CN111181207A - 一种分布式锂电池组储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式锂电池组储能系统，包括若干用于并联到直流母线上的储能控制单元；储能控制单元之间通过总线通信进行数据共享；储能控制单元包括由单体锂电池组成的电池组、双向直流变换器、微控制器与状态监测模块；每个微控制器内均配置有独立充电控制程序，所述独立充电控制程序用于根据对应储能控制单元的状态监测数据与直流母线电压UA确定相应储能控制单元的充电模式；每个微控制器内均配置有协同放电控制程序，协同放电控制程序用于根据共享数据与直流母线电压UA确定整体放电模式。本发明解决了现有技术中锂电池组储能系统的锂电池可靠性与能量利用率不高的技术问题，能够延长锂电池使用寿命，降低成本。

Description

一种分布式锂电池组储能系统
技术领域
本发明属于锂电池储能领域。
背景技术
随着全球化石能源的日益枯竭以及环境、气候等因数影响，电动汽车作为新能源汽车的主体获得到前所未有的发展。动力电池作为电动汽车的核心部件之一，其性能与安全问题成为制约电动汽车发展的关键因数。以锂离子电池为代表的电动汽车用动力电池具有能量密度高、质量轻、自放电率小以及使用寿命长等诸多优势，是目前电动汽车最具实用价值的储能方式。
目前单体锂电池的电压及容量都较小，通常都采取多节单体锂电池通过串并方式连接成组以满足不同的电压等级及容量应用需求。但由于生产工艺、使用环境、温度等不同造成单体电池的容量、内阻以及荷电状态的不一致性，导致了在使用过程中电池组的整体性能因受到单体性能的限制不能得到充分发挥，电池组的能量利用率不高，甚至造成个别单体锂电池过充/过放。
通常解决锂电池不一致性的方法是使用均衡技术。被动均衡电路简单、成本低，技术相对成熟，但是能量利用率低且存在热管理问题，一般只适用于低功率均衡的应用场合。主动均衡采用有源开关对有需要的单体电池进行能量均衡，但均衡电路在均衡过程中不可避免造成了功率损失且主动均衡方案系统复杂、成本高等因素限制了主动均衡的发展。为了消除传统锂电池串并方式的弊端，降低系统控制的复杂度，需要设计一种新的电池成组结构，以及一种简单可靠的控制方法。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明提供了一种分布式锂电池组储能系统，解决现有技术中锂电池组储能系统的电池可靠性与能量利用率不高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种分布式锂电池组储能系统，包括若干用于并联到直流母线上的储能控制单元；储能控制单元之间通过总线通信进行数据共享；
储能控制单元包括由单体锂电池组成的电池组、双向直流变换器、微控制器以及用于采集储能控制单元的状态监测数据的状态监测模块；电池组通过双向直流变换器从直流母线上获取电能或者输出电能到直流母线上；微控制器通过控制双向直流变换器来切换储能控制单元的充/放电模式；
状态监测模块包括前端状态监测模块与后端状态监测模块；前端状态监测模块接入电池组与双向直流变换器之间，用于采集电池组的状态监测数据；后端状态监测模块接入双向直流变换器与直流母线之间，用于采集双向直流变换器的状态监测数据；
每个微控制器内均配置有独立充电控制程序，所述独立充电控制程序用于根据对应储能控制单元的状态监测数据与直流母线电压UA确定相应储能控制单元的充电模式；
每个微控制器内均配置有协同放电控制程序，所述协同放电控制程序用于根据共享数据与直流母线电压UA确定整体放电模式；共享数据包括负载功率、每个电池组的剩余电量以及每个电池组的额定输出功率。
进一步的，电池组的状态监测数据包括电池组端电压、电池组输出电流与电池组温度；微控制器采用等效电路模型并根据电池组端电压、电池组输出电流与电池组温度对电池组的剩余电量SOC进行计算；电池组端电压与电池组输出电流作为微控制器控制双向直流变换器实现不同充电模式的依据。
进一步的，双向直流变换器的状态监测数据包括双向直流变换器的输出电压、双向直流变换器的输出电流；
以双向直流变换器的输出电压作为直流母线电压UA；微控制器根据直流母线电压UA作为启动充电或是放电的判据：当直流母线电压UA大于设定母线电压U1时，启动独立充电控制程序；当直流母线电压UA小于等于设定母线电压U1时，启动协同放电控制程序；
双向直流变换器的输出电压与双向直流变换器的输出电流作为微控制器控制双向直流变换器实现不同放电模式的依据。
进一步的，独立充电控制程序包括如下步骤：
步骤char1：获取直流母线电压UA，判断直流母线电压UA是否大于设定母线电压U1，若否，则结束程序；若是，则启动独立充电控制程序，并进入步骤char2；
步骤char2：根据状态监测数据判断储能控制单元是否为故障状态，若是，则储能控制单元退出运行，并结束程序；若否，则进入步骤char3；
步骤char3：判断电池组端电压UB是否小于设定端电压U2，若是，进入步骤char4；若否，进入步骤char5；
步骤char4：微控制器控制双向直流变换器切换至恒流充电模式对电池组进行充电，并回到步骤char3；
步骤char5：微控制器控制双向直流变换器切换至恒压充电模式对电池组进行充电，直到充电完成。
进一步的，协同放电控制程序包括以下步骤：
步骤dis1：获取直流母线电压UA，判断直流母线电压UA是否小于等于设定母线电压U1，若否，则结束程序；若是，则启动协同放电控制程序，并进入步骤dis2；
步骤dis2：根据状态监测数据判断储能控制单元是否能够工作，若否，则储能控制单元退出运行，并结束程序；若是，则进入步骤dis3；
步骤dis3：对电池组的剩余电量SOC进行数据共享；计算全部能够工作的储能控制单元的额定输出功率总和，并与负载功率进行比较：若额定输出功率总和能够满足负载功率，则进入步骤dis4；若额定输出功率总和不能够满足负载功率，则进入步骤dis5；
步骤dis4：微控制器控制双向直流变换器切换至直流母线恒压放电模式；
步骤dis5：微控制器控制双向直流变换器切换至恒功率放电模式：全部能够工作的储能控制单元均以额定功率进行输出；
步骤dis6：判断直流母线电压UA是否能够维持在设定母线电压U1；若是，则回到步骤dis5；若否，则进入步骤dis7；
步骤dis7：判断直流母线电压UA的下降程度是否达到第一下降度阈值；若否，则进入步骤dis8；若是，则进入步骤dis9；
步骤dis8：微控制器控制双向直流变换器维持恒功率放电模式，并回到步骤dis7；
步骤dis9：微控制器控制双向直流变换器切换至恒流放电模式：全部能够工作的储能控制单元均以恒定电流输出；
步骤dis10：判断直流母线电压UA的下降程度是否达到第二下降度阈值；若否，则进入步骤dis11；若是，则进入步骤dis12；
步骤dis11：微控制器控制双向直流变换器维持恒流放电模式，并回到步骤dis10；
步骤dis12：微控制器向上位机发送切负荷请求或者控制储能控制单元退出运行。
进一步的，直流母线恒压放电模式包括如下步骤：
步骤401：根据负载功率确定所需投入的能够工作的储能控制单元的数量，选出相应数量的能够工作的储能控制单元作为工作模块；
步骤402：除剩余电量SOC最小的工作模块以外，其余工作模块输出额定功率Pn，剩余电量SOC最小的工作模块输出补充功率Pm，补充功率Pm＝(Pload-Psum)/N，N表示剩余电量SOC最小的工作模块数量，Pload表示负载功率，Psum表示其余工作模块输出功率总和。
与现有技术相比，本发明具有的优点包括：
1、本发明的分布式锂电池组储能系统中各个储能控制单元能够根据自身情况独立进行充电，避免统一充电导致某些电池组过充电或充电不足，能够延长电池组寿命。然而，在放电时，各个储能控制单元又能协同配合起来去自适应地满足负载功率需求，实现电能资源的优化利用，提高能量利用率，同时避免统一放电导致部分电池组过放电，能够延长电池组寿命。
2、不论是在充电还是放电模式下，单个储能控制单元都能在故障时或电量不足时(不能进行放电工作)退出运行，由于各个储能控制单元均并联在直流母线上，因此，单个储能控制单元的退出不会对整体造成影响，未退出的储能控制单元仍然能够正常进行充电或放电，提高了可靠性，系统稳定性高。
3、采用等效电路模型来计算剩余电量SOC，计算结果更加准确。
4、独立充电控制程序中恒流充电与恒压充电可根据端电压进行切换，充电方式灵活，充电效率更高。
5、协同放电控制程序能够根据额定输出功率总和与负载功率之间的平衡关系来确定放电模式，当额定输出功率总和大于等于负载功率，采用直流母线恒压放电模式，直流母线电压稳定，用电设备工作状态稳定。在额定输出功率总和小于负载功率时，优先采用恒功率放电模式，尽量满足负载功率，在此过程中，若直流母线电压偏离程度较大，则切换至恒流放电模式，若直流母线电压偏离程度过大，则切除负荷或退出运行，避免发生故障。
附图说明
图1为本具体实施方式中分布式锂电池组储能系统的结构示意图；
图2为储能控制单元的结构示意图；
图3为本具体实施方式中工作模块1与工作模块2在直流母线恒压放电模式下的剩余电量仿真图。
具体实施方式
参考图1所示，一种分布式锂电池组储能系统，包括若干用于并联到直流母线上的储能控制单元；储能控制单元之间通过总线通信(如CAN总线)进行数据共享。
参考图2所示，储能控制单元包括由单体锂电池组成的电池组、双向直流变换器、微控制器以及用于采集储能控制单元的状态监测数据的状态监测模块；电池组通过双向直流变换器从直流母线上获取电能或者输出电能到直流母线上。微控制器通过控制双向直流变换器来切换储能控制单元的充/放电模式；微控制器通过占空比控制双向直流变换器实现充/放电模式的控制，此为现有技术，在此不再赘述。
电池组由若干性能相近的单体锂电池并联组成：采用分选技术以电池电压、容量、内阻各方面性能相近的单体锂电池用于同一个电池组组装；双向直流变换器可选用隔离型高增益双向直流变换器。
状态监测模块包括前端状态监测模块与后端状态监测模块；前端状态监测模块接入电池组与双向直流变换器之间，用于采集电池组的状态监测数据；后端状态监测模块接入双向直流变换器与直流母线之间，用于采集双向直流变换器的状态监测数据。
每个微控制器内均配置有独立充电控制程序，所述独立充电控制程序用于根据对应储能控制单元的状态监测数据与直流母线电压UA确定相应储能控制单元的充电模式。
每个微控制器内均配置有协同放电控制程序，所述协同放电控制程序用于根据共享数据与直流母线电压UA确定整体放电模式；共享数据包括负载功率、每个电池组的剩余电量以及每个电池组的额定输出功率。
电池组的状态监测数据包括电池组端电压、电池组输出电流与电池组温度；微控制器采用等效电路模型并根据电池组端电压、电池组输出电流与电池组温度对电池组的剩余电量SOC进行计算；电池组端电压与电池组输出电流作为微控制器控制双向直流变换器实现不同充电模式的依据。等效电路模型为现有技术，如采用“锂离子电池建模及其参数辨识方法研究，中国电机工程学报，陈息坤，孙冬”中的等效电路模型来计算剩余电量SOC。
双向直流变换器的状态监测数据包括双向直流变换器的输出电压、双向直流变换器的输出电流；
以双向直流变换器的输出电压作为直流母线电压UA；微控制器根据直流母线电压UA作为启动充电或是放电的判据：当直流母线电压UA大于设定母线电压U1时，启动独立充电控制程序；当直流母线电压UA小于等于设定母线电压U1时，启动协同放电控制程序；
双向直流变换器的输出电压与双向直流变换器的输出电流作为微控制器控制双向直流变换器实现不同放电模式的依据。
独立充电控制程序包括如下步骤：
步骤char1：获取直流母线电压UA，判断直流母线电压UA是否大于设定母线电压U1，若否，则结束程序；若是，则启动独立充电控制程序，并进入步骤char2；
步骤char2：根据状态监测数据判断储能控制单元是否为故障状态，若是，则储能控制单元退出运行，并结束程序；若否，则进入步骤char3；
步骤char3：判断电池组端电压UB是否小于设定端电压U2，若是，进入步骤char4；若否，进入步骤char5；
步骤char4：微控制器控制双向直流变换器切换至恒流充电模式对电池组进行充电，并回到步骤char3；
步骤char5：微控制器控制双向直流变换器切换至恒压充电模式对电池组进行充电，直到充电完成。
协同放电控制程序包括以下步骤：
步骤dis1：获取直流母线电压UA，判断直流母线电压UA是否小于等于设定母线电压U1，若否，则结束程序；若是，则启动协同放电控制程序，并进入步骤dis2；
步骤dis2：根据状态监测数据判断储能控制单元是否能够工作(电量是否充足与是否故障，电量充足并且没有故障表示能够工作)，若否，则储能控制单元退出运行，并结束程序；若是，则进入步骤dis3；
步骤dis3：对电池组的剩余电量SOC进行数据共享；计算全部能够工作的储能控制单元的额定输出功率总和，并与负载功率进行比较：若额定输出功率总和能够满足负载功率，则进入步骤dis4；若额定输出功率总和不能够满足负载功率，则进入步骤dis5；
步骤dis4：微控制器控制双向直流变换器切换至直流母线恒压放电模式；
步骤dis5：微控制器控制双向直流变换器切换至恒功率放电模式：全部能够工作的储能控制单元均以额定功率进行输出；
步骤dis6：判断直流母线电压UA是否能够维持在设定母线电压U1；若是，则回到步骤dis5；若否，则进入步骤dis7；
步骤dis7：判断直流母线电压UA的下降程度是否达到第一下降度阈值；若否，则进入步骤dis8；若是，则进入步骤dis9；
步骤dis8：微控制器控制双向直流变换器维持恒功率放电模式，并回到步骤dis7；
步骤dis9：微控制器控制双向直流变换器切换至恒流放电模式：全部能够工作的储能控制单元均以恒定电流输出；
步骤dis10：判断直流母线电压UA的下降程度是否达到第二下降度阈值；若否，则进入步骤dis11；若是，则进入步骤dis12；
步骤dis11：微控制器控制双向直流变换器维持恒流放电模式，并回到步骤dis10；
步骤dis12：微控制器向上位机发送切负荷请求或者控制储能控制单元退出运行。
直流母线恒压放电模式包括如下步骤：
步骤401：根据负载功率确定所需投入的能够工作的储能控制单元的数量，选出相应数量的能够工作的储能控制单元作为工作模块；工作模块的数量为根据负载功率确定所需投入的能够工作的储能控制单元的最小数量，从而能够减少储能控制单元的损耗。未被选中的能够工作的储能控制单元作为备用模块，用于在工作模块故障时投入工作，进一步提高可靠性。
步骤402：除剩余电量SOC最小的工作模块以外，其余工作模块输出额定功率Pn，剩余电量SOC最小的工作模块输出补充功率Pm，补充功率Pm＝(Pload-Psum)/N，N表示剩余电量SOC最小的工作模块数量，Pload表示负载功率，Psum表示其余工作模块输出功率总和。
双向直流变换器的状态监测数据包括双向直流变换器温度；还包括微控制器中还配置有温度保护程序，当电池组温度或双向直流变换器温度高出相应的温度阈值时，则控制储能控制单元退出运行。
以直流母线电压48V，单体锂电池容量为40Ah，工作电压为2.75V-4.2V，储能模块额定输出功率为100W为例进行举例说明。当直流母线电压大于设定值50.4V，判断为充电模式，当直流母线电压低于设定值50.4V，判断为放电模式。
对于充电模式：由微控制器依据该模块锂电池组电池特性控制高增益双向直流变换器实现；当锂电池组端电压低于设定值4.2V时，微控制器控制高增益直流双向变换器为恒流模式，恒流充电电流在0.2C至1C之间，电池组端电压随着恒流充电过程逐步升高，当锂电池组端电压等于设定值4.2V时，微控制器控制高增益直流双向变换器为恒压工作模式，随着充电过程的继续，充电电流慢慢减少，当减少到0.01C时，判定充电终止；(不同型号锂电池具体充电倍率以厂家提供信息为准)。
对于放电模式：各控制器获得所有储能模块SOC信息，根据功率需求判定整个电池组工作模式为直流母线恒压工作模式、恒功率模式或恒流工作模式；
对于直流母线恒压工作模式，各控制器判定本模块是否为工作模块，如果不是，则维持母线电压恒定；如果是，控制器依据本模块的SOC确定输出功率，由微控制器控制高增益双向直流变换器实现；如工作模块1与工作模块2判定为工作模块，且工作模块1的SOC大于模块2的SOC，则模块1按最大额定输出功率运行，模块2补足剩余功率需求，当两模块SOC一致后，两模块以相同输出功率运行；图3为两个工作模块且初始SOC值不同的仿真结果图，工作模块1初始SOC值为100％，工作模块2初始SOC值为90％，经过约160s后SOC值相同的仿真波形图：运行一段时间后，工作模块1与工作模块2的剩余电量趋于相同，从而减小了储能控制单元之间的差异。
对于恒功率工作模式，由微控制器控制高增益双向直流变换器实现；所有储能模块进入恒功率模式，所有储能模块以额定功率100W运行，如果功率需求过大，当所有模块进入额定输出功率却无法维持母线电压在设定值时，此时母线电压有所下降，当下降至母线电压设定值2.5％时，进入恒流工作模式；
对于电池组恒流工作模式，所有储能控制单元以恒定电流模式工作，由微控制器控制高增益双向直流变换器实现；若此时母线电压偏离直流母线电压设定值较大，微控制器向上微机发送信息，切除一些不必要负荷。若无法切除负荷，当直流母线电压偏离设定值5％，对于48V直流母线，即直流母线电压低于45.6V时，所有储能控制单元退出运行。
本发明的分布式锂电池组储能系统中各个储能控制单元能够根据自身情况独立进行充电，避免统一充电导致某些电池组过充电或充电不足，能够延长电池组寿命。然而，在放电时，各个储能控制单元又能协同配合起来去自适应地满足负载功率需求，实现电能资源的优化利用，提高能量利用率，同时避免统一放电导致部分电池组过放电，能够延长电池组寿命。不论是在充电还是放电模式下，单个储能控制单元都能在故障时或电量不足时(不能进行放电工作)退出运行，由于各个储能控制单元均并联在直流母线上，因此，单个储能控制单元的退出不会对整体造成影响，未退出的储能控制单元仍然能够正常进行充电或放电，提高了可靠性，系统稳定性高。

Claims (10)

1.一种分布式锂电池组储能系统，其特征在于：包括若干用于并联到直流母线上的储能控制单元；储能控制单元之间通过总线通信进行数据共享；
储能控制单元包括由单体锂电池组成的电池组、双向直流变换器、微控制器以及用于采集储能控制单元的状态监测数据的状态监测模块；电池组通过双向直流变换器从直流母线上获取电能或者输出电能到直流母线上；微控制器通过控制双向直流变换器来切换储能控制单元的充/放电模式；
状态监测模块包括前端状态监测模块与后端状态监测模块；前端状态监测模块接入电池组与双向直流变换器之间，用于采集电池组的状态监测数据；后端状态监测模块接入双向直流变换器与直流母线之间，用于采集双向直流变换器的状态监测数据；
每个微控制器内均配置有独立充电控制程序，所述独立充电控制程序用于根据对应储能控制单元的状态监测数据与直流母线电压UA确定相应储能控制单元的充电模式；
每个微控制器内均配置有协同放电控制程序，所述协同放电控制程序用于根据共享数据与直流母线电压UA确定整体放电模式；共享数据包括负载功率、每个电池组的剩余电量以及每个电池组的额定输出功率。
2.根据权利要求1所述的分布式锂电池组储能系统，其特征在于：电池组的状态监测数据包括电池组端电压、电池组输出电流与电池组温度；微控制器采用等效电路模型并根据电池组端电压、电池组输出电流与电池组温度对电池组的剩余电量SOC进行计算；电池组端电压与电池组输出电流作为微控制器控制双向直流变换器实现不同充电模式的依据。
3.根据权利要求1所述的分布式锂电池组储能系统，其特征在于：双向直流变换器的状态监测数据包括双向直流变换器的输出电压、双向直流变换器的输出电流；
以双向直流变换器的输出电压作为直流母线电压UA；微控制器根据直流母线电压UA作为启动充电或是放电的判据：当直流母线电压UA大于设定母线电压U1时，启动独立充电控制程序；当直流母线电压UA小于等于设定母线电压U1时，启动协同放电控制程序；
双向直流变换器的输出电压与双向直流变换器的输出电流作为微控制器控制双向直流变换器实现不同放电模式的依据。
4.根据权利要求1所述的分布式锂电池组储能系统，其特征在于：电池组由若干性能相近的单体锂电池并联组成。
5.根据权利要求1所述的分布式锂电池组储能系统，其特征在于：独立充电控制程序包括如下步骤：
步骤char1：获取直流母线电压UA，判断直流母线电压UA是否大于设定母线电压U1，若否，则结束程序；若是，则启动独立充电控制程序，并进入步骤char2；
步骤char2：根据状态监测数据判断储能控制单元是否为故障状态，若是，则储能控制单元退出运行，并结束程序；若否，则进入步骤char3；
步骤char3：判断电池组端电压UB是否小于设定端电压U2，若是，进入步骤char4；若否，进入步骤char5；
步骤char4：微控制器控制双向直流变换器切换至恒流充电模式对电池组进行充电，并回到步骤char3；
步骤char5：微控制器控制双向直流变换器切换至恒压充电模式对电池组进行充电，直到充电完成。
6.根据权利要求1所述的分布式锂电池组储能系统，其特征在于：协同放电控制程序包括以下步骤：
步骤dis1：获取直流母线电压UA，判断直流母线电压UA是否小于等于设定母线电压U1，若否，则结束程序；若是，则启动协同放电控制程序，并进入步骤dis2；
步骤dis2：根据状态监测数据判断储能控制单元是否能够工作，若否，则储能控制单元退出运行，并结束程序；若是，则进入步骤dis3；
步骤dis3：对电池组的剩余电量SOC进行数据共享；计算全部能够工作的储能控制单元的额定输出功率总和，并与负载功率进行比较：若额定输出功率总和能够满足负载功率，则进入步骤dis4；若额定输出功率总和不能够满足负载功率，则进入步骤dis5；
步骤dis4：微控制器控制双向直流变换器切换至直流母线恒压放电模式；
步骤dis5：微控制器控制双向直流变换器切换至恒功率放电模式：全部能够工作的储能控制单元均以额定功率进行输出；
步骤dis6：判断直流母线电压UA是否能够维持在设定母线电压U1；若是，则回到步骤dis5；若否，则进入步骤dis7；
步骤dis7：判断直流母线电压UA的下降程度是否达到第一下降度阈值；若否，则进入步骤dis8；若是，则进入步骤dis9；
步骤dis8：微控制器控制双向直流变换器维持恒功率放电模式，并回到步骤dis7；
步骤dis9：微控制器控制双向直流变换器切换至恒流放电模式：全部能够工作的储能控制单元均以恒定电流输出；
步骤dis10：判断直流母线电压UA的下降程度是否达到第二下降度阈值；若否，则进入步骤dis11；若是，则进入步骤dis12；
步骤dis11：微控制器控制双向直流变换器维持恒流放电模式，并回到步骤dis10；
步骤dis12：微控制器向上位机发送切负荷请求或者控制储能控制单元退出运行。
7.根据权利要求6所述的分布式锂电池组储能系统，其特征在于：直流母线恒压放电模式包括如下步骤：
步骤401：根据负载功率确定所需投入的能够工作的储能控制单元的数量，选出相应数量的能够工作的储能控制单元作为工作模块；
步骤402：除剩余电量SOC最小的工作模块以外，其余工作模块输出额定功率Pn，剩余电量SOC最小的工作模块输出补充功率Pm，补充功率Pm＝(Pload-Psum)/N，N表示剩余电量SOC最小的工作模块数量，Pload表示负载功率，Psum表示其余工作模块输出功率总和。
8.根据权利要求7所述的分布式锂电池组储能系统，其特征在于：未被选中的能够工作的储能控制单元作为备用模块，用于在工作模块故障时投入工作。
9.根据权利要求7所述的分布式锂电池组储能系统，其特征在于：工作模块的数量为根据负载功率确定所需投入的能够工作的储能控制单元的最小数量。
10.根据权利要求2所述的分布式锂电池组储能系统，其特征在于：双向直流变换器的状态监测数据包括双向直流变换器温度；还包括微控制器中还配置有温度保护程序，当电池组温度或双向直流变换器温度高出相应的温度阈值时，则控制储能控制单元退出运行。
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