本發(fā)明涉及一種單向串聯(lián)型電池簇間環(huán)流均衡電路，屬于電力電子。

背景技術(shù)：

1、隨著新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建，風(fēng)能和太陽能等新能源發(fā)電裝備逐漸成為電力供應(yīng)的主體。然而，這些新能源發(fā)電方式受到自然環(huán)境條件的限制，調(diào)節(jié)能力相對較弱，難以及時響應(yīng)負(fù)荷側(cè)需求的變化，儲能需求應(yīng)運(yùn)而生。儲能在平衡發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)功率發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。當(dāng)發(fā)電側(cè)的能源供應(yīng)超過負(fù)荷側(cè)的需求時，多余的能量會被儲存在儲能系統(tǒng)中；反之，當(dāng)發(fā)電側(cè)的供應(yīng)不足時，儲能系統(tǒng)則釋放存儲的能量以滿足需求。

2、近年來，以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲能技術(shù)已經(jīng)成為儲能重要的技術(shù)路線之一。

3、典型的電化學(xué)儲能系統(tǒng)包含：電池系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換(pcs＝power?convertersystem)系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)(ems＝energy?management?system)。電池系統(tǒng)由大量電芯和必要采樣、監(jiān)控、冷卻、消防部件組成。功率裝換系統(tǒng)實現(xiàn)電能在電池和電網(wǎng)/負(fù)荷的雙向流動。能量管理系統(tǒng)用于管理電池和pcs系統(tǒng)。

4、現(xiàn)階段，單個電芯的電壓和電流規(guī)格都比較小，因此，為了提升電化學(xué)儲能系統(tǒng)的容量，電池系統(tǒng)通常需要大量電芯串并聯(lián)。典型的串并聯(lián)形式為：為了便于電芯管理，將一定數(shù)量的電芯串聯(lián)，構(gòu)成電池包；為了提升電池系統(tǒng)電壓，將一定數(shù)量的電池包串聯(lián)，構(gòu)成電池簇；為了提升電池系統(tǒng)容量，將一定數(shù)量的電池簇并聯(lián)，構(gòu)成電池系統(tǒng)。

5、舉例說明：行業(yè)內(nèi)典型的5mwh電池系統(tǒng)配置方案如下：

6、(1)單體電芯參數(shù)：

7、電芯規(guī)格：314ah；額定電壓電流：3.2v；充放電電壓范圍：2.40v～3.60v；

8、額定容量：3.2v*314ah＝1kwh。

9、(2)電池包由52節(jié)電芯串聯(lián)而成，其典型參數(shù)為：

10、額定電壓：3.2v*52＝166.4v；充放電電壓范圍：124.8v～187.2v；

11、額定容量：166.4v*314ah＝52.25kwh。

12、(3)電池簇由8個電池包串聯(lián)構(gòu)成，其典型參數(shù)為：

13、額定電壓：8*166.4＝1331.2v；充放電電壓范圍：998.4v～1497.6v；

14、額定容量：52.25*8＝418kwh。

15、(4)電池系統(tǒng)由12個電池簇并聯(lián)構(gòu)成，其典型參數(shù)為：

16、額定電壓：166.4v*8＝1331.2v；充放電電壓范圍：998.4v～1497.6v；

17、額定容量為418kwh*12＝5mwh。

18、由此可知，一個典型的5mwh電池系統(tǒng)配置由4992顆電芯(4992＝52*8*12)顆電芯串并聯(lián)組成。因此，電芯出廠參數(shù)的一致性和運(yùn)行狀態(tài)的一致性對于電池系統(tǒng)全生命周期的性能表現(xiàn)至關(guān)重要。

19、隨著行業(yè)水平的提高，電芯出廠的一致性已大幅提升，典型的參數(shù)差異為：單體電芯電壓差小于5mv，電芯內(nèi)阻小于0.05mω。

20、盡管單體電芯的電壓、內(nèi)阻參數(shù)偏差較小，但一簇電池由數(shù)百個電芯串聯(lián)，單體電芯間的微小差異易被放大，造成電池簇間電壓或內(nèi)阻差異，這種差異會引起充放電過程中各簇電流不一致，而充放電電流的不一致性易導(dǎo)致電芯參數(shù)的進(jìn)一步離散化，進(jìn)而影響電池系統(tǒng)的性能。

21、仍以上文5wmh系統(tǒng)為例。

22、單個電芯額定電壓范圍：3.2v±5mv，內(nèi)阻0.17mω±0.05mω。

23、單簇電池額定電壓范圍：1331.2v±2.08v，內(nèi)阻70.72mω±20.8mω。

24、以兩簇為例，將一簇電池等效為電池串電阻模型，其中，電池電壓等于電池簇內(nèi)串聯(lián)電芯的電壓和，電阻等于電池簇內(nèi)串聯(lián)電芯的內(nèi)阻和。

25、(1)如圖1所示，理想工況下：電池簇電壓、內(nèi)阻均無偏差。

26、電池簇r1額定電壓：1331.2v，內(nèi)阻70.72mω。

27、電池簇r2額定電壓：1331.2v，內(nèi)阻70.72mω。

28、以314a放電，得電池簇r1放電流為157a，電池簇r2放電流為157a，計算過程如下：

29、

30、其中：

31、vbus為電池簇并聯(lián)母線的電壓。

32、i1為電池簇r1放電電流，i2為電池簇r2放電電流。

33、v1為電池簇r1串聯(lián)電壓，v2為電池簇r2串聯(lián)電壓。

34、r1為電池簇r1串聯(lián)內(nèi)阻，r2為電池簇r2串聯(lián)內(nèi)阻。

35、(2)如圖2所示，非理想工況一：電池簇電壓有偏差，內(nèi)阻無偏差。

36、電池簇r1額定電壓：1331.2v+2.08v＝1333.28v，內(nèi)阻70.72mω。

37、電池簇r2額定電壓：1331.2v-2.08v＝1329.12v，內(nèi)阻70.72mω。

38、采用理想工況相同的計算思路，可知：

39、以314a放電，則電池簇r1放電電流為187.6a，電池簇r2充電電流均為127.4a。

40、相較于理想工況，兩簇間出現(xiàn)187.6a-157a＝30.6a的環(huán)流。

41、(3)如圖3所示，非理想工況二：電池簇電壓無偏差，內(nèi)阻有偏差。

42、電池簇r1額定電壓：1331.2v，內(nèi)阻70.72mω+20.8mω＝91.52mω。

43、電池簇r2額定電壓：1331.2v，內(nèi)阻70.72mω–20.8mω＝49.92mω。

44、采用理想工況相同的計算思路，可知：

45、以314a放電，則電池簇r1放電電流為110.8a，電池簇r2放電電流均為203.2a。

46、相較于理想工況，兩簇間出現(xiàn)203.2a-157a＝46.2a的環(huán)流。

47、對比理想工況和非理想工況一、二可知，當(dāng)電池簇電壓和內(nèi)阻相同時，無環(huán)流；當(dāng)電池簇電壓和內(nèi)阻存在微小的出廠差異，極端情況下，也會產(chǎn)生較大的電池簇間環(huán)流，影響電池系統(tǒng)性能。因此，必須對電池簇間環(huán)流加以管控。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：當(dāng)電池簇電壓和內(nèi)阻存在微小的出廠差異，會產(chǎn)生較大的電池簇間環(huán)流，必須對電池簇間環(huán)流加以管控。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種具有旁路功能的單向串聯(lián)型電池簇間環(huán)流均衡電路，其特征在于，所述單向串聯(lián)型電池簇間環(huán)流均衡電路的電路拓?fù)浒ㄇ凹夒娐芬约昂蠹夒娐罚渲校?/p>

3、前級電路的輸入側(cè)并聯(lián)接入電池系統(tǒng)母線或電池簇，前級電路從輸入側(cè)取電向后級電路輸出補(bǔ)償電壓；

4、后級電路的輸出側(cè)串聯(lián)于待補(bǔ)償電池簇，用于控制輸出側(cè)電壓的方向和旁路：放電狀態(tài)下，從前級電路的輸入側(cè)吸收能量，經(jīng)由后級電路向待補(bǔ)償電池簇注入正向電壓；充電狀態(tài)下，從前級電路的輸入側(cè)吸收能量，經(jīng)由后級電路向待補(bǔ)償電池簇注入負(fù)向電壓。

5、優(yōu)選地，所述前級電路由單向dc/dc變換器構(gòu)成。

6、優(yōu)選地，所述單向dc/dc變換器為單級dcdc變換器或其衍生結(jié)構(gòu)，或者為多級dcdc變換器或其衍生結(jié)構(gòu)。

7、優(yōu)選地，所述后級電路包括由開關(guān)器件一、開關(guān)器件二、開關(guān)器件三以及開關(guān)器件四構(gòu)成的換向旁路電路，其中：

8、開關(guān)器件一的一端連接所述前級電路的一個輸出端以及開關(guān)器件三的一端，開關(guān)器件一的另一端連接開關(guān)器件二的一端以及單向串聯(lián)型電池簇的一端，開關(guān)器件二的另一端連接所述前級電路的另一個輸出端以及開關(guān)器件四的另一端，開關(guān)器件三的另一端連接開關(guān)器件四的一端以及單向串聯(lián)型電池簇的另一端。

9、優(yōu)選地，所述開關(guān)器件一、開關(guān)器件二、開關(guān)器件三以及開關(guān)器件四為功率器件或機(jī)械開關(guān)。

10、與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

11、1、本發(fā)明輸出側(cè)串聯(lián)接入待補(bǔ)償簇，僅補(bǔ)償環(huán)流電流，系統(tǒng)損耗小。

12、2、相較于雙向串聯(lián)型補(bǔ)償電路，本發(fā)明僅需單向工作，電路結(jié)構(gòu)簡單，控制容易。

13、3、相較于雙向串聯(lián)型補(bǔ)償電路，本發(fā)明僅需通過后級電路切換，即可實現(xiàn)正、負(fù)電壓輸出，滿足不同工況需求，切換過程更快。

14、4、本發(fā)明后級電路可兼顧旁路功能，容錯性更好。