CN107171387A - 一种可动态重构的电池储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可动态重构的电池储能系统及方法，系统包括储能系统主电路和电池管理系统，储能系统主电路具有充放电接口电路和与所述充放电接口电路相连的储能电池组，储能电池组由多个电池单体并联构成，每一电池单体两端均设有可控开关S_n(n＝1,2，n)；在所述由多个电池单体并联构成的储能电池中，每一电池单体的正极端还通过可控开关S’_n(n＝1,2，n)与相邻电池单体的正极端相连，每一电池单体的负极端也通过可控开关S”_n(n＝1,2，n)与相邻电池单体的负极端相连；电池管理系统与所述储能系统主电路相连，用于根据电池单体的电气信息和功率交换指令生成储能电池组重构决策，并控制所述可控开关S_n、S’_n和S”_n的通断，改变储能电池组拓扑。

Description

一种可动态重构的电池储能系统及方法

技术领域

本发明属于电池储能系统的构建和控制领域，具体是一种可动态重构的电池储能系统及方法。

背景技术

随着化石能源的逐渐枯竭和人类对环境问题的日益关注，清洁的可再生能源发电迅速扩大，新一轮的能源变革逐步推进。然而，可再生能源具有波动性和随机性的固有特征，给电网的安全、稳定、经济运行提出了诸多挑战。储能技术是应对上述挑战的有效手段，构建大规模经济性储能系统是意义重大的研究课题。除抽水蓄能外，电池储能是现阶段最具备工程应用前景的储能技术，但电池储能系统通常采用大量储能容量和功率有限的电池单体(电芯)组成，必须配合高效的重组和管理技术才能充分发挥储能系统的能量存储能力。

传统上，电池储能系统按照固定方式将电池单体串、并联，从而扩展储能系统的储能容量和功率，这存在两方面的缺点：(1)储能系统存在短板效应，难以充分利用所有电池单体的储能能力。例如，多个电池单体串联构成的电池组充放电安时数等于安时数最少的电池单体，因此安时数较大电池单体的储能能力未得到充分利用。(2)储能系统存在不均衡效应，导致电池单体老化程度和速度差异显著，缩短了储能系统整体寿命。参数差异会导致电池组内各单体充放电工况不均衡，进而引起电池单体老化差异，并进一步加大参数差异，引起更大程度的工况不均衡。因此，电池单体参数差异和老化差异互相促进，形成正反馈过程，最终导致某些单体老化严重而某些单体因使用率较低而老化很小，进而影响储能系统的整体寿命。

上述可见：采用固定连接方法的电池储能系统缺乏灵活的调整空间，难以充分发挥电池管理系统的调节作用，电池利用率低且不均衡，存在很大改进空间。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明在传统固定连接的电池储能系统基础上，将全控型电力电子开关合理串入电池组，实现电池组可控性改造；在电池管理系统中增加信息交互和处理模块，提升储能系统的信息利用能力。

本发明采用下面的技术方案：

一种可动态重构的电池储能系统，包括储能系统主电路和电池管理系统，储能系统主电路具有充放电接口电路和与所述充放电接口电路相连的储能电池组，储能电池组由多个电池单体并联构成，每一电池单体两端均设有可控开关S_n(n＝1,2，，，n)；在所述由多个电池单体并联构成的储能电池中，每一电池单体的正极端还通过可控开关S’_n(n＝1,2，，，n)与相邻电池单体的正极端相连，每一电池单体的负极端也通过可控开关S″_n(n＝1,2，，，n)与相邻电池单体的负极端相连；

电池管理系统与所述储能系统主电路相连，具有采集模块，用于采集所述电池单体的电气信息；通信模块，用于获取充放电接口电路输出的功率交换指令；电池管理模块，与所述采集模块和通信模块相连，用于根据所述电池单体的电气信息和功率交换指令生成储能电池组重构决策，并控制所述可控开关S_n、S’_n和S″_n的通断，改变储能电池组拓扑。

进一步的，所述电池管理模块包括状态估计模块、动态重组控制模块和触发模块；

所述状态估计模块，与所述采集模块相连，用于根据电池单体的电气信息估算电池单体的状态；

所述动态重组控制模块，与所述状态估计模块和通信模块相连，用于根据所述电池单体的状态和所述功率交换指令，改变储能电池组拓扑，向通信模块发送请求改变充放电接口电路输出的功率；

触发模块，与所述动态重组控制模块相连，用于根据储能电池组重构决策，生成开通或关断控制信号，发送至可控开关，驱动可控制开关的通断，改变储能电池组拓扑。

进一步的，所述充放电接口电路包括充电接口电路和放电接口电路，充电接口电路与所述储能电池组的输入相连，放电接口电路与所述储能电池组的输出相连。

进一步的，所述充电接口电路包括三相不控整流电路和buck电路，三相不控整流电路的输入与交流电源相连，buck电路发热输出与储能电池组相连，三相不控整流电路通过第一缓冲电容与所述buck电路相连。

进一步的，所述放电接口电路包括boost电路和逆变器，boost电路的输入与所述储能电池组相连，逆变器的输出连接交流负载；boost电路与所述逆变器之间通过第二缓冲电容相连。

进一步的，所述放电接口电路包括boost电路和与所述boost电路相连的第三缓冲电容，boost电路的输入与所述储能电池组相连，第三缓冲电容的输出连接直流负载。

本发明还包括一种可动态重构的电池储能方法，包括以下步骤：

当电池储能方向为充电方向，

采集电池单体的电气参数，估计电池单体的状态；

获取充放电接口电路输出的功率；

确定与所述充放电接口电路输出功率对应的最优储能电池组运行电压与电流参数；

根据电池单体的状态，生成重构储能电池组拓扑的策略；

执行储能电池组拓扑重构，即改变储能电池组网络结构。

进一步的，判断重构储能电池组拓扑的策略是否可行，若不可行则重新确定与所述充放电接口电路输出功率对应的最优储能电池组运行电压与电流参数，若可行则执行储能电池组拓扑重构。

进一步的，设定时检测机制，若达到设定时间，则重新采集电池单体的电气参数，估计电池单体的状态。

进一步的，检测所述充放电接口电路输出功率需求是否改变，若输出功率需发生改变，则重新确定与所述充放电接口电路输出功率对应的最优储能电池组运行电压与电流参数，若可行则执行储能电池组拓扑重构。

本发明的工作流程：

储能系统工作流程

储能系统工作状态包括充电和放电两种，其工作流程如图5所示，主要包括8个步骤：

1：根据交换功率的符号判断是充电状态还是放电状态，从而闭合与之对应的开关，接通电源或负载。

2：通过查找优化运行表确定与交换功率需求对应的最优运行电压和电流，作为动态重组算法的决策目标。通常，优化运行表可根据储能系统具体参数，离线计算并事先存入BMS中。

3：根据电池状态(由电池状态矩阵表征)和电池组的电压、电流要求，优化决策电池组拓扑结构。

4：判断优化决策得到的拓扑结构是否可行，若不可行则转入步骤2，重新确定电池组运行电压、电流；若拓扑结构可行则继续进入步骤5。

5：执行拓扑重构，即根据电池组拓扑决策结果，生成对应的可控开关触发脉冲，改变电池组电池网络结构。

6：定时器到时检测，若定时器到时则转入步骤7，否则进入步骤8。

7：更新电池状态信息，即根据电池组测量结果，重新执行状态估计算法，重新计算电池状态信息矩阵，并更新BMS中对应信息。随后转入步骤3，根据最新电池状态矩阵，执行拓扑优化算法。

8：检测储能系统交换功率需求是否改变。若交换功率发生改变，则转入步骤2重新启动动态重组流程，否则转入步骤6继续检测定时器是否到时。

本发明的有益效果：

本发明在传统固定连接的电池储能系统基础上，将全控型电力电子开关合理串入电池组，实现电池组可控性改造；在电池管理系统中增加信息交互和处理模块，提升储能系统的信息利用能力；进而使电池组能够根据功率交换需求和电池状态，动态改变电池组拓扑结构，实现电池组可用容量提升、故障单体自动隔离、电池组运行状态优化等应用目标。

附图说明

图1为本发明可动态重组电池储能系统的主电路结构；

图2为本发明可动态重组电池储能系统的充电接口电路拓扑；

图3为本发明可动态重组电池储能系统的放电接口电路拓扑；

图4为本发明可动态重构电池储能系统的电池管理系统结构；

图5为本发明可动态重构电池储能系统的充放电流程。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一种典型实施例是一种可动态重构的电池储能系统，包括储能系统主电路和电池管理系统，储能系统主电路具有充放电接口电路和与所述充放电接口电路相连的储能电池组，储能电池组由多个电池单体并联构成，每一电池单体两端均设有可控开关S_n(n＝1,2，，，n)；在所述由多个电池单体并联构成的储能电池中，每一电池单体的正极端还通过可控开关S’_n(n＝1,2，，，n)与相邻电池单体的正极端相连，每一电池单体的负极端也通过可控开关S″_n(n＝1,2，，，n)与相邻电池单体的负极端相连；

电池管理系统与所述储能系统主电路相连，具有采集模块，用于采集所述电池单体的电气信息；通信模块，用于获取充放电接口电路输出的功率交换指令；电池管理模块，与所述采集模块和通信模块相连，用于根据所述电池单体的电气信息和功率交换指令生成储能电池组重构决策，并控制所述可控开关S_n、S’_n和S″_n的通断，改变储能电池组拓扑。

进一步的，所述电池管理模块包括状态估计模块、动态重组控制模块和触发模块；

所述状态估计模块，与所述采集模块相连，2-状态估计模块：主要功能为根据通信模块获取的测量信息估算各电池单体状态，如电池的荷电状态(state of charge，SOC)、健康状态(state of health，SOH)等，为动态成组控制模块提供决策所需的基础信息。

所述动态重组控制模块，与所述状态估计模块和通信模块相连，主要功能为根据状态估计模块估计所得的状态信息矩阵和储能系统功率交换需求，优化决策电池组的实时拓扑结构，实现电池单体间SOC、SOH均衡等控制目标。比如，若某个电池单体SOH低，表明该单体老化严重，应尽量减少该单体的充放电任务，改由健康度较高的电池单体承担。当电池组无法满足功率交换需求时，动态成组模块将通过通信模块向充放电接口电路发送反馈信息，请求减小功率交换指令。

触发模块，与所述动态重组控制模块相连，主要功能为根据成组控制模块决策得到的拓扑信息，给相应可控开关生成开通或关断控制信号。通常，可控开关可采用全控型电力电子开关(如MOSFET)实现，则触发模块生成的控制脉冲经隔离、驱动电路即可控制开关管通断，改变电池组拓扑。

进一步的，所述充放电接口电路包括充电接口电路和放电接口电路，充电接口电路与所述储能电池组的输入相连，放电接口电路与所述储能电池组的输出相连。

进一步的，所述充电接口电路包括三相不控整流电路和buck电路，三相不控整流电路的输入与交流电源相连，buck电路发热输出与储能电池组相连，三相不控整流电路通过第一缓冲电容与所述buck电路相连。

进一步的，所述放电接口电路包括boost电路和逆变器，boost电路的输入与所述储能电池组相连，逆变器的输出连接交流负载；boost电路与所述逆变器之间通过第二缓冲电容相连。

进一步的，所述放电接口电路包括boost电路和与所述boost电路相连的第三缓冲电容，boost电路的输入与所述储能电池组相连，第三缓冲电容的输出连接直流负载。

本发明的再一实施例是一种可动态重构的电池储能方法，包括以下步骤：

当电池储能方向为充电方向，

采集电池单体的电气参数，估计电池单体的状态；

获取充放电接口电路输出的功率；

确定与所述充放电接口电路输出功率对应的最优储能电池组运行电压与电流参数；

根据电池单体的状态，生成重构储能电池组拓扑的策略；

执行储能电池组拓扑重构，即改变储能电池组网络结构。

进一步的，判断重构储能电池组拓扑的策略是否可行，若不可行则重新确定与所述充放电接口电路输出功率对应的最优储能电池组运行电压与电流参数，若可行则执行储能电池组拓扑重构。

进一步的，设定时检测机制，若达到设定时间，则重新采集电池单体的电气参数，估计电池单体的状态。

进一步的，检测所述充放电接口电路输出功率需求是否改变，若输出功率需发生改变，则重新确定与所述充放电接口电路输出功率对应的最优储能电池组运行电压与电流参数，若可行则执行储能电池组拓扑重构。

储能系统工作流程

储能系统工作状态包括充电和放电两种，其工作流程如图5所示，主要包括8个步骤：

步骤①：根据交换功率的符号判断是充电状态还是放电状态，从而闭合与之对应的开关，接通电源或负载。

步骤②：通过查找优化运行表确定与交换功率需求对应的最优运行电压和电流，作为动态成组算法的决策目标。通常，优化运行表可根据储能系统具体参数，离线计算并事先存入BMS中。

步骤③：根据电池状态(由电池状态矩阵表征)和电池组的电压、电流要求，优化决策电池组拓扑结构。

步骤④：判断优化决策得到的拓扑结构是否可行，若不可行则转入步骤②，重新确定电池组运行电压、电流；若拓扑结构可行则继续进入步骤⑤。

步骤⑤：执行拓扑重构，即根据电池组拓扑决策结果，生成对应的可控开关触发脉冲，改变电池组网络结构。

步骤⑥：定时器到时检测，若定时器到时则转入步骤⑦，否则进入步骤⑧。

步骤⑦：更新电池状态信息，即根据电池组测量结果，重新执行状态估计算法，重新计算电池状态信息矩阵，并更新BMS中对应信息。随后转入步骤③，根据最新电池状态矩阵，执行拓扑优化算法。

步骤⑧：检测储能系统交换功率需求是否改变。若交换功率发生改变，则转入步骤②重新启动动态成组流程，否则转入步骤⑥继续检测定时器是否到时。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可动态重构的电池储能系统，其特征在于：包括储能系统主电路和电池管理系统，

储能系统主电路具有充放电接口电路和与所述充放电接口电路相连的储能电池组，储能电池组由多个电池单体并联构成，每一电池单体两端均设有可控开关S_n(n＝1,2，，，n)；在所述由多个电池单体并联构成的储能电池中，每一电池单体的正极端还通过可控开关S’_n(n＝1,2，，，n)与相邻电池单体的正极端相连，每一电池单体的负极端也通过可控开关S″_n(n＝1,2，，，n)与相邻电池单体的负极端相连；

电池管理系统与所述储能系统主电路相连，具有采集模块，用于采集所述电池单体的电气信息；通信模块，用于获取充放电接口电路输出的功率交换指令；电池管理模块，与所述采集模块和通信模块相连，用于根据所述电池单体的电气信息和功率交换指令生成储能电池组重构决策，并控制所述可控开关S_n、S’_n和S″_n的通断，改变储能电池组拓扑。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述电池管理模块包括状态估计模块、动态重组控制模块和触发模块；

所述状态估计模块，与所述采集模块相连，用于根据电池单体的电气信息估算电池单体的状态；

所述动态重组控制模块，与所述状态估计模块和通信模块相连，用于根据所述电池单体的状态和所述功率交换指令，改变储能电池组拓扑，向通信模块发送请求改变充放电接口电路输出的功率；

触发模块，与所述动态重组控制模块相连，用于根据储能电池组重构决策，生成开通或关断控制信号，发送至可控开关，驱动可控制开关的通断，改变储能电池组拓扑。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述充放电接口电路包括充电接口电路和放电接口电路，充电接口电路与所述储能电池组的输入相连，放电接口电路与所述储能电池组的输出相连。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述充电接口电路包括三相不控整流电路和buck电路，三相不控整流电路的输入与交流电源相连，buck电路发热输出与储能电池组相连，三相不控整流电路通过第一缓冲电容与所述buck电路相连。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述放电接口电路包括boost电路和逆变器，boost电路的输入与所述储能电池组相连，逆变器的输出连接交流负载；boost电路与所述逆变器之间通过第二缓冲电容相连。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述放电接口电路包括boost电路和与所述boost电路相连的第三缓冲电容，boost电路的输入与所述储能电池组相连，第三缓冲电容的输出连接直流负载。

7.一种可动态重构的电池储能方法，其特征在于，包括以下步骤：

当电池储能方向为充电方向，

采集电池单体的电气参数，估计电池单体的状态；

获取充放电接口电路输出的功率；

确定与所述充放电接口电路输出功率对应的最优储能电池组运行电压与电流参数；

根据电池单体的状态，生成重构储能电池组拓扑的策略；

执行储能电池组拓扑重构，即改变储能电池组网络结构。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，判断重构储能电池组拓扑的策略是否可行，若不可行则重新确定与所述充放电接口电路输出功率对应的最优储能电池组运行电压与电流参数，若可行则执行储能电池组拓扑重构。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，设定时检测机制，若达到设定时间，则重新采集电池单体的电气参数，估计电池单体的状态。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，检测所述充放电接口电路输出功率需求是否改变，若输出功率需发生改变，则重新确定与所述充放电接口电路输出功率对应的最优储能电池组运行电压与电流参数，若可行则执行储能电池组拓扑重构。