CN108964159B - 一种数字电池能量交换系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字电池能量交换系统，包括电池能量网卡、电池能量集线器、电池能量交换机与电池能量云平台。本发明通过采用多层级、细粒度的电池能量流的离散化数字化处理和管控，实现管控系统相对独立于电池的物理和化学特性，动态调整电池单体之间的串并联组合，实现快速分布式按需部署；支持电池能量交换机制，屏蔽电池单体在物理和化学上的差异性，实现电池储能系统的数字化和虚拟化，有效提升了储、供电的灵活性与可靠性。
Description
技术领域
本发明本发明涉及电池组的数字化能量管控领域，尤其涉及一种支持具有差异性电池单体和电池模组的智能、高性价比的数字化能量管控的装置与方法，具体为一种数字电池能量交换系统。
背景技术
移电池储能系统通常是由多只小容量单体电池通过固定串并联的方式成组构成。从电池储能系统的安全性、可靠性和可管理性等方面考量，如何管理大规模小容量单体电池成组后构成的大容量电池系统是目前业界公认的技术难题。首先，电池单体间具有无法避免的不一致性，如不同电池单体的容量、内阻、自放电特性、温度特性等方面的参数普遍存在不一致的现象，即便是同厂家同批次的电池单体也难以做到参数一致，对于不同厂家的电池单体而言，其不一致性问题更加突出；
其次，为了满足所需的电流、电压或功率要求，单体电池以固定的串联与并联形式直接成组，而这种沿用二百多年的刚性成组方式易导致系统的短板问题；
第三，电池荷电状态(state of charge，SOC)的精确估计是进行有效电池管理的关键，而SOC受到温度、电压、电流、老化程度及个体差异等多种因素的影响，并且SOC与这些因素间呈现非线性关系，难以做到准确的测量和估算。目前的电池管理系统(BMS)是叠加在刚性固定串并联电池组之上的一个信息系统，主要功能是测量电池工作电压、电流，温度等参数，保护电池系统，进行电池串级充电均衡等，无法从根本解决上述电池应用中的问题，也很难支撑电池梯次利用等应用场景。
传统的电池系统一般具有如下的技术问题：
1.无法彻底解决电池单体差异问题；
2.无法快速隔离故障单体电池；
3.由于电池用于备用供电，长时间处于闲置状态，无法真正有效地实现电池资产高效利用和灵活参与峰谷电价供、储电调度；
4.传统电池储能系统需要人工定期维护，故障率高、维护费用高。
因此，支持在更细的时空颗粒度的电池能量管控系统(如微秒级对单体电池进行管控和故障电池隔离等)，灵活的电池储能系统部署与智能能量调度，并且提供基于云平台的电池储能系统智能管控平台是未来电池管理系统的发展方向，是提高电池系统效率，克服电池资源浪费，支撑梯次利用的必然要求。
发明内容
针对上述的技术问题，本发明提出一种数字电池能量交换系统。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种数字电池能量交换系统，包括电池能量网卡、电池能量集线器、电池能量交换机与电池能量云平台，所述的电池能量网卡被配置为将电池的模拟能量流离散化成数字能量流，电池能量网卡接收电池能量集线器的指令对电池单体或电池模组进行控制；电池能量集线器被配置为将多个本地电池能量网卡所连接电池的管理和能量调度，并接受电池能量交换机的调度；电池能量交换机被配置为接受电池能量云平台实现更大规模的电池能量管控和能量调度；电池能量云平台被配置为提供基于云计算和大数据实现单体电池自动巡检和能量调度的平台，实现区域内所有电池的自动巡检和能量调度。
所述的电池能量网卡包括电池单体或模组开关阵列、控制器和通信控制器，通过电池单体或模组开关阵列控制电池单体或电池模组的通断，构成电池能量交换的控制节点；通信控制器实现与电池能量集线器的通信连接。
所述的电池能量集线器包括控制器、信息流控制器、能量流控制器，信息流控制器实现电池能量集线器与多个电池能量网卡实现电池能量网卡的局部联网和交互控制，并将信息反馈给控制器，能量流控制器根据控制器指令实现本地电池能量网卡所连接电池的管理和能量调度，控制器与电池能量交换机进行信息交互，并接受电池能量交换机的调度。
所述的电池能量交换机包括控制器、信息流控制器、能量流控制器，在一个电池能量交换系统中，一块电池能量网卡和一组电池单体共同构成了一个电池能量管控节点，一组电池能量管控节点与一个电池能量集线器相连，一组电池能量集线器与一个电池能量交换机互通互联，如此反复迭代实现更大规模的电池能量管控和能量调度。
所述的电池能量云平台为基于云计算和大数据的电池能量管控平台，提供基于云计算和大数据实现单体电池自动巡检和能量调度，电池能量云平台与局域电池能量交换系统或广域电池能量交换系统中的所有电池能量交换机通过通信网络互连。
所述电池能量网卡管控电池单体或电池模组；电池能量集线器控制多个电池能量网卡，并且与电池能量网卡间进行信息与能量互联；电池能量交换机控制多个电池能量集线器，并且与电池能量集线器间进行信息与能量交互，电池能量交换机及其所管控电池能量集线器与电池能量网卡组成电池能量交换系统；多个电池能量交换系统组成局域电池能量交换系统；多个不同的局域电池能量交换系统构成广域电池能量交换系统；电池云则对广域电池能量交换系统进行统一巡视与管控。
所述电池能量网卡管控电池单体或电池模组；电池能量集线器控制多个电池能量网卡，并且与电池能量网卡间进行信息与能量互联；电池能量交换机控制多个电池能量集线器，并且与电池能量集线器间进行信息与能量交互，电池能量交换机及其所管控电池能量集线器与电池能量网卡组成电池能量交换系统；电池能量交换系统接入直流或交流母线进行互联互通。
信息交互与互联通过以太网、CAN总线的通信方式，系统单元通过自定义通信原语交互信息，通信原语包括信息监测、充放电控制。
所述直流或交流母线电压等级不限。
一种数字电池能量交换系统控制方法，
步骤一：电池能量网卡通过通信连接管控电池单体或电池模组；
步骤二：电池能量集线器通过电池能量集线器的控制器控制多个电池能量网卡，并且与电池能量网卡间进行信息与能量互联；
步骤三：电池能量交换机通过电池能量交换机的控制器控制多个电池能量集线器，并且与电池能量集线器间进行信息与能量交互；
步骤四：电池能量交换机及其所管控电池能量集线器与电池能量网卡组成电池能量交换系统，电池能量云平台通过通信网络实现对单体电池自动巡检和能量调度。
本发明的有益效果如下：采用多层级、细粒度的电池能量流的离散化数字化处理和管控，实现管控系统相对独立于电池的物理和化学特性，动态调整电池单体之间的串并联组合，实现快速分布式按需部署；支持电池能量交换机制，屏蔽电池单体在物理和化学上的差异性，实现电池储能系统的数字化和虚拟化，有效提升了储、供电的灵活性与可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述一种数字电池能量交换系统的逻辑关系图；
图2为本发明所述一种数字电池能量交换系统的电池云广域管控示意图；
图3为本发明所述一种数字电池能量交换系统的南北向层次化组合方法示意图；
图4为本发明所述一种数字电池能量交换系统的东西向互联组合方法示意图；
图5为本发明所述一种数字电池能量交换系统的电池能量网卡结构示意图；
图6为本发明所述一种数字电池能量交换系统的电池能量集线器示意图和/或电池能量交换机示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，本发明所提出的一种数字电池能量交换系统包含：电池能量网卡、电池能量集线器、电池能量交换机与电池能量云平台，所述的电池能量网卡被配置为将电池的模拟能量流离散化成数字能量流，电池能量网卡接收电池能量集线器的指令对电池单体或电池模组进行控制；电池能量集线器被配置为将多个本地电池能量网卡所连接电池的管理和能量调度，并接受电池能量交换机的调度；电池能量交换机被配置为接受电池能量云平台实现更大规模的电池能量管控和能量调度；电池能量云平台被配置为提供基于云计算和大数据实现单体电池自动巡检和能量调度的平台，实现区域内所有电池的自动巡检和能量调度。
其中，电池能量网卡、电池能量集线器、电池能量交换机与电池能量云平台核心功能与结构说明如下：
1)电池能量网卡
如图5所示，电池能量网卡由电池单体或模组开关阵列、控制器和通信控制器组成。
其特点功能为：电池能量网卡将电池的模拟能量流离散化成数字能量流；通过电池单体或模组开关阵列控制电池单体或电池模组的通断，构成电池能量交换的控制节点，电池单体或模组开关阵列一端与电池单体或模组的正极连接，一端与电池单体或模组的负极连接；通信控制器实现与电池能量集线器的通信连接；通过电池能量网卡实现电池能量交换；电池能量网卡接收电池能量集线器的指令(如，通断、测量等)进行动作。
2)电池能量集线器
如图6所示，由控制器(包括专用和可编程芯片)、信息流控制器(如，以太网控制芯片、485、CAN总线控制芯片等)、能量流控制器件(如，电力电子开关驱动器等)组成。
电池能量集线器的主要功能是负责电池能量网卡的局部联网和交互控制，连接多个电池能量网卡，实现本地电池能量网卡所连接电池的管理和能量调度，信息流控制器实现电池能量集线器与多个电池能量网卡实现电池能量网卡的局部联网和交互控制，并将信息反馈给控制器，能量流控制器根据控制器指令实现本地电池能量网卡所连接电池的管理和能量调度，控制器与电池能量交换机进行信息交互，并接受电池能量交换机的调度。
3)电池能量交换机
如图6所示，由控制器(包括专用和可编程芯片)、信息流控制器(如，现有的以太网控制芯片、485、CAN总线控制芯片等)、能量流控制器件(如，电力电子开关及其驱动器等)组成。
电池能量交换机主要功能是负责电池能量集线器联网和交换控制。在一个电池能量交换系统中，一块电池能量网卡和一组电池单体共同构成了一个电池能量管控节点，一组电池能量管控节点与一个电池能量集线器相连，一组电池能量集线器与一个电池能量交换机互通互联，如此反复迭代实现更大规模的电池能量管控和能量调度。同时，电池能量交换机与基于电池云的电池自动巡检和能量调度平台进行交互，并接受平台调度。
4)电池能量云
所述的电池能量云平台为基于云计算和大数据的电池能量管控平台，主要功能是提供基于云计算和大数据实现单体电池自动巡检和能量调度，与局域电池能量交换系统或广域电池能量交换系统中的所有电池能量交换机通过通信网络互连，实现区域内所有电池的自动巡检和能量调度，节省大量系统运维成本。
如图1所示，数字化电池能量交换系统可根据实际应用储能容量和规模需求灵活部署与扩展，数字化电池储能系统中各部分组合关系或方法如下：
1)南北向层次化组合方法：如图2所示，电池能量网卡管控电池单体或电池模组。电池能量集线器控制多个电池能量网卡，并且与电池能量网卡间通过信息与能量接口互联。电池能量交换机控制多个电池能量集线器，并且与电池能量集线器间进行信息与能量交互。电池能量交换机及其所管控电池能量集线器与电池能量网卡可组成电池能量交换系统；多个电池能量交换系统可组成局域电池能量交换系统；多个不同的(空间上分散的)局域电池能量交换系统构成广域电池能量交换系统。电池云则对广域电池能量交换系统进行统一巡视与管控，如图3所示。其中，信息接口可以为以太网、CAN总线等通信方式，南北向互联的系统单元通过自定义通信原语交互信息，通信原语包括信息监测、充放电控制等。
2)东西向互联组合方法：电池能量网卡管控电池单体或电池模组。电池能量集线器控制多个电池能量网卡，并且与电池能量网卡间通过信息与能量接口互联。电池能量交换机控制多个电池能量集线器，并且与电池能量集线器间进行信息与能量交互。电池能量交换机及其所管控电池能量集线器与电池能量网卡可组成电池能量交换系统；如图4所示，图中电池能量交换系统接入交直流或交流母线进行互联互通，其中交流直流母线电压等级不限。
本发明提出了一种数字电池能量交换系统。其核心思想为：采用多层级、细粒度的电池能量流的离散化数字化处理和管控，实现管控系统相对独立于电池的物理和化学特性，动态调整电池单体之间的串并联组合，实现快速分布式按需部署；支持电池能量交换机制，屏蔽电池单体在物理和化学上的差异性，实现电池储能系统的数字化和虚拟化，有效提升了储、供电的灵活性与可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种数字电池能量交换系统，其特征在于：包括电池能量网卡、电池能量集线器、电池能量交换机与电池能量云平台，所述的电池能量网卡被配置为将电池的模拟能量流离散化成数字能量流，电池能量网卡接收电池能量集线器的指令对电池单体或电池模组进行控制；电池能量集线器被配置为将多个本地电池能量网卡所连接电池的管理和能量调度，并接受电池能量交换机的调度；电池能量交换机被配置为接受电池能量云平台实现更大规模的电池能量管控和能量调度；电池能量云平台被配置为提供基于云计算和大数据实现单体电池自动巡检和能量调度的平台，实现区域内所有电池的自动巡检和能量调度；
其中，所述的电池能量网卡包括电池单体或模组开关阵列、控制器和通信控制器，通过电池单体或模组开关阵列控制电池单体或电池模组的通断，构成电池能量交换的控制节点；通信控制器实现与电池能量集线器的通信连接；
所述的电池能量集线器包括控制器、信息流控制器、能量流控制器，信息流控制器实现电池能量集线器与多个电池能量网卡实现电池能量网卡的局部联网和交互控制，并将信息反馈给控制器，能量流控制器根据控制器指令实现本地电池能量网卡所连接电池的管理和能量调度，控制器与电池能量交换机进行信息交互，并接受电池能量交换机的调度；
所述的电池能量交换机包括控制器、信息流控制器、能量流控制器，在一个电池能量交换系统中，一块电池能量网卡和一组电池单体共同构成了一个电池能量管控节点，一组电池能量管控节点与一个电池能量集线器相连，一组电池能量集线器与一个电池能量交换机互通互联，如此反复迭代实现更大规模的电池能量管控和能量调度；
所述的电池能量云平台为基于云计算和大数据的电池能量管控平台，提供基于云计算和大数据实现单体电池自动巡检和能量调度，电池能量云平台与局域电池能量交换系统或广域电池能量交换系统中的所有电池能量交换机通过通信网络互连。
2.根据权利要求1所述的一种数字电池能量交换系统，其特征在于：所述电池能量网卡管控电池单体或电池模组；电池能量集线器控制多个电池能量网卡，并且与电池能量网卡间进行信息与能量互联；电池能量交换机控制多个电池能量集线器，并且与电池能量集线器间进行信息与能量交互，电池能量交换机及其所管控电池能量集线器与电池能量网卡组成电池能量交换系统；多个电池能量交换系统组成局域电池能量交换系统。
3.根据权利要求2所述的一种数字电池能量交换系统，其特征在于：多个不同的局域电池能量交换系统构成广域电池能量交换系统。
4.根据权利要求3所述的一种数字电池能量交换系统，其特征在于：电池云则对广域电池能量交换系统进行统一巡视与管控。
5.根据权利要求1所述的一种数字电池能量交换系统，其特征在于：所述电池能量网卡管控电池单体或电池模组；电池能量集线器控制多个电池能量网卡，并且与电池能量网卡间进行信息与能量互联；电池能量交换机控制多个电池能量集线器，并且与电池能量集线器间进行信息与能量交互，电池能量交换机及其所管控电池能量集线器与电池能量网卡组成电池能量交换系统。
6.根据权利要求5所述的一种数字电池能量交换系统，其特征在于：电池能量交换系统接入直流或交流母线进行互联互通。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的一种数字电池能量交换系统，其特征在于：信息交互与互联通过以太网、CAN总线的通信方式，系统单元通过自定义通信原语交互信息，通信原语包括信息监测、充放电控制。
8.根据权利要求6所述的一种数字电池能量交换系统，其特征在于：所述直流或交流母线电压等级不限。
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