一種並聯電池模塊及方法與流程

2023-10-29 16:43:36

本發明涉及一種並聯電池模塊及方法。

背景技術：

蓄電池作為變電站/電廠直流電源系統的核心部分，其可靠性直接決定了直流電源系統供電的可靠性。傳統直流電源系統是由多節蓄電池串聯起來組成蓄電池組來使用的。

蓄電池串聯使用，有如下缺點：

1)單體蓄電池故障影響整組輸出。蓄電池內部化學反應或離子遷移難以人為精確控制，串聯數量越多，單體故障發生機率越大。

2)蓄電池電參數須保持一致。不同品牌、不同類型、甚至同一廠家不同批次的蓄電池不能混合使用，蓄電池利用效率降低。

3)蓄電池組擴容困難，一般需要更換整組蓄電池。

4)蓄電池組只能整組冗餘配置、冗餘配置成本高。

5)蓄電池組無法實現在線全容量核容、在線檢修、更換。

目前，通常利用並聯電池模塊解決上述問題，如圖2所示，但是，現有的並聯電池模塊當交流輸入失電時，電池通過第一直流變換電路和第二直流變換電路兩級直流變換給負載供電，每一級直流變換都會損失一部分效率，整體效率較低；過負載能力較差；在負載短路時，直流變換電路提供的短路電流較小，不能可靠保證故障迴路的斷路器可靠斷開，引起故障範圍擴大。

同時，現有的並聯電池模塊只針對單節12V鉛酸蓄電池，適應範圍窄。一般沒有配置蓄電池監測單元，無法對蓄電池的溫度、單節電池電壓、單節電池內阻等參數進行監測。對並聯電池模塊的保護、監測、控制功能提及較少，功能不夠完善且直流變換電路效率較低。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種並聯電池模塊及方法，該發明電源輸入端與直流輸出端之間只有1級電源變換，提高了整體轉換效率。正常工作時第一DC/DC變換器和第三DC/DC變換器同時連接負載，顯著的提高了過負載能力。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種並聯電池模塊，包括依次相連的濾波電路、整流電路、PFC功率因數校正電路、第一DC/DC變換器、儲能元件和限流元件，將輸入的交流電變換為直流輸出；

所述PFC功率因數校正電路的輸出端通過第二DC/DC變換器連接蓄電池，在交流電源正常時給蓄電池充電；

所述蓄電池通過第三DC/DC變換器，將蓄電池輸入的直流電源升壓變換為110V或220V直流電壓，所述第三DC/DC變換器與第一DC/DC變換器的輸出端並聯，經儲能元件和限流元件，輸出到模塊輸出端，正常工作時作為第一DC/DC變換器的熱備份，過負載時，提供電流輸出，與第一DC/DC變換器共同帶負載；

所述PFC功率因數校正電路、第一DC/DC變換器、第二DC/DC變換器和第三DC/DC變換器均連接模塊監控單元，接受模塊監控單元的監測、保護、控制，並通過模塊監控單元與上位機進行通信；

可選的，所述電池組連接有電池監測單元，採集電池組的電壓、溫度、內阻和電流信息，提供電池監控與保護。

優選的，所述蓄電池為電池組或電池，所述電池組包括多節串聯的電池。

所述電池組的電壓範圍為10-56V。

優選的，所述第一DC/DC變換器、第二DC/DC變換器和第三DC/DC變換器均採用LLC諧振電壓型拓撲。

優選的，所述模塊監控單元為PFC功率因數校正電路、第一DC/DC變換器、第二DC/DC變換器和第三DC/DC變換器提供輸出過電壓保護、輸出欠電壓保護、輸出過電流保護、過溫保護和輸出端短路保護。

優選的，所述模塊監控單元監測PFC功率因數校正電路、第一DC/DC變換器、第二DC/DC變換器和第三DC/DC變換器的輸入電壓、輸出電壓和輸出電流。

優選的，所述電池監測單元監測電池組的單節電池電壓、電池總電壓、電池電流、電池剩餘容量和/或電池工作狀態。

優選的，所述濾波電路為EMI濾波電路。

當交流電源有電且負載正常的時候，直流母線主要由第一DC/DC變換器供電，第三DC/DC變換器只是作為熱備份，不對外輸出電流。

基於上述模塊的工作方法，在交流有電且負載正常時，交流輸入經濾波電路、整流電路和PFC功率因數校正電路處理後變換為直流電壓A，經第一DC/DC變換器變換為110V或220V直流電壓輸出到內部直流母線，經過儲能元件和限流元件，輸出到外部直流母線，提供負載使用，同時直流電壓A經第二DC/DC變換器變換降壓為10-56V的直流電源給電池組進行充電，電池電壓經第三DC/DC變換器升壓變換為110V或DC220V直流電壓，輸出到內部直流母線，作為第一DC/DC變換器的熱備份。

基於上述模塊的工作方法，在交流失電狀態時，第一DC/DC變換器和第二DC/DC變換器不工作，電池電壓經第三DC/DC變換器變換升壓為110V或220V直流電壓，輸出到內部直流母線，經過儲能元件和限流元件，輸出到外部直流母線，提供負載使用。

基於上述模塊的工作方法，在交流有電，但模塊過負載運行時，第一DC/DC變換器和第三DC/DC變換器同時工作，同時輸出電流到內部直流母線，經過儲能元件和限流元件，輸出到外部直流母線，提供負載使用。

所述第二DC/DC變換器按照設定的充電曲線對電池組進行充電管理。

所述電池組為鉛酸蓄電池時，採用恆流充電、恆壓限流充電和浮充電三段充電曲線進行充電；當電池組為鋰電子電池時，採用多段恆流充電曲線進行充電。

一種直流電源系統，包括多個上述所述的並聯電池模塊。

本發明的有益效果為：

(1)電源輸入端與直流輸出端之間只有1級電源變換模塊，較現有設計方案，提高了整體轉換效率；

(2)本發明的第一DC/DC變換器和第三DC/DC變換器同時接到負載上，過負載能力顯著提高，在負載短路時，2個直流變換電路都能夠提供短路電流，電流輸出能力是現有技術的2倍，能夠更可靠的保證故障迴路的斷路器斷開，避免故障範圍擴大；

(3)電池組的電池類型可以是鉛酸電池、鋰離子電池、鉛炭電池等，適應範圍更廣，除完成基本的電能轉換功能，還提供完善的保護、監測、控制功能；

(4)配置有電池監測單元，對電池溫度、單節電池電壓、單節電池內阻等參數進行監測。有效的保證電源系統的可靠性，同時，為蓄電池充、放電管理的過程中，更精確的控制充放電參數提供依據。另外，為更精確的電池組容量估算提供數據支撐；

(5)採用的三個DC-DC模塊都使用LLC諧振電壓型拓撲，採用DSP數字軟開關算法控制。上述拓撲及算法開關損耗低，能量轉換效率高，算法控制靈活。

附圖說明

圖1是並聯電池系統框圖；

圖2是現有技術並聯電池模塊框圖；

圖3是本發明的改進後並聯電池模塊框圖。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

1、如圖3所示，一種並聯電池模塊採用3個直流變換電路的方案，該方案整體設計優點：

1)電源輸入端與直流輸出端之間只有1級電源變換，較現有設計方案，提高了整體轉換效率；

2)有2個直流變換器(DC/DC1和DC/DC3)直接接到負載上，過負載能力顯著提高；

3)有2個直流變換器(DC/DC1和DC/DC3)直接接到負載上，在負載短路時，2個直流變換電路都能夠提供短路電流，電流輸出能力是現有技術的2倍，能夠更可靠的保證故障迴路的斷路器斷開，避免故障範圍擴大。

2、本發明所述並聯電池模塊，使用的電池，可使用10-56V電壓範圍的電池或電池組。可以是單節電池，也可以是多節電池串聯的電池組。電池類型可以是鉛酸電池、鋰離子電池、鉛炭電池等。適應範圍更廣。

3、本發明所述並聯電池模塊，可選配電池監測單元，對電池溫度、單節電池電壓、單節電池內阻等參數進行監測。有效的保證電源系統的可靠性。同時，為蓄電池充、放電管理的過程中，更精確的控制充放電參數提供依據。另外，為更精確的電池組容量估算提供數據支撐。

4、本發明所述並聯電池模塊，除完成基本的電能轉換功能，還提供完善的保護、監測、控制功能。

4.1、保護功能

1)模塊輸出過電壓保護

2)模塊輸出欠電壓保護

3)模塊輸出過電流保護

4)模塊輸出端短路保護

5)模塊過溫保護

4.2、監測功能

1)交流輸入電壓監測

2)模塊輸出電壓監測

3)模塊輸出電流監測

4)電池總電壓監測

5)單節電池電壓監測

6)電池電流監測監測

7)電池剩餘容量監測

8)電池工作狀態監測

9)電池溫度監測

4.3、控制功能

手動充電控制

手動放電控制

充電過程管理

放電過程管理

自動核容控制

手動核容控制

5、本發明所述並聯電池模塊中，採用的三個DC-DC模塊都使用LLC諧振電壓型拓撲，採用DSP數字軟開關算法控制。上述拓撲及算法開關損耗低，能量轉換效率高，算法控制靈活。

6、電池配置方案

推薦3個電池配置方案

6.1、方案1：電池組採用單節12V鉛酸電池來實現。

1)這種配置每個並聯電池模塊內部配置的電池不存在串聯情況，能夠最大限度的避免串聯蓄電池的缺點。

2)在110kV變電站直流電源系統應用中，需採用10幾個並聯電池模塊並聯達到直流電源的容量需求，採用「N+1」冗餘的配置，多配置1個模塊作為冗餘備份，冗餘配置成本最低。

3)該方案存在並聯電池模塊配置較多，經濟性不夠好的問題。

6.2、方案2：電池組採用2節12V鉛酸電池串聯來實現，電池組電壓為24V。

1)這種配置電池電壓高，DC/DC2和DC/DC3的變比相對較低，變換效率更高。

2)單個並聯電池模塊的容量相比採用單節12V電池的情況增加了1倍。在110kV變電站直流電源系統應用中，採用5、6個並聯電池模塊並聯即可達到直流電源的容量需求。5、6個模塊並聯，採用「N+1」冗餘的配置，多配置1個模塊作為冗餘備份，20％左右的冗餘配置成本，冗餘配置成本適中。

3)2節電池串聯，其中1塊故障，2塊電池需要同時更換，電池綜合成本比單節12V電池方案略有提高。

6.3、方案3：電池組採用4節12V鉛酸電池串聯來實現，電池組電壓為48V。

1)這種配置電池電壓最高，DC/DC2和DC/DC3的變比最低，變換效率最高。

2)單個並聯電池模塊的容量相比採用單節12V電池的情況增加了3倍。在110kV變電站直流電源系統應用中，採用3個並聯電池模塊並聯即可達到直流電源的容量需求。採用「N+1」冗餘的配置，多配置1個模塊作為冗餘備份，30％左右的冗餘配置成本，相對偏高。

3)4節電池串聯，其中1塊故障，4塊電池需要同時更換，電池綜合成本最高。

綜合比較上述3個方案，方案2成本適中，模塊數量適中，建議優先選用。

7、並聯電池模塊結構形式配置方案

電池、電池監測單元、儲能元件、限流元件，並聯電池模塊的這4個組成部分的其中之一或全部，可以根據結構、尺寸要求外置，通過電纜與並聯電池模塊連接，也可以全部內置。

8、並聯電池模塊工作方式介紹

模塊工作分為3種狀態：S1交流有電狀態、S2交流失電狀態、S3交流有電，模塊過負載運行狀態。

在S1狀態：模塊由交流電源輸入(AC220V或AC380V)，經EMI濾波電路、整流電路和PFC功率因數校正電路處理後變換為直流電壓1(電壓幅值與交流電源輸入電壓有效值相當)，經DC/DC1變換為DC110V或DC220V直流電壓2輸出到內部直流母線，經過儲能元件和限流元件，輸出到外部直流母線，提供負載使用。同時直流電壓1經DC/DC2變換降壓為DC10-56V的直流電源給蓄電池進行充電。電池電壓經DC/DC3升壓變換為DC110V或DC220V直流電壓，輸出到內部直流母線，作為DC/DC1的熱備份。DC/DC3的直流輸出電壓整定值比DC/DC1的直流輸出電壓整定值略低，所以當交流電源有電且負載正常的時候，直流母線主要由DC/DC1供電，DC/DC3隻是作為熱備份，不會對外輸出電流。DC/DC1和DC/DC3內部都具有防倒灌電路，只能向內部直流母線輸出電流，不能由內部直流母線輸入電流。

在S2狀態：交流失電，DC/DC1和DC/DC2不工作，電池電壓經DC/DC3變換升壓為DC110V或DC220V直流電壓，輸出到內部直流母線，經過儲能元件和限流元件，輸出到外部直流母線，提供負載使用。

在S3狀態，交流有電，模塊過負載運行，DC/DC1和DC/DC3同時工作，同時輸出電流到內部直流母線，經過儲能元件和限流元件，輸出到外部直流母線，提供負載使用。

模塊監控單元，由微控制器、採集電路、控制電路、算法組成，對PFC功率因數校正電路、DC/DC1、DC/DC2、DC/DC3等進行監測和控制，並與上位機通訊傳送各種信號和命令。

DC/DC1、DC/DC2和DC/DC3均採用LLC諧振電壓型拓撲，採用DSP數字軟開關算法控制，完成高效的電壓轉換及能量傳遞，並可與模塊監控單元通信，上傳DC/DC模塊工作狀態信息、電池信息等，並接受模塊監控單元控制。

DC/DC2內部DSP控制器同時具備蓄電池充電管理功能，控制DC/DC2按照設定的充電曲線對蓄電池進行充電管理。一般鉛酸蓄電池採用恆流充電——>恆壓限流充電——>浮充電三段充電曲線進行充電。鋰離子電池採用多段恆流充電曲線進行充電。

儲能元件，一般由電力用電解電容或超級電容組成，平時儲存能量，在負載側出現衝擊負載時，提供短時大電流，防止DC/DC單元因衝擊負載導致過流保護；同時，在負載側短路時，由於斷路器跳閘需要較大的電流，並需要持續一定的時間，DC/DC變換器無法單獨提供該斷路器跳閘電流，可能引起DC/DC過流保護。這時候，由儲能元件提供短時大電流，驅動斷路器跳閘，斷路器跳閘後，DC/DC模塊能夠繼續正常工作，為正常負載提供工作電源。

限流元件，由限流電路和均流電路組成。在負載正常時，起到多個並聯電池模塊之間電流均衡的作用；在負載側短路時，控制儲能元件放電速度，以可整定的可控電流值(該電流需大於斷路器跳閘電流)放電，保證以最小的儲能成本實現可靠的故障跳閘。

電池監測單元是一個可選單元，主要用於配置電池組的情況，用於電池組內各單節電池的電壓、內阻、溫度等狀態的監測，為電池組的充電過程控制和放電過程控制提供控制參數依據。同時，為更精確的電池組容量估算提供數據支撐。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。