一種串聯電量儲能系統均衡方法

2023-05-28 17:54:01

專利名稱：一種串聯電量儲能系統均衡方法
技術領域：
本發明涉及一種串聯電量儲能系統均衡方法，屬於儲能單體均衡管理技術領域。
背景技術：
近年來鋰離子蓄電池、超級電容在新能源各個應用領域迅速發展，但在使用過程 中暴漏出一個突出問題——模組內各單體之間能量均衡問題。由於鋰離子蓄電池、超級電 容製造工藝原理的限制，其單體最高電壓分別只有4. 2V、2. 7V，有些水系超級電容單體最高 電壓更低，只有1. 2V，因此這些儲能器件必須首先串聯起來組成一定電壓的模組才能作為 動力系統使用，常見的模組電壓為24V、36V、48V等，成組的模塊在使用過程中，由於單體特 性的差異，尤其是容量和自放電特性的差異，使得模組內各單體在充、放電及靜置(庫存、系 統不工作)等狀態下會表現出以電壓為代表的電量不一致，逐漸累加的不一致會使各單體 之間的電壓達到系統難以正常工作的程度，比如一個電池組或超級電容模組，由於其中某 個單體自放電電流比組內其它單體大，由於自放電任何時候都存在，不管該串聯模塊是充 電、放電或靜置，長期積累下來該單體電壓會比別的單體低，這就嚴重影響了整個模組的充 放電能力，尤其對於超級電容模組來說，由於超級電容模塊在一些使用場合允許模組整體 電壓放電為零，這就造成模組內一些單體電量未放完、一些單體形成負壓的結果。為了解決模組內單體之間的均衡問題，國內、國外技術人員進行了大量技術研究 工作，相關專利技術也很多，主要分為兩類
1)放電均衡主要技術思路是在模組內每個單體正負極之間並聯開關管和功率電阻， 模組充電過程中檢測單體電壓，當某單體電壓達到上限時，控制開關管導通，使並聯的功率 電阻對該單體放電，模組系統仍充電，達到一定的削峰填谷的效果；
2)轉移均衡其典型代表我國某研究所引進的德國專利技術，模組內各單體正負極各 並聯一個開關電源變換模塊，充電過程中當某單體率先達到上限電壓時，啟動開關電源模 塊把該單體的電量轉移到模組其它模塊上。上述第一種方案的主要問題，放電電阻發熱嚴重，同時造成電能浪費，並且均衡系 統體積較大。上述第二種方案的主要問題是為了在充電過程中達到較好的均衡效果，起電 量轉移作用的開關電源電流要儘量大，實際實現中，該系統發熱嚴重。

發明內容
本發明的目的是提供一種串聯電量儲能均衡方法，以解決串聯電量儲能系統單體 之間放電的均衡管理過程中放電電阻發熱嚴重、電能浪費的問題。為實現上述目的，本發明的一種串聯電量儲能系統均衡方法，該方法步驟如下
(1)均衡系統定時對串聯電量儲能系統中的每個儲能單體進行電壓採樣以得到每個儲 能單體的實際電壓值；
(2)動態計算儲能系統的單個儲能單體應當具有的當前電壓平均值，並得到當前電壓 平均值限定值；
3(3)將每個儲能單體的實際電壓值與當前電壓平均值限定值比較，若未發現任何單體 實際電壓值低於當前電壓平均值限定值時，均衡系統休眠；
(4)若發現有實際電壓值低於當前電壓平均值限定值的單體時，啟動開關電源對低於 當前電壓平均值限定值的儲能單體逐一充電，在充電過程中動態監測每個儲能單體的實際 電壓值並實時動態更新計算儲能系統的單個儲能單體應當具有的當前電壓平均值同時得 到當前電壓平均值限定值，當被充電單體實際電壓值達到當前電壓平均值時，停止對其充 電；
(5)當沒有任何單體實際電壓值低於當前電壓平均值限定值時，關閉開關電源，停止對 各單體電壓採樣，均衡系統休眠。所述步驟(1)中均衡系統分為休眠模式和定時甦醒模式，定時甦醒時對串聯電量 儲能系統中的每個儲能單體進行電壓採樣。所述步驟(1)中定時甦醒的間隔根據串聯儲能系統的不同使用狀態進行調整。所述步驟(2)中電壓平均值是根據實時測得的每個儲能單體的實際電壓值與儲能 單體的個數動態計算得到的。所述步驟(2 )中電壓平均值限定值是根據電壓平均值減去設定的定值得到。所述步驟(4)中當某儲能單體電壓低於電壓平均值限定值時，開關電源變換模塊 通過可切換的繼電器對該儲能單體充電以達到當前電壓平均值。所述步驟(4)中開關電源變換模塊的輸入電壓範圍應適合串聯儲能系統整體的允 許電壓變化範圍，其輸出應適合被均衡的單體電壓，輸出電壓可控，輸入輸出應隔離。該方法應用於串聯電量儲能系統全壽命過程中。本發明的一種串聯電量儲能均衡方法，通過逐一補充修正與電壓平均值限定值有 偏差的儲能單體，使整個串聯電量儲能系統達到一種可控的均衡範圍內，由於是通過高效 的電量轉移的方式進行均衡，因此不會出現放電電阻發熱嚴重、電能浪費的問題。而且使用 本發明方法的串聯電量儲能系統可以在任何時候長期工作，開關電壓變換模塊的輸出電流 可以不必很大，使用動力模塊的設備休息時，儲能單體之間的均衡工作仍在工作，較小的充 電電流完全可以彌補模塊內儲能單體差異造成的模塊之間的不均衡。
具體實施例方式本發明的串聯電量儲能系統均衡方法，該方法步驟如下
(1)均衡系統定時對串聯電量儲能系統中的每個儲能單體進行電壓採樣以得到每個儲 能單體的實際電壓值；
(2)動態計算儲能系統的單個儲能單體應當具有的當前電壓平均值，並得到當前電壓 平均值限定值；
(3)將每個儲能單體的實際電壓值與當前電壓平均值限定值比較，若未發現任何單體 實際電壓值低於當前電壓平均值限定值時，均衡系統休眠；
(4)若發現有實際電壓值低於當前電壓平均值限定值的單體時，啟動開關電源對低於 當前電壓平均值限定值的儲能單體逐一充電，在充電過程中動態監測每個儲能單體的實際 電壓值並實時動態更新計算儲能系統的單個儲能單體應當具有的當前電壓平均值同時得 到當前電壓平均值限定值，當被充電單體實際電壓值達到當前電壓平均值時，停止對其充電；
(5)當沒有任何單體實際電壓值低於當前電壓平均值限定值時，關閉開關電源，停止對 各單體電壓採樣，均衡系統休眠。步驟(1)中均衡系統分為休眠模式和定時甦醒模式，定時甦醒時對串聯電量儲能 系統中的每個儲能單體進行電壓採樣。定時甦醒的間隔根據串聯儲能系統的不同使用狀 態進行調整。所述步驟(2)中電壓平均值是根據實時測得的每個儲能單體的實際電壓值與 儲能單體的個數動態計算得到的。電壓平均值限定值是根據電壓平均值減去設定的定值得 到。步驟(4)中當某儲能單體電壓低於電壓平均值限定值時，開關電源變換模塊通過可切 換的繼電器對該儲能單體充電以達到當前電壓平均值。開關電源變換模塊的輸入電壓範圍 應適合串聯儲能系統整體的允許電壓變化範圍，其輸出應適合被均衡的單體電壓，輸出電 壓可控，輸入輸出應隔離。該方法應用於串聯電量儲能系統全壽命過程中。具體講，本發明的一種串聯電量儲能均衡方法的串聯電量儲能系統是由η個儲能 單體Ri串聯而成的，其中1<J
，《>1 m個開關電源變換模塊(Ii麗^輸入端並接於串聯電量儲能組的正負極之 間，一均衡控制板通過電阻網絡或隔離電壓傳感器分別與各儲能單體正負極相連，用於實 時檢測各儲能單體的電壓，該均衡控制板可分別控制上述m個開關電源變換模塊啟動或關 閉，該m個開關電源變換模塊的輸出端對應η個繼電器控制以實現對各儲能單體的充電。均 衡控制板定時檢測串聯電量儲能系統中各儲能單體的電壓，當檢測到某單體電壓低於當前 平均單體電壓的限定值時，控制開關電源變換模塊通過可切換的繼電器(電子或機械)為該 儲能單體充電，使該儲能單體電壓達到平均電壓值。開關電源變換模塊的輸入輸出通過脈衝變壓器隔離，輸入範圍適應串聯電量儲能 系統最小和最大電壓，儲能單體若為超級電容，則對應超級電容模塊可設定其最小輸入電 壓為串聯電量儲能系統最高電壓的一半(或更低)；輸出電壓適應單體電壓要求。均衡控制 板工作模式分為休眠和定時甦醒，定時間隔可以根據串聯動力儲能模塊的不同使用狀態進 行調整，在模塊靜置時可以採用較長的時間間隔，以進一步減少均衡管理系統的電能消耗， 以防當模塊較長時間靜置時引起的不必要的電能消耗，當模塊充、放電時可以較快頻率甚 至連續監控均衡的辦法來彌補串聯儲能單體之間由於容量等特性差異造成的電壓差異。當檢測到某儲能單體電壓低於電壓平均值限定值時，控制開關電源變換模塊通過 可切換的繼電器(電子或機械)為該單體充電，使該單體電壓達到模塊平均單體電壓值，由 於該系統可以在任何時候長期工作，開關電源變換模塊的輸出電流可以不必很大(限定為 IA即可，效率可做到90%以上)，使用動力模塊的設備休息時，該均衡管理系統仍可工作，較 小的充電電流完全可以彌補模塊內單體差異造成的模塊內各單體之間的不均衡。這樣通過 逐一補充修正有偏差的單體，使整個系統達到一種可控的均衡範圍內。上述針對串聯電量儲能系統，不僅限於單體串聯的充放電電池、電容系統，也可以 為以組為單位的串聯的充放電電池組、電容組組內的均衡以及組之間的均衡，只要運用了 本發明提出的均衡方法，均應屬於本發明的保護範圍。
權利要求
一種串聯電量儲能系統均衡方法，其特徵在於，該方法步驟如下(1)均衡系統定時對串聯電量儲能系統中的每個儲能單體進行電壓採樣以得到每個儲能單體的實際電壓值；(2)動態計算儲能系統的單個儲能單體應當具有的當前電壓平均值，並得到當前電壓平均值限定值；(3)將每個儲能單體的實際電壓值與當前電壓平均值限定值比較，若未發現任何單體實際電壓值低於當前電壓平均值限定值時，均衡系統休眠；(4)若發現有實際電壓值低於當前電壓平均值限定值的單體時，啟動開關電源對低於當前電壓平均值限定值的儲能單體逐一充電，在充電過程中動態監測每個儲能單體的實際電壓值並實時動態更新計算儲能系統的單個儲能單體應當具有的當前電壓平均值同時得到當前電壓平均值限定值，當被充電單體實際電壓值達到當前電壓平均值時，停止對其充電；(5)當沒有任何單體實際電壓值低於當前電壓平均值限定值時，關閉開關電源，停止對各單體電壓採樣，均衡系統休眠。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述步驟(1)中均衡系統分為休眠模式和 定時甦醒模式，定時甦醒時對串聯電量儲能系統中的每個儲能單體進行電壓採樣。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於所述步驟(1)中定時甦醒的間隔根據串聯 儲能系統的不同使用狀態進行調整。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述步驟(2)中電壓平均值是根據實時測 得的每個儲能單體的實際電壓值與儲能單體的個數動態計算得到的。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於所述步驟(2)中電壓平均值限定值是根據 電壓平均值減去設定的定值得到。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述步驟(4)中當某儲能單體電壓低於電 壓平均值限定值時，開關電源變換模塊通過可切換的繼電器對該儲能單體充電以達到當前 電壓平均值。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於所述步驟(4)中開關電源變換模塊的輸 入電壓範圍應適合串聯儲能系統整體的允許電壓變化範圍，其輸出應適合被均衡的單體電 壓，輸出電壓可控，輸入輸出應隔離。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的方法，其特徵在於該方法應用於串聯電量儲能 系統全壽命過程中。全文摘要
本發明涉及一種串聯電量儲能均衡方法，定時對串聯電量儲能系統中的每個儲能單體進行電壓採樣以得到每個儲能單體的實際電壓值；動態計算儲能系統的單個儲能單體應當具有的當前電壓平均值，並得到當前電壓平均值限定值；將每個儲能單體的實際電壓值與當前電壓平均值限定值比較，若發現有實際電壓值低於當前電壓平均值限定值的單體時，啟動開關電源對低於當前電壓平均值限定值的儲能單體逐一充電，在充電過程中動態監測每個儲能單體的實際電壓值並實時動態更新計算儲能系統的單個儲能單體應當具有的當前電壓平均值同時得到當前電壓平均值限定值，當被充電單體實際電壓值達到當前電壓平均值時，停止對其充電。
文檔編號H02J7/00GK101969216SQ201010512460
公開日2011年2月9日 申請日期2010年10月20日 優先權日2010年10月20日
發明者武少傑, 陳飛飛 申請人:洛陽乾禾儀器有限公司