光伏储能系统的蓄电池均衡方法与装置及该光伏储能系统与流程

本发明涉及光伏储能技术领域，更具体地讲，涉及一种光伏储能系统的蓄电池均衡方法与装置及该光伏储能系统。

背景技术：

光伏储能系统利用光伏电池发电，发出的电量可以直接给负载供电，也可将多余的能量储存于蓄电池中。在天气状况不适合光伏电池发电、发电量无法满足负载需求时，蓄电池可以为负载提供电能。

常见的光伏储能系统有太阳能路灯和家用光伏系统等。在这两种常见的光伏储能系统，负载需求并不是时刻存在的。比如太阳能路灯，白天时路灯不需要点亮，光伏电池发出的电存储于蓄电池中。当夜晚来临时，蓄电池的电量提供给路灯。而光伏储能系统中的蓄电池在生产过程中和使用过程中都会造成容量、内阻的不一致，并且随着使用时间的延长，电池单体之间的差异会越来越大，导致电池的使用寿命减少。

对于蓄电池的容量和内阻不一致问题，目前的解决方法主要是用蓄电池的bms（batterymanagementsystem，电池管理系统）来对电池进行均衡。均衡技术主要有两种：一种是被动均衡，电池单体并联电阻来消耗电能，效率低且浪费电能；另一种是主动均衡，是在单体电池之间进行能量转移，效率高但是成本也非常高。

目前的蓄电池均衡技术主要是单独针对于蓄电池而考虑设计的，普遍采用的是在bms中对电池进行均衡，没有考虑光伏储能系统的结构特点，并且需要增加专用的均衡硬件。被动均衡需要增加并联电阻，主动均衡需要增加电量转移单元，如电容或dc-dc（直流-直流变压器）。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，现有技术中利用bms对光伏储能系统的电池均衡时，存在均衡效率较低且浪费电能，或者需要增加额外的均衡硬件，成本较高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光伏储能系统的蓄电池均衡方法，所述方法包括：

步骤一、判断光伏储能系统是否处于储能状态，如果是，则进入步骤二，否则，继续执行本步骤一；

步骤二、判断蓄电池组是否需要均衡，如果需要均衡，则进入步骤三，否则返回步骤一；

步骤三、对所述蓄电池组进行均衡，完成均衡后，继续对所述蓄电池组进行充电。

进一步地，根据光伏电池的发电量、蓄电池的电量、负载的连接情况来判断所述光伏储能系统所处于的工作状态：

储能状态，是指：没有负载连接到所述光伏储能系统的dc-dc，光伏电池处于发电状态且发电量满足蓄电池的充电需求，光伏电池经过dc-dc给蓄电池充电；

光伏供电状态，是指：负载连接到dc-dc，光伏电池处于发电状态且发电量能够满足负载的供电需求，光伏电池经过dc-dc直接给负载供电；

蓄电池供电状态，是指：负载连接到dc-dc，光伏电池无法发电、或者处于发电状态但发电量不满足负载的供电需求，蓄电池经过dc-dc给负载供电。

进一步地，通过以下方式判断蓄电池组是否需要均衡：

如果所述蓄电池组的soc达到预定阈值、且所述蓄电池组中单体电池的电压满足预定的均衡条件，则判定所述蓄电池需要均衡；否则，判定所述蓄电池组不需要均衡。

进一步地，所述蓄电池组中单体电池的电压满足预定的均衡条件，是指：所述蓄电池组中单体电池的最大电压与蓄电池组均值电压的差值大于所述蓄电池组均值电压的5%；或者，所述蓄电池组中单体电池的最大电压与最小电压之差大于所述蓄电池组均值电压的10%；

其中，所述蓄电池组均值电压为所述蓄电池组中所有单体电池的平均电压值。

进一步地，通过以下方式对所述蓄电池组进行均衡：

根据单体电池的电压值的高低对所述蓄电池组中所有单体电池进行排序；

按照电压值从低到高的顺序依次对所述蓄电池组中除电压最大的单体电池以外的其他各单体电池进行充电均衡；其中，对每个单体电池进行充电均衡时，仅使该单体电池与dc-dc接通，其他单体电池与dc-dc断开，直到该单体电池的电压与单体电池的最大电压的差值的绝对值小于所述单体电池的最大电压的2%时，停止对该单体电池充电均衡，继续对下一个单体电池进行充电均衡；直至所述蓄电池组中除电压最大的单体电池以外的单体电池全部完成充电均衡后，完成对所述蓄电池组的均衡。

进一步地，所述方法还包括，在继续对所述蓄电池组进行充电后，通过以下方式对所述蓄电池组进行二次均衡：

在开始继续对所述蓄电池组充电时，如果所述蓄电池组的soc<90%，则对整个所述蓄电池组进行充电，当所述蓄电池组的soc到达90%时，停止充电，返回所述步骤二；

在开始继续对所述蓄电池组充电时，如果所述蓄电池组的soc>90%，则对整个所述蓄电池组进行充电，当所述蓄电池组中单体电池的最大电压达到额定电压时，停止充电，返回所述步骤二。

进一步地，所述方法还包括：

在所述步骤二、步骤三和步骤四的过程中，当检测到所述光伏储能系统的dc-dc连接负载时，直接返回所述步骤一。

此外，本发明还提供了一种光伏储能系统的蓄电池均衡装置，所述装置应用于光伏储能系统的光伏控制器，所述装置包括：

状态检测单元，用于判断光伏储能系统是否处于储能状态，如果是，则通知均衡控制单元；

均衡控制单元，用于判断蓄电池是否需要均衡，如果需要均衡，对蓄电池组各单体电池进行均衡，完成均衡后，通知充电控制单元；

充电控制单元，用于对整个蓄电池组进行充电。

进一步地，所述状态检测单元根据光伏电池的发电量、蓄电池的电量、负载的连接情况来判断所述光伏储能系统所处于的工作状态：

储能状态，是指：没有负载连接到光伏储能系统的dc-dc，光伏电池处于发电状态且发电量满足蓄电池的充电需求，光伏电池经过dc-dc给蓄电池充电；

光伏供电状态，是指：负载连接到dc-dc，光伏电池处于发电状态且发电量能够满足负载的供电需求，光伏电池经过dc-dc直接给负载供电；

蓄电池供电状态，是指：负载连接到dc-dc，光伏电池无法发电、或者处于发电状态但发电量不满足负载的供电需求，蓄电池经过dc-dc给负载供电。

进一步地，所述均衡控制单元通过以下方式判断蓄电池是否需要均衡：

如果所述蓄电池组的soc达到预定阈值、且所述蓄电池组中单体电池的电压满足预定的均衡条件，则判定所述蓄电池需要均衡；否则，判定所述蓄电池组不需要均衡；

其中，所述蓄电池组中单体电池的电压满足预定的均衡条件，是指：所述蓄电池组中单体电池的最大电压与蓄电池组均值电压的差值大于所述蓄电池组均值电压的5%；或者，单体电池的最大电压与最小电压之差大于所述蓄电池组均值电压的10%；所述蓄电池组均值电压为所述蓄电池组中所有单体电池的平均电压值。

进一步地，所述均衡控制单元通过以下方式对所述蓄电池组进行均衡：

根据单体电池的电压值的高低对所述蓄电池组中所有单体电池进行排序；

按照电压值从低到高的顺序依次对所述蓄电池组中除电压最大的单体电池以外的其他各单体电池进行充电均衡；

其中，对每个单体电池进行充电均衡时，仅使该单体电池与dc-dc接通，其他单体电池与dc-dc断开，直到该单体电池的电压与单体电池的最大电压的差值的绝对值小于所述单体电池的最大电压的2%时，停止对该单体电池充电均衡，继续对下一个单体电池进行充电均衡；直至所述蓄电池组中除电压最大的单体电池以外的单体电池全部完成充电均衡后，完成对所述蓄电池组的均衡。

进一步地，所述充电控制单元还用于，在继续对所述蓄电池组进行充电后，通过以下方式对所述蓄电池组进行二次均衡：

在开始继续对所述蓄电池组充电时，如果所述蓄电池组的soc<90%，则对整个所述蓄电池组进行充电，当所述蓄电池组的soc到达90%时，停止充电，并通知所述均衡控制单元对所述蓄电池组进行二次均衡；如果所述蓄电池组的soc>90%，则对整个所述蓄电池组进行充电，当所述蓄电池组中单体电池的最大电压达到额定电压时，停止充电，并通知所述均衡控制单元对所述蓄电池组进行二次均衡。

进一步地，所述状态检测单元还用于，当检测到所述光伏储能系统的dc-dc连接负载时，通知所述均衡控制单元和所述充电控制单元；所述均衡控制单元和所述充电控制单元接收到所述状态检测单元的负载连接通知时，停止对所述蓄电池组的均衡或充电。

此外，本发明还提供了一种光伏储能系统，所述光伏储能系统包括光伏电池、光伏控制器、dc-dc，和蓄电池组，其特征在于，所述光伏控制器包括如权利要求8~13之任一项所述的蓄电池均衡装置。

以上本发明所提供的光伏储能系统的蓄电池均衡方法和装置，利用光伏储能系统本身具有的光伏电池和光伏控制器对蓄电池进行均衡，提高蓄电池组中单体电池在使用过程中的一致性，从而提高了蓄电池的使用寿命；本发明提供的光伏储能系统，与现有技术中通过bms进行均衡的光伏储能系统相比，直接利用光伏电池和光伏控制器对蓄电池进行均衡，无需增加额外的均衡硬件，既节约了bms均衡部分的硬件成本，又充分利用了光伏电池的发电电量，提高了光伏电池的使用效率，延长了蓄电池的寿命。

本发明的上述技术方案相比现有技术，至少具有以下优点之一：

1、提高蓄电池寿命：本发明通过对蓄电池进行均衡，提高蓄电池组中单体电池在使用过程中的一致性，从而提高了蓄电池的使用寿命。

2、降低成本：本发明应用在光伏储能系统中，充分利用了储能系统中本身具有的光伏控制器和dc-dc来进行电池均衡，其中dc-dc是储能系统本身具有的，与在储能系统中利用bms来进行均衡相比，节省了成本。

3、提高光伏电池的使用效率：本发明是在储能系统处于储能状态下进行的，且蓄电池soc（stateofcharge，电池荷电状态）满足soc>80%的情况下进行，既满足蓄电池的储能需求，又可以对蓄电池进行均衡。与将蓄电池充满后断开光伏电池相比，本发明利用光伏电池的发电量对蓄电池进行均衡，提高了光伏电池的使用效率。

附图说明

图1是光伏储能系统的拓扑示意图；

图2是光伏储能系统中dc-dc和蓄电池的连接结构示意图；

图3是本发明实施例一的光伏储能系统的蓄电池均衡方法的主要步骤示意图；

图4是本发明实施例二的光伏储能系统的蓄电池均衡方法的主要步骤示意图；

图5是本发明实施例三的光伏储能系统的蓄电池均衡装置的组成示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

图1示出了常见的光伏储能系统的拓扑结构，光伏储能系统拓扑结构主要包括光伏电池、dc-dc、光伏控制器、蓄电池组和负载，其中dc-dc的作用是将电压转换为适合蓄电池充电的电压。

光伏储能系统中dc-dc和蓄电池的连接方式如图2所示。蓄电池组中的n个蓄电池是串联的，分别用b1,b2,…,bn-1,bn表示。开关用k1,k2,…kn-1,kn,q1,q2,…,qn-1,qn表示，可以通过开关的通断来选择蓄电池组中某一个单体电池与dc-dc相连。其中开关选择使用mos管，以提高开关的通断速度及减少功率损耗。mos管的通断由光伏控制器来驱动完成，例如，如果选择单体电池bm(m=1,2,…,n)与dc-dc相连接，则光伏控制器驱动开关km(m=1,2,…,n)和qm(m=1,2,…,n)导通，而其他的开关都处于断开状态。

本实施例的光伏储能系统的蓄电池均衡方法如图3所示，主要包括如下步骤：

步骤一：判断光伏储能系统是否处于储能状态，如果是，则进入步骤二，否则继续进行判断；

本实施例中，将光伏储能系统的工作状态分为三个工作状态：第一个是储能状态，负载没有被连接到dc-dc上，即负载没有电量的需求，并且光照条件满足光伏电池发电需求，光伏电池将太阳能转化为电能，然后经过dc-dc给蓄电池充电；第二个是光伏电池供电状态，即负载连接到dc-dc，光伏电池处于发电状态，且发电量可以满足负载的供电需求，则光伏电池发电并通过dc-dc直接给负载供电；第三个是蓄电池供电状态，即负载连接到dc-dc，但此时光伏电池处于无法发电或者处于发电状态但其发电量不足以满足负载电量需求，则蓄电池经过dc-dc给负载供电。

光伏储能系统工作期间会在这三个工作状态之间互相转换，光伏控制器可以根据光伏电池的发电量、负载的供电需求和蓄电池的电量等来控制工作状态的转换。其中，光伏控制器可通过监测dc-dc与负载之间开关两端的电压或电流，来判断是否有负载连接到dc-dc。如果光伏控制器判断此时储能系统处于储能状态，则进入步骤二，否则继续进行判断。

步骤二：判断蓄电池组是否需要均衡，如果需要均衡，则进入步骤三，否则返回步骤一。

光伏控制器能够监控整个蓄电池组的电压并计算soc，同时监控蓄电池组中每一个单体电池的电压。

本实施例中，如果蓄电池组同时满足下面两个条件，则说明蓄电池组需要进行均衡并进入步骤三，否则不需要进行均衡。

第一个条件是，蓄电池组的soc达到或大于预定阈值，例如满足soc>80%；

由于蓄电池组在储能状态下的目的是给蓄电池充电，以便在负载连通并且光伏电池发电量不足时给负载供电，因此，本发明中，首先要保证蓄电池已经储存了一定的电量，并且这些电量可以基本满足负载的供电需求。在此基础上，才对蓄电池组进行均衡。

第二个条件是，蓄电池组中单体电池电压满足预定的均衡条件，例如满足下面的公式：

其中，光伏控制器监控每一个单体电池的电压，将蓄电池组中n个单体电池的电压记为u1,u2…un-1,un,所有单体电池的平均电压值记为uave，单体电池最大的电压记为umax，单体电池最低的电压记为umin。

即，该均衡条件是，单体电池的最大电压与蓄电池组均值电压的差值大于均值电压的5%。

此外，可替代地，该均衡条件还可以是如下公式：

即，该该均衡条件还可以是，单体电池的最大电压与最小电压之差大于均值电压的10%。

本实施例中，上述两个公式中，只要其中满足其中一个公式，就表明蓄电池组需要均衡。

步骤三：对蓄电池组各单体电池进行均衡，均衡完成后，进入步骤四。

具体地，在对蓄电池组进行电池均衡时，将蓄电池组中所有的单体电池根据电压从低到高进行排序，记为b_l1,b_l2,…,b_ln-1,b_ln，以此作为单体电池均衡的先后次序。

首先，对电压最低的单体电池b_l1进行充电，光伏控制器控制单体电池b_l1相应开关的接通或断开来选择该单体电池，使得该单体电池与dc-dc接通，其他单体电池与dc-dc断开。

然后，光伏控制器调整dc-dc的输出电压来给该单体电池充电，即如果光伏电池此时的输出电压小于该单体电池，则需要利用dc-dc的升压功能来提高dc-dc的输出电压给单体电池充电。当该单体电池的电压满足下面的公式时，停止对该单体电池充电：

其中u为正在均衡的单体电池b_l1的电压。即，该单体电池的电压与单体电池的最大电压的差值的绝对值小于单体电池的最大电压的2%时，停止对该单体电池充电均衡，

当该单体电池b_l1均衡结束后，开始对单体电池b_l2进行均衡，当满足均衡结束的条件时停止对该单体电池均衡。按照单体电池电压从低到高的次序依次进行均衡，其中电压最大的单体电池不需要均衡，即需要对除电压最大的单体电池以外的n-1个单体电池进行充电均衡。

如果在对蓄电池组中的单体电池进行均衡的过程中，负载接通并且需要光伏电池或者蓄电池给它供电，则停止单体电池的均衡并且返回步骤一。如果n-1个单体电池都均衡结束，则进入步骤四。

步骤四：对蓄电池组继续进行充电。

本实施例中，在对蓄电池组进行均衡完成后，继续对蓄电池组进行充电，充电完成后，结束，等待下一次均衡过程；或者，直接返回步骤一。

此外，如果在充电过程中，负载被连接到dc-dc，则停止充电，返回步骤一。

实施例二

本实施例的光伏储能系统的蓄电池均衡方法与前述实施例一的主要区别在于，前述实施例一中，仅在判断蓄电池的soc大于预定阈值（例如80%，但不限于80%）且满足预定的均衡条件时，对蓄电池组中各单体电池进行充电均衡；而本实施例中，在对蓄电池组中各单体电池完成充电均衡、并继续对蓄电池组进行充电后，对蓄电池组进行二次均衡。

如图4所示，本实施例的光伏储能系统的蓄电池均衡方法主要包括如下步骤：

步骤一：判断光伏储能系统是否处于储能状态，如果是，则进入步骤二，否则继续进行判断；

步骤二：判断蓄电池组是否需要均衡，如果需要均衡，则进入步骤三，否则返回步骤一。

步骤三：对蓄电池组各单体电池进行均衡，均衡完成后，进入步骤四。

按照单体电池电压从低到高的次序依次进行均衡，其中电压最大的单体电池不需要均衡，即需要对除电压最大的单体电池以外的n-1个单体电池进行充电均衡。

如果在对蓄电池组中的单体电池进行均衡的过程中，负载接通并且需要光伏电池或者蓄电池给它供电，则停止单体电池的均衡并且返回步骤一。如果n-1个单体电池都均衡结束，则进入步骤四。

本实施例的上述步骤一至步骤三的具体实施步骤，与前述实施例一基本相同，在此不再赘述。

步骤四：对蓄电池组进行充电，充电完成后，返回步骤二。

本实施例中，根据蓄电池的soc将充电分为两种情况：

第一种情况，如果电池均衡结束后，蓄电池的soc满足条件：80%<soc<90%，则可以对蓄电池继续进行二次均衡。均衡之前，先对整个蓄电池组进行充电，光伏控制器控制开关k1和qn导通，其他开关处于断开状态，使得整个蓄电池组和dc-dc连接，利用光伏电池对整个蓄电池组进行充电。当充电至蓄电池的soc到达90%时停止充电，返回步骤二。

第二种情况，如果电池均衡结束后，蓄电池的soc满足条件：90%<soc<100%，则可以对蓄电池继续进行二次均衡。均衡之前，先对整个蓄电池组进行充电，充电方式和上述第一种情况相同，但是充电结束的条件不同：当充电至单体电池的最大电压为额定电压时，停止充电，并返回步骤二。

此外，如果在充电过程中，负载被连接到dc-dc，则停止充电，返回步骤一。

实施例三

本实施例涉及一种光伏储系统中的蓄电池均衡装置，如图5所示，该装置主要包括：

状态检测单元，用于判断光伏储能系统是否处于储能状态，如果是，则通知均衡控制单元；

均衡控制单元，用于判断蓄电池是否需要均衡，如果需要均衡，对蓄电池组各单体电池进行均衡，完成均衡后，通知充电控制单元；

充电控制单元，用于对整个蓄电池组进行充电。

其中，本实施例的蓄电池均衡装置可以应用于光伏储能系统中的光伏控制器中。

其中，状态检测单元可以根据光伏电池的发电量、蓄电池的电量、负载的连接情况来判断光伏储能系统处于如下哪一种工作状态：

储能状态，是指：没有负载连接到光伏储能系统的dc-dc，光伏电池处于发电状态且发电量满足蓄电池的充电需求，光伏电池经过dc-dc给蓄电池充电；

光伏供电状态，是指：负载连接到dc-dc，光伏电池处于发电状态且发电量能够满足负载的供电需求，光伏电池经过dc-dc直接给负载供电；

蓄电池供电状态，是指：负载连接到dc-dc，光伏电池无法发电或者处于发电状态但发电量不满足负载的供电需求，蓄电池经过dc-dc给负载供电。

其中，均衡控制单元可以通过以下方式判断蓄电池是否需要均衡：

如果蓄电池组的soc达到预定阈值、且蓄电池组中单体电池的电压满足预定的均衡条件，则判定蓄电池需要均衡；否则，判定蓄电池组不需要均衡；

其中，蓄电池组中单体电池的电压满足预定的均衡条件，是指：蓄电池组中单体电池的最大电压与蓄电池组均值电压的差值大于蓄电池组均值电压的5%；或者，单体电池的最大电压与最小电压之差大于蓄电池组均值电压的10%；蓄电池组均值电压为蓄电池组中所有单体电池的平均电压值。

其中，均衡控制单元可以通过以下方式对蓄电池组进行均衡：

根据单体电池的电压值的高低对蓄电池组中所有单体电池进行排序；

按照电压值从低到高的顺序依次对蓄电池组中除电压最大的单体电池以外的其他各单体电池进行充电均衡；

其中，对每个单体电池进行充电均衡时，仅使该单体电池与dc-dc接通，其他单体电池与dc-dc断开，直到该单体电池的电压与单体电池的最大电压的差值小于单体电池的最大电压的2%时，停止对该单体电池充电均衡，继续对下一个单体电池进行充电均衡；直至蓄电池组中除电压最大的单体电池以外的单体电池全部完成充电均衡后，完成对蓄电池组的均衡。

进一步地，充电控制单元还用于，在继续对蓄电池组进行充电后，通过以下方式对蓄电池组进行二次均衡：

在开始继续对蓄电池组充电时，如果蓄电池组的soc满足80%<soc<90%，则对整个蓄电池组进行充电，当蓄电池组的soc到达90%时，停止充电，并通知均衡控制单元对蓄电池组进行二次均衡；如果蓄电池组的soc满足90%<soc<100%，则对整个蓄电池组进行充电，当蓄电池组中单体电池的最大电压达到额定电压时，停止充电，并通知均衡控制单元对蓄电池组进行二次均衡。

进一步地，状态检测单元还用于，当检测到光伏储能系统的dc-dc连接负载时，通知均衡控制单元和充电控制单元；均衡控制单元和充电控制单元接收到状态检测单元的负载连接通知时，停止对蓄电池组的均衡或充电。

实施例四

本实施例涉及一种光伏储能系统，结合图1和图5所示，本实施例的光伏储能系统主要包括光伏电池、光伏控制器、dc-dc，和蓄电池组，其中，本实施例的光伏控制器中包括前述实施例三中所述的蓄电池均衡装置。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明保护的范围之中。