[發(fā)明專(zhuān)利]一種儲(chǔ)能設(shè)備電壓平衡的方法及其系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410115428.0
• 申請(qǐng)日: 2014-03-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103904741A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫偉;王俊華;胡期峰
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 海博瑞恩電子科技無(wú)錫有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H02J7/00
• 分類(lèi)號(hào): H02J7/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 邵驊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及儲(chǔ)能器件電源管理系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及到儲(chǔ)能設(shè)備的管理系統(tǒng)中的電壓平衡的方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著新能源產(chǎn)業(yè)如新能源汽車(chē)和新能源發(fā)電的快速發(fā)展，新能源儲(chǔ)能成為一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。用于新能源儲(chǔ)能的產(chǎn)品主要有鉛酸電池、鋰離子電池和超級(jí)電容器等，這些產(chǎn)品的單體電壓都很低，一般小于5V。然而，這些新能源儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)合往往電壓在幾百V甚至上千V。因此在實(shí)際應(yīng)用中需要把儲(chǔ)能產(chǎn)品的單體進(jìn)行串并聯(lián)組合，按照需要的電壓和容量設(shè)計(jì)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。比如一臺(tái)600V400AH的大巴車(chē)電源系統(tǒng)，所需要的電池和超級(jí)電容為：

3.2V5AH磷酸鐵鋰電池：每80支電池先并聯(lián)組成3.2V400AH模組，然后再由187個(gè)3.2V400AH模組串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成主電源；

2.7V3000F超級(jí)電容器：每18支超級(jí)電容器單體串聯(lián)組成48.6V166.7F模組，然后再由13個(gè)48.6V166.7F模組串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成輔助電源。

眾所周知，對(duì)于串聯(lián)電路，無(wú)論是充電還是放電，串聯(lián)電路上的單元充放電是完全一致的。但是由于儲(chǔ)能產(chǎn)品單體和單體之間的差異性，如等效電阻、容量以及單元衰減性能等，使每個(gè)單體在相同的充放電條件下會(huì)出現(xiàn)差異性。同理，儲(chǔ)能模組和模組之間也存在差異性。

由于充放電是同時(shí)進(jìn)行的，對(duì)于容量不同的兩個(gè)單元，電壓上升會(huì)有不同，這就會(huì)導(dǎo)致在充電末期或者放電末期，單元儲(chǔ)能器件的過(guò)充或者過(guò)放，尤其是經(jīng)過(guò)多次充放電。這一差異性會(huì)逐漸累積，任其發(fā)展的話，會(huì)造成很大的潛在危險(xiǎn)和壽命的急劇衰減。

針對(duì)此種情況，人們提出了多種解決方案來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的電壓平衡，總結(jié)下來(lái)分為以下四類(lèi)：

1、穩(wěn)壓管電壓均衡法，每一個(gè)儲(chǔ)能單元都并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管。當(dāng)該單元的工作電壓超過(guò)穩(wěn)壓管的擊穿電壓時(shí)，充電電流就會(huì)從穩(wěn)壓管上流過(guò)，電壓不再上升。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；但缺點(diǎn)是：充電能量完全消耗在穩(wěn)壓管上，穩(wěn)壓管會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，能量浪費(fèi)嚴(yán)重；穩(wěn)壓管的擊穿電壓精度低，分散性差，使電壓平衡電路的工作可靠性降低，且不具有全程的實(shí)時(shí)平衡能力，因此，第一種方法僅適用于充電功率非常小的場(chǎng)合。

2、開(kāi)關(guān)電阻法，每一個(gè)儲(chǔ)能單元都與由一個(gè)電阻和一個(gè)開(kāi)關(guān)串聯(lián)組成的一支路并聯(lián)。這種方法較第一種方法控制更為靈活，可以根據(jù)充電電流的大小設(shè)定旁路的電阻，同時(shí)還具有電壓監(jiān)控精度高，均衡效果好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但其仍存在耗費(fèi)能量、電阻發(fā)熱量大等缺點(diǎn)。因此，第二種方法也僅適用于充電功率小的場(chǎng)合。

3、DC/DC雙向變換器法，在每?jī)蓚€(gè)相鄰儲(chǔ)能單元之間都有一個(gè)直流斬波電路(BUCK/BOOST降壓或升壓變換器)，在這里為DC/DC變換器。通過(guò)比較相鄰兩個(gè)儲(chǔ)能單元之間的電壓，將其中電壓高的那一個(gè)儲(chǔ)能的能量通過(guò)DC/DC變換器轉(zhuǎn)移到電壓低的那一個(gè)儲(chǔ)能單元中去。對(duì)于由n個(gè)儲(chǔ)能單元的串聯(lián)組合，需要n-1個(gè)DC/DC變換器。與前兩種均衡方法相比，第三種DC/DC雙向變換器法的優(yōu)點(diǎn)是：能量損耗低，電壓均衡速度快，對(duì)充放電狀態(tài)，都可以進(jìn)行電壓均衡；但缺點(diǎn)是：需要的電感、開(kāi)關(guān)管等功率器件較多，控制復(fù)雜，成本高。因此，第三種方法適用于充放電功率高的場(chǎng)合。

4、飛渡電容器法：為每一組串聯(lián)電池或者超級(jí)電容器配備一個(gè)電容器，在充放電過(guò)程中，當(dāng)串聯(lián)電源中單體電源電壓差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，飛渡電容器先于最高電壓?jiǎn)卧⒙?lián)，從最高電壓?jiǎn)卧槿∧芰浚档妥罡唠妷簡(jiǎn)卧妷海缓箫w渡電容器再與最低電壓?jiǎn)卧⒙?lián)，對(duì)最低電壓?jiǎn)卧潆姡岣咦畹碗妷簡(jiǎn)卧碾妷骸Ｈ绱朔磸?fù)，實(shí)現(xiàn)電壓均衡。此種方法優(yōu)點(diǎn)是：能量損失低，電壓均衡速度快，對(duì)充放電狀態(tài)都可以進(jìn)行電壓均衡；但缺點(diǎn)是電容器與儲(chǔ)能單元相比容量有限，平衡時(shí)需要多次開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的切換并且平衡時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)可靠性和平衡效率很難滿足要求，且實(shí)現(xiàn)起來(lái)存在開(kāi)關(guān)器件選擇困難，如果選用繼電器，則繼電器本身可靠性差，觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)切換時(shí)有火花，若選用電子開(kāi)關(guān)則存在電子開(kāi)關(guān)自身的壓降導(dǎo)致平衡效果變差，即超級(jí)電容和飛渡超級(jí)電容之間的壓差過(guò)小，平衡電流就會(huì)很小。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷提供一種有效解決電子開(kāi)關(guān)自身的壓降和電路本身的內(nèi)阻導(dǎo)致飛渡超級(jí)電容與超級(jí)電容之間壓差過(guò)小，平衡電流過(guò)小的儲(chǔ)能設(shè)備電壓平衡的方法及其系統(tǒng)。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：