CN114629195A - 一种梯次利用电池的部分功率柔性成组系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种梯次利用电池的部分功率柔性成组系统，将一定数量的串联单体电池组成与隔离型双向DC/DC变换器输入侧并联构成电池储能单元，再将若干个电池储能单元输入侧串联得到输入端口；DC/DC变换器输出侧与H桥串联，使H桥输出侧并联得到输出端口，将输出端口与输入端口串联构成具有公共直流母线的部分功率柔性成组系统。该系统不仅提升了电池包电压等级和容量，而且大幅度提高了能量变换效率和动作响应速度。电池包与直流母线间完全隔离，大大加强了系统的安全性和可靠性。电池包出现故障可自动隔离，且隔离之后系统会进行相应补偿。采用三环控制策略提高了退役动力电池利用率，缓解了短板效应带来的问题，使系统运行更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种梯次利用电池的部分功率柔性成组系统。
背景技术
近年来，随着推出的多项新能源激励政策，我国新能源汽车行业发展迅速，被称为新能源汽车“心脏”的动力电池，需求量与使用量也在不断增加。随之而来的问题是由于电池充放电次数增加而导致电池容量下降的问题，当动力电池容量衰减到原先的80％时，为保证新能源汽车的正常使用，需要及时更换电池。由于新能源汽车使用的不断增加，将会有大量退役电池需要处理，预计到2029年，全球新能源汽车每年将约有108GW·h(约300万个电池包)动力电池退役。退役后的电池中仍还有80％的电池容量，若直接拆解回收，不仅浪费电池使用价值，而且对生态环境造成严重威胁。为解决这些问题，将退役电池进行筛选再使用于相对温和场景的梯次利用应运而生，该方法兼具环保与经济价值，实现了电池全寿命综合应用，将电池使用价值和经济效益发挥到了最大化。
在传统电池储能系统中电池串并联后加全功率DC/DC变换器方案中，由于电池组各个单体的容量、阻值等参数存在差异，导致电池组整体性能远不及单个电池性能。在使用过程中，同一电池模块中个别电池单体也会有过充过放、过温过流等现象，这些将导致个别电池单体容量的衰退速度远大于其他电池单体，从而造成电池模组之间不一致，在进行系统充放电时受到个别电池单体的限制，造成电池组整体有效容量和性能下降，使得电池组的能量和容量无法充分利用。因此，需要对拓扑方案进行更合理的设计，避免由于电池组不一致带来的系统充放电过程中电池能量与容量利用率低的问题。本方案将基于 LLC拓扑结构设计一种梯次利用电池的柔性成组系统。
电池储能大多将单体电池串联进行利用，但电池数量一旦增加，电池不一致性的影响也会增加，高压电池组保护与切断的难度系数也会升高，系统性能将会大大下降。而且传统的电池成组方式中，使用的是大量单体电池直接串联，然后将它们放到同一电流下工作，由于退役的动力电池容量不同，会使得大量单体电池在串联情况下易产生短板效应，从而造成电池利用率低、电池寿命缩短等问题。
此外，(1)退役电池拆解重组难度极大，成本较高。(2)传统电池成组方式形成的电池组体积过大。(3)传统电池储能方式安全系数较低，可靠性较差。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种梯次利用电池的部分功率柔性成组系统。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种梯次利用电池的部分功率柔性成组系统，包括电池包、隔离型双向DC/DC变换器和H桥；将一定数量的串联单体电池组成电池包，电池包与隔离型双向DC/DC变换器输入侧并联构成电池储能单元，再将若干个电池储能单元输入侧串联得到输入端口；
隔离型双向DC/DC变换器输出侧与H桥串联，使H桥输出侧并联得到输出端口，最后将输出端口与输入端口串联构成具有公共直流母线的部分功率柔性成组系统。
优选的，在输入端口前加入定频LLC谐振变换器。
优选的，所述隔离型双向DC/DC变换器采用定频LLC谐振变换器。
隔离型双向DC/DC变换器中使用全桥电路、半桥电路或者Buck 电路。
所述部分功率柔性成组系统采用三环控制策略。
三环控制策略为：最内环是电感电流环，通过检测LLC谐振变换中的谐振电感上的实时电流iL，负反馈给电流的设定进行PI调节，然后改变占空比，从而达到输出电流尽量接近预期设定电流iLref；第二环是单个电池储能元输出电压环，通过检测单个电池储能单元的输出电压来进行负反馈PI调节，它的环内PI输出直接为电感电流环的设定电流iLref，所以电压环控制时就包含了输出电压环和电感电流环；第三环是部分功率柔性成组系统整体电流环，是最外环，它内部PI 输出就是单个电池储能单元的预期输出电压的设定Uref，该环进行了所有3个环的运算。
本发明的有益效果：
(1)针对退役动力电池简单串并联成组存在的问题，设计了部分功率柔性成组系统，该系统不仅提升了电池包电压等级和容量，而且大幅度提高了能量变换效率以及动作响应速度。
(2)电池包与直流母线间完全隔离，大大加强了部分功率柔性成组系统的安全性和可靠性。
(3)电池包出现故障可实现自动隔离，并且在隔离之后的部分功率柔性成组系统会进行相应补偿。
(4)部分功率柔性成组系统的三环控制策略，提高了退役动力电池利用率，缓解了“短板效应”所带来的问题，使部分功率柔性成组系统运行更加稳定。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明的部分功率柔性成组系统示意图。
图2为定频LLC谐振变换器示意图；
图3为故障隔离示意图；
图4为三环控制策略示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明将一定数量的串联单体电池组成电池包，电池包与隔离型双向DC/DC变换器输入侧并联构成电池储能单元，再将若干个电池储能单元输入侧串联得到输入端口；
隔离型双向DC/DC变换器输出侧与H桥串联，使H桥输出侧并联得到输出端口，最后将输出端口与输入端口串联构成具有公共直流母线的部分功率柔性成组系统。
为提高系统的安全系数等级，保障人身安全，在输入端口前加入定频LLC谐振变换器，来使得部分功率柔性成组系统实现完全隔离。
隔离型双向DC/DC变换器中可使用全桥电路、半桥电路或者 Buck电路等。
(1)隔离型双向DC/DC变换器选择以及故障隔离的实现
隔离型双向DC/DC变换器若采用DAB拓扑的话，会受电感电流不能突变的影响，而产生无功环流，造成额外损耗、降低整体效率。因此采用定频LLC谐振变换器，如图2所示，它不会产生无功环流，可以在全负载范围内实现原边的ZVS与副边的ZCS，工作效率也比较高，而且便于磁集成。
若电池包发生故障，电池包两端电压会发生异常变化，部分功率柔性成组系统检测到电池异常变化后，会通过继电器断开电池包，与此同时将故障信号传输给隔离型双向DC/DC变换器主控芯片，然后主控芯片控制隔离型双向DC/DC变换器中的驱动脉冲，将原边开关管M1、M2、M3、M4全部导通，副边开关管M5、M6全部关断，使得故障电池包短路，实现了故障隔离。为维持总输出电压恒定，部分功率柔性成组系统会调节其余隔离型双向DC/DC变换器使得输出端口侧电压升高，补偿故障电池包电压。
(2)部分功率的实现
图1中，电池储能单元的输入电压、输出电压关系为：
其中，Vo为单个电池储能单元的输出电压，N2/N1为隔离型双向 DC/DC变换器的变比，D为占空比，VB为单个电池包的输入电压。令k＝DN2/N1，则：
Vo＝kVB
为简化推导过程，现假设隔离型双向DC/DC变换器的效率为 100％，故电池储能单元的输入电流、输出电流关系为：
Ii＝kIo
其中，Ii为单个电池储能单元的输入电流，Io为单个电池储能单元的输出电流。
由于输入端口前的定频LLC谐振变换器，只起隔离作用，变比为1∶1，则部分功率柔性成组系统总输出电压为：
其中，Vodc为部分功率柔性成组系统直流侧输出电压，VBi为第 i(i＝1，2，3…，n)个电池储能单元输入侧的端电压，Vo为H桥输出侧并联后的输出端口电压。
部分功率柔性成组系统总输出电流为：
其中，Io为部分功率柔性成组系统直流侧输出电流，IB为电池储能单元串联输入的总电流，IBi为第i(i＝1，2，3…，n)个电池储能单元的输出电流。
部分功率柔性成组系统总输出功率为：
隔离型双向DC/DC变换器所控制的功率，即n个电池储能单元中流过隔离型双向DC/DC变换器中的功率，为：
Pcon＝VB1Ii1+VB2Ii2+…+VBnIin＝VoIo
其中，VBn表示第n个电池储能单元输入侧的端电压；Iin表示第n 个电池储能单元的输入电流。
对比部分功率柔性成组系统总输出功率和DC/DC变换器所控制的功率，可发现：
部分功率柔性成组系统直流侧的总输出功率大于隔离型双向 DC/DC变换器所控制的功率，故隔离型双向DC/DC变换器只控制部分功率柔性成组系统的部分功率。在实际应用中可用于实现电池储能单元的热拔插，方便了故障检测，同时缩小了储能装置的体积、重量，降低了投资成本。
(3)部分功率柔性成组系统控制策略
部分功率柔性成组系统所采用的是三环控制策略，如图4所示，其中iL是LLC型DC/DC变换器中的谐振电感电流，Um是经MOSFET 调制后得到的平均电压，UB是单个电池包额定电压，UDo是LLC型 DC/DC变换器的输出电压，Uo是单个电池储能单元的输出电压，Uno是n个电池储能单元的充放电电压，ino是n个电池储能单元的充放电电流。
三环控制的控制思路：最内环是电感电流环，通过检测LLC谐振变换中的谐振电感上的实时电流iL，负反馈给电流的设定进行PI 调节，然后改变占空比，从而达到输出电流尽量接近预期设定电流 iLref，运算最小，动态响应最快。第二环是单个电池储能元输出电压环，通过检测单个电池储能单元的输出电压来进行负反馈PI调节，它的环内PI输出直接为电感电流环的设定电流iLref，所以电压环控制时就包含了输出电压环和电感电流环，即任何形式都必须使用电流环，电流环是控制的根本。第三环是部分功率柔性成组系统整体电流环，它是最外环，由于它内部PI输出就是单个电池储能单元的预期输出电压的设定Uref，该环进行了所有3个环的运算，运算量最大，动态响应也较慢。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种梯次利用电池的部分功率柔性成组系统，其特征在于，包括：电池包、隔离型双向DC/DC变换器和H桥；将一定数量的串联单体电池组成电池包，电池包与隔离型双向DC/DC变换器输入侧并联构成电池储能单元，再将若干个电池储能单元输入侧串联得到输入端口；
隔离型双向DC/DC变换器输出侧与H桥串联，使H桥输出侧并联得到输出端口，最后将输出端口与输入端口串联构成具有公共直流母线的部分功率柔性成组系统。
2.如权利要求1所述的梯次利用电池的部分功率柔性成组系统，其特征在于：在输入端口前加入定频LLC谐振变换器。
3.如权利要求1所述的梯次利用电池的部分功率柔性成组系统，其特征在于：所述隔离型双向DC/DC变换器采用定频LLC谐振变换器。
4.如权利要求1所述的梯次利用电池的部分功率柔性成组系统，其特征在于：隔离型双向DC/DC变换器中使用全桥电路、半桥电路或者Buck电路。
5.如权利要求1所述的梯次利用电池的部分功率柔性成组系统，其特征在于：所述部分功率柔性成组系统采用三环控制策略。
6.如权利要求5所述的梯次利用电池的部分功率柔性成组系统，其特征在于，三环控制策略为：最内环是电感电流环，通过检测LLC谐振变换中的谐振电感上的实时电流iL，负反馈给电流的设定进行PI调节，然后改变占空比，从而达到输出电流尽量接近预期设定电流iLref；第二环是单个电池储能元输出电压环，通过检测单个电池储能单元的输出电压来进行负反馈PI调节，它的环内PI输出直接为电感电流环的设定电流iLref，所以电压环控制时就包含了输出电压环和电感电流环；第三环是部分功率柔性成组系统整体电流环，是最外环，它内部PI输出就是单个电池储能单元的预期输出电压的设定Uref，该环进行了所有3个环的运算。
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