用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置与方法与流程

本发明涉及储能，尤其涉及用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置。

背景技术：

1、目前配电自动化终端后备电源为铅酸电池，电源管理模块也是为铅酸电池设计；随着锂电池的全寿命成本快速下降，度电存储成本已低于铅酸电池，而锂电池的高功率密度、大放电倍率的优点推动锂电池成为配电自动化终端后备电源电池的最优选择。

2、现有的存量配电自动化终端的电源管理模块是内置的，铅酸电池是外置的，通过带有航插的电缆与配电自动化终端相连，单独更换电池更加便捷、综合成本低。

3、然而由于存量配电自动化终端内置的电源管理模块是根据铅酸电池特性设计的，充放电电压范围、电池健康管理方式不适合锂电池，如若要更换内置电源管理模块，则需拆解自动化终端，存量配电自动化终端数量庞大，更换的综合成本高昂，而如果直接更换锂电池则会造成终端使用后备电源中突然断电等问题。

4、因此，需要设计一种用于配电自动化终端后备电源锂离子电池替代传统铅酸电池的电力变换装置，使得接入锂电池的电力变换装置外特性表现为铅酸电池，同时具备电芯电压被动均衡、容量估计和保护断电等功能。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，使用锂电池和本发明提出的电力变换装置模拟铅酸电池外特性，在不更换存量配电自动化终端内置电源管理模块的基础上，使用锂电池和本发明提出的电力变换装置模直接替换外置铅酸电池，且不影响配电自动化终端后备电源。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，该装置具有电源端口、电池端口一和电池端口二；

3、所述电池端口一和所述电池端口二均与所述电源端口之间构成一个独立的非隔离双向半桥buck-boost电路，所述电池端口一和所述电池端口二之间构成一个非隔离双向h型buck-boost电路；

4、其中，所述非隔离双向半桥buck-boost电路包括：

5、与电池正极端子连接的上桥臂开关管；

6、与电池负极端子连接的下桥臂开关管；

7、以及并联在所述下桥臂开关管上的反并联二极管；

8、以及设置在所述上桥臂开关管和所述下桥臂开关管之间的变流模组，所述变流模组内设置多个储能电感，且所述储能电感串联有继电器并与所述电源端口的正极端子连接。

9、进一步地，多个所述储能电感采用多路并联的方式，且在输出端串联有所述继电器。

10、进一步地，所述电源端口在对所述电池端口一和所述电池端口二充电或者放电时，所述电池端口一和所述电池端口二每个周期都交替进行充电或者放电。

11、进一步地，所述储能电感运行状态分为充电、放电和断流3种状态，在电感断流状态下，采集电池端口电压用做开路电压。

12、进一步地，在电池充电过程中，所述储能电感放电状态下导通所述上桥臂开关管，而在电池放电过程中，所述储能电感放电状态下不得导通所述下桥臂开关管。

13、进一步地，所述上桥臂开关管和所述下桥臂开关管采用mosfet或igbt。

14、进一步地，所述电源端口对所述电池端口一和所述电池端口二的充、放电控制采用双闭环控制，且外环控制目标为输出电压，内环控制目标为输出电流。

15、进一步地，所述上桥臂开关管和所述下桥臂开关管采用变周期控制器，控制周为电感充电时间、电感放电时间和电感断流时间之和，使得任何工况下电力变换器均有电感断流状态。

16、进一步地，所述上桥臂开关管的最大平均电流i1参考系统最大放电电流i2选取。

17、进一步地，所述下桥臂开关管的最大平均电流i3参考系统的最大充电电流i4选取。

18、进一步地，所述反并联二极管的最大平均电流i5参考电池最大放电电流i2选取。

19、进一步地，所述储能电感和所述继电器的最大平均电流i6参考电池最大放电电流i2选取。

20、进一步地，在所述电源端口对单一电池端口进行充、放电时，上桥臂开关器件平均电流不低于电池平均放电电流，下桥臂开关器件平均电流不低于电池的平均充电电流，下桥臂开关器件的反并联二极管平均电流不低于电池平均放电电流。

21、进一步地，基于锂电池bms估算的荷电状态估算对应的铅酸电池开路电压，基于输出的平均电流和模拟铅酸电池的内阻计算输出电压，并将电压值用做电力变换装置的电压控制目标。

22、进一步地，在电池处于充电模式，变流模组仅有1组运行，且仅需1组储能电感运行；

23、当一组电池充电至soc达到1后，再对另一组电池进行充电，直到两组电池soc均达到1，且soc较高的电池优先充电。

24、进一步地，在电池处于放电模式下，变流模组仅有1组运行，需要多组储能电感配合运行；

25、当需求的放电电流i10大于最大平均电流i6时，需多根电感运行，当需求放电电流i10小于最大平均电流i6时，仅需运行1只储能电感；

26、当一组电池放电至soc达到0后，再对另一组进行放电，直到两组电池soc均达到0，且soc较高的电池优先放电。

27、进一步地，在设定的周期内对电池进行活化以校准电池soc时，电力变换装置对1个电池进行充放电的同时对另1个电池进行相反的充放电控制。

28、本发明还提供了一种用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换方法，包括以下步骤：

29、s10、当电池处于充电模式下，装置始终保持单侧运行，即#1和#2变流模组仅有1组运行，对#1电池或#2电池进行充电；

30、闭合继电器，同时导通下桥臂开关管，电感进行小电流充；当充电电流i7达到设定的最大充电电流限值i8后，关断下桥臂开关管，储能电感续流通过上桥臂开关管的寄生二极管流入#1电池，储能电感放电的同时为#1电池充电；

31、s20、当电池处于放电模式下，装置始终保持单侧运行，即#1和#2变流模组仅有1组运行，对#1或#2进行放电；

32、根据放电电流计算运行的储能电感数量n1，闭合n1个继电器，同时导通上桥臂开关管，n2根储能电感进行充电，同时电池对101和102端口间负载放电；当多只储能电感的总放电电流i11达到设定的多只储能电感的总最大放电电流限值i12后，关断上桥臂开关管，电感续流通过下桥臂开关管的寄生二极管及其反并联二极管流入101和102端口间负载，对负载进行放电。

33、本发明的有益效果为：本发明的电力变换装置可以用于配电自动化终端，并使用锂电池作为电源，能够模拟铅酸电池外特性，并在不更换存量配电自动化终端内置电源管理模块的基础上，直接替换外置铅酸电池，且不影响配电自动化终端后备电源，而电力变换装置采用半桥buck-boost电路和h型buck-boost电路，通过控制开关管的开关动作，可以实现电能的变换和调节，可以有效地提高能量转换的效率，减少能量损耗。

技术特征：

1.用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，该装置具有电源端口、电池端口一和电池端口二；

2.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，多个所述储能电感采用多路并联的方式。

3.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，所述电源端口在对所述电池端口一和所述电池端口二充电或者放电时，所述电池端口一和所述电池端口二每个周期都交替进行充电或者放电。

4.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，所述储能电感运行状态分为充电、放电和断流3种状态，在电感断流状态下，采集电池端口电压用做开路电压。

5.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，在电池充电过程中，所述储能电感放电状态下导通所述上桥臂开关管，而在电池放电过程中，所述储能电感放电状态下不得导通所述下桥臂开关管。

6.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，所述上桥臂开关管和所述下桥臂开关管采用mosfet或igbt。

7.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，所述电源端口对所述电池端口一和所述电池端口二的充、放电控制采用双闭环控制，且外环控制目标为输出电压，内环控制目标为输出电流。

8.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，所述上桥臂开关管和所述下桥臂开关管采用变周期控制器，控制周期为电感充电时间、电感放电时间和电感断流时间之和，使得任何工况下电力变换器均有电感断流状态。

9.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，所述上桥臂开关管的最大平均电流i1参考系统最大放电电流i2选取。

10.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，所述下桥臂开关管的最大平均电流i3参考系统的最大充电电流i4选取。

11.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，所述反并联二极管的最大平均电流i5参考电池最大放电电流i2选取。

12.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，所述储能电感和所述继电器的最大平均电流i6参考电池最大放电电流i2选取。

13.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，在所述电源端口对单一电池端口进行充、放电时，上桥臂开关器件平均电流不低于电池平均放电电流，下桥臂开关器件平均电流不低于电池的平均充电电流，下桥臂开关器件的反并联二极管平均电流不低于电池平均放电电流。

14.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，基于锂电池bms估算的荷电状态估算对应的铅酸电池开路电压，基于输出的平均电流和模拟铅酸电池的内阻计算输出电压，并将电压值用做电力变换装置的电压控制目标。

15.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，在电池处于充电模式，变流模组仅有1组运行，且仅需1组储能电感运行；

16.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，在电池处于放电模式下，变流模组仅有1组运行，需要多组储能电感配合运行；

17.根据权利要求1所述的用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，其特征在于，在设定的周期内对电池进行活化以校准电池soc时，电力变换装置对1个电池进行充放电的同时对另1个电池进行相反的充放电控制。

18.一种用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及储能技术领域，尤其涉及用于配电自动化终端的锂电池替代铅酸的电力变换装置，该装置具有电源端口、电池端口一和电池端口二；电池端口一和电池端口二均与电源端口之间构成一个独立的非隔离双向半桥电路，电池端口一和电池端口二之间构成一个非隔离双向H型电路；非隔离双向半桥电路包括：上桥臂开关管、下桥臂开关管、反并联二极管和变流模组，变流模组内设置多个储能电感，且储能电感串联有继电器，采用半桥电路和H型电路，在不更换存量配电自动化终端内置电源管理模块的基础上，直接替换外置铅酸电池，而不影响配电自动化终端后备电源，并通过控制开关管实现电能的变换和调节，提高了能量转换的效率，减少了能量损耗。

技术研发人员：孙天奎,庄舒仪,朱卫平
受保护的技术使用者：国网江苏省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19