CN113629800A - 一种电芯级优化电池插箱、储能系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电芯级优化电池插箱、储能系统及其应用，属于电化学储能领域。所述电芯级优化电池插箱包括：多个并联在直流母线上的电芯组件；每个所述电芯组件包括旁路开关、直通开关、至少一个单体电芯、主控单元和DC/DC变流器；所述单体电芯与DC/DC变流器连接，DC/DC变流器与主控单元连接；通过旁路开关和直通开关实现单体电芯与直流母线之间的断开、直接连接或者通过DC/DC变流器连接。本发明能够完全避免储能系统由于电芯串并联引起的短板效应，使得储能系统的循环寿命和电芯的循环寿命一致。

Description

一种电芯级优化电池插箱、储能系统及其应用
技术领域
本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种电芯级优化电池插箱、储能系统及其应用。
背景技术
目前大规模储能系统对储能电堆的容量需求越来越大，电堆中大量电池插箱串并联成为储能系统扩容的主要手段。实际项目中一般采用1-10个电池并联为一个电池模组，再将12到24个电池模组串联，形成一个电池插箱，电池插箱是电堆维护时的最小操作单元。一般多个电池插箱经过串联形成一个电池簇，电池簇的电压一般与储能变流器的直流电压范围匹配。每台储能变流器的直流侧接入多个并联的电池簇，形成电堆。如图1所示为常见储能系统中电堆和储能变流器的组成方式。
但串并联后每个电池的不一致性成为了电堆整体性能的制约因素。电堆中的单个电池达到充放电截止电压后，整个电堆不得不停止充放电，否则将导致电池故障，甚至引起火灾等事故。图8所示为单体电芯充放电曲线图，显然，充放电末端电芯电压变化剧烈，电芯的不一致性导致整个电堆中的电芯压差增大，有些电芯已经到达过欠压保护点，而有些电芯仍具备一定的可用容量。
进一步地，虽然储能变流器设置了恒压充电和浮充等小电流充电模式，但往往在大功率恒流充电阶段后期，就会出现电堆中个别电芯单体过压告警，导致整个电堆无法进入恒压、浮充状态即停机。根据工程经验，这种工作方式将损失至少4％的电堆充放电容量。随电堆运行时间加长，一致性变差，充放电容量的损失还会进一步加大。
而目前的解决方案是采用电池管理系统，该系统不仅监测每个电池的电压、温度等运行状况，而且采用主动均衡或被动均衡等方式，使单个电池插箱内，充电时电压较高的电池少充电、放电时电压较低的电池少放电。但均衡能力有限，且只能管理单个电池插箱内部的电池间均衡，实际项目中往往还是出现电堆的短板效应。如图2所示为现有的单个电池插箱内的电池管理系统，包括采集和均衡电路。
在使用电池管理系统的基础上，有厂商提出采用组串式储能变流器，即每个电池簇接入一台储能变流器，电池簇间不再并联。可实现短板电池或插箱所在电池簇随时退出，其他电池簇继续充放电的功能。但单个电池或电池插箱达到充放电截止电压，则整簇停止运行，依然对其他电池的容量利用有限。如图3所示为现有的组串式储能变流器和电堆的系统组成方式。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种电芯级优化电池插箱、储能系统及其应用，避免电堆中某个电池或电池插箱达到截止电压或故障所形成的短板效应。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的第一个方面，提供了一种电芯级优化电池插箱，所述电芯级优化电池插箱包括：多个并联在直流母线上的电芯组件；
每个所述电芯组件包括旁路开关、直通开关、至少一个单体电芯、主控单元和DC/DC变流器；
所述单体电芯与DC/DC变流器连接，DC/DC变流器与主控单元连接；
通过旁路开关和直通开关实现单体电芯与直流母线之间的断开、直接连接或者通过DC/DC变流器连接。
本发明的进一步改进在于，每个所述电芯组件包括一个单体电芯；
所述单体电芯的正负极分别与DC/DC变流器的首端的正负极连接，DC/DC变流器的末端的正负极分别与直流母线的正负极连接；
所述旁路开关的首端的正负级分别与DC/DC变流器的首端的正负极连接，旁路开关末端的正负极分别与DC/DC变流器的末端的正负极连接；
在DC/DC变流器的末端与直流母线连接的线路上并联有直通开关。
本发明的进一步改进在于，每个所述电芯组件包括多个依次串联的单体电芯；
最后一个单体电芯的正负极分别与DC/DC变流器的首端的正负极连接，DC/DC变流器的末端的正负极分别与直流母线的正负极连接；
所述旁路开关的首端的正负级分别与DC/DC变流器的首端的正负极连接，旁路开关末端的正负极分别与DC/DC变流器的末端的正负极连接；
在DC/DC变流器的末端与直流母线连接的线路上并联有直通开关。
本发明的进一步改进在于，每个所述电芯组件还包括高速通信接口，所述高速通信接口与主控单元连接。
进一步的，每个所述电芯组件还包括采集电路，所述采集电路与主控单元连接。
本发明的第二个方面，提供了一种储能系统，所述储能系统包括：多个电池簇、多个储能变流器、多个簇管理系统和集中控制装置；
电池簇、储能变流器、簇管理系统一一对应；
每一个电池簇包括多个上述电芯级优化电池插箱，多个电芯级优化电池插箱的直流母线依次串联之后接入到储能变流器的直流侧；
同一个电池簇内的每个电芯组件的主控单元通过高速通信接口与对应该电池簇的簇管理系统进行通信。
进一步的，所述储能系统还包括多个插箱电池管理系统；
所述插箱电池管理系统与电池簇一一对应，并和与其对应的电池簇内的各个主控单元进行通信。
本发明的进一步改进在于，所有储能变流器分别与集中控制装置连接；
所有簇管理系统分别与集中控制装置连接；
所有插箱电池管理系统分别与集中控制装置连接。
本发明的第三个方面，提供了一种应用上述储能系统的方法，所述方法包括：簇管理系统根据每个电芯级优化电池插箱中的每个主控单元上传的数据进行判断，然后向每个主控单元分别下发指令，通过控制每个电芯组件中的旁路开关、直通开关的断开或者闭合使得电芯组件运行于直通、旁路或者降压状态下。
本发明的进一步改进在于，所述方法具体包括：
当电芯组件中的单体电芯处于充放电平台期时，簇管理系统下发指令给电芯组件的主控单元，该指令为：闭合旁路开关、断开直通开关；旁路开关闭合且直通开关断开后，电芯组件运行于直通状态；
当电芯组件中的单体电芯处于充放电末期时，簇管理系统下发指令给电芯组件的主控单元，该指令为：断开旁路开关、断开直通开关；旁路开关、直通开关均断开后，电芯组件运行于降压状态；
当电芯组件的单体电芯发生故障时，簇管理系统下发指令给主控单元，该指令为：闭合直通开关；直通开关闭合后电芯组件处于旁路状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够完全避免储能系统由于电芯串并联引起的短板效应，使得储能系统的循环寿命和电芯的循环寿命一致。
附图说明
图1是传统直流侧系统一次拓扑图。
图2是传统电池管理系统均衡拓扑图。
图3是组串式直流侧系统一次拓扑图。
图4是本发明系统的一次拓扑图。
图5是本发明系统的通信拓扑图。
图6是本发明实施例一的结构示意图。
图7是本发明实施例二的结构图。
图8电芯进行充放电时候的曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明提供了一种电芯级优化电池插箱，所述电芯级优化电池插箱包括多个并联在直流母线上的电芯组件；每个所述电芯组件包括旁路开关、直通开关、至少一个单体电芯、主控单元和DC/DC变流器；所述单体电芯与DC/DC变流器连接，DC/DC变流器与主控单元连接；通过旁路开关和直通开关实现单体电芯与直流母线之间的断开、直接连接或者通过DC/DC变流器连接。
本发明电芯级优化电池插箱的实施例如下：
【实施例一】
图6显示了本发明电芯级优化电池插箱的一个实施例，其包括多个电芯组件，每个电芯组件包括一个单体电芯、主控单元、高速通信接口，在每个单体电芯上连接有一台DC/DC变流器，DC/DC变流器、高速通信接口分别与主控单元连接。所述主控单元用于接收簇管理系统下发的指令并把电芯的状态数据上传给簇管理系统。进一步的，在主控单元上连接有采集电路，主控单元通过采集电路采集电芯的状态数据。采集电路和插箱电池管理系统的功能是相同的，可以将插箱电池管理系统作为冗余配置，也可以去掉插箱电池管理系统，仅采用采集电路。
具体的，如图6所示，所述单体电芯的正负极与DC/DC变流器的首端的正负极连接，DC/DC变流器的末端的正负极分别与直流母线的正负极连接。进一步的，本发明在每个DC/DC变流器上连接有旁路开关，所述旁路开关的首端的正负级分别与DC/DC变流器的首端的正负极连接，旁路开关末端的正负极分别与DC/DC变流器的末端的正负极连接。当旁路开关闭合时，电芯直接与直流母线连接，当旁路开关断开时，电芯通过DC/DC变流器与直流母线连接。更进一步的，在DC/DC变流器的末端与直流母线连接的线路上并联有直通开关，当直通开关闭合时，在该电芯组件处的直流母线的正负极直接连通，实现了将该电芯组件中的单体电芯切除的功能，该单体电芯被切除后不会影响其它电芯组件的运行。
这样，一个电芯级优化电池插箱内的多个电芯组件中的DC/DC变流器并联连接在直流母线上。对于每一簇电池，将多个电芯级优化电池插箱的直流母线依次串联之后接入到储能变流器的直流侧。
【实施例二】
图7显示了本发明电芯级优化电池插箱的另一个实施例，其包括多个电芯组件，每个电芯组件包括多个依次串联的单体电芯、主控单元、高速通信接口，每个电芯组件中，在最后一个单体电芯上连接有一台DC/DC变流器，DC/DC变流器、高速通信接口分别与主控单元连接。进一步的，在主控单元上连接有采集电路，主控单元通过采集电路采集单体电芯的状态数据。采集电路和插箱电池管理系统的功能是相同的，可以将插箱电池管理系统作为冗余配置，也可以去掉插箱电池管理系统，仅采用采集电路。
具体的，如图7所示，每个电芯组件中的最后一个单体电芯的正负极与DC/DC变流器的首端的正负极连接，DC/DC变流器的末端的正负极分别与直流母线的正负极连接。进一步的，本发明在每个DC/DC变流器上连接有旁路开关，所述旁路开关的首端的正负级分别与DC/DC变流器的首端的正负极连接，旁路开关末端的正负极分别与DC/DC变流器的末端的正负极连接。当旁路开关闭合时，电芯直接与直流母线连接，当旁路开关断开时，电芯通过DC/DC变流器与直流母线连接。更进一步的，在DC/DC变流器的末端与直流母线连接的线路上并联有直通开关，当直通开关闭合时，在该电芯组件处的直流母线的正负极直接连通，实现了将该电芯组件中的所有串联的单体电芯切除的功能，该电芯组件中的所有单体电芯被切除后不会影响其它电芯组件的运行。
这样，一个电芯级优化电池插箱内的多个电芯组件中的DC/DC变流器并联连接在直流母线上。对于每一簇电池，将多个电芯级优化电池插箱的直流母线依次串联之后接入到储能变流器的直流侧。
本发明储能系统的组成结构如图4所示，包括汇流柜(汇流柜是对交流侧的汇流，为多进线单一出线，是现有产品，在此不再赘述。)、储能变流器、电芯级优化电池插箱，多个电芯级优化电池插箱依次串联后与一个储能变流器连接，多个储能变流器分别与汇流柜连接。
本发明储能系统的实施例如下：
【实施例三】
本发明储能系统的结构如图5所示，包括集中控制装置、多个储能变流器、多个簇管理系统、多个电池簇。进一步的，所述储能系统还可以包括多个插箱电池管理系统。电池簇、插箱电池管理系统、储能变流器、簇管理系统一一对应，即对应每个电池簇设置有一个插箱电池管理系统、一个储能变流器、一个簇管理系统。每一个电池簇包括多个电芯级优化电池插箱，多个电芯级优化电池插箱串联后与储能变流器连接。所有电池簇的插箱电池管理系统分别与集中控制装置连接，所有电池簇的储能变流器分别与集中控制装置连接，所有电池簇的簇管理系统分别与集中控制装置连接。同一个电池簇内的每个电芯组件中的主控单元通过高速通信接口与该簇的簇管理系统进行通信，同时，每个插箱电池管理系统和与其对应的电池簇内的每个电芯组件的主控单元进行通信，将采集到的数据发送给主控单元。
其中，所述簇管理系统用于管理电芯级优化电池插箱中的主控单元，控制DC/DC变流器和旁路之间的切换并将数据上传给集中控制系统。所述簇管理系统可以采用现有的PLC、通信管理机等，在此不再赘述。
所述插箱电池管理系统为现有产品，其能够对电芯的电压、温度和电流进行数据采集。如果按照图6所示的结构，插箱电池管理系统采集所有的单体电芯的数据，并将这些数据上传给主控单元，主控单元再将这些数据上传给簇管理系统。如果按照图7的结构，插箱电池管理系统采集每个单体电芯的数据，电流，电压和温度，并将多个串联的电芯的总体电压、平均温度和电流上传给主控单元，主控单元再将这些数据上传给簇管理系统。
所述集中控制装置是整个电堆内的总控单元，它负责控制储能变流器的充放电功率和每个簇的可充、可放功率的协调以及储能变流器的PQ，VF源之间的切换。所述集中控制装置协调每个储能变流器和簇管理系统的功率协调控制，对外能够输出整个储能系统的总体状态。这些控制方法、协调方法均是成熟技术，在此不再赘述。
具体的，在图6所示的结构中，每个电芯组件中的主控单元采集该电芯组件中的单体电芯的电流，电压和温度，在图7所示的结构中，每个电芯组件的主控单元采集该电芯组件中的串联的N颗电芯的总电压、平均温度和平均电流(即将该电芯组件中所有串联的N个单体电芯的电压相加得到总电压，并对各个单体电芯的温度、电流求平均值)，然后将所有的数据上传给簇管理系统。簇管理系统根据每个电芯级优化电池插箱中的每个主控单元上传的数据进行判断，然后向每个主控单元分别下发指令，通过控制每个电芯组件中的旁路开关、直通开关的断开或者闭合使得电芯组件运行于直通、旁路或者降压状态下。这样，簇管理系统实现了对每个电芯组件的旁路开关、直通开关的单独控制。同时，簇管理系统将电芯级优化电池插箱的状态、电池电压等状态、设备运行状态可充放的功率等数据上传给集中控制装置。
本发明还提供了一种应用上述储能系统的方法，所述方法包括：簇管理系统根据每个电芯级优化电池插箱中的每个主控单元上传的数据进行判断，然后向每个主控单元分别下发指令，通过控制每个电芯组件中的旁路开关、直通开关的断开或者闭合使得电芯组件运行于直通、旁路或者降压状态下。
所述方法的实施例如下：
【实施例四】
所述方法具体包括：
当电芯组件中的单体电芯处于充放电平台期时(簇管理系统根据主控单元上传的数据进行判断是否处于充放电平台期，具体判断方法采用现有方法即可，在此不再赘述)，说明整簇电池的一致性较好，不需调整，则簇管理系统下发指令给电芯组件的主控单元，该指令为：闭合旁路开关、断开直通开关，旁路开关闭合且直通开关断开后DC/DC变流器不参与运行，电芯组件运行于直通状态，即将单体电芯直接接入电池簇而不经过DC/DC变流器的变流(即单体电芯与直流母线直接连接)，这样能够降低系统损耗；
当电芯组件中的单体电芯处于充放电末期(簇管理系统根据主控单元上传的数据进行判断是否处于充放电末期，具体判断方法采用现有方法即可，在此不再赘述)，此时电压会急剧变化，接近过/欠压告警值，则簇管理系统下发指令给电芯组件的主控单元，该指令为：断开旁路开关、断开直通开关，旁路开关、直通开关均断开后，DC/DC变流器投入运行(即单体电芯通过DC/DC变流器与直流母线连接)，电芯组件运行于降压状态，通过降低DC/DC变流器的电压，从而降低本电芯组件的充放电功率，能够使得本电池插箱内的电池达到恒压、浮充等效果，进而避免了大电流直接充电到过压告警停机；
当电芯组件的单体电芯发生故障时(簇管理系统根据主控单元上传的数据进行判断是否发生故障，具体判断方法采用现有方法即可，在此不再赘述)，则簇管理系统下发指令给主控单元，该指令为：闭合直通开关(旁路开关保持不变，闭合或者断开均可)，直通开关闭合后电芯组件处于旁路状态，即该电芯组件中的单体电芯与直流母线断开，也就是直接将单体电芯与电池簇脱离了，同时保证了电池簇内其他电池插箱仍可正常充放电。
所述集中控制装置与本电堆内所有簇管理系统通信，采集所有电池的信息。簇管理系统判断各电芯分别的运行状态，是否需要减小其充/放电电流，甚至旁路。当簇内有较多电池插箱运行于降压状态时，集中控制装置协调储能变流器降低整体的充电电流或功率。当簇内脱离的电池插箱较多时(例如脱离的电池插箱的数量达到预先设置的门槛值时)，可能会达不到储能变流器所要求的运行直流电压值，此时由集中控制装置协控储能变流器停止充放电。
本发明在每颗单体电芯上安装一台DC/DC变流器。在一个电池插箱内，每颗电芯经过DC/DC变流器进行并联。对于每一簇电池，将多个电池插箱进行串联之后接入储能变流器的直流侧。此外，本发明对每一簇设置一台簇管理系统，用于进行簇内的电芯级优化电池插箱、电池管理系统、储能变流器的集中协同控制。另外，本发明在每个电芯组件中设置有一个主控单元，通过主控单元可以控制该电芯组件中的单体电芯的充放电，这样就完全消除了传统系统中由于串联引起的短板效应。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
最后应说明的是，上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种电芯级优化电池插箱，其特征在于：所述电芯级优化电池插箱包括：多个并联在直流母线上的电芯组件；
每个所述电芯组件包括旁路开关、直通开关、至少一个单体电芯、主控单元和DC/DC变流器；
所述单体电芯与DC/DC变流器连接，DC/DC变流器与主控单元连接；
通过旁路开关和直通开关实现单体电芯与直流母线之间的断开、直接连接或者通过DC/DC变流器连接。
2.根据权利要求1所述的电芯级优化电池插箱，其特征在于：每个所述电芯组件包括一个单体电芯；
所述单体电芯的正负极分别与DC/DC变流器的首端的正负极连接，DC/DC变流器的末端的正负极分别与直流母线的正负极连接；
所述旁路开关的首端的正负级分别与DC/DC变流器的首端的正负极连接，旁路开关末端的正负极分别与DC/DC变流器的末端的正负极连接；
在DC/DC变流器的末端与直流母线连接的线路上并联有直通开关。
3.根据权利要求1所述的电芯级优化电池插箱，其特征在于：每个所述电芯组件包括多个依次串联的单体电芯；
最后一个单体电芯的正负极分别与DC/DC变流器的首端的正负极连接，DC/DC变流器的末端的正负极分别与直流母线的正负极连接；
所述旁路开关的首端的正负级分别与DC/DC变流器的首端的正负极连接，旁路开关末端的正负极分别与DC/DC变流器的末端的正负极连接；
在DC/DC变流器的末端与直流母线连接的线路上并联有直通开关。
4.根据权利要求2或3所述的电芯级优化电池插箱，其特征在于：每个所述电芯组件还包括高速通信接口，所述高速通信接口与主控单元连接。
5.根据权利要求2或3所述的电芯级优化电池插箱，其特征在于：每个所述电芯组件还包括采集电路，所述采集电路与主控单元连接。
6.一种储能系统，其特征在于：所述储能系统包括：多个电池簇、多个储能变流器、多个簇管理系统和集中控制装置；
电池簇、储能变流器、簇管理系统一一对应；
每一个电池簇包括多个如权利要求1-5任一项所述的电芯级优化电池插箱，多个电芯级优化电池插箱的直流母线依次串联之后接入到储能变流器的直流侧；
同一个电池簇内的每个电芯组件的主控单元通过高速通信接口与对应该电池簇的簇管理系统进行通信。
7.根据权利要求6所述的储能系统，其特征在于：所述储能系统还包括多个插箱电池管理系统；
所述插箱电池管理系统与电池簇一一对应，并和与其对应的电池簇内的各个主控单元进行通信。
8.根据权利要求7所述的电芯级优化储能系统，其特征在于：所有储能变流器分别与集中控制装置连接；
所有簇管理系统分别与集中控制装置连接；
所有插箱电池管理系统分别与集中控制装置连接。
9.一种应用如权利要求6-8任一项所述的储能系统的方法，其特征在于：所述方法包括：簇管理系统根据每个电芯级优化电池插箱中的每个主控单元上传的数据进行判断，然后向每个主控单元分别下发指令，通过控制每个电芯组件中的旁路开关、直通开关的断开或者闭合使得电芯组件运行于直通、旁路或者降压状态下。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述方法具体包括：
当电芯组件中的单体电芯处于充放电平台期时，簇管理系统下发指令给电芯组件的主控单元，该指令为：闭合旁路开关、断开直通开关；旁路开关闭合且直通开关断开后，电芯组件运行于直通状态；
当电芯组件中的单体电芯处于充放电末期时，簇管理系统下发指令给电芯组件的主控单元，该指令为：断开旁路开关、断开直通开关；旁路开关、直通开关均断开后，电芯组件运行于降压状态；
当电芯组件的单体电芯发生故障时，簇管理系统下发指令给主控单元，该指令为：闭合直通开关；直通开关闭合后电芯组件处于旁路状态。
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