CN102082312A

CN102082312A - 一种大容量储能设备

Info

Publication number: CN102082312A
Application number: CN2010106158364A
Authority: CN
Inventors: 冯自平; 张千玉; 宋文吉; 陈永珍
Original assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2030-12-30
Also published as: CN102082312B

Abstract

本发明公开一种大容量储能设备，其包括多个串联的电池组、多个均衡单元和多个电池测控单元，每个电池组中包括多个串联的单体电池；每个均衡单元中设置多个均衡模块；每一个电池组对应连接一个电池测控单元和一个均衡单元；每一个均衡模块连接一个单体电池；所述均衡单元通过总线连接所述电池测控单元，所述均衡单元用于均衡电池组之间的电量；所述均衡模块用于均衡电池组内每个单体电池之间的电量；所述电池测控单元用于测量和控制电池组中各单体电池的状态。采用本发明可延长电池寿命以及充分发挥电池的储能作用。为大规模储能装置提供有效的管理、监控。

Description

一种大容量储能设备

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及的是一种锂离子电池作为储能电源的大容量储能设备。

背景技术

大规模储电技术是智能电网、风力发电、太阳能发电以及电力负荷移峰填谷的关键技术。锂电池由于其具有高能量密度，自放电率低，放电电压平稳，无记忆效应，循环寿命长等优点在多个领域得到广泛的应用。为了确保电池性能良好，延长电池寿命，实现高效、安全的应用，必须对电池进行合理有效的管理和控制。随着锂电池在大规模储能场合中的应用，电池的管理技术成为了锂电池大规模储能的关键技术，是安全高效发挥电池性能、延长电池使用寿命的重要保证。而目前的大容量储能装置的能量管理系统还没有成熟的技术。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大容量储能设备，旨在解决现有的大容量储能设备的能量管理系统技术还不够成熟的问题。

本发明的技术方案如下：

一种大容量储能设备，其中，包括多个串联的电池组、多个均衡单元和多个电池测控单元，每个电池组中包括多个串联的单体电池；每个均衡单元中设置多个均衡模块；每一个电池组对应连接一个电池测控单元和一个均衡单元；每一个均衡模块连接一个单体电池；所述均衡单元通过总线连接所述电池测控单元，所述均衡单元用于均衡电池组之间的电量；所述均衡模块用于均衡电池组内每个单体电池之间的电量；所述电池测控单元用于测量和控制电池组中各单体电池的状态。

所述的大容量储能设备，其中，所述电池测控单元包括电池测量模块和电池电荷状态估算模块，所述电池测量模块包括电压测量电路、电流测量电路和温度采集电路，所述电压测量电路包括串联组成的晶体三极管和电阻；所述电流测量电路是基于霍尔效应的多量程电流传感器，所述温度采集电路为热敏电阻。

所述的大容量储能设备，其中，经晶体三极管和电阻测量的单体电池电压要再经过补偿、校正处理。

所述的大容量储能设备，其中，所述电池电荷状态估算模块采用安时积分法与卡尔曼滤波法相结合的方法估算电池的电荷状态。

所述的大容量储能设备，其中，所述均衡模块是以高频脉冲方式工作的双向能量转移系统，其均衡方法是将电压高的单体电池上的能量转移到电压低的单体电池上，且每个均衡模块的输入输出自动选择。

所述的大容量储能设备，其中，电池组与电池组之间的均衡是通过两电池组对应的均衡单元同时对其中一个电池组中的某一单体电池进行均衡。

所述的大容量储能设备，其中，所述均衡单元通过RS485总线连接所述电池测控单元。

所述的大容量储能设备，其中，还包括热交换装置用于对储能设备中的温度进行管理，当储能设备中温度高于高温门限值时启动散热功能；当储能设备中的温度低于低温门限值时则启动加热功能。

所述的大容量储能设备，其中，所述热交换装置包括电池壳、热管、翘片和丙酮棒，所述单体电池放在电池壳中；所述热管设置在所述翘片组成的网格中，所述丙酮棒一端连接在电池壳上，另一端连接在翘片网格上，用于传到热量进行热交换。

所述的大容量储能设备，其中，所述电池壳的外表面设置为波纹状。

本发明的有益效果：本发明通过对储能系统关键技术的研究开发，获得了大规模储能系统监控与保护的核心技术，最大程度的延长电池寿命以及充分发挥电池的储能作用。为大规模储能装置提供有效的管理、监控。

附图说明

图1是本发明提供的大容量储能设备的结构框图；

图2是本发明提供的均衡单元的结构示意图；

图3是本发明提供的热量交换模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

参见图1和图2，本发明提供的大容量储能设备包括电池组、均衡单元和电池测控单元。所述电池测控单元包括电池测量模块、电池电荷状态估算模块。所述电池测量模块包括电压测量电路、电流测量电路和温度采集电路。所述均衡单元中还设置有多个均衡模块。每一个电池组对应连接一个电池测控单元。每一个电池组对应连接一个均衡单元。所述均衡单元通过485总线连接所述电池测控单元。所述电池组设置有一个或多个，且每个电池组中包括多个单体电池。所述电池组之间串联连接，所述电池组内的单体电池之间也是串联连接。每个单体电池连接一个均衡模块，每个均衡单元中的所有的均衡模块均连接在一条均衡线11上。所述电池测控单元控制均衡单元实施均衡动作。

在大容量储能设备中，电压、电流、温度等参数是整个设备的主要参数。这些参数的准确检测是对储能设备实现有效管理，是储能设备能够安全运行的重要保证。由于电池组总电压较高，电池数目多，并且在测量过程中还容易由于电池端电压不稳定而影响检测的准确性，要实现精确测量难度较大。

本发明中所述电压测量电路包括串联组成的晶体三极管和精密电阻，用于测量电池组单体电池的电压。该测量电路将具有测量精度高、成本低的特点。由于电流采集的精确度，直接影响对电池SOC估算的准确度。所以本发明提供的电流测量电路是基于霍尔效应的多量程电流传感器，其可在充放电过程中实时采集电池的电流。所述温度采集电路为热敏电阻，将温度转换为可直接输出的数字信号。采集温度时需要考虑的关键因素是温度传感器的位置以及温度转换信号的准确度。

在对电池组单体电池电压进行检测时需要先考虑到：(a)串联形式的电池，各个电池的电位是逐渐上升的，单体电池电压信号含有很大的共模信号；(b)电压测量必须连接上电路，造成电池自放电。单体电池电压经三极管和采样电阻构成的变换电路变换后，再经过补偿、校正处理，获得单体电压值。电流及温度采样直接用电流传感器和温度传感器进行采样。

所述电池荷电状态(state of charge，简称SOC)估算模块用于准确估算SOC，保证SOC维持在合理的范围内，对有效提高储能系统利用率，保证电池组安全和延长其使用寿命具有重要意义。

目前常用的SOC估算方法有开路电压法和安时积分法：开路电压法需要较长时间的静置，不能满足在线监测的要求；安时积分法可在短时间内能准确估算SOC，但是存在无法确定初始的SOC，随着电池的循环使用，电池的内阻等因素发生变化，长期单独使用安时积分法会使累计误差越来越大，严重影响SOC的估算精度。

因此，基于上述原因本发明将安时积分法与其他方法组合一起使用。例如，本实施例提供的优选方式是将安时积分法与卡尔曼(Kalman)滤波法一起使用。所述卡尔曼(Kalman)滤波法也是SOC估算方法，该估算方法对SOC估算的初始值要求不高，但是对电池模型的准确度要求较高。在电池模型比较准确时，Kalman滤波算法可以较快收敛到电池的SOC真值附近。

本发明在安时积分法的基础上，以准确的电池模型为保证，采用扩展卡尔曼(Kalman)滤波器(即EXTEDN KALMAN FILTER，简称EKF)来估算电池的SOC。考虑内阻、温度、充放电效率、循环寿命等因素对电池容量的影响，并进行相应的修正来提高SOC的计算精度。所述相应的修正是本领域技术人员所熟知的技术，因此不再赘述。

采用EKF估算SOC时，电池等效电路模型的建立是关键。确定电池等效模型，确定基于EKF的SOC估算算法的计算流程。为了进一步提高估算精度，对估算过程进行全程动态校正。所述SOC估算算法的计算流程和对估算过程进行全程动态校正的方法是本领域技术人员所熟知的技术，因此不再赘述。

为了使储能设备中的电池组之间，以及电池组中的单体电池之间能够均衡的充放电。本发明提供的储能设备中还设置有均衡单元，所述均衡单元连接电池组和电池测控单元。且与电池测控单元之间通过485总线建立通信连接。

所述大容量储能设备需要将多个单体电池串联起来以获得较大的电压来驱动负载。各单体电池在出厂时虽然都经过了筛选，但是不可能达到完全一致。如果没有对电路进行均衡，随着充放电循环进行，单体电池间的不一致性会造成欠充电、过充电和过放电，严重影响电池组的使用性能和寿命，并且会造成严重的安全隐患。

现有的均衡技术，如以锂离子电池为储能电池的UPS往往只在充电过程使用耗散型电阻对电池组进行均衡，这种均衡方式不能在充放电过程进行动态均衡，并且耗散型电阻在对电池组进行均衡的过程中会产生大量的热，同时还造成能量浪费。特别是对于上百千瓦的大容量储能系统，耗散型均衡方式的热管理将会变得复杂。

为解决上述问题，现有技术有能量转移型均衡方式和开关电容型均衡方式两种：所述能量转移型均衡方式可以降低热管理的难度以及均衡电路的能量损耗；所述开关电容型均衡方式可以在充放电过程中对电池组进行动态均衡，但是该均衡方式需要的时间较长，并且均衡过程中的电路有效控制较难实现。

本发明提供的均衡模块是一个以高频脉冲方式工作的双向能量转移系统，且每节单体对应一个电池均衡模块，用于将电压高的电池上的能量转移到电压低的电池上。每个单体电池均衡模块的输入输出自动选择，使电池电量在各节单体电池中动态均衡。电池组与电池组之间的均衡则是通过两均衡单元同时对其中一个电池组中的某一单体电池进行均衡，最终实现整个电池组串联的各节单体电池电压的一致和电量的均衡。

通过给电压低的电池充电，与其他的电池电压补平达到均衡目的。每个智能电池包内有一个单体电池，智能电池包里的MCU控制内部的电子开关，当开关闭合时，均衡总线上的电流经过电子开关流入单节电池，对该节电池的充电均衡。

均衡控制思想：一个模块里一般含4-8个智能电池包，一个恒流均衡电源(参考图1)，当某一模块里的一个智能电池包的电压低于储能单元单体电平均电压(V平均＝储能单元总电压/储能单元单体电池总数)，且在模块里的电压最低，该智能电池包里的电子开关闭合，给该智能电池包里电池充电，当该智能电池包里电池的电压达到储能单元里单体电池的平均电压V平均时，断开电子开关，结束该单节电池的均衡，转到另外一节低电压的智能电池包。若某一模块里的智能电池包的电压都已经均衡，但是低于储能单元的平均电压V平均时，该模块里的均衡电源给该模块内的单节的电池每个都进行充电，直到该模块里的智能电池的电压达到储能电压的单节电池的平均电压V平均。均衡结束。

2)该结构的特点

a)均衡电元采用恒流源控制方式，均衡电流大(具体根据模块的内电池的AH容量决定)，均衡效果块。

b)均衡电源输入端接储能单元的电极上，均衡的电流经过电流传感器的采样，通过开关电源的效率，可以折算出消耗的功率，可纳入soc的算法中，减小均衡对SOC估算的影响。

c)均衡电源采用节能的优化设计，效率可达90％以上。功耗小

d)随时可以对单节电池均衡，只要有单体电池电压低，满足均衡条件，就可立即均衡(不论储能单元或模块处于充电、放电或放置状态)。

e)当电池处于均衡状态时，均衡电源处于休眠方式，功耗低。

本发明提供的大容量储能设备还包括一热交换装置用于对储能设备中的温度进行管理，当储能设备中温度高于高温门限值时启动散热功能；当储能设备中的温度低于低温门限值时则启动加热功能。

储能设备中的温度对电池的电化学性能有重要影响。电池在充放电过程中会产生大量的热量，该热量不仅会影响电池的性能，更严重的，当热量积聚超过一定的程度后，很可能会引起热失控而造成严重的安全问题。

现有的散热技术，主要采用外循环风冷的散热方式，将电池组外的冷空气通过压力泵吹到电池组内再排放到电池模块外部。这种散热方式有可能会将外部湿空气带到电池模块。特别是对于大容量的电池组，这种散热方式达不到很好的散热效果。而当电池在低温环境下工作时，则会由于温度低电池核心材料的活性差而造成电池的性能差，特别是严重影响电池的循环寿命和充放电性能，因此电池在低温工作时需要对电池进行加热处理。

针对上述问题，本发明在储能设备中增设既可实现系统散热也可对电池进行加热处理的热交换装置，保证储能设备始终能在适当的温度范围运行，使储能设备能在各种环境温度下工作。

本发明提供的热交换系统的优选实施例如图3所示，其包括电池壳4、热管1、翘片2和丙酮棒3。所述单体电池放在电池壳4中，并通过电池盖7固定；电池的正极6和连接负极的肋片5穿过所述电池盖7，方便与其他单体电池连接。所述热管1设置在翘片2组成的网格中。所述丙酮棒3一端连接在电池壳4上，另一端连接在翘片2组成的网格上，用于传到热量。

在电池组中设置热管式换热系统，对由电阻发热产生的焦耳热进行集中散热处理(电池组中的热量主要集中在单体电池的极耳及接线端子处)；同时，对电池封装的壳体进行结构设计，波纹状外表面增大了散热表面，有利于内部热量的散出。

本发明通过对储能系统关键技术的研究开发，获得了大规模储能系统监控与保护的核心技术，最大程度的延长电池寿命以及充分发挥电池的储能作用。为大规模储能装置提供有效的管理、监控。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种大容量储能设备，其特征在于，包括多个串联的电池组、多个均衡单元和多个电池测控单元，每个电池组中包括多个串联的单体电池；每个均衡单元中设置多个均衡模块；每一个电池组对应连接一个电池测控单元和一个均衡单元；每一个均衡模块连接一个单体电池；所述均衡单元通过总线连接所述电池测控单元，所述均衡单元用于均衡电池组之间的电量；所述均衡模块用于均衡电池组内每个单体电池之间的电量；所述电池测控单元用于测量和控制电池组中各单体电池的状态。

2.根据权利要求1所述的大容量储能设备，其特征在于，所述电池测控单元包括电池测量模块和电池电荷状态估算模块，所述电池测量模块包括电压测量电路、电流测量电路和温度采集电路，所述电压测量电路包括串联组成的晶体三极管和电阻；所述电流测量电路是基于霍尔效应的多量程电流传感器，所述温度采集电路为热敏电阻。

3.根据权利要求2所述的大容量储能设备，其特征在于，经晶体三极管和电阻测量的单体电池电压要再经过补偿、校正处理。

4.根据权利要求2所述的大容量储能设备，其特征在于，所述电池电荷状态估算模块采用安时积分法与卡尔曼滤波法相结合的方法估算电池的电荷状态。

5.根据权利要求1所述的大容量储能设备，其特征在于，所述均衡模块是以高频脉冲方式工作的双向能量转移系统，其均衡方法是将电压高的单体电池上的能量转移到电压低的单体电池上，且每个均衡模块的输入输出自动选择。

6.根据权利要求1所述的大容量储能设备，其特征在于，电池组与电池组之间的均衡是通过两电池组对应的均衡单元同时对其中一个电池组中的某一单体电池进行均衡。

7.根据权利要求1所述的大容量储能设备，其特征在于，所述均衡单元通过RS485总线连接所述电池测控单元。

8.根据权利要求1所述的大容量储能设备，其特征在于，还包括热交换装置用于对储能设备中的温度进行管理，当储能设备中温度高于高温门限值时启动散热功能；当储能设备中的温度低于低温门限值时则启动加热功能。

9.根据权利要求8所述的大容量储能设备，其特征在于，所述热交换装置包括电池壳、热管、翘片和丙酮棒，所述单体电池放在电池壳中；所述热管设置在所述翘片组成的网格中，所述丙酮棒一端连接在电池壳上，另一端连接在翘片网格上，用于传到热量进行热交换。

10.根据权利要求8所述的大容量储能设备，其特征在于，所述电池壳的外表面设置为波纹状。