CN114362314A

CN114362314A - 一种电池储能系统环流双向阻断电路及控制方法

Info

Publication number: CN114362314A
Application number: CN202210031489.3A
Authority: CN
Inventors: 徐德鸿; 龙海鸿; 徐睿杰; 陈敏
Original assignee: Zhejiang Kangxiu Energy Technology Co ltd; Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang Kangxiu Energy Technology Co ltd; Zhejiang University ZJU
Priority date: 2022-01-12
Filing date: 2022-01-12
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本发明公开一种电池储能系统环流双向阻断电路及控制方法，在电池储能系统中每个电池簇上串联一个环流双向阻断电路，该环流双向阻断电路由两个结构相同的单元反向串联而成，每个单元由一个二极管和一个开关并联，其中的开关采用逻辑控制方法控制通断。本发明在电池储能系统处于“放电”状态时阻断电池簇之间的充电环流；在电池储能系统处于“充电”状态时，阻断电池簇之间的放电环流；在电池储能系统处于“等待”状态时，阻断电池簇之间的环流；在电池储能系统处于“故障”状态时，切断故障电流。本发明可以实现电池储能系统的环流的阻断，控制简单，有效的提升了电池储能系统的效率、电池寿命和安全性。

Description

一种电池储能系统环流双向阻断电路及控制方法

技术领域

本发明涉及电池储能系统领域，尤其涉及一种电池储能系统环流双向阻断电路和控制方法。

背景技术

随着电动汽车、新能源配置储能、电网储能电站等应用的发展，需要高压大容量的储能系统来满足系统需求，对于电池储能，通常多个电池单体串联形成一定电压的电池簇，再将多个电池簇并联得到大容量的电池储能系统。由于每个电池单体的参数无法做到完全一致，不同的电池簇具有不一样的伏安特性，电池储能系统在不同的系统工作状态下，可能出现某些电池簇处于充电状态，而某些电池簇处于放电状态，从而在不同的电池簇之间形成环流。当电池簇出现故障时，较大故障电流会造成故障电池簇和其他电池簇承受大的环流，损坏电池簇甚至发生严重的安全事故。

环流会使电池储能系统能量损失，造成电池寿命下降，部分电池簇长时间处于环流充电状态或者故障状态可能会出现热失控问题，造成严重的安全隐患。所以电池储能系统电池簇环流和故障电流阻断具有重要的工程价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种在电池储能系统处于“放电”状态、“充电”状态和“等待”状态时，阻断电池簇之间环流的电路和控制方法；提供一种在电池储能系统处于“故障”状态时，阻断电池簇故障电流的电路和控制方法。

本发明内容的一个方面，提供一种电池储能系统环流双向阻断电路，如图1所示，包括在并联的n个电池簇中(即电池储能系统)，每个电池簇中串联一个环流双向阻断电路，每个环流双向阻断电路由两个结构相同的单元反向串联构成，而每个单元又由一个二极管和一个开关并联构成，该单元中二级管阳极定义为该单元的阳极，另一极定义为阴极。电池簇1的环流双向阻断电路由开关K₁和二极管D₁并联的单元，再与开关K₂和二极管D₂并联的单元，反向串联构成，二极管D₂的阳极与电池簇1的正极连接，电池簇2的环流双向阻断电路由开关K₃和二极管D₃并联的单元，再与开关K₄和二极管D₄并联的单元，反向串联构成，二极管D₄的阳极与电池簇2的正极连接，电池簇n的环流双向阻断电路由开关K_2n-1和二极管D_2n-1并联的单元，再与开关K_2n和二极管D_2n并联的单元，反向串联构成，二极管D_2n的阳极与电池簇n的正极连接，二极管D₁,D₃,...,D_2n-1共阳极连接后与储能系统的输出端相连。开关K₁～K_2n可以是机械式开关如继电器、接触器、断路器等，也可以是电力电子器件如MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、SCR等，也可以是机械式开关和电力电子器件组合。

本发明内容的另一个方面，提供一种电池储能系统环流双向阻断电路控制方法，如图1所示，包括一个“或非”逻辑门G₁、两个“非”逻辑门G₂,G₅、三个“与”逻辑门G₃,G₄,G₆、一个开关信号执行模块1、一个开关信号执行模块2；“或非”逻辑门G₁的一个输入端连接“故障状态”信号电平，另一个输入端连接“等待状态”信号电平，输出端连接“与”逻辑门G₄的一个输入端和G₆的一个输入端；“非”逻辑门G₂的输入端连接“放电状态”信号电平，输出端连接“与”逻辑门G₃的一个输入端；“与”逻辑门G₃的另一个输入端连接“充电状态”信号电平，输出端连接“与”逻辑门G₄的另一个输入端；“与”逻辑门G₄的输出端连接“非”逻辑门G₅的一个输入端和开关信号执行模块2的输入端；“非”逻辑门G₅的输出端连接“与”逻辑门G₆的另一个输入端；“与”逻辑门G₆的输出端连接开关信号执行模块1的输入端；开关信号执行模块1的输入端连接“与”逻辑门 G₆的输出端，开关信号执行模块1根据输入端信号执行控制电池簇的环流双向阻断电路开关K₁,K₃,...,K_2n-1的断开和闭合；开关信号执行模块2的输入端连接“与”逻辑门G₄的输出端，开关信号执行模块2根据输入端信号执行控制电池簇的环流双向阻断电路开关K₂, K₄,...,K_2n的断开和闭合。所述环流双向阻断电路控制方法的逻辑电路实现方案，也可用微处理器单元程序实现，如采用PLC、DSP、单片机等的微处理器单元进行控制逻辑的程序实现，再通过开关信号执行模块控制电池簇的环流阻断电路开关K₁～K_2n的断开和闭合。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

采用本发明的电池储能系统环流双向阻断电路和控制方法，只需要获知电池储能系统的系统工作状态，切换电池储能系统环流双向阻断电路的不同工作模式，对电池储能系统的在向外释放能量的“放电”状态、向外吸收能量的“放电”状态和不对外进行能量交换的“等待”状态的所有电池簇进行环流阻断，而且能够在储能系统处于故障状态时阻断故障电流，不需要额外的检测每个电池簇的电压、电流和工作状态，控制实现简单。消除了每个电池簇的环流和故障电流，提升了电池储能系统的效率、寿命和安全性。

附图说明

图1为电池储能系统环流双向阻断电路和控制方法逻辑控制电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1，电池储能系统环流双向阻断电路，包括在并联的n个电池簇中的每个电池簇中串联的一个环流双向阻断电路，每个电池簇串联的环流双向阻断电路相同。环流双向阻断电路由两个结构相同单元反向串联构成，而每个单元又由一个二极管和一个开关并联构成，该单元中二级管阳极的定义为该单元的阳极，另一极定义为阴极。电池簇1的环流双向阻断电路由开关K₁和二极管D₁并联的单元，再与开关K₂和二极管D₂并联的单元，反向串联构成，二极管D₂的阳极与电池簇1的正极连接，电池簇2的环流双向阻断电路由开关K₃和二极管D₃并联的单元，再与开关K₄和二极管D₄并联的单元，反向串联构成，二极管D₄的阳极与电池簇2的正极连接，电池簇n的环流双向阻断电路由开关K_2n-1和二极管D_2n-1并联的单元，再与开关K_2n和二极管D_2n并联的单元，反向串联构成，二极管D_2n的阳极与电池簇n的正极连接，二极管D₁,D₃,...,D_2n-1共阳极连接后与储能系统的输出端相连。开关K₁～K_2n可以是机械式开关如继电器、接触器、断路器等，也可以是电力电子器件如MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、 SCR等，也可以是机械式开关和电力电子器件组合。开关信号执行模块可以根据开关K₁-K_2n的具体实现方式进行确定，比如：开关K₁-K_2n采用机械式开关接触器时，则开关信号执行模块可以采用通过逻辑器件输出控制继电器的开断来实现接触器的线圈电路的通断，采用弱电控制强电方式实现接触器主触头的通断；开关K₁-K_2n采用电力电子器件时，则开关信号执行模块可以采用相应电力电子器件的驱动电路。

参照图1，电池储能系统环流双向阻断电路控制方法，包括一个“或非”逻辑门G₁、两个“非”逻辑门G₂,G₅、三个“与”逻辑门 G₃,G₄,G₆、一个开关信号执行模块1、一个开关信号执行模块2；“或非”逻辑门G₁的一个输入端连接“故障状态”信号电平，另一个输入端连接“等待状态”信号电平，输出端连接“与”逻辑门G₄的一个输入端和G₆的一个输入端；“非”逻辑门G₂的输入端连接“放电状态”信号电平，输出端连接“与”逻辑门G₃的一个输入端；“与”逻辑门G₃的另一个输入端连接“充电状态”信号电平，输出端连接“与”逻辑门G₄的另一个输入端；“与”逻辑门G₄的输出端连接“非”逻辑门G₅的一个输入端和开关信号执行模块2的输入端；“非”逻辑门G₅的输出端连接“与”逻辑门G₆的一个输入端；“与”逻辑门G₆的输出端连接开关信号执行模块1的输入端；开关信号执行模块1的输入端连接“与”逻辑门G₆的输出端，开关信号执行模块1根据输入端信号执行控制电池簇的环流双向阻断电路开关K₁,K₃,...,K_2n-1的断开和闭合；开关信号执行模块2的输入端连接“与”逻辑门G₄的输出端，开关信号执行模块2根据输入端信号执行控制电池簇的环流双向阻断电路开关K₂,K₄,...,K_2n的断开和闭合。所述环流双向阻断电路控制方法的逻辑电路实现方案，也可用微处理器单元程序实现，如采用PLC、DSP、单片机等的微处理器单元进行控制逻辑的程序实现，再通过开关信号执行模块控制电池簇的环流阻断电路开关K₁～K_2n的断开和闭合。

具体实施分析如下：

如图1所示，电池储能系统的n个电池簇分别串联环流双向阻断电路后并联输出，通过DC/DC变换器和DC/AC变换器(或者DC/AC 变换器)后接入电网系统。每个环流双向阻断电路中开关K₁, K₃,...,K_2n-1和K₂,K₄,...,K_2n的断开和闭合由环路双向阻断电路控制方法控制实现。

当电池储能系统处于向电网释放能量的“放电”状态时，环流双向阻断电路的控制电路中放电状态输入信号为高电平，其他状态下为低电平；当电池储能系统处于向电网吸收能量的“充电”时状态，环流阻断双向电路的控制电路中充电状态输入信号为高电平，其他状态下为低电平；当电池储能系统处于和电网没有能量交换的“等待”时状态，环流双向阻断电路的控制电路中等待状态输入信号为高电平，其他状态下为低电平；当电池储能系统处于电池簇发生故障的“故障”时状态，环流双向阻断电路的控制电路中等待状态输入信号为高电平，其他状态下为低电平；开关信号执行模块1输入为高电平时，闭合开关K₁,K₃,...,K_2n-1，开关信号执行模块输入为低电平时，断开开关K₁, K₃,...,K_2n-1；开关信号执行模块2输入为高电平时，闭合开关K₂, K₄,...,K_2n，开关信号执行模块2输入为低电平时，断开开关K₂, K₄,...,K_2n。

根据图1的环流双向阻断电路控制方法，电池储能系统在四种系统工作状态下，环流双向阻断电路控制方法的逻辑电路输出结果可以列出表1的真值表。当电池储能系统处于“充电”状态时，环流双向阻断电路中开关K₁,K₃,...,K_2n-1断开，开关K₂,K₄,...,K_2n闭合，此时二极管D₁,D₃,...,D_2n-1可阻断电池簇1～电池簇n可能放电造成的环流；当电池储能系统处于“放电”状态时，环流双向阻断电路中开关K₁, K₃,...,K_2n-1闭合，开关K₂,K₄,...,K_2n断开，此时二极管D₂,D₄,...,D_2n可阻断电池簇1～电池簇n可能的充电环流；当电池储能系统处于“等待”状态时，环流双向阻断电路中开关K₁,K₃,...,K_2n-1断开，开关K₂, K₄,...,K_2n断开，此时二极管D₁～D_2n可双向阻断电池簇1～电池簇n可能的充电和放电环流；当电池储能系统处于“故障”状态时，环流双向阻断电路中开关K₁,K₃,...,K_2n-1断开，开关K₂,K₄,...,K_2n断开，此时二极管D₁～D_2n可双向阻断电池簇1～电池簇n可能的环流，进而起到切除电池簇故障的作用。

表1系统工作状态下环流双向阻断电路开关的工作状态真值表

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的修改、同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电池储能系统环流双向阻断电路，其特征在于：在所述电池储能系统中，每个电池簇上串联一个环流双向阻断电路，每个环流双向阻断电路由两个结构相同的单元构成，每个单元由一个二极管和一个开关并联构成，将该单元中二级管的阳极定义为该单元的阳极，另一极定义为阴极；其中第一单元的阳极与电池簇的正极相连，第一单元的阴极与第二单元的阴极相连，第二单元的阳极连接储能系统的输出端，其中的开关采用逻辑控制方法控制通断；所述开关为机械式开关、电力电子器件或机械式开关和电力电子器件的组合。

2.一种电池储能系统环流双向阻断电路控制方法，其特征在于：所述电池储能系统环流双向阻断电路控制方法包括一个“或非”逻辑门G₁、两个“非”逻辑门G₂,G₅、三个“与”逻辑门G₃,G₄,G₆、一个开关信号执行模块1、一个开关信号执行模块2；“或非”逻辑门G₁的一个输入端连接“故障状态”信号电平，另一个输入端连接“等待状态”信号电平，输出端连接“与”逻辑门G₄的一个输入端和G₆的一个输入端；“非”逻辑门G₂的输入端连接“放电状态”信号电平，输出端连接“与”逻辑门G₃的一个输入端；“与”逻辑门G₃的另一个输入端连接“充电状态”信号电平，输出端连接“与”逻辑门G₄的另一个输入端；“与”逻辑门G₄的输出端连接“非”逻辑门G₅的输入端和开关信号执行模块2的输入端；“非”逻辑门G₅的输出端连接“与”逻辑门G₆的另一个输入端；“与”逻辑门G₆的输出端连接开关信号执行模块1的输入端；开关信号执行模块1的输入端连接“与”逻辑门G₆的输出端，开关信号执行模块1根据输入端信号执行控制所有环流双向阻断电路第二单元中开关的断开和闭合；开关信号执行模块2根据输入端信号执行控制所有环流双向阻断电路第一单元中开关的断开和闭合；所述的方法可采用逻辑电路实现，也可用微处理器单元程序实现。