BR102021025348A2

BR102021025348A2 - SYSTEM AND METHOD FOR ACTIVE POWER FLOW CONTROL AND EQUALIZATION FOR ELECTROCHEMICAL STORERS CONNECTED TO THE ELECTRIC GRID

Info

Publication number: BR102021025348A2
Application number: BR102021025348-7A
Authority: BR
Inventors: Braz de Jesus Cardoso Filho; Thales Alexandre Carvalho Maia; Tomás Perpetuo Corrêa; Anderson Vagner Rocha
Original assignee: Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras; Universidade Federal De Minas Gerais - Ufmg
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2023-06-27

Abstract

A invenção trata de um sistema e método que permitem controlar o fluxo de potência individual de cada bateria, sendo indicada para sistemas armazenadores de energia do tipo bateria eletroquímica, solidamente conectados à rede elétrica, respeitando cada uma de suas características durante a operação. Assim, caso as baterias apresentem diferentes estados de carga, o sistema será responsável por drenar de cada bateria, apenas a quantidade de energia passível de ser utilizada. Para diferentes estados de saúde, de carga e de vida, a performance e capacidade de descarga são preservadas. Para baterias degradadas, o sistema permite a substituição destas sem a necessidade de substituir todo o banco, inclusive por baterias de tecnologias diferentes

The invention deals with a system and method that allow controlling the individual power flow of each battery, being indicated for energy storage systems of the electrochemical battery type, solidly connected to the electrical network, respecting each of its characteristics during operation. Thus, if the batteries present different states of charge, the system will be responsible for draining from each battery only the amount of energy that can be used. For different states of health, charge and life, performance and discharge capacity are preserved. For degraded batteries, the system allows their replacement without the need to replace the entire bank, including batteries with different technologies.

Description

SYSTEM AND METHOD FOR ACTIVE POWER FLOW CONTROL AND EQUALIZATION FOR ELECTROCHEMICAL STORERS CONNECTED TO THE ELECTRIC GRID

Field of Invention

[0001] A presente invenção está relacionada com a área de sistemas armazenadores de energia do tipo bateria eletroquímica, solidamente conectados à rede elétrica. A invenção atua aumentando a vida útil de um banco armazenador de energia utilizando baterias eletroquímicas através do uso de sistemas eletrônicos na interface da bateria e um controlador central comandando a operação conjunta.[0001] The present invention is related to the area of energy storage systems of the electrochemical battery type, solidly connected to the electrical network. The invention acts by increasing the useful life of an energy storage bank using electrochemical batteries through the use of electronic systems in the battery interface and a central controller commanding the joint operation.

Description of the State of the Art

[0002] O problema técnico que motivou a invenção, foi a necessidade de controlar o fluxo de potência individual de cada bateria, respeitando cada uma de suas características durante a operação, de forma a prolongar a vida útil do banco armazenador, reduzindo a necessidade de manutenção e a substituição precoce do banco de baterias.[0002] The technical problem that motivated the invention was the need to control the individual power flow of each battery, respecting each of its characteristics during operation, in order to extend the useful life of the storage bank, reducing the need for maintenance and early replacement of the battery bank.

[0003] O documento US11081897B2 revela um sistema para carga e descarga de baterias. O sistema possui um sensor que monitora uma quantidade de energia fluindo através de uma fonte de alimentação que está em comunicação elétrica com um fornecedor de energia elétrica e gera informações de potência que é sincronizada com um tempo de referência. O sistema também possui uma unidade de armazenamento de energia que compreende uma ou mais baterias e um conversor de energia bidirecional que controla uma primeira quantidade de energia transferida em qualquer direção entre a alimentação de energia e uma ou mais baterias, onde a unidade de armazenamento de energia fornece um estado de carga de uma ou mais baterias. Além disso, é dito que o sistema também possui um computador de controle configurado para receber, a partir do sensor as informações de potência, receber, da unidade de armazenamento de energia, o primeiro estado de carga e fornecer, para a unidade de armazenamento de energia e com base em cada uma das informações de potência e o estado de carga/descarga, uma instrução de carga/descarga, onde a unidade de armazenamento de energia, em resposta à instrução de carga/descarga, carrega/descarrega uma ou mais baterias para mitigar as variações de energia transportada através da alimentação de energia. O sistema possui um sensor que monitora uma quantidade de energia fluindo através de uma fonte de alimentação que está em comunicação elétrica com um fornecedor de energia elétrica e gera informações de potência que é sincronizada com um tempo de referência.[0003] Document US11081897B2 discloses a system for charging and discharging batteries. The system has a sensor that monitors an amount of energy flowing through a power supply that is in electrical communication with an electrical energy supplier and generates power information that is synchronized with a reference time. The system also has an energy storage unit comprising one or more batteries and a bidirectional energy converter that controls a first amount of energy transferred in either direction between the energy supply and one or more batteries, where the energy storage unit energy provides a state of charge of one or more batteries. In addition, it is said that the system also has a control computer configured to receive, from the sensor the power information, receive, from the energy storage unit, the first state of charge and provide, to the energy storage unit, energy and based on each of the power information and the state of charge/discharge, a charge/discharge instruction, where the energy storage unit, in response to the charge/discharge instruction, charges/discharges one or more batteries to mitigate variations in energy carried through the power supply. The system has a sensor that monitors an amount of energy flowing through a power supply that is in electrical communication with an electrical energy supplier and generates power information that is synchronized with a reference time.

[0004] O documento US11081733B2 revela um sistema de gerenciamento de baterias que compreende uma placa de circuito impresso, um medidor de gás, um microcontrolador e um circuito de interruptor. A placa de circuito impresso pode ser uma placa mãe do sistema para integrar outros componentes. A placa de circuito impresso pode ser usada como placa de conexão para adaptar uma pluralidade de baterias para formar a bateria inteligente com uma capacidade e configuração desejadas. O sistema pode compreender um medidor, levando várias medidas, por exemplo, parâmetros relacionados com as proteções de tensão/corrente. Tais medições podem incluir, mas não estão limitadas a: uma tensão, uma corrente, uma capacidade, um ciclo de vida, uma temperatura e/ou parâmetros similares da bateria.[0004] Document US11081733B2 discloses a battery management system comprising a printed circuit board, a gas meter, a microcontroller and a switch circuit. The printed circuit board can be a system motherboard to integrate other components. The printed circuit board can be used as a connection board to adapt a plurality of batteries to form the smart battery with a desired capacity and configuration. The system may comprise a meter, taking various measurements, for example parameters related to voltage/current protections. Such measurements may include, but are not limited to: a battery voltage, current, capacity, cycle life, temperature and/or similar parameters.

[0005] O documento PI0608550A2 revela um sistema de fornecimento de energia à bateria para ligar um dispositivo eletrônico que possui uma bateria recarregável principal, uma bateria adicional compreendendo pelo menos uma célula primária e pelo menos uma célula recarregável e um controlador de carga bidirecional controlando fluxo de corrente entre a bateria adicional e a bateria recarregável. É dito também que o controlador atua como conversor para converter saída de corrente a partir da bateria adicional na em uma primeira tensão terminal nominal a uma segunda tensão para energizar o dispositivo.[0005] Document PI0608550A2 discloses a battery power supply system for connecting an electronic device having a main rechargeable battery, an additional battery comprising at least one primary cell and at least one rechargeable cell and a bidirectional charge controller controlling flow current between the additional battery and the rechargeable battery. The controller is also said to act as a converter to convert current output from the additional battery into a first nominal terminal voltage to a second voltage for energizing the device.

[0006] O documento WO2016207663A1 se refere a um sistema que contém um bloco de controle comum e blocos de controle de cada uma das inúmeras células de bateria, onde cada célula da multidão de células é controlada por seu próprio bloco de controle, que contém um microcontrolador que tem a capacidade de receber dados sobre o condição da célula, transferir a informação recebida para o bloco de controle comum e equilibrar as tensões das células por altas correntes (ao receber um comando de controle do bloco de controle comum), onde o modo de equilíbrio opera de forma eficiente em qualquer modo de operação da bateria (durante o carregamento, durante a descarga e em repouso), onde a multidão de células da bateria do acumulador são conectadas em série por corrente contínua, e em paralelo por corrente alternada através do sistema de balanceamento do conversor DC / AC, onde os conversores são sincronizados pelo sinal de controle comum do bloco de controle comum. É informado que a invenção reduz o tempo de carga e aumenta o tempo de descarga da bateria. Este documento, entretanto, não discute os detalhes da aplicação, apresentando informações genéricas, e não detalhando os componentes eletrônicos de forma a caracterizar a sua aplicação.[0006] Document WO2016207663A1 refers to a system that contains a common control block and control blocks of each of the numerous battery cells, where each cell of the multitude of cells is controlled by its own control block, which contains a microcontroller that has the ability to receive data about the condition of the cell, transfer the received information to the common control block and balance the cell voltages by high currents (upon receiving a control command from the common control block), where the mode balance operates efficiently in any battery operating mode (during charging, during discharging and at rest), where the multitude of battery cells of the accumulator are connected in series by direct current, and in parallel by alternating current through of the DC/AC converter balancing system, where the converters are synchronized by the common control signal from the common control block. It is reported that the invention reduces the charging time and increases the battery discharge time. This document, however, does not discuss the details of the application, presenting generic information, and not detailing the electronic components in order to characterize its application.

[0007] O documento JP5522804B2 apresenta um aparelho e método de equalização de carga para uma coluna de bateria conectada em série e, mais particularmente, um aparelho e método de equalização de carga que executa eficientemente a equalização de carga, reduzindo toda a complexidade e volume e reduzindo os custos de produção por meio de uma configuração que inclui uma bateria individual em uma coluna de bateria compartilha um único módulo de detecção de voltagem e um único módulo de equalização de carga; um bloco de comutação de uma estrutura de dois estágios forma um caminho de corrente para medir a tensão de baterias individuais incluídas na coluna de bateria e, ao mesmo tempo, forma um caminho de carga ou descarga de uma bateria com carga baixa ou sobrecarregada entre a bateria cordas; e um dispositivo de comutação com baixa tensão suportável é usado. O documento, entretanto, não apresenta um sistema eletrônico de controle ativo e bidirecional, permitindo que o sistema se equalize tanto durante a recarga, quanto durante a descarga.[0007] Document JP5522804B2 presents an apparatus and method of charge equalization for a battery column connected in series and, more particularly, an apparatus and method of charge equalization that efficiently performs charge equalization, reducing all complexity and volume and reducing production costs through a configuration that includes a single battery in a battery string sharing a single voltage sensing module and a single charge equalization module; a switching block of a two-stage structure forms a current path for measuring the voltage of individual batteries included in the battery string and, at the same time, forms a path for charging or discharging an undercharged or overcharged battery between the battery strings; and a switching device with low withstand voltage is used. The document, however, does not present an electronic system of active and bidirectional control, allowing the system to equalize both during recharge and during discharge.

[0008] O documento US9641013B2 ensina um método para equilibrar as tensões de um banco de baterias que inclui (a) uma etapa de medição de voltagem para medir as tensões dos bancos de baterias, (b) uma etapa de classificação de classificação dos bancos de baterias em potências ascendentes com base nos valores de voltagem do racks, (c) uma etapa de comparação de comparação de uma diferença entre um valor máximo de tensão e um valor mínimo de tensão com uma tensão definida, (d) uma etapa de contagem de carga / descarga de comparação dos valores de tensão dos bancos de bateria com uma tensão de referência para aumentar uma contagem de carga ou descarga e (e) uma etapa de carga / descarga para carregar ou descarregar os racks de acordo com a contagem de carga ou descarga. No caso em que, na etapa (c), a diferença entre o valor máximo de tensão e o valor mínimo de tensão é inferior à tensão definida, os bancos de bateria são carregados com o valor máximo de tensão sem as etapas (d) e (c). Este documento não descreve os equipamentos, o controle ativo e bidirecional. Além disso, não permite que o sistema tenha amplo controle, tanto durante a descarga, quanto durante a recarga.[0008] Document US9641013B2 teaches a method for balancing the voltages of a battery bank that includes (a) a voltage measurement step to measure the voltages of the battery banks, (b) a rating step of rating the banks of batteries in rising wattages based on rack voltage values, (c) a comparison step of comparing a difference between a maximum voltage value and a minimum voltage value with a defined voltage, (d) a battery count step charge/discharge comparing the voltage values of the battery banks with a reference voltage to increase a charge or discharge count and (e) a charge/discharge step to charge or discharge the racks according to the charge count or download. In the event that, in step (c), the difference between the maximum voltage value and the minimum voltage value is less than the defined voltage, the battery banks are charged with the maximum voltage value without steps (d) and (w). This document does not describe equipment, active and bi-directional control. In addition, it does not allow the system to have extensive control, both during the discharge and during the recharge.

[0009] Assim, o estado da técnica não apresenta soluções capazes de controlar o fluxo de potência individual de cada bateria em um banco de baterias, de forma a respeitar cada uma de suas características durante a operação, e possibilitar o prolongamento da vida útil do banco armazenador, reduzindo intervenções de manutenção e também a substituição precoce do banco.[0009] Thus, the state of the art does not provide solutions capable of controlling the individual power flow of each battery in a battery bank, in order to respect each of its characteristics during operation, and allow the extension of the useful life of the battery. storage bank, reducing maintenance interventions and also the early replacement of the bank.

Purpose of the invention

[0010] É um objetivo da invenção atuar controlando o fluxo de potência individual de cada bateria, respeitando cada uma de suas características durante a operação.[0010] It is an objective of the invention to act by controlling the individual power flow of each battery, respecting each of its characteristics during operation.

[0011] É um objetivo da invenção atuar drenando de cada bateria apenas a quantidade de energia que é passível de ser utilizada, caso as baterias apresentem diferentes estados de carga.[0011] It is an objective of the invention to act by draining from each battery only the amount of energy that can be used, if the batteries present different states of charge.

[0012] É um objetivo da invenção atuar em diferentes estados de saúde, para preservar a performance e capacidade de descarga.[0012] It is an objective of the invention to act in different states of health, to preserve performance and discharge capacity.

[0013] É um objetivo da invenção atuar em baterias degradadas, para permitir a substituição destas sem a necessidade de substituir todo o banco, permitindo inclusive a substituição por baterias de tecnologia diferente.[0013] It is an objective of the invention to act on degraded batteries, to allow their replacement without the need to replace the entire bank, even allowing replacement by batteries of different technology.

Brief Description of the Invention

[0014] A invenção atua controlando o fluxo de potência individual de cada bateria, respeitando cada uma de suas características durante a operação. Como exemplo, caso as baterias apresentem diferentes estados de carga, o sistema será responsável por drenar de cada bateria, apenas a quantidade de energia que é passível de ser utilizada. Para diferentes estados de saúde, a performance e capacidade de descarga são preservadas. Para baterias degradadas, o sistema e o método permitem a substituição destas sem a necessidade de substituir todo o banco.[0014] The invention operates by controlling the individual power flow of each battery, respecting each of its characteristics during operation. As an example, if the batteries have different states of charge, the system will be responsible for draining from each battery only the amount of energy that can be used. For different health states, performance and discharge capacity are preserved. For degraded batteries, the system and method allow replacement without the need to replace the entire bank.

Brief Description of the Drawings

[0015] A presente invenção será descrita com mais detalhes a seguir, com referência às figuras em anexo que, de uma forma esquemática e não limitativa do escopo inventivo, representam exemplos de realização da mesma. Nos desenhos, têm-se:

- A Figura 1 ilustra o sistema e seus componentes, sendo representados: elemento armazenador (1), conversor eletrônico c.c.-c.c. (2), e controlador central (3). A Figura 1A ilustra a interface de conexão do banco armazenador de energia com a rede elétrica. Este equipamento é uma ilustração de um equipamento disponível comercialmente, cuja função é despachar ou carregar a energia de um banco de baterias e injetar na rede elétrica. Ao aplicar o sistema e método proposto nesta invenção, este equipamento é preservado. A Figura 1A apresenta os componentes: conversor c.a.-c.c. (A), bateria de com um primeiro tipo de eletroquímica, por exemplo íon-lítio, em conjunto com o conversor c.c.-c.c., responsável por compor um elemento de controle de fluxo de potência para operação do sistema (B), bateria com um segundo tipo de eletroquímica, por exemplo chumbo-ácido, em conjunto com um conversor c.c.-c.c., em conjunto com outro conversor c.c.-c.c., responsável por compor outro elemento de controle de fluxo de potência para operação do sistema (C). O hardware necessário para operação é o mesmo para o item (B) e (C) alterando apenas o tipo de bateria. O último item ilustrado é o barramento de comunicação utilizando CANBus, mas também se aplicam quaisquer outros barramentos de comunicação, como Modbus, Profibus, Ethernet e outros (D). A Figura 1B ilustra o sistema completo com três unidades de hardware em série, sendo que cada unidade poderá conter quaisquer tipos de bateria em diferentes estados de carga. Os seus componentes são representados por: rede de energia (E), carregador central, conversor c.a.-c.c. (F). A Figura 1C ilustra os detalhes do hardware desenvolvido para operação do sistema, incluindo elementos semicondutores, sensores, gate-drives e componentes passivos. O hardware é identificado através de duas interfaces, sendo cada uma uma responsável por controlar um fluxo energético específico. O primeiro é a interface com o carregador central (F) e o segundo é a interface com cada elemento armazenador (G).
- A Figura 2 ilustra o método de funcionamento do sistema, sendo representados: demanda de potência da carga (4), mede tensão, corrente e temperaturas das baterias (5), estima o estado de saúde de carga e saúde da bateria (6), calcula a potência por bateria (7), despacha a potência em cada bateria (8), processa todos os dados no controlador central (9).
- A Figura 3 ilustra o funcionamento de um sistema armazenador de energia em conjunto com uma planta fotovoltaica. A Figura 3 serve de ilustração sobre umas das formas que o sistema pode operar. Os seus componentes são representados por: rede elétrica (H), célula fotovoltaica (I), conversor fotovoltaico (J), conversor para rede (K), baterias (L), conversor do banco armazenador (M), barramento de conexão (N), carga (O), e carga de referência (P). A Figura 3 também mostra dois gráficos de potência (MW) x horas do dia.
- A Figura 4A ilustra a capacidade despachada de um banco armazenador utilizando baterias de íon-lítio, com a capacidade em % (porcentagem) e o tempo em dias, exemplificando o estado da técnica;
- A Figura 4B ilustra a energia despachada de um banco armazenador utilizando baterias de íon-lítio, com a energia em kWh e o tempo em dias, exemplificando o estado da técnica;
- A Figura 5A ilustra a capacidade despachada de um banco armazenador utilizando baterias de íon-lítio, com a capacidade em % (porcentagem) e o tempo em dias, usando o sistema e o método da presente invenção;
- A Figura 5B ilustra a energia despachada de um banco armazenador utilizando baterias de íon-lítio, com a energia em kWh e o tempo em dias, usando o sistema e o método da presente invenção.

[0015] The present invention will be described in more detail below, with reference to the attached figures which, in a schematic way and not limiting the inventive scope, represent examples of its realization. The drawings have:

- Figure 1 illustrates the system and its components, being represented: storage element (1), electronic dc-dc converter (2), and central controller (3). Figure 1A illustrates the connection interface between the energy storage bank and the electrical network. This equipment is an illustration of a commercially available equipment, whose function is to dispatch or charge energy from a bank of batteries and inject it into the electrical grid. By applying the system and method proposed in this invention, this equipment is preserved. Figure 1A shows the components: ac-dc converter (A), battery with a first type of electrochemistry, for example lithium-ion, together with the dc-dc converter, responsible for composing a power flow control element for system operation (B), battery with a second type of electrochemistry, for example lead-acid, together with a dc-dc converter, together with another dc-dc converter, responsible for composing another element of flow control of power for system operation (C). The necessary hardware for operation is the same for item (B) and (C) changing only the battery type. The last item illustrated is the communication bus using CANBus, but any other communication buses also apply, such as Modbus, Profibus, Ethernet and others (D). Figure 1B illustrates the complete system with three hardware units in series, each unit being able to contain any type of battery in different states of charge. Its components are represented by: power grid (E), central charger, ac-dc converter (F). Figure 1C illustrates the details of the hardware developed to operate the system, including semiconductor elements, sensors, gate-drives and passive components. The hardware is identified through two interfaces, each one responsible for controlling a specific energy flow. The first is the interface with the central loader (F) and the second is the interface with each storage element (G).
- Figure 2 illustrates the method of operation of the system, being represented: load power demand (4), measures voltage, current and temperatures of the batteries (5), estimates the state of health of charge and health of the battery (6) , calculates the power per battery (7), dispatches the power in each battery (8), processes all data in the central controller (9).
- Figure 3 illustrates the operation of an energy storage system together with a photovoltaic plant. Figure 3 serves as an illustration of one of the ways in which the system can operate. Its components are represented by: electrical grid (H), photovoltaic cell (I), photovoltaic converter (J), grid converter (K), batteries (L), storage bank converter (M), connection bus (N ), load (O), and reference load (P). Figure 3 also shows two plots of power (MW) x hours of day.
- Figure 4A illustrates the dispatched capacity of a storage bank using lithium-ion batteries, with the capacity in % (percentage) and the time in days, exemplifying the state of the art;
- Figure 4B illustrates the energy dispatched from a storage bank using lithium-ion batteries, with energy in kWh and time in days, exemplifying the state of the art;
- Figure 5A illustrates the dispatched capacity of a storage bank using lithium-ion batteries, with the capacity in % (percentage) and the time in days, using the system and method of the present invention;
- Figure 5B illustrates the energy dispatched from a storage bank using lithium-ion batteries, with energy in kWh and time in days, using the system and method of the present invention.

Detailed Description of the Invention

[0016] Abaixo segue descrição detalhada de uma concretização preferida da presente invenção, de cunho exemplificativo e de forma nenhuma limitativo. Não obstante, ficará claro para um técnico no assunto, a partir da leitura desta descrição, possíveis concretizações adicionais da presente invenção ainda compreendidas pelas características essenciais e opcionais abaixo.[0016] Below follows a detailed description of a preferred embodiment of the present invention, by way of example and in no way limiting. Nevertheless, it will be clear to a person skilled in the art, from reading this description, possible additional embodiments of the present invention still comprised by the essential and optional features below.

[0017] Dentre as vantagens de se adotar um banco armazenador de energia que utiliza baterias eletroquímicas, podemos citar sua robustez e confiabilidade. Contudo, a vida útil do banco e o custo de aquisição ainda são fatores decisivos para sua adoção.[0017] Among the advantages of adopting an energy storage bank that uses electrochemical batteries, we can mention its robustness and reliability. However, the useful life of the bank and the acquisition cost are still decisive factors for its adoption.

[0018] Um cenário típico de utilização de um sistema armazenador é o deslocamento da demanda entre a geração e o consumo, denominado time-shift. Esse tipo de operação pode ser caracterizado por dois tipos de operação básica, o peak shaving e o load leveling, sendo o segundo responsabilidade do operador do sistema. Em particular, a operação de peak shaving demanda um correto dimensionamento dos componentes do sistema armazenador de energia, no intuito de evitar uma degradação precoce ao longo de toda a vida útil.[0018] A typical scenario for using a storage system is the demand shift between generation and consumption, called time-shift. This type of operation can be characterized by two types of basic operation, peak shaving and load leveling, the second being the responsibility of the system operator. In particular, the peak shaving operation demands a correct dimensioning of the components of the energy storage system, in order to avoid an early degradation throughout its useful life.

[0019] O resultado da invenção é o aumento da vida útil do um banco armazenador que utiliza baterias eletroquímicas para operação conectado à rede elétrica operando, por exemplo, no modo peak shaving. A utilização da invenção permite superar as limitações de sistemas armazenadores descritos no estado da técnica.[0019] The result of the invention is the increase in the useful life of a storage bank that uses electrochemical batteries for operation connected to the electrical grid operating, for example, in peak shaving mode. The use of the invention makes it possible to overcome the limitations of storage systems described in the state of the art.

[0020] O sistema incorpora o uso de eletrônica em um sistema armazenador de energia de baterias eletroquímicas, como por exemplo baterias de chumboácido, íons de lítio e outras. A adição de um conversor eletrônico c.c.-c.c. comandado permite a gestão da energia no sistema armazenador, evitando que as baterias sejam utilizadas de forma equivocada e se degradem precocemente. Ainda em um cenário onde possa ocorrer uma degradação das baterias, a eletrônica consegue contornar parcialmente a falha, aumentando a confiabilidade e a longevidade do banco armazenador de energia. Indiretamente, o armazenador se torna mais rentável em função da redução nas manutenções, aumento da vida útil e aumento da segurança na operação.[0020] The system incorporates the use of electronics in an energy storage system of electrochemical batteries, such as lead acid batteries, lithium ions and others. The addition of an electronic d.c.-d.c. controlled allows the management of energy in the storage system, preventing the batteries from being used incorrectly and degrading early. Even in a scenario where battery degradation may occur, the electronics can partially circumvent the failure, increasing the reliability and longevity of the energy storage bank. Indirectly, the warehouse becomes more profitable due to the reduction in maintenance, increased service life and increased operational safety.

[0021] O sistema consiste de três elementos básicos, a bateria, a eletrônica responsável por despachar a potência de cada bateria para o banco e um algoritmo de controle, aqui identificado como controlador central. O controlador central pode ser embarcado em qualquer dispositivo que permita a comunicação com os conversores c.c.-c.c.. Sua função é requisitar os dados de cada bateria, calcular todas as propriedades de estado de carga e saúde e tomar a decisão, informando como cada elemento deve se comportar dentro do banco.[0021] The system consists of three basic elements, the battery, the electronics responsible for dispatching the power of each battery to the bank and a control algorithm, identified here as the central controller. The central controller can be embedded in any device that allows communication with the d.c.-d.c. converters. behave inside the bank.

[0022] Os componentes do sistema são descritos a seguir: (1) Elemento armazenador, (2) conversor eletrônico c.c.-c.c. e (3) controlador central. Os itens (1) e (2) são conectados em série ou paralelo de acordo com a demanda do banco. A Figura 1 mostra o sistema, onde os itens (1) e (2) são conectados em série de acordo com a demanda do banco, mas poderia, ser fosse necessário, serem conectados em paralelo. Dependendo da potência do banco armazenador de energia e a especificação do conversor c.a.-c.c. a tensão terminal do banco armazenador poderá ser maior ou menor, exigindo a conexão em série de diversos elementos para que a tensão seja compatível. Na Figura 1 são ilustrados apenas dois componentes. O item (1) pode ser qualquer bateria eletroquímica. A eletrônica, ilustrada pelo item (2) é composta por um conversor c.c.-c.c do tipo buck-boost, podendo utilizar qualquer topologia que permita o fluxo bidirecional de potência. Ela é composta por dispositivos semicondutores de potência, sensores de tensão e corrente, gatedrive, e elementos passivos como resistores, capacitores e industores, além de elementos ativos, como amplificadores operacionais e interface para comunicação no barramento de comunicação, por exemplo, CANBus.[0022] The system components are described below: (1) Storage element, (2) dc-dc electronic converter. and (3) central controller. Items (1) and (2) are connected in series or parallel according to the bank's demand. Figure 1 shows the system, where items (1) and (2) are connected in series according to the bank's demand, but could, if necessary, be connected in parallel. Depending on the power of the energy storage bank and the specification of the AC-DC converter. the terminal voltage of the storage bank may be higher or lower, requiring the series connection of several elements so that the voltage is compatible. In Figure 1, only two components are illustrated. Item (1) can be any electrochemical battery. The electronics, illustrated by item (2) is composed of a buck-boost dc-dc converter, which can use any topology that allows bidirectional power flow. It is composed of power semiconductor devices, voltage and current sensors, gatedrive, and passive elements such as resistors, capacitors and inductors, in addition to active elements such as operational amplifiers and interface for communication on the communication bus, for example, CANBus.

[0023] A invenção é indicada para sistemas armazenadores de energia do tipo bateria eletroquímica, solidamente conectados à rede elétrica. O objetivo é melhorar o desempenho dos armazenadores em operações, por exemplo, do tipo time shift, prolongando sua vida útil, facilitando a sua manutenção e operação.[0023] The invention is indicated for energy storage systems of the electrochemical battery type, solidly connected to the electrical network. The objective is to improve the performance of the storage units in operations, for example, the time shift type, prolonging their useful life, facilitating their maintenance and operation.

[0024] O método para controle ativo do fluxo de potência e equalização para armazenadores eletroquímicos conectados à rede elétrica é descrito a seguir:

1- atuar na demanda de potência da carga;
2- medir tensão, corrente e temperaturas das baterias;
3- estimar o estado de de carga, de saúde e de vida de cada bateria no banco;
4- calcular a energia a ser despachada por bateria no banco;
5- despachar a energia proporcional a seu estado de saúde, de carga e de vida em cada bateria do banco;
6- processar todos os dados no controlador central, recebendo e despachando todas as informações no barramento de comunicação.

[0024] The method for active control of power flow and equalization for electrochemical storage connected to the power grid is described below:

1- act on the power demand of the load;
2- measure battery voltage, current and temperature;
3- estimate the state of charge, health and life of each battery in the bank;
4- calculate the energy to be dispatched by battery in the bank;
5- dispatch energy proportional to its state of health, charge and life in each battery of the bank;
6- process all data in the central controller, receiving and sending all information in the communication bus.

[0025] O banco irá funcionar de acordo com a demanda da carga, a qual informa o quanto de tensão e corrente é necessário que o banco entregue. Com base nestes valores, cada bateria informa ao controlador central suas características básica, como tensão, corrente e temperatura. Com base nos dados de todas as baterias, o controlador central calcula o estado de carga de cada elemento e o seu estado de saúde. Dependendo do que cada bateria for capaz de entregar, em termos de energia, o controlador define que as melhores baterias devem entregar mais energia, enquanto as demais baterias devem entregar uma quantidade menor. Todo esse processo é contínuo e acontece ininterruptamente até que toda a energia do banco seja completamente drenada.[0025] The bank will work according to the demand of the load, which informs how much voltage and current it is necessary for the bank to deliver. Based on these values, each battery informs the central controller of its basic characteristics, such as voltage, current and temperature. Based on data from all batteries, the central controller calculates the state of charge of each element and its state of health. Depending on what each battery is capable of delivering, in terms of energy, the controller defines that the best batteries should deliver more energy, while the other batteries should deliver a smaller amount. This whole process is continuous and happens uninterruptedly until all the energy in the bank is completely drained.

EXAMPLE:

[0026] O exemplo a seguir é apresentado de forma a ilustrar mais completamente a natureza da presente invenção e a maneira de praticar a mesma, sem que, no entanto, possam ser considerados como limitantes do seu conteúdo.[0026] The following example is presented in order to more fully illustrate the nature of the present invention and the way to practice the same, without, however, being considered as limiting its content.

[0027] Para melhor entendimento da operação do sistema, um estudo de caso é exemplificado, no qual um sistema armazenador de energia, utilizando baterias, é carregado e descarregado diariamente. O perfil de carregamento acompanha a disponibilidade solar durante a geração de uma usina fotovoltaica real. Posteriormente, a energia armazenada é descarregada no horário cujo custo tarifário é mais elevado. A Figura 3 ilustra o funcionamento, onde parte da demanda da carga é suprida por uma energia armazenada.[0027] For a better understanding of the operation of the system, a case study is exemplified, in which an energy storage system, using batteries, is charged and discharged daily. The charging profile follows the solar availability during the generation of a real photovoltaic plant. Subsequently, the stored energy is discharged at the highest tariff cost. Figure 3 illustrates the operation, where part of the load demand is supplied by stored energy.

[0028] A cada ciclo de carga e descarga, a capacidade energética do banco diminui em função da degradação e envelhecimento do banco. A Figura 4 ilustra o comportamento do banco em condições do estado da técnica, sem a utilização do sistema de bateria inteligente e método desenvolvido na invenção. Pelos resultados apresentados, percebemos que após 1966 dias, o banco atinge 80% da sua capacidade original, sendo necessário interromper a sua operação e substituir os elementos armazenadores.[0028] At each charge and discharge cycle, the bank's energy capacity decreases due to the degradation and aging of the bank. Figure 4 illustrates the behavior of the bank under state of the art conditions, without using the smart battery system and method developed in the invention. From the results presented, we realize that after 1966 days, the bank reaches 80% of its original capacity, being necessary to interrupt its operation and replace the storage elements.

[0029] A Figura 5 apresenta o mesmo sistema, operando nas mesmas condições originais, porém o sistema armazenador utiliza a invenção (sistema de bateria inteligente e método) para gerir o fluxo de potência e a energia armazenada. Em comparação com a Figura 4, após 1966 ciclos, uma bateria atinge o final de sua vida útil, mas como o uso do sistema e método desenvolvidos na presente invenção é atingido um efeito técnico inesperado, que torna viável que o banco de baterias continue em operação até que os demais armazenadores esgotem toda a sua capacidade, aumentando a quantidade de ciclos de 1966 para 2976. Ou seja, um aumento expressivo de mais de 1,5 vezes em relação ao resultado obtido com o estado da técnica.[0029] Figure 5 shows the same system, operating under the same original conditions, but the storage system uses the invention (smart battery system and method) to manage the power flow and stored energy. In comparison with Figure 4, after 1966 cycles, a battery reaches the end of its useful life, but as the use of the system and method developed in the present invention an unexpected technical effect is achieved, which makes it feasible for the battery bank to continue in operation until the other storage units exhaust all their capacity, increasing the number of cycles from 1966 to 2976. That is, a significant increase of more than 1.5 times in relation to the result obtained with the state of the art.

Claims

SYSTEM AND METHOD FOR ACTIVE POWER FLOW CONTROL AND EQUALIZATION FOR ELECTROCHEMICAL STORERS CONNECTED TO THE ELECTRIC GRID, characterized by comprising a storage element (1), dc-dc electronic converter. (2), and central controller (3).

SYSTEM, according to claim 1, characterized by the fact that the electronic converter d.c.-d.c. of the buck-boost type (2) have different operation topologies.

SYSTEM, according to claim 1, characterized in that the storage element (1) is selected from lead-acid batteries, nickel metal hydride, lithium technologies, molten salt or any other battery technology.

SYSTEM, according to claim 1, characterized in that the central controller (3) has the following characteristics: a system capable of predicting the state of charge, health and life of each storage element, individually, and making decisions about energy dispatch to preserve the useful life of the storage bank.

SYSTEM, according to claim 1, characterized by the fact that items (1) and (2) allow the series connection of different elements, guaranteeing its operation for different conditions of association of components in series or parallel.

METHOD FOR ACTIVE POWER FLOW CONTROL AND EQUALIZATION FOR ELECTROCHEMICAL STORERS CONNECTED TO THE ELECTRIC GRID, characterized by comprising the following steps:

1. act on the power demand of the load;
2. measure battery voltage, current and temperature;
3. estimate the state of charge, health and life of each battery in the bank;
4. calculate the energy to be dispatched by the battery in the bank;
5. dispatch energy proportional to its state of health, charge and life in each battery of the bank;
6. Process all data in the central controller, receiving and sending all information in the communication bus.

METHOD, according to claim 6, characterized by the fact that the central controller calculates the state of charge of each battery, its state of health and state of life.

METHOD, according to claim 6, characterized by the fact that the central controller selects which batteries from the bank must deliver more energy and which must deliver a smaller amount of energy throughout their useful life.

METHOD, according to claim 6, characterized by the fact that the steps are continuous and happen uninterruptedly until all the energy in the battery bank is completely drained.