CN109755973A - 一种适用于储能电池的柔性并联装置 - Google Patents

一种适用于储能电池的柔性并联装置 Download PDF

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Abstract

本发明一种适用于储能电池的柔性并联装置，通过在电池组串中增加独立电容器，并通过隔离DC/DC变换器对独立电容器的控制实现电池组串电压的柔性调节，实现储能系统中不同电池组串的柔性并联，可以应用到采用新电池和梯次利用电池的储能系统，并支持在并联工作的不同组串中采用不同品牌或不同规格的锂离子电池。解决储能系统中电池组串简洁高效的串并联实现，同时兼顾梯次利用电池的使用方式。

Description

一种适用于储能电池的柔性并联装置
技术领域
本发明专利涉及储能应用领域，尤其涉及到采用锂离子电池作为储能元件的储能应用领域。
技术背景
随着新能源的不断发展，尤其是具有间歇性、波动性的光伏、风电等新能源的迅速壮大对电网造成的波动性非常大，需要一种储电单元来平抑此类发电单元功率的波动；现在的用户侧负荷，尤其是工商业负荷峰谷差非常大，增加储电单元可以减小用电负荷峰谷差，从国家峰谷电价方面考虑也存在相应的商业模式；另外随着国家对储能的不断重视和政策层面的不断推动，储能单元是未来电网中非常重要的调节手段之一。随着锂离子电池成本不断降低，并结合锂离子电池寿命等考虑，锂离子电池储能系统是未来储能单元的主要应用方式。
锂离子电池均为单体形式，由于电池单体容量的限制，大容量的锂离子电池储能系统均是数量众多的单体电池串并联的结果， 目前传统的形式为几个单体电池并联后再串联成为一个电池组串，多个电池组串并联组成大容量的储能系统，然而锂离子电池内阻很小，多个电池组串并联时由于电池组串电压的不一致性等，多个电池组串由独立到并联在一起的过程中需要花费很大的时间和精力。另外尤其针对梯次利用的电池，同一电池组串内电池单体差异比较大，电池组串之间差异也非常大，导致并联在一起的锂电池储能系统容量大打折扣，不能发挥应有的效应。无论采用新电池还是梯次利用的电池，电池组串都很难标准化，不利于储能项目的规模化和推广，这也是本一种适用于储能电池的柔性并联装置提出的背景。
发明内容
为了解决储能系统中电池组串简洁高效的串并联实现，同时兼顾梯次利用电池的使用方式，目的是把电池组串作为一个标准单元利于实现规模化应用和推广，本发明提供了一种适用于储能电池的柔性并联装置，主要包含独立电容器和隔离DC/DC变换器两部分。将电池单体串并联后的电池组与独立电容器串联，利用隔离DC/DC变换器控制独立电容器电压使得电池组串表现为一个电压柔性可调的电池组串，以此实现不同电池组串的柔性并联，支持电池组串中采用不同类型的锂离子电池。隔离DC/DC变换器输出端连接电池组串中独立电容器，输入端连接电池组串中电池组，采用梯次利用的电池组串中每一个电池模块连接隔离DC/DC变换器输入端，不同隔离DC/DC变换器输出端并联连接至电池组串中独立电容器。通过隔离DC/DC变换器对电容器电压的控制可以实现储能系统中电池组串的柔性并联，其中隔离DC/DC变换器由于只承担部分功率，相比于全功率变换器效率高。虽然传统电池和梯次电池应用中隔离DC/DC变换器功率等级不同，输入端电压范围不同，但是拓扑结构完全相同，通过改变隔离DC/DC变换器中高频变压器的变比可以实现两种应用场合中隔离DC/DC变换器统一考虑，柔性并联装置也更容易设计为一个标准产品。
本发明一种适用于储能电池的柔性并联装置，应用于采用新电池的储能系统或采用梯次利用电池储能系统，柔性并联装置分为两部分，一部分是独立电容器，另一部分是隔离DC/DC变换器；数量众多的电池单体经过串并联后形成电池组，电池组和柔性并联装置中独立电容器串联组成电池组串。柔性并联装置中隔离DC/DC变换器输入侧连接电池组串中电池组两端，隔离DC/DC变换器输出侧连接独立电容器的两端。
利用隔离DC/DC变换器控制独立电容器的电压使得整个电池组串整体电压柔性，同时柔性并联装置由于只承受电池组串和电池组的电压差，利用整个电池组串部分功率的隔离DC/DC变换器实现了整个电池组串的电压等调节，提高了运行效率。
采用梯次利用电池的储能系统中，根据梯次利用电池的既有模组拆分经过筛选后组成电池单元，多个电池单元串联组成电池组，电池组和柔性并联装置串联组成电池组串；在采用梯次利用电池的储能系统中，柔性并联装置中包含一个独立电容器和多个隔离DC/DC变换器，每个隔离DC/DC变换器对应一个电池单元，每个隔离DC/DC变换器的输入侧与电池单元连接，每个隔离DC/DC变换器输出侧并联后连接至独立电容器两端。
利用多个隔离DC/DC变换器的控制可以使得独立电容器的电压可调，可以使得整个电池组串整体电压柔性可调；；在采用梯次利用的电池储能系统中，多个隔离DC/DC变换器的存在，不仅可以利用电池组串的部分功率变换器实现了整个电池组串的电压调节，另外在面对不同容量的梯次利用电池单元时，多个隔离DC/DC变换器的统一控制能够实现不同电池单元的均衡控制，实现梯次利用电池的最大利用。
柔性并联装置中隔离DC/DC变换器采用电压源全桥式双向DC/DC变换器拓扑。包含输入侧H桥电路H1和输出侧H桥电路H2，输入侧电容C1和输出侧电容C2和高频变压器，为了便于分析电路功能，增加了输出侧电阻R和输入侧电源，电压为Vin。
柔性并联装置中隔离DC/DC变换器在此基础上对传统的移相控制策略做相应改进。如图4所示，隔离DC/DC变换器在一个开关周期内共有四个工作模式。模式1和模式2组成半个开关周期，模式3和模式4组成半个开关周期。在变压器出零电平的阶段H2桥开关管全部处于导通状态，从而使得H1没有导通损耗，H2桥的导通损耗减半，进一步提高系统效率。
有益效果
首先，本一种适用于储能电池的柔性并联装置，通过将电池组与独立电容器串联等可以实现电池组串电压的可调节性，更利于电池组串的便捷并联，满足把电池组串作为一个标准单元实现规模化应用和推广的需求；其次，本一种适用于储能电池的柔性并联装置，能够应用在采用新电池和梯次利用电池的储能系统中，适应范围广，柔性并联装置更容易进行标准化设计；再次，本一种适用于储能电池的柔性并联装置中隔离DC/DC变换器等采用部分功率实现了电池组串全功率的调节，在梯次利用电池的储能系统中还能更大范围地实现电池的容量利用，且通过变换器内部的控制改善能够效率更高。
附图说明
图1是采用新电池的储能系统电池组串。
图2是采用梯次利用电池的储能系统电池组串。
图3是隔离DC/DC变换器拓扑图。
图4是改进后开关器件脉冲图。
图5为隔离DC/DC变换器电流正向流动。
图6为隔离DC/DC变换器电流反向流动。
图7为隔离DC/DC变换器电流正向流动。
图8为隔离DC/DC变换器电流反向流动。
图9为隔离DC/DC变换器电流正向流动。
图10为隔离DC/DC变换器电流反向流动。
图11为隔离DC/DC变换器电流正向流动。
图12为隔离DC/DC变换器电流反向流动.
图1中
B11、B12、…、B1m、…、Bn1、Bn2、…、Bnm为电池单体；
C为与电池组串联柔性并联装置中电容；
图2中
B11、B12、…、B1m、…、Bn1、Bn2、…、Bnm为每个电池单元中电池单体；
C为与电池组串联柔性并联装置中电容；
图3中
H1为隔离DC/DC变换器输入侧H桥；
H2为隔离DC/DC变换器输出侧H桥；
S1、S2、S3、S4为输入侧H桥开关器件；
S5、S6、S7、S8为输出侧H桥开关器件；；
Vin为输入侧电压；
Vout为输出侧电压；
C1、C2分别为隔离DC/DC变换器输入侧和输出侧电容；
L为隔离DC/DC变换器输出侧电感；
N1、N2为隔离DC/DC变换器中高频变压器原副边匝数；
H1为隔离DC/DC变换器输入侧H桥；
H2为隔离DC/DC变换器输出侧H桥；
S1、S2、S3、S4为输入侧H桥开关器件；
S5、S6、S7、S8为输出侧H桥开关器件；；
Vin为输入侧电压；
Vo为输出侧等效电源电压；
C1、C2分别为隔离DC/DC变换器输入侧和输出侧电容；
L为隔离DC/DC变换器输出侧电感；
R为隔离DC/DC变换器输出等效电阻；
N1、N2为隔离DC/DC变换器中高频变压器原副边匝数。
具体实施方式
无论应用于采用新电池的储能系统还是采用梯次利用电池储能系统，一种适用于储能电池的柔性并联装置分为两部分，一部分是独立电容器，另一部分是隔离DC/DC变换器。
如图1所示，在采用新电池的储能系统中，数量众多的电池单体经过串并联后形成电池组，电池组和柔性并联装置中独立电容器串联组成电池组串。柔性并联装置中隔离DC/DC变换器输入侧连接电池组串中电池组两端，隔离DC/DC变换器输出侧连接独立电容器的两端。利用隔离DC/DC变换器控制独立电容器的电压使得整个电池组串整体电压柔性可调，便于将电池组串作为一个标准部件，在大规模储能系统集成时不同电池组串可以简捷便利地相互连接，同时柔性并联装置由于只承受电池组串和电池组的电压差，利用整个电池组串部分功率的隔离DC/DC变换器实现了整个电池组串的电压等调节，提高了运行效率。
如图2所示，在采用梯次利用电池的储能系统中，根据梯次利用电池的既有模组拆分经过筛选后组成电池单元，多个电池单元串联组成电池组，电池组和柔性并联装置串联组成电池组串。在采用梯次利用电池的储能系统中，柔性并联装置中包含一个独立电容器和多个隔离DC/DC变换器，每个隔离DC/DC变换器对应一个电池单元，每个隔离DC/DC变换器的输入侧与电池单元连接，每个隔离DC/DC变换器输出侧并联后连接至独立电容器两端，利用多个隔离DC/DC变换器的控制可以使得独立电容器的电压可调，可以使得整个电池组串整体电压柔性可调。其中独立电容器和隔离DC/DC变换器在采用新电池的储能系统和采用梯次利用电池的储能系统中基本一致，只是隔离DC/DC变换器的数量和隔离DC/DC变换器内部高频变压器的变比有所区别，因此柔性并联装置更容易做通用化、标准化设计，满足未来大规模储能系统应用的需求。图2中，在采用梯次利用的电池储能系统中，多个隔离DC/DC变换器的存在，不仅可以利用电池组串的部分功率变换器实现了整个电池组串的电压调节，另外在面对不同容量的梯次利用电池单元时，多个隔离DC/DC变换器的统一控制能够实现不同电池单元的均衡控制，实现梯次利用电池的最大利用。
如图3所示，柔性并联装置中隔离DC/DC变换器采用电压源全桥式双向DC/DC变换器拓扑。包含输入侧H桥电路H1和输出侧H桥电路H2，输入侧电容C1和输出侧电容C2和高频变压器，为了便于分析电路功能，增加了输出侧电阻R和输入侧电源，电压为Vin。
电压源全桥式双向DC/DC变换器一般采用经典的移相控制策略，可以使开关管工作在软开关状态，降低电路损耗，提高系统的效率。本发明在此基础上对传统的移相控制策略做相应改进。如图4所示，隔离DC/DC变换器在一个开关周期内共有四个工作模式。模式1和模式2组成半个开关周期，模式3和模式4组成半个开关周期。在变压器出零电平的阶段H2桥开关管全部处于导通状态，从而使得H1没有导通损耗，H2桥的导通损耗减半，进一步提高系统效率。
图5所示为隔离DC/DC变换器工作模式1电流通路。H1桥的开关管S1和S4导通，H2桥的开关管S5和S8导通，电源经变压器和电感为负载供电，变压器原边电压VT等于电源电压，电感处于正向充电阶段，当电感初始电流为正向流动时，电感电流正向线性增加，当电感初始电流为反向流动时，电感电流反向线性减小，有可能过零后再正向线性增加。
图6所示为隔离DC/DC变换器工作模式2电流通路。H1桥的开关管S1和S3导通，H2桥的开关管S5、S6、S7、S8均导通。此时，变压器原边电压为零，当电感初始电流为正向流动时，电感电流续流正向线性减小，有可能过零后反向线性增加。当电感初始电流为反向流动时，电感电流反向线性增加。
图7所示为隔离DC/DC变换器工作模式3电流通路。H1桥的开关管S2和S3导通，H2桥的开关管S6和S7导通，电源经变压器和电感为负载供电，变压器原边电压VT等于负的电源电压，当电感初始电流为正向流动时，电感电流正向线性增加。当电感初始电流为反向流动时，电感电流反向线性减小，有可能过零后正向线性增加。
图8所示为隔离DC/DC变换器工作模式4电流通路。H1桥的开关管S2和S4导通，H2桥的开关管S5、S6、S7、S8均导通。此时，变压器原边电压为零，当电感初始电流为正向流动时，电感电流正向线性减小，有可能过零后反向线性增加。当电感初始电流为反向流动时，电感电流反向线性增加。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种适用于储能电池的柔性并联装置，其特征在于：应用于采用新电池的储能系统或采用梯次利用电池储能系统，柔性并联装置分为两部分，一部分是独立电容器，另一部分是隔离DC/DC变换器；数量众多的电池单体经过串并联后形成电池组，电池组和柔性并联装置中独立电容器串联组成电池组串;
柔性并联装置中隔离DC/DC变换器输入侧连接电池组串中电池组两端，隔离DC/DC变换器输出侧连接独立电容器的两端。
2.根据权利要求1所述的一种适用于储能电池的柔性并联装置，其特征在于：利用隔离DC/DC变换器控制独立电容器的电压使得整个电池组串整体电压柔性，同时柔性并联装置由于只承受电池组串和电池组的电压差，利用整个电池组串部分功率的隔离DC/DC变换器实现了整个电池组串的电压等调节，提高了运行效率。
3.根据权利要求1所述的一种适用于储能电池的柔性并联装置，其特征在于：采用梯次利用电池的储能系统中，根据梯次利用电池的既有模组拆分经过筛选后组成电池单元，多个电池单元串联组成电池组，电池组和柔性并联装置串联组成电池组串；在采用梯次利用电池的储能系统中，柔性并联装置中包含一个独立电容器和多个隔离DC/DC变换器，每个隔离DC/DC变换器对应一个电池单元，每个隔离DC/DC变换器的输入侧与电池单元连接，每个隔离DC/DC变换器输出侧并联后连接至独立电容器两端。
4.根据权利要求3所述的一种适用于储能电池的柔性并联装置，其特征在于：利用多个隔离DC/DC变换器的控制可以使得独立电容器的电压可调，可以使得整个电池组串整体电压柔性可调；；在采用梯次利用的电池储能系统中，多个隔离DC/DC变换器的存在，不仅可以利用电池组串的部分功率变换器实现了整个电池组串的电压调节，另外在面对不同容量的梯次利用电池单元时，多个隔离DC/DC变换器的统一控制能够实现不同电池单元的均衡控制，实现梯次利用电池的最大利用。
5.根据权利要求1所述的一种适用于储能电池的柔性并联装置，其特征在于：柔性并联装置中隔离DC/DC变换器采用电压源全桥式双向DC/DC变换器拓扑;
包含输入侧H桥电路H1和输出侧H桥电路H2，输入侧电容C1和输出侧电容C2和高频变压器，为了便于分析电路功能，增加了输出侧电阻R和输入侧电源，电压为Vin。
6.根据权利要求5所述的一种适用于储能电池的柔性并联装置，其特征在于：柔性并联装置中隔离DC/DC变换器在此基础上对传统的移相控制策略做相应改进;
如图4所示，隔离DC/DC变换器在一个开关周期内共有四个工作模式;
模式1和模式2组成半个开关周期，模式3和模式4组成半个开关周期;
在变压器出零电平的阶段H2桥开关管全部处于导通状态，从而使得H1没有导通损耗，H2桥的导通损耗减半，进一步提高系统效率。
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