电池匹配装置的制作方法

1.本发明涉及储能电池技术领域，具体涉及一种用于实现逆变器及其外接电池匹配的电池匹配装置。


背景技术：

2.目前户外储能逆变器，均要匹配外部电池作为储能功能。逆变器和外部电池的接线方式如附图1所示，二者之间通过功率线（两条，分别为正功率线和负功率线）和控制线实现连接。当前市场上户用储能电池主流厂商以及相关产品型号比较多，产品有高压电池和普通电池两大类，考虑到市场趋势、用户需求以及系统效率等因素，匹配高压电池变得越来越多。同时考虑到不同用户的选择需求，通常储能逆变器设计要满足多个品牌多个型号电池需求。
3.目前，匹配电池设计过程中遇到有些电池型号自带软启动功能，有些则无此功能；有些电池需要外部额外接入辅助电路（比如大容量电容，使能电路，fuse等）等等。为了同时满足这些要求，使得储能逆变器设计变的比较复杂，内部器件变多，电路过冗余，整个逆变器尺寸也将变大，最终导致成本过高。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种能够简化储能逆变器内部设计、匹配兼容性强，降低成本、方便更换的电池匹配装置。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电池匹配装置，连接在逆变器及其外接的电池之间，所述电池匹配装置包括具有抑制所述电池的启动冲击电流功能的预充模块、为所述电池提供外接辅助电路的辅助功能模块、提供保护功能的保护模块、辅助供电模块和用于实现控制中的至少一种以及通信功能的控制模块；所述预充模块、所述辅助功能模块、所述保护模块连接在所述电池和所述逆变器之间的功率线上，所述辅助供电模块与所述功率线、所述控制模块相连接，所述控制模块与所述电池和所述逆变器之间的控制线相连接，并分别与所述预充模块、所述辅助功能模块、所述保护模块相连接。
6.所述预充模块包括：主电路，所述主电路连接在所述功率线上，所述主电路的两端形成两组端子，每组所述端子均包括一个正端子和一个负端子；采样电路，所述采样电路与两组所述端子相连接，用于采样两组所述端子的电压；旁路电路，所述旁路电路旁路连接在所述功率线上，所述旁路电路基于预充控制信号而接通或断开连接；预充控制电路，所述预充控制电路分别与所述采样电路、所述旁路电路相连接，用于基于两组所述端子的电压而输出所述预充控制信号。
7.所述主电路包括限制电阻、反接保护二极管和电容，两个所述正端子相连接并位
于正功率线上，所述限制电阻和所述反接保护二极管串联在两个所述负端子之间并位于负功率线上，所述电容连接在所述正功率线和所述负功率线之间。
8.所述旁路电路包括可控功率开关器件和开关电路，所述开关电路分别与所述预充控制电路、所述可控功率开关器件的控制端相连接，所述开关电路基于所述预充控制信号而接通或断开连接，所述可控功率开关器件基于所述开关电路的接通或断开而接通或断开。
9.所述保护模块包括过压保护电路、过流保护电路、温度保护电路中的至少一种。
10.所述过压保护电路包括：检测电路，所述检测电路与所述逆变器的端口相连接，用于检测所述逆变器的端口电压；保护开关，所述保护开关连接在所述功率线上，所述保护开关基于驱动信号而接通或断开连接；保护控制电路，所述保护控制电路与所述检测电路、所述控制模块相连接，用于在所述逆变器的端口电压超过预设的电压阈值时输出保护控制信号；驱动电路，所述驱动电路与所述保护控制电路、所述保护开关相连接，用于基于所述保护控制信号而输出所述驱动信号。
11.所述过压保护电路还包括第三电阻、第四电阻、第五电阻和第一电容，所述保护开关的源极和漏极连接在正功率线上，所述第三电阻、所述第四电阻、所述第一电容并联在正功率线和负功率线之间，所述第五电阻的两端分别与所述驱动电路、所述保护开关的栅极相连接。
12.所述保护模块还包括过流保护电路和/或温度保护电路。
13.所述辅助功能模块包括与所述功率线并联的电容组和/或用于输出使能信号而触发所述电池的使能电路。
14.所述使能电路包括使能控制电路、第一使能开关管、第二使能开关管，所述使能控制电路与所述控制模块相连接，所述第一使能开关管的基极与所述使能控制电路相连接，所述第一使能开关管的集电极与所述第二使能开关管的基极相连接，所述第一使能开关管的源极接地，所述第二使能开关管的发射极与工作电源相连接，所述第二使能开关管的集电极与所述电池相连接。
15.所述使能电路还包括第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻和第二电容，所述第六电阻的两端分别与所述第一使能开关管的基极、所述使能控制电路相连接，所述第七电阻的两端分别与所述第一使能开关管的基极和发射极相连接，所述第八电阻的两端分别与所述工作电源、所述第二使能开关管的发射极相连接，所述第九电阻的两端分别与所述工作电源、所述第二使能开关管的基极相连接，所述第十电阻的两端分别与所述第二使能开关管的集电极和地相连接，所述第二电容的两端分别与所述第一使能开关管的基极和发射极相连接。
16.所述辅助供电模块包括与所述功率线相连接的功率电路、与所述功率电路相连接的sps控制电路、原边与所述功率电路相连接的多组变压器、与所述变压器的副边相连接的输出供电电路。
17.所述电池匹配装置还包括预留的扩展模块，所述扩展模块连接在所述功率线上。
18.由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明集成了主流电池所需的额外功能，可兼容性强，方便更换，从而可以简化逆变器涉及、降低成本。
附图说明
19.附图1为现有的逆变器与电池的接线示意图。
20.附图2为本发明的电池匹配装置的结构和接线示意图。
21.附图3为本发明的电池匹配装置中预充模块的电路图。
22.附图4为本发明的电池匹配装置中保护模块的电路图。
23.附图5为本发明的电池匹配装置中辅助功能模块的电路图。
24.附图6为本发明的电池匹配装置中辅助供电模块的电路图。
具体实施方式
25.下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
26.实施例一：如附图2所示，一种电池匹配装置，连接在逆变器及其外接的电池之间，与逆变器和电池之间的功率线（包括正功率线和负功率线）、控制线相连接。
27.该电池匹配装置包括预充模块、辅助功能模块、保护模块、辅助供电模块中的至少一种以及控制模块，还可以包括预留的扩展模块。预充模块、辅助功能模块、保护模块连接在电池和逆变器之间的功率线上，辅助供电模块与功率线、控制模块相连接，控制模块与电池和逆变器之间的控制线相连接，并分别与预充模块、辅助功能模块、保护模块相连接。
28.1.预充模块预充模块具有抑制电池的启动冲击电流功能，具体为抑制电池启动冲击电流，防止损坏电路器件或触发过流保护等装置，造成启动失败，同时提供电池防反接功能（接反，设备不损坏同时通过逆变器app上报错误信息；恢复后，正常工作）。
29.如附图3所示，预充模块包括主电路、采样电路、旁路电路和预充控制电路。主电路连接在功率线上，主电路的两端形成两组端子（一组为bat in+和bat in-，另一组为bat out+和bat out-），每组端子均包括一个正端子（bat in+、bat out+）和一个负端子（bat in-、bat out-），正功率线上的端子为正端子，负功率线上的端子为负端子。采样电路与两组端子相连接，用于采样两组端子的电压。旁路电路旁路连接在功率线上，旁路电路基于预充控制信号而接通或断开连接。预充控制电路分别与采样电路、旁路电路相连接，用于基于两组端子的电压而输出预充控制信号。
30.具体的，主电路包括限制电阻r3、反接保护二极管d1和电容c1，两个正端子相连接并位于正功率线上，限制电阻r3和反接保护二极管d1串联在两个负端子之间并位于负功率线上，电容c1连接在正功率线和负功率线之间。旁路电路包括可控功率开关器件和开关电路，开关电路分别与预充控制电路、可控功率开关器件的控制端相连接，开关电路基于预充控制信号而接通或断开连接，可控功率开关器件基于开关电路的接通或断开而接通或断开。具体的，可控功率开关器件q1（比如relay，mos等被控器件）并联在限制电阻r3和反接保护二极管d1两端。预充控制电路与基于预充控制信号而接通或断开的开关电路相连接，开关电路与可控功率开关器件q1的控制端相连接。当开关电路在预充控制电路输出的预充控制信号的控制下而接通或断开连接时，可控功率开关器件q1进而基于开关电路的通断状态
而接通或断开。开关电路包括开关管q10、第一电阻r5和第二电阻r6，第一电阻r5的一端与预充控制电路相连接，第一电阻r5的另一端与开关管q10的基极相连接，开关管q10的集电极与可控功率开关器件q1的电源端相连接，开关管q10的发射极接地，第二电阻r6连接在开关管q10的基极和发射极之间。采样电路的输入端分别经对应的电阻r10~r13而与四个端子相连接。
31.预充模块的基本工作原理是：采样预充模块两端电压对比，当两端电压差小于一定值时，接通旁路电路的可控功率开关器件，从而减小正常工作损耗，其中，限制电阻r3起到限制预充电路的功能。
32.采样电路可以检测预充模块两端电压，即可控功率开关器件q1两端的电压。装置刚启动时，可控功率开关器件q1断开，可以减小线路的启动冲击电流。而当装置稳定工作时，可控功率开关器件q1接通，由于可控功率开关器件q1的通态阻抗很小，从而减少了稳定工作的损耗。
33.2.保护模块保护模块为电池提供保护功能，其包括过压保护电路、过流保护电路、温度保护电路中的至少一种，过压保护电路防止逆变器端口异常高压反灌到电池端口，损坏电池。
34.如附图4所示，过压保护电路包括检测电路、保护开关、保护控制电路、驱动电路。检测电路与逆变器的端口相连接，用于检测逆变器的端口电压。保护开关q40连接在功率线上，其为可控器件或类似装置，保护开关q40基于驱动信号而接通或断开连接。保护控制电路与检测电路、控制模块相连接，用于在逆变器的端口电压超过预设的电压阈值时输出保护控制信号。驱动电路与保护控制电路、保护开关相连接，用于基于保护控制信号而输出驱动信号。
35.过压保护电路还包括第三电阻r40、第四电阻r41、第五电阻r43和第一电容c40，保护开关q40的源极和漏极连接在正功率线上，第三电阻r40、第四电阻r41、第一电容c40并联在正功率线和负功率线之间，第五电阻r43的两端分别与驱动电路、保护开关q40的栅极相连接。第三电阻r40、第四电阻r41并联在线路中，起到泄放电荷的功能；第一电容c40对线路起到滤波和去耦功能；第五电阻r43是可控器件，即保护开关q40的驱动电阻，控制可控器件的开关速度。
36.过压保护电路的基本工作原理是：内部检测电路实时检测该电池匹配装置端口（即端口输出端设备——逆变器）电压，当逆变器有任何状态导致端口电压高于设定的电压阈值时，关断内部保护开关q40，从而防止高压反灌而损坏电池。
37.3. 辅助功能模块辅助功能模块用于为电池提供外接辅助电路。有些型号电池需要外部连接相关的装置才能保证其正常运行，比如外接大容量电解电容，使能电路等其他辅助电路。辅助功能模块包括与功率线并联的电容组（大容量电解电容）和/或用于输出使能信号而触发电池动作的使能电路。如附图5所示，本实施例中的辅助功能模块包括电容组和使能电路。
38.电容组包括若干串联和/或并联的电容，其连接在正功率线和负功率线之间。该电容组并联在功率总线，位于预充电路之后。一般情况下，由于线路中存在容性负载，且其初始状态下的电荷为零，当外部突然施加一个电压激励源时，会产生瞬间较大冲击电流，从而导致部分器件失效，使设备功能失效。预充电流，就是要降低此情况下的冲击电流，相当于
在外部激励源和容性负载直接加一个阻抗，限制冲击电流，因此电容组位于预冲电路之后。
39.使能电路包括使能控制电路、第一使能开关管q31、第二使能开关管q30。使能控制电路与控制模块相连接，第一使能开关管q31的基极与使能控制电路相连接，第一使能开关管q31的集电极与第二使能开关管q30的基极相连接，第一使能开关管q31的源极接地，第二使能开关管q31的发射极与工作电源vcc相连接，第二使能开关管q31的集电极作为使能输出端而与电池相连接，从而激活电池。使能电路还包括第六电阻r35、第七电阻r34、第八电阻r30、第九电阻r31、第十电阻r32和第二电容c36，它们可以控制小信号开关的通断，从而控制使能信号的输出。第六电阻r35的两端分别与第一使能开关管q31的基极、使能控制电路相连接，第七电阻r34的两端分别与第一使能开关管q31的基极和发射极相连接，第八电阻r30的两端分别与工作电源vcc、第二使能开关管q30的发射极相连接，第九电阻r31的两端分别与工作电源vcc、第二使能开关管q30的基极相连接，第十电阻r32的两端分别与第二使能开关管q30的集电极和地相连接，第二电容c36的两端分别与第一使能开关管q31的基极和发射极相连接。
40.4. 辅助供电模块辅助供电模块用于为装置内部各模块提供稳定的工作电源。
41.如附图6所示，辅助供电模块包括功率电路、sps控制电路、多组变压器t50和输出供电电路。功率电路与功率线相连接，正功率线和负功率线之间连接有电容c50，sps控制电路与功率电路相连接，多组变压器t50的原边与功率电路相连接，输出供电电路与变压器的副边相连接。
42.辅助供电模块的基本工作机理是：通过内部隔离供电，产生12v，5v等工作电源给各系统内部各模块提供供电。
43.5. 控制模块控制模块用于实现控制和通信功能，具体包括：执行单个模块的控制动作；各模块之间的通讯对接；电池，电池匹配装置和逆变器设备之间的协同通讯。
44.6. 扩展模块预留的扩展模块连接在功率线上，可以串联在辅助功能模块和保护模块之间。
45.上述电池匹配装置可以外置，可以集成主流的电池所需的额外功能，可兼容性强，方便更换。该方案可以简化储能逆变器内部设计，使得逆变器在不接电池匹配装置情况下，可匹配大部分电池；其他特殊要求型号的电池，则配合此电池匹配装置使用；此电池匹配装置功能可扩展，满足未来的可能需求。方案中每个功能模块单元独立执行，便于扩展堆叠，且可以自适应外部电池功能,自动选择对应的功能模块，实现全匹配。
46.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。