专利名称：储能系统的外接电池组式补电均衡系统及均衡方法
技术领域：
本发明涉及新能源发电领域，尤其涉及的是一种储能系统的外接电池组式补电均衡系统及均衡方法。
背景技术：
风能、太阳能、波浪能等新能源发电系统均具有波动性、不稳定等特点。采用大规模储能技术，可使不稳定的新能源电力的输出功率平滑可调，将不稳定的电能输入变为连续、安全可靠的电能输出，改善电网安全性和可靠性，提高新能源电力的使用率，减少波动性电能对电网的冲击，从而解决新能源电力并网难题。对于海岛、偏远地区等的独立离网新能源发电，同时是由于电力的不稳定性，需要大规模储能系统实现电力平滑及储存，以满足没有新能源出力的情况下电力的正常供应。影响电池单体、储能电池系统的重要外部因素是温度；内部因素是电池的内阻及模块内、模块间电池的一致性。大规模储能需要将多个单体电池串并联起来以获得较大的储能容量及较高功率输出，电池组的储能大小取决于最差一节电池的充放电特性。由于电池制造过程本身具有一定离散性，而且随着电池使用时间的增长，电池性能的相互差异更加突出，如果没有对电池进行均衡管理，随着充放电循环进行，单体电池间的不一致会造成欠充电、过充电和过放电，严重影响电池组的使用性能和寿命，并且会造成严重的安全隐
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)Qi、O现有的均衡技术，往往只在充电过程中应用电阻对电池组进行耗散型均衡。这种均衡方式不能在充放电过程进行动态均衡，均衡效果不够显著。并且耗散型电阻在均衡过程中会产生大量的热，降低了充放电效率，造成有效储存能量的巨大浪费；同时产生的大量热，还增加了热管理的负担。现有的非耗散型均衡方法主要包括开关电容均衡方法等，但是往往会存在电路复杂、均衡速度慢等问题。因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种储能系统的外接电池组式补电均衡系统及均衡方法， 旨在解决现有的耗散型电阻均衡方式在均衡过程中会产生大量的热，降低了充放电效率， 造成有效储存能量的巨大浪费；同时产生的大量热，还增加了热管理的负担，且系统电路复杂、均衡速度慢等问题。本发明的技术方案如下一种储能系统的外接电池组式补电均衡系统，其中，包括发电装置、电能合并系统、直流母线、第一充电模块、第一蓄电池组、第二充电模块、第二蓄电池组、DC/DC变换器、 继电器、均衡总线、并网逆变器和用户模块，所述发电装置连接至电能合并系统，所述电能合并系统通过直流母线连接至并网逆变器，所述并网逆变器连接用户模块；所述第一充电模块和第二充电模块均连接在直流母线上，所述第一充电模块连接第一蓄电池组，所述第二充电模块连接第二蓄电池组，所述第一蓄电池组依次连接DC/DC变换器和继电器，所述继电器通过均衡总线连接至第二蓄电池组，所述第一蓄电池组通过均衡总线对第二蓄电池组进行补电均衡。所述的储能系统的外接电池组式补电均衡系统，其中，所述第二蓄电池组包括多个单体电池，所有的单体电池被分为多个储能模块，所述储能模块包括均衡电源输入端、电能输出端和控制端，各储能模块的均衡电源输入端并联连接，各储能模块的电能输出端串联连接，所述控制端连接至储能控制单元。所述的储能系统的外接电池组式补电均衡系统，其中，每个储能模块包括至少两个串联连接的单体包，所述单体包包括一单体电池、一微处理器和一隔离模块，所述单体包上设置有正极点、负极点、LIN总线和均衡总线，所述单体电池的两极分别对应连接在正极点和负极点上以及微处理器上，所述均衡总线连接在微处理器上，所述LIN总线通过隔离模块连接在微处理器上，所述LIN总线连接在控制端上；所述均衡总线连接在均衡电源输入端上；所述正极点和负极点连接在电能输出端。所述的储能系统的外接电池组式补电均衡系统，其中，所述发电装置设置有多套， 且均连接至电能合并系统。一种储能系统的外接电池组式补电均衡方法，其中，所述微处理器采集储能模块内各单体电池的电压，并发送给储能控制单元，所述储能控制单元计算各储能模块内的单体电池的平均电压，当某一储能模块里的某一单体电池电压低于其所在储能模块内单体电池的平均电压，则单体包里的微控制器控制单体电池与均衡总线连接，单体电池吸收均衡总线上的电量，开始对该单体电池进行均衡；当该单体电池电压达到储能模块里单体电池的平均电压时，单体电池与均衡总线断开，结束该节单体电池的均衡，然后对另一节低电压的单体电池进行均衡处理。所述的储能系统的外接电池组式补电均衡方法，其中，若某一储能模块里的所有单体电池的电压都已经均衡，但是低于储能系统中各储能模块间的平均电压，则该储能模块的所有单体电池与均衡总线连接，吸收均衡总线上的电量，储能模块内的各单节电池都进行补电，直到该储能模块的电压达到储能单元模块的平均电压，结束储能系统的均衡。本发明的有益效果本发明通过提供一种外接蓄电池组式的补电均衡方案，其采用总线均衡方式，均衡电源输入端均接电池单元的电极上，随时可以对单节电池进行均衡， 只要有单体电池电压低，满足均衡条件，不论储能单元或模块处于充电、放电或放置状态， 均可立即均衡，实现有效的动态均衡，另外在均衡过程中不会产生大量的热量，提高了充放电效率。
图1是本发明提供的外接电池组式均衡系统的原理图；图2是本发明提供的储能单元结构示意图；图3是本发明提供的电池模块示意图；图4是本发明提供的单体包内部均衡使能示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。本发明提供一种储能系统的外接蓄电池组式均衡系统及其均衡方法，采用外接蓄电池组式补电均衡方法的均衡系统包括两套充电模块及一套补电用蓄电池组。通过增加一套小型充电模块及用作补电的蓄电池组对大的储能系统进行补电均衡，原理如图1所示。参见图1，所述外接蓄电池组式补电均衡系统包括发电装置、电能合并系统、直流母线、第一充电模块、第一蓄电池组、第二充电模块、第二蓄电池组、DC/DC变换器、继电器、 均衡总线、并网逆变器和用户模块。外接蓄电池组补电均衡系统则是通过增加一套第一充电模块及用作补电的第一蓄电池组，第一蓄电池组对大的储能系统即第二蓄电池组进行补电均衡。本发明中发电装置设置有多套，发电装置1、发电装置2、……、发电装置n(其中η 大于等于1)，所述发电装置均连接至电能合并系统，所述电能合并系统通过直流母线连接至并网逆变器，所述并网逆变器连接用户模块；所述第一充电模块和第二充电模块均连接在直流母线上，所述第一充电模块连接第一蓄电池组，所述第二充电模块连接第二蓄电池组，所述第一蓄电池组依次连接DC/DC变换器和继电器，所述继电器通过均衡总线连接至第二蓄电池组。所述第一蓄电池组为均衡源。本方案中的储能系统分为单体包、储能模块、储能单元(即蓄电池组)三个级别。 每个储能模块由8-10节电池单体串联构成，储能单元则由η个储能模块级联构成。如图4所示，所述单体包包括正极点、负极点、LIN总线。LIN总线用于模块控制板实现对单体进行分布式控制。单体包的内部结构示意图，每个单体包由一个单体电池、一个微处理器(MPU)和一个隔离模块形成。所述单体电池连接在微处理器上，所述均衡总线连接在微处理器上，所述LIN总线通过隔离模块连接在微处理器上。模块组成示意图如图3所示，包括恒流源、多节单体包、模块控制板。其中，恒流源从均衡电源获得电能，每个恒流源负责一个模块的均衡补电。模块控制板通过模块内处理器比较模块内单体电压高低，判断单节电池和均衡线的连接关系。模块控制板内处理器发出均衡使能，通过LIN总线和隔离模块后输入给微处理器MPU，微处理器MPU再控制单节电池和均衡总线的连接关系，接通进入均衡状态。为了提高均衡速度及效率，本均衡方案中将储能系统分成多个储能模块，如图2所示。所述储能系统包括均衡电源输入端、第一储能模块、第二储能模块、……、第η储能模块、储能控制单元，所述第一储能模块、第二储能模块、……、第η储能模块均并联在均衡电源输入端上，各储能模块的输出端之间串联连接。 所述储能控制单元的作用主要是通过内设处理器提取各单体电池的电压并计算储能单元的平均电压，并为can总线提供接口。储能控制单元在其他方面要实现的功能不在此描述。 所述储能控制单元通过can总线连接各储能模块，此时，各模块作为一个整体，模块内排列的第一节单体的正极作为模块的正极，最后一节单体的负极作为模块的负极。所述单体包中嵌入的微处理器中的电压采集系统采集储能模块内各单体电池的电压，并通过储能单元控制器内处理器计算储能单元单体电池的平均电压，其平均电压U 的计算公式为储能单元单体平均电压U =储能单元总电压/储能单元单体电池总数。模块内的处理器计算各模块单体的平均电压模块单体平均电压U'=储能模块电压/模块内单体电池数，此平均电压是进行模块内均衡的衡量依据。储能单元平均电压和模块平均电压是模块间均衡的依据。本发明的外接电池组式补电均衡方式有两套充电模块及蓄电池组。直流母线上的电力通过充电模块可分别给两组蓄电池充电。其中第一充电模块给第一蓄电池组充电，第一蓄电池组作为均衡源；第二充电模块给第二蓄电池组充电，主要起到调压、储能的作用。 起到均衡源的第一蓄电池组通过DC/DC变换器输出所需均衡电流。DC/DC变换器输出端与继电器连接，通过继电器控制电流的输出，当有单体电池需要均衡时继电器的动触点与静触点吸合，开始流过均衡电流。本发明提供的均衡的方法为当有电池需要均衡时，继电器的动触点与静触点吸合，将均衡电流通过均衡总线。先对模块内的各单体电池进行均衡，再对模块及模块间进行均衡。当某一模块里的某一单体电池电压低于该模块单体电池的平均电压，如Un < U' (η为正整数)，则开始对单体电池η进行均衡。此时，单体包里的微处理器(MPU)控制内部的电子开关，开关闭合，经过电子开关，单体电池吸收均衡总线上的电流，当该单体电池电压达到储能单元里单体电池的平均电压时，电子开关断开，结束该节单体电池的均衡，转移到另一节低电压的单体电池。若某一模块里的电压都已经均衡，但是该模块单体的平均电压低于整个储能单元的平均电压，则该模块的所有单体电池的电子开关均闭合，吸收均衡总线上的电流，模块内的各单节电池都进行补电，直到该模块的平均电压达到储能单元模块的平均电压，结束储能单元的均衡。本发明通过提供一种外接蓄电池组式的补电均衡方案，其采用总线均衡方式，均衡电源输入端均接电池单元的电极上，随时可以对单节电池进行均衡，只要有单体电池电压低，满足均衡条件，不论储能单元或模块处于充电、放电或放置状态，均可立即均衡，实现有效的动态均衡，另外在均衡过程中不会产生大量的热量，提高了充放电效率。应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种储能系统的外接电池组式补电均衡系统，其特征在于，包括发电装置、电能合并系统、直流母线、第一充电模块、第一蓄电池组、第二充电模块、第二蓄电池组、DC/DC变换器、继电器、均衡总线、并网逆变器和用户模块，所述发电装置连接至电能合并系统，所述电能合并系统通过直流母线连接至并网逆变器，所述并网逆变器连接用户模块；所述第一充电模块和第二充电模块均连接在直流母线上，所述第一充电模块连接第一蓄电池组，所述第二充电模块连接第二蓄电池组，所述第一蓄电池组依次连接DC/DC变换器和继电器，所述继电器通过均衡总线连接至第二蓄电池组，所述第一蓄电池组通过均衡总线对第二蓄电池组进行补电均衡。
2.根据权利要求1所述的储能系统的外接电池组式补电均衡系统，其特征在于，所述第二蓄电池组包括多个单体电池，所有的单体电池被分为多个储能模块，所述储能模块包括均衡电源输入端、电能输出端和控制端，各储能模块的均衡电源输入端并联连接，各储能模块的电能输出端串联连接，所述控制端连接至储能控制单元。
3.根据权利要求2所述的储能系统的外接电池组式补电均衡系统，其特征在于，每个储能模块包括至少两个串联连接的单体包，所述单体包包括一单体电池、一微处理器和一隔离模块，所述单体包上设置有正极点、负极点、LIN总线和均衡总线，所述单体电池的两极分别对应连接在正极点和负极点上以及微处理器上，所述均衡总线连接在微处理器上，所述LIN总线通过隔离模块连接在微处理器上，所述LIN总线连接在控制端上；所述均衡总线连接在均衡电源输入端上；所述正极点和负极点连接电能输出端。
4.根据权利要求1所述的储能系统的外接电池组式补电均衡系统，其特征在于，所述发电装置设置有多套，且均连接至电能合并系统。
5.一种储能系统的外接电池组式补电均衡方法，其特征在于，所述微处理器采集储能模块内各单体电池的电压，并发送给储能控制单元，所述储能控制单元计算各储能模块内的单体电池的平均电压，当某一储能模块里的某一单体电池电压低于其所在储能模块内单体电池的平均电压，则单体包里的微控制器控制单体电池与均衡总线连接，单体电池吸收均衡总线上的电流，开始对该单体电池进行均衡；当该单体电池电压达到储能模块里单体电池的平均电压时，单体电池与均衡总线断开，结束该节单体电池的均衡，然后对另一节低电压的单体电池进行均衡处理。
6.根据权利要求5所述的储能系统的外接电池组式补电均衡方法，其特征在于，若某一储能模块里的所有单体电池的电压都已经均衡，但是低于储能系统中各储能模块间的平均电压，则该储能模块的所有单体电池与均衡总线连接，吸收均衡总线上的电流，储能模块内的各单节电池都进行补电，直到该储能模块的电压达到储能单元模块的平均电压，结束储能系统的均衡。
全文摘要
本发明公开了一种储能系统的外接电池组式补电均衡系统及均衡方法，包括发电装置、电能合并系统、直流母线、第一充电模块、第一蓄电池组、第二充电模块、第二蓄电池组、DC/DC变换器、继电器、均衡总线，所述发电装置连接至电能合并系统，所述电能合并系统连接直流母线；所述第一充电模块和第二充电模块均连接在直流母线上，所述第一充电模块连接第一蓄电池组，所述第二充电模块连接第二蓄电池组，所述第一蓄电池组依次连接DC/DC变换器和继电器，所述继电器通过均衡总线连接至第二蓄电池组，所述第一蓄电池组通过均衡总线对第二蓄电池组进行补电均衡。采用本发明可实现有效的动态均衡，提高了充放电效率。
文档编号H02J7/00GK102231544SQ20111017764
公开日2011年11月2日 申请日期2011年6月28日 优先权日2011年6月28日
发明者冯自平, 吕杰, 宋文吉, 陈永珍, 韩颖 申请人:中国科学院广州能源研究所