專利名稱：一種大容量串聯(lián)電池組均衡控制系統(tǒng)與控制方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大容量串聯(lián)電池組均衡系統(tǒng)與控制方式，應(yīng)用于鋰離子電池和鉛酸電池等作為儲(chǔ)能介質(zhì)的新能源發(fā)電系統(tǒng)、智能電網(wǎng)、微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、銀行ATM機(jī)和UPS等。
背景技術(shù)：
電池成組均衡技術(shù)是保障儲(chǔ)能系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。大規(guī)模儲(chǔ)能需要將多個(gè)單體電池串并聯(lián)起來以獲得較大的儲(chǔ)能容量及較高的功率輸出，電池組的儲(chǔ)能大小取決于最差一節(jié)電池的充放電特性。由于電池制造過程本身具有一定的離散特性，而且隨著電池使用時(shí)間的增長(zhǎng)，電池性能的相互差異更加突出。如果沒有對(duì)電池進(jìn)行均衡管理，隨著充放電循環(huán)進(jìn)行，單體電池間的不一致性會(huì)造成欠充電、過充電和過放電，嚴(yán)重影響電池組的使用性能和壽命，并且會(huì)造成嚴(yán)重的安全隱患。所以，需要借助電池管理系統(tǒng)，判斷單體和電池組狀態(tài)，優(yōu)化電池外部參數(shù)，增加電池壽命，保護(hù)電池。均衡模塊是電池管理系統(tǒng)的重要組成部分，常用的均衡方案分為能量耗散型和能量非耗散型。能量耗散型最常使用的是電阻分流均衡法，如圖1所示，將每個(gè)電池并聯(lián)電阻，通過控制均衡開關(guān)控制分流電流，此方法電路簡(jiǎn)單，控制容易實(shí)現(xiàn)，但是分流電阻會(huì)產(chǎn)生大量熱，加大熱管理的難度，造成能量浪費(fèi)。能量非耗散型常用的有電感和功率開關(guān)管方法、變壓器能量轉(zhuǎn)移方法和補(bǔ)電均衡方法:電感和功率開關(guān)管方法適用于小電流場(chǎng)合；變壓器能量轉(zhuǎn)移方法通過變壓器將能量傳遞到電壓低的電池中，這種方案電池能量被充分利用，均衡效率高，但是次級(jí)繞組難以匹配，變壓器漏感難以控制，不利于模塊化；如圖2所示，補(bǔ)電均衡方案采用隔離電源模塊實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，通過控制隔離電源模塊實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)，這種均衡方式效率高，控制容易實(shí)現(xiàn)，但是假設(shè)某個(gè)單體電池失效，充電時(shí)很快被充滿，電壓偏高，根據(jù)控制策略，其他的單體都要開啟均衡電路，均衡電源長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行會(huì)造成電源損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種適用于新能源發(fā)電和微網(wǎng)發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池組均衡控制系統(tǒng)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中采用一種補(bǔ)電與電阻耗散相結(jié)合的電池組均衡方案。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取以下的技術(shù)方案:一種大容量串聯(lián)電池組均衡控制系統(tǒng)，包括電池組、均衡控制單元、電壓采集單元、微控制器、補(bǔ)電均衡控制部分和耗散均衡控制部分，補(bǔ)電均衡控制部分包括DC-DC隔離電源模塊、補(bǔ)電控制開關(guān)和補(bǔ)電電源，DC-DC隔離電源模塊的輸入端串聯(lián)補(bǔ)電控制開關(guān)并與補(bǔ)電電源并聯(lián)，DC-DC隔離電源模塊的輸出端串聯(lián)防反二極管和限流電阻，并與電池組中各單體電池并聯(lián)，補(bǔ)電控制開關(guān)與均衡控制單元電連接；耗散均衡控制部分包括耗散電阻和耗散控制開關(guān)，耗散控制開關(guān)串聯(lián)耗散電阻并與電池組中各單體電池并聯(lián)，耗散控制開關(guān)還分別與均衡控制單元、電壓采集單元對(duì)應(yīng)電連接；均衡控制單元與微控制器電連接，電壓采集單元與微控制器總線通訊連接，且電壓采集單元與電池組中各單體電池對(duì)應(yīng)電連接。所述電壓采集單元由電壓信號(hào)采集芯片和濾波電路組成，所述補(bǔ)電電源為電池組或外部獨(dú)立電源，所述耗散控制開關(guān)由微控制器控制啟動(dòng)或由帶均衡控制功能的采集芯片控制啟動(dòng)。上述均衡控制單元是指每個(gè)單體電池所對(duì)應(yīng)的一路補(bǔ)電均衡控制通道，每路均衡控制單元由補(bǔ)電均衡控制部分和耗散均衡控制部分組成。本發(fā)明的均衡控制原理如下:充電和靜置時(shí)，當(dāng)某個(gè)電池單體電壓低于電池組平均電壓(平均電壓=電池組端電壓/電池個(gè)數(shù))0.05V時(shí)，打開此單體均衡控制單元的補(bǔ)電控制開關(guān)，補(bǔ)電電源通過DC-DC隔離電源模塊給該單體電池補(bǔ)電，電池電壓快速升高，當(dāng)接近平均電壓時(shí)，關(guān)斷補(bǔ)電控制開關(guān)。充電時(shí)，假設(shè)某單體電池很快被充滿電，電壓偏高，高于平均電壓0.05V，打開此單體均衡控制單元的耗散控制開關(guān)，電池的部分能量通過耗散電阻消耗，使電池的電壓降低。放電時(shí)，若單體電池電壓低于電池組平均電壓0.05V，打開此單體電池均衡控制單元的補(bǔ)電控制開關(guān)，使補(bǔ)電電源能量通過DC-DC隔離電源模塊參與放電，減輕電池的負(fù)擔(dān)，起到保護(hù)電池的作用，使得補(bǔ)電電源的能量被充分利用，熱損耗小，極大提高了管理系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。實(shí)現(xiàn)上述大容量串聯(lián)電池組均衡控制系統(tǒng)的均衡控制流程如下:充電和靜置時(shí)，電壓采集單元采集電池電壓信號(hào)，通過總線傳輸?shù)轿⒖刂破?，將采集到的單體電壓信號(hào)與平均電壓比較，假如某個(gè)單體電池電壓低于平均電壓0.05V,啟動(dòng)補(bǔ)電均衡控制部分，微控制器相應(yīng)的I/O 口輸出低電平，DC-DC隔離電源模塊啟動(dòng)工作，通過限流電阻和防反二極管，給該單體電池充電；假設(shè)某個(gè)單體電池在充電過程中電壓升高速度快，當(dāng)其電壓高于平均電壓0.05V，啟動(dòng)此單體電池耗散均衡控制部分，微控制器相應(yīng)的I/O 口輸出低電平，打開耗散控制開關(guān)，通過耗散電阻達(dá)到均衡控制目的，使電池組中單體電池電壓最大壓差維持在0.1V以內(nèi)。本發(fā)明的均衡控制方案可適用于中等容量和大容量串聯(lián)電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)。將補(bǔ)電均衡和電阻耗散均衡控制方式相結(jié)合，每個(gè)單體電池對(duì)應(yīng)一個(gè)補(bǔ)電均衡電路，當(dāng)單體電池電壓低時(shí)啟動(dòng)補(bǔ)電均衡；同時(shí)，每個(gè)單體電池并聯(lián)一個(gè)耗散電阻，當(dāng)充電時(shí)出現(xiàn)個(gè)別電池電壓偏高時(shí)，啟動(dòng)耗散控制開關(guān)讓這些電池通過并聯(lián)電阻放電，起到保護(hù)電池組和補(bǔ)電電源的作用。補(bǔ)電與電阻耗散相結(jié)合的均衡方案在實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)產(chǎn)生一定熱量，但是與純電阻耗散型均衡方案比較，僅僅是個(gè)別電壓偏高電池的均衡電阻工作，熱量可以忽略，不會(huì)加重電池?zé)峁芾淼呢?fù)擔(dān)。補(bǔ)電電源的能量被充分利用，熱損耗小，極大提高了管理系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，多個(gè)電池可同時(shí)均衡，提高了均衡速度，縮短了均衡時(shí)間。


圖1是電阻耗散型均衡電路示意圖；圖2是補(bǔ)電均衡電路示意圖；圖3是本發(fā)明均衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明均衡控制軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步說明。如圖3所示，一種大容量串聯(lián)電池組均衡控制系統(tǒng)，包括電池組、均衡控制單元、電壓采集單元、微控制器、補(bǔ)電均衡控制部分和耗散均衡控制部分，補(bǔ)電均衡控制部分包括DC-DC隔離電源模塊、補(bǔ)電控制開關(guān)和補(bǔ)電電源，DC-DC隔離電源模塊的輸入端串聯(lián)補(bǔ)電控制開關(guān)并與補(bǔ)電電源并聯(lián)，DC-DC隔離電源模塊的輸出端串聯(lián)防反二極管和限流電阻，并與電池組中各單體電池并聯(lián)，補(bǔ)電控制開關(guān)與均衡控制單元電連接；耗散均衡控制部分包括耗散電阻和耗散控制開關(guān)，耗散控制開關(guān)串聯(lián)耗散電阻并與電池組中各單體電池并聯(lián)，耗散控制開關(guān)還分別與均衡控制單元、電壓采集單元對(duì)應(yīng)電連接；均衡控制單元與微控制器電連接，電壓采集單元與微控制器總線通訊連接，且電壓采集單元與電池組中各單體電池對(duì)應(yīng)電連接。所述電壓采集單元由電壓信號(hào)采集芯片和濾波電路組成，所述補(bǔ)電電源為電池組或外部獨(dú)立電源，所述耗散控制開關(guān)由微控制器控制啟動(dòng)或由帶均衡控制功能的采集芯片控制啟動(dòng)。如圖4所示，實(shí)現(xiàn)上述大容量串聯(lián)電池組均衡控制系統(tǒng)的均衡控制流程如下:充電和靜置時(shí)，電壓采集單元采集電池電壓信號(hào)，通過總線傳輸?shù)轿⒖刂破鳎瑢⒉杉降膯误w電壓信號(hào)與平均電壓比較，假如某個(gè)單體電池電壓低于平均電壓0.05V,啟動(dòng)補(bǔ)電均衡控制部分，微控制器相應(yīng)的I/O 口輸出低電平，DC-DC隔離電源模塊啟動(dòng)工作，通過限流電阻和防反二極管，給該單體電池充電；假設(shè)某個(gè)單體電池在充電過程中電壓升高速度快，當(dāng)其電壓高于平均電壓0.05V，啟動(dòng)此單體電池耗散均衡控制部分，微控制器相應(yīng)的I/O 口輸出低電平，打開耗散控制開關(guān)，通過耗散電阻達(dá)到均衡控制目的，使電池組中單體電池電壓最大壓差維持在0.1V以內(nèi)。電池均衡控制是電池管理的重要組成部分，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行級(jí)聯(lián)擴(kuò)展。為了方便安裝、使用和維護(hù)，通常將電池組分成幾部分，與電池管理單元組成標(biāo)準(zhǔn)電池包，分別進(jìn)行管理，各標(biāo)準(zhǔn)電池包再通過集中控制單元集中管理。顯然，本發(fā)明的上述具體實(shí)施方式
僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以容易的做出其它形式上的變化或者替代，而這些改變或者替代也將包含在本發(fā)明確定的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種大容量串聯(lián)電池組均衡控制系統(tǒng)，包括電池組，其特征是:還包括均衡控制單元、電壓采集單元、微控制器、補(bǔ)電均衡控制部分和耗散均衡控制部分，補(bǔ)電均衡控制部分包括DC-DC隔離電源模塊、補(bǔ)電控制開關(guān)和補(bǔ)電電源，DC-DC隔離電源模塊的輸入端串聯(lián)補(bǔ)電控制開關(guān)并與補(bǔ)電電源并聯(lián)，DC-DC隔離電源模塊的輸出端串聯(lián)防反二極管和限流電阻，并與電池組中各單體電池并聯(lián)，補(bǔ)電控制開關(guān)與均衡控制單元電連接；耗散均衡控制部分包括耗散電阻和耗散控制開關(guān)，耗散控制開關(guān)串聯(lián)耗散電阻并與電池組中各單體電池并聯(lián)，耗散控制開關(guān)還分別與均衡控制單元、電壓采集單元對(duì)應(yīng)電連接；均衡控制單元與微控制器電連接，電壓采集單元與微控制器總線通訊連接，且電壓采集單元與電池組中各單體電池對(duì)應(yīng)電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的大容量串聯(lián)電池組均衡控制系統(tǒng)，其特征是:所述電壓采集單元由電壓信號(hào)采集芯片和濾波電路組成。
3.如權(quán)利要求1所述的大容量串聯(lián)電池組均衡控制系統(tǒng)，其特征是:所述補(bǔ)電電源為電池組或外部獨(dú)立電源。
4.如權(quán)利要求1所述的大容量串聯(lián)電池組均衡控制系統(tǒng)，其特征是:所述耗散控制開關(guān)由微控制器控制啟動(dòng)或由帶均衡控制功能的采集芯片控制啟動(dòng)。
5.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述大容量串聯(lián)電池組均衡控制系統(tǒng)的均衡控制方式，其特征是:充電和靜置時(shí)，電壓采集單元采集電池電壓信號(hào)，通過總線傳輸?shù)轿⒖刂破?，將采集到的單體電壓信號(hào)與平均電壓比較，假如某個(gè)單體電池電壓低于平均電壓0.05V,啟動(dòng)補(bǔ)電均衡控制部分，微控制器相應(yīng)的I/O 口輸出低電平，DC-DC隔離電源模塊啟動(dòng)工作，通過限流電阻和防反二極管，給該單體電池充電；假設(shè)某個(gè)單體電池在充電過程中電壓升高速度快，當(dāng)其電壓高于平均電壓0.05V，啟動(dòng)此單體電池耗散均衡控制部分，微控制器相應(yīng)的I/O 口輸出低電平，打開耗散控制開關(guān)，通過耗散電阻達(dá)到均衡控制目的，使電池組中單體電池電壓最大壓差維持在0.1V以內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明在儲(chǔ)能系統(tǒng)中采用一種補(bǔ)電與電阻耗散相結(jié)合的電池組均衡控制系統(tǒng)，包括電池組、補(bǔ)電均衡控制部分和耗散均衡控制部分，其均衡方案與控制方式為每個(gè)單體電池對(duì)應(yīng)一個(gè)補(bǔ)電均衡電路，當(dāng)單體電池電壓低時(shí)啟動(dòng)補(bǔ)電均衡；同時(shí)，每個(gè)單體電池并聯(lián)一個(gè)耗散電阻，當(dāng)充電時(shí)出現(xiàn)個(gè)別電池電壓偏高時(shí)，啟動(dòng)耗散控制開關(guān)讓這些電池通過并聯(lián)電阻放電，起到保護(hù)電池組和補(bǔ)電電源的作用。本發(fā)明與純電阻耗散型均衡方案比較，僅僅是個(gè)別電壓偏高電池的均衡電阻工作，熱量可以忽略，不會(huì)加重電池?zé)峁芾淼呢?fù)擔(dān)。補(bǔ)電電源的能量被充分利用，熱損耗小，極大提高了管理系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，多個(gè)電池可同時(shí)均衡，提高了均衡速度，縮短了均衡時(shí)間。
文檔編號(hào)H02J7/00GK103208827SQ20121001648
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者宋文吉, 呂杰, 馮自平, 陳永珍, 林仕立, 韓穎 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所