一种并联电池簇防环流电路及方法与流程

1.本发明涉及电池领域，尤其涉及一种并联电池簇防环流电路及方法。


背景技术：

2.由于单个电池簇的容量是有限的，所以需要把多个电池簇进行并联组合成为储能电池簇系统进行工作才能满足实际工作容量的要求。又因制造工艺的原因，这些电池簇之间的特性必然会存在差异。当储能电池簇系统反复充放电循环时，由于各个电池簇的初始容量差异、衰减特性不对称、温度分布不均匀等，电池簇在化学和电学特性方面具有不可避免的差异而导致充放电不均衡。
3.储能电池簇系统一般都有多条并联的储能支路，每条储能支路上有一个电池簇，电池簇用于储存电能；但是，由于电池簇之间的电池箱内阻、电压、soc 等不一致，并联的电池簇之间会存在电压差，多簇电池簇并联运行时，会在电池簇之间形成环流，即电量从电压高的电池簇流向电压低的电池簇。当电压差较大时，当电池簇断路器闭合时由于电池簇的内阻很小，此时会形成很大的环流，会对储能电池簇系统和其它元器件造成损坏甚至烧掉熔断器，引起严重的安全事故，所以大型的储能电池簇系统必须解决好环流问题，系统才能可靠的工作。
4.因此应该采取一定的均衡手段以控制电池簇之间环流的发生，从而增加电池簇的实际可用容量并且延长电池簇的寿命。电池簇均衡电路是减少电池簇不均衡程度、防止电池簇之间环流的发生、增加电池簇可用容量和延长循环寿命的有效手段。
5.目前电池簇并联环流控制方案是，通过在每簇电池簇主电路上设计预充电路来实现的。
6.具体实现过程如下：1）控制电路判断各电池簇端电压差小于等于设置值
△v1
，且电池簇无故障告警，各簇动作过程：直接闭合每簇主继电器和断路器，整个储能电池簇系统投入运行。
7.2）各电池簇端电压差大于设置值
△v1
，小于等于设置值
△v2
，且电池簇无故障告警，各簇动作过程：闭合预充继电器和断路器，进入环流自动维护模式，当各簇端电压差小于等于设置值
△v1
，闭合每簇主继电器，延时v秒后断开预充继电器。
8.3）各电池簇端电压差大于设置值
△v2
，bms无法正常上电，需通过人工干预方式维护来调整电池簇端电压。
9.现有电池簇环流预充电路控制方案电路图如图1所示，其方案存在以下问题：1）储能电池簇系统每次投入运行前，需要预充电路先行对电池簇进行预充，当每簇电池簇预充到目标电压值时，才能进行电池簇的并联，这样就导致整个电池簇系统每次都不能立即上电并联使用；2）在储能电池簇系统的运行过程中，随着充放电的持续进行，各个电池簇的不一致性会逐渐增大，当达到一定程度，bms 会提示并告警，这时簇间的差异已较大，储能电池簇系统此时需要停止工作，并需与 pcs、ems 配合做电池簇间的差异平衡。在做电池簇间差
异平衡的过程中，整个储能电池簇系统不能同时正常工作。
10.综合上述可以看出，出现这些问题的关键在于电池簇并联环流预充电路控制方案中的电池簇之间的差异平衡并不能随时随地的得到调整控制。


技术实现要素：

11.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提出了一种并联电池簇防环流电路及方法，能够在储能电池簇系统工作中和非工作中的任意阶段通过电量转移的方式对并联电池簇中的每个电池簇进行电池簇对电池簇的直接电量均衡，缩短均衡路径，减少均衡时间，从而最终实现电池簇间的差异平衡以达到控制电池簇并联环流的目的。
12.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种并联电池簇防环流电路，包含电池簇t1～ta、单向mos管开关w1～wa、单向mos管开关z1～za、断路器n1～na、断路器m1～ma、以及储能模块，其中, a为大于等于2的自然数；所述储能模块包含i个并联的储能模块，i为大于等于1的自然数；所述电池簇tb的正极分别和断路器nb的一端、单向mos管开关zb的漏极、单向mos管开关wb的源极相连，负极分别和断路器mb的一端相连，b为大于等于1小于等于a的自然数；所述储能模块的一端分别和电池簇t1～ta的负极相连，另一端分别和单向mos管开关z1～za的源极、单向mos管开关w1～wa的漏极相连；所述断路器nb的另一端均和pcs 相连，断路器mb的另一端均和pcs-相连。
13.本发明还公开了一种该并联电池簇防环流电路的电池簇之间的均衡方法，包含以下步骤：令c、d均为大于等于1小于等于a的自然数，且电池簇tc的电压高于电池簇td的电压；步骤a.1），控制单向mos管开关zc导通,接通电池簇tc和与其串联的储能模块的储能模块，电池簇tc和与其串联的储能模块形成电流通路，电池簇tc对储能模块进行充电，待充电完成后，关闭单向mos管开关zc；步骤a.2），控制单向mos管开关wd导通,接通电池簇td和与其串联的储能模块的储能模块，电池簇td和与其串联的储能模块形成电流通路，储能模块对电池簇td进行充电，待充电完成后，关闭单向mos管开关wd；步骤a.3），重复步骤a.1）至步骤a.2），直至电池簇tc的电压等于电池簇td的电压。
14.本发明还公开了一种该并联电池簇防环流电路的电池簇组之间的均衡方法，包含以下步骤：令电池簇t1～ta包含电池簇组g1和电池簇组g2，其中，电池簇组g1中包含若干个电压均为value1的电池簇，电池簇组g2中包含若干个电压均为value2的电池簇,value1大于value2；步骤b.1），对于电池簇组g1中每一个电池簇tc,控制其对应的单向mos管开关zc导通, c为大于等于1小于等于a的自然数，使得电池簇组g1中的各个电池簇均对储能模块进行充电，待充电完成后，对于电池簇组g1中每一个电池簇tc,控制其对应的单向mos管开关zc关闭；
步骤b.2），对于电池簇组g2中每一个电池簇td,控制其对应的单向mos管开关wd导通, d为大于等于1小于等于a的自然数，使得储能模块对电池簇组g1中的各个电池簇进行充电，待充电完成后，对于电池簇组g2中每一个电池簇td,控制其对应的单向mos管开关wd关闭；步骤b.3），重复步骤b.1）至步骤b.2），直至电池簇组g1和电池簇组g2的电压相等。
15.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1.与现有电池簇并联环流预充电路控制方案相比，本发明能够对并联电池簇直接上电，不需要提前预充，节省了提前预充电路的时间；2.与现有电池簇并联环流预充电路控制方案相比，本发明电路既可在储能电池簇系统的运行过程的充电、放电、静置任意阶段，也可在储能电池簇系统的非运行阶段，进行并联电池簇的电量均衡，克服了电池簇并联环流预充电路控制方案只能在系统停止工作时才能用预充电路方式控制电池簇并联环流的限制；3.现有电池簇并联环流预充电路控制方案，做电池簇间的差异平衡时，需要与pcs、ems配合才能进行，而本发明电路方案对电池簇并联环流的控制不需要与pcs、ems配合就能进行，只需要bms的配合就能完成目标任务；4.现有电池簇方案中的每一个电池簇并不能得到直接均衡，而本发明电路方案采用在两个并联的电池簇系列之间配备一个储能模块，可以对电池簇系列中的每一个电池簇进行直接电量均衡，并且能实现灵活的并联电池簇之间电池簇对电池簇的直接电量均衡，缩短了均衡路径，减少了均衡时间；5.本发明电路方案对电池簇间的差异均衡是通过电量转移的方式来实现的，工作过程中几乎没有电量损失，电量利用率高。
附图说明
16.图1是电池簇环流预充电路控制方案电路图；图2是本发明的电路示意图；图3是本发明具体实施例的电路示意图；图4是电池簇c1的部分电量转移储存到储能模块中的电流方向图；图5是储能模块的电能量转移储存到电池簇bk的电流方向图；图6是储能模块的电能量转移储存到电池簇cj的电流方向图；图7是电池簇c1和电池簇cj并联的部分电量转移储存到储能模块中的电流方向图。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
18.如图2所示，本发明公开了一种并联电池簇防环流电路，包含电池簇t1～ta、单向mos管开关w1～wa、单向mos管开关z1～za、断路器n1～na、断路器m1～ma、以及储能模块，其中, a为大于等于2的自然数；
所述储能模块包含i个并联的储能模块，i为大于等于1的自然数；所述电池簇tb的正极分别和断路器nb的一端、单向mos管开关zb的漏极、单向mos管开关wb的源极相连，负极分别和断路器mb的一端相连，b为大于等于1小于等于a的自然数；所述储能模块的一端分别和电池簇t1～ta的负极相连，另一端分别和单向mos管开关z1～za的源极、单向mos管开关w1～wa的漏极相连；所述断路器nb的另一端均和pcs 相连，断路器mb的另一端均和pcs-相连。
19.本发明还公开了一种该并联电池簇防环流电路的电池簇之间的均衡方法，包含以下步骤：令c、d均为大于等于1小于等于a的自然数，且电池簇tc的电压高于电池簇td的电压；步骤a.1），控制单向mos管开关zc导通,接通电池簇tc和与其串联的储能模块的储能模块，电池簇tc和与其串联的储能模块形成电流通路，电池簇tc对储能模块进行充电，待充电完成后，关闭单向mos管开关zc；步骤a.2），控制单向mos管开关wd导通,接通电池簇td和与其串联的储能模块的储能模块，电池簇td和与其串联的储能模块形成电流通路，储能模块对电池簇td进行充电，待充电完成后，关闭单向mos管开关wd；步骤a.3），重复步骤a.1）至步骤a.2），直至电池簇tc的电压等于电池簇td的电压。
20.本发明还公开了一种该并联电池簇防环流电路的电池簇组之间的均衡方法，包含以下步骤：令电池簇t1～ta包含电池簇组g1和电池簇组g2，其中，电池簇组g1中包含若干个电压均为value1的电池簇，电池簇组g2中包含若干个电压均为value2的电池簇,value1大于value2；步骤b.1），对于电池簇组g1中每一个电池簇tc,控制其对应的单向mos管开关zc导通, c为大于等于1小于等于a的自然数，使得电池簇组g1中的各个电池簇均对储能模块进行充电，待充电完成后，对于电池簇组g1中每一个电池簇tc,控制其对应的单向mos管开关zc关闭；步骤b.2），对于电池簇组g2中每一个电池簇td,控制其对应的单向mos管开关wd导通, d为大于等于1小于等于a的自然数，使得储能模块对电池簇组g1中的各个电池簇进行充电，待充电完成后，对于电池簇组g2中每一个电池簇td,控制其对应的单向mos管开关wd关闭；步骤b.3），重复步骤b.1）至步骤b.2），直至电池簇组g1和电池簇组g2的电压相等。
21.为了便于阐述，下面将电池簇t1～ta拆分为并联电池簇b系列b1～bk和并联电池簇c系列c1～cj，单向mos管开关w1～wa拆分为单向mos管开关f1～fj和单向mos管开关x1～xk，单向mos管开关z1～za拆分为单向mos管开关e1～ej和单向mos管开关y1～yk，断路器n1～na拆分为断路器u1～uj和断路器v1～vk，断路器m1～ma拆分为断路器d1～dj和断路器h1～h
k ，j、k均为大于等于1的自然数,如图3所示。
22.所述电池簇c
p
的正极分别和断路器u
p
的一端、单向mos管开关e
p
的漏极、单向mos管开关f
p
的源极相连，负极分别和断路器d
p
的一端相连，p为大于等于1小于等于j的自然数；所述电池簇cq的正极分别和断路器vq的一端、单向mos管开关yq的漏极、单向mos管
开关xq的源极相连，负极分别和断路器hq的一端相连，q为大于等于1小于等于k的自然数；所述储能模块的一端分别和电池簇c1～cj的负极、电池簇b1～bk的负极相连，另一端分别和单向mos管开关e1～ej的源极、单向mos管开关f1～fj的漏极、单向mos管开关y1～yk的源极、单向mos管开关x1～xk的漏极相连；所述断路器u
p
的另一端均和pcs 相连，断路器d
p
的另一端均和pcs-相连。
23.储能模块中，模块左侧正负极分别记为l 、l-，模块右侧正负极分别记为r 、r-；储能模块的核心是由i个储能模块并联组成，作为电量的转移交换中心。
24.单向mos管开关 e1～ej、f1～fj、x1～xk、y1～yk分别控制串联电池簇中每一个电池簇与储能模块的工作状态。并联电池簇c系列c1～cj的每个电池簇均可与储能模块左侧正负极形成并联电路，并联电池簇b系列b1～bk的每个电池簇均可与储能模块右侧正负极形成并联电路，并联电池簇c系列和并联电池簇b系列分别居于储能模块的左右两侧。
25.例如，并联电池簇c系列中电池簇cj右侧的单向mos管开关 ej、fj共同控制电池簇cj的正极电路与储能模块的工作状态，与储能模块的左侧正极l 相连接，并联电池簇c系列中所有电池簇的负极共线后与储能模块的左侧负极l-相连接；并联电池簇b系列中电池簇bk左侧的单向mos管开关 xk、yk共同控制电池簇bk的正极电路与储能模块的工作状态，与储能模块的右侧正极r 相连接，并联电池簇b系列中所有电池簇的负极共线后与储能模块的右侧负极r-相连接。
26.本发明电路方案中的所有电气元件均由控制电路进行控制。控制电路可以控制单向mos管开关e1～ej、f1～fj、x1～xk、y1～yk及断路器d1～dj、u1～uj、h1～hk、v1～vk的关闭和导通，并可处理控制他们之间的工作逻辑关系，且能实时监控整个电路系统的工作状态，能对及时信息做出判断和处理。
27.本发明电路的工作原理为，利用并联电池簇c系列和并联电池簇b系列之间的储能模块实现这两个并联电池簇系列内的每个电池簇之间的电量转移均衡。例如，并联电池簇c系列的电池簇c1可通过储能模块与并联电池簇b系列中的任意一个电池簇转移电量进行直接均衡。
28.现就整个储能电池系统中电量转移过程为例详细说明本发明电路方案的具体实施过程：为了提高均衡效率，优先进行最高电压电池簇与最低电压电池簇之间的电量转移均衡。
29.第一种情况，并联电池簇c系列和并联电池簇b系列之间电池簇的电量转移均衡。
30.假设并联电池簇c系列中的电池簇c1的电压值较并联电池簇b系列中电池簇bk的电压值高，且同时电池簇c1是并联电池簇c系列中的最高电压电池簇，电池簇bk是并联电池簇b系列中的最低电压电池簇，此时可优先均衡这两个电池簇。
31.第1步，控制电路令并联电池簇c系列中的电池簇c1右侧的单向mos管开关e1导通，接通电池簇c1和与其串联的储能模块的储能模块，电池簇c1和与其串联的储能模块形成电流通路，这样电池簇c1的部分电量会转移储存到储能模块中，待储能模块的充电电流i达到峰值时，关闭单向mos管开关 e1。
32.并联电池簇c系列中的电池簇c1的部分电量转移储存到储能模块的储能模块中的电流方向如图4所示。
33.第2步，经过以上第1步的电量转移后，此时储能模块的储能模块内已储满电量。
34.控制电路令并联电池簇b系列的电池簇bk左侧的单向mos管开关xk导通，并联电池簇b系列的电池簇bk和与其串联的储能模块的储能模块形成电流通路，这样储能模块在经第1步后储存的电量会转移储存到电池簇bk中，随着储能模块放电的进行，待储能模块的放电电流i逐渐由峰值降到零，储能模块就无法再向电池簇bk做放电能量转移，此时停止放电，关闭单向mos管开关xk。
35.储能模块的电能量转移储存到并联电池簇b系列的电池簇bk的电流方向如图5所示。
36.第3步，经过以上第1步、第2步的数次电量转移，可以把并联电池簇c系列中的电池簇c1比并联电池簇b系列的电池簇bk多的电量转移一半到电池簇bk中，从而最终使得并联电池簇c系列中的电池簇c1和并联电池簇b系列的电池簇bk所储存的电量一致，电压基本相等。
37.同理，经过以上第1～3步的类似步骤可以完成并联电池簇c系列和并联电池簇b系列之间的任意两个电池簇之间的电量直接转移均衡，从而可以最终达到并联电池簇中的所有电池簇的电量一致性。
38.第二种情况，并联电池簇c系列或者并联电池簇b系列内部之间电池簇的电量转移均衡。
39.假设并联电池簇c系列中的电池簇c1的电压值是并联电池簇c系列中的最高电压电池簇，而电池簇电池簇cj是并联电池簇c系列中的最低电压电池簇，此时可优先均衡这两个电池簇。
40.第1步，通过控制电路使得并联电池簇c系列中的电池簇c1的部分电量转移储存到储能模块的储能模块中，具体操作过程与以上第一种情况第1步相同，请参看上文。
41.第2步，经过以上第1步的电量转移后，此时储能模块的储能模块内已储满电量。
42.控制电路令并联电池簇c系列的电池簇cj右侧的单向mos管开关fj导通，并联电池簇c系列的电池簇cj和与其串联的储能模块的储能模块形成电流通路，这样储能模块在经第1步后储存的电量会转移储存到电池簇cj中，随着储能模块放电的进行，待储能模块的放电电流i逐渐由峰值降到零，储能模块就无法再向电池簇cj做放电能量转移，此时停止放电，关闭单向mos管开关fj。
43.储能模块的电能量转移储存到并联电池簇c系列的电池簇cj的电流方向如图6所示。
44.第3步，经过以上第1步、第2步的数次电量转移，可以把并联电池簇c系列中的电池簇c1比电池簇cj多的电量转移一半到电池簇cj中，从而最终使得并联电池簇c系列中的电池簇c1和电池簇cj所储存的电量一致，电压基本相等。
45.同理，经过以上第1～3步的类似步骤可以完成并联电池簇c系列或者并联电池簇b系列内部之间电池簇的电量直接转移均衡，从而可以最终达到并联电池簇中的所有电池簇的电量一致性。
46.第三种情况，并联电池簇c系列或者并联电池簇b系列内部之间其中某几个电池簇并联的电量转移均衡。
47.假设并联电池簇c系列中的其中2个电池簇的电压值相等，可假设是电池簇c1和电池簇cj，此时在进行电量转移均衡的时候，可以把这2个电池簇并联看作一个整体进行操
作。
48.假设电池簇c1和电池簇cj并联后的电压值是并联电池簇c系列中的最高电压，此时需要把这2个并联电池簇的部分电量转移储存到储能模块的储能电感s1～si中，然后再转移到其它电压低的电池簇。
49.第1步，控制电路令并联电池簇c系列中的电池簇c1右侧的单向mos管开关e1导通、电池簇cj右侧的单向mos管开关ej导通，电池簇c1和电池簇cj并联后与其串联的储能模块的储能模块形成电流通路，这样电池簇c1和电池簇cj并联的部分电量会转移储存到储能模块中，充电电流i1 ij合力给储能模块充电，待储能模块的充电电流i1、ij达到峰值时，关闭单向mos管开关 e1、ej。
50.电池簇c1和电池簇cj并联的部分电量转移储存到储能模块的储能模块中的电流方向如图7所示。
51.第2步，经过以上第1步的电量转移后，此时储能模块的储能模块内已储满电量。
52.同理，可采取以上第一种情况和第二种情况的第2～3步的类似步骤可以完成把储能模块的储能模块中所储存的电量转移储存到电池簇c系列和电池簇b系列中其它低压电池簇，从而可以最终达到并联电池簇中的所有电池簇的电量一致性。
53.本发明电路方案中的电量均衡是以电量转移的方式来实现的，均衡过程中几乎没有电量损失，从而大大提高了电量均衡的效率和电量利用率，可实现并联电池簇的容量最大化利用，延长整个电池储能系统的循环使用寿命。
54.综上所述，电池簇并联环流的储能模块控制电路方案的工作原理就是通过储能模块的中转作用把电压高的电池簇多余电量转移分配到电压低的电池簇中，从而达到各个电池簇的电压一致性，避免了串联电池簇并联电路之间环流的产生。电池簇之间的电量转移在电池簇工作状态中的充电、放电、静置阶段均可进行，也可在电池簇系统非工作状态下进行。
55.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
56.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。