一种集成PWM和变压器电路的电池储能系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种集成PWM和变压器电路的电池储能系统及控制方法，包括：电池管理系统、电池模块矩阵、集成化buck

【技术实现步骤摘要】
一种集成PWM和变压器电路的电池储能系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及电池储能
，尤其涉及一种集成PWM和变压器电路的电池储能系统及控制方法。

技术介绍

[0002]电池储能(ES)技术提供了广泛的功率和能量密度，使其适用于移动应用和固定批量存储应用。对电动汽车和电网的储能需求日益强烈推动了电池ES的发展，同时电池技术成本也显著降低。在应用中，单个电池具有低电压和低电流容量，无法满足储能系统的应用需求，大多数ES系统都有多个串并联模块，每个模块由多个串并联单元组成。通常，dc
‑
dc变换器用于在电池模块和负载之间提供一个可控的电源接口。但是，在传统固定连接的ES系统中，串联电池模块具有不同的属性和操作条件，即使在相同的电流作用下，电池模组的它们的荷电状态(SoC)也会偏离。详细地，在放电过程中，如果电池单体在串连电池模组中放电至截止电压时，则整个电池模组将无法为负载提供能量；同样地，在充电过程中，如果串联电池模组中某一电池单体达到满充电压时，则整个电池模组不应再对电池模组进行充电；从而降低了电池模组及ES系统的使用有效使用容量。为了充分利用电池ES系统的容量，延长ES使用寿命，需要一种基于模块模块充/放电和均衡控制的方法和系统。
[0003]为能够实现电池模组间SoC均衡，需通过在模块之间引入额外的平衡电路来实现，或者为每个电池模块提供单独控制的dc
‑
dc转换器，但是两种方法都需要大量的额外组件。为减少体积、重量和成本，实现轻量化、集成性的ES设计实现，有研究提出集成或可重构转换器的电池系统应用，比如：一种基于双向dc/dc负载变换器的集成充电器，一种四轮驱动的dc
‑
dc放电负载集成设计等。然而，上述拓扑电路设计采用两个不同转换器的集成，充电器与负载转换器或均衡器与负载转换器的集成，使用可重构电感实现升压变换器，在这种情况下，ES的尺寸和体积很难实现轻量化。
[0004]中国专利文献CN105449740B公开了一种“储能锂电池主动均衡控制系统及控制方法”。包括电池系统、采样模块、控制模块和均衡模块，控制模块用于接收采样模块采集的电池系统的信息，得到电池系统最高单体电池电压与最低单体电池电压，算出每组电池的平均电压，得到分组电池中最高平均电压电池组与最低平均电压电池组之间的差值,最高单体电池电压与最低单体电池电压之间的差与预设值比较，并结合最高单体电池电压预设电压值，进行提前均衡或立即均衡或静止均衡，从而延长电池寿命。上述技术方案运用的双向反激DC
‑
DC模块无法实现电池拓扑重构和电池储能系统冲放电、负载馈电等其他功能。

技术实现思路

[0005]本专利技术主要解决原有的技术方案无法实现电池拓扑重构和电池储能系统冲放电、负载馈电的技术问题，提供一种集成PWM和变压器电路的电池储能系统及控制方法，通过自主重新配置，以在不同的工作模式下运行，从ES系统放电满足负载需求、从备用电源放电满足负载需求、ES系统内电池模块间充放电控制与均衡控制，该拓扑结构在不同的工作模式
中共享半导体器件和电感，使其结构紧凑，同时提供了冗余模式，以提高其可靠性，并将电池在充放电周期的压力降到最低。
[0006]本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
[0007]一种集成PWM和变压器电路的电池储能系统，包括：
[0008]电池管理系统，用于分析电池状态和负载信息并下达指令，与集成可重构buck
‑
boost转换与切换模块相连；
[0009]电池模块矩阵，用于进行电池储能，与电集成可重构buck
‑
boost转换与切换模块相连；
[0010]集成可重构buck
‑
boost转换与切换模块，通过微处理器控制MOSFET做功率变换的储能变换，对应地实现储能系统不同的工作模式。
[0011]具有以下几大功能模块：
[0012]电池管理及控制系统：BMS监控每个单元/模块的SOC、电压、电流和温度，并向控制系统提供数据来管理整体性能。控制系统与BMS协同控制平衡器、负载转换器和充电器。
[0013]电池均衡控制功能：在串联式电池系统中，模块内的电池可能没有相同的特性，最低容量电池限制了模块的充放电限制。为了提高电池模块的性能，采用模块间平衡转换器均衡模块]内所有电池的荷电状态(SOC)。同样，为了提高整个电池系统的性能，通常在后台运行一个模组间均衡转换器，以确保所有模块都处于SOC的同一级别。
[0014]负载转换功能：在大多数应用中，将电池ES系统直接与负载相连接是不可行的。因此，在电池系统和负载之间放置一个转换器，以提供可变电压和电流。根据不同的应用，负载转换器可能包括再生能力。
[0015]充放电路：充电器用于从外部电源给电池系统充电。针对不同的应用和电池类型，有多种充电器的设计方案。
[0016]作为优选，所述的集成可重构buck
‑
boost转换与切换模块与电池模块矩阵配合构成拓扑重构电路，所述拓扑重构电路包括依次相连的电池模块B1、电池模块B2、电池模块B3和电池模块B4，电池模块B1的正极与MOS管S1的漏极相连，电池模块B1的负极与电池模块B2的正极相连，电池模块B2的正极与MOS管S2的漏极、MOS管S5的源极相连，电池模块B2的负极与电池模块B3的正极相连，电池模块B3的正极与MOS管S3的漏极、MOS管S6的源极相连，电池模块B3的负极与电池模块B4的正极相连，电池模块B4的正极与MOS管S4的漏极、MOS管S7的源极相连，电池模块B4的负极与二极管C2的负极相连，MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4、MOS管S9的源极与二极管C2的正极相连，二极管C2的正极经过并联的负载R1和电容D1与线圈L一端相连，MOS管S9的漏极与线圈L一端相连，线圈L的另一端分别与MOS管S5、MOS管S6、MOS管S7、MOS管S8的漏极相连，MOS管S1的漏极分别与二极管C1正极、电源正极相连，电源负极与MOS管S10漏极相连，MOS管S10源极、二极管C1负极分别与线圈L的另一端相连。
[0017]在集成可重构buck
‑
boost转换与切换模块中，该拓扑重构电路由电池模块、三极管开关器件MOSFET和电感线圈组成。其中，三极管开关器件的输入端与电池管理系统相连，高电平(1)代表此三极管开关器件能够导通，低电平(0)表示此三极管开关器件断开；电感线圈L的作用是消除电池可重构电路在切换过程中产生的激变电流，对电池ES系统和负载起到保护作用。
[0018]作为优选，所述的MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4、MOS管S5、MOS管S6、MOS管
S7、MOS管S8、MOS管S9、MOS管S10的栅极与电池管理系统的微处理器相连。
[0019]电池管理系统与集成可重构buck
‑
boost转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成PWM和变压器电路的电池储能系统，其特征在于，包括：电池管理系统，用于分析电池状态和负载信息并下达指令，与集成可重构buck
‑
boost转换与切换模块相连；电池模块矩阵，用于进行电池储能，与电集成可重构buck
‑
boost转换与切换模块相连；集成可重构buck
‑
boost转换与切换模块，通过微处理器控制MOSFET做功率变换的储能变换，对应地实现储能系统不同的工作模式。2.根据权利要求1所述的一种集成PWM和变压器电路的电池储能系统，其特征在于，所述集成可重构buck
‑
boost转换与切换模块与电池模块矩阵配合构成拓扑重构电路，所述拓扑重构电路包括依次相连的电池模块B1、电池模块B2、电池模块B3和电池模块B4，电池模块B1的正极与MOS管S1的漏极相连，电池模块B1的负极与电池模块B2的正极相连，电池模块B2的正极与MOS管S2的漏极、MOS管S5的源极相连，电池模块B2的负极与电池模块B3的正极相连，电池模块B3的正极与MOS管S3的漏极、MOS管S6的源极相连，电池模块B3的负极与电池模块B4的正极相连，电池模块B4的正极与MOS管S4的漏极、MOS管S7的源极相连，电池模块B4的负极与二极管C2的负极相连，MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4、MOS管S9的源极与二极管C2的正极相连，二极管C2的正极经过并联的负载R1和电容D1与线圈L一端相连，MOS管S9的漏极与线圈L一端相连，线圈L的另一端分别与MOS管S5、MOS管S6、MOS管S7、MOS管S8的漏极相连，MOS管S1的漏极分别与二极管C1正极、电源正极相连，电源负极与MOS管S10漏极相连，MOS管S10源极、二极管C1负极分别与线圈L的另一端相连。3.根据权利要求2所述的一种集成PWM和变压器电路的电池储能系统，其特征在于，所述MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4、MOS管S5、MOS管S6、MOS管S7、MOS管S8、MOS管S9、MOS管S10的栅极与电池管理系统的微处理器相连。4.一种集成PWM和变压器电路的电池储能系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1微处理器得到负载信息；s2微处理器控制开关阵列得到相应的电池拓扑连接；s3微处理器通过计算电池模组和负载电压之间的关系，求得在对电池模组进行PWM控制时的导通比D；s4微处理器执行相应的电池拓扑连接控制指令，并进行PWM控制得到所需输出电压。5.根据权利要求4所述的一种集成PWM和变压器电路的电池储能系统的控制方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：施敏达，胡景博，慈松，仲立军，周杨林，张腾，金艳，徐晨，姜维，赵俊，许明敏，张从佳，顾君佳，杜斌，沈昊骢，任宝平，黄震宇，吴媖，赵彦旻，胡喆，王昱杰，孙赵辰，吴芳琳，
申请(专利权)人：嘉兴恒创电力集团有限公司华创信息科技分公司山东云储新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：