CN114374198A - 一种电池单元及储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电池单元及储能系统，该电池单元中包括：至少两个电池基本单元，至少两个DC/DC变换器，以及，连接模块；其中，各DC/DC变换器的输出端通过连接模块实现串并联连接，而且，该连接模块的输出端与各电池基本单元依次串联连接，串联后的两端作为电池单元的两端。也即，该电池单元的电压，为各电池基本单元的电压与该连接模块的输出电压之和；进而，通过调节该连接模块的输出电压，即可实现对于本电池单元的电压调节；当电池模组采用该电池单元的结构进行设置时，即可降低电池簇在运行过程中各个电池模组间的不平衡程度，从而充分利用电池簇的容量。

Description

一种电池单元及储能系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种电池单元及储能系统。
背景技术
传统的储能系统，一般是由多个电芯串联构成一个电池模组Pack，再由多个电池模组Pack串联构成一个电池簇Rack，然后各个电池簇Rack分别接入DC/AC变换器的直流母线。
各个电池簇Rack中，由于电芯个体容量、内阻等因素的差异，导致不同电池模组Pack之间的SOC(State ofCharge，电池荷电状态，也称剩余电量)会存在差异；比如，在给电池簇充电的过程中，必然存在某个电池模组Pack提前到达电压上限，此时充电电流必须截止，停止给电池簇充电，则电池簇中必然存在未能充满电的电池模组Pack，容量未能得到充分利用。放电过程亦如此。
因此，如何充分利用电池簇的容量，成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种电池单元及储能系统，以充分利用电池簇的容量。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种电池单元，包括：至少两个电池基本单元，至少两个DC/DC变换器，以及，连接模块；其中，
各所述DC/DC变换器的输出端分别与所述连接模块的输入端相连；
所述连接模块用于实现各所述DC/DC变换器的输出端之间的串并联连接；
所述连接模块的输出端与各所述电池基本单元依次串联连接，串联后的两端作为所述电池单元的两端。
可选的，所述连接模块包括：多个连接线路，以实现各所述DC/DC变换器的输出端之间的串联连接或者并联连接。
可选的，所述连接模块还包括：N-1个开关组合，各所述开关组合分别包括：第一开关、第二开关及第三开关；N为所述DC/DC变换器的个数；
相邻两个所述DC/DC变换器的正极之间，通过一个相应的所述第一开关相连；
相邻两个所述DC/DC变换器的负极之间，通过一个相应的所述第二开关相连；
各所述DC/DC变换器分别通过相应的所述第三开关，实现依次串联连接。
可选的，所述连接模块还包括：总DC/DC变换器；
各所述DC/DC变换器的输出端之间串联或者并联连接后，与所述总DC/DC变换器的输入端相连；
所述总DC/DC变换器的输出端作为所述连接模块的输出端。
可选的，所述连接模块的输出端，与各所述电池基本单元依次串联后的正极或负极相连，或者，串联连接于各所述电池基本单元之间。
可选的，其特征在于，各所述DC/DC变换器分别取电于相应的所述电池基本单元。
可选的，各所述DC/DC变换器分别取电于相同个数、串联连接的所述电池基本单元，使各所述DC/DC变换器的输入端依次串联于所述电池单元的两端之间。
可选的，所述DC/DC变换器为隔离或非隔离变换器。
可选的，各所述DC/DC变换器分别具备：正电压输出能力、负电压输出能力或者正负电压可调输出能力。
可选的，所述电池基本单元为电芯，所述电池单元为电池模组；或者，
所述电池基本单元为电池模组，所述电池单元为电池簇。
本发明第二方面还提供了一种储能系统，包括：至少两个并联连接的电池簇；其中，
所述电池簇中包括至少两个串联连接的电池模组；
所述电池模组和/或所述电池簇，为如本发明第一方面任一段落所述的电池单元。
可选的，还包括DC/AC变换器；
各所述电池簇并联连接于所述DC/AC变换器的直流侧。
本发明提供的电池单元，其包括：至少两个电池基本单元，至少两个DC/DC变换器，以及，连接模块；其中，各DC/DC变换器的输出端通过连接模块实现串并联连接，而且，该连接模块的输出端与各电池基本单元依次串联连接，串联后的两端作为电池单元的两端。也即，该电池单元的电压，为各电池基本单元的电压与该连接模块的输出电压之和；进而，通过调节该连接模块的输出电压，即可实现对于本电池单元的电压调节；当电池模组采用该电池单元的结构进行设置时，即可降低电池簇在运行过程中各个电池模组间的不平衡程度，从而充分利用电池簇的容量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的电池单元的结构示意图；
图2a和图2b分别为本发明实施例提供的电池单元的两种具体结构示意图；
图3为现有技术提供的储能系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的连接模块的一种具体结构示意图；
图5a和图5b分别为本发明实施例提供的电池单元的另外两种具体结构示意图；
图6为本发明实施例提供的储能系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
传统储能系统中的电池簇，在充电过程中，某个电池模组的电压达到上限时，则电流立即截止，电池簇中其他电池模组也无法充满电，电池簇容量未能得到充分利用。而放电过程中，电池簇中容量最少的电池模组最早放电到下限，则电池簇放电电流截止，电池簇中的其他未达到下限的电池模组中所存储的电量无法放出，电池簇容量也未能充分利用。
因此，本申请提供一种电池单元，以充分利用电池簇的容量。
如图1所示，该电池单元，包括：至少两个电池基本单元101，至少两个DC/DC变换器102，以及，连接模块103。
图1中以该电池基本单元101是电芯为例进行展示，则该电池单元为电池模组Pack；为了构成该电池模组Pack，各电芯需要串联连接。在此基础之上，该电池模组Pack中还包括至少两个DC/DC变换器102及连接模块103；具体的：
各DC/DC变换器102的输出端分别与连接模块103的输入端相连，通过该连接模块103实现各DC/DC变换器102的输出端之间的串并联连接；实际应用中，各DC/DC变换器102的输出端可以依次串联连接(如图2a所示)，也可以并联连接(如图2b所示)，还可以部分并联后再与其他部分的并联结构进行串联，或者，部分串联后再与其他部分的串联结构进行并联；视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
连接模块103的输出端与各电池基本单元101依次串联连接，串联后的两端作为电池单元的两端。连接模块103的输出端与各电池基本单元101的具体串联方式可以根据实际情况而定，比如，各电池基本单元101可以先依次串联，串联后的正极再与该连接模块103的输出端相连(未进行图示)，或者，串联后的负极再与该连接模块103的输出端相连(如各图中所示)，又或者，该连接模块103的输出端也可以串联连接于各电池基本单元101之间；均在本申请的保护范围内。
需要说明的是，各DC/DC变换器102，可以为隔离变换器，也可以为非隔离变换器，均可以根据实际应用环境进行选择。另外，各DC/DC变换器102可以分别具备：正电压输出能力、负电压输出能力或者正负电压可调输出能力；而且，各DC/DC变换器102的输出能力可以相同，也可以不同，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
不论各DC/DC变换器102的输出电压具体为何种电压，其通过串并联连接后，由该连接模块103进行输出，该连接模块103再与各电池基本单元101串联，进而实现该电池单元的两端；也即，该电池单元的电压Vbat，为各电池基本单元101的串联电压Vpack与该连接模块103的输出电压之和；通过调节各DC/DC变换器102的输出电压，进而改变该连接模块103的输出电压，即可实现对于本电池单元的电压Vbat调节。
当该电池基本单元101为电芯、该电池单元为电池模组Pack时，多个电池模组Pack会串联构成一个电池簇Rack；在该电池簇Rack内，每个电池模组Pack除了自身的串联电芯之外，还各自配备有相应的DC/DC变换器102及连接模块103，通过其DC/DC变换器102及连接模块103的工作，由连接模块103输出正电压或负电压，以调整各个电池模组Pack的电压，扩大各个电池模组Pack之间的压差；则串联电芯电压较高的电池模组Pack的电压会更高，而串联电芯电压较低的电池模组Pack的电压会更低于其他电池模组Pack；因此，系统在充电状态下，能够使电压较低的串联电芯获得更多电能，而电压较高的串联电芯获得较少电能；而系统在放电状态下，能够使电压较低的串联电芯释放较少电能，而电压较高的串联电芯释放更多电能；进而促使各个串联电芯之间的SOC趋于均衡，以充分利用电池簇Rack的容量。
本实施例提供的该电池单元，当电池模组Pack采用该电池单元的结构进行设置时，若电池簇Rack中的各个电池模组Pack之间出现不平衡，即可通过上述原理，降低电池簇Rack在运行过程中各个电池模组Pack间的不平衡程度，从而充分利用电池簇的容量。
值得说明的是，通过上述原理对各组串联电芯获得或释放的电能进行调节时，不仅能够对其各自的SOC进行均衡，还能够同时对其各自的SOH(state ofhealth，电池健康度)、电压及平均温度进行均衡，使各电池模组Pack在各方面均能够得到均衡发展。而且，对于各电池模组Pack的均衡，也并不仅限于在其运行过程中进行，当其处于待机状态时，也可以通过上述原理进行均衡，使其在进行正常运行之前即可达到均衡状态。
实际应用中，上述实施例中所述的电池基本单元101也可以是指电池模组Pack，此时构成的电池单元即为电池簇Rack。
图3所示为传统的储能系统，为了避免多电池簇Rack并联出现的SOC及簇电压失配问题，其通常在每个电池簇Rack的功率传输支路中分别设置一个DC/DC变换器再并入DC/AC变换器的直流母线，通过DC/DC变换器来均衡不同电池簇Rack之间的SOC，同时也允许了DC/DC变换器的电池侧电压出现不同步。但是该方案中，由于DC/DC变换器是设置于电池簇Rack的功率传输支路中的，必然会导致电池簇Rack的功率传输多一级损耗，因此不仅导致效率损失严重，还会带来散热成本较高的问题；另外，这种设置方式还会导致DC/DC变换器的功率容量及输出电压设计范围均较高，导致成本高。
而当电池簇Rack采用上一实施例所提供电池单元的结构时，其内部各串联的电池模组Pack均会与相应的连接模块103输出端进行串联，进而通过相应连接模块103的输出，即可实现对于各电池簇Rack之间的均衡；其均衡原理参见上一实施例即可，此处不再赘述。由于各连接模块103的输出，仅需要调整各电池簇Rack之间的差异即可，也即，各电池簇Rack中各DC/DC变换器102的输出电压调整的是不同电池簇Rack之间的电压偏差，所以各DC/DC变换器102的输出电压可以大幅度降低，使得各DC/DC变换器102的器件耐压降低，相同电流等级的情况下，器件耐压的降低，也就意味着器件成本的下降，并且电压等级降低，安规的成本也相应的降低。同时，由于各DC/DC变换器102的输出电压调整的是不同电池簇Rack之间的电压偏差，所以经过各DC/DC变换器102的功率只是电池簇Rack功率的很小一部分，因此，本实施例在不影响图3所示不同电池簇Rack均衡效果的基础上，大幅降低各DC/DC变换器102的功率等级，降低了成本；而且，电池簇Rack大部分功率传输不需要经过各DC/DC变换器102，还使得电池簇Rack的电能传输效率大幅度提高。
为了实现上述实施例中各DC/DC变换器102的输出端之间的串并联连接，该连接模块103可以有多种具体实现形式，比如：
(1)该连接模块103可以包括：多个连接线路，以实现各DC/DC变换器102的输出端之间的串联连接(如图2a所示)或者并联连接(如图2b所示)。
实际应用中，该连接模块103内部的各连接线路均可以设置有方便接线的接头，通过调整接头即可方便的实现各DC/DC变换器102输出端的串联或者并联。
当该连接模块103调整各DC/DC变换器102的输出端为串联时，其结构如图2a所示，各DC/DC变换器102的输出端串联后，串入到电池簇Rack中；当该连接模块103调整各DC/DC变换器102的输出端时，其结构如图2b所示，各DC/DC变换器102的输出端并联后，串入到电池簇Rack中。
(2)连接模块103也可以在多个连接线路上设置有N-1个开关组合。
如图4所示，各开关组合分别包括：第一开关(如图4中所示的K11、K21及K(N-1)1)、第二开关(如图4中所示的K12、K22及K(N-1)2)及第三开关(如图4中所示的K13、K23及K(N-1)3)；N为DC/DC变换器102的个数，各DC/DC变换器102分别为DC/DC 1、DC/DC 2…DC/DC N。相邻两个DC/DC变换器102的正极之间，通过一个相应的第一开关相连；相邻两个DC/DC变换器102的负极之间，通过一个相应的第二开关相连；各DC/DC变换器102分别通过相应的第三开关，实现依次串联连接。
参见图4，当需要各DC/DC变换器102输出端串联时，将各第三开关吸合，而将各第一开关及各第二开关断开；当需要各DC/DC变换器102输出端并联时，将各第一开关及各第二开关吸合，而将各第三开关断开。例如N为2时，若需要串联，则只需要吸合K13；若需要并联，则只需要吸合K11和K12即可。
(3)连接模块103还可以在多个连接线路上设置有N-1个开关组合后，再设置一个总DC/DC变换器(如图5a和图5b中所示的DC/DC K)。
各DC/DC变换器102(如图5a和图5b中所示的DC/DC 1、DC/DC 2…DC/DC N)的输出端之间串联(如图5a所示)或者并联(如图5b所示)连接后，与总DC/DC变换器DC/DC K的输入端相连；总DC/DC变换器DC/DC K的输出端作为连接模块103的输出端。
该总DC/DC变换器DC/DC K可以对各DC/DC变换器102输出端连接后的输出进行电压幅值/正负的调节；当各DC/DC变换器102的输出端串联时，通过该总DC/DC变换器DC/DC K合并后串联到电池单元中的等效图见图5a所示；当各DC/DC变换器102的输出端并联时，然后通过该总DC/DC变换器DC/DC K合并后串联到电池单元中的等效图见图5b所示。
上述几种方式仅为该连接模块103的可选形式，并不仅限于此，能够实现各DC/DC变换器102输出端串并联连接的方式，均在本申请的保护范围内。
在上述各实施例的基础之上，优选的，其各DC/DC变换器102分别取电于相应的电池基本单元101，能够避免从外部取电带来的成本增加。
更为优选的，各DC/DC变换器102分别取电于相同个数、串联连接的电池基本单元101，使各DC/DC变换器102的输入端依次串联于电池单元的两端之间。
也即，上述实施例各图中所示的N个DC/DC变换器102，均分各电池基本单元101串联得到的电压Vpack，有Vin 1+Vin 2+…+VinN＝Vpack，且Vin1＝Vin 2＝VinN，此时，不影响电池单元间的整体均衡，而且，各DC/DC变换器102的输入电压低，电压转换比低，效率更高；此外，若N个DC/DC变换器102并联，单个DC/DC变换器102功率能做的更小。
需要说明的是，Vin 1＝Vin 2＝VinN仅为优选方案，并不仅限于此；而且，实际应用中，也不排除各DC/DC变换器102取电于外部电源的方案，均在本申请的保护范围内。
本发明另一实施例还提供了一种储能系统，其如图6所示，包括：至少两个并联连接的电池簇Rack；其中，各电池簇Rack中均包括至少两个串联连接的电池模组Pack；各电池模组Pack中均包括至少两个串联连接的电芯。
各电池模组Pack的结构为上述任一实施例所述的电池单元，和/或，各电池簇Rack的结构为上述任一实施例所述的电池单元。当各电池模组Pack的结构为上述任一实施例所述的电池单元时，其电池基本单元101指代的是电芯；当各电池簇Rack的结构为上述任一实施例所述的电池单元时，其电池基本单元101指代的是电池模组Pack。该电池单元的具体结构及工作原理，参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。
如图6所示，该储能系统中还包括DC/AC变换器；各电池簇Rack并联连接于该DC/AC变换器的直流侧，该DC/AC变换器的交流侧连接电网和/或负载。
本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种电池单元，其特征在于，包括：至少两个电池基本单元，至少两个DC/DC变换器，以及，连接模块；其中，
各所述DC/DC变换器的输出端分别与所述连接模块的输入端相连；
所述连接模块用于实现各所述DC/DC变换器的输出端之间的串并联连接；
所述连接模块的输出端与各所述电池基本单元依次串联连接，串联后的两端作为所述电池单元的两端。
2.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，所述连接模块包括：多个连接线路，以实现各所述DC/DC变换器的输出端之间的串联连接或者并联连接。
3.根据权利要求2所述的电池单元，其特征在于，所述连接模块还包括：N-1个开关组合，各所述开关组合分别包括：第一开关、第二开关及第三开关；N为所述DC/DC变换器的个数；
相邻两个所述DC/DC变换器的正极之间，通过一个相应的所述第一开关相连；
相邻两个所述DC/DC变换器的负极之间，通过一个相应的所述第二开关相连；
各所述DC/DC变换器分别通过相应的所述第三开关，实现依次串联连接。
4.根据权利要求3所述的电池单元，其特征在于，所述连接模块还包括：总DC/DC变换器；
各所述DC/DC变换器的输出端之间串联或者并联连接后，与所述总DC/DC变换器的输入端相连；
所述总DC/DC变换器的输出端作为所述连接模块的输出端。
5.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，所述连接模块的输出端，与各所述电池基本单元依次串联后的正极或负极相连，或者，串联连接于各所述电池基本单元之间。
6.根据权利要求1至5任一项所述的电池单元，其特征在于，各所述DC/DC变换器分别取电于相应的所述电池基本单元。
7.根据权利要求6所述的电池单元，其特征在于，各所述DC/DC变换器分别取电于相同个数、串联连接的所述电池基本单元，使各所述DC/DC变换器的输入端依次串联于所述电池单元的两端之间。
8.根据权利要求1至5任一项所述的电池单元，其特征在于，所述DC/DC变换器为隔离或非隔离变换器。
9.根据权利要求1至5任一项所述的电池单元，其特征在于，各所述DC/DC变换器分别具备：正电压输出能力、负电压输出能力或者正负电压可调输出能力。
10.根据权利要求1至5任一项所述的电池单元，其特征在于，所述电池基本单元为电芯，所述电池单元为电池模组；或者，
所述电池基本单元为电池模组，所述电池单元为电池簇。
11.一种储能系统，其特征在于，包括：至少两个并联连接的电池簇；其中，
所述电池簇中包括至少两个串联连接的电池模组；
所述电池模组和/或所述电池簇，为如权利要求1至10任一项所述的电池单元。
12.根据权利要求11所述的储能系统，其特征在于，还包括DC/AC变换器；
各所述电池簇并联连接于所述DC/AC变换器的直流侧。
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