CN112271718A - 一种梯次电池的故障保护系统及保护方法 - Google Patents

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Abstract

一种梯次电池的故障保护系统及保护方法。涉及电池储能技术领域，具体涉及梯次电池系统架构的改进。提供了一种在维持工作系统正常功率运行的情况下，工作系统中故障电池模块能够单独退出；且能够在线对工作系统内所有电池模块进行在线检测的梯次电池的故障保护系统及其保护方法。包括若干电池模块和逆变器，所述逆变器连接交流负载，还包括电池管理单元、直流母线以及与所述电池模块一一对应的隔离型双向DC‑DC变换器；所述若干电池模块并联；所述逆变器连接有多个交流负载。本发明具有梯次电池的故障保护、局部故障不影响整体运行、电池模块单独更换和单独模块故障不影响储能系统输出功率、在线检测电池模块等特点。

Description

一种梯次电池的故障保护系统及保护方法
技术领域
本发明涉及电池储能技术领域，具体涉及梯次电池系统架构的改进。
背景技术
在退役电池梯级利用领域，目前的退役动力电池都是经过分解筛选和重新组配后，形成48V电池模块。再把大量电池模块串并联形成电池堆，用于能量型储能应用。如图3所示，然而现有技术的梯次电池经过分解筛选和重新组配后形成的大容量电池系统，不具备单独48V电池模块故障时的退出和保护方法。
此外，如图4所示，梯次电池经过回收、人工筛选、静态检测和动态检测四个环节才能实现退役动力电池的梯次利用。筛选过程耗费较大的人力和物力资源，不具备好的经济效益，且筛选过程繁琐，检测速度慢。
发明内容
本发明针对以上技术问题，提供了一种在维持工作系统正常功率运行的情况下，工作系统中故障电池模块能够单独退出；且能够在线对工作系统内所有电池模块进行在线检测的梯次电池的故障保护系统及其保护方法。
本发明的技术方案是：一种梯次电池的故障保护系统，包括若干电池模块和逆变器，所述逆变器连接交流负载，还包括电池管理单元、直流母线以及与所述电池模块一一对应的隔离型双向DC-DC变换器；所述若干电池模块并联；
所述电池模块单元后接与其对应设置的隔离型双向DC-DC变换器，所述隔离型双向DC-DC变换器后接所述直流母线，所述直流母线再连接所述逆变器；
所述电池管理单元分别连接若干所述电池模块，所述电池管理单元还分别连接若干所述的隔离型双向DC-DC变换器，所述电池管理单元还连接所述逆变器。
所述逆变器连接有多个交流负载。
一种梯次电池的故障保护系统的保护方法，按以下步骤进行：
1）、电池管理单元实时采集电池模块状态信息，并判断若干电池模块中的任一或任N个电池模块是否存在故障；
如无故障，系统继续运行；
如存在故障，去步骤2）；
2）、电池管理单元根据步骤1）采集到的故障信息发送故障电池模块停止工作的指令给对应的隔离型双向DC-DC变换器，由所述隔离型双向DC-DC变换器切断其前接的故障电池模块；
3）、电池管理单元根据切断故障电池模块后的系统整体功率降低的数据，控制其余正常电池模块、隔离型双向DC-DC变换器进行功率补偿。
本发明将电池模块通过隔离型双向DC-DC变换器并联在直流母线上，利用电池管理单元，对电池模块的荷电状态（State of charge，SOC）和健康状态（State of health，SOH）进行监测，当某个电池模块发生故障，可以通过控制隔离型双向DC-DC变换器实现故障电池模块切除，而不影响其他电池模块的正常工作；由于电池模块通过隔离型双向DC-DC变换器实现电气隔离，故障退出后可以进行梯次电池模块的单独更换。
当某个电池模块发生故障，电池管理单元首先发送故障切除控制信号给相应的隔离型双向DC-DC变换器使其停止运行，此时其他的电池模块仍然正常运行，因此检测到DC-AC级的传输功率减小，为了实现储能系统一定的输出功率的要求，电池管理单元根据各电池模块的SOC和SOH信息，控制与正常工作的电池模块相连的隔离型双向DC-DC变换器相应增大其输出或输入功率。
本发明具有梯次电池的故障保护、局部故障不影响整体运行、电池模块单独更换和单独模块故障不影响储能系统输出功率、在线检测电池模块等特点。
附图说明
图1是本发明的结构原理图，
图2是本发明工作原理图，
图3是本发明背景技术的结构原理图，
图4是本发明背景技术的工作原理图。
具体实施方式
以下结合附图1-4进一步说明本发明，一种梯次电池的故障保护系统，包括若干电池模块和逆变器，逆变器连接交流负载，还包括电池管理单元、直流母线以及与电池模块一一对应的隔离型双向DC-DC变换器；若干电池模块并联；
电池模块单元后接与其对应设置的隔离型双向DC-DC变换器，隔离型双向DC-DC变换器后接直流母线，直流母线再连接逆变器；
电池管理单元分别连接若干电池模块，电池管理单元还分别连接若干的隔离型双向DC-DC变换器，电池管理单元还连接逆变器。
逆变器（即图2中DC/AC）连接有多个交流负载。本发明整体构思如图2，退役的动力电池模块通过一个隔离型双向DC-DC变换器并联到一条直流母线上，DC-AC逆变器连接电池并联的直流母线和交流负载或者电网，实现直流和交流的能量转换和双向流动。
一种梯次电池的故障保护系统的保护方法，按以下步骤进行：
1）、电池管理单元实时采集电池模块状态信息，并判断若干电池模块中的任一或任N个电池模块是否存在故障（具体的说，就是梯次电池的SOC和SOH信息实时传输给系统的电池管理单元，BMU对采集的SOC和电池电压数据进行保存和处理）；电池管理单元含有根据电池荷电状态和电池电压数据，利用统计学算法进行极差计算和标准差计算，把曲线特征划分组别得到的不同电池模块的曲线特征值，
电池管理单元通过对采集的电池模块状态信息包括荷电状态和电池电压等数据进行计算，针对下列特征，对比已经数据，从而判断故障是否存在：
a）、动力电池的荷电状态从0到100%对应的输出电压差值；
b、）动力的荷电状态等于100%的最低电压和估算的内阻值；
c、）动力电池的曲线特征筛选，记录每个电池模块的输出电压和SOC的关系曲线，得到一条均值曲线，计算每条曲线的极差和标准差，将两者值较大的电池视为故障；
如无故障，系统继续运行；
如存在故障，去步骤2）；
2）、电池管理单元根据步骤1）采集到的故障信息发送故障电池模块停止工作的指令给对应的隔离型双向DC-DC变换器，由隔离型双向DC-DC变换器切断其前接的故障电池模块；隔离型双向DC-DC变换器的动作速度非常快，使故障持续时间短，避免产生进一步的破坏；在电池管理单元切断故障电池模块的连接后，可以在不停止系统运行的前提下，进行故障电池模块的替换。
3）、在对故障电池模块替换前，为了不影响系统正常运行，电池管理单元根据切断故障电池模块后的系统整体功率降低的数据，控制其余正常电池模块、隔离型双向DC-DC变换器进行功率补偿。
为实现本发明的保护方法，本发明还进行了梯次电池在线故障检测，相比于同类现有技术，具有梯次电池单元故障在线检测的优势。退役后的动力电池不需要进行繁琐的一致性测试和筛选，直接可以接入带有隔离型双向DC-DC变换器的储能系统中，通过几次的充放电运行，对退役动力电池进行在线检测，性能不达标的电池模块将通过隔离型双向DC-DC变换器进行在线切除，故障信息传递出来可以进行电池的更换，节约了退役动力电池梯次利用的成本。
动力电池的曲线特征筛选，由前述分析可知，梯次电池的SOC和SOH信息实时传输给系统的电池管理单元，BMU对采集的SOC和电池电压数据进行保存和处理，绘制SOC和电池电压的曲线，利用统计学算法进行极差计算和标准差计算，把曲线特征划分组别得到的不同电池模块的曲线特征值，进而来判断电池是否发生故障。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种梯次电池的故障保护系统，包括若干电池模块和逆变器，所述逆变器连接交流负载，其特征在于，还包括电池管理单元、直流母线以及与所述电池模块一一对应的隔离型双向DC-DC变换器；若干所述电池模块并联；
所述电池模块单元后接与其对应设置的隔离型双向DC-DC变换器，所述隔离型双向DC-DC变换器后接所述直流母线，所述直流母线再连接所述逆变器；
所述电池管理单元分别连接若干所述电池模块，所述电池管理单元还分别连接若干所述的隔离型双向DC-DC变换器，所述电池管理单元还连接所述逆变器。
2.根据权利要求1所述的一种梯次电池的故障保护系统，其特征在于，所述逆变器连接有多个交流负载。
3.一种权利要求1所述一种梯次电池的故障保护系统的保护方法，其特征在于，按以下步骤进行：
1）、电池管理单元实时采集电池模块状态信息，并判断若干电池模块中的任一或任N个电池模块是否存在故障；
如无故障，系统继续运行；
如存在故障，去步骤2）；
2）、电池管理单元根据步骤1）采集到的故障信息发送故障电池模块停止工作的指令给对应的隔离型双向DC-DC变换器，由所述隔离型双向DC-DC变换器切断其前接的故障电池模块；
3）、电池管理单元根据切断故障电池模块后的系统整体功率降低的数据，控制其余正常电池模块、隔离型双向DC-DC变换器进行功率补偿。
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