专利名称：储能系统的均衡系统及均衡方法
技术领域：
本发明涉及大规模储电系统，特别是储能系统的均衡系统及均衡方法。
背景技术：
在新能源发电领域，采用大规模储电技术，可使不稳定的新能源电力的输出功率平滑可调，将不稳定的电能输入变为连续、安全可靠的电能输出，减少波动性电能对电网的冲击，从而解决新能源电力并网难题。对于海岛、偏远地区等的离网新能源发电，大规模储电系统可以实现电力平滑及储存，以满足海岛、偏远地区等的离网发电及没有新能源出力情况下电力的正常供应。安全性、储能效率是考察储能系统的两个重要参数。温度是影响电池单体充放电容量、储能电池系统安全性的重要外部因素；电池的内阻及模块内、模块间电池的一致性则是影响储能系统性能的重要内部因素。大规模储能需要将大量的单体电池串并联起来以获得较大的储能容量及较高功率输出，在考虑安全性的情况下，电池组的储能大小取决于最差一节电池的充放电特性。由于电池有可能不是同一批次制造以及制造过程本身具有一定的差异性，而且随着电池使用时间的增长，电池性能的相互差异会更显著，并且串联的单体电池越多，不一致性就更加突出。如果没有对电池进行均衡管理，随着充放电循环进行，单体电池间的不一致会造成欠充电、过充电和过放电，严重影响电池组的使用性能和寿命，并且会造成严重的安全隐患。现有的均衡技术，应用得最多的是只在充电过程中应用电阻对电池组进行耗散型均衡，电阻均衡原理如图1所示。这种均衡方式最大的问题是电阻在均衡过程中会产生大量的热，降低了充放电效率，造成有效储存能量的巨大浪费；同时产生了大量的热，还增加了热管理的负担。现有的非耗散型均衡方法主要包括开关电容均衡方法等，但是往往会存在电路复杂、均衡速度慢等问题。因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种储能系统的均衡方案，旨在解决现有的电阻耗散型均衡方式在均衡过程中产生大量的热，造成有效储存能量的巨大浪费；同时产生的大量热，增加热管理的负担等问题。同时解决，由单一均衡在大容量储能体系中均衡速度慢的问题。本发明的技术方案如下一种储能系统的均衡系统，其中，包括发电装置、电能合并系统、直流母线、充电模块、蓄电池组、并网逆变器、用户模块、恒流源、均衡电源输入端，所述发电装置连接在电能合并系统上，所述电能合并系统通过直流母线连接充电模块，所述充电模块连接蓄电池组; 所述直流母线上依次连接有并网逆变器和用户模块，恒流源连接在用户模块上，将经过逆变器后的交流电转变为直流电，并通过连接在均衡电源输入端上的均衡总线连接至蓄电池组，恒流源把经过并网逆变器后的交流输出转变成直流输出，作为均衡源对蓄电池组中的
4电池单体进行均衡。所述的储能系统的均衡系统，其中，蓄电池组包括储能模块和储能控制单元，所述储能模块的充电端均级联在均衡电源输入端上，储能模块的输出端之间串联连接，所述储能控制单元通过can总线连接至储能模块。所述的储能系统的均衡系统，其中，所述储能模块包括单元控制模块、均衡电源输入模块和单体包，所述储能模块的均衡电源输入模块均并联在均衡电源输入端的正负极上；所述储能模块中的单元控制模块通过can总线连接至储能控制模块，所述单元控制模块通过Iin总线连接至单体包，单体包的均衡总线连接至均衡电源输入模块。所述的储能系统的均衡系统，其中，所述蓄电池组中包括多个储能模块，各储能模块的充电端均级联在均衡电源输入端上。所述的储能系统的均衡系统，其中，每个储能模块包括两个或两个以上的串联连接的单体包。所述的储能系统的均衡系统，其中，每个单体包包括一个单体电池、一个微处理器和一个隔离模块以及正极点、负极点、Iin总线和均衡总线，所述单体电池的两极分别对应连接在正极点和负极点上以及微处理器上，所述均衡总线连接在微处理器上，所述Iin总线通过隔离模块连接在微处理器上，所述Iin总线连接在控制端上；所述均衡总线连接在均衡电源输入端上；所述正极点和负极点连接电能输出端。所述的储能系统的均衡系统，其中，每个单体包的电极上并联一个能量转移模块， 每个能量转移模块分散并联安装在均衡电源输入模块上。一种储能系统的均衡方法，其中，所述微处理器采集储能模块内各单体电池的电压，并发送给储能控制单元，所述储能控制单元计算各储能模块内的单体电池的平均电压， 当某一储能模块里的某一单体电池电压低于其所在储能模块内单体电池的平均电压，则单体包里的微控制器控制单体电池与均衡总线连接，单体电池吸收均衡总线上的电流，开始对该单体电池进行均衡；当该单体电池电压达到储能模块里单体电池的平均电压时，单体电池与均衡总线断开，结束该节单体电池的均衡，然后对另一节低电压的单体电池进行均衡处理。所述的储能系统的均衡方法，其中，以能量转移方式通过能量转移模块将高于平均电压的单体电池的电量转移到均衡总线上并被电压低于平均电压的电池单体吸收。所述的储能系统的均衡方法，其中，若某一储能模块里的所有单体电池的电压都已经均衡，但是低于储能系统中各储能模块间的平均电压，则该储能模块的所有单体电池与均衡总线连接，吸收均衡总线上的电流，储能模块内的各单节电池都进行补电，直到该储能模块的电压达到储能单元模块的平均电压，结束储能系统的均衡。本发明的有益效果本发明通过同时应用非耗散型能量转移模块及以系统中用户负载为恒流源输入的补电方式对蓄电池体系进行均衡，随时可对单节电池进行均衡，只要有单体电池电压低，满足均衡条件，不论储能单元或模块处于充电、放电或放置状态，均可立即均衡，实现有效的动态均衡，另外在均衡过程中不会产生大量的热量，提高了充放电效率。
图1是现有的电阻均衡原理图；图2是本发明中负载式补电均衡系统的原理图；图3是本发明中同时应用补电式及能量转移式均衡示意图；图4是本发明中单体包示意图；图5是本发明中补电式均衡系统中储能模块结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。负载式补电均衡系统包括发电装置、电能合并系统、直流母线、充电模块、蓄电池组、并网逆变器、用户模块、恒流源、均衡电源输入端。在本发明提供的系统中发电装置设置有多个，发电装置1、发电装置2、……、发电装置η(其中η大于等于2)，且均连接在电能合并系统上，所述电能合并系统通过直流母线连接充电模块，所述充电模块连接蓄电池组； 所述直流母线上依次连接有并网逆变器和用户模块，恒流源连接在用户模块上，将经过逆变器后的交流电转变为直流电。并通过连接在均衡电源输入端上的均衡总线连接至蓄电池组。本发明提供的储能系统的均衡系统及均衡方法是用能量转移方式将高电压电池单体的电能转到均衡总线上，并被低电压的电池单体吸收，进行动态均衡。但是在高电压电池单体转移的能量不足以给低电压单体补电时，作为补充，本发明还采用补电方式把经过逆变器后的交流输出通过恒流源，转变成直流输出，作为均衡源，流入均衡总线，对储电系统中的单体及单元进行均衡，提高均衡的速度及效果。应用非耗散型能量转移模块对蓄电池体系进行均衡。能量转移的均衡的思路为利用开关电源技术，以电压为衡量标准，用能量转移方式将高电压电池单体的电能转到均衡线上，并被低电压的电池单体吸收，进行动态均衡。本能量转移补充均衡中，每个单体包的电极上并联一个能量转移模块，每个能量转移模块分散并联安装在每节蓄电池上，如图3所示。能量转移模块主要应用DC/DC开关电源技术，以能量转移方式将高电压的单体电池的电量转移到低电压的单体电池上，即以电压为衡量标准，用能量转移方式将高于平均电压的单体电池的能量转移到均衡总线上， 并被电压低于平均电压的电池单体吸收。电量转移是双向并行进行，即任何一节高电压电池的电量，都能同时并行转移到任何一节低电压电池，从而达到电池电压的均衡。所述单体包中的微处理器采集储能单元内各单体电池的电压，单体包的电压数据通过串行外设接口(SPI)传输方式上传到储能控制单元，储能控制单元处理器计算储能单元内单体电池的平均电压，其计算公式为平均电压U^ra=储能模块总电压/储能模块内单体电池总数，作为各单体电池是否需要均衡的依据，即均衡使能工作的依据。单体包和能量转移模块联好后，就开始均衡工作，能量转移模块一边检测其所连接的单体包电池电压，一边通过均衡总线检测其他单体包电池电压，得出电池组平均电压， 将电池电压和电池组平均电压比较，如果电池电压高于平均电压，模块内电路通过DC/DC 变换器，将高出的能量流入均衡总线；如果电池电压低于平均电压，模块内电路吸收均衡总线上的电量给该电池充电。
继续参见图3，本发明中，能量转移均衡方式由于是双向能量流动，可以进行单体的无限级联。但是在大规模电池储能体系，电池数量众多，为了简化电池管理系统，降低管理的复杂性，并保证均衡速度及效率，将电池储能体系分成多个单元，均衡体系以单元为单位。能量转移式均衡具有低功耗的特点，但是均衡速度较慢。为了提高均衡速度，本发明在上述均衡方式的基础上，提出应用外接电源均衡作为补充。以能量转移式均衡为主，补电式均衡为辅。补电式均衡的基本原理为参见图2，本发明实施例一提供的负载式补电均衡原理为将补电源当作用户中的一个负载，外接AC/DC恒流源，通过均衡总线，对储能系统中储能模块的单体包进行均衡。恒流源当作为用户中的一个负载，把经过逆变器后的交流输出转变成直流输出， 作为均衡源，通过Iin总线对模块内单体进行均衡，can总线对模块进行均衡，完成对储电系统中蓄电池组的电池单体及模块进行均衡。由于恒流源补电量有限，不能同时对整个储能系统进行均衡，本均衡管理方法中将储能系统中的蓄电池组分成多个储能模块，如图5所示。所述蓄电池组包括第一储能模块、第二储能模块、……、第η储能模块和储能控制单元，所述第一储能模块、第二储能模块、……、第η储能模块的充电端均级联在均衡电源输入端上，各储能模块的输出端之间串联连接。所述储能控制单元通过can总线连接各储能模块。参见图3、图5，所述储能模块包括单元控制模块、均衡电源输入模块和多个单体包，所述各个储能模块的均衡电源输入模块均并联在均衡电源输入端得正负极上；所述各个储能模块中的单元控制模块通过can总线连接至储能控制模块，所述单元控制模块通过 Iin总线连接至各个单体包，各单体包的均衡总线连接至均衡电源输入模块。本案例中，恒流源每次对应一个储能模块，恒流源对相应的储能模块进行均衡补电。每个储能模块包括两个或两个以上的串联连接的单体包，参见图4为单体包的内部结构示意图，每个单体包包括一个单体电池、一个微处理器(MPU)和一个隔离模块以及正极点、负极点、Iin总线和均衡总线。所述单体电池的两极分别对应连接在正极点和负极点上以及微处理器上，所述均衡总线连接在微处理器上，所述Iin总线通过隔离模块连接在微处理器上，所述Iin总线连接在控制端上；所述均衡总线连接在均衡电源输入端上；所述正极点和负极点连接电能输出端。本发明的负载式均衡方式中以电压为衡量标准，通过给电压低的电池补电，使其与其它电池的电压持平实现均衡。均衡的顺序为先对模块内的各单体电池进行均衡，再对模块及模块间进行均衡。所述单体包中的微处理器采集储能模块内各单体电池的电压，均衡使能通过Lin 总线和隔离模块后输入给微处理器(MPU)，MPU再控制单节电池和均衡总线的连接关系，接通进入均衡状态。单体包的电压数据通过串行外设接口(SPI)传输方式上传到储能控制单元，储能控制单元处理器计算储能模块内单体电池的平均电压，其计算公式为平均电压U
=储能模块电压/储能模块内单体电池总数，作为模块间均衡的依据。上述系统的均衡方法为当某一储能模块里的某一单体电池电压Un低于该模块内单体电池的平均电压，如Un < U^ra，则开始对单体电池η进行均衡。此时，单体包里的微处理器MPU控制内部的电子开关，开关闭合，均衡线上的电流经过电子开关流入单节电池。若单体电池m的电压Um、单体电池η的电压Un均小于平均电压UpS，单体电池m及单体电池 η里的MPU均控制内部的电子开关，开关闭合，均衡线上的电流可同时流入单体电池m、单体电池η。当模块里的各单体电池的电压均衡后则断开电子开关。从而实现储能模块内单体电池电压的均衡。虽然，储能模块内的单体电池之间的电压均衡了，但是各个储能模块的总体电压 U’ η与其他储能模块的总体电压之间可能会出现不均衡的问题。因此，若某一储能模块里所有单体电池的电压都已经均衡，但是该储能模块的总体电压u’n低于储能系统中各储能模块的总体电压的平均电压υ、_则该储能系统的均衡电源(即恒流源)给该储能模块内的所有的单体电池都进行补电，直到该储能模块的总体电压达到储能模块的总体电压的平均电压，则所述储能系统结束储能模块间的均衡。本发明中的均衡方案，适用于新能源发电的储电系统，同时适用于应用在电厂、智能电网等大规模电池储电系统。本发明通过同时应用非耗散型能量转移模块及以系统中用户负载为恒流源输入的补电方式对蓄电池体系进行均衡，随时可对单节电池进行均衡，只要有单体电池电压低， 满足均衡条件，不论储能单元或模块处于充电、放电或放置状态，均可立即均衡，实现有效的动态均衡，另外在均衡过程中不会产生大量的热量，提高了充放电效率。应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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权利要求
1.一种储能系统的均衡系统，其特征在于，包括发电装置、电能合并系统、直流母线、充电模块、蓄电池组、并网逆变器、用户模块、恒流源、均衡电源输入端，所述发电装置连接在电能合并系统上，所述电能合并系统通过直流母线连接充电模块，所述充电模块连接蓄电池组；所述直流母线上依次连接有并网逆变器和用户模块，恒流源连接在用户模块上，将经过逆变器后的交流电转变为直流电，并通过连接在均衡电源输入端上的均衡总线连接至蓄电池组，恒流源把经过并网逆变器后的交流输出转变成直流输出，作为均衡源对蓄电池组中的电池单体进行均衡。
2.根据权利要求1所述的储能系统的均衡系统，其特征在于，蓄电池组包括储能模块和储能控制单元，所述储能模块的充电端均级联在均衡电源输入端上，储能模块的输出端之间串联连接，所述储能控制单元通过can总线连接至储能模块。
3.根据权利要求2所述的储能系统的均衡系统，其特征在于，所述储能模块包括单元控制模块、均衡电源输入模块和单体包，所述储能模块的均衡电源输入模块均并联在均衡电源输入端得正负极上；所述储能模块中的单元控制模块通过can总线连接至储能控制模块，所述单元控制模块通过LIN总线连接至单体包，单体包的均衡总线连接至均衡电源输入模块。
4.根据权利要求2所述的储能系统的均衡系统，其特征在于，所述蓄电池组中包括多个储能模块，各储能模块的充电端均级联在均衡电源输入端上。
5.根据权利要求3所述的储能系统的均衡系统，其特征在于，每个储能模块包括两个或两个以上的串联连接的单体包。
6.根据权利要求3所述的储能系统的均衡系统，其特征在于，每个单体包包括一个单体电池、一个微处理器和一个隔离模块以及正极点、负极点、Iin总线和均衡总线，所述单体电池的两极分别对应连接在正极点和负极点上以及微处理器上，所述均衡总线连接在微处理器上，所述Iin总线通过隔离模块连接在微处理器上，所述Iin总线连接在控制端上；所述均衡总线连接在均衡电源输入端上；所述正极点和负极点连接电能输出端。
7.根据权利要求3-6任意一项所述的储能系统的均衡系统，其特征在于，每个单体包的电极上并联一个能量转移模块，每个能量转移模块分散并联安装在均衡电源输入模块上。
8.一种储能系统的均衡方法，其特征在于，所述微处理器采集储能模块内各单体电池的电压，并发送给储能控制单元，所述储能控制单元计算各储能模块内的单体电池的平均电压，当某一储能模块里的某一单体电池电压低于其所在储能模块内单体电池的平均电压，则单体包里的微控制器控制单体电池与均衡总线连接，单体电池吸收均衡总线上的电流，开始对该单体电池进行均衡；当该单体电池电压达到储能模块里单体电池的平均电压时，单体电池与均衡总线断开，结束该节单体电池的均衡，然后对另一节低电压的单体电池进行均衡处理。
9.根据权利要求8所述的储能系统的均衡方法，其特征在于，以能量转移方式通过能量转移模块将高于平均电压的单体电池的电量转移到均衡总线上并被电压低于平均电压的电池单体吸收。
10.根据权利要求8所述的储能系统的均衡方法，其特征在于，若某一储能模块里的所有单体电池的电压都已经均衡，但是低于储能系统中各储能模块间的平均电压，则该储能模块的所有单体电池与均衡总线连接，吸收均衡总线上的电流，储能模块内的各单节电池都进行补电，直到该储能模块的电压达到储能单元模块的平均电压，结束储能系统的均衡。
全文摘要
本发明公开了一种储能系统的均衡系统及均衡方法，包括发电装置、电能合并系统、直流母线、充电模块、蓄电池组、并网逆变器、用户模块、恒流源、均衡电源输入端，所述发电装置连接在电能合并系统上，所述电能合并系统通过直流母线连接充电模块，所述充电模块连接蓄电池组；所述直流母线上依次连接有并网逆变器和用户模块，恒流源连接在用户模块上，将经过逆变器后的交流电转变为直流电，并通过连接在均衡电源输入端上的均衡总线连接至蓄电池组，恒流源把经过并网逆变器后的交流输出转变成直流输出，作为均衡源对蓄电池组中的电池单体进行均衡。采用本发明可实现有效的动态均衡，另外在均衡过程中不会产生大量的热量，提高了充放电效率。
文档编号H02J7/00GK102222964SQ20111017765
公开日2011年10月19日 申请日期2011年6月28日 优先权日2011年6月28日
发明者冯自平, 吕杰, 宋文吉, 陈永珍, 韩颖 申请人:中国科学院广州能源研究所