CN103168404A - 电池系统及其控制方法 - Google Patents

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CN103168404A CN2012800034897A CN201280003489A CN103168404A CN 103168404 A CN103168404 A CN 103168404A CN 2012800034897 A CN2012800034897 A CN 2012800034897A CN 201280003489 A CN201280003489 A CN 201280003489A CN 103168404 A CN103168404 A CN 103168404A
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Abstract

该存储电池系统具有:电池;控制单元,其控制从配电系统到电池的充电操作和将功率从电池放出到所述配电系统的放电操作;以及系统控制器,其控制作为整体的系统操作。通过控制所述控制单元,所述系统控制器引起预设的第一模式的操作以及第二模式的操作,其中所述预设的第一模式使得由与所述配电系统互连的分散电功率源产生的功率向消费者负载的供应优先,第二模式使得在电池处存储的功率向消费者负载的供应优先。

Description

电池系统及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种可与电网(商用电功率)相关联地操作的电池系统并且涉及其控制方法。
背景技术
[0002] 为了实现低碳社会,诸如光电压生成和风农场的分布式电功率源正变得必要。此夕卜,电池系统已经被实现,以便有效地使用由发出较少的碳并且稳定地产生电功率的严格的功率源(例如,核电站)和分布式电功率源所产生的电功率。
[0003] 特别地,由于可再生电功率源经受取决于天气条件的输出电功率的波动,所以优选的是它们与电池系统一起使用以便相对稳定地将期望的电功率供应给用户。
[0004] 例如在专利文献I中描述了提供有诸如分布式电功率源或燃料电池的分布式电功率源和电池的内部的电功率生成系统。
[0005] 为了加速前述分布式电功率源和电池系统的推广,优选的是用户在他们使用电功率时能够享受高的经济效益。例如,优选的是电网的电费通过优先供应由可再生电功率源所生成的电功率或充进到电池系统的电功率给用户的负载(电气设备)来减少。此外,优选的是未被用于用户的负载的过剩的电功率被卖给电力公司。然而,一些用户优先考虑使用从天然能量所生成的电功率(绿色电功率),而不是经济效益。因此,优选的是可再生电功率源和电池系统能够以对每个用户都最优的操作模式操作。
[0006] 另一方面,可再生电功率源和电池系统仍然昂贵。因此,用户可能不会同时实施可再生电功率源和电池系统两者。因此,优选的是可再生电功率源和电池系统能够独立地与电网相关联地操作。
[0007] 相关技术文献
专利文献1:日本专利特开N0.2011-003449。
发明内容
[0008] 因此,本发明的目的是提供能够与电网相关联地并且在对每个用户都最优的操作模式下独立地操作的电池系统并且还提供其控制方法。
[0009] 为了实现前述目的,根据本发明的示例性方面的电池系统是能够与电网相关联地操作的电池系统,所述电池系统包括:
电池,其充进或者放出电功率;
控制部,其控制所述电池充进从所述电网所供应的电功率和将电功率放出到所述电网;以及
系统控制器,其控制所述控制部,使得所述电池系统在第一模式下或在第二模式下操作,在所述第一模式下由与所述电网相关联的预先指定的分布式电功率源产生的电功率优选供应到用户的负载,在所述第二模式下被充进在所述电池中的电功率优选供应到所述用户的负载。[0010] 另一方面,用于根据本发明的示例性方面的电池系统的控制方法是用于能够与电网相关联地操作的电池系统的控制方法,所述电池系统包括:
电池,其充进或放出电功率;以及
控制部,其控制所述电池充进从所述电网所供应的电功率和将电功率放出到所述电
网,
所述控制方法包括:
使计算机控制所述控制部,使得所述电池系统在第一模式下或在第二模式下操作,在所述第一模式下由与所述电网相关联的预先指定的分布式电功率源产生的电功率优选供应到用户的负载,在所述第二模式下被充进在所述电池中的电功率优选供应到所述用户的负载。
附图说明
[0011] 图1是示出了根据本发明的电池系统的结构的示例的方框图。
[0012] 图2是示出了图1中所示出的电池系统的主截面的结构的方框图。
[0013] 图3是示出了其中图2中所示出的电池系统在PV优先模式下执行的过程的示例的流程图。
[0014] 图4是示出了其中图2中所示出的电池系统在充电优先模式下执行的过程的示例的流程图。
具体实施方式
[0015] 接下来,参考附图,将对本发明进行描述。
[0016] 图1是示出了根据本发明的电池系统的结构的示例的方框图。
[0017] 如图1所示出,电池系统具有:电池组10,其充进电功率或放出电功率;BMU (电池管理单元)20,其保护电池组10防止过度充电、过度放电、过电流等等;功率调节器(PCS)30,其转换电功率使得电池组10能够与电网相关联地操作并且控制电功率到电池组10的充进和从其放出电功率;以及系统控制器40,其控制包括BMU 20和PCS 30的电池系统的总体操作。尽管图1示出了其中两个电池组10被并联连接的结构的示例,但是应当了解的是可以使用一个电池组10或三个或更多个电池组10。
[0018] 电网与PV系统50和电池系统相关联地使用。PV系统50具有使用阳光生成电功率的PV (光伏)板51和将由PV板51所产生的DC电功率转换成能够被供应给电网的AC电功率的PV功率调节器(PV PCS)52。PV系统50是与电池系统独立的分布式电功率源(小的功率生成装置)。电池系统和PV系统50通过位于用户的家中的配电板与电网相关联地操作。
[0019] 功率调节器30被提供有:DC/AC双向逆变器31,其将从电网所供应的AC电功率转换成能够被充进到电池组10的DC电功率并且将从电池组10所放出的DC电功率转换成能够被供应给负载和电网的AC电功率;以及控制部32,其控制与从系统控制器40发出的命令相对应的、包括DC/AC双向逆变器31的功率调节器30的操作并且监控BMU 20的操作。图1中所示出的功率调节器30能够通过电力线33与电网相关联地操作,使得功率调节器30通过电力线33将电功率供应给用户的负载。[0020] 电池组10被提供有能够充进电功率或放出电功率的电池(二次电池)。电池是例如锂离子可再充电电池、镍镉电池(N1-Cd)电池、或镍氢电池(N1-MH)电池。电池组10包含一个电池或取决于所期望的输出电压串联地连接的多个电池。电池系统包含一个电池或取决于所期望的充电量并联地连接的多个电池。根据本发明的电池系统可以例如被提供有金属外壳型电池(二次电池)。应当了解的是根据本发明的电池系统被提供有金属外壳型电池(二次电池)。
[0021] BMU 20能够通过包含已知的保护IC (集成电路)的电子电路和与电池或电池组10的电池相对应的各种类型的电子器件来实现。
[0022] DC/AC双向逆变器31能够通过DC/AC逆变器电路、AC/DC变换器电路、DC/DC变换器、在电气通路之间切换的中继装置(开关)等等来实现,其中的每一个都是已知的。
[0023] 控制部32能够通过电子电路来实现,所述电子电路包括:已知的通信电路,其向系统控制器40发送信息并且从统控制器40接收信息;已知的电流-至-电功率转换电路,其从电流传感器70接收电流值,所述电流传感器70检测电流值(稍后将描述电流传感器70)并且将电流值转换成电功率值;以及已知的逻辑电路,其输出控制信号,所述控制信号使BMU 20、DC/AC双向逆变器31等等的操作与从系统控制器40发出的命令相对应地切换。图1示出了其中控制部32位于功率调节器30中的结构的示例。然而,应当了解的是控制部32可以为与功率调节器30独立的单元或位于系统控制器40中的单元。
[0024] 系统控制器40能够通过信息处理单元(计算机)来实现,所述信息处理单元被提供有CPU、存储单元、各种类型的逻辑电路、以及通信装置,所述通信装置向控制部32、BMU20、以及DC/AC双向逆变器31发送信息并且从控制部32、BMU 20、以及DC/AC双向逆变器31接收信息。系统控制器40执行与在存储单元中存储的程序相对应的过程,以便操作电池系统。稍后将描述电池系统的操作。
[0025] 配电板60被提供有多个分支电气通路(未不出),电功率通过所述多个分支电气通路被从电网供应到用户的负载并且所述多个分支电气通路具有与各个电网和各个分支电气通路相对应的开关。
[0026] 根据本实施例的电池系统被提供有电流传感器70,每一个电流传感器都位于电功率从电网供应到负载所通过的电气通路上并且位于PV系统50的输出电气通路上。从电网供应到用户的负载的电功率和PV系统50的输出电功率被基于由电流传感器70所检测到的电流值来测量。从电网供应到用户的负载的电功率由功率调节器30的控制部32来测量。PV系统50的输出电功率由系统控制器40来测量。然而,从电网供应到用户的负载的电功率在从PV系统50的关联点看到的电网侧(图1中所示出的节点a)和用户的负载侧(图1中所示出的节点b)测量。因此,功率调节器30被提供有开关36,所述开关36在节点a处的电流传感器70和控制部32的连接与在节点b处的电流传感器70和控制部32的连接之间改变。系统控制器40操作开关36。
[0027] 图1示出了其中电池系统与PV系统50 —起使用的结构的示例。然而,即使电池系统与作为使用风农场电功率生成系统、燃料电池、或化石能源的内部的电功率发电机的分布式电功率源一起使用,根据本发明的电池系统也能够执行前述控制。
[0028] 在此结构中,PV系统50基本上取决于天气条件而不是用户的负载的总的电功率消耗来产生电功率并且输出所产生的电功率。因此,如果总的电功率消耗变低,则未被用于负载的过剩的电功率由PV系统50产生。使得未被用于负载的过剩的电功率反方向地流到电网。可替换地,过剩的电功率在系统控制器40的控制下通过DC/AC双向逆变器31被充进到电池组10。
[0029] 电池组10响应于由控制部32发出的控制信号放出充进的电功率并且通过DC/AC双向逆变器31将电功率供应到用户的负载。当前,在日本,使从电池组10所放出的电功率反方向地流到电网是不允许的。因此,如果负载的总的电功率消耗低,则从电池组10放出的电功率的量被抑制。
[0030] 用前述PV系统50的过剩的电功率或从电网所供应的电功率给电池组10充电。电功率可以由用户在他方便或她方便的时候充进到电池组10或者从电池组10放出。当用从电网所供应的电功率给电池组10充电时,能够使用与常规的电功率相比较是廉价的夜间电功率。
[0031] 根据本实施例的电池系统被提供有其中电功率被供应给用户的负载的两个操作模式:PV优先模式(第一模式),其中由PV系统50所产生的电功率优先;以及充电优先模式(第二模式),其中充进到电池组10的电功率优先。
[0032] 在PV优先模式下,在图1中所示出的节点a处的所测量的值被用作从电网供应到负载的电功率PeKID。在充电优先模式下,在图1中所示出的节点b处的所测量的值被用作从电网供应到负载的电功率PeKID。
[0033] 假定用户的负载的总的电功率消耗(负载电功率)通过P ωΑΒ来表示,通过功率调节器30从电池组10供应给电网的电功率通过Pinv来表示,并且从PV系统50供应给电网的电功率通过Ppv来表示,在PV优先模式下,获得Pum = Pgeid + Ppv + Pinv的关系。相比之下,在充电优先模式下,获得Pum= Pgeid + Pinv的关系。换句话说,在PV优先模式下,测量到Pgeid = PL_- (Ppv+ Pinv) ° 在充电优先模式下,测量到 Pgrid = PLoad ~ Pinv°
[0034] 在PV优先模式下,系统控制器40使从PV系统50输出的电功率优选供应给负载。如果由PV系统50所产生的电功率不满足供应给负载的电功率(Pum - Ppv > O),则系统控制器40通过功率调节器30使电池组10放出电功率并且将电功率供应给负载。如果由PV系统50所产生的电功率等于或大于供应给负载的电功率(Pioad - Ppv < O),则系统控制器40使负载中未使用的过剩的电功率反方向地流到电网或充进到电池组10。
[0035] 在充电优先模式下,系统控制器40使被充进在电池组10中的电功率优选供应给负载。如果从电池组10放出的电功率不满足供应给负载的电功率(P_ - Pinv > 0),则系统控制器40使由PV系统50所产生的电功率供应给负载。如果从电池组10所放出的电功率等于或大于供应给负载的电功率或者如果不必将由PV系统50所产生的所有电功率都供应给负载,则系统控制器40使负载中未使用的过剩电功率反方向地流到电网或者充进到电池组10。
[0036] 此外,根据本实施例的电池系统被提供有针对充电优先模式和针对PV优先模式的经济模式(第三模式)和绿色模式(第四模式)。在经济模式下,经济优先;在绿色模式下,到电池的充电优先。
[0037] 在经济模式下,系统控制器40使由PV系统50所产生的过剩电功率优选地卖给电力公司。在绿色模式下,系统控制器40使由PV系统50所产生的过剩电功率优选地充进到电池组10。PV优先模式、充电优先模式、经济模式、以及绿色模式能够由用户使用位于操作面板(未示出)上的开关等等来设置,并且表示已经被设置的模式的数据被存储在系统控制器40的存储单元中。
[0038] 接下来,参考附图,将描述图1中所示出的电池系统的操作。
[0039] 图2是示出了图1中所示出的电池系统的主截面的结构的方框图。
[0040] 图3是示出了其中图2中所示出的电池系统在PV优先模式下执行的过程的示例的流程图。图4是示出了其中图2中所示出的电池系统在充电优先模式下执行的过程的示例的流程图。
[0041] 图2示出了与其中电池系统和PV系统50在PV优先模式和充电优先模式下执行的操作有关的主截面。此外,图2中所示出的P.、Pload> Pinv以及Ppv的箭头表示其中电流在向前的方向上流动的方向。
[0042] 图1和图2示出了其中电流传感器70位于节点a和节点b处的结构的示例。如上文所描述,在节点a处的所测量的结果与在节点b处的所测量的结果之间的差异是所测量的结果是否包含PPV。另一方面,电流传感器70位于PV系统50的输出电气通路上并且Ppv的值由系统控制器40测量。因此,即使电流传感器70位于节点a或节点b处,也能够控制根据本实施例的电池系统。
[0043] 图3和图4中所示出的过程由系统控制器40来执行。从电网供应给负载的电功率Pemi由功率调节器的控制部32来测量并且然后从控制部32发送到系统控制器40。
[0044] 如图3中所示出,当电池系统开始放出电功率时,系统控制器40确定电池系统在PV优先模式还是在充电优先模式下操作(在步骤SI)。如果系统控制器40正在充电优先模式下操作,则流程前进到图4中所示出的过程。
[0045] 如果电池系统正在PV优先模式下操作,则系统控制器40确定电池系统在绿色模式还是在经济模式下操作(在步骤SI I)。
[0046] 如果电池系统正在绿色模式下操作,则系统控制器40确定负载中的总的电功率消耗(负载电功率Pumi)是否大于由PV系统50所产生的电功率(PV电功率PPV),即从电网供应到负载的电功率PeKID是否大于O (在步骤S12)。
[0047] 如果P.大于0,则系统控制器40控制功率调节器30,以便从与负载电功率P_相对应的电池组10放出电功率并且将补充的电功率(Pum - Ppv)供应给负载(在步骤S13)。
[0048] 如果PeKID为O或更小,则系统控制器40使由PV系统50所产生的电功率的负载中未使用的过剩电功率(Ppv - Pload = -Pgeid)充进到电池组10 (在步骤S14)。然而,如果电池组10已经被完全充满,则系统控制器40使过剩的电功率反方向地流到电网,以便将该过剩的电功率卖给电力公司等等。
[0049] 如果电池系统正在经济模式下操作,则系统控制器40确定在负载中的总的电功率消耗(负载电功率Pumd)是否大于由Pv系统50所产生的电功率(PV电功率PPV),即从电网供应到负载的电功率PeKID是否大于O (在步骤S15)。
[0050] 如果P.大于0,则系统控制器40控制功率调节器30,以便从与负载电功率P_相对应的电池组10放出电功率并且将补充的电功率(Pum-Ppv)供应给负载(在步骤S16)。
[0051] 如果Pckid为O或更小,则系统控制器40使电池组10停止放出电功率(在步骤S17)。在这种情况下,系统控制器40使由PV系统50所产生的电功率的负载中未使用的过剩电功率(Ppv - Pload= -Pgeid)反方向地流到电网并且使该过剩电功率卖给电力公司等等。[0052] 如果如图4所示电池系统正在充电优先模式下操作,则系统控制器40确定电池系统在绿色模式还是在经济模式下操作(在步骤S21)。
[0053] 如果电池系统正在绿色模式下操作,则系统控制器40确定在负载中的总的电功率消耗(负载电功率Pum)是否大于由PV系统50所产生的电功率(PV电功率PPV),即,从电网供应给负载的电功率PeKID是否大于Ppv (在步骤S22)。
[0054] 如果P_大于Ppv,则系统控制器40控制功率调节器30,以便从与负载电功率P_相对应的电池组10放出电功率并且将补充的电功率(Pum-Ppv)供应给负载。
[0055] 如果PeKID等于或小于Ppv或更小,则系统控制器40使PV系统50中所产生的电功率的负载中未使用的过剩电功率(Ppv - Pload= Ppv- Pgeid)充进到电池组10 (在步骤S24)。然而,如果电池组10已经被完全充满,则系统控制器40使过剩的电功率反方向地流到电网并且使电功率卖给电力公司等等。
[0056] 如果电池系统正在经济模式下操作,则系统控制器40确定负载中的总的电功率消耗(负载电功率Pumi)是否大于由PV系统50所产生的电功率(PV电功率PPV),即从电网供应给负载的电功率PeKID大于Ppv (在步骤S25)。
[0057] 如果P_大于Ppv,则系统控制器40控制功率调节器30,以便从与负载电功率P_相对应的电池组10放出电功率并且将补充的电功率(Pum-Ppv)供应给负载(在步骤S26)。
[0058] 如果PeKID等于或小于Ppv,则系统控制器40使电池组10停止放出电功率(在步骤S27)。在这种情况下,系统控制器40使PV系统50中所产生的电功率的负载中未使用的过剩电功率(Ppv-P_=Ppv-P_)反方向地流到电网并且使电功率卖给电力公司等等。
[0059] 根据本实施例,电池组10和控制电池组10充进或放出电功率的功率调节器30能够与电网相关联地操作并且与诸如PV系统50的分布式功率源独立。即使已经实现分布式电功率源,电池系统也能够与电网相关联地操作。
[0060] 此外,在根据本实施例的电池系统中,如果用相对便宜的夜间电功率给电池组充电,并且如果电池系统在白天期间在充电优先模式或PV优先模式下操作,则因为在白天期间从电网所供应的电功率被阻止,所以能够减少电费。此时,如果电池系统在充电优先模式下操作,则因为在PV系统中出现的过剩电功率变得相对多,则卖出的电功率的量增加。如果电池系统在PV优先模式下操作,则由PV系统所产生的电功率能够大部分满足用于用户的负载的电功率。因此,能够以高的经济效益来实现电池系统。
[0061] 是否能够在电池系统操作的充电优先模式或PV优先模式下获得更高的经济效益取决于例如由用户所使用的电功率的量、他的或她的电功率使用模式、以及他或她居住的区域的天气条件(日照小时、风力、等等)。此外,一些用户可以优选从自然能量产生的电功率(绿色电功率)的使用,而不是高的经济效益。
[0062] 根据本实施例的电池系统能够在前述充电优先模式与PV优先模式之间切换。此夕卜,电池系统能够在经济模式与绿色模式之间切换。因此,用户能够基于用户的偏好最佳地选择电池系统操作的操作模式(即绿色或经济模式)等等。
[0063] 因此,电池系统能够与电网相关联地操作,但是与分布式电功率源独立。因此,能够实现能够在满足每个用户的偏好的模式下操作的电池系统。
[0064] 参考实施例,已经描述了本发明。然而,本领域的技术人员应该理解的是,在不背离本发明的范围的情况下可以以各种方式来改变本发明的结构和细节。[0065] 本申请要求2011年7月15日提交的日本专利申请N0.2011-156561的优先权,其公开内容通过引用结合于此。

Claims (8)

1.一种能够与电网相关联地操作的电池系统,所述电池系统包括: 电池,其充进或放出电功率; 控制部,其控制所述电池充进从所述电网所供应的电功率和将电功率放出到所述电网;以及 系统控制器,其控制所述控制部,使得所述电池系统在第一模式下或在第二模式下操作,在所述第一模式下由与所述电网相关联的预先指定的分布式电功率源产生的电功率优选供应到用户的负载,在所述第二模式下被充进在所述电池中的电功率优选供应到所述用户的负载。
2.根据权利要求1所述的电池系统, 其中,所述系统控制器控制所述控制部,使得在所述系统控制器在所述第一模式或所述第二模式下操作时,所述电池系统在第三模式下或在第四模式下操作,在所述第三模式下,由所述预先指定的分布式电功率源产生的过剩电功率优选卖出,在所述第四模式下,由所述分布式电功率源产生的过剩电功率优选充进到所述电池。
3.根据权利要求1或2所述的电池系统,进一步包括: 第一电功率测量装置,其在所述电网侧而不是所述分布式电功率源的关联点上测量供应给所述用户的负载的电功率, 其中,所述系统控制器控制所述控制部,使得如果在所述电池系统在所述第一模式下操作时由所述第一电功率测量装置所测量到的电功率大于O,则所述电池将电功率放出到所述电网。
4.根据权利要求1至3中的任一 项所述的电池系统,进一步包括: 第二电功率测量装置,其在所述用户的负载侧而不是所述分布式电功率源的关联点上测量供应给所述用户的负载的电功率;以及 第三电功率测量装置,其测量所述分布式电功率源的输出电功率, 其中,所述系统控制器控制所述控制部,使得如果在所述电池系统在所述第二模式下操作时由所述第二电功率测量装置所测量的电功率大于由所述第三电功率测量装置所测量的电功率,则所述电池将电功率放出到所述电网。
5.一种用于能够与电网相关联地操作的电池系统的控制方法,所述电池系统包括: 电池,其充进或放出电功率;以及 控制部,其控制所述电池充进从所述电网所供应的电功率和将电功率放出到所述电网, 所述控制方法包括: 使计算机控制所述控制部,使得所述电池系统在第一模式下或在第二模式下操作,在所述第一模式下由与所述电网相关联的预先指定的分布式电功率源产生的电功率优选供应给用户的负载,在所述第二模式下被充进在所述电池中的电功率优选供应给所述用户的负载。
6.用于根据权利要求6所述的用于电池系统的控制方法,进一步包括: 使所述计算机控制所述控制部,使得在所述系统控制器在所述第一模式或所述第二模式下操作时,所述电池系统在第三模式下或在第四模式下操作,在所述第三模式下,由所述预先指定的分布式电功率源产生的过剩电功率优选卖出,在所述第四模式下,由所述分布式电功率源产生的过剩电功率优选充进到所述电池。
7.用于根据权利要求5或6所述的用于电池系统的控制方法, 其中,所述电池系统还包括第一电功率测量装置,其在所述电网侧而不是所述分布式电功率源的关联点上测量供应给所述用户的负载的电功率, 其中,所述控制方法进一步包括: 使所述计算机控制所述控制部,使得如果在所述电池系统在所述第一模式下操作时由所述第一电功率测量装置所测量的电功率大于O,则所述电池将电功率放出到所述电网。
8.用于根据权利要求5至7中的任一项所述的用于电池系统的控制方法, 其中,所述电池系统还包括第二电功率测量装置以及第三电功率测量装置,第二电功率测量装置在所述用户的负载侧而不是所述分布式电功率源的关联点上测量供应给所述用户的负载的电功率,第三电功率测量装置测量所述分布式电功率源的输出电功率,并且 其中,所述控制方法进一步包括: 在所述电池系统在所述第二模式下操作时,使所述计算机将由所述第二电功率测量装置所测量的电功率与由所述第三电功率测量装置所测量的电功率相比较;并且 使所述计算机控制所述控制部,使得如果在所述电池系统在所述第二模式下操作时由所述第二电功率测量装置所测量的电功率大于由所述第三电功率测量装置所测量的电功率,则所述电池将电功率放出到 所述电网。
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