组件均衡电路、组串均衡电路、双均衡电路及方法与流程

本发明涉及储能技术领域，更具体地说，涉及组件均衡电路、组串均衡电路、双均衡电路及方法。

背景技术：

常见的电储能器件有二次电池、传统电容器、超级电容器等。将一个或多个电储能器件单体并联作为储能组件，储能组件串联扩容形成储能组串，储能组串还可以进一步并联扩容形成储能阵列。由于受生产工艺、使用环境等因素的影响，各储能组件的电压、内阻、可用容量等参数可能存在不一致性，而根据“木桶短板效应”，一串储能组串的可用容量是由可用容量最小的那个储能组件所决定，储能阵列的可用容量是由可用容量最小的那串储能组串所决定，为了提高储能组串的可用容量，需要通过外部干预使本储能组串中各储能组件的可用容量趋于一致，为了提高储能阵列的可用容量，需要通过外部干预使同一储能组串中各储能组件的可用容量趋于一致和/或使各储能组串的可用容量变化速率趋于一致。

储能组串和储能阵列统称为储能系统，提高储能系统的可用容量，对于推动电力行业健康绿色发展、降低储能系统成本、推动储能系统商业化以及节能环保等都具有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了组件均衡电路、组串均衡电路、双均衡电路及方法，以提高储能系统的可用容量。

一种组件均衡电路，应用于储能组串，本储能组串独立存在或与其他储能组串并联扩容形成储能阵列，本储能组串由多个储能组件串联组成；

所述组件均衡电路的主电路包括：

对应每个储能组件分别设置的两个二极管，其中：一个二极管的阴极接本储能组件的正极、阳极接直流电源的正极，另一个二极管的阳极接本储能组件的负极、阴极接所述直流电源的负极；

以及对应每个储能组件分别设置的可控开关，其中：所述可控开关用于接通或分断所述直流电源对本储能组件的充电电流；

所述组件均衡电路的控制电路，用于控制可用容量低于第一阈值的储能组件所对应的可控开关闭合，其他储能组件对应的可控开关断开。

可选的，所述控制电路根据储能组件的健康状况soh和荷电状态soc参数计算本储能组件的可用容量大小；或者所述控制电路用储能组件的端电压衡量本储能组件的可用容量大小。

可选的，所述直流电源是所述组件均衡电路中专门设置的直流电源，或者所述直流电源是现场已有的直流电源。

可选的，本储能组串中的所有储能组件连接到同一直流电源上；

或者，将本储能组串中的储能组件分为多组，每组包含多个顺次串联的储能组件，同一组的储能组件连接到同一直流电源上，不同组的储能组件连接到不同的直流电源上。

可选的，所述组件均衡电路的主电路还包括：在每个二极管上分别串联的熔丝。

一种组串均衡电路，应用于储能阵列，所述组串均衡电路的主电路包括：与所述储能阵列中的每串储能组串一一对应设置的、如上述公开的任一种组件均衡电路的主电路；

所述组串均衡电路的控制电路，用于实时判断所述储能阵列的主充放电回路是处于充电还是放电过程中；在所述储能阵列的主充放电回路处于充电过程中时，控制可用容量变化率低于第二阈值的储能组串所对应的可控开关闭合，其他储能组串所对应的可控开关断开；在所述储能阵列的主充放电回路处于放电过程中时，控制可用容量变化率高于第三阈值的储能组串所对应的可控开关闭合，其他储能组串所对应的可控开关断开。

一种双均衡电路，应用于储能阵列，所述双均衡电路的主电路包括：与所述储能阵列中的每串储能组串一一对应设置的、如上述公开的任一种组件均衡电路的主电路；

所述双均衡电路的控制电路包括：如上述公开的组串均衡电路的控制电路，以及与每串储能组串一一对应设置的、如上述公开的任一种组件均衡电路的控制电路；其中，组串均衡电路的控制电路的作业程序优先级高于各组件均衡电路的控制电路。

一种组件均衡方法，应用于对应储能组串设置的组件均衡电路，本储能组串独立存在或与其他储能组串并联扩容形成储能阵列，本储能组串由多个储能组件串联组成，所述组件均衡电路的主电路包括：

对应每个储能组件分别设置的两个二极管，其中：一个二极管的阴极接本储能组件的正极、阳极接直流电源的正极，另一个二极管的阳极接本储能组件的负极、阴极接所述直流电源的负极；

以及对应每个储能组件分别设置的可控开关，用于接通或分断所述直流电源对本储能组件的充电电流；

所述组件均衡方法包括：

分别判断本储能组串中各储能组件的可用容量是否低于第一阈值；

控制可用容量低于第一阈值的储能组件所对应的可控开关闭合，其他储能组件对应的可控开关断开。

一种组串均衡方法，应用于对应储能阵列设置的组串均衡电路，所述组串均衡电路的主电路包括：与所述储能阵列中的每串储能组串一一对应设置的、如上述公开的任一种组件均衡电路的主电路；

所述组串均衡方法，包括：

实时判断所述储能阵列的主充放电回路是处于充电还是放电过程中；

在所述储能阵列的主充放电回路处于充电过程中时，控制可用容量变化率低于第二阈值的储能组串所对应的可控开关闭合，其他储能组串所对应的可控开关断开；在所述储能阵列的主充放电回路处于放电过程中时，控制可用容量变化率高于第三阈值的储能组串所对应的可控开关闭合，其他储能组串所对应的可控开关断开。

一种双均衡方法，应用于对应储能阵列设置的双均衡电路，所述双均衡电路的主电路包括：与每串储能组串一一对应设置的、如上述公开的任一种组件均衡电路的主电路；

所述双均衡方法，包括：如上述公开的组串均衡方法，以及如上述公开的组件均衡方法；其中，所述组串均衡方法的优先级高于所述组件均衡方法。

从上述的技术方案可以看出，本发明通过对个别储能组件进行充电来实现同一储能组串中各储能组件的可用容量均衡和/或各储能组串的可用容量变化速率均衡，提高了储能系统的可用容量。而且，本发明在每个储能组件两侧都串接了二极管，在均衡过程中，当同时有多个储能组件所对应的可控开关闭合时，二极管的存在能够避免短路，保护电路不受损坏，使均衡过程得以正常进行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例公开的一种组件均衡电路结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种直流电源结构是示意图；

图3为本发明实施例公开的又一种组件均衡电路结构示意图；

图4为本发明实施例公开的一种组串均衡电路结构示意图；

图5为本发明实施例公开的一种组件均衡方法流程图；

图6为本发明实施例公开的一种组串均衡方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

参见图1，本发明实施例公开了一种组件均衡电路，所述组件均衡电路应用于储能组串，本储能组串独立存在或与其他储能组串并联扩容形成储能阵列。本储能组串是由储能组件e1、储能组件e2、储能组件e3、…、储能组件en顺次串联组成，n≥2；其中，储能组件ei(i＝1、2、…、n，1≤i≤n)可以是一个电储能器件单体，也可以是多个电储能器件单体的并联组合。

所述组件均衡电路的基本作用是使本储能组串中各储能组件的可用容量趋于一致，实现组件级别的可用容量均衡。这里需要说明的是，所谓组件级别的可用容量均衡，并不是要求本储能组串中各储能组件的可用容量达到完全一致，而是只需要本储能组串中各储能组件间的可用容量偏差保持在预期范围内即可。

所述组件均衡电路包括主电路和控制电路，其主电路具体包括两部分组成部件，分别是：2n个二极管、以及对应每个储能组件分别设置的可控开关。下面对这两部分组成部件以及所述控制电路(图1中未示出)的结构功能详述如下：

1)2n个二极管

在所述2n个二极管中，每两个二极管各对应一个储能组件，一个二极管的阴极接本储能组件的正极、阳极接直流电源的正极，另一个二极管的阳极接本储能组件的负极、阴极接所述直流电源的负极。图1中将接在储能组件ei正极的二极管标识为二极管di+，将接在储能组件ei负极的二极管标识为二极管di-。

2)对应每个储能组件分别设置的可控开关

储能组件对应的可控开关，用于接通或分断所述直流电源对本储能组件的充电电流。

具体的，本发明实施例让每个储能组件各对应一或两个可控开关；当每个储能组件各对应两个可控开关时，一个可控开关与本储能组件正极的二极管串联，另一可控开关与本储能组件负极的二极管串联；当每个储能组件各对应一个可控开关，该可控开关与本储能组件正极或负极的二极管串联；图1中仅以每个储能组件各对应两个可控开关作为示例。

可选的，所述可控开关可采用机械开关或开关管，并不局限。其中，所述机械开关例如可以是继电器，所述开关管例如可以是mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)。

3)控制电路

所述控制电路用于控制本储能组串中可用容量低于第一阈值的储能组件所对应的可控开关闭合，本储能组串中其他储能组件所对应的可控开关断开。当本储能组串中各储能组件的可用容量均不低于第一阈值时，本储能组串中各储能组件对应的可控开关全部处于断开状态。

其中，所述控制电路可以根据储能组件的soh(stateofhealth，健康状况)和soc(stateofcharge，荷电状态)参数计算出本储能组件的可用容量大小；或者，所述控制电路也可以用储能组件的端电压衡量本储能组件的可用容量大小。

本发明实施例中，个别储能组件的可用容量低于第一阈值，意味着所述个别储能组件的可用容量偏低，未能达到与其他储能组件的可用容量接近一致的水平，有待提高。所述控制电路通过将所述个别储能组件所对应的可控开关闭合，其他可控开关保持断开，使得所述个别储能组件并联接入所述直流电源，由所述直流电源为其充电，其中可用容量越小的储能组件获得的充电电流越大，可用容量提升就越快，趋于同时达到与其他储能组件的可用容量均衡一致。当同时有多个储能组件所对应的可控开关闭合时，各二极管的存在能够避免短路，举例说明：假设储能组件e1和储能组件e3的可用容量低于第一阈值，储能组件e1和储能组件e3所对应的可控闭合，若不设二极管，则此时储能组件e1的正极将直通储能组件e2的负极、形成短路电流，而设置二极管后，二极管d1+反向截止所以能够防止出现短路电流。

综上所述，本发明实施例公开的组件均衡电路在检测到若干个储能组件的可用容量偏低时，将这些储能组件所对应的可控开关闭合，此时这些储能组件并联在直流电源上获得充电，其中可用容量越小的储能组件获得的充电电流越大，可用容量提升就越快，趋于同时达到与其他储能组件的可用容量均衡一致。而且，当同时有多个储能组件所对应的可控开关闭合时，二极管的存在能够避免短路，保护电路不受损坏。

对于独立存在的储能组串而言，组件均衡电路的应用能够使本储能组串中各储能组件的可用容量趋于一致，实现本储能组串可用容量的最大化。对于储能阵列而言，通过为其中每一串储能组串分别配置一个组件均衡电路，能够使得该储能阵列中同一储能组串中各储能组件的可用容量趋于一致，在一定程度上提高了该储能阵列的可用容量。

储能组串本身具有主充放电回路，所述主充放电回路与所述组件级均衡电路是相互独立的，所述组件级均衡电路可以在所述主充放电回路处于充电过程、放电过程或静置过程中时控制本储能组串中可用容量低于第一阈值的储能组件所对应的可控开关闭合，本储能组串中其他储能组件所对应的可控开关断开。

可选的，为实现双重短路保护，还可以在每个二极管上分别串联一个熔丝，以避免二极管短路保护失效时造成储能组件损坏。

可选的，在上述公开的任一实施例中，所述直流电源可以是为所述组件级均衡电路专门设置的直流电源，也可以是现场已有的直流电源。比如说，储能组串或储能阵列中除包括电芯部分外，还有管理控制系统、热管理系统等必需部件，而管理控制系统、热管理系统本身也是需要直流电源提供能量的，所以所述组件均衡电路可以直接与其共用一个直流电源。

可选的，在上述公开的任一实施例中，所述直流电源的内部构造例如可以包括dc/dc模块，所述dc/dc模块输出侧并联有直流母线电容，如图2所示，外供电电源的输出电压uin经dc/dc降压模块转变为稳定的低压直流电。所述dc/dc降压模块可以工作于恒流模式也可以工作于恒压模式工作，并不局限。另外，还可以在所述外供电电源与所述dc/dc降压模块之间设置电源隔离模块，所述电源隔离模块用于将较低电压的外供电电源与储能组件组成的具有更高等级电压的系统隔离开来，当然如果两者电压等级都为安全电压可以不设置所述电源隔离模块。

可选的，在上述公开的任一实施例中，可以将所有储能组件连接到同一直流电源上，例如图2所示。或者，也可以将本储能组串中的n个储能组件分为多组，每组包含多个顺次串联的储能组件，同一组储能组件连接到同一直流电源上，不同组的储能组件连接到不同的直流电源上，例如图3所示。

此外，本发明实施例还公开了一种组串均衡电路，应用于储能阵列，如图4所示，所述组串均衡电路的主电路包括：与所述储能阵列中的每串储能组串一一对应设置的、如上述公开的任一种组件级均衡电路的主电路；

所述组串均衡电路的控制电路(图4中未示出)，用于实时判断所述储能阵列的主充放电回路是处于充电还是放电过程中；在所述储能阵列的主充放电回路处于充电过程中时，控制可用容量变化率低于第二阈值的储能组串所对应的可控开关闭合，其他储能组串所对应的可控开关断开；在所述储能阵列的主充放电回路处于放电过程中时，控制可用容量变化率高于第三阈值的储能组串所对应的可控开关全部闭合，其他储能组串所对应的可控开关断开。

其原理分析如下：储能阵列本身具有主充放电回路，也就是各储能组串的主充放电回路的组合。所述储能阵列的主充放电回路处于充电过程中时，内阻越大的储能组串获得的充电电流越小，其可用容量也即可充电容量的变化速率越小，为保证各储能组串的可充电容量变化速率趋于一致，需要启动可充电容量变化速率偏低的储能组串所对应的组件级均衡电路为其充电，从而增大其可充电容量变化速率，使各储能组串区域趋于同时充满电。所述储能阵列的主充放电回路处于放电过程中时，内阻越大的储能组串获得的放电电流越小，其可用容量也即可放电容量的变化速率越小，为保证各储能组串的可放电容量变化速率趋于一致，需要启动可放电容量变化速率偏大的储能组串所对应的组件级均衡电路为其充电，从而减小其可放电容量变化速率，使各储能组串趋于同时放空。各储能组串同时充满或放空，在一定程度上提高了储能阵列的可用容量。

本发明实施例还公开了一种双均衡电路，应用于储能阵列，所述双均衡电路的主电路包括：与所述储能阵列中的每串储能组串一一对应设置的、如上述公开的任一种组件级均衡电路的主电路；

所述双均衡电路的控制电路包括：如上述公开的组串均衡电路的控制电路，以及与每串储能组串一一对应设置的、如上述公开的任一种组件均衡电路的控制电路；其中，组串均衡电路的控制电路的作业程序优先级高于各组件均衡电路的控制电路。

所述双均衡电路综合了组件均衡电路和组串均衡电路的功能，既能够使储能阵列中同一储能组串中各储能组件的可用容量趋于一致，又能够使各储能组串的可用容量变化速率趋于一致，实现了储能阵列可用容量的最大化。但为了避免组件均衡电路功能和组串均衡电路功能发生冲突，需要设置组串均衡电路功能的优先级高于组件均衡电路功能。

其优先级体现在：组串均衡电路的控制电路判断所述储能阵列的主充放电回路是处于充电还是放电过程中；在所述储能阵列的主充放电回路处于充电过程中时，若存在可用容量变化率低于第二阈值的储能组串，控制该储能组串所对应的组件均衡电路的控制电路暂停工作、该储能组串所对应的可控开关全部闭合；在所述储能阵列的主充放电回路处于放电过程中时，若存在可用容量变化率高于第三阈值的储能组串，控制该储能组串所对应的组件均衡电路的控制电路暂停工作、该储能组串所对应的可控开关全部闭合。恢复正常工作的组件均衡电路的控制电路、以及未暂停工作的组件均衡电路的控制电路仍按照自身作业程序来控制相应可控开关的开通和关断。

与上述实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种组件均衡方法，应用于对应储能组串设置的组件均衡电路，本储能组串独立存在或与其他储能组串并联扩容形成储能阵列，本储能组串由多个储能组件串联组成；

所述组件均衡电路的主电路包括：

对应每个储能组件分别设置的两个二极管，其中：一个二极管的阴极接本储能组件的正极、阳极接直流电源的正极，另一个二极管的阳极接本储能组件的负极、阴极接所述直流电源的负极；

以及对应每个储能组件分别设置的可控开关，用于接通或分断所述直流电源对本储能组件的充电电流；

如图5所示，所述组件均衡方法包括：

步骤s01：分别判断本储能组串中各储能组件的可用容量是否低于第一阈值；若其可用容量低于第一阈值，进入步骤s02；若其可用容量不低于第一阈值，进入步骤s03；

步骤s02：控制可用容量低于第一阈值的储能组件所对应的可控开关闭合，之后，返回步骤s01；

步骤s03：控制可用容量不低于第一阈值的储能组件所对应的可控开关断开；之后，返回步骤s01。

本发明实施例还公开了一种组串均衡方法，应用于对应储能阵列设置的组串级均衡电路，所述组串均衡电路的主电路包括：与所述储能阵列中的每串储能组串一一对应设置的、如上述公开的任一种组件均衡电路的主电路；

如图6所示，所述组串均衡方法，包括：

步骤s101：判断所述储能阵列的主充放电回路是处于充电还是放电过程中；若是处于充电过程中，进入步骤s102；若是处于放电过程中，进入步骤s103；

步骤s102：控制可用容量变化率低于第二阈值的储能组串所对应的可控开关闭合，其他储能组串所对应的可控开关断开，之后返回步骤s101。

步骤s103：控制可用容量变化率高于第三阈值的储能组串所对应的可控开关闭合，其他储能组串所对应的可控开关断开，之后返回步骤s101。

其中，储能阵列中不同储能组串对应的第一阈值的取值大小是根据本储能组串中各储能组件要趋于的可用容量大小确定，并不限定储能阵列中各储能组串对应的第一阈值必须为同一值。而储能阵列中各储能组串对应的所述第二阈值、第三阈值均为同一值。

本发明实施例还公开了一种双均衡方法，应用于对应储能阵列设置的双均衡电路，所述双均衡电路的主电路包括：与每串储能组串一一对应设置的、如上述公开的任一种组件均衡电路的主电路；

所述双均衡方法，包括：如上述公开的任一种组串均衡方法，以及如上述公开的任一种组件均衡方法；其中，所述组串均衡方法的优先级高于所述组件均衡方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的电路部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见电路部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。