本實用新型涉及一種電池技術領域，尤其涉及一種電池間能量快速均衡的儲能電池組均衡裝置。

背景技術：

儲能電站需要數(shù)百節(jié)單體電池串聯(lián)成組使用，才能達到儲能系統(tǒng)要求的電壓等級，然后通過PCS接入高壓母線正常工作。電池組中的電池雖然投運前經(jīng)過嚴格的篩選和配組，但電池間仍然存在性能差異，而且在電站運行過程中會加重這種差異化程度。電池組整體性能遵從“木桶原理”，即性能最差的單體電池決定了電池組整體性能的優(yōu)劣，致使單體電池成組后壽命顯著降低，甚至能降低到原來的50%或更低。因此如何有效改善電池組性能一致性，提高儲能電站運行效率和效益，是長期困擾著用戶、儲能系統(tǒng)開發(fā)人員和電池制造商的難題。

儲能電池投入使用后，在不需要更換性能最差的單體電池前，改善電池一致性只能通過外加電池均衡系統(tǒng)來實現(xiàn)。目前的均衡系統(tǒng)，為了保證可靠性和可維護性，通常采用分布式均衡方式，即整個電池組被分成若干個小組，對每個小組內的電池進行均衡。而不同小組間的電池不能直接均衡，需要在各小組電池之間增加一級組間均衡模塊來實現(xiàn)，增加了儲能系統(tǒng)復雜度和成本。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型主要解決了現(xiàn)有電池均衡系統(tǒng)需采用多級均衡方案進行整組電池的均衡，存在增加了系統(tǒng)復雜度和成本的問題，提供了一種電池間能量快速均衡、結構簡單、成本低的儲能電池組均衡裝置。

本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：一種儲能電池組均衡裝置，包括若干電池組，還包括有實現(xiàn)電池間能量轉移的均衡模塊，對均衡模塊進行控制的主控模塊，所述均衡模塊包括開關陣列單元、橋接開關組單元、DC/DC單元和功率總線，在每個電池組上分別連接有一個開關陣列單元，每個開關陣列單元各自連接一個橋接開關組單元，每個橋接開關組單元分別連接到一個DC/DC單元和功率總線上，各DC/DC單元連接到功率總線上，共同組成能量傳輸網(wǎng)絡。本實用新型通過均衡模塊實現(xiàn)電能從高能量電池向低能量電池快速傳遞，傳遞效率高，使得整組電池的一致性得到了高效的改善，同時不會過多增加儲能系統(tǒng)的復雜度和成本。主控模塊用于控制均衡模塊中開關陣列單元、橋接開關組單元的各開關組有序通斷，從而實現(xiàn)電能在不同電池間轉移。DC/DC單元用于對轉移的電能進行升壓和降壓轉換，以匹配各單元的電壓。

作為上述方案的一種優(yōu)選方案，所述電池組由2n個電池串聯(lián)而成，所述開關陣列單元包括n個第一開關、n+1個第二開關，各第一開關的一端按順序依次連接在奇數(shù)位的電池正極上，各第一開關的另一端相連接在一起形成開關陣列組第一輸出端，第一個第二開關一端連接在第一個電池的負極端，其余第二開關的一端按順序依次鏈接在偶數(shù)位的電池正極上，各第二開關的另一端相連接在一切形成開關陣列組第二輸出端。

本方案中電池組包括電池B₁~B_2n，開關陣列單元包括第一開關S1₁~S1_n、第二開關S2₁~S2_n+1，第一開關S1_n的一端連接在電池B_2i+1的正極，其中i=0、…、n-1，第二開關S2₁的一端連接在電池B ₁的負極，其余的第二開關S2_n+1的一端連接在電池B_2j的正極，其中j=1、…、n。

作為上述方案的一種優(yōu)選方案，所述橋接開關組單元包括第一橋接開關組和第二橋接開關組，第一橋接開關組和第二橋接開關組都分別由四個第三開關首尾相連而成，第一橋接開關組的正極輸入端、第二橋接開關組的正極輸入端分別與開關陣列第一輸出端相連，第一橋接開關組的負極輸入端、第二橋接開關組的負極輸入端分別與開關陣列第二輸出端相連，第一橋接開關組的正極輸出端、第一橋接開關組的負極輸出端分別鏈接DC/DC單元輸入端，DC/DC單元輸出端連接在功率總線上，第二橋接開關組的正極輸出端、第二橋接開關組的負極輸出端分別連接到功率總線上。

作為上述方案的一種優(yōu)選方案，還包括有通訊模塊，所述通訊模塊與主控模塊相連。本方案中主控模塊通過通訊模塊與BMS系統(tǒng)進行銅芯線，交換數(shù)據(jù)，實時獲取電池電壓、電流、溫度等狀態(tài)數(shù)據(jù)，以保證電池安全。

作為上述方案的一種優(yōu)選方案，DC/DC單元包括開關管Q₁、開關管Q₂、開關管Q₃、開關管Q₄、變壓器T、電感L_i、電容C_i、電容C₅、電阻R₁、電阻R₂、電容C_o1、電容C_o2、PWM驅動器，變壓器T一次側帶中心抽頭，中心抽頭串聯(lián)電感L_i后與DC/DC單元正極輸入端相連，電容C_i連接在DC/DC單元正極輸入端和負極輸入端之間，開關管Q₁和開關管Q₂為極性不同的開關管，開關管Q₁的漏極與開關管Q₂的漏極相連，開關管Q₁的源極連接在變壓器T的繞組N₁的同名端，開關管Q₂的源極連接在變壓器T的繞組N₂的非同名端，開關管Q₁和Q₂的柵極分別連接到PWM驅動器上，開關管Q₃的源極與開關管Q₄的漏極相連，開關管Q₃的漏極與DC/DC單元正極輸出端相連，開關管Q₄的源極與DC/DC單元負極輸出端相連，開關管Q₃和Q₄的柵極分別連接到PWM驅動器上，電容C_o1一端連接開關管Q₃的漏極，電容C_o1的另一端連接電容C_o2一端，電容C_o2另一端連接開關管Q₄的源極，電子R₁并聯(lián)在電容C_o1上，電阻R₂并聯(lián)在電容C_o2上，變壓器T的繞組N₃的同名端通過連接電容C₅后連接在電容C_o1和電容C_o2之間的連接點上，變壓器T的繞組N₃的非同名端連接在開關管Q₃的源極與開關管Q₃的漏極之間的連接點上，在開關管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄上都分別反并聯(lián)有二極管，且還分別并聯(lián)有電容，開關管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄采用MOSFET管。

本方案中DC/DC單元采用推挽與半橋相結合的電路，適用于低壓大電流場合。PWM驅動器包括電壓采樣電路、電壓比較電路、PWM驅動芯片、驅動電路、隔離電路和電流采樣電路。該單元內通過PWM驅動器控制各開關管開通和關斷，利用變壓器和儲能電感傳遞電能，能夠實現(xiàn)能量的雙向流動，同時變壓器起到隔離作用，防止電路故障導致電池間短路，提高了電路的可靠性。

DC/DC單元電路中輸入端為低壓側，經(jīng)過橋接開關組單元和開關陣列單元連接至單體電池。輸出端為高壓側，連接至功率總線。

變壓器T的一次側為推挽拓撲單路，由開關管Q₁的源極和開關管Q₂的漏極推挽相連。電感L_i和電容C_i組成低通濾波電路。變壓器T的二次側為半橋拓撲電路，由兩個串聯(lián)的電容C_o1、C_o2和兩個串聯(lián)的開關管Q₃、Q₄并聯(lián)后組成橋，橋臂連接變壓器T的副邊繞組N₃。電阻R₁、R₂用于給電容提供放電回路，吸收電容的電能，防止電容的放電電流過大，避免對與之并聯(lián)的器件造成損壞。優(yōu)選的電容C_o1、C_o2電容值相等。連接在變壓器T二次側的電容C₅為鉗位電容，為了防止產(chǎn)生偏磁現(xiàn)象。所有開關管都反并聯(lián)了二極管和電容，防止開關管高壓損壞。

作為上述方案的一種優(yōu)選方案，開關陣列單元和橋接開關組單元的開關都采用MOSFET管。本方案使得開關可以由同一個PWM驅動器集中控制，提高了電路可靠性同時減低了成本。

本實用新型的優(yōu)點是：利用雙向均衡電路和總線結構，實現(xiàn)了儲能電池組中分組內和分組間電池的均衡，從而實現(xiàn)了整組電池的均衡，相比現(xiàn)有的多級均衡方案，系統(tǒng)結構簡化，成本降低，均衡效率提高，而且系統(tǒng)易于實現(xiàn)擴展，實用性強。

附圖說明

圖1是本實用新型中均衡模塊的一種電路結構示意圖；

圖2是本實用新型的一種電路結構框示圖；

圖3是本實用新型中DC/DC單元的一種電路結構示意圖。

1-電池組 2-開關陣列單元 3-橋接開關組單元 4-DC/DC單元 5-功率總線 6-均衡模塊 7-主控模塊 8-通訊模塊。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖，對本實用新型的技術方案作進一步的說明。

實施例：

本實施例一種儲能電池組均衡裝置，如圖2所示，包括若干電池組1，實現(xiàn)電池間能量轉移的均衡模塊6，對均衡模塊進行控制的主控模塊7和通訊模塊8。電池組分別與均衡模塊相連，均衡模塊與主控模塊控制相連，主控模塊與通訊模塊相連，通訊模塊與電池BMS系統(tǒng)相連。

如圖1所示，均衡模塊包括開關陣列單元2、橋接開關組單元3、DC/DC單元4和功率總線5。在每個電池組上分別連接有一個開關陣列單元，每個開關陣列單元各自連接一個橋接開關組單元，每個橋接開關組單元分別連接到一個DC/DC單元和功率總線上，各DC/DC單元連接到功率總線上，共同組成能量傳輸網(wǎng)絡。

電池組由2n個電池串聯(lián)而成，開關陣列單元包括n個第一開關、n+1個第二開關，各第一開關的一端按順序依次連接在奇數(shù)位的電池正極上，各第一開關的另一端相連接在一起形成開關陣列組第一輸出端，第一個第二開關一端連接在第一個電池的負極端，其余第二開關的一端按順序依次鏈接在偶數(shù)位的電池正極上，各第二開關的另一端相連接在一切形成開關陣列組第二輸出端。

橋接開關組單元包括第一橋接開關組和第二橋接開關組，第一橋接開關組和第二橋接開關組都分別由四個第三開關首尾相連而成，第一橋接開關組的正極輸入端、第二橋接開關組的正極輸入端分別與開關陣列第一輸出端相連，第一橋接開關組的負極輸入端、第二橋接開關組的負極輸入端分別與開關陣列第二輸出端相連，第一橋接開關組的正極輸出端、第一橋接開關組的負極輸出端分別鏈接DC/DC單元輸入端，DC/DC單元輸出端連接在功率總線上，第二橋接開關組的正極輸出端、第二橋接開關組的負極輸出端分別連接到功率總線上。

DC/DC單元包括開關管Q₁、開關管Q₂、開關管Q₃、開關管Q₄、變壓器T、電感L_i、電容C_i、電容C₅、電阻R₁、電阻R₂、電容C_o1、電容C_o2、PWM驅動器，變壓器T一次側帶中心抽頭，中心抽頭串聯(lián)電感L_i后與DC/DC單元正極輸入端相連，電容C_i連接在DC/DC單元正極輸入端和負極輸入端之間，開關管Q₁和開關管Q₂為極性不同的開關管，開關管Q₁的漏極與開關管Q₂的漏極相連，開關管Q₁的源極連接在變壓器T的繞組N₁的同名端，開關管Q₂的源極連接在變壓器T的繞組N₂的非同名端，開關管Q₁和Q₂的柵極分別連接到PWM驅動器上，開關管Q₃的源極與開關管Q₄的漏極相連，開關管Q₃的漏極與DC/DC單元正極輸出端相連，開關管Q₄的源極與DC/DC單元負極輸出端相連，開關管Q₃和Q₄的柵極分別連接到PWM驅動器上，電容C_o1一端連接開關管Q₃的漏極，電容C_o1的另一端連接電容C_o2一端，電容C_o2另一端連接開關管Q₄的源極，電子R₁并聯(lián)在電容C_o1上，電阻R₂并聯(lián)在電容C_o2上，變壓器T的繞組N₃的同名端通過連接電容C₅后連接在電容C_o1和電容C_o2之間的連接點上，變壓器T的繞組N₃的非同名端連接在開關管Q₃的源極與開關管Q₃的漏極之間的連接點上，在開關管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄上都分別反并聯(lián)有二極管，且還分別并聯(lián)有電容，開關管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，開關陣列單元和橋接開關組單元的開關都采用MOSFET管。

DC/DC單元的升降壓工作原理如下：

電池放電過程，即電路升壓過程，控制開關管Q₃和/或開關管Q₄截止。在本實施例中，可以通過現(xiàn)有技術中的控制方法對推挽電路進行控制，從而實現(xiàn)電池放電并對電容C01和電容C02進行充電。例如，分別給開關管Q₁和Q₂的基極一脈寬調制信號，在第一時間段內，使得開關管Q₁導通，開關管Q₂截止，在變壓器T的一次側，可電池通過開關管Q₁放電，在變壓器T的二次側通過二極管D₃、D₄整流分別同時對電容C_ol和電容C_o2進行充電。在第二時間段內，使得Q₁截止，Q₂導通，在變壓器T的一次側，電池通過Q₂放電，在變壓器T的二次側通過D₃、D₄整流分別同時對電容C_o1和電容C_o2進行充電。之后依次重復第一時間段和第二時間段的控制方法，最終實現(xiàn)了電能從電池傳輸?shù)诫娙軨_o1和電容C_o2中。在本實施例中，施加在開關管Q₁和Q₂的脈寬調制信號的占空比可以是固定的，也可以是可變的。

電池充電過程，即電路降壓過程，控制Q₁和Q₂截止。在本實施例中，可以通過現(xiàn)有技術中的控制方法對半橋電路進行控制，從而實現(xiàn)電容C_ol和電容C_o2放電并對電池進行充電。例如，分別給Q₃和Q₄的基極一脈寬調制信號，在第一時間段內，控制Q₃導通且Q₄截止，此時電容C_ol放電，在變壓器T的一次側產(chǎn)生的電流流經(jīng)二極管D₂到電池的正極，從而實現(xiàn)對電池進行充電；在第二時間段內，控制Q₃截止且Q₄導通，此時電容C_o2放電，在變壓器T的一次側產(chǎn)生的電流流經(jīng)二極管D_l到電池的正極，從而實現(xiàn)對電池進行充電；之后依次重復第一時間段和第二時間段的控制方法，通過電容C_ol和電容C_o2輪流地放電并持續(xù)對電池進行充電。在本實施例中，施加在Q₃和Q₄的脈寬調制信號的占空比可以是固定或可變的。

本實施例具體以48節(jié)鋰離子電池串聯(lián)組成的電池組為例，電池組按照系統(tǒng)要求被分為4個小組，每組12節(jié)電池，即電池b1～b12為第1組，電池b13～b24為第2組，電池b25～b36為第3組，電池b37～b48為第4組；每個小組配備開關陣列單元、橋接開關組單元和DC/DC單元組；所有DC/DC單元都接入功率總線，組成能量傳輸網(wǎng)絡。

（1）當電池b14較高，電池b11能量較低。b14的能量在開關陣列單元、橋接開關組單元中的開關選通后，通過DC/DC單元升壓，將能量傳入功率總線；同時，連接電池b11的開關陣列單元、橋接開關組單元中的開關選通，對應的DC/DC單元連接在功率總線上，降壓后將能量傳遞至電池b11。因此電池b14通過能量傳輸網(wǎng)絡將電能傳遞給電池b11。

（2）當電池b11能量較高，電池b39能量較低。b11的能量在開關陣列單元、橋接開關組單元中的開關選通后，通過DC/DC單元升壓，將能量傳入功率總線5；同時，連接電池b39的開關陣列單元、橋接開關組單元中的開關選通，對應的DC/DC單元連接在功率總線上，降壓后將能量傳遞至電池b39。因此電池b11通過能量傳輸網(wǎng)絡將電能傳遞給電池b39。

（3）當電池b11能量較高，電池b12能量較低。b11的能量在開關陣列單元、橋接開關組單元中的開關選通后，通過DC/DC單元升壓，將能量傳入功率總線；同時，連接電池b12的開關陣列單元、橋接開關組單元中的開關選通，對應的DC/DC單元連接在功率總線5上，降壓后將能量傳遞至電池b12。因此電池b11通過能量傳輸網(wǎng)絡將電能傳遞給電池b12。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。

盡管本文較多地使用了電池組、開關陣列單元、橋接開關組單元、DC/DC單元等術語，但并不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。