一种储能系统的内阻估算系统的制作方法

本实用新型涉及储能系统技术领域，特别是涉及一种储能系统的内阻估算系统。

背景技术：

储能系统中，储能电池的内阻是衡量电池性能的一个重要指标，电池处于不同的荷电状态、使用寿命状态时，其内阻参数均不相同。储能电池组中电池出现老化、失效、损坏等情况时，均可以从其内阻变化得到表现，所以检测储能电池的内阻是判断电池使用状态的一个有效方式。

目前，储能系统的内阻估算存在如下所述问题：

使用直流内阻测量方式，该方法需要制造一个较大的直流电流，此类测量方式往往将此测量用直流电流直接消耗掉，造成了储能电池组的能量损失，进而换取内阻的测量。

使用交流注入测试方法，该方法需要在每一节电芯的正负极之间加入一个内阻测量模块，通过在此单节电芯的正负极之间注入交流信号进行对应测量的方式得出此节电芯的内阻值，此种方法需要每节电芯都需要安装内阻测量模块，并且内阻测量模块需要从被测电芯取的供电，即便在无需内阻测量的情况下，依然需要消耗电芯的电能，在单节电芯电压极低的情况下，此功耗可能导致电芯进入深度欠压，最终使电芯损坏。另外内阻测量模块的数据需要使用通讯线进行数据上传，较多的内阻测量模块数量也将导致通讯线束之间的连接关系复杂。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种储能系统的内阻估算系统，避免直接消耗直流电流，造成电池组能量大量损失，并且该系统降低了接线复杂度，提高了系统的可靠性。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种储能系统的内阻估算系统，包括：电池组、限流开关单元、储能电容单元、电流采集单元、电容限压单元、直流-直流变换单元及控制单元，

所述电池组、限流开关单元、储能电容单元、电流采集单元依次连接形成放电回路，所述储能电容单元通过直流-直流变换单元与电池组形成能量回收回路；

所述电容限压单元接收储能电容单元的极限电压信号，并根据极限电压信号输出断开开关信号给限流开关单元；所述控制单元输出电平信号给电容限压单元，所述电容限压单元根据电平信号控制限流开关单元的接通或断开；所述电流采集单元输出电流信号给控制单元，所述控制单元根据能量回流信号控制直流-直流变换单元的开关动作。

作为进一步优选的方案，所述限流开关单元包括由若干个MOS管并联连接的开关矩阵，所述开关矩阵的输入端与所述电池组的总正端连接，输出端与所述储能电容单元的正极输入端连接，控制端与所述电容限压单元的输出控制端连接。

作为进一步优选的方案，所述限流开关单元还包括第四电阻R4，所述开关矩阵的输出端经所述第四电阻R4与所述储能电容单元的正极输入端连接。

作为进一步优选的方案，所述储能电容单元包括由若干个储能电容并联连接的储能电容矩阵，所述储能电容矩阵的正极输入端分别与所述直流-直流变换单元和所述限流开关单元连接，负极输入端与所述电流采集单元的输入端连接。

作为进一步优选的方案，所述电容限压单元包括第一光耦隔离器U1、与非门电路U2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第五电阻R5、第七电阻R7和第八电阻R8，

所述第一光耦隔离器U1的集电极经所述第二电阻R2和所述第一电阻R1后连接所述电池组的总正端，发射极接地，所述第一光耦隔离器U1的阳极接供电电源VCC，阴极经所述第三电阻R3与所述与非门电路U2的输出端连接；所述非门电路U2的第一输入端经所述第七电阻R7与所述控制单元的第一控制端连接，所述非门电路U2的第二输入端经所述第五电阻R5和所述第八电阻R8后与所述控制单元的第二控制端连接；

所述第一电阻R1和所述第二电阻R2之间的连接节点作为所述电容限压单元的输出控制端与所述开关单元的控制端连接。

作为进一步优选的方案，所述电容限压单元还包括比较器U4、第二光耦隔离器U5、第六电阻R6、第九电阻R9、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14和第十八电阻R18，

所述第六电阻R6的一端与所述储能电容单元的正极输入端连接，另一端经所述第九电阻R9后接地，所述比较器U4的反相输入端与所述第六电阻R6和所述第九电阻R9之间的连接节点连接，所述第十二电阻R12的一端接供电电源VCC，另一端经所述第十八电阻R18、所述第十四电阻R14后接地，所述比较器U4的同相输入端与所述第十二电阻R12和所述第十八电阻R18之间的连接节点连接，所述比较器U4的输出端经所述第八电阻R8后与所述控制单元的第二控制端连接；

所述第二光耦隔离器U5的阳极经所述第十三电阻R13后接供电电源VCC，阴极与所述第五电阻R5和所述第八电阻R8之间的连接节点连接，所述第二光耦隔离器U5的集电极与所述第十八电阻R18和所述第十四电阻R14之间的连接节点连接，发射极接地。

作为进一步优选的方案，所述电流采集单元包括差分运算放电器U6、第十一电阻R11、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第二十电阻R20和第二十一电阻R21，

所述第十一电阻R11的第一端与所述电池组的总负端连接，第一端还经所述第十五电阻R15、所述第二十电阻R20后与所述差分运算放电器U6的输出端连接，所述第十一电阻R11的第二端与所述储能电容单元的负极输入端连接，第二端还经所述第十六电阻R16、所述第十七电阻R17后接地；

所述差分运算放电器U6反相输入端与所述第十五电阻R15和所述第二十电阻R20之间的连接节点连接，同相输入端与所述第十六电阻R16和所述第十七电阻R17之间的连接节点连接，输出端还经所述第二十一电阻R21后与所述控制单元的第三控制端连接。

作为进一步优选的方案，还包括第十九电阻R19，所述第十九电阻R19的一端与所述控制单元的第四控制端,连接，另一端与所述直流-直流变换单元的使能端连接。

基于储能系统的内阻估算系统，本实用新型还提供一种储能系统的内阻估算方法，该方法包括以下步骤：

S1、内阻估算系统启动并向电池管理系统发送开始产生测试电流的触发指令；

S2、电池管理系统收到触发指令并快速采集电池组中单节电芯的电压v；

S3、内阻估算系统产生测试电流i并被电池管理系统实时记录；

S4、截取测试电流i的变化值△i和电压v的变化值△v；

S5、根据欧姆定律估算出电池组内单节电芯的内阻值r；

S6、将电能送回至电池组中。

作为进一步优选的方案，所述步骤S3包括：

S31、开启开关矩阵，电池组向储能电容充电，产生测试电流i并实时记录该测试电流i；

S32、当储能电容的电压达到极限值或内阻估算系统主动关闭开关矩阵时，测试电流i产生完毕。

本实用新型相比于现有技术的优点及有益效果如下：

1、本实用新型为一种储能系统的内阻估算系统和方法，设有电流采集单元，可以直接从单体电芯直接取电，在进行内阻估算时，从电池组获取测试电流；并且，还设有储能电容单元，当测试完毕后，测试用的电能还能送回到电池组中，降低了侧内阻估算的能量损耗。

2、本实用新型为一种储能系统的内阻估算系统，无需每节单体电芯都进行复杂的通讯线束的连接，降低了系统接线的复杂度，增加了储能系统测试内阻的可实施度，提高了系统的可靠性。

3、本实用新型为一种储能系统的内阻估算方法，该方法先进行单节电芯的电压采集，然后再记录实时的测试电流，最后根据欧姆定律计算出内阻值。更为重要的是，在测试完毕后，还将储能电容中的电能送回到电池组中，从而减少了测试用的电能，降低了测内阻时的能量损耗，提高了储能系统的可靠性。

附图说明

图1为实施例1的储能系统的内阻估算系统的原理框图；

图2为图1的储能系统的内阻估算系统的电路原理图；

图3为本实用新型的储能系统的内阻估算方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

本实用新型一种储能系统的内阻估算系统，针对以上问题进行设计，本实用新型采用能量无损存储器件储能电容为主要器件进行系统设计。在需要进行内阻测量时，使用开关器件将电池组接入电容，产生短时间内的较大电流，分别测得储能电池组的电流变化与电压变化，再根据欧姆定律进行内阻的估算。内阻测量过程中储能电池的电能存储在储能电容中，测量完毕后，使用直流-直流变换器再将电容内存储的电量送回至储能电池组中，尽可能的降低电池组的能量损耗。

请参阅图1，本实用新型提供一种储能系统的内阻估算系统10，包括：电池组100、限流开关单元200、储能电容单元300、电流采集单元400、电容限压单元500、直流-直流变换单元600及控制单元700。

所述电池组100、限流开关单元200、储能电容单元300、电流采集单元400依次连接形成放电回路，所述储能电容单元300通过直流-直流变换单元600与电池组100形成能量回收回路。

所述电容限压单元500接收储能电容单元400的极限电压信号，并根据极限电压信号输出断开开关信号给限流开关单元200；所述控制单元700输出电平信号给电容限压单元500，所述电容限压单元500根据电平信号控制限流开关单元200的接通或断开；所述电流采集单元400输出电流信号给控制单元700，所述控制单元700根据能量回流信号控制直流-直流变换单元600的开关动作。要说明的是，所述控制单元700还与电池管理系统通讯连接。

其中，限流开关单元200为MOS管组成的开关矩阵，用于快速将大容量电容接入电池组100形成测试用电流。限流开关单元200中传入一个较小的电阻值用于限制测试电流的大小。大容量的储能电容单元300用于吸收测试电流，形成测试电流的同时，将电池组100的电能存储在储能电容内；储能电容单元300为多个储能电容组成的电容矩阵。电流采集单元400为电流传感器，用于检测流过测试回路的实时电流值。电容限压单元500是为了限制储能电容的两端电压，防止储能电容吸收电池电流时电容两端电压超过电容的极限耐压。直流-直流变换单元600则将电容内的电能通过升压变换送回至电池组100的正负极，实现能量回收。控制单元700用于各单元之间的任务分配、数据搜集、事件判断、动作执行以及与电池管理系统的协调工作等。

请参阅图2，所述限流开关单元200包括由若干个MOS管并联连接的开关矩阵，所述开关矩阵的输入端与所述电池组100的总正端连接，输出端与所述储能电容单元300的正极输入端连接，控制端与所述电容限压单元的输出控制端连接。具体的，若干个MOS管的S极依次串联连接，D极也依次串联连接，并且G极也依次串联连接。要说明的是，MOS管串联起来的S极作为限流开关单元200的输入端与电池组100的总正端连接，MOS管串联起来的D极作为限流开关单元200的输出端与储能电容单元300的正极输入端连接，MOS管串联起来的G极作为限流开关单元200的控制端与所述电容限压单元500连接。MOS管(Q1、Q2、Q3……Qn)组成开关矩阵，MOS管的数量取决于所需测试电流的大小。

进一步的，所述限流开关单元200还包括第四电阻R4，所述开关矩阵的输出端经所述第四电阻R4与所述储能电容单元300的正极输入端连接。第四电阻R4为限流电阻，其阻值较小，仅将测试电流的大小限制在安全范围内。

要说明的是，所述储能电容单元300包括由若干个储能电容并联连接的储能电容矩阵，所述储能电容矩阵的正极输入端分别与所述直流-直流变换单元600和所述限流开关单元200连接，负极输入端与所述电流采集单元400的输入端连接。储能电容(C1、C2、C3……Cn)组成储能电容矩阵，用于吸收储能电池的电能，从而产生短时间较大的测试电流，储能电容的容值与数量决定了测试电流的大小与电流持续时间。

所述电容限压单元500包括第一光耦隔离器U1、与非门电路U2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第五电阻R5、第七电阻R7和第八电阻R8。

所述第一光耦隔离器U1的集电极经所述第二电阻R2和所述第一电阻R1后连接所述电池组100的总正端，发射极接地，所述第一光耦隔离器U1的阳极接供电电源VCC，阴极经所述第三电阻R3与所述与非门电路U2的输出端连接；所述非门电路U2的第一输入端经所述第七电阻R7与所述控制单元700的第一控制端(DO)连接，所述非门电路U2的第二输入端经所述第五电阻R5和所述第八电阻R8后与所述控制单元700的第二控制端(DI)连接；所述第一电阻R1和所述第二电阻R2之间的连接节点作为所述电容限压单元500的输出控制端与所述开关单元的控制端连接。所述电容限压单元500还包括稳压二极管D1，所述稳压二极管D1与第一电阻R1的两端并联。

所述电容限压单元500还包括比较器U4、第二光耦隔离器U5、第六电阻R6、第九电阻R9、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14和第十八电阻R18。

所述第六电阻R6的一端与所述储能电容单元300的正极输入端连接，另一端经所述第九电阻R9后接地，所述比较器U4的反相输入端与所述第六电阻R6和所述第九电阻R9之间的连接节点连接，所述第十二电阻R12的一端接供电电源VCC，另一端经所述第十八电阻R18、所述第十四电阻R14后接地，所述比较器U4的同相输入端与所述第十二电阻R12和所述第十八电阻R18之间的连接节点连接，所述比较器U4的输出端经所述第八电阻R8后与所述控制单元700的第二控制端(DI)连接。

所述第二光耦隔离器U5的阳极经所述第十三电阻R13后接供电电源VCC，阴极与所述第五电阻R5和所述第八电阻R8之间的连接节点连接，所述第二光耦隔离器U5的集电极与所述第十八电阻R18和所述第十四电阻R14之间的连接节点连接，发射极接地。

所述电流采集单元400包括差分运算放电器U6、第十一电阻R11、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第二十电阻R20和第二十一电阻R21。

所述第十一电阻R11的第一端与所述电池组100的总负端连接，第一端还经所述第十五电阻R15、所述第二十电阻R20后与所述差分运算放电器U6的输出端连接，所述第十一电阻R11的第二端与所述储能电容单元300的负极输入端连接，第二端还经所述第十六电阻R16、所述第十七电阻R17后接地；所述差分运算放电器U6反相输入端与所述第十五电阻R15和所述第二十电阻R20之间的连接节点连接，同相输入端与所述第十六电阻R16和所述第十七电阻R17之间的连接节点连接，输出端还经所述第二十一电阻R21后与所述控制单元700的第三控制端(AI)连接。

储能系统的内阻估算系统还包括第十九电阻R19，所述第十九电阻R19的一端与所述控制单元700的第四控制端(CTR)连接，另一端与所述直流-直流变换单元600的使能端连接。

要说明的是，控制单元700采用型号为DS12C88的微控制器U3，该微控制器U3的TRI管脚还通过第十电阻还接电池管理系统的信号触发端。并且，该微控制器U3的RXD管脚和TXD管脚通过通讯线束与电池管理系统通讯连接。

工作过程：

当储能系统需要估算储能电池的内阻值时，储能系统的电池管理系统通过通讯线向内阻估计系统发送指令，内阻估计系统则开始产生测试电流，微控制器U3的DO管脚输出高电平。由于此时储能电容矩阵内未存储能量，储能电容的电压低于储能电容的极限耐压值，比较器U4的反相输入端电位低于同相输入端的基准电压，比较器U4的输出端输出高电平。则与非门电路U2的输出为低电平，则第一光耦隔离器U1的发光二极管点亮，光感三极管导通，第一电阻R1与第二电阻R2产生分压，第一电阻R1上的电压使开关矩阵的MOS管导通开启，即此时储能电池组开始向储能电容矩阵放电，产生测试电流。

为了保证测试电流的产生与电池组的电芯电压采集的同步性，微控制器U3在开启开关矩阵的MOS管之前的一段时间t，在TRI管脚上输出一个触发电平，用于提前通知电池管理系统，内阻估计测试电流即将产生，请做好单体电芯电压快速采集的准备工作。当储能电容矩阵开始吸收储能电池的能量时，测量电流产生，可以通过差分运算放电器U6将此放电电流检出，并送至微控制器U3的数模转换管脚AI，微控制器U3将此模量量换算为真实电流值并进行数据记录。随着储能电容的能量存储，储能电容两端的电压值也在不断升高。

由于比较器U4同相输入端设置为与极限电压相对应的基准电压，比较器U4反相输入端设置为电容实际电压的分压，所以当储能电容电压即将达到极限电压值时，比较器U4的反相输入端电压大于同相输入端电压，所以比较器U4的输出由高电平变为低电平。一方面与非门电路U2的第二输入端(B)因比较器的输出而变为低电平，与非门电路U2输出由低电平变为高电平，则第一光电耦合器U1发光二极管不工作，第一光电耦合器U1的光感三极管处于非导通状态，则MOS管开关矩阵断开，储能电容矩阵停止吸收储能电池电能，储能电容电压停止上升，从而起到保护储能电容的作用；另一方面比较器U4的输出会输送至微控制器U3的DI管脚，用于告知微控制器U3储能电容以及到达极限电压，MOS管开关矩阵断开。

第二光电耦合器U5用于锁住比较器U4的输出，防止比较器U4的输出因储能电容的小幅波动或干扰而反复变化。当比较器U4输出低电平时，第二光电耦合器U5发光二极管点亮，光感三极管导通，比较器U4的同相输入端的基准电压被降低，反相输入端电压小幅波动也不会低于同相输入端的基准电压，所以比较器U4的输出就被锁定在低电平，只有当储能电容电压明显降低时，比较器U4的输出才回恢复至高电平。

当测试电流已经产生完毕，微控制器U3通过控制管脚CTR使能直流-直流转换单元启动，将储能电容矩阵内的电量送至电池组的正负极之间。

本实用新型为一种储能系统的内阻估算系统，设有电流采集单元，可以直接从单体电芯直接取电，在进行内阻估算时，从电厂组获取测试电流；并且，还设有储能电容单元，当测试完毕后，测试用的电能还能送回到电池组中，降低了侧内阻估算的能量损耗。本实用新型无需每节单体电芯都进行复杂的通讯线束的连接，降低了系统接线的复杂度，增加了储能系统测试内阻的可实施度，提高了系统的可靠性。

实施例2

请参阅图3，基于上述的储能系统的内阻估算系统，本实用新型还提供一种储能系统的内阻估算方法20，该方法包括以下步骤：

步骤一：电池管理系统向内阻估算系统发送内阻估计启动指令；

步骤二：内阻估算系统准备完毕，向电池管理系统发出即将开始产生测试电流的触发指令；

步骤三：电池管理系统收到触发指令开始进行单节电芯电压v的快速采集；

步骤四：内阻估算系统开启开关矩阵，向储能电容矩阵充电，测试电流i产生并被实时记录；

步骤五：当储能电容电压达到极限值或者内阻估算系统主动关闭开关矩阵，测试电流结束，内阻估算系统发送“测试电流产生完毕”指令给电池管理系统；

步骤六：电池管理系统停止单节电芯电压v的快速采集，恢复到正常的电压采集模式；

步骤七：内阻估算系统截取测试电流i的变化值Δi为实际可用数据，电池管理系统截取单体电芯电压v的变化值Δv为实际可用数据，则根据公式r＝Δv/Δi估计出电池组内单节电芯的直流内阻值；

步骤八：内阻估算完毕后，内阻估算系统的微控制器通过控制信号启动直流-直流转换器，将储能电容矩阵内的电能送回至电池组中。

一种储能系统的内阻估算方法，该方法先进行单节电芯的电压采集，然后再记录实时的测试电流，最后根据欧姆定律计算出内阻值。更为重要的是，在测试完毕后，还将储能电容中的电能送回到电池组中，从而减少了测试用的电能，降低了测内阻时的能量损耗，提高了储能系统的可靠性。

以上所述实施方式仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。