一种基于储能元件的功率能量模块及功率变换器的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于储能元件的功率能量模块及功率变换器。

背景技术：

随着新能源产业的快速发展，融合储能单元的电力电子变换器得到了广泛的应用。为实现储能单元的充放电，电力电子变换器需具备双向功率变换能力，且变换器的电压和功率等级需紧密适配储能元件，以达到最高的性价比。然而，此种基于应用需求的全定制化电力电子变换器研制技术路线，对于涵盖不同功率等级、不同输出电能形式的应用需求，需反复设计适配的功率变换器，导致功率变换器的应用场合单一，设备通用性不高、灵活性扩展性不强、维护工作繁重、冗余性不高。因此，基于标准化、模块化、可扩展化的电力电子功率变换设备研制技术路线实现包含储能元件的标准功率能量模块及其组合功率变换器设计和研制显得必要。

另外，针对大容量储能应用需求，集中化储能将使得储能单元规模庞大、储能单元管理复杂、储能单元的故障冗余性差。分布式储能将储能单元分布管理和应用，极大的降低了储能单元的管理复杂度，且任一分布储能单元故障均可通过故障保护，实现冗余控制，从而能大大提高了装置的可靠性。

因此，结合储能功率变换器的应用需求，基于储能分布式设计和功率变换器模块化设计的大容量储能功率变换装置的研制技术路线，将有效的提升整个装置的集成度、模块化、扩展化和冗余特性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种基于储能元件的功率能量模块及功率变换器。

本发明提供一种基于储能元件的功率能量模块，至少封装有：储能单元、功率变换单元和控制单元；所述储能单元，由各种类型电池、超级电容等储能元件组成，用于实现能量存储；所述储能单元通过直流端口与所述功率变换单元电性连接；所述控制单元与所述功率变换单元通信连接，用于生成控制脉冲并发送给所述功率变换单元；所述功率变换单元，用于响应于所述控制脉冲，以实现对所述储能单元的双向电能变换控制。根据本发明提供的一种功率能量模块，所述控制单元包括硬件控制子单元和数据传感采集子单元；硬件控制子单元通过通信接口接收上层控制中心下发的操作指令，以生成所述控制指令，并将控制指令发送给功率变换单元；数据传感采集子单元用于采集功率变换单元和储能单元的电压、电流、温度等运行状态数据，并通过通信接口上传至上层控制中心，以供上层控制中心根据运行状态数据，计算功率能量模块的控制指令，并确定功率能量模块的整体运行状态。

根据本发明提供的一种功率能量模块，还包括：设置于控制单元上的通信接口。硬件控制子单元通过通信接口接收上层控制中心下发的操作指令，并将数据传感采集子单元采集到的功率变换单元和储能单元的运行状态数据，并通过通信接口上传至上层控制中心。根据本发明提供的一种功率能量模块，还包括：设置于功率变换单元上的功率接口；功率变换单元通过功率接口，执行外部电能与储能单元间的能量交换；功率接口包括直流接口和/或交流接口。

本发明提供一种基于上述任一基于储能元件的功率能量模块构建的功率变换器，包括：上位机、中心控制器和多个功率能量模块；每个功率能量模块的功率端口依次连接形成功率链路，每个功率能量模块的通信端口依次连接形成通信链路；中心控制器用于接收上位机下发的操作指令，并通过通信链路将操作指令发送给目标功率能量模块；目标功率能量模块响应于操作指令，通过功率链路输出目标功率。

根据本发明提供的一种功率变换器，每个功率能量模块的正、负功率端口依次串联形成功率链路，每个功率能量模块的通信端口依次串联形成通信链路；所述功率链路和所述通信链路构成所述功率变换器；所述功率变换器为串联组合功率变换器。。

根据本发明提供的一种功率变换器，每个功率能量模块的正负功率端口分别并联形成功率链路；每个功率能量模块的通信端口依次串联形成通信链路；功率链路和通信链路构成所述功率变换器；所述功率变换器为并联组合功率变换器。

根据本发明提供的一种功率变换器，将n个功率能量模块的功率端口依次串联构成串联能量模块组，再将m个串联能量模块组的正负功率端口分别并联构成功率链路；每个功率能量模块的通信端口依次串联，形成通信链路；所述功率链路和所述通信链路构成所述功率变换器；所述功率变换器为串并联组合功率变换器。

根据本发明提供的另一种功率变换器，将n个功率能量模块的正负功率端口分别并联构成并联能量模块组，再将m个并联能量模块组的正负功率端口依次串联构成功率链路；每个功率能量模块的通信端口依次串联，形成通信链路；所述功率链路和所述通信链路构成所述功率变换器；所述功率变换器为并串联组合功率变换器。

本发明提供的功率能量模块及功率变换器，通过将储能单元、功率变换单元和控制单元集成，构成一个智能自治的标准功率能量模块，达到分布式标准功率能量模块的最优设计；再将标准功率能量模块进行串并联组合形成目标功率变换器，以实现功率和电压等级的灵活设计，具有模块化程度高、扩展性强、故障冗余性好等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种功率能量模块的结构示意图；

图2是本发明提供的功率变换器的结构示意图之一；

图3是本发明提供的功率变换器的结构示意图之二；

图4是本发明提供的功率变换器的结构示意图之三；

图5是本发明提供的功率变换器的结构示意图之四。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1-图5描述本发明实施例所提供的功率能量模块及功率变换器。图1是本发明提供的功率能量模块的结构示意图，如图1所示，至少封装有：储能单元1、功率变换单元2和控制单元3；储能单元1主要用于实现能量存储；储能单元1通过直流端口与功率变换单元2电性连接；控制单元3用于生成控制指令并发送给功率变换单元2；功率变换单元2与控制单元3通信连接，用于响应于控制指令，以实现双向电能变换控制。

可选地，本发明提供了一种集成化的功率能量模块，主要包括储能单元1、功率变换单元2、控制单元3以及各类接口。其中，储能单元1可以是各种类型电池、超级电容等。储能单元1可对外输出电能，也可吸收电能。储能单元1的电压和容量等级，可结合成熟储能单元产品和应用需求进行设计，对此本发明不作具体的限定。

功率变换单元2可以由电力电子器件组合而成，例如，包含开关器件和无源功率器件、散热器、功能控制板和通信接口等，以实现直流到直流或直流到交流的双向电能变换，满足储能单元的充放电需求。其中，双向电能变换主要是指功率变换单元2可以根据输入的控制指令，对储能单元1中存储的电能进行变换，输出相应的电能；或者对外界输入的电能进行变换，输入至储能单元1以对其进行充电。

可选地，功率变换单元2可采用隔离型或非隔离型变换电路，且每个功率变换单元2与每个储能单元1是相匹配的，即功率变换单元2电压和容量等级完全匹配储能单元1的电压和容量，以达到最优设计。

进一步地，所述的控制单元3可以由硬件控制板以及数据传感采集系统等单元组成，以实现开关器件控制(生成控制指令)、数据通信(如将控制指令发送给功率变换单元2)、状态采集和故障保护等功能。

其中，状态采集包括采集储能单元和功率变换单元的工作状态数据，如工作电流、工作电压、工作温度等。故障保护主要是用于实现对功率能量模块的保护，如在储能单元的电压、电流和工作温度等指标超过其预定设定值的情况下，采取封锁功率变换单元的开关器件实现故障保护和故障隔离等。

需要说明的是，本发明提供的功率能量模块，在其实际运行中可以作为一种电源模块进行运用，但其与普通的电源模块的区别在于，该功率能量模块是集成能量存储、功率变换和信息处理，具有高度的自治能力，是一种标准、高集成、高性能、高功率密度的功率模块。

本发明提供的功率能量模块，通过将储能单元、功率变换单元和控制单元集成，构成一个智能自治的标准功率能量模块，达到分布式标准功率能量模块的最优设计，为后期将标准功率能量模块进行串、并联组合形成目标功率变换器，以实现功率和电压等级的灵活设计提供了基础，具有模块化程度高、扩展性强、故障冗余性好等特点。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，控制单元3主要包括硬件控制子单元和数据传感采集子单元；硬件控制子单元主要用于接收上层控制中心下发的操作指令，以生成控制指令，并将控制脉冲发送给功率变换单元2；数据传感采集子单元主要用于采集功率变换单元2和储能单元1的运行状态数据，并上传至上层控制中心，以供上层控制中心根据运行状态数据，确定功率能量模块的整体运行状态。

在本发明提供的功率能量模块中，是利用功率变换单元2根据控制脉冲的不同，以实现直流到直流或直流到交流的双向电能变换，用于匹配储能单元1的直流接口和外部功率接口，达到储能单元充电或放电的效果，而功率变换单元2所接收的指令则是由控制单元3生成的。

具体地，控制单元3由硬件控制子单元(如硬件控制板)和数据传感采集子单元(如数据传感采集系统)。

控制单元3中的硬件控制子单元，通过通信接口接收上层控制中心下发的操作指令，进而生成对应的控制脉冲，以控制功率变换单元2实现相应的电能变换，并把功率能量模块的运行状态通过通信接口发送给上层控制中心。

控制单元3驱动数据传感采集子单元中的传感器，采集储能单元1和功率变换单元2的电压、电流和温度等电气量，以判断整个功率能量模块的运行状态，实现故障检测和保护，达到智能化运行控制。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明提供的功率能量模块，还可以包括：设置于控制单元3上的通信接口；硬件控制子单元能够通过通信接口接收上层控制中心下发的操作指令并将功率变换单元和储能单元的运行状态数据上传至所述上层控制中心。

本发明提供的功率能量模块，通过状态检测、主动控制和故障保护，功率能量模块具有高度的智能化，能够实现模块功能高度自治。

作为一种可选实施例，本发明提供的功率能量模块，还包括：设置于所述功率变换单元上的功率接口；所述功率变换单元通过所述功率接口，执行外部电能与所述储能单元间的能量交换；所述功率接口包括直流接口和/或交流接口。

具体地，如图1所示，功率能量模块的接口主要包含功率接口(p为正极、n为负极)和通信接口(t为发送、r为接收)。其中，功率接口为两端接口，可为直流接口或交流接口。通信接口包含数据发送和接收接口，可为光纤接口或电信号接口。

功率能量模块通过功率接口实现外部电能和储能单元1间的能量传递，通过通信接口实现上层控制中心和控制单元2间的控制指令和状态信息交互。

本发明提供的功率能量模块，通过将储能单元、功率变换单元和控制单元集成封装，构成一个智能自治的标准功率能量模块，并利用功率接口和通信接口实现与外界能量以及控制的交互，有效地实现了分布式标准功率能量模块的最优设计，模块化程度高、扩展性强，是标准模块化组合功率变换器的硬件基础。本发明还提供了一种基于上述任一实施例中所提供的功率能量模块构建的功率变换器，主要包括：上位机、中心控制器和多个功率能量模块；每个功率能量模块的功率端口依次连接形成功率链路，每个功率能量模块的通信端口依次连接形成通信链路；中心控制器，用于接收所述上位机下发的操作指令，并经过运算转换生成控制指令，通过通信链路将控制指令发送给目标功率能量模块的所述控制单元；目标功率能量模块响应于控制指令，通过功率链路输出目标功率。

本发明提供的功率变换器，通过将多个功率能量模块的通信接口和中心控制器串联形成环形通信链路，并将每个功率能量模块的功率端口进行串、并联组合，以构成满足高压、大电流的功率变换器。

具体地，本发明提供的功率变换器可以根据实际需要选用多个功率能量模块进行串并联组合，以满足实际功率输出要求。其中，功率输出要求包括高电压输出或者高电流输出等情况。

需要说明的是，本发明提供的功率变换器中集成有多个功率能量模块，所有的功率能量模块的通信接口均直接接入通信链路中，以方便中心控制器根据上位机所发送的操作指令，计算产生控制指令，并将控制指令发送给对应的功率能量模块(以下称为目标功率能量模块)。

进一步地，目标功率能量模块中的控制单元3根据控制指令并结合模块的实际状态，生成对应地控制脉冲，发送给功率变换单元2。功率变换单元2根据控制脉冲，实现对于储能单元的双向电能变换的相关控制，以输出目标功率。

本发明提供的功率变换器，通过将标准化的功率能量模块，进行串、并联组合形成目标功率变换器，以实现功率和电压等级的灵活设计，具有模块化程度高、扩展性强、故障冗余性好等特点。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，每个所述功率能量模块的功率端口依次串联。图2是本发明提供的功率变换器的结构示意图之一，如图2所示，该功率变换器也可以称作串联组合功率变换器，主要包含上位机、中心控制器、多个串联的功率能量模块、负载、通信链路和功率链路。

其中，上位机提供人机交互界面，实现操作指令下达和运行状态显示。

中心控制器处于系统控制中间层。中心控制器主要是用于接收上位机下发的操作指令，并将整个功率变换器装置的运行状态上传给上位机。中心控制器通过通信链路与每个功率能量模块的通信接口连接，用于实现控制指令的下达，并收集各个功率能量模块的运行状态。

各功率能量模块(m1、m2…mn，n为总数量)的功率端口，依次串联连接形成功率链路，具体如图2所示，所有正极端口p1、p2…pn、和负极端口n1、n2…nn按照p1、n1、p2、n2…pn、nn串联，而构成的功率链路的两个输出端口p1、nn连接负载。各功率能量模块的通信端口(t1、t2…tn、r1、r2…rn)按照t1、r1、t2、r2…tn、rn依次串联连接形成通信链路，并最终和中心控制器相连。

本发明提供的串联组合功率变换器，通过各功率能量模块的功率接口串联，实现高电压输出；而储能单元固有的电气隔离特性，保证了串联模块间的电位要求。通过改变串联功率能量模块的个数，组合功率变换器可以适应任意电压等级的功率变换应用场合，具有很好的扩展性。采用串行环形通信链路，有效的减少了功率能量模块间的互联线，简化了功率能量模块的串联应用。图3是本发明提供的功率变换器的结构示意图之二，如图3所示，本发明提供的功率变换器，其中的每个功率能量模块的功率端口的正、负极分别并联。

具体地，本发明提供的功率变换器又可以称为并联组合功率变换器，主要包含上位机、中心控制器、功率能量模块、负载、通信链路和功率链路。

其中，上位机提供人机交互界面，实现操作指令下达和运行状态显示。

中心控制器处于系统控制中间层。中心控制器主要用于接收上位机下发的操作指令，并将整个功率变换器装置的运行状态上传给上位机。中心控制器通过通信链路和功率能量模块的通信接口连接，实现控制指令的下达，并收集各功率能量模块的运行状态。

其中，所有n个功率能量模块(m1、m2…mn)的功率端口p并联(p1、p2…pn)、功率端口n(n1、n2…nn)并联，功率链路的并联输出端口接负载。各功率能量模块的通信端口(t1、t2…tn、r1、r2…rn)依次串联连接形成通信链路，并和中心控制器相连。

本发明提供的并联组合功率变换器，通过各功率能量模块的功率接口并联，实现大电流输出。由于储能单元固有的电气隔离特性，保证了并联模块间的电位要求。通过改变并联功率能量模块的个数，组合功率变换器可以适应任意电流等级的功率变换应用场合，具有很好的扩展性。采用串行环形通信链路，有效的减少了功率能量模块间的互联线，简化了功率能量模块的并联应用。图4是本发明提供的功率变换器的结构示意图之三，如图4所示，可以先将n个功率能量模块的功率端口依次串联构成串联能量模块组，再将m个所述串联能量模块组的输出正负功率端口分别并联形成功率链路；每个功率能量模块的通信端口依次串联，形成通信链路；功率链路和通信链路构成功率变换器；所述功率变换器为串并联组合功率变换器。

本发明提供的功率变换器，先将n个功率能量模块串联形成串联模块组，再将m个串联模块组并联形成串并联组合功率变换器，如图4所示，以满足高压、大电流的应用需求。所有功率能量模块的通信接口串联形成通信链路，再和中心控制器链接，实现控制指令和运行状态的交互。

图5是本发明提供的功率变换器的结构示意图之四，如图5所示，作为另一实施例，基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，将n个所述功率能量模块的正负功率端口分别并联构成并联能量模块组，再将m个所述并联能量模块组的正负功率端口依次串联构成功率链路；其中，n＝n*m；每个所述功率能量模块的通信端口依次串联，形成所述通信链路。所述功率链路和所述通信链路构成所述功率变换器；所述功率变换器为并串联组合功率变换器。

具体地，先将n个功率能量模块的正负功率端口并联形成并联模块组，再将m个并联模块组串联形成串并联组合功率变换器，如图5所示，以满足高压、大电流的应用需求。所有功率能量模块的通信接口串联形成通信链路，在和中心控制器链接，实现控制指令和运行状态的交互。

需要说明的是，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本专利要求的保护范围内。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件来实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。