池组均衡***”通过总的直流母线经DC/DC电路后对单个电池均衡，电路比较复杂，且需要多个可控开关，难以控制。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种整体结构简单、元器件少、成本低且操作简便的储能电池均衡装置及储能电池。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种储能电池均衡装置，包括开关阵列模块、开关控制模块、直流母线和有源器件，所述开关阵列模块包括多个开关组件，各开关组件与储能电池中的各单体电池一一对应，且均与开关控制模块相连，各单体电池均通过对应的开关组件与直流母线相连，所述有源器件并联在所述直流母线上。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述开关组件包括单个开关器件，所述开关器件串联于单体电池的正极与直流母线的正极之间；或者所述开关器件串联于单体电池的负极与直流母线的负极之间。

所述开关组件包括两个开关器件，其中一个开关器件串联于单体电池的正极与直流母线的正极之间，另一个开关器件串联于单体电池的负极与直流母线的负极之间。

所述开关器件为晶闸管、IGBT或场效应管。

所述开关器件为MOSFET场效应管，所述MOSFET场效应管的栅极与开关控制模块相连，所述MOSFET场效应管的源极与单体电池相连，所述MOSFET场效应管的漏极与直流母线相连。

所述有源器件为电容。

所述开关控制模块为PLC控制器或者单片机。

本实用新型还公开了一种储能电池，包括多个依次串联的单体电池，以及如上所述的储能电池均衡装置。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型通过开关阵列模块与电容构建均衡电路，通过对开关阵列模块中各开关组件的通断调节来实现高SOC单体电池向电容转移电荷，然后再通过电容向低SOC单体电池转移电荷，即通过电容进行能量的转移，进而实现各单体电池之间的均衡，其整体结构简单、元器件少、成本低且操作简便；另外由于电容在直流稳态下相当于断路，不会存在电能损耗。

附图说明

图1为本实用新型的电池均衡装置在实施例的电路原理图。

图2为本实用新型中单体电池B₁向电容C放电时的电荷转移示意图。

图3为本实用新型中电容C向单体电池B₂放电时的电荷转移示意图。

图例说明：1、开关阵列模块；2、直流母线；3、有源器件；4、单体电池。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。

实施例一：

如图1所示，本实用新型实施例的储能电池均衡装置，包括开关阵列模块1、开关控制模块(如采用电池***BMS，图中未示出)、直流母线2和有源器件3(如电容)，开关阵列模块1包括多个开关组件，各开关组件与储能电池中的各单体电池4一一对应，且均与开关控制模块相连，各单体电池4均通过对应的开关组件与直流母线2相连，有源器件3则并联在直流母线2上。

在一具体实施例中，开关组件包括两个开关器件，其中一个开关器件串联于单体电池4的正极与直流母线2的正极之间，另一个开关器件串联于单体电池4的负极与直流母线2的负极之间。具体地，如图1所示，其中单体电池4包括B1、B2…Bn,对应的开关器件包括K1、K2、K3……K2n-1、K2n,其中单体电池B1的正极通过开关器件K1与直流母线2的正极相连，单体电池B1的负极通过开关器件K2与直流母线2的负极相连，单体电池B2的正极通过开关器件K3与直流母线2的正极相连，单体电池B3的负极通过开关器件K4与直流母线2的负极相连……单体电池Bn的正极通过开关器件K2n-1与直流母线2的正极相连，单体电池Bn的负极通过开关器件K2n与直流母线2的负极相连。

具体地，上述开关器件为MOSFET，其中MOSFET的栅极与开关控制模块相连，MOSFET的源极与单体电池4的正极或负极相连，MOSFET的漏极则与直流母线2的正极或负极相连。当然，开关器件为受控开关，不局限于晶闸管、IGBT、场效应管等，所有可以通过外界信号控制通断的开关器件均可。另外有源器件3为电容或者其它有源器件3。

如图2-3所示，在具体使用时，以两个单体电池4的情况来进行说明，其中电池***BMS实时监测单体电池B1-B2的电压温度信息，当单体电池SOC差别在允许范围内，K1-K4均处于断开状态，直流母线2电压为0。假设单体电池B1的SOC大于单体电池B2的SOC，开关器件K1和K2闭合，开关器件K3和K4断开，单体电池B1给电容C充电，直至电容C两端电压等于单体电池B1两端电压，电荷转移过程如图2中的箭头所示；然后K1和K2断开，K3和K4闭合，由于电容C的电压大于单体电池B2两端电压，此时电容C给单体电池B2放电，直至电容C两端电压等于单体电池B2两端电压，电荷转移过程如图3中的箭头所示；通过上述多次循环，实现电荷从高SOC电池到低SOC电池之间转移。当然，在三个或更多个单体电池4的情况下，对应的电池均衡过程也是相同的。

通过上述方式将高SOC电池电荷转移至电容，然后再将电容上电荷转移到低SOC电池，进而实现电池均衡。其中电池均衡是指在多串联的电池组中，通过电子电路等方式，将每个电池的电量和电压保持一致，以避免电池之间出现电量差异而导致电池工作不稳定或者缩短电池的使用寿命。其中电池均衡是电池组稳定运行的关键，电动汽车、储能电池、家用电力库等均需要实现电池均衡。

本实用新型通过开关阵列模块1与电容构建均衡电路，通过对开关阵列模块1中各开关组件的通断调节来实现高SOC单体电池4向电容转移电荷，然后再通过电容向低SOC单体电池4转移电荷，即通过电容进行能量的转移，进而实现各单体电池4之间的均衡，其整体结构简单、元器件少、成本低且操作简便；另外由于电容在直流稳态下相当于断路，不会存在电能损耗。

实施例二：

实施例二与实施例一的区别仅在于：开关组件包括单个开关器件，开关器件串联于单体电池4的正极与直流母线2的正极之间。本实施例中的开关组件仅采用单个开关器件，相对于实施例一来说，开关器件数量减少一半，可进一步降低成本。其它具体电池均衡过程同实施例一相同，在此不再赘述。

实施例三：

实施例二与实施例一的区别仅在于：开关组件包括单个开关器件，开关器件串联于单体电池4的负极与直流母线2的负极之间。本实施例中的开关组件仅采用单个开关器件，相对于实施例一来说，开关器件数量减少一半，可进一步降低成本。其它具体电池均衡过程同实施例一相同，在此不再赘述。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种储能电池均衡装置，其特征在于，包括开关阵列模块(1)、开关控制模块、直流母线(2)和有源器件(3)，所述开关阵列模块(1)包括多个开关组件，各开关组件与储能电池中的各单体电池(4)一一对应，且均与开关控制模块相连，各单体电池(4)均通过对应的开关组件与直流母线(2)相连，所述有源器件(3)并联在所述直流母线(2)上。

2.根据权利要求1所述的储能电池均衡装置，其特征在于，所述开关组件包括单个开关器件，所述开关器件串联于单体电池(4)的正极与直流母线(2)的正极之间；或者所述开关器件串联于单体电池(4)的负极与直流母线(2)的负极之间。

3.根据权利要求1所述的储能电池均衡装置，其特征在于，所述开关组件包括两个开关器件，其中一个开关器件串联于单体电池(4)的正极与直流母线(2)的正极之间，另一个开关器件串联于单体电池(4)的负极与直流母线(2)的负极之间。

4.根据权利要求2或3所述的储能电池均衡装置，其特征在于，所述开关器件为晶闸管、IGBT或场效应管。

5.根据权利要求4所述的储能电池均衡装置，其特征在于，所述开关器件为MOSFET场效应管，所述MOSFET场效应管的栅极与开关控制模块相连，所述MOSFET场效应管的源极与单体电池(4)相连，所述MOSFET场效应管的漏极与直流母线(2)相连。

6.根据权利要求1或2或3所述的储能电池均衡装置，其特征在于，所述有源器件(3)为电容。

7.根据权利要求1或2或3所述的储能电池均衡装置，其特征在于，所述开关控制模块为PLC控制器或者单片机。

8.一种储能电池，包括多个依次串联的单体电池(4)，其特征在于，还包括如权利要求1-7中任意一项所述的储能电池均衡装置。