光伏儲能系統的蓄電池均衡方法與裝置及該光伏儲能系統與流程
2023-05-14 05:41:26
本發明涉及光伏儲能技術領域，更具體地講，涉及一種光伏儲能系統的蓄電池均衡方法與裝置及該光伏儲能系統。
背景技術：
光伏儲能系統利用光伏電池發電，發出的電量可以直接給負載供電，也可將多餘的能量儲存於蓄電池中。在天氣狀況不適合光伏電池發電、發電量無法滿足負載需求時，蓄電池可以為負載提供電能。
常見的光伏儲能系統有太陽能路燈和家用光伏系統等。在這兩種常見的光伏儲能系統，負載需求並不是時刻存在的。比如太陽能路燈，白天時路燈不需要點亮，光伏電池發出的電存儲於蓄電池中。當夜晚來臨時，蓄電池的電量提供給路燈。而光伏儲能系統中的蓄電池在生產過程中和使用過程中都會造成容量、內阻的不一致，並且隨著使用時間的延長，電池單體之間的差異會越來越大，導致電池的使用壽命減少。
對於蓄電池的容量和內阻不一致問題，目前的解決方法主要是用蓄電池的bms（batterymanagementsystem，電池管理系統）來對電池進行均衡。均衡技術主要有兩種：一種是被動均衡，電池單體並聯電阻來消耗電能，效率低且浪費電能；另一種是主動均衡，是在單體電池之間進行能量轉移，效率高但是成本也非常高。
目前的蓄電池均衡技術主要是單獨針對於蓄電池而考慮設計的，普遍採用的是在bms中對電池進行均衡，沒有考慮光伏儲能系統的結構特點，並且需要增加專用的均衡硬體。被動均衡需要增加並聯電阻，主動均衡需要增加電量轉移單元，如電容或dc-dc（直流-直流變壓器）。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是，現有技術中利用bms對光伏儲能系統的電池均衡時，存在均衡效率較低且浪費電能，或者需要增加額外的均衡硬體，成本較高的問題。
為解決上述技術問題，本發明提供一種光伏儲能系統的蓄電池均衡方法，所述方法包括：
步驟一、判斷光伏儲能系統是否處於儲能狀態，如果是，則進入步驟二，否則，繼續執行本步驟一；
步驟二、判斷蓄電池組是否需要均衡，如果需要均衡，則進入步驟三，否則返回步驟一；
步驟三、對所述蓄電池組進行均衡，完成均衡後，繼續對所述蓄電池組進行充電。
進一步地，根據光伏電池的發電量、蓄電池的電量、負載的連接情況來判斷所述光伏儲能系統所處於的工作狀態：
儲能狀態，是指：沒有負載連接到所述光伏儲能系統的dc-dc，光伏電池處於發電狀態且發電量滿足蓄電池的充電需求，光伏電池經過dc-dc給蓄電池充電；
光伏供電狀態，是指：負載連接到dc-dc，光伏電池處於發電狀態且發電量能夠滿足負載的供電需求，光伏電池經過dc-dc直接給負載供電；
蓄電池供電狀態，是指：負載連接到dc-dc，光伏電池無法發電、或者處於發電狀態但發電量不滿足負載的供電需求，蓄電池經過dc-dc給負載供電。
進一步地，通過以下方式判斷蓄電池組是否需要均衡：
如果所述蓄電池組的soc達到預定閾值、且所述蓄電池組中單體電池的電壓滿足預定的均衡條件，則判定所述蓄電池需要均衡；否則，判定所述蓄電池組不需要均衡。
進一步地，所述蓄電池組中單體電池的電壓滿足預定的均衡條件，是指：所述蓄電池組中單體電池的最大電壓與蓄電池組均值電壓的差值大於所述蓄電池組均值電壓的5%；或者，所述蓄電池組中單體電池的最大電壓與最小電壓之差大於所述蓄電池組均值電壓的10%；
其中，所述蓄電池組均值電壓為所述蓄電池組中所有單體電池的平均電壓值。
進一步地，通過以下方式對所述蓄電池組進行均衡：
根據單體電池的電壓值的高低對所述蓄電池組中所有單體電池進行排序；
按照電壓值從低到高的順序依次對所述蓄電池組中除電壓最大的單體電池以外的其他各單體電池進行充電均衡；其中，對每個單體電池進行充電均衡時，僅使該單體電池與dc-dc接通，其他單體電池與dc-dc斷開，直到該單體電池的電壓與單體電池的最大電壓的差值的絕對值小於所述單體電池的最大電壓的2%時，停止對該單體電池充電均衡，繼續對下一個單體電池進行充電均衡；直至所述蓄電池組中除電壓最大的單體電池以外的單體電池全部完成充電均衡後，完成對所述蓄電池組的均衡。
進一步地，所述方法還包括，在繼續對所述蓄電池組進行充電後，通過以下方式對所述蓄電池組進行二次均衡：
在開始繼續對所述蓄電池組充電時，如果所述蓄電池組的soc90%，則對整個所述蓄電池組進行充電，當所述蓄電池組中單體電池的最大電壓達到額定電壓時，停止充電，返回所述步驟二。
進一步地，所述方法還包括：
在所述步驟二、步驟三和步驟四的過程中，當檢測到所述光伏儲能系統的dc-dc連接負載時，直接返回所述步驟一。
此外，本發明還提供了一種光伏儲能系統的蓄電池均衡裝置，所述裝置應用於光伏儲能系統的光伏控制器，所述裝置包括：
狀態檢測單元，用於判斷光伏儲能系統是否處於儲能狀態，如果是，則通知均衡控制單元；
均衡控制單元，用於判斷蓄電池是否需要均衡，如果需要均衡，對蓄電池組各單體電池進行均衡，完成均衡後，通知充電控制單元；
充電控制單元，用於對整個蓄電池組進行充電。
進一步地，所述狀態檢測單元根據光伏電池的發電量、蓄電池的電量、負載的連接情況來判斷所述光伏儲能系統所處於的工作狀態：
儲能狀態，是指：沒有負載連接到光伏儲能系統的dc-dc，光伏電池處於發電狀態且發電量滿足蓄電池的充電需求，光伏電池經過dc-dc給蓄電池充電；
光伏供電狀態，是指：負載連接到dc-dc，光伏電池處於發電狀態且發電量能夠滿足負載的供電需求，光伏電池經過dc-dc直接給負載供電；
蓄電池供電狀態，是指：負載連接到dc-dc，光伏電池無法發電、或者處於發電狀態但發電量不滿足負載的供電需求，蓄電池經過dc-dc給負載供電。
進一步地，所述均衡控制單元通過以下方式判斷蓄電池是否需要均衡：
如果所述蓄電池組的soc達到預定閾值、且所述蓄電池組中單體電池的電壓滿足預定的均衡條件，則判定所述蓄電池需要均衡；否則，判定所述蓄電池組不需要均衡；
其中，所述蓄電池組中單體電池的電壓滿足預定的均衡條件，是指：所述蓄電池組中單體電池的最大電壓與蓄電池組均值電壓的差值大於所述蓄電池組均值電壓的5%；或者，單體電池的最大電壓與最小電壓之差大於所述蓄電池組均值電壓的10%；所述蓄電池組均值電壓為所述蓄電池組中所有單體電池的平均電壓值。
進一步地，所述均衡控制單元通過以下方式對所述蓄電池組進行均衡：
根據單體電池的電壓值的高低對所述蓄電池組中所有單體電池進行排序；
按照電壓值從低到高的順序依次對所述蓄電池組中除電壓最大的單體電池以外的其他各單體電池進行充電均衡；
其中，對每個單體電池進行充電均衡時，僅使該單體電池與dc-dc接通，其他單體電池與dc-dc斷開，直到該單體電池的電壓與單體電池的最大電壓的差值的絕對值小於所述單體電池的最大電壓的2%時，停止對該單體電池充電均衡，繼續對下一個單體電池進行充電均衡；直至所述蓄電池組中除電壓最大的單體電池以外的單體電池全部完成充電均衡後，完成對所述蓄電池組的均衡。
進一步地，所述充電控制單元還用於，在繼續對所述蓄電池組進行充電後，通過以下方式對所述蓄電池組進行二次均衡：
在開始繼續對所述蓄電池組充電時，如果所述蓄電池組的soc90%，則對整個所述蓄電池組進行充電，當所述蓄電池組中單體電池的最大電壓達到額定電壓時，停止充電，並通知所述均衡控制單元對所述蓄電池組進行二次均衡。
進一步地，所述狀態檢測單元還用於，當檢測到所述光伏儲能系統的dc-dc連接負載時，通知所述均衡控制單元和所述充電控制單元；所述均衡控制單元和所述充電控制單元接收到所述狀態檢測單元的負載連接通知時，停止對所述蓄電池組的均衡或充電。
此外，本發明還提供了一種光伏儲能系統，所述光伏儲能系統包括光伏電池、光伏控制器、dc-dc，和蓄電池組，其特徵在於，所述光伏控制器包括如權利要求8~13之任一項所述的蓄電池均衡裝置。
以上本發明所提供的光伏儲能系統的蓄電池均衡方法和裝置，利用光伏儲能系統本身具有的光伏電池和光伏控制器對蓄電池進行均衡，提高蓄電池組中單體電池在使用過程中的一致性，從而提高了蓄電池的使用壽命；本發明提供的光伏儲能系統，與現有技術中通過bms進行均衡的光伏儲能系統相比，直接利用光伏電池和光伏控制器對蓄電池進行均衡，無需增加額外的均衡硬體，既節約了bms均衡部分的硬體成本，又充分利用了光伏電池的發電電量，提高了光伏電池的使用效率，延長了蓄電池的壽命。
本發明的上述技術方案相比現有技術，至少具有以下優點之一：
1、提高蓄電池壽命：本發明通過對蓄電池進行均衡，提高蓄電池組中單體電池在使用過程中的一致性，從而提高了蓄電池的使用壽命。
2、降低成本：本發明應用在光伏儲能系統中，充分利用了儲能系統中本身具有的光伏控制器和dc-dc來進行電池均衡，其中dc-dc是儲能系統本身具有的，與在儲能系統中利用bms來進行均衡相比，節省了成本。
3、提高光伏電池的使用效率：本發明是在儲能系統處於儲能狀態下進行的，且蓄電池soc（stateofcharge，電池荷電狀態）滿足soc>80%的情況下進行，既滿足蓄電池的儲能需求，又可以對蓄電池進行均衡。與將蓄電池充滿後斷開光伏電池相比，本發明利用光伏電池的發電量對蓄電池進行均衡，提高了光伏電池的使用效率。
附圖說明
圖1是光伏儲能系統的拓撲示意圖；
圖2是光伏儲能系統中dc-dc和蓄電池的連接結構示意圖；
圖3是本發明實施例一的光伏儲能系統的蓄電池均衡方法的主要步驟示意圖；
圖4是本發明實施例二的光伏儲能系統的蓄電池均衡方法的主要步驟示意圖；
圖5是本發明實施例三的光伏儲能系統的蓄電池均衡裝置的組成示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的實施方式作進一步地詳細描述。
實施例一
圖1示出了常見的光伏儲能系統的拓撲結構，光伏儲能系統拓撲結構主要包括光伏電池、dc-dc、光伏控制器、蓄電池組和負載，其中dc-dc的作用是將電壓轉換為適合蓄電池充電的電壓。
光伏儲能系統中dc-dc和蓄電池的連接方式如圖2所示。蓄電池組中的n個蓄電池是串聯的，分別用b1,b2,…,bn-1,bn表示。開關用k1,k2,…kn-1,kn,q1,q2,…,qn-1,qn表示，可以通過開關的通斷來選擇蓄電池組中某一個單體電池與dc-dc相連。其中開關選擇使用mos管，以提高開關的通斷速度及減少功率損耗。mos管的通斷由光伏控制器來驅動完成，例如，如果選擇單體電池bm(m=1,2,…,n)與dc-dc相連接，則光伏控制器驅動開關km(m=1,2,…,n)和qm(m=1,2,…,n)導通，而其他的開關都處於斷開狀態。
本實施例的光伏儲能系統的蓄電池均衡方法如圖3所示，主要包括如下步驟：
步驟一：判斷光伏儲能系統是否處於儲能狀態，如果是，則進入步驟二，否則繼續進行判斷；
本實施例中，將光伏儲能系統的工作狀態分為三個工作狀態：第一個是儲能狀態，負載沒有被連接到dc-dc上，即負載沒有電量的需求，並且光照條件滿足光伏電池發電需求，光伏電池將太陽能轉化為電能，然後經過dc-dc給蓄電池充電；第二個是光伏電池供電狀態，即負載連接到dc-dc，光伏電池處於發電狀態，且發電量可以滿足負載的供電需求，則光伏電池發電並通過dc-dc直接給負載供電；第三個是蓄電池供電狀態，即負載連接到dc-dc，但此時光伏電池處於無法發電或者處於發電狀態但其發電量不足以滿足負載電量需求，則蓄電池經過dc-dc給負載供電。
光伏儲能系統工作期間會在這三個工作狀態之間互相轉換，光伏控制器可以根據光伏電池的發電量、負載的供電需求和蓄電池的電量等來控制工作狀態的轉換。其中，光伏控制器可通過監測dc-dc與負載之間開關兩端的電壓或電流，來判斷是否有負載連接到dc-dc。如果光伏控制器判斷此時儲能系統處於儲能狀態，則進入步驟二，否則繼續進行判斷。
步驟二：判斷蓄電池組是否需要均衡，如果需要均衡，則進入步驟三，否則返回步驟一。
光伏控制器能夠監控整個蓄電池組的電壓並計算soc，同時監控蓄電池組中每一個單體電池的電壓。
本實施例中，如果蓄電池組同時滿足下面兩個條件，則說明蓄電池組需要進行均衡並進入步驟三，否則不需要進行均衡。
第一個條件是，蓄電池組的soc達到或大於預定閾值，例如滿足soc>80%；
由於蓄電池組在儲能狀態下的目的是給蓄電池充電，以便在負載連通並且光伏電池發電量不足時給負載供電，因此，本發明中，首先要保證蓄電池已經儲存了一定的電量，並且這些電量可以基本滿足負載的供電需求。在此基礎上，才對蓄電池組進行均衡。
第二個條件是，蓄電池組中單體電池電壓滿足預定的均衡條件，例如滿足下面的公式：
其中，光伏控制器監控每一個單體電池的電壓，將蓄電池組中n個單體電池的電壓記為u1,u2…un-1,un,所有單體電池的平均電壓值記為uave，單體電池最大的電壓記為umax，單體電池最低的電壓記為umin。
即，該均衡條件是，單體電池的最大電壓與蓄電池組均值電壓的差值大於均值電壓的5%。
此外，可替代地，該均衡條件還可以是如下公式：
即，該該均衡條件還可以是，單體電池的最大電壓與最小電壓之差大於均值電壓的10%。
本實施例中，上述兩個公式中，只要其中滿足其中一個公式，就表明蓄電池組需要均衡。
步驟三：對蓄電池組各單體電池進行均衡，均衡完成後，進入步驟四。
具體地，在對蓄電池組進行電池均衡時，將蓄電池組中所有的單體電池根據電壓從低到高進行排序，記為b_l1,b_l2,…,b_ln-1,b_ln，以此作為單體電池均衡的先後次序。
首先，對電壓最低的單體電池b_l1進行充電，光伏控制器控制單體電池b_l1相應開關的接通或斷開來選擇該單體電池，使得該單體電池與dc-dc接通，其他單體電池與dc-dc斷開。
然後，光伏控制器調整dc-dc的輸出電壓來給該單體電池充電，即如果光伏電池此時的輸出電壓小於該單體電池，則需要利用dc-dc的升壓功能來提高dc-dc的輸出電壓給單體電池充電。當該單體電池的電壓滿足下面的公式時，停止對該單體電池充電：
其中u為正在均衡的單體電池b_l1的電壓。即，該單體電池的電壓與單體電池的最大電壓的差值的絕對值小於單體電池的最大電壓的2%時，停止對該單體電池充電均衡，
當該單體電池b_l1均衡結束後，開始對單體電池b_l2進行均衡，當滿足均衡結束的條件時停止對該單體電池均衡。按照單體電池電壓從低到高的次序依次進行均衡，其中電壓最大的單體電池不需要均衡，即需要對除電壓最大的單體電池以外的n-1個單體電池進行充電均衡。
如果在對蓄電池組中的單體電池進行均衡的過程中，負載接通並且需要光伏電池或者蓄電池給它供電，則停止單體電池的均衡並且返回步驟一。如果n-1個單體電池都均衡結束，則進入步驟四。
步驟四：對蓄電池組繼續進行充電。
本實施例中，在對蓄電池組進行均衡完成後，繼續對蓄電池組進行充電，充電完成後，結束，等待下一次均衡過程；或者，直接返回步驟一。
此外，如果在充電過程中，負載被連接到dc-dc，則停止充電，返回步驟一。
實施例二
本實施例的光伏儲能系統的蓄電池均衡方法與前述實施例一的主要區別在於，前述實施例一中，僅在判斷蓄電池的soc大於預定閾值（例如80%，但不限於80%）且滿足預定的均衡條件時，對蓄電池組中各單體電池進行充電均衡；而本實施例中，在對蓄電池組中各單體電池完成充電均衡、並繼續對蓄電池組進行充電後，對蓄電池組進行二次均衡。
如圖4所示，本實施例的光伏儲能系統的蓄電池均衡方法主要包括如下步驟：
步驟一：判斷光伏儲能系統是否處於儲能狀態，如果是，則進入步驟二，否則繼續進行判斷；
步驟二：判斷蓄電池組是否需要均衡，如果需要均衡，則進入步驟三，否則返回步驟一。
步驟三：對蓄電池組各單體電池進行均衡，均衡完成後，進入步驟四。
按照單體電池電壓從低到高的次序依次進行均衡，其中電壓最大的單體電池不需要均衡，即需要對除電壓最大的單體電池以外的n-1個單體電池進行充電均衡。
如果在對蓄電池組中的單體電池進行均衡的過程中，負載接通並且需要光伏電池或者蓄電池給它供電，則停止單體電池的均衡並且返回步驟一。如果n-1個單體電池都均衡結束，則進入步驟四。
本實施例的上述步驟一至步驟三的具體實施步驟，與前述實施例一基本相同，在此不再贅述。
步驟四：對蓄電池組進行充電，充電完成後，返回步驟二。
本實施例中，根據蓄電池的soc將充電分為兩種情況：
第一種情況，如果電池均衡結束後，蓄電池的soc滿足條件：80%<soc<90%，則可以對蓄電池繼續進行二次均衡。均衡之前，先對整個蓄電池組進行充電，光伏控制器控制開關k1和qn導通，其他開關處於斷開狀態，使得整個蓄電池組和dc-dc連接，利用光伏電池對整個蓄電池組進行充電。當充電至蓄電池的soc到達90%時停止充電，返回步驟二。
第二種情況，如果電池均衡結束後，蓄電池的soc滿足條件：90%<soc<100%，則可以對蓄電池繼續進行二次均衡。均衡之前，先對整個蓄電池組進行充電，充電方式和上述第一種情況相同，但是充電結束的條件不同：當充電至單體電池的最大電壓為額定電壓時，停止充電，並返回步驟二。
此外，如果在充電過程中，負載被連接到dc-dc，則停止充電，返回步驟一。
實施例三
本實施例涉及一種光伏儲系統中的蓄電池均衡裝置，如圖5所示，該裝置主要包括：
狀態檢測單元，用於判斷光伏儲能系統是否處於儲能狀態，如果是，則通知均衡控制單元；
均衡控制單元，用於判斷蓄電池是否需要均衡，如果需要均衡，對蓄電池組各單體電池進行均衡，完成均衡後，通知充電控制單元；
充電控制單元，用於對整個蓄電池組進行充電。
其中，本實施例的蓄電池均衡裝置可以應用於光伏儲能系統中的光伏控制器中。
其中，狀態檢測單元可以根據光伏電池的發電量、蓄電池的電量、負載的連接情況來判斷光伏儲能系統處於如下哪一種工作狀態：
儲能狀態，是指：沒有負載連接到光伏儲能系統的dc-dc，光伏電池處於發電狀態且發電量滿足蓄電池的充電需求，光伏電池經過dc-dc給蓄電池充電；
光伏供電狀態，是指：負載連接到dc-dc，光伏電池處於發電狀態且發電量能夠滿足負載的供電需求，光伏電池經過dc-dc直接給負載供電；
蓄電池供電狀態，是指：負載連接到dc-dc，光伏電池無法發電或者處於發電狀態但發電量不滿足負載的供電需求，蓄電池經過dc-dc給負載供電。
其中，均衡控制單元可以通過以下方式判斷蓄電池是否需要均衡：
如果蓄電池組的soc達到預定閾值、且蓄電池組中單體電池的電壓滿足預定的均衡條件，則判定蓄電池需要均衡；否則，判定蓄電池組不需要均衡；
其中，蓄電池組中單體電池的電壓滿足預定的均衡條件，是指：蓄電池組中單體電池的最大電壓與蓄電池組均值電壓的差值大於蓄電池組均值電壓的5%；或者，單體電池的最大電壓與最小電壓之差大於蓄電池組均值電壓的10%；蓄電池組均值電壓為蓄電池組中所有單體電池的平均電壓值。
其中，均衡控制單元可以通過以下方式對蓄電池組進行均衡：
根據單體電池的電壓值的高低對蓄電池組中所有單體電池進行排序；
按照電壓值從低到高的順序依次對蓄電池組中除電壓最大的單體電池以外的其他各單體電池進行充電均衡；
其中，對每個單體電池進行充電均衡時，僅使該單體電池與dc-dc接通，其他單體電池與dc-dc斷開，直到該單體電池的電壓與單體電池的最大電壓的差值小於單體電池的最大電壓的2%時，停止對該單體電池充電均衡，繼續對下一個單體電池進行充電均衡；直至蓄電池組中除電壓最大的單體電池以外的單體電池全部完成充電均衡後，完成對蓄電池組的均衡。
進一步地，充電控制單元還用於，在繼續對蓄電池組進行充電後，通過以下方式對蓄電池組進行二次均衡：
在開始繼續對蓄電池組充電時，如果蓄電池組的soc滿足80%<soc<90%，則對整個蓄電池組進行充電，當蓄電池組的soc到達90%時，停止充電，並通知均衡控制單元對蓄電池組進行二次均衡；如果蓄電池組的soc滿足90%<soc<100%，則對整個蓄電池組進行充電，當蓄電池組中單體電池的最大電壓達到額定電壓時，停止充電，並通知均衡控制單元對蓄電池組進行二次均衡。
進一步地，狀態檢測單元還用於，當檢測到光伏儲能系統的dc-dc連接負載時，通知均衡控制單元和充電控制單元；均衡控制單元和充電控制單元接收到狀態檢測單元的負載連接通知時，停止對蓄電池組的均衡或充電。
實施例四
本實施例涉及一種光伏儲能系統，結合圖1和圖5所示，本實施例的光伏儲能系統主要包括光伏電池、光伏控制器、dc-dc，和蓄電池組，其中，本實施例的光伏控制器中包括前述實施例三中所述的蓄電池均衡裝置。
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明保護的範圍之中。