專利名稱：儲能系統的均衡系統及均衡方法
技術領域：
本發明涉及大規模儲電系統，特別是儲能系統的均衡系統及均衡方法。
背景技術：
在新能源發電領域，采用大規模儲電技術，可使不穩定的新能源電力的輸出功率平滑可調，將不穩定的電能輸入變為連續、安全可靠的電能輸出，減少波動性電能對電網的沖擊，從而解決新能源電力并網難題。對于海島、偏遠地區等的離網新能源發電，大規模儲電系統可以實現電力平滑及儲存，以滿足海島、偏遠地區等的離網發電及沒有新能源出力情況下電力的正常供應。安全性、儲能效率是考察儲能系統的兩個重要參數。溫度是影響電池單體充放電容量、儲能電池系統安全性的重要外部因素；電池的內阻及模塊內、模塊間電池的一致性則是影響儲能系統性能的重要內部因素。大規模儲能需要將大量的單體電池串并聯起來以獲得較大的儲能容量及較高功率輸出，在考慮安全性的情況下，電池組的儲能大小取決于最差一節電池的充放電特性。由于電池有可能不是同一批次制造以及制造過程本身具有一定的差異性，而且隨著電池使用時間的增長，電池性能的相互差異會更顯著，并且串聯的單體電池越多，不一致性就更加突出。如果沒有對電池進行均衡管理，隨著充放電循環進行，單體電池間的不一致會造成欠充電、過充電和過放電，嚴重影響電池組的使用性能和壽命，并且會造成嚴重的安全隱患。現有的均衡技術，應用得最多的是只在充電過程中應用電阻對電池組進行耗散型均衡，電阻均衡原理如圖1所示。這種均衡方式最大的問題是電阻在均衡過程中會產生大量的熱，降低了充放電效率，造成有效儲存能量的巨大浪費；同時產生了大量的熱，還增加了熱管理的負擔。現有的非耗散型均衡方法主要包括開關電容均衡方法等，但是往往會存在電路復雜、均衡速度慢等問題。因此，現有技術還有待于改進和發展。
發明內容
本發明的目的在于提供一種儲能系統的均衡方案，旨在解決現有的電阻耗散型均衡方式在均衡過程中產生大量的熱，造成有效儲存能量的巨大浪費；同時產生的大量熱，增加熱管理的負擔等問題。同時解決，由單一均衡在大容量儲能體系中均衡速度慢的問題。本發明的技術方案如下一種儲能系統的均衡系統，其中，包括發電裝置、電能合并系統、直流母線、充電模塊、蓄電池組、并網逆變器、用戶模塊、恒流源、均衡電源輸入端，所述發電裝置連接在電能合并系統上，所述電能合并系統通過直流母線連接充電模塊，所述充電模塊連接蓄電池組; 所述直流母線上依次連接有并網逆變器和用戶模塊，恒流源連接在用戶模塊上，將經過逆變器后的交流電轉變為直流電，并通過連接在均衡電源輸入端上的均衡總線連接至蓄電池組，恒流源把經過并網逆變器后的交流輸出轉變成直流輸出，作為均衡源對蓄電池組中的
4電池單體進行均衡。所述的儲能系統的均衡系統，其中，蓄電池組包括儲能模塊和儲能控制單元，所述儲能模塊的充電端均級聯在均衡電源輸入端上，儲能模塊的輸出端之間串聯連接，所述儲能控制單元通過can總線連接至儲能模塊。所述的儲能系統的均衡系統，其中，所述儲能模塊包括單元控制模塊、均衡電源輸入模塊和單體包，所述儲能模塊的均衡電源輸入模塊均并聯在均衡電源輸入端的正負極上；所述儲能模塊中的單元控制模塊通過can總線連接至儲能控制模塊，所述單元控制模塊通過Iin總線連接至單體包，單體包的均衡總線連接至均衡電源輸入模塊。所述的儲能系統的均衡系統，其中，所述蓄電池組中包括多個儲能模塊，各儲能模塊的充電端均級聯在均衡電源輸入端上。所述的儲能系統的均衡系統，其中，每個儲能模塊包括兩個或兩個以上的串聯連接的單體包。所述的儲能系統的均衡系統，其中，每個單體包包括一個單體電池、一個微處理器和一個隔離模塊以及正極點、負極點、Iin總線和均衡總線，所述單體電池的兩極分別對應連接在正極點和負極點上以及微處理器上，所述均衡總線連接在微處理器上，所述Iin總線通過隔離模塊連接在微處理器上，所述Iin總線連接在控制端上；所述均衡總線連接在均衡電源輸入端上；所述正極點和負極點連接電能輸出端。所述的儲能系統的均衡系統，其中，每個單體包的電極上并聯一個能量轉移模塊， 每個能量轉移模塊分散并聯安裝在均衡電源輸入模塊上。一種儲能系統的均衡方法，其中，所述微處理器采集儲能模塊內各單體電池的電壓，并發送給儲能控制單元，所述儲能控制單元計算各儲能模塊內的單體電池的平均電壓， 當某一儲能模塊里的某一單體電池電壓低于其所在儲能模塊內單體電池的平均電壓，則單體包里的微控制器控制單體電池與均衡總線連接，單體電池吸收均衡總線上的電流，開始對該單體電池進行均衡；當該單體電池電壓達到儲能模塊里單體電池的平均電壓時，單體電池與均衡總線斷開，結束該節單體電池的均衡，然后對另一節低電壓的單體電池進行均衡處理。所述的儲能系統的均衡方法，其中，以能量轉移方式通過能量轉移模塊將高于平均電壓的單體電池的電量轉移到均衡總線上并被電壓低于平均電壓的電池單體吸收。所述的儲能系統的均衡方法，其中，若某一儲能模塊里的所有單體電池的電壓都已經均衡，但是低于儲能系統中各儲能模塊間的平均電壓，則該儲能模塊的所有單體電池與均衡總線連接，吸收均衡總線上的電流，儲能模塊內的各單節電池都進行補電，直到該儲能模塊的電壓達到儲能單元模塊的平均電壓，結束儲能系統的均衡。本發明的有益效果本發明通過同時應用非耗散型能量轉移模塊及以系統中用戶負載為恒流源輸入的補電方式對蓄電池體系進行均衡，隨時可對單節電池進行均衡，只要有單體電池電壓低，滿足均衡條件，不論儲能單元或模塊處于充電、放電或放置狀態，均可立即均衡，實現有效的動態均衡，另外在均衡過程中不會產生大量的熱量，提高了充放電效率。
圖1是現有的電阻均衡原理圖；圖2是本發明中負載式補電均衡系統的原理圖；圖3是本發明中同時應用補電式及能量轉移式均衡示意圖；圖4是本發明中單體包示意圖；圖5是本發明中補電式均衡系統中儲能模塊結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發明進一步詳細說明。負載式補電均衡系統包括發電裝置、電能合并系統、直流母線、充電模塊、蓄電池組、并網逆變器、用戶模塊、恒流源、均衡電源輸入端。在本發明提供的系統中發電裝置設置有多個，發電裝置1、發電裝置2、……、發電裝置η(其中η大于等于2)，且均連接在電能合并系統上，所述電能合并系統通過直流母線連接充電模塊，所述充電模塊連接蓄電池組； 所述直流母線上依次連接有并網逆變器和用戶模塊，恒流源連接在用戶模塊上，將經過逆變器后的交流電轉變為直流電。并通過連接在均衡電源輸入端上的均衡總線連接至蓄電池組。本發明提供的儲能系統的均衡系統及均衡方法是用能量轉移方式將高電壓電池單體的電能轉到均衡總線上，并被低電壓的電池單體吸收，進行動態均衡。但是在高電壓電池單體轉移的能量不足以給低電壓單體補電時，作為補充，本發明還采用補電方式把經過逆變器后的交流輸出通過恒流源，轉變成直流輸出，作為均衡源，流入均衡總線，對儲電系統中的單體及單元進行均衡，提高均衡的速度及效果。應用非耗散型能量轉移模塊對蓄電池體系進行均衡。能量轉移的均衡的思路為利用開關電源技術，以電壓為衡量標準，用能量轉移方式將高電壓電池單體的電能轉到均衡線上，并被低電壓的電池單體吸收，進行動態均衡。本能量轉移補充均衡中，每個單體包的電極上并聯一個能量轉移模塊，每個能量轉移模塊分散并聯安裝在每節蓄電池上，如圖3所示。能量轉移模塊主要應用DC/DC開關電源技術，以能量轉移方式將高電壓的單體電池的電量轉移到低電壓的單體電池上，即以電壓為衡量標準，用能量轉移方式將高于平均電壓的單體電池的能量轉移到均衡總線上， 并被電壓低于平均電壓的電池單體吸收。電量轉移是雙向并行進行，即任何一節高電壓電池的電量，都能同時并行轉移到任何一節低電壓電池，從而達到電池電壓的均衡。所述單體包中的微處理器采集儲能單元內各單體電池的電壓，單體包的電壓數據通過串行外設接口(SPI)傳輸方式上傳到儲能控制單元，儲能控制單元處理器計算儲能單元內單體電池的平均電壓，其計算公式為平均電壓U^ra=儲能模塊總電壓/儲能模塊內單體電池總數，作為各單體電池是否需要均衡的依據，即均衡使能工作的依據。單體包和能量轉移模塊聯好后，就開始均衡工作，能量轉移模塊一邊檢測其所連接的單體包電池電壓，一邊通過均衡總線檢測其他單體包電池電壓，得出電池組平均電壓， 將電池電壓和電池組平均電壓比較，如果電池電壓高于平均電壓，模塊內電路通過DC/DC 變換器，將高出的能量流入均衡總線；如果電池電壓低于平均電壓，模塊內電路吸收均衡總線上的電量給該電池充電。
繼續參見圖3，本發明中，能量轉移均衡方式由于是雙向能量流動，可以進行單體的無限級聯。但是在大規模電池儲能體系，電池數量眾多，為了簡化電池管理系統，降低管理的復雜性，并保證均衡速度及效率，將電池儲能體系分成多個單元，均衡體系以單元為單位。能量轉移式均衡具有低功耗的特點，但是均衡速度較慢。為了提高均衡速度，本發明在上述均衡方式的基礎上，提出應用外接電源均衡作為補充。以能量轉移式均衡為主，補電式均衡為輔。補電式均衡的基本原理為參見圖2，本發明實施例一提供的負載式補電均衡原理為將補電源當作用戶中的一個負載，外接AC/DC恒流源，通過均衡總線，對儲能系統中儲能模塊的單體包進行均衡。恒流源當作為用戶中的一個負載，把經過逆變器后的交流輸出轉變成直流輸出， 作為均衡源，通過Iin總線對模塊內單體進行均衡，can總線對模塊進行均衡，完成對儲電系統中蓄電池組的電池單體及模塊進行均衡。由于恒流源補電量有限，不能同時對整個儲能系統進行均衡，本均衡管理方法中將儲能系統中的蓄電池組分成多個儲能模塊，如圖5所示。所述蓄電池組包括第一儲能模塊、第二儲能模塊、……、第η儲能模塊和儲能控制單元，所述第一儲能模塊、第二儲能模塊、……、第η儲能模塊的充電端均級聯在均衡電源輸入端上，各儲能模塊的輸出端之間串聯連接。所述儲能控制單元通過can總線連接各儲能模塊。參見圖3、圖5，所述儲能模塊包括單元控制模塊、均衡電源輸入模塊和多個單體包，所述各個儲能模塊的均衡電源輸入模塊均并聯在均衡電源輸入端得正負極上；所述各個儲能模塊中的單元控制模塊通過can總線連接至儲能控制模塊，所述單元控制模塊通過 Iin總線連接至各個單體包，各單體包的均衡總線連接至均衡電源輸入模塊。本案例中，恒流源每次對應一個儲能模塊，恒流源對相應的儲能模塊進行均衡補電。每個儲能模塊包括兩個或兩個以上的串聯連接的單體包，參見圖4為單體包的內部結構示意圖，每個單體包包括一個單體電池、一個微處理器(MPU)和一個隔離模塊以及正極點、負極點、Iin總線和均衡總線。所述單體電池的兩極分別對應連接在正極點和負極點上以及微處理器上，所述均衡總線連接在微處理器上，所述Iin總線通過隔離模塊連接在微處理器上，所述Iin總線連接在控制端上；所述均衡總線連接在均衡電源輸入端上；所述正極點和負極點連接電能輸出端。本發明的負載式均衡方式中以電壓為衡量標準，通過給電壓低的電池補電，使其與其它電池的電壓持平實現均衡。均衡的順序為先對模塊內的各單體電池進行均衡，再對模塊及模塊間進行均衡。所述單體包中的微處理器采集儲能模塊內各單體電池的電壓，均衡使能通過Lin 總線和隔離模塊后輸入給微處理器(MPU)，MPU再控制單節電池和均衡總線的連接關系，接通進入均衡狀態。單體包的電壓數據通過串行外設接口(SPI)傳輸方式上傳到儲能控制單元，儲能控制單元處理器計算儲能模塊內單體電池的平均電壓，其計算公式為平均電壓U
=儲能模塊電壓/儲能模塊內單體電池總數，作為模塊間均衡的依據。上述系統的均衡方法為當某一儲能模塊里的某一單體電池電壓Un低于該模塊內單體電池的平均電壓，如Un < U^ra，則開始對單體電池η進行均衡。此時，單體包里的微處理器MPU控制內部的電子開關，開關閉合，均衡線上的電流經過電子開關流入單節電池。若單體電池m的電壓Um、單體電池η的電壓Un均小于平均電壓UpS，單體電池m及單體電池 η里的MPU均控制內部的電子開關，開關閉合，均衡線上的電流可同時流入單體電池m、單體電池η。當模塊里的各單體電池的電壓均衡后則斷開電子開關。從而實現儲能模塊內單體電池電壓的均衡。雖然，儲能模塊內的單體電池之間的電壓均衡了，但是各個儲能模塊的總體電壓 U’ η與其他儲能模塊的總體電壓之間可能會出現不均衡的問題。因此，若某一儲能模塊里所有單體電池的電壓都已經均衡，但是該儲能模塊的總體電壓u’n低于儲能系統中各儲能模塊的總體電壓的平均電壓υ、_則該儲能系統的均衡電源(即恒流源)給該儲能模塊內的所有的單體電池都進行補電，直到該儲能模塊的總體電壓達到儲能模塊的總體電壓的平均電壓，則所述儲能系統結束儲能模塊間的均衡。本發明中的均衡方案，適用于新能源發電的儲電系統，同時適用于應用在電廠、智能電網等大規模電池儲電系統。本發明通過同時應用非耗散型能量轉移模塊及以系統中用戶負載為恒流源輸入的補電方式對蓄電池體系進行均衡，隨時可對單節電池進行均衡，只要有單體電池電壓低， 滿足均衡條件，不論儲能單元或模塊處于充電、放電或放置狀態，均可立即均衡，實現有效的動態均衡，另外在均衡過程中不會產生大量的熱量，提高了充放電效率。應當理解的是，本發明的應用不限于上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。
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權利要求
1.一種儲能系統的均衡系統，其特征在于，包括發電裝置、電能合并系統、直流母線、充電模塊、蓄電池組、并網逆變器、用戶模塊、恒流源、均衡電源輸入端，所述發電裝置連接在電能合并系統上，所述電能合并系統通過直流母線連接充電模塊，所述充電模塊連接蓄電池組；所述直流母線上依次連接有并網逆變器和用戶模塊，恒流源連接在用戶模塊上，將經過逆變器后的交流電轉變為直流電，并通過連接在均衡電源輸入端上的均衡總線連接至蓄電池組，恒流源把經過并網逆變器后的交流輸出轉變成直流輸出，作為均衡源對蓄電池組中的電池單體進行均衡。
2.根據權利要求1所述的儲能系統的均衡系統，其特征在于，蓄電池組包括儲能模塊和儲能控制單元，所述儲能模塊的充電端均級聯在均衡電源輸入端上，儲能模塊的輸出端之間串聯連接，所述儲能控制單元通過can總線連接至儲能模塊。
3.根據權利要求2所述的儲能系統的均衡系統，其特征在于，所述儲能模塊包括單元控制模塊、均衡電源輸入模塊和單體包，所述儲能模塊的均衡電源輸入模塊均并聯在均衡電源輸入端得正負極上；所述儲能模塊中的單元控制模塊通過can總線連接至儲能控制模塊，所述單元控制模塊通過LIN總線連接至單體包，單體包的均衡總線連接至均衡電源輸入模塊。
4.根據權利要求2所述的儲能系統的均衡系統，其特征在于，所述蓄電池組中包括多個儲能模塊，各儲能模塊的充電端均級聯在均衡電源輸入端上。
5.根據權利要求3所述的儲能系統的均衡系統，其特征在于，每個儲能模塊包括兩個或兩個以上的串聯連接的單體包。
6.根據權利要求3所述的儲能系統的均衡系統，其特征在于，每個單體包包括一個單體電池、一個微處理器和一個隔離模塊以及正極點、負極點、Iin總線和均衡總線，所述單體電池的兩極分別對應連接在正極點和負極點上以及微處理器上，所述均衡總線連接在微處理器上，所述Iin總線通過隔離模塊連接在微處理器上，所述Iin總線連接在控制端上；所述均衡總線連接在均衡電源輸入端上；所述正極點和負極點連接電能輸出端。
7.根據權利要求3-6任意一項所述的儲能系統的均衡系統，其特征在于，每個單體包的電極上并聯一個能量轉移模塊，每個能量轉移模塊分散并聯安裝在均衡電源輸入模塊上。
8.一種儲能系統的均衡方法，其特征在于，所述微處理器采集儲能模塊內各單體電池的電壓，并發送給儲能控制單元，所述儲能控制單元計算各儲能模塊內的單體電池的平均電壓，當某一儲能模塊里的某一單體電池電壓低于其所在儲能模塊內單體電池的平均電壓，則單體包里的微控制器控制單體電池與均衡總線連接，單體電池吸收均衡總線上的電流，開始對該單體電池進行均衡；當該單體電池電壓達到儲能模塊里單體電池的平均電壓時，單體電池與均衡總線斷開，結束該節單體電池的均衡，然后對另一節低電壓的單體電池進行均衡處理。
9.根據權利要求8所述的儲能系統的均衡方法，其特征在于，以能量轉移方式通過能量轉移模塊將高于平均電壓的單體電池的電量轉移到均衡總線上并被電壓低于平均電壓的電池單體吸收。
10.根據權利要求8所述的儲能系統的均衡方法，其特征在于，若某一儲能模塊里的所有單體電池的電壓都已經均衡，但是低于儲能系統中各儲能模塊間的平均電壓，則該儲能模塊的所有單體電池與均衡總線連接，吸收均衡總線上的電流，儲能模塊內的各單節電池都進行補電，直到該儲能模塊的電壓達到儲能單元模塊的平均電壓，結束儲能系統的均衡。
全文摘要
本發明公開了一種儲能系統的均衡系統及均衡方法，包括發電裝置、電能合并系統、直流母線、充電模塊、蓄電池組、并網逆變器、用戶模塊、恒流源、均衡電源輸入端，所述發電裝置連接在電能合并系統上，所述電能合并系統通過直流母線連接充電模塊，所述充電模塊連接蓄電池組；所述直流母線上依次連接有并網逆變器和用戶模塊，恒流源連接在用戶模塊上，將經過逆變器后的交流電轉變為直流電，并通過連接在均衡電源輸入端上的均衡總線連接至蓄電池組，恒流源把經過并網逆變器后的交流輸出轉變成直流輸出，作為均衡源對蓄電池組中的電池單體進行均衡。采用本發明可實現有效的動態均衡，另外在均衡過程中不會產生大量的熱量，提高了充放電效率。
文檔編號H02J7/00GK102222964SQ20111017765
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月28日 優先權日2011年6月28日
發明者馮自平, 呂杰, 宋文吉, 陳永珍, 韓穎 申請人:中國科學院廣州能源研究所