一种电堆平衡电路及平衡方法与流程

本发明实施例涉及电池系统均衡，尤其涉及一种电堆平衡电路及平衡方法。

背景技术：

1、随着电池储能技术的不断发展，大规模储能电站大量投入国网运营，在发电、输电、配电和用电侧都发挥了重要作用。以液流电池储能系统的电堆组为例，在电堆组中电堆电量不一致会导致电堆组整体容量的缩减，例如，当其中的电堆在充电过程中存在不均衡，在不均衡充电周期结束时，充电特性较弱的电堆会比充电特性较强的电堆先达到满容量，并触发结束充电的信号，从而导致其他充放电特性较强的电堆未达到满容量，影响了该电堆组的总容量。在不均衡放电周期结束时，放电特性较弱的电堆会先释放全部电荷，并触发结束放电的信号，从而导致其他放电特性较强的电堆中仍残留部分电荷未被释放，即电堆组中存在电堆的部分容量未能参与放电过程，造成能量浪费。

2、在这种情况下，需要通过电堆间的均衡，这样能使电堆组内各电堆达到满容量状态，由于构成电堆组的单体电堆数量众多，现有方案中对电堆进行均衡的方式还存在不足。

技术实现思路

1、本发明提供一种电堆平衡电路及平衡方法，实现液流电堆组内能量的有效利用，实现液流电堆组自身均衡，降低液流电堆组的均衡复杂度。

2、第一方面，本发明实施例提供一种电堆平衡电路，包括：第一液流电堆组、第一开关阵列模块、dc-dc变换器、第一输入开关模块和第二输入开关模块；

3、所述第一液流电堆组包括多个电堆，所述电堆之间电气串联接；

4、所述电堆通过所述第一开关阵列模块与所述dc-dc变换器第一侧的第一正极端和第一负极端电连接；所述第一开关阵列模块用于选择导通待均衡的所述电堆与所述dc-dc变换器第一侧的第一正极端和第一负极端之间的通路；

5、所述第一液流电堆组的正极端通过所述第一输入开关模块与所述dc-dc变换器第二侧的第二正极端电连接；所述第一液流电堆组的负极端通过所述第一输入开关模块与所述dc-dc变换器第二侧的第二负极端电连接；

6、所述第一输入开关模块用于在所述第一液流电堆组均衡应用时，导通所述第一液流电堆组的正极端和所述dc-dc变换器第二侧的第二正极端之间的通路，以及导通所述第一液流电堆组的负极端和所述dc-dc变换器第二侧的第二负极端的通路；所述dc-dc变换器用于控制所述第一液流电堆组对待均衡的所述电堆进行充电；

7、后端电气网络通过所述第二输入开关模块分别与所述dc-dc变换器第二侧的第二正极端和所述dc-dc变换器第二侧的第二负极端电连接；所述第二输入开关模块用于与后端电气网络连接应用时，导通后端电气网络与所述dc-dc变换器第二侧的第二正极端和所述dc-dc变换器第二侧的第二负极端之间的通路。

8、可选的，所述第一液流电堆组包括n个电堆,所述第一开关阵列模块包括第一极性切换单元和n+1个第一开关单元；n为大于或等于1的整数；

9、第一个所述电堆的正极与第一个所述第一开关单元的第一端连接；相邻的两个所述电堆的正极与负极对应连接的节点与一个所述第一开关单元的第一端连接；第n个所述电堆的负极与第n+1个所述第一开关单元的第一端连接；

10、所述第一极性切换单元的输入端与所述第一开关单元的第二端电连接；所述第一极性切换单元的输出端分别与所述dc-dc变换器第一侧的第一正极端和所述dc-dc变换器第一侧的第一负极端连接；所述第一极性切换单元用于切换所述电堆与所述dc-dc变换器连接的极性。

11、可选的，所述的电堆平衡电路，包括：至少两组第一液流电堆组，与所述第一液流电堆组对应的第一开关阵列模块、第一开关模块和第二开关模块；

12、每组的所述第一液流电堆组对应的所述第一开关阵列模块的输出端通过所述第一开关模块分别与所述dc-dc变换器第一侧的第一正极端和第一负极端电连接；所述第一开关模块用于导通或截断所述第一开关阵列模块与所述dc-dc变换器第一侧的第一正极端和第一负极端之间的通路；

13、每组的所述第一液流电堆组的正极端和负极端通过所述第二开关模块与所述第一输入开关模块连接；所述第二开关模块用于导通或截断所述第一液流电堆组与所述第一输入开关模块之间的通路。

14、可选的，所述的电堆平衡电路还包括：至少一组第二液流电堆组，与所述第二液流电堆组对应的第二开关阵列模块、第三开关模块、第四开关模块和第五开关模块；

15、所述第二液流电堆组包括多个电堆，所述电堆之间电气串联接；所述电堆与所述第二开关阵列模块电连接；所述第二开关阵列模块通过所述第三开关模块分别与所述第一输入开关模块和所述第四开关模块电连接；所述第四开关模块与所述第二开关模块电连接；所述第二开关阵列模块用于选择导通待均衡的所述电堆与所述第三开关模块之间的通路；所述第三开关模块和所述第四开关模块用于导通或截断所述第二开关阵列输出端所在的通路；相邻组的第二液流电堆组对应的所述第三开关模块之间还设置所述第五开关模块。

16、可选的，所述第二液流电堆组包括n个电堆,n为大于或等于1的整数；

17、所述第二开关阵列模块包括第二极性切换单元和n+1个第二开关单元；

18、第一个所述电堆的正极与第一个所述第二开关单元的第一端连接；相邻的两个所述电堆的正极与负极对应连接的节点与一个所述第二开关单元的第一端连接；第一个所述电堆的负极与第n+1个所述第二开关单元的第一端连接；

19、所述第二极性切换单元的输入端与所述第二开关单元的第二端电连接；所述第二极性切换单元的输出端分别与所述第三开关模块和所述第四开关模块连接；所述第二极性切换单元用于切换所述电堆与所述dc-dc变换器连接的极性。

20、可选的，所述的电堆平衡电路包括：第三液流电堆组和第三开关阵列模块；

21、所述第三液流电堆组包括多个电堆，所述电堆之间为并联电气连接；

22、所述电堆的正极端与所述dc-dc变换器第一侧的第一正极端电连接；所述电堆的负极端与所述第三开关阵列模块的输入端连接，所述第三开关阵列模块的输出端与所述dc-dc变换器第一侧的第一负极端电连接；所述第三开关阵列模块用于选择导通待均衡的所述电堆的负极端与所述dc-dc变换器第一侧的第一负极端之间的通路；

23、所述第三液流电堆组的正极端还通过所述第一输入开关模块与所述dc-dc变换器第二侧的第二正极端电连接；所述第三开关阵列模块的输出端通过所述第一输入开关模块与所述dc-dc变换器第二侧的第二负极端电连接；

24、所述第一输入开关模块用于在所述液流电堆组均衡应用时，导通所述第三液流电堆组的正极端和所述dc-dc变换器第二侧的第二正极端之间的通路，以及导通所述第三开关阵列模块的输出端和所述dc-dc变换器第二侧的第二负极端的通路；所述dc-dc变换器用于控制所述第三液流电堆组对待均衡的所述电堆进行充电。

25、可选的，所述第三液流电堆组包括n个电堆,n为大于或等于1的整数；

26、所述第三开关阵列模块包括n个第三开关单元；每个所述电堆的负极与一个所述第三开关单元的第一端连接；所述第三开关单元的第二端连接后作为所述第三开关阵列模块的输出端。

27、可选的，所述第一输入开关模块包括第一子开关和第四子开关；

28、所述第一子开关的第一端与所述液流电堆组的正极端电连接；所述第一子开关的第二端与所述dc-dc变换器第二侧的第二正极端电连接；

29、所述第四子开关的第一端与所述液流电堆组的负极端电连接；所述第四子开关的第二端与所述dc-dc变换器第二侧的第二负极端电连接；

30、所述第二输入开关模块包括第二子开关和第三子开关；所述第二子开关的第一端与所述dc-dc变换器第二侧的第二正极端电连接；所述第二子开关的第二端与后端电气网络连接；所述第三子开关的第一端与所述dc-dc变换器第二侧的第二负极端电连接；所述第三子开关的第二端与后端电气网络连接。

31、可选的，单个所述电堆采用一套液流电池循环系统。

32、第二方面，本发明实施例提供一种电堆平衡方法，由本发明实施例的所述电堆平衡电路执行，包括：

33、在充、放电时段中或充、放电过程完毕后，查找所述第一液流电堆组中端电压与第一预设电压的差值最大的电堆作为待均衡的所述电堆，导通待均衡的所述电堆与所述dc-dc变换器第一侧的第一正极端和第一负极端之间的通路；

34、导通所述第一输入开关模块，通过dc-dc变换器将所述第一液流电堆组的能量向待均衡的所述电堆传递，直至待均衡的所述电堆的端电压达到预设电压；

35、重复查找锁定待均衡的所述电堆，并通过所述dc-dc变换器完成能量转换，直至所述第一液流电堆组中各电堆的端电压之间的差值均小于预设电压阈值。

36、本发明实施例还提供一种电堆平衡方法，由本发明实施例的所述电堆平衡电路执行，包括：

37、在充、放电时段中或充、放电过程完毕后，查找流经液流电堆组的电流值差异最大的两组液流电堆组，所述两组液流电堆组分别来自第一液流电堆组和第二液流电堆组，或，所述两组液流电堆组均来自第一液流电堆组，或，所述两组液流电堆组均来自第二液流电堆组；

38、在第一组的液流电堆组中选取端电压最高的第一电堆，在第二组的液流电堆组中选取端电压最低的第二电堆；

39、若第一电堆的端电压与第二电堆的端电压差值大于第二预设电压阈值，则通过所述dc-dc变换器将第一电堆的能量向第二电堆传递，直至所述第二电堆的端电压与所述第一电堆的端电压的差值小于预设电压阈值；

40、在第一组的液流电堆组中选取端电压最低的第三电堆，在第二组的液流电堆组中选取端电压最高的第四电堆；

41、若第四电堆的端电压与第三电堆的端电压差值大于第三预设电压阈值，则通过所述dc-dc变换器将第四电堆的能量向第三电堆进行传递，直至所述第四电堆的端电压与所述第三电堆的端电压的差值小于预设电压阈值；

42、重复查找锁定具有最大端电压差异度的两组液流电堆组以及其中的第一电堆、第二电堆、第三电堆和第四电堆，并通过所述dc-dc变换器完成能量转换，直至所述第二电堆的端电压与所述第一电堆的端电压的差值小于预设电压阈值，和所述第四电堆的端电压与所述第三电堆的端电压的差值小于预设电压阈值。

43、本发明实施例还提供一种电堆平衡方法，由本发明实施例的所述电堆平衡电路执行，包括：

44、在充、放电时段中或充、放电过程完毕后，查找所述第三液流电堆组中流经电流与预设电流的差值最大的电堆作为待均衡的所述电堆，导通待均衡的所述电堆的负极与所述dc-dc变换器第一侧的第一负极端之间的通路；

45、导通所述输入开关模块的第一端与所述输入开关模块的第二端的通路，以及导通所述输入开关模块的第三端与所述输入开关模块的第四端的通路；通过所述dc-dc变换器将所述第三液流电堆组的能量向待均衡的所述电堆进行传递，直至待均衡的所述电堆流经的电流达到预设电流；

46、重复查找锁定待均衡的所述电堆，并通过所述dc-dc变换器完成能量转换，直至所述第三液流电堆组中各电堆流经的电流之间的差值均小于预设电流阈值。

47、本发明实施例提供的技术方案，在dc-dc变换器的第一侧与第一液流电堆组设置第一开关阵列模块，利用第一开关阵列模块可以特定选通第一液流电堆组中的单体电堆，因此，在充、放电时段中(实时进行)或其他工作时段中(充、放电过程完毕后)，通过导通第一输入开关模块，截断第二输入开关模块，可以将第一液流电堆组自身的能量对目标的单体电堆进行充电，从而可以实现第一液流电堆组内能量的有效利用，并且利用第一液流电堆组的能量实现自身均衡，有效提升的第一液流电堆组整体容量和功率性能，整个均衡电路结构简单，降低液流电堆组的均衡复杂度。

技术特征：

1.一种电堆平衡电路，其特征在于，包括：第一液流电堆组、第一开关阵列模块、dc-dc变换器、第一输入开关模块和第二输入开关模块；

2.根据权利要求1所述的电堆平衡电路，其特征在于，所述第一液流电堆组包括n个电堆,所述第一开关阵列模块包括第一极性切换单元和n+1个第一开关单元；n为大于或等于1的整数；

3.根据权利要求1所述的电堆平衡电路，其特征在于，包括：至少两组第一液流电堆组，与所述第一液流电堆组对应的第一开关阵列模块、第一开关模块和第二开关模块；

4.根据权利要求3所述的电堆平衡电路，其特征在于，还包括：至少一组第二液流电堆组，与所述第二液流电堆组对应的第二开关阵列模块、第三开关模块、第四开关模块和第五开关模块；

5.根据权利要求4所述的电堆平衡电路，其特征在于，所述第二液流电堆组包括n个电堆,n为大于或等于1的整数；

6.根据权利要求1所述的电堆平衡电路，其特征在于，包括第三液流电堆组和第三开关阵列模块；

7.根据权利要求6所述的电堆平衡电路，其特征在于：所述第三液流电堆组包括n个电堆,n为大于或等于1的整数；

8.根据权利要求1所述的电堆平衡电路，其特征在于，所述第一输入开关模块包括第一子开关和第四子开关；

9.根据权利要求1-8任一项所述的电堆平衡电路，其特征在于，单个所述电堆采用一套液流电池循环系统。

10.一种电堆平衡方法，由权利要求1-3任一所述电堆平衡电路执行，其特征在于，包括：

11.一种电堆平衡方法，由权利要求4-5任一所述电堆平衡电路执行，其特征在于，包括：

12.一种电堆平衡方法，由权利要求6-7任一所述电堆平衡电路执行，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种电堆平衡电路及平衡方法。其中，在DC‑DC变换器的第一侧与第一液流电堆组设置第一开关阵列模块，利用第一开关阵列模块可以特定选通第一液流电堆组中的单体电堆，因此，在充、放电时段中或其他工作时段中，通过导通第一输入开关模块，截断第二输入开关模块，可以将第一液流电堆组自身的能量对目标的单体电堆进行充电，从而可以实现第一液流电堆组内能量的有效利用，并且利用第一液流电堆组的能量实现自身均衡，有效提升的第一液流电堆组整体容量和功率性能，整个均衡电路结构简单，降低液流电堆组的均衡复杂度。

技术研发人员：杜念慈
受保护的技术使用者：纬景储能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5