本發(fā)明涉及一種并聯(lián)電池模塊及方法。

背景技術(shù)：

蓄電池作為變電站/電廠直流電源系統(tǒng)的核心部分，其可靠性直接決定了直流電源系統(tǒng)供電的可靠性。傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)是由多節(jié)蓄電池串聯(lián)起來(lái)組成蓄電池組來(lái)使用的。

蓄電池串聯(lián)使用，有如下缺點(diǎn)：

1)單體蓄電池故障影響整組輸出。蓄電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)或離子遷移難以人為精確控制，串聯(lián)數(shù)量越多，單體故障發(fā)生幾率越大。

2)蓄電池電參數(shù)須保持一致。不同品牌、不同類型、甚至同一廠家不同批次的蓄電池不能混合使用，蓄電池利用效率降低。

3)蓄電池組擴(kuò)容困難，一般需要更換整組蓄電池。

4)蓄電池組只能整組冗余配置、冗余配置成本高。

5)蓄電池組無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線全容量核容、在線檢修、更換。

目前，通常利用并聯(lián)電池模塊解決上述問題，如圖2所示，但是，現(xiàn)有的并聯(lián)電池模塊當(dāng)交流輸入失電時(shí)，電池通過第一直流變換電路和第二直流變換電路兩級(jí)直流變換給負(fù)載供電，每一級(jí)直流變換都會(huì)損失一部分效率，整體效率較低；過負(fù)載能力較差；在負(fù)載短路時(shí)，直流變換電路提供的短路電流較小，不能可靠保證故障回路的斷路器可靠斷開，引起故障范圍擴(kuò)大。

同時(shí)，現(xiàn)有的并聯(lián)電池模塊只針對(duì)單節(jié)12V鉛酸蓄電池，適應(yīng)范圍窄。一般沒有配置蓄電池監(jiān)測(cè)單元，無(wú)法對(duì)蓄電池的溫度、單節(jié)電池電壓、單節(jié)電池內(nèi)阻等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)并聯(lián)電池模塊的保護(hù)、監(jiān)測(cè)、控制功能提及較少，功能不夠完善且直流變換電路效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種并聯(lián)電池模塊及方法，該發(fā)明電源輸入端與直流輸出端之間只有1級(jí)電源變換，提高了整體轉(zhuǎn)換效率。正常工作時(shí)第一DC/DC變換器和第三DC/DC變換器同時(shí)連接負(fù)載，顯著的提高了過負(fù)載能力。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種并聯(lián)電池模塊，包括依次相連的濾波電路、整流電路、PFC功率因數(shù)校正電路、第一DC/DC變換器、儲(chǔ)能元件和限流元件，將輸入的交流電變換為直流輸出；

所述PFC功率因數(shù)校正電路的輸出端通過第二DC/DC變換器連接蓄電池，在交流電源正常時(shí)給蓄電池充電；

所述蓄電池通過第三DC/DC變換器，將蓄電池輸入的直流電源升壓變換為110V或220V直流電壓，所述第三DC/DC變換器與第一DC/DC變換器的輸出端并聯(lián)，經(jīng)儲(chǔ)能元件和限流元件，輸出到模塊輸出端，正常工作時(shí)作為第一DC/DC變換器的熱備份，過負(fù)載時(shí)，提供電流輸出，與第一DC/DC變換器共同帶負(fù)載；

所述PFC功率因數(shù)校正電路、第一DC/DC變換器、第二DC/DC變換器和第三DC/DC變換器均連接模塊監(jiān)控單元，接受模塊監(jiān)控單元的監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制，并通過模塊監(jiān)控單元與上位機(jī)進(jìn)行通信；

可選的，所述電池組連接有電池監(jiān)測(cè)單元，采集電池組的電壓、溫度、內(nèi)阻和電流信息，提供電池監(jiān)控與保護(hù)。

優(yōu)選的，所述蓄電池為電池組或電池，所述電池組包括多節(jié)串聯(lián)的電池。

所述電池組的電壓范圍為10-56V。

優(yōu)選的，所述第一DC/DC變換器、第二DC/DC變換器和第三DC/DC變換器均采用LLC諧振電壓型拓?fù)洹?/p>

優(yōu)選的，所述模塊監(jiān)控單元為PFC功率因數(shù)校正電路、第一DC/DC變換器、第二DC/DC變換器和第三DC/DC變換器提供輸出過電壓保護(hù)、輸出欠電壓保護(hù)、輸出過電流保護(hù)、過溫保護(hù)和輸出端短路保護(hù)。

優(yōu)選的，所述模塊監(jiān)控單元監(jiān)測(cè)PFC功率因數(shù)校正電路、第一DC/DC變換器、第二DC/DC變換器和第三DC/DC變換器的輸入電壓、輸出電壓和輸出電流。

優(yōu)選的，所述電池監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)電池組的單節(jié)電池電壓、電池總電壓、電池電流、電池剩余容量和/或電池工作狀態(tài)。

優(yōu)選的，所述濾波電路為EMI濾波電路。

當(dāng)交流電源有電且負(fù)載正常的時(shí)候，直流母線主要由第一DC/DC變換器供電，第三DC/DC變換器只是作為熱備份，不對(duì)外輸出電流。

基于上述模塊的工作方法，在交流有電且負(fù)載正常時(shí)，交流輸入經(jīng)濾波電路、整流電路和PFC功率因數(shù)校正電路處理后變換為直流電壓A，經(jīng)第一DC/DC變換器變換為110V或220V直流電壓輸出到內(nèi)部直流母線，經(jīng)過儲(chǔ)能元件和限流元件，輸出到外部直流母線，提供負(fù)載使用，同時(shí)直流電壓A經(jīng)第二DC/DC變換器變換降壓為10-56V的直流電源給電池組進(jìn)行充電，電池電壓經(jīng)第三DC/DC變換器升壓變換為110V或DC220V直流電壓，輸出到內(nèi)部直流母線，作為第一DC/DC變換器的熱備份。

基于上述模塊的工作方法，在交流失電狀態(tài)時(shí)，第一DC/DC變換器和第二DC/DC變換器不工作，電池電壓經(jīng)第三DC/DC變換器變換升壓為110V或220V直流電壓，輸出到內(nèi)部直流母線，經(jīng)過儲(chǔ)能元件和限流元件，輸出到外部直流母線，提供負(fù)載使用。

基于上述模塊的工作方法，在交流有電，但模塊過負(fù)載運(yùn)行時(shí)，第一DC/DC變換器和第三DC/DC變換器同時(shí)工作，同時(shí)輸出電流到內(nèi)部直流母線，經(jīng)過儲(chǔ)能元件和限流元件，輸出到外部直流母線，提供負(fù)載使用。

所述第二DC/DC變換器按照設(shè)定的充電曲線對(duì)電池組進(jìn)行充電管理。

所述電池組為鉛酸蓄電池時(shí)，采用恒流充電、恒壓限流充電和浮充電三段充電曲線進(jìn)行充電；當(dāng)電池組為鋰電子電池時(shí)，采用多段恒流充電曲線進(jìn)行充電。

一種直流電源系統(tǒng)，包括多個(gè)上述所述的并聯(lián)電池模塊。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)電源輸入端與直流輸出端之間只有1級(jí)電源變換模塊，較現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，提高了整體轉(zhuǎn)換效率；

(2)本發(fā)明的第一DC/DC變換器和第三DC/DC變換器同時(shí)接到負(fù)載上，過負(fù)載能力顯著提高，在負(fù)載短路時(shí)，2個(gè)直流變換電路都能夠提供短路電流，電流輸出能力是現(xiàn)有技術(shù)的2倍，能夠更可靠的保證故障回路的斷路器斷開，避免故障范圍擴(kuò)大；

(3)電池組的電池類型可以是鉛酸電池、鋰離子電池、鉛炭電池等，適應(yīng)范圍更廣，除完成基本的電能轉(zhuǎn)換功能，還提供完善的保護(hù)、監(jiān)測(cè)、控制功能；

(4)配置有電池監(jiān)測(cè)單元，對(duì)電池溫度、單節(jié)電池電壓、單節(jié)電池內(nèi)阻等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。有效的保證電源系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)，為蓄電池充、放電管理的過程中，更精確的控制充放電參數(shù)提供依據(jù)。另外，為更精確的電池組容量估算提供數(shù)據(jù)支撐；

(5)采用的三個(gè)DC-DC模塊都使用LLC諧振電壓型拓?fù)?，采用DSP數(shù)字軟開關(guān)算法控制。上述拓?fù)浼八惴ㄩ_關(guān)損耗低，能量轉(zhuǎn)換效率高，算法控制靈活。

附圖說明

圖1是并聯(lián)電池系統(tǒng)框圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)并聯(lián)電池模塊框圖；

圖3是本發(fā)明的改進(jìn)后并聯(lián)電池模塊框圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

1、如圖3所示，一種并聯(lián)電池模塊采用3個(gè)直流變換電路的方案，該方案整體設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：

1)電源輸入端與直流輸出端之間只有1級(jí)電源變換，較現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，提高了整體轉(zhuǎn)換效率；

2)有2個(gè)直流變換器(DC/DC1和DC/DC3)直接接到負(fù)載上，過負(fù)載能力顯著提高；

3)有2個(gè)直流變換器(DC/DC1和DC/DC3)直接接到負(fù)載上，在負(fù)載短路時(shí)，2個(gè)直流變換電路都能夠提供短路電流，電流輸出能力是現(xiàn)有技術(shù)的2倍，能夠更可靠的保證故障回路的斷路器斷開，避免故障范圍擴(kuò)大。

2、本發(fā)明所述并聯(lián)電池模塊，使用的電池，可使用10-56V電壓范圍的電池或電池組?？梢允菃喂?jié)電池，也可以是多節(jié)電池串聯(lián)的電池組。電池類型可以是鉛酸電池、鋰離子電池、鉛炭電池等。適應(yīng)范圍更廣。

3、本發(fā)明所述并聯(lián)電池模塊，可選配電池監(jiān)測(cè)單元，對(duì)電池溫度、單節(jié)電池電壓、單節(jié)電池內(nèi)阻等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。有效的保證電源系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，為蓄電池充、放電管理的過程中，更精確的控制充放電參數(shù)提供依據(jù)。另外，為更精確的電池組容量估算提供數(shù)據(jù)支撐。

4、本發(fā)明所述并聯(lián)電池模塊，除完成基本的電能轉(zhuǎn)換功能，還提供完善的保護(hù)、監(jiān)測(cè)、控制功能。

4.1、保護(hù)功能

1)模塊輸出過電壓保護(hù)

2)模塊輸出欠電壓保護(hù)

3)模塊輸出過電流保護(hù)

4)模塊輸出端短路保護(hù)

5)模塊過溫保護(hù)

4.2、監(jiān)測(cè)功能

1)交流輸入電壓監(jiān)測(cè)

2)模塊輸出電壓監(jiān)測(cè)

3)模塊輸出電流監(jiān)測(cè)

4)電池總電壓監(jiān)測(cè)

5)單節(jié)電池電壓監(jiān)測(cè)

6)電池電流監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)

7)電池剩余容量監(jiān)測(cè)

8)電池工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)

9)電池溫度監(jiān)測(cè)

4.3、控制功能

手動(dòng)充電控制

手動(dòng)放電控制

充電過程管理

放電過程管理

自動(dòng)核容控制

手動(dòng)核容控制

5、本發(fā)明所述并聯(lián)電池模塊中，采用的三個(gè)DC-DC模塊都使用LLC諧振電壓型拓?fù)洌捎肈SP數(shù)字軟開關(guān)算法控制。上述拓?fù)浼八惴ㄩ_關(guān)損耗低，能量轉(zhuǎn)換效率高，算法控制靈活。

6、電池配置方案

推薦3個(gè)電池配置方案

6.1、方案1：電池組采用單節(jié)12V鉛酸電池來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1)這種配置每個(gè)并聯(lián)電池模塊內(nèi)部配置的電池不存在串聯(lián)情況，能夠最大限度的避免串聯(lián)蓄電池的缺點(diǎn)。

2)在110kV變電站直流電源系統(tǒng)應(yīng)用中，需采用10幾個(gè)并聯(lián)電池模塊并聯(lián)達(dá)到直流電源的容量需求，采用“N+1”冗余的配置，多配置1個(gè)模塊作為冗余備份，冗余配置成本最低。

3)該方案存在并聯(lián)電池模塊配置較多，經(jīng)濟(jì)性不夠好的問題。

6.2、方案2：電池組采用2節(jié)12V鉛酸電池串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，電池組電壓為24V。

1)這種配置電池電壓高，DC/DC2和DC/DC3的變比相對(duì)較低，變換效率更高。

2)單個(gè)并聯(lián)電池模塊的容量相比采用單節(jié)12V電池的情況增加了1倍。在110kV變電站直流電源系統(tǒng)應(yīng)用中，采用5、6個(gè)并聯(lián)電池模塊并聯(lián)即可達(dá)到直流電源的容量需求。5、6個(gè)模塊并聯(lián)，采用“N+1”冗余的配置，多配置1個(gè)模塊作為冗余備份，20％左右的冗余配置成本，冗余配置成本適中。

3)2節(jié)電池串聯(lián)，其中1塊故障，2塊電池需要同時(shí)更換，電池綜合成本比單節(jié)12V電池方案略有提高。

6.3、方案3：電池組采用4節(jié)12V鉛酸電池串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，電池組電壓為48V。

1)這種配置電池電壓最高，DC/DC2和DC/DC3的變比最低，變換效率最高。

2)單個(gè)并聯(lián)電池模塊的容量相比采用單節(jié)12V電池的情況增加了3倍。在110kV變電站直流電源系統(tǒng)應(yīng)用中，采用3個(gè)并聯(lián)電池模塊并聯(lián)即可達(dá)到直流電源的容量需求。采用“N+1”冗余的配置，多配置1個(gè)模塊作為冗余備份，30％左右的冗余配置成本，相對(duì)偏高。

3)4節(jié)電池串聯(lián)，其中1塊故障，4塊電池需要同時(shí)更換，電池綜合成本最高。

綜合比較上述3個(gè)方案，方案2成本適中，模塊數(shù)量適中，建議優(yōu)先選用。

7、并聯(lián)電池模塊結(jié)構(gòu)形式配置方案

電池、電池監(jiān)測(cè)單元、儲(chǔ)能元件、限流元件，并聯(lián)電池模塊的這4個(gè)組成部分的其中之一或全部，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)、尺寸要求外置，通過電纜與并聯(lián)電池模塊連接，也可以全部?jī)?nèi)置。

8、并聯(lián)電池模塊工作方式介紹

模塊工作分為3種狀態(tài)：S1交流有電狀態(tài)、S2交流失電狀態(tài)、S3交流有電，模塊過負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。

在S1狀態(tài)：模塊由交流電源輸入(AC220V或AC380V)，經(jīng)EMI濾波電路、整流電路和PFC功率因數(shù)校正電路處理后變換為直流電壓1(電壓幅值與交流電源輸入電壓有效值相當(dāng))，經(jīng)DC/DC1變換為DC110V或DC220V直流電壓2輸出到內(nèi)部直流母線，經(jīng)過儲(chǔ)能元件和限流元件，輸出到外部直流母線，提供負(fù)載使用。同時(shí)直流電壓1經(jīng)DC/DC2變換降壓為DC10-56V的直流電源給蓄電池進(jìn)行充電。電池電壓經(jīng)DC/DC3升壓變換為DC110V或DC220V直流電壓，輸出到內(nèi)部直流母線，作為DC/DC1的熱備份。DC/DC3的直流輸出電壓整定值比DC/DC1的直流輸出電壓整定值略低，所以當(dāng)交流電源有電且負(fù)載正常的時(shí)候，直流母線主要由DC/DC1供電，DC/DC3只是作為熱備份，不會(huì)對(duì)外輸出電流。DC/DC1和DC/DC3內(nèi)部都具有防倒灌電路，只能向內(nèi)部直流母線輸出電流，不能由內(nèi)部直流母線輸入電流。

在S2狀態(tài)：交流失電，DC/DC1和DC/DC2不工作，電池電壓經(jīng)DC/DC3變換升壓為DC110V或DC220V直流電壓，輸出到內(nèi)部直流母線，經(jīng)過儲(chǔ)能元件和限流元件，輸出到外部直流母線，提供負(fù)載使用。

在S3狀態(tài)，交流有電，模塊過負(fù)載運(yùn)行，DC/DC1和DC/DC3同時(shí)工作，同時(shí)輸出電流到內(nèi)部直流母線，經(jīng)過儲(chǔ)能元件和限流元件，輸出到外部直流母線，提供負(fù)載使用。

模塊監(jiān)控單元，由微控制器、采集電路、控制電路、算法組成，對(duì)PFC功率因數(shù)校正電路、DC/DC1、DC/DC2、DC/DC3等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，并與上位機(jī)通訊傳送各種信號(hào)和命令。

DC/DC1、DC/DC2和DC/DC3均采用LLC諧振電壓型拓?fù)洌捎肈SP數(shù)字軟開關(guān)算法控制，完成高效的電壓轉(zhuǎn)換及能量傳遞，并可與模塊監(jiān)控單元通信，上傳DC/DC模塊工作狀態(tài)信息、電池信息等，并接受模塊監(jiān)控單元控制。

DC/DC2內(nèi)部DSP控制器同時(shí)具備蓄電池充電管理功能，控制DC/DC2按照設(shè)定的充電曲線對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理。一般鉛酸蓄電池采用恒流充電——>恒壓限流充電——>浮充電三段充電曲線進(jìn)行充電。鋰離子電池采用多段恒流充電曲線進(jìn)行充電。

儲(chǔ)能元件，一般由電力用電解電容或超級(jí)電容組成，平時(shí)儲(chǔ)存能量，在負(fù)載側(cè)出現(xiàn)沖擊負(fù)載時(shí)，提供短時(shí)大電流，防止DC/DC單元因沖擊負(fù)載導(dǎo)致過流保護(hù)；同時(shí)，在負(fù)載側(cè)短路時(shí)，由于斷路器跳閘需要較大的電流，并需要持續(xù)一定的時(shí)間，DC/DC變換器無(wú)法單獨(dú)提供該斷路器跳閘電流，可能引起DC/DC過流保護(hù)。這時(shí)候，由儲(chǔ)能元件提供短時(shí)大電流，驅(qū)動(dòng)斷路器跳閘，斷路器跳閘后，DC/DC模塊能夠繼續(xù)正常工作，為正常負(fù)載提供工作電源。

限流元件，由限流電路和均流電路組成。在負(fù)載正常時(shí)，起到多個(gè)并聯(lián)電池模塊之間電流均衡的作用；在負(fù)載側(cè)短路時(shí)，控制儲(chǔ)能元件放電速度，以可整定的可控電流值(該電流需大于斷路器跳閘電流)放電，保證以最小的儲(chǔ)能成本實(shí)現(xiàn)可靠的故障跳閘。

電池監(jiān)測(cè)單元是一個(gè)可選單元，主要用于配置電池組的情況，用于電池組內(nèi)各單節(jié)電池的電壓、內(nèi)阻、溫度等狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，為電池組的充電過程控制和放電過程控制提供控制參數(shù)依據(jù)。同時(shí)，為更精確的電池組容量估算提供數(shù)據(jù)支撐。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。