[0001] 【技术领域】 本
发明涉及电气工程领域电源装置的研制，尤其涉及用于储能电池并联充放电的装置。
[0002] 【背景技术】现在常用的动
力储能电池充电器可分为车载充电器和非车载充电器，车载充电器一般设计为小功率充电，充电时间长，非车载充电器一般设计为大功率充电，
质量和体积也较大。储能电池充放电装置的需求是小型化和模
块化，且可以满足需求功率。实践证明，可以通过将电池模块通过直流-直流变换装置完成并联，组成新的装置，可以实现储能电池充放电装置的小型化、模块化，并可以通过一定配置得到较大的储能容量和额定功率，电池模块可以是不同封装、不同容量的。
[0003] 在多个电池模块并联供电时，若能对各电池模块的充电功率或着放电功率进行配置，就可以做到对各个储能模块充放电做梯次的调度，更合理地利用储能容量，提高储能电池利用效率，在小功率充放电装置未有达到要求者，本发明给出了达到这样需求的储能电池并联充放电装置。
[0004] 【发明内容】为了解决上述技术问题，有必要提供一种储能电池并联充放电装置，不同型号、不同容量的储能电池模块可以通过该装置实现并联，且每个储能模块的充放电功率可以配置。
[0005] 本发明提供一种储能电池并联充放电装置，包括多个储能电池模块，所述储能电池模块一一对应的多个直流-直流变换单元及直流
断路器、上位机控制单元、主断路器、直流-交流变换单元，通过接入电池的直流-直流变换单元给控制单元供电，解决储能电池的并联使用，满足储能电池小型化、分散接入的应用需求，能在
控制器不断电和输出持续的情况下更换某个电池模块；而且在应用电力
电子技术直流-直流变换装置并联
基础上，提出相应的均流及功率配置策略，各电池模块功率可单独配置，主动参与直流
母线电压的调节；不同类型、不同容量的储能电池可以通过本装置实现并联，且各储能电池模块充放电功率可独立配置，同时有直流-交流变换单元，满足并网或者离网运行；从
硬件拓扑上，本发明由多个直流-直流变换单元高压端并联，构成
直流母线，低压端作为储能电池
接口；直流-交流变换单元的直流端经主断路器与直流母线正负极相连，其交流端作为装置交流接口；控制单元与直流-直流变换单元、直流-交流变换单元间以通信线相连接，原有直流-交流变换单元拓展为可以接入光伏的变化器单元，光伏经特定直流-直流变换单元接入直流母线；增加直流输出接口，经特定直流-直流变换单元接入直流母线。
[0006] 所述用于并联的直流-直流变换单元低压端允许接入储能电池模块或者直流电源，直流-直流变换单元高压端并联，构成直流母线，其低压端与储能电池间以直流断路器连接；每个直流-直流变换单元除主
电路外，还包括独立的控制电路、保护电路、通信电路及显示电路，即可独立地完成直流-直流变换功能和保护功能，可以接受控制单元的监控；直流-直流变换单元通过RS485与控制单元相连，且各单元间以CAN2.0总线等高速通信方式通信，传递本单元电参量，辅助提高均流
精度。
[0007] 所述直流-交流变换单元的直流端接在直流母线上，其直流端工作电压范围与直流母线电压范围一致，交流端作为储能电池并联充放电装置输出接口，接入交流负载或并入公共
电网。直流-交流变换单元除主电路外，还包括独立的控制电路、保护电路、通信电路及显示电路，即可独立地完成逆变功能、整流功能、保护功能和信息记录功能，又可以接受控制单元的监控；直流-交流变换单元通过RS485与控制单元相连。
[0008] 所述控制单元由直流母线供电，与各直流-直流变换单元和直流-交流变换单元间以RS485通信，同时通过无线装置与外界装置无线通信。控制单元包括
中央处理器、
存储器、电源管理芯片、
数字量输入输出接口、模拟量输入输出接口、
通信接口，采集各单元运行参数信息，做出运算和判断，给出相应指令，作用于相应单元；控制单元是控制策略实施的载体，用以实现对各单元工作的调度和故障发生时的处理，且可通过APP或者网页数据形式与上位机交互。
[0009] 所述直流-直流变换单元的本地独立启停，接入储能电池的直流-直流变换单元可以视为一独立的直流电源装置，闭合储能电池与直流-直流变换单元的断路器，直流-直流变换单元控制电路开始工作，本地启停按钮可以给本地控
制芯片启停
信号，完成输出直流母线电压的建立和停止。
[0010] 直流-直流变换单元，低压端接入储能电池模块，对于其低压端来说，可工作于充电状态、放电状态和待机状态，待机状态指介于充电状态和放电状态之间的状态。对于其高压端来说，控
制模式常用三种，恒压、恒流和均流模式。
[0011] 所述多个直流-直流变换单元高压侧并联运行，其低压端分别接入储能电池模块，为保持变换电路的稳定和功率可配置，应使变换单元工作于均流模式。直流母线电压控制可以根据装置充放电各单元输出
电流的变化
自动调节。
[0012] 直流-直流变换单元工作于均流模式，指其控制策略基于直流下垂方法和电压电流双闭环控制，各单元输出电流相对均衡；其中控制外环为电压环，内环为电流环，再加之主动均流策略，即增加平均电流比较环节，作为补偿量加在外环参考值给定处。
开关管的开关信号采用脉冲宽度调制（PWM）技术。
[0013] 所述母线电压建立后装置免操作自启动，接入储能电池模块，只需启动一个直流-直流变换单元使之开始工作，即可为控制单元供电，控制单元检测各直流-直流变换单元和直流-交流变换单元工作状态，下发指令启动其余的直流-直流变换单元和直流-交流变换单元，系统开始对外输出，系统开始全备状态工作。
[0014] 所述输出稳定下更换储能电池模块，接入多个储能电池模块后，储能电池实质为通过变换装置实现物理并联，系统开始工后，不必停止系统，只需在直流-直流变换单元工作大于两台且足以供应此时负载工作的情况下，通过本地启停按钮或者上位机APP下发停止指令停止一台直流-直流变换单元的输出，断开该路直流断路器，重新放置新的储能电池，即可实现所称的输出稳定下（或者在线）更换储能电池模块。
[0015]【
附图说明】
为了更清楚地说明本发明的特征、要素、步骤、优点以及特性，下面将对
实施例和技术方案描述中所需要使用的附图作一定地介绍。以下通过详细的说明和与此相关的添加附图来进一步明确。
[0016] 图1是表示本发明一种储能电池并联充放电装置简单实施例的结构图；图2是表示本发明一种储能电池并联充放电装置主要实施例的结构图；
图3是表示本发明装置外部端口的端口名、端口号、功能及实施例电量参数值；
图4是表示本发明装置直流-直流变换单元并联的等效电路图；
图5是表示本发明储能电池并联充放电装置n个单元并联时输出特性曲线设置；
图6是表示本发明储能电池并联充放电装置单元下垂控制均流策略
流程图；
图7是表示本发明储能电池并联充放电装置主动均流控制策略流程图；
图8是表示本发明储能电池并联充放电装置的外形设计主视图。
[0017] 图9为是表示本发明储能电池并联充放电装置的外形设计后视图。
[0018]【具体实施方式】
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0019] 请参阅图1，本发明一种储能电池并联充放电装置的简单实施例结构图；请参阅图2，本发明一种储能电池并联充放电装置的主要实施例结构图，增加了光伏接入端和24V直流电输出端。
[0020] 结合图1和图2给出的实施例描述本发明对储能电池模块的物理并联的实现。
[0021] 本发明公开的储能电池并联充放电装置，主要有多个直流-直流变换单元高压端并联，构成直流母线，低压端作为储能电池接口；直流-交流变换单元的直流端经主断路器与直流母线正负极相连，其交流端作为装置交流接口；控制单元与直流-直流变换单元、直流-交流变换单元间以通信线相连接，构成简单实施例。
[0022] 本发明公开的储能电池并联充放电装置，若将简单实施例中直流-交流变换单元替代为图2中的AC/DC单元，DC/DC_a，DC/DC_b的组合，光伏经DC/DC_b接入，再经DC/DC_a接至开关Ka，开关Ka另一侧接直流母线，构成本发明的主要实施例。
[0023] 将图2中包括AC/DC单元，DC/DC_a，DC/DC_b的虚线框内统称为直流-交流变换单元。
[0024] 所述直流-直流变换单元DC/DC_1，DC/DC_2，…DC/DC_10，其低压端连接直流断路器，为两线通道，断路器另一侧引出作为装置的电池接线端，用以接入储能电池模块或者直流电源，以正接线端接储能电池正极，负接线端接储能电池负极；各直流-直流变换单元高压端并联，均接至装置的直流母线
铜排上，直流母线分为正极铜排和负极铜排。
[0025] 所述直流-交流变换单元与断路器Ka连接的端口称直流端，直流端经断路器Ka连接至装置的直流母线铜排，正负极相对应，且其直流端工作电压范围与直流母线电压范围一致；与断路器Kb连接的光伏接线端作为装置对外的光伏接口；交流端作为储能电池并联充放电装置输出接口，接入交流负载或并入公共电网。
[0026] 所述控制单元，其电源接线端接于直流母线上，正负极相对应，与各直流-直流变换单元和直流-交流变换单元间RS485通信线连接，共有485A、485B、GND三条线，同时通过无线数据收发模块与外界装置进行无线通信。图1给出的实施例中，直流母线上连接至直流-交流变换单元控制单元的供电端，控制单元的供电为母线经直流-直流变换为5V供控制器使用，控制单元与各直流-直流变换单元和直流-交流变换单元间以RS485通信，控制单元连接有显示板。
[0027] 结合图3，对本发明装置各单元的接口类型、参数做出描述。
[0028] 本发明装置对外接口主要分为电气接口和通信接口，电气接口包括10组电池端正负接线端、220V交流接线端、24V直流接线端、光伏接线端，通信接线端包括以太网口、无线装置的无线连接。
[0029] 其中每个直流-直流变换单元，有其独立的电池端正负接线端、直流母线接线端、485通信端、对外显示接口、CAN通信接口、程序下载接口。直流-直流变换单元及其对应电池模块、显示板每两个组成一实物装置，称电池箱，因此装置最多接入五组电池箱，也可以根据需求适当减少电池箱的数量。本发明实施例中应用额定功率1000W的直流-直流变换单元，直流-直流变换单元电池端标称电压48V。
[0030] 直流-交流变换单元包括包括AC/DC单元，DC/DC_a，DC/DC_b，组成变流器箱。其主要接口有直流母线接线端、220V交流接线端、485通信端、程序下载接口。
[0031] 控制单元与预充电电路装置及24V直流-直流变换单元组成实物装置，称控制箱，控制箱还包括主断路器、交流端断路器、预充电控制电路、显示电路、直流母线铜排，及各接线端。其主要接口有直流母线接线端、220V交流对外接线端、24V直流接线端、485通信端、以太网口、无线装置的无线连接。
[0032] 接下来详细的描述各硬件模块应具备的特点和工作原理。
[0033] 每个直流-直流变换单元除主电路外，还包括独立的控制电路、保护电路、通信电路及显示电路，即可独立地完成直流-直流变换功能和保护功能，又可以接受控制单元的监控。直流-直流变换单元通过RS485与控制单元相连，且各单元间以CAN2.0总线等高速通信方式通信，传递本单元电参量，辅助提高均流精度。
[0034] 各直流-直流变换单元分别通过输入-输出（DIDO）接口连接显示板，且显示板上有启停按钮，在无上位机连接时本地启停按钮提供启停信号，有上位机连接，则将启停信号发送至上位机，等待上位机下发启停指令。
[0035] 各直流-直流变换单元之间采用 CAN2.0 总线方式，与上位机采用 RS485 通信方式。充放电单元与上位机通信交互内容主要包括：上位机向充放电单元下发指令：启动、停止、电流指令等；充放电单向上位机传送信息：电池电压、电池电流、电池剩余电量（SOC）、直流母线电压、充放电单元工作状态等。
[0036] 充放电单元内部采用
数字信号处理器（DSP），控制策略上作双闭环控制，电流环内环，电压环外环控制方式，实现电流的双向变换。
[0037] 对于低压侧电源，直流-直流变换单元可工作在：1.待机状态；2.充电状态；3.放电状态。
[0038] 直流-直流变换单元启动过程简便，可以从充电状态（降压电路）或者放电状态（
升压电路）回到待机状态，也可从待机状态回到睡眠状态，待机状态指介于充电与放电状态之间的一种工作状态，睡眠状态指主电路上安全MOS管关断时状态。为保证并联时系统的安全运行，从 buck/boost 模式进入 boost /buck模式的情况下，必须经过待机状态。待机状态是在换向过程中，电流逐步降低到零，然后反向按要求逐步增加的需求输入/输出值的过程。
[0039] 直流-交流变换单元除主电路外，还包括独立的控制电路、保护电路、通信电路及显示电路，即可独立地完成逆变功能、整流功能、保护功能和信息记录功能，又可以接受控制单元的监控。直流-交流变换单元通过RS485与控制单元相连。
[0040] 控制单元包括中央处理器、存储器、电源管理芯片、数字量输入输出接口、模拟量输入输出接口、通信接口，采集各单元运行参数信息，做出运算和判断，给出相应指令，作用于相应单元。控制单元是控制策略实施的载体，用以实现对各单元工作的调度和故障发生时的处理，且可通过APP或者网页数据形式与上位机交互。控制单元主要接口有电源、数字量输入输出（DIDO）口、I2C通信口、RS485接口、USB接口、无线接口。
[0041] 控制单元主要处理各单元传送的运行参数信息，做出运算和判断，给出相应指令，作用于相应单元，控制单元是控制策略的载体，用以实现对各单元工作的调度和故障发生时的处理，且可通过APP或者网页数据形式与上位机交互。
节点控制器作为上位机监控各设备的运行，并以慢速通信给出指令调整，各台直流-直流装置间通过CAN2.0通信，快速通信提高均流精度。
[0042] 接下来结合图4-图7，对本发明装置的系统工作原理和实现功能做出详细描述。
[0043] 本发明一种储能电池并联充放电装置，且各模块功率可单独配置，功能的实现基于直流-直流变换电路单元的并联和两种均流及功率调节策略。
[0044] 从系统运行上，本发明所述储能电池并联充放电装置不仅可以完成单个直流-直流变换单元的本地独立启停，多个直流-直流变换单元高压侧并联运行，交流并网运行或者离网运行，还可以完成母线电压建立后装置免操作自启动，输出稳定下更换储能电池模块，单个储能电池模块充放电功率的独立配置，与上位机通过有线或者无线方式通信，扩展功能为接入光伏运行和提供直流端口供电。
[0045] 通过直流-直流变换单元完成储能电池模块的物理并联，下面叙述其工作原理。
[0046] 当各台直流-直流变换单元并联时，接入储能电池，各单元应工作于下垂控制模式，避免电池直接相连带来的过流，本发明装置所用的控制策略基于直流下垂控制，在电压电流双闭环控制基础上，以Uref=Um-R*Io替代双闭环控制的电压环给定常数，其中Um为给定下垂曲线零电流所对应电压值，R对应一个下垂曲线系数，Uref为电压电流双闭环的电压给定，Io为电流
采样值。
[0047] 直流-直流变换单元工作于下垂控制模式，基本原理为戴维宁等效电路，将储能电池与变换单元共同等效为直流电压源
串联一固定值
电阻，对于输出特性等效。
[0048] 请参阅图5，所设置的下垂曲线，实施例中Um设为56V，R设为0.1，各台装置均工作于下垂控制模式，并联时，不同负载特性对应不同的工作点。DC/DC 变换器即能满足单台独立工作，也能满足多台并联组网工作，直流母线电压控制可以根据 DC/DC 变换器输出电流的变化自动调节。
[0049] 实施例直流-直流（DC/DC）变换器设计按照 1000W 功率等级设计，A 版设计直流母线电压控制与输出电流关系按照如下设计。当单台 DC/DC 变换器稳定运行，直流母线稳态电压控制与输出电流（输出为正）关系如图5，当n=1所示。
[0050] 在无上位机控制的情况下，多台DC/DC 变换器并联稳定运行，直流母线稳态电压控制与输出电流（输出为正）关系如图5所示。其中：1) n 为 DC/DC 变换器投入运行的数量；2) 纵坐标为直流母线电压值；横坐标为单台 DC/DC 的输出电流；3) 各台 DC/DC 变换器均流控制。
[0051] 多个相似的电路可以完成并联，减小电池直接物理并联时因电压不均衡，产生的大电流，消耗于内阻上的极大
电能，因下垂控制下电路等效电阻为虚拟电阻，并不因有电流流过而产生损耗，从而实现电池的物理并联，既减小了对电池的损害危险，又提高了电池充放电的实际效率，改善了电池工作性能。
[0052] 接下来主要描述本发明中功率配置功能的实现。
[0053] 充放电单元将采用下垂法和主动均流法，根据需求实现各单元的
平均功率输出以及差别功率输出。主动均流基本原理是对均流误差信号做闭环控制，通过上位机发送指令
修改平均电流，可实现差别功率输出控制。
[0054] 在有上位机控制控制的情况下，多台 DC/DC 变换器并联稳定运行，直流母线稳态电压控制与输出电流（输出为正）关系如图 5所示。各台 DC/DC 根据上位机指令实现对各自电流的独立控制。
[0055] 所述单个储能电池模块充放电功率的独立配置，直流-直流变换单元并联时，提出两种配置各单元功率的控制策略。
[0056] 请参阅图6，小型储能电池充放电装置下垂均流控制策略流程图。下垂均流控制下，各单元功率输出基本一致，但有电路硬件的微小差异导致实际电流不全一致，上位机通过直流-直流变换单元采集电池信息，对电池状态进行评估计算后，得出各单元期望运行的功率值或电流值，节点控制单元下发指令调节，调节下垂曲线上下平移或改变下垂系数，即改变图7中Vm的值或者R的值，传递给相应直流-直流变换单元，改变相应电池的充放电状态，从而达到对电池充放电功率的均流和配置。
[0057] 请参阅图7，小型储能电池充放电装置主动均流控制策略流程图。基于直流下垂控制，在电压参考值输入处增加补偿环节，通过CAN总线完成各单元之间的通信，计算各台装置电流和，求得平均值，并乘以电流调节系数（初始值为1），各单元母线电流与平均电流值作比较，经PI环节加在电压环给定处作为补偿，用以提高各直流-直流变换单元间的均流精度，上位机根据电池状态，对应相应的控制目标，得出各单元期望运行的功率值或电流值，换算为相应电流调节系数，下发至各直流-直流变换单元，做到对并联单元中各台功率的调节。
[0058] 接下来详细描述其启停控制和在线电池的更换。
[0059] 启动过程，所述母线电压建立后装置免操作自启动，接入储能电池模块，只需启动一个直流-直流变换单元使之开始工作，即可为控制单元供电，控制单元检测各直流-直流变换单元和直流-交流变换单元工作状态，下发指令启动其余的直流-直流变换单元和直流-交流变换单元，系统开始对外输出，系统开始全备状态工作。
[0060] 所述输出稳定下更换储能电池模块，接入多个储能电池模块后，储能电池实质为通过变换装置实现物理并联，系统开始工后，不必停止系统，只需在直流-直流变换单元工作大于两台且足以供应此时负载工作的情况下，通过本地启停按钮或者上位机APP下发停止指令停止一台直流-直流变换单元的输出，断开该路直流断路器，重新放置新的储能电池，即可实现所称的输出稳定下（或者在线）更换储能电池模块。
[0061]
电池组更换的操作流程如下：1. 按一次“启动/停止”按钮；2. 等“运行”指示灯熄灭后进行电池组更换；3. 更换完成后，按一次“启动/停止"按钮后，系统恢复正常工作。在多个电池模块通过该装置并联时，成为在线更换电池。
[0062] 接下来对本发明的外形设计做出说明。
[0063] 结合图8，给出本装置的外形设计图，本装置采用模块化设计方式，组成柜体，实施例中分变流器箱、储能电池箱、控制箱，模块化设计搭建，变流器箱和储能电池箱直流母线端均接于控制箱，对外输出端口均位于控制箱，变流器箱接有光伏端，储能电池箱包含两个储能电池模块。
[0064] 其中，变流器箱主要包括直流-交流变换装置，具备接入光伏和交流输出能力，直流端与48V直流母线相连，主要端口包括48V直流母线端接口、光伏端接口、交流端接口、485通信接口。
[0065] 储能电池箱每个包含两个储能单元，设计上主要包括直流-直流变换单元、直流断路器和储能电池装入空间，主要端口包括电池接线端、直流母线接口、485接口、CAN接口，还包括面板上的对外显示板。
[0066] 控制器箱主要包括控制器、48V母线主断路器、交流输出端断路器、直流输出端断路器、直流24V变换单元，主要接口包括对变流器箱的直流母线接线端、交流输出端（经交流输出端断路器后再输出）、485通信接口，对储能电池箱的直流母线接线端、485通信端，还包括对外输出的交流端接口、24V直流端接口、无线收发装置接口、按钮及显示板。
[0067] 本发明外形设计美观大方，高防
水防尘等级IP65，模块化组装，方便易携。
[0068] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和
说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的
权利要求书及其等效物界定。
