专利名称：一种大容量串联电池组均衡控制系统与控制方式的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大容量串联电池组均衡系统与控制方式，应用于锂离子电池和铅酸电池等作为储能介质的新能源发电系统、智能电网、微网发电系统、银行ATM机和UPS等。
背景技术：
电池成组均衡技术是保障储能系统正常运行的关键技术之一。大规模储能需要将多个单体电池串并联起来以获得较大的储能容量及较高的功率输出，电池组的储能大小取决于最差一节电池的充放电特性。由于电池制造过程本身具有一定的离散特性，而且随着电池使用时间的增长，电池性能的相互差异更加突出。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性会造成欠充电、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。所以，需要借助电池管理系统，判断单体和电池组状态，优化电池外部参数，增加电池寿命，保护电池。均衡模块是电池管理系统的重要组成部分，常用的均衡方案分为能量耗散型和能量非耗散型。能量耗散型最常使用的是电阻分流均衡法，如图1所示，将每个电池并联电阻，通过控制均衡开关控制分流电流，此方法电路简单，控制容易实现，但是分流电阻会产生大量热，加大热管理的难度，造成能量浪费。能量非耗散型常用的有电感和功率开关管方法、变压器能量转移方法和补电均衡方法:电感和功率开关管方法适用于小电流场合；变压器能量转移方法通过变压器将能量传递到电压低的电池中，这种方案电池能量被充分利用，均衡效率高，但是次级绕组难以匹配，变压器漏感难以控制，不利于模块化；如图2所示，补电均衡方案采用隔离电源模块实现能量转移，通过控制隔离电源模块实现能量流动，这种均衡方式效率高，控制容易实现，但是假设某个单体电池失效，充电时很快被充满，电压偏高，根据控制策略，其他的单体都要开启均衡电路，均衡电源长期超负荷运行会造成电源损坏。
发明内容
本发明提供一种适用于新能源发电和微网发电储能系统的电池组均衡控制系统，在储能系统中采用一种补电与电阻耗散相结合的电池组均衡方案。为达到上述目的，本发明采取以下的技术方案:一种大容量串联电池组均衡控制系统，包括电池组、均衡控制单元、电压采集单元、微控制器、补电均衡控制部分和耗散均衡控制部分，补电均衡控制部分包括DC-DC隔离电源模块、补电控制开关和补电电源，DC-DC隔离电源模块的输入端串联补电控制开关并与补电电源并联，DC-DC隔离电源模块的输出端串联防反二极管和限流电阻，并与电池组中各单体电池并联，补电控制开关与均衡控制单元电连接；耗散均衡控制部分包括耗散电阻和耗散控制开关，耗散控制开关串联耗散电阻并与电池组中各单体电池并联，耗散控制开关还分别与均衡控制单元、电压采集单元对应电连接；均衡控制单元与微控制器电连接，电压采集单元与微控制器总线通讯连接，且电压采集单元与电池组中各单体电池对应电连接。所述电压采集单元由电压信号采集芯片和滤波电路组成，所述补电电源为电池组或外部独立电源，所述耗散控制开关由微控制器控制启动或由带均衡控制功能的采集芯片控制启动。上述均衡控制单元是指每个单体电池所对应的一路补电均衡控制通道，每路均衡控制单元由补电均衡控制部分和耗散均衡控制部分组成。本发明的均衡控制原理如下:充电和静置时，当某个电池单体电压低于电池组平均电压(平均电压=电池组端电压/电池个数)0.05V时，打开此单体均衡控制单元的补电控制开关，补电电源通过DC-DC隔离电源模块给该单体电池补电，电池电压快速升高，当接近平均电压时，关断补电控制开关。充电时，假设某单体电池很快被充满电，电压偏高，高于平均电压0.05V，打开此单体均衡控制单元的耗散控制开关，电池的部分能量通过耗散电阻消耗，使电池的电压降低。放电时，若单体电池电压低于电池组平均电压0.05V，打开此单体电池均衡控制单元的补电控制开关，使补电电源能量通过DC-DC隔离电源模块参与放电，减轻电池的负担，起到保护电池的作用，使得补电电源的能量被充分利用，热损耗小，极大提高了管理系统的能量转换效率。实现上述大容量串联电池组均衡控制系统的均衡控制流程如下:充电和静置时，电压采集单元采集电池电压信号，通过总线传输到微控制器，将采集到的单体电压信号与平均电压比较，假如某个单体电池电压低于平均电压0.05V,启动补电均衡控制部分，微控制器相应的I/O 口输出低电平，DC-DC隔离电源模块启动工作，通过限流电阻和防反二极管，给该单体电池充电；假设某个单体电池在充电过程中电压升高速度快，当其电压高于平均电压0.05V，启动此单体电池耗散均衡控制部分，微控制器相应的I/O 口输出低电平，打开耗散控制开关，通过耗散电阻达到均衡控制目的，使电池组中单体电池电压最大压差维持在0.1V以内。本发明的均衡控制方案可适用于中等容量和大容量串联电池组储能系统。将补电均衡和电阻耗散均衡控制方式相结合，每个单体电池对应一个补电均衡电路，当单体电池电压低时启动补电均衡；同时，每个单体电池并联一个耗散电阻，当充电时出现个别电池电压偏高时，启动耗散控制开关让这些电池通过并联电阻放电，起到保护电池组和补电电源的作用。补电与电阻耗散相结合的均衡方案在实际应用中也会产生一定热量，但是与纯电阻耗散型均衡方案比较，仅仅是个别电压偏高电池的均衡电阻工作，热量可以忽略，不会加重电池热管理的负担。补电电源的能量被充分利用，热损耗小，极大提高了管理系统的能量转换效率，多个电池可同时均衡，提高了均衡速度，缩短了均衡时间。
图1是电阻耗散型均衡电路示意图；图2是补电均衡电路示意图；图3是本发明均衡控制系统结构图；图4是本发明均衡控制软件流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。如图3所示，一种大容量串联电池组均衡控制系统，包括电池组、均衡控制单元、电压采集单元、微控制器、补电均衡控制部分和耗散均衡控制部分，补电均衡控制部分包括DC-DC隔离电源模块、补电控制开关和补电电源，DC-DC隔离电源模块的输入端串联补电控制开关并与补电电源并联，DC-DC隔离电源模块的输出端串联防反二极管和限流电阻，并与电池组中各单体电池并联，补电控制开关与均衡控制单元电连接；耗散均衡控制部分包括耗散电阻和耗散控制开关，耗散控制开关串联耗散电阻并与电池组中各单体电池并联，耗散控制开关还分别与均衡控制单元、电压采集单元对应电连接；均衡控制单元与微控制器电连接，电压采集单元与微控制器总线通讯连接，且电压采集单元与电池组中各单体电池对应电连接。所述电压采集单元由电压信号采集芯片和滤波电路组成，所述补电电源为电池组或外部独立电源，所述耗散控制开关由微控制器控制启动或由带均衡控制功能的采集芯片控制启动。如图4所示，实现上述大容量串联电池组均衡控制系统的均衡控制流程如下:充电和静置时，电压采集单元采集电池电压信号，通过总线传输到微控制器，将采集到的单体电压信号与平均电压比较，假如某个单体电池电压低于平均电压0.05V,启动补电均衡控制部分，微控制器相应的I/O 口输出低电平，DC-DC隔离电源模块启动工作，通过限流电阻和防反二极管，给该单体电池充电；假设某个单体电池在充电过程中电压升高速度快，当其电压高于平均电压0.05V，启动此单体电池耗散均衡控制部分，微控制器相应的I/O 口输出低电平，打开耗散控制开关，通过耗散电阻达到均衡控制目的，使电池组中单体电池电压最大压差维持在0.1V以内。电池均衡控制是电池管理的重要组成部分，可根据实际应用情况进行级联扩展。为了方便安装、使用和维护，通常将电池组分成几部分，与电池管理单元组成标准电池包，分别进行管理，各标准电池包再通过集中控制单元集中管理。显然，本发明的上述具体实施方式
仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以容易的做出其它形式上的变化或者替代，而这些改变或者替代也将包含在本发明确定的保护范围之内。
权利要求
1.一种大容量串联电池组均衡控制系统，包括电池组，其特征是:还包括均衡控制单元、电压采集单元、微控制器、补电均衡控制部分和耗散均衡控制部分，补电均衡控制部分包括DC-DC隔离电源模块、补电控制开关和补电电源，DC-DC隔离电源模块的输入端串联补电控制开关并与补电电源并联，DC-DC隔离电源模块的输出端串联防反二极管和限流电阻，并与电池组中各单体电池并联，补电控制开关与均衡控制单元电连接；耗散均衡控制部分包括耗散电阻和耗散控制开关，耗散控制开关串联耗散电阻并与电池组中各单体电池并联，耗散控制开关还分别与均衡控制单元、电压采集单元对应电连接；均衡控制单元与微控制器电连接，电压采集单元与微控制器总线通讯连接，且电压采集单元与电池组中各单体电池对应电连接。
2.如权利要求1所述的大容量串联电池组均衡控制系统，其特征是:所述电压采集单元由电压信号采集芯片和滤波电路组成。
3.如权利要求1所述的大容量串联电池组均衡控制系统，其特征是:所述补电电源为电池组或外部独立电源。
4.如权利要求1所述的大容量串联电池组均衡控制系统，其特征是:所述耗散控制开关由微控制器控制启动或由带均衡控制功能的采集芯片控制启动。
5.实现权利要求1所述大容量串联电池组均衡控制系统的均衡控制方式，其特征是:充电和静置时，电压采集单元采集电池电压信号，通过总线传输到微控制器，将采集到的单体电压信号与平均电压比较，假如某个单体电池电压低于平均电压0.05V,启动补电均衡控制部分，微控制器相应的I/O 口输出低电平，DC-DC隔离电源模块启动工作，通过限流电阻和防反二极管，给该单体电池充电；假设某个单体电池在充电过程中电压升高速度快，当其电压高于平均电压0.05V，启动此单体电池耗散均衡控制部分，微控制器相应的I/O 口输出低电平，打开耗散控制开关，通过耗散电阻达到均衡控制目的，使电池组中单体电池电压最大压差维持在0.1V以内。
全文摘要
本发明在储能系统中采用一种补电与电阻耗散相结合的电池组均衡控制系统，包括电池组、补电均衡控制部分和耗散均衡控制部分，其均衡方案与控制方式为每个单体电池对应一个补电均衡电路，当单体电池电压低时启动补电均衡；同时，每个单体电池并联一个耗散电阻，当充电时出现个别电池电压偏高时，启动耗散控制开关让这些电池通过并联电阻放电，起到保护电池组和补电电源的作用。本发明与纯电阻耗散型均衡方案比较，仅仅是个别电压偏高电池的均衡电阻工作，热量可以忽略，不会加重电池热管理的负担。补电电源的能量被充分利用，热损耗小，极大提高了管理系统的能量转换效率，多个电池可同时均衡，提高了均衡速度，缩短了均衡时间。
文档编号H02J7/00GK103208827SQ20121001648
公开日2013年7月17日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者宋文吉, 吕杰, 冯自平, 陈永珍, 林仕立, 韩颖 申请人:中国科学院广州能源研究所