一种集成PWM和变压器电路的电池储能系统及控制方法与流程

一种集成pwm和变压器电路的电池储能系统及控制方法
技术领域
1.本发明涉及电池储能技术领域，尤其涉及一种集成pwm和变压器电路的电池储能系统及控制方法。


背景技术：

2.电池储能(es)技术提供了广泛的功率和能量密度，使其适用于移动应用和固定批量存储应用。对电动汽车和电网的储能需求日益强烈推动了电池es的发展，同时电池技术成本也显著降低。在应用中，单个电池具有低电压和低电流容量，无法满足储能系统的应用需求，大多数es系统都有多个串并联模块，每个模块由多个串并联单元组成。通常，dc-dc变换器用于在电池模块和负载之间提供一个可控的电源接口。但是，在传统固定连接的es系统中，串联电池模块具有不同的属性和操作条件，即使在相同的电流作用下，电池模组的它们的荷电状态(soc)也会偏离。详细地，在放电过程中，如果电池单体在串连电池模组中放电至截止电压时，则整个电池模组将无法为负载提供能量；同样地，在充电过程中，如果串联电池模组中某一电池单体达到满充电压时，则整个电池模组不应再对电池模组进行充电；从而降低了电池模组及es系统的使用有效使用容量。为了充分利用电池es系统的容量，延长es使用寿命，需要一种基于模块模块充/放电和均衡控制的方法和系统。
3.为能够实现电池模组间soc均衡，需通过在模块之间引入额外的平衡电路来实现，或者为每个电池模块提供单独控制的dc-dc转换器，但是两种方法都需要大量的额外组件。为减少体积、重量和成本，实现轻量化、集成性的es设计实现，有研究提出集成或可重构转换器的电池系统应用，比如：一种基于双向dc/dc负载变换器的集成充电器，一种四轮驱动的dc-dc放电负载集成设计等。然而，上述拓扑电路设计采用两个不同转换器的集成，充电器与负载转换器或均衡器与负载转换器的集成，使用可重构电感实现升压变换器，在这种情况下，es的尺寸和体积很难实现轻量化。
4.中国专利文献cn105449740b公开了一种“储能锂电池主动均衡控制系统及控制方法”。包括电池系统、采样模块、控制模块和均衡模块，控制模块用于接收采样模块采集的电池系统的信息，得到电池系统最高单体电池电压与最低单体电池电压，算出每组电池的平均电压，得到分组电池中最高平均电压电池组与最低平均电压电池组之间的差值,最高单体电池电压与最低单体电池电压之间的差与预设值比较，并结合最高单体电池电压预设电压值，进行提前均衡或立即均衡或静止均衡，从而延长电池寿命。上述技术方案运用的双向反激dc-dc模块无法实现电池拓扑重构和电池储能系统冲放电、负载馈电等其他功能。


技术实现要素：

5.本发明主要解决原有的技术方案无法实现电池拓扑重构和电池储能系统冲放电、负载馈电的技术问题，提供一种集成pwm和变压器电路的电池储能系统及控制方法，通过自主重新配置，以在不同的工作模式下运行，从es系统放电满足负载需求、从备用电源放电满足负载需求、es系统内电池模块间充放电控制与均衡控制，该拓扑结构在不同的工作模式
中共享半导体器件和电感，使其结构紧凑，同时提供了冗余模式，以提高其可靠性，并将电池在充放电周期的压力降到最低。
6.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
7.一种集成pwm和变压器电路的电池储能系统，包括：
8.电池管理系统，用于分析电池状态和负载信息并下达指令，与集成可重构buck-boost转换与切换模块相连；
9.电池模块矩阵，用于进行电池储能，与电集成可重构buck-boost转换与切换模块相连；
10.集成可重构buck-boost转换与切换模块，通过微处理器控制mosfet做功率变换的储能变换，对应地实现储能系统不同的工作模式。
11.具有以下几大功能模块：
12.电池管理及控制系统：bms监控每个单元/模块的soc、电压、电流和温度，并向控制系统提供数据来管理整体性能。控制系统与bms协同控制平衡器、负载转换器和充电器。
13.电池均衡控制功能：在串联式电池系统中，模块内的电池可能没有相同的特性，最低容量电池限制了模块的充放电限制。为了提高电池模块的性能，采用模块间平衡转换器均衡模块]内所有电池的荷电状态(soc)。同样，为了提高整个电池系统的性能，通常在后台运行一个模组间均衡转换器，以确保所有模块都处于soc的同一级别。
14.负载转换功能：在大多数应用中，将电池es系统直接与负载相连接是不可行的。因此，在电池系统和负载之间放置一个转换器，以提供可变电压和电流。根据不同的应用，负载转换器可能包括再生能力。
15.充放电路：充电器用于从外部电源给电池系统充电。针对不同的应用和电池类型，有多种充电器的设计方案。
16.作为优选，所述的集成可重构buck-boost转换与切换模块与电池模块矩阵配合构成拓扑重构电路，所述拓扑重构电路包括依次相连的电池模块b1、电池模块b2、电池模块b3和电池模块b4，电池模块b1的正极与mos管s1的漏极相连，电池模块b1的负极与电池模块b2的正极相连，电池模块b2的正极与mos管s2的漏极、mos管s5的源极相连，电池模块b2的负极与电池模块b3的正极相连，电池模块b3的正极与mos管s3的漏极、mos管s6的源极相连，电池模块b3的负极与电池模块b4的正极相连，电池模块b4的正极与mos管s4的漏极、mos管s7的源极相连，电池模块b4的负极与二极管c2的负极相连，mos管s1、mos管s2、mos管s3、mos管s4、mos管s9的源极与二极管c2的正极相连，二极管c2的正极经过并联的负载r1和电容d1与线圈l一端相连，mos管s9的漏极与线圈l一端相连，线圈l的另一端分别与mos管s5、mos管s6、mos管s7、mos管s8的漏极相连，mos管s1的漏极分别与二极管c1正极、电源正极相连，电源负极与mos管s10漏极相连，mos管s10源极、二极管c1负极分别与线圈l的另一端相连。
17.在集成可重构buck-boost转换与切换模块中，该拓扑重构电路由电池模块、三极管开关器件mosfet和电感线圈组成。其中，三极管开关器件的输入端与电池管理系统相连，高电平(1)代表此三极管开关器件能够导通，低电平(0)表示此三极管开关器件断开；电感线圈l的作用是消除电池可重构电路在切换过程中产生的激变电流，对电池es系统和负载起到保护作用。
18.作为优选，所述的mos管s1、mos管s2、mos管s3、mos管s4、mos管s5、mos管s6、mos管
s7、mos管s8、mos管s9、mos管s10的栅极与电池管理系统的微处理器相连。
19.电池管理系统与集成可重构buck-boost转换切换模块和电池矩阵模块之间通过数据线相连接，电池运行状态信息和动态负载信息发送至电池管理系统微控制器模块，有微控制器在分析电池状态和负载信息的基础上做出电池充放电、负载馈电和soc均衡的控制指令。
20.电池模组的两端分别于两个mosfet的输入与输出端相连，通过微处理器控制mosfet做功率变换的储能变换，控制mosfet在一个开关频率内，电压导通的占空比进行的功率输出的整流，实现升/降压的充放电均衡补偿。除此之外，微处理器通过控制mosfet通/断能够对应地实现储能系统不同的工作模式，比如：soc均衡控制、外部电源对储能系统充电、电池es系统为负载供电以及预防储能es系统失效的外部电源直接供电的不间断电源模式(ups)。
21.一种集成pwm和变压器电路的电池储能系统的控制方法，包括以下步骤：
22.s1微处理器得到负载信息；
23.s2微处理器控制开关阵列得到相应的电池拓扑连接；
24.s3微处理器通过计算电池模组和负载电压之间的关系，求得在对电池模组进行pwm控制时的导通比d；
25.s4微处理器执行相应的电池拓扑连接控制指令，并进行pwm控制得到所需输出电压。
26.通过微处理器控制电池矩阵模块中的开关阵列，控制开关的导通从而控制电池连接拓扑的变化，通过对电池模块的导通比的控制从而实现对电池模组的输出电压的控制(其中,t为pwm控制的时间周期，t为电池模组与负载在一个周期t内的时间)，并最终实现电池储能系统与负载电压或者电池均衡充电电压的匹配。)具体的pwm控制方法为：v
out
＝d
×vmodule
,其中v
out
为加以pwm控制后电池模组的输出电压。
27.作为优选，所述的步骤s2定义其电池组成的多个电池单体为电池模组，电池模组的输出电压为v
module
，负载电压v
load
，电池模组电压大于负载电压，即：v
module
≥v
load
。
28.作为优选，所述的步骤s4包括均衡控制模式，使能量从高soc电池模块转移到低soc模块，具体包括：
29.单电池模组间能量均衡：开关s3和s7导通，从而提供能量转移的路径；先将s6导通，高soc电池模块b4将能量转移至电感l；断开s6，导通s4，能量将从电感l转移至模组b3；
30.单电池模组向多电池模组能量均衡：开关s3和s7总是导通，从而提供能量转移路径；先将开关s6导通，高soc模组b4将能量转移至电感l；断开s6，能量将由电感转移至模组b2和b3。
31.作为优选，所述的步骤s4包括外部电源充电模式，具体包括：拓扑结构和开关动作基于降压变换器的概念，转换器作为buck变换器工作，通过切换开关s10控制系统确定占空比，当开关s10导通时，电感开始充电；当开关s10断开时，整个电池组模块通过二极管d进行充电。
32.作为优选，所述的步骤s4包括电池es为负载供电模式，具体包括：
33.可重构电池es系统为负载供电时，由开关s7、电感器l提供boost升压操作，通过
s1-s6不同的可重构模式，根据pwm进行管理输入电压，通过开关s7的通/断控制导通占用比实现不同的电压输出；
34.当电池储能系统s1-s6失效时，存在一条自由路径，通过电感器释放能量从而避免了对电路的损伤，自由旋转路径用于将电感能量返回到所有电池模块。
35.作为优选，所述的步骤s4包括外部电源为负载供电模式，外部电源为负载供电，即不间断电源模式，当电池es系统失效，外部电源开始工作，并为负载提供馈电，这种工作模式在不中断负载的情况下更改或维护电池系统，具体包括：
36.当开关s1导通，而开关s7断开，此时的重构拓扑组成buck降压电路为负载供电，开关s8的通断控制导通占用比，实现不同的电压输出并与负载电压需求相匹配；
37.当保持开关s1和s7导通，此时重构电路拓扑组成boost升压电路为负载供电，同样地，开关s8的通断控制导通占用比，实现不同的电压输出并与负载电压需求相匹配。
38.本发明的有益效果是：通过自主重新配置，以在不同的工作模式下运行:从es系统放电满足负载需求、从备用电源放电满足负载需求、es系统内电池模块间充放电控制与均衡控制，该拓扑结构在不同的工作模式中共享半导体器件和电感，使其结构紧凑，同时提供了冗余模式，以提高其可靠性，并将电池在充放电周期的压力降到最低。
附图说明
39.图1是本发明的一种集成pwm和buck/boost电路的电池储能系统图。
40.图2是本发明的一种拓扑重构电路图。
41.图3是本发明的一种流程图。
42.图4是本发明的一种单电池模组间soc均衡控制拓扑连接图。
43.图5是本发明的一种单电池模组与多电池模组间soc均衡控制拓扑连接图。
44.图6是本发明的一种外部电源充电模式图。
45.图7是本发明的一种boost转换电路，开关与控制系统确定的占空比进行切换图。
46.图8是本发明的一种电池模块与电感之间电流自由运动路径图。
47.图9是本发明的一种外部电源为负载馈电buck电路图。
48.图10是本发明的一种外部电源为负载馈电boost电路图。
具体实施方式
49.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
50.实施例：本实施例的一种集成pwm和变压器电路的电池储能系统及控制方法，如图1、图2所示，集成化电池es系统的主要物理组件包括：电池管理系统、电池模块矩阵、集成化buck-boost转换与切换模块，该转换器在电池模块和负载间提供一个可控的电源接口。电池管理系统与集成可重构buck-boost转换切换模块和电池矩阵模块之间通过数据线相连接，电池运行状态信息和动态负载信息发送至电池管理系统微控制器模块，有微控制器在分析电池状态和负载信息的基础上做出电池充放电、负载馈电和soc均衡的控制指令。
51.电池模组的两端分别于两个mosfet的输入与输出端相连，通过微处理器控制mosfet做功率变换的储能变换，控制mosfet在一个开关频率内，电压导通的占空比进行的功率输出的整流，实现升/降压的充放电均衡补偿。除此之外，微处理器通过控制mosfet通/
断能够对应地实现储能系统不同的工作模式，比如：soc均衡控制、外部电源对储能系统充电、电池es系统为负载供电以及预防储能es系统失效的外部电源直接供电的不间断电源模式(ups)。
52.在集成可重构buck-boost转换与切换模块中，该拓扑重构电路由电池模块、三极管开关器件mosfet和电感线圈组成。其中，三极管开关器件的输入端与电池管理系统相连，高电平(1)代表此三极管开关器件能够导通，低电平(0)表示此三极管开关器件断开；电感线圈l的作用是消除电池可重构电路在切换过程中产生的激变电流，对电池es系统和负载起到保护作用。
53.集成可重构buck-boost转换与切换模块与电池模块矩阵配合构成拓扑重构电路，所述拓扑重构电路包括依次相连的电池模块b1、电池模块b2、电池模块b3和电池模块b4，电池模块b1的正极与mos管s1的漏极相连，电池模块b1的负极与电池模块b2的正极相连，电池模块b2的正极与mos管s2的漏极、mos管s5的源极相连，电池模块b2的负极与电池模块b3的正极相连，电池模块b3的正极与mos管s3的漏极、mos管s6的源极相连，电池模块b3的负极与电池模块b4的正极相连，电池模块b4的正极与mos管s4的漏极、mos管s7的源极相连，电池模块b4的负极与二极管c2的负极相连，mos管s1、mos管s2、mos管s3、mos管s4、mos管s9的源极与二极管c2的正极相连，二极管c2的正极经过并联的负载r1和电容d1与线圈l一端相连，mos管s9的漏极与线圈l一端相连，线圈l的另一端分别与mos管s5、mos管s6、mos管s7、mos管s8的漏极相连，mos管s1的漏极分别与二极管c1正极、电源正极相连，电源负极与mos管s10漏极相连，mos管s10源极、二极管c1负极分别与线圈l的另一端相连。
54.变换器的主要优点是可以在不同的工作模式下进行重新配置:从电池系统提供负载、从备用电源提供负载、模块内平衡模式和充电模式。与传统系统不同的是，该拓扑结构在不同的工作模式中共享半导体器件和电感，使其结构紧凑。提出的变换器具有冗余模态和备份模态，提高了变换器的可靠性。此外，提出的拓扑结构最大限度地减少了电池在充放电周期的压力。
55.本发明具有以下几大功能模块：
56.电池管理及控制系统：bms监控每个单元/模块的soc、电压、电流和温度，并向控制系统提供数据来管理整体性能。控制系统与bms协同控制平衡器、负载转换器和充电器。
57.电池均衡控制功能：在串联式电池系统中，模块内的电池可能没有相同的特性，最低容量电池限制了模块的充放电限制。为了提高电池模块的性能，采用模块间平衡转换器均衡模块内所有电池的荷电状态(soc)。同样，为了提高整个电池系统的性能，通常在后台运行一个模组间均衡转换器，以确保所有模块都处于soc的同一级别。
58.负载转换功能：在大多数应用中，将电池es系统直接与负载相连接是不可行的。因此，在电池系统和负载之间放置一个转换器，以提供可变电压和电流。根据不同的应用，负载转换器可能包括再生能力。
59.充放电路：充电器用于从外部电源给电池系统充电。针对不同的应用和电池类型，有多种充电器的设计方案。
60.工作流程说明：
61.通过微处理器控制电池矩阵模块中的开关阵列，控制开关的导通从而控制电池连
接拓扑的变化，通过对电池模块的导通比的控制从而实现对电池模组的输出电压的控制(其中,t为pwm控制的时间周期，t为电池模组与负载在一个周期t内的时间)，并最终实现电池储能系统与负载电压或者电池均衡充电电压的匹配。)
62.具体的pwm控制方法为：v
out
＝d
×vmodule
,其中v
out
为加以pwm控制后电池模组的输出电压。
63.具体步骤为：
64.第一步：微处理器得到负载信息，主要包括负载电压v
load
；
65.第二步：微处理器控制开关阵列得到相应的电池拓扑连接，定义其电池组成的多个电池单体为电池模组，电池模组的输出电压为v
module
。一般的，电池模组电压大于负载电压，即：v
module
≥v
load
；
66.第三步：微处理器通过计算电池模组和负载电压之间的关系，求得在对电池模组进行pwm控制时的导通比d，具体做法为
67.第四步：微处理器执行相应的电池拓扑连接控制指令，并进行pwm控制得到所需输出电压。
68.该可重构电池储能系统通过控制可重构电池模组在ms级周期内的通断，实现电压控制，并与可重构电池模组的方式进行电池模组选择，从而避免了单一电池模组长期作为电源输出对电池单体的损坏。以下部分将介绍可重构电池储能系统的pwm电压控制与可重构电池模组选择。
69.在本发明中，可以通过选择性地连接不同的电池模块，并通过控制器控制mosfet做功率变换的储能变换，通过升压方式补偿升压补偿不平衡实现电池系统电压整流，从而可以增加储能系统的工作范围，并且可以表现出buck-boost特性。这在一些应用中是需要的，例如电力驱动和电动汽车。为了能够有选择地连接电池系统的不同电池模块并获得可变从而输入电压，本发明通过可重构开关电路选择使用不同的电池模块。
70.上述描述了所提出的集成可重构拓扑的完整配置。为了简单起见，只考虑一个三模块系统。同样的概念也适用于数量更多的模块，即，高压电池系统。整个转换器由电池模块选择器、升压转换器、模式选择器、再生开关和充电器/备用开关组成。模式选择器支持以下不同模式之间的重新配置和切换:从外部电源提供负载、平衡、充电和备份变换拓扑，实行不同的控制：
71.均衡控制模式
72.在均衡控制模式中，使能量从高soc电池模块转移到低soc模块，即实现模组间均衡，所提出的拓扑结构具有从一个模块到另一个模块的能量转移的能力(平衡)。
73.单电池模组间能量均衡：开关s3和s7总是导通，从而提供能量转移的路径；先将s6导通，高soc电池模块b4将能量转移至电感l；断开s6，导通s4，能量将从电感l转移至模组b3。如图4所示。
74.单电池模组向多电池模组能量均衡：开关s3和s7总是导通，从而提供能量转移路径；先将开关s6导通，高soc模组b4将能量转移至电感l；断开s6，能量将由电感转移至模组b2和b3。如图5所示。
75.以上两种均衡控制模式同样适用于其他电池模组。
76.外部电源充电模式
77.如图6所示，从外部电源模式充电:这种模式下的拓扑结构和开关动作都是基于降压变换器的概念，转换器作为buck变换器工作，通过切换开关s10控制系统确定占空比。当开关s10导通时，电感开始充电；当开关s10断开时，整个电池组模块通过二极管d进行充电。
78.电池es为负载供电模式
79.可重构电池es系统为负载供电时，由开关s7、电感器l提供boost升压操作，通过s1-s6不同的可重构模式，可以根据pwm进行管理输入电压，通过开关s7的通/断控制导通占用比实现不同的电压输出，如图7所示。
80.当电池储能系统s1-s6失效时，总是存在一条自由路径，通过电感器释放能量从而避免了对电路的损伤，自由旋转路径也可用于将电感能量返回到所有电池模块，如图8所示。
81.外部电源为负载供电模式(ups)
82.外部电源为负载供电，即不间断电源模式(ups)，当电池es系统失效，外部电源开始工作，并为负载提供馈电，这种工作模式在不中断负载的情况下更改或维护电池系统。当开关s1导通，而开关s7断开，此时的重构拓扑组成buck降压电路为负载供电，开关s8的通断控制导通占用比，实现不同的电压输出并与负载电压需求相匹配，电路结构入图9所示；当保持开关s1和s7导通，此时重构电路拓扑组成boost升压电路为负载供电，同样地，开关s8的通断控制导通占用比，实现不同的电压输出并与负载电压需求相匹配，电路结构如图10所示。