CN112510798B - 一种梯次电池混合储能系统的功率分配方法 - Google Patents

一种梯次电池混合储能系统的功率分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种梯次电池混合储能系统及其功率分配方法，该系统将梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件作为两个储能单元，通过双向DC/DC变换器接到直流总线，能量管理系统根据功率分配方法控制两个储能单元。本发明为解决退役锂电池处理以及其梯次利用问题，针对梯次电池功率密度低、响应速度慢，使用具有梯次电池互补特性的储能器件和梯次电池组形成互补混合储能系统，从而降低系统成本，增加梯次电池全生命周期收益。

Description

一种梯次电池混合储能系统的功率分配方法
技术领域
本发明属于新能源汽车的储能系统技术领域，具体涉及一种梯次电池混合储能系统及其功率分配方法。
背景技术
由于电化学电池有着快速的响应时间、优良的可扩展性和模块化能力，电池储能的方式日益受到政产学研的关注。近些年来，新能源汽车市场的跨越式发展以及电池本身在小规模应用上的功能性，锂离子电池逐渐成为储能系统研究的热点。然而，锂离子电池高昂的成本阻止了其储能系统上的大规模应用。虽然锂电池价格呈现不断下降的趋势，但是它仍然是储能系统中成本最高的部分之一。
退役电池是新能源汽车使用电池达到一定年限或者使用条件的动力电池，随着新能源汽车的市场占有率上升，退役电池的数量也在不断增长。通常退役动力电池仍保持70%-80%的容量水平，但是价格比新电池低，可经过拆解、检测、筛选和重组等步骤梯次利用于固定储能这种对能量密度要求相比于汽车较低的场合。我国新能源汽车迅猛发展也带来了动力电池退役的高潮，据预测，2025年我国新能源汽车退役电池将达约150GWh。
梯次利用退役动力电池，有利于降低储能装备成本、优化储能配置，同时可以促进新能源消纳，降低电动车的产业成本。但是经过在电动车上的第一次利用，动力电池的衰减特性已经发生了一定的改变，导致梯次电池在利用中可能会伴随着电池的明显的老化，这就要求梯次电池的运行环境相对良好、充放电工况相对温和。然而在实际应用中，单一的梯次电池储能单元对储能系统的功率需求限制提出了更高的要求，不能满足一些储能响应速度要求快、功率需求大或者功率输出波动幅度较大的场景。
现针对目前梯次用于储能领域现有方案的不足，本发明提出了一种混合储能系统，包含梯次电池和其他具有梯次电池互补特性的储能器件，互补使用，弥补梯次电池功率密度低、生命周期短和不能承担高能量输入输出等缺点，延长锂电池全生命周期使用寿命，同时降低混合储能系统总成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种梯次电池混合储能系统及其功率分配方法，用以延长梯次电池的使用寿命，增加梯次电池的全生命周期收益。
本发明提供了如下的技术方案：
一种梯次电池混合储能系统，包括梯次电池组、具有梯次电池互补特性的储能器件、能量管理系统EMS；
梯次电池组承担系统中变化缓慢、波动较小的充放电功率需求；
具有梯次电池互补特性的储能器件承担系统剩余的功率任务，弥补梯次电池组功率密度低、响应速度慢和不能大功率输入输出缺点；
梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件组成两个储能单元，分别通过双向DC/DC变换器接到直流母线上；
能量管理系统EMS根据梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件的不同特性与所处状态，改变两者的功率分配，以实现满足各自性能条件、各自控制约束与系统功率需求的输入与输出。
进一步的，所述的具有梯次电池互补特性的储能器件为超级电容、飞轮、全新功率型锂电池以及超导储能装置中的任一种。
优选的，所述能量管理系统EMS包括数据采集模块、功率分配模块和控制模块，所述数据检测采集模块获取梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件充放电的端电压和端电流数据以及直流母线的电流电压等数据；
所述功率分配模块根据功率分配方法完成对梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件之间的功率分配，得到梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件的需求功率；
由控制模块依据两个储能单元的需求功率，分别产生梯次电池组的DC/DC开关通断脉冲信号和具有梯次电池互补特性的储能器件的DC/DC开关通断脉冲信号，控制DC/DC变换器，通过双向DC/DC变换器实际控制系统功率输入输出。
本发明还提供所述的一种梯次电池混合储能系统的功率分配方法，包括以下步骤：
对梯次电池和具有梯次电池互补特性的储能器件之间进行功率分配，首先将功率需求初步分成低频分量和高频分量，根据两个储能单元所处状态，以梯次电池健康充放电为约束，调整低频分量的功率上限，增加梯次电池组处于浅充浅放的时间占比，调整后的系统功率需求低频分量由梯次电池组承担，系统功率需求剩余的高频功率分量由具有梯次电池互补特性的储能器件承担。
具体的，采用梯次电池组和全新功率型锂电池组搭配形成两个储能单元时，功率分配方法过程为：
（1）计算混合储能系统的需求功率:检测直流母线的电压，和系统设定的标准电压进行比较，将两者的差值输入比例积分PI控制器，获得需求的系统直流母线的总电流，记为iDC，若iDC>0表示放电，iDC<0表示充电；
（2）根据计算出的混合储能系统的需求电流，通过低通滤波器将需求电流分成低频部分和高频部分，低频部分作为梯次电池组的初步分配电流；
（3）获取梯次电池组和全新功率型锂电池组的荷电状态，分别记为SOCSLB和SOCNB，如果SOCSLB∈[SOCSLBL,SOCSLBH]，SOCNB∈[SOCNBL,SOCNBH]，其中SOCSLBL和SOCSLBH为预先设定的梯次电池组SOC上下限，SOCNBL和SOCNBH为预先设定的全新功率型锂电池SOC上下限，记：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
如果，SOCSLB< SOCSLBL，记X1=0；若SOCSLB>SOCSLBH，记X1=1；
如果，SOCNB< SOCNBL，记X2=0；若SOCNB>SOCNBH，记X2=1；
（4）以梯次电池健康充放电为约束，根据计算得到的X1和X2调整梯次电池组的充放电功率:如果系统处于放电状态，此时若X1<X2，保持梯次电池组充放电倍率在[0,kdl]，若X1≥X2，保持梯次电池组充放电倍率在[0,kdh]，满足kdh在[0.2C,0.5C]区间，kdl在[0,0.2C]区间；此时梯次电池组的电流需求记为iSLBR，并记iNBR=iDC-iSLBR；若X1=0，iSLBR=0；X2=0，iNBR=0，其中kdl和kdh分别为梯次电池组放电倍率的较低上限和较高上限；
如果系统处于充电状态，此时若X1<X2，保持梯次电池组充放电倍率在[0,kch]，若X1≥X2，保持梯次电池组充放电倍率在[0,kcl]；满足kch在[0.2C,0.5C]区间，kcl在[0,0.2C]区间；此时梯次电池组的需求电流记为iSLBR，并记iNBR=iDC-iSLBR；若X1=1，iSLBR=0；X2=1，iNBR=0，其中kcl和kch分别为梯次电池组充电倍率的较低上限和较高上限；
（5）此时iSLBR即为梯次电池组的需求电流，iNBR为全新功率型锂电池组的需求电流；
当采用超级电容、飞轮和超导储能装置其中一种储能器件替换全新功率型锂电池时，将其称为替换储能器件，替换储能器件的SOC记为SOCSEC，其中SOCSEC∈[SOCSECL,SOCSECH]，SOCSECL和SOCSECH分别为预先设定的补充储能器件的SOC上下限，此时在经过上述步骤（1）、（2）低通滤波器将功率初步分流后，计算X1和X2；X1计算方法和采用全新功率型锂电池时计算方法一致， X2计算方法如下：
当SOCSEC∈[SOCSECL,SOCSECH]，X2为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
如果，SOCSEC< SOCSECL，记X2=0；若SOCSEC>SOCSECH，记X2=1；
再根据X1和X2来调整梯次电池组的充放电功率，调整规则和上述步骤（4）一致，得到iSLBR；最后iDC-iSLBR即为替换储能器件的需求电流。
进一步的，所述梯次电池混合储能系统根据两个储能单元的状态来调整系统的工作模式，当两个储能单元都处在正常工作的状态范围内，储能系统保持正常工作；当其中一个储能单元无法满足正常工作需求，储能系统切换到相应的低功率模式以适应不同储能单元充放电需求；当储能单元均无法满足正常工作需求，储能系统处于缺电或饱和状态，停止功率输出或输入。
本发明的有益效果是：
本发明提出一种梯次电池混合储能系统及其功率分配方法，围绕电动汽车大规模应用和动力电池使用寿命的局限性这两个新能源汽车的重要特点，实现梯次电池在储能领域应用的技术瓶颈突破。通过将退役电池重新梯次利用在储能系统中，利用与其具有互补特性的储能器件搭配梯次电池组，弥补梯次电池功率密度低、生命周期短和不能承担高能量输入输出等缺点。可以延长梯次电池的使用寿命，增加梯次电池的全生命周期收益。
附图说明
图1为本发明的混合储能系统的拓扑结构示意图；
图2为本发明以全新功率型锂电池为例说明的系统功率分配方法流程图；
图3为实施例的功率分配的结果示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
本方案提出了一种梯次电池和具有梯次电池互补特性的储能器件结合的混合储能系统。系统拓扑结构如图1所示，主要包括双向DC/DC变换器、能量管理系统EMS、梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件。本方案中，梯次电池充放电能力弱，且充放电范围较窄，但是可以利用价格低的优势组成大容量的电池组，具有承担系统长时稳态充放电任务的能力；具有梯次电池互补特性的储能器件放电能力比梯次电池强，且具有较宽的充放电区间，同时支持大倍率的充放电，具有承担系统瞬间快速充放电的任务的能力。在混合储能系统中，可以采用功率型锂电池(NB)、超级电容(SC)和超导磁储能等其他具有梯次电池互补特性的储能器件，
实际的，将梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件作为两个充放电单元，分别接入DC/DC变换器的低压端，DC/DC变换器隔离升压后并联输出到直流总线上。能量管理系统EMS由数据采集模块、功率分配模块和控制模块组成，在系统工作过程中，利用数据检测采集模块获取两个储能单元充放电的端电压和端电流数据以及直流母线的电流电压等数据，由功率分配模块依据采集到的数据完成对梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件之间的功率分配，得到梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件的需求功率，最后由控制模块依据两个储能单元的需求功率，分别产生梯次电池组的DC/DC开关通断脉冲信号和具有梯次电池互补特性的储能器件的DC/DC开关通断脉冲信号，控制DC/DC变换器，实现对母线功率的分流，从而实现梯次电池组和新锂电池组的混合储能。
本实施例以全新功率型锂电池（下称新锂电池组）和梯次电池组配合为例说明混合储能系统的控制流程，具体的，当系统接入普通负载单元时，系统的一般控制流程可以概括为：检测梯次电池组和新锂电池组的荷电状态，数据检测采集模块检测直流母线的电流电压、两个电池组的端电压电流等数据，数据送入功率分配模块产生两个电池组的需求电流，然后由控制模块依据产生的电池组的需求电流，控制DC/DC双向变换器。
为了避免储能单元过充过放，对梯次电池组的设定运行区间为[SOCSLBL,SOCSLBH];对新锂电池组的设定运行区间为[SOCNBL,SOCNBH]，其中SOCSLBH和SOCSLBL为预先设定的梯次电池组SOC上下限，SOCNBH和SOCNBL为预先设定的新锂电池组SOC上下限。当电池组的SOC低于设定范围内时，停止相应的电池组功率输出，储能系统切换到相应的单储能单元工作状态，如果电池组均低于各自设定运行区间内时，停止储能系统的功率输出，系统处于缺电状态；相应的，当电池组的SOC高于设定范围内时，停止相应的电池组功率输入，储能系统切换到相应的单储能单元工作状态，如果电池组均高于各自设定运行区间内时，停止储能系统的功率输入，系统处于饱和状态。具体的，对梯次电池组和新锂电池组之间的功率分配方法如下：
步骤1：计算混合储能系统的需求功率。
检测直流母线的电压，和系统设定的标准电压进行比较，将两者的差值输入比例积分PI控制器，获得需求的系统直流母线的总电流，记为iDC，若iDC>0表示放电，iDC<0表示充电；
步骤2：根据计算出的混合储能系统的总需求电流，在梯次电池组和新锂电池组之间进行分配，通过低通滤波器将需求电流分成低频部分和高频部分，低频部分作为梯次电池组的初步分配电流。
步骤3：获取梯次电池组和新锂电池组的荷电状态，分别记为SOCSLB和SOCNB，如果SOCSLB∈[SOCSLBL,SOCSLBH]，SOCNB∈[SOCNBL,SOCNBH]，记：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
如果，SOCSLB< SOCSLBL，记X1=0；若SOCSLB>SOCSLBH，记X1=1。
如果，SOCNB< SOCNBL，记X2=0；若SOCNB>SOCNBH，记X2=1。
步骤4：以梯次电池健康充放电为约束，根据计算得到的X1和X2调整梯次电池组的充放电功率。
如果系统处于放电状态，此时若X1<X2，保持梯次电池组充放电倍率在[0,kdl]; 若X1≥X2，保持梯次电池组充放电倍率在[0,kdh]。满足kdh在[0.2C,0.5C]区间，kdl在[0,0.2C]区间。此时梯次电池组的电流需求记为iSLBR，并记iNBR=iDC-iSLBR。若X1=0，iSLBR=0；X2=0，iNBR=0。其中kdl和kdh分别为梯次电池组放电倍率的较低上限和较高上限。
如果系统处于充电状态，此时若X1<X2，保持梯次电池组充放电倍率在[0,kch]; 若X1≥X2，保持梯次电池组充放电倍率在[0,kcl]。满足kch在[0.2C,0.5C]区间，kcl在[0,0.2C]区间。此时梯次电池组的需求电流记为iSLBR，并记iNBR=iDC-iSLBR。若X1=0，iSLBR=0；X2=0，iNBR=0。其中kcl和kch分别为梯次电池组充电倍率的较低上限和较高上限。
步骤5：iNBR即为新锂电池组的需求电流，最后根据iSLBR和iNBR分别控制梯次电池组和新锂电池组的DC/DC变换器。
通过对梯次电池组和新锂电池组的SOC比较，将梯次电池组的充放电倍率限制在kc和kd以下，其中kc为kch或kcl，kd为kdh或kdl，从而增加梯次电池组位于浅充浅放的时间占比，延长梯次电池组的使用寿命，最终功率分配的结果示意图如图3所示。
通过将两种电池组配合之后进行充放电控制，充分发挥新锂电池组的深循环和功率性好的优点，而梯次电池组负责长时稳态充放电，具有良好的工况，可以整体延长储能系统使用寿命，同时可以通过对新锂电池组和梯次锂电池组的不同容量配比，灵活适应不同场景下的负荷需求，降低储能系统的利用成本。通过将梯次电池重新利用在储能系统中，可以延长梯次电池的使用寿命，增加梯次电池的全生命周期收益。除了利用全新功率型锂电池搭配梯次电池组，可以使用超级电容、超导储能等其他具有梯次电池互补特性的储能器件，具有梯次电池互补特性的储能器件和梯次电池组的混合使用可以弥补梯次电池功率密度低、生命周期短和不能大功率输入输出等缺点。
当采用超级电容、飞轮和超导储能装置其中一种储能器件替换全新功率型锂电池时，将其称为替换储能器件，替换储能器件的SOC记为SOCSEC，其中SOCSECL和SOCSECH分别为预先设定的补充储能器件的SOC上下限，此时在经过采用梯次电池组和新锂电池组功率分配方法步骤1、2中低通滤波器将功率初步分流后，计算梯次电池组和替换储能器件的X1和X2，X1计算方法和采用梯次电池组和新锂电池组时计算方法一致， X2计算方法如下：
当SOCSEC∈[SOCSECL,SOCSECH]，X2为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
如果，SOCSEC< SOCSECL，记X2=0；若SOCSEC>SOCSECH，记X2=1；
再根据X1和X2来调整梯次电池组的充放电功率，调整规则采用梯次电池组和新锂电池组功率分配方法步骤4一致，最终得到iSLBR；最后iDC-iSLBR即为替换储能器件的需求电流。
以上所述仅为本发明的一个具体实例，本发明不仅仅局限于上述实现实施例，凡在本发明的精神和原则之所所做的局部性改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种梯次电池混合储能系统的功率分配方法，所述的一种梯次电池混合储能系统，包括梯次电池组、具有梯次电池互补特性的储能器件、能量管理系统EMS；
梯次电池组承担系统中变化缓慢、波动较小的充放电功率需求；
具有梯次电池互补特性的储能器件承担系统剩余的功率任务，弥补梯次电池组功率密度低、响应速度慢和不能大功率输入输出缺点；
梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件组成两个储能单元，分别通过双向DC/DC变换器接到直流母线上；
能量管理系统EMS根据梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件的不同特性与所处状态，改变两者的功率分配，以实现满足各自性能条件、各自控制约束与系统功率需求的输入与输出；
所述的具有梯次电池互补特性的储能器件为超级电容、飞轮、全新功率型锂电池以及超导储能装置中的任一种；
所述能量管理系统EMS包括数据检测 采集模块、功率分配模块和控制模块，所述数据检测采集模块获取梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件充放电的端电压和端电流数据以及直流母线的电流电压等数据；
所述功率分配模块根据功率分配方法完成对梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件之间的功率分配，得到梯次电池组和具有梯次电池互补特性的储能器件的需求功率；
由控制模块依据两个储能单元的需求功率，分别产生梯次电池组的DC/DC开关通断脉冲信号和具有梯次电池互补特性的储能器件的DC/DC开关通断脉冲信号，控制DC/DC变换器，通过双向DC/DC变换器实际控制系统功率输入输出；
其特征在于：包括以下步骤：
对梯次电池和具有梯次电池互补特性的储能器件之间进行功率分配，首先将功率需求初步分成低频分量和高频分量，根据两个储能单元所处状态，以梯次电池健康充放电为约束，调整低频分量的功率上限，增加梯次电池组处于浅充浅放的时间占比，调整后的系统功率需求低频分量由梯次电池组承担，系统功率需求剩余的高频功率分量由具有梯次电池互补特性的储能器件承担；
采用梯次电池组和全新功率型锂电池组搭配形成两个储能单元时，功率分配方法步骤为：
(1)计算混合储能系统的需求功率：检测直流母线的电压，和系统设定的标准电压进行比较，将两者的差值输入比例积分PI控制器，获得需求的系统直流母线的总电流，记为iDC，若iDC>0表示放电，iDC<0表示充电；
(2)根据计算出的混合储能系统的需求电流，通过低通滤波器将需求电流分成低频部分和高频部分，低频部分作为梯次电池组的初步分配电流；
(3)获取梯次电池组和全新功率型锂电池组的荷电状态，分别记为SOCSLB和SOCNB，如果SOCSLB∈[SOCSLBL,SOCSLBH]，SOCNB∈[SOCNBL,SOCNBH]，其中SOCSLBL和SOCSLBH为预先设定的梯次电池组SOC上下限，SOCNBL和SOCNBH为预先设定的全新功率型锂电池SOC上下限，记：
Figure FDA0003007960600000021
如果，SOCSLB<SOCSLBL，记X1＝0；若SOCSLB>SOCSLBH，记X1＝1；
如果，SOCNB<SOCNBL，记X2＝0；若SOCNB>SOCNBH，记X2＝1；
(4)以梯次电池健康充放电为约束，根据计算得到的X1和X2调整梯次电池组的充放电功率：如果系统处于放电状态，此时若X1<X2，保持梯次电池组充放电倍率在[0,kdl]，若X1≥X2，保持梯次电池组充放电倍率在[0,kdh]，满足kdh在[0.2C,0.5C]区间，kdl在[0,0.2C]区间；此时梯次电池组的电流需求记为iSLBR，并记iNBR＝iDC-iSLBR；若X1＝0，iSLBR＝0；X2＝0，iNBR＝0，其中kdl和kdh分别为梯次电池组放电倍率的较低上限和较高上限；
如果系统处于充电状态，此时若X1<X2，保持梯次电池组充放电倍率在[0,kch]，若X1≥X2，保持梯次电池组充放电倍率在[0,kcl]；满足kch在[0.2C,0.5C]区间，kcl在[0,0.2C]区间；此时梯次电池组的需求电流记为iSLBR，并记iNBR＝iDC-iSLBR；若X1＝1，iSLBR＝0；X2＝1，iNBR＝0，其中kcl和kch分别为梯次电池组充电倍率的较低上限和较高上限；
(5)此时iSLBR即为梯次电池组的需求电流，iNBR为全新功率型锂电池组的需求电流；
当采用超级电容、飞轮和超导储能装置其中一种储能器件替换全新功率型锂电池时，将其称为替换储能器件，替换储能器件的SOC记为SOCSEC，其中SOCSEC∈[SOCSECL,SOCSECH]，SOCSECL和SOCSECH分别为预先设定的补充储能器件的SOC上下限，此时在经过上述步骤(1)、(2)低通滤波器将功率初步分流后，计算X1和X2；X1计算方法和采用全新功率型锂电池时计算方法一致，X2计算方法如下：
当SOCSEC∈[SOCSECL,SOCSECH]，X2为：
Figure FDA0003007960600000022
如果，SOCSEC<SOCSECL，记X2＝0；若SOCSEC>SOCSECH，记X2＝1；
再根据X1和X2来调整梯次电池组的充放电功率，调整规则和上述步骤(4)一致，得到iSLBR；最后iDC-iSLBR即为替换储能器件的需求电流。
2.根据权利要求1所述的一种梯次电池混合储能系统的功率分配方法，其特征在于：所述梯次电池混合储能系统根据两个储能单元的状态来调整系统的工作模式，当两个储能单元都处在正常工作的状态范围内，储能系统保持正常工作；当其中一个储能单元无法满足正常工作需求，储能系统切换到相应的低功率模式以适应不同储能单元充放电需求；当储能单元均无法满足正常工作需求，储能系统处于缺电或饱和状态，停止功率输出或输入。
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