CN114865772A - 储能系统及其供电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种储能系统及其供电方法。储能系统包括为直流母线供电的电源装置，以及并联连接在直流母线上的主电池和备用电池，供电方法包括：在电源装置正常工作时，通过电源装置为负载供电，同时电源装置对备用电池进行浮充电，主电池处于待机模式；当电源装置断电时，通过备用电池为负载供电，同时触发主电池由待机模式切换为备电模式，开始为负载供电；当主电池的输出功率与负载的功率平衡时，备用电池的输出功率为零，处于旁路状态；当主电池的最大输出功率小于负载的功率时，通过主电池和备用电池为负载供电。通过上述方式，本发明实施例能够提高储能系统的能量密度及安全可靠性。

Description

储能系统及其供电方法
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种储能系统及其供电方法。
背景技术
为了在电网断电时保证数据中心的正常运行，数据中心需配置储能系统，随着全球互联网大数据呈现爆发性增长，对储能系统中电池的效率、功率密度、可靠度都提出了更高要求。
目前主要使用安全性较高但能量密度较低的铅酸蓄电池作为备用电池，这成为了数据中心电池功率密度提升的一大瓶颈，并且铅酸蓄电池循环寿命低导致储能系统后期维护频繁，成本增加；锂离子电池或其它新型电池以其高能量密度和高循环寿命逐渐被广泛应用在各大行业，然而其在安全性及高倍率放电特性上不足，限制了其在对备电安全性要求较高的储能系统中的应用。
发明内容
本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种储能系统及其供电方法，能够提高储能系统的能量密度及安全可靠性。
第一方面，本发明实施例采用的一个技术方案是：提供一种储能系统供电方法，所述储能系统包括为直流母线供电的电源装置，以及并联连接在所述直流母线上的主电池和备用电池，所述供电方法包括：
在所述电源装置正常工作时，通过所述电源装置为负载供电，同时所述电源装置对所述备用电池进行浮充电，所述主电池处于待机模式；
当所述电源装置断电时，通过所述备用电池为所述负载供电，同时触发所述主电池由所述待机模式切换为备电模式，开始为所述负载供电；
当所述主电池的输出功率与所述负载的功率平衡时，所述备用电池的输出功率为零，处于旁路状态；
当所述主电池的最大输出功率小于所述负载的功率时，通过所述主电池和所述备用电池为所述负载供电；
当所述电源装置恢复供电时，通过所述电源装置和所述主电池共同为所述负载供电，同时所述电源装置和所述主电池为所述备用电池充电；
当所述直流母线电压高于额定工作电压时，通过所述电源装置为所述负载供电，同时所述电源装置为所述备用电池和所述主电池充电。
在一实施例中，所述供电方法还包括：
在所述备用电池和所述主电池充电完成后，所述直流母线电压回落至所述额定工作电压，所述电源装置对所述备用电池进行浮充电，所述主电池保持在所述待机模式。
在一实施例中，所述储能系统还包括通信链路，所述通信链路用于实现所述电源装置和所述主电池之间的通信，所述供电方法还包括：
所述电源装置向所述主电池发送调度指令，以使所述主电池由所述待机模式切换为调度模式，并使所述主电池根据所述调度指令进行充/放电；
所述主电池根据所述调度指令充/放电完成后，所述主电池重新保持在所述待机模式。
可选地，所述调度指令包括放电指令和充电指令，所述电源装置向所述主电池发送调度指令，具体包括：
所述电源装置向所述主电池发送放电指令，以使所述主电池根据所述放电指令进行放电，其中，所述放电指令包括以下中的任意两项：目标SOC值，目标放电倍率，以及目标放电时间；或者，
所述电源装置向所述主电池发送充电指令，以使所述主电池根据所述充电指令进行充电，其中，所述充电指令包括以下中的任意两项：目标SOC值，目标充电倍率，以及目标充电时间。
可选地，所述供电方法还包括：
当所述主电池与所述电源装置通信异常时，或者当所述主电池与所述电源装置通信正常，所述直流母线电压低于预设触发电压时，或者当所述主电池接收到所述电源装置的强制切换指令时，所述主电池由所述待机模式或者所述调度模式切换为所述备电模式。
在一些实施例中，所述主电池包括多个电池模组，每一所述电池模组包括电芯单元、电池管理单元、直流功率变换单元和第二通信接口，所述电池管理单元的一端与所述电芯单元连接，所述电池管理单元的另一端与所述直流功率变换单元连接，所述电池管理单元和所述直流功率变换单元均与所述第二通信接口连接，所述第二通信接口与其余所述电池模组的第二通信接口连接；
所述直流功率变换单元设置有控制器和采样电路，所述控制器通过所述第二通信接口获取所有所述电池模组的当前SOC值，以及通过所述采样电路获取其所在电池模组的电流，根据获取的所有所述电池模组的当前SOC值和其所在电池模组的电流确定其所在电池模组的工作电压；
当所述工作电压高于下限电压值时，所述控制器控制其所在电池模组输出所述工作电压，当所述工作电压低于所述下限电压值时，所述控制器控制其所在电池模组输出所述下限电压值。
可选地，所述控制器根据所有所述电池模组的当前SOC值和其所在电池模组的电流确定其所在电池模组的工作电压，具体包括：
根据所有所述电池模组的当前SOC值，确定其所在电池模组的均衡控制系数KSOC，所述均衡控制系数KSOC在所述主电池供电的情况下与当前SOC值负相关，在所述主电池充电的情况下与(1-当前SOC值)负相关；
根据公式：Vi＝VNOR+－KSOCi·Ii，计算所述其所在电池模组的工作电压，其中，Vi为第i个电池模组的工作电压，VNOR+为所述直流母线的额定工作电压，KSOCi为第i个电池模组的均衡控制系数，Ii为第i个电池模组的电流，i为大于或者等于1的正整数。
第二方面，本发明实施例提供一种储能系统，包括为直流母线供电的电源装置，以及并联连接在所述直流母线上的主电池和备用电池；
在所述电源装置正常工作时，所述电源装置用于为负载供电，以及用于对所述备用电池进行浮充电，所述主电池处于待机模式；
当所述电源装置断电时，所述备用电池用于为所述负载供电，同时主电池由所述待机模式切换为备电模式，开始为所述负载供电；
当所述主电池的输出功率与所述负载的功率平衡时，所述备用电池的输出功率为零，处于旁路状态；
当所述主电池的最大输出功率小于所述负载的功率时，所述备用电池和所述主电池共同为所述负载供电。
当所述电源装置恢复供电时，所述电源装置和所述主电池共同为所述负载供电，同时所述电源装置和所述主电池为所述备用电池充电；
当所述直流母线电压高于额定工作电压时，所述电源装置为所述负载供电，同时所述电源装置为所述备用电池和所述主电池充电。
在一实施例中，在所述备用电池和所述主电池充电完成后，所述直流母线电压回落至所述额定工作电压，所述电源装置对所述备用电池进行浮充电，所述主电池保持在所述待机模式。
在一实施例中，所述储能系统还包括通信链路，所述通信链路用于实现所述电源装置和所述主电池之间的通信；
所述电源装置还用于向所述主电池发送调度指令，以使所述主电池由所述待机模式切换为调度模式，所述主电池还用于根据所述调度指令进行充/放电；
在所述主电池根据所述调度指令充/放电完成后，所述主电池重新保持在所述待机模式。
可选地，所述调度指令包括放电指令和充电指令，所述电源装置用于向所述主电池发送调度指令，具体包括：
所述电源装置用于向所述主电池发送放电指令，以使所述主电池根据所述放电指令进行放电，其中，所述放电指令包括以下中的任意两项：目标SOC值，目标放电倍率，以及目标放电时间；或者，
所述电源装置用于向所述主电池发送充电指令，以使所述主电池根据所述充电指令进行充电，其中，所述充电指令包括以下中的任意两项：目标SOC值，目标充电倍率，以及目标充电时间。
可选地，当所述主电池与所述电源装置通信异常时，或者当所述主电池与所述电源装置通信正常，所述直流母线电压低于预设触发电压时，或者当所述主电池接收到所述电源装置的强制切换指令时，所述主电池由所述待机模式或者所述调度模式切换为所述备电模式。
在一些实施例中，所述主电池包括多个电池模组，每一所述电池模组包括电芯单元、电池管理单元、直流功率变换单元和第二通信接口，所述电池管理单元的一端与所述电芯单元连接，所述电池管理单元的另一端与所述直流功率变换单元连接，所述电池管理单元和所述直流功率变换单元均与所述第二通信接口连接，所述第二通信接口与其余所述电池模组的第二通信接口连接；
所述直流功率变换单元设置有控制器和采样电路，所述控制器通过所述第二通信接口获取所有所述电池模组的当前SOC值，以及通过所述采样电路获取其所在电池模组的电流，根据获取的所有所述电池模组的当前SOC值和其所在电池模组的电流确定其所在电池模组的工作电压；
当所述工作电压高于下限电压值时，所述控制器控制其所在电池模组输出所述工作电压，当所述工作电压低于所述下限电压值时，所述控制器控制其所在电池模组输出所述下限电压值。
可选地，所述控制器根据获取的所有所述电池模组的当前SOC值和其所在电池模组的电流确定其所在电池模组的工作电压，具体包括：
根据所有所述电池模组的当前SOC值，确定其所在的电池模组的均衡控制系数KSOC，所述均衡控制系数KSOC在所述主电池供电的情况下与当前SOC值负相关，在所述主电池充电的情况下与(1-当前SOC值)负相关；
根据公式：Vi＝VNOR+－KSOCi·Ii，计算所述其所在电池模组的工作电压，其中，Vi为第i个电池模组的工作电压，VNOR+为所述直流母线的额定工作电压，KSOCi为第i个电池模组的均衡控制系数，Ii为第i个电池模组的电流，i为大于或者等于1的正整数。
在一些实施例中，所述主电池为锂离子电池，所述备用电池为铅酸蓄电池或超级电容。
区别于相关技术的情况，本发明实施例的储能系统包括并联连接在所述直流母线上的主电池和备用电池，在电源装置正常工作时，通过电源装置为负载供电，同时电源装置对备用电池进行浮充电，主电池处于待机模式；当电源装置断电时，通过备用电池为负载供电，同时触发主电池由待机模式切换为备电模式，开始为负载供电；当主电池的输出功率与负载的功率平衡时，备用电池的输出功率为零，处于旁路状态；通过上述方式，可选择具有高倍率放电性能的电池作为备用电池，选择具有高能量密度和高循环性能的电池作为主电池，从而提高储能系统的能量密度及安全可靠性。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的储能系统的示意图；
图2a-2f是本发明实施例提供的在电源装置断电至恢复供电过程中储能系统的各组件的工作示意图；
图3是本发明实施例提供的在电源装置断电至恢复供电过程中储能系统的各组件的输出功率及电池SOC的变化示意图；
图4是本发明实施例提供的主电池在三种模式之间的切换示意图；
图5是本发明实施例提供的储能系统的主电池的示意图；
图6是本发明实施例提供的主电池的电池模组的示意图；
图7是本发明实施例提供的电池模组的直流功率变换单元的示意图；
图8是本发明实施例提供的电池模组的控制器的控制框图；
图9a-9b是本发明实施例提供的储能系统中的主电池配置有两个电池模组时的V/I工作特性图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例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。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1是本发明实施例提供的储能系统100的示意图，储能系统100包括电源装置110、主电池120和备用电池120；电源装置110的输入端接入交流电网10，电源装置110的输出端与直流母线20连接，电源装置110用于将交流电网10的电能转化为特定直流电压，并为直流母线20供电；主电池120和备用电池130并联连接在直流母线20上，在交流电网10断电和/或电源装置110故障时(以下统称为电源装置110断电)，主电池120和备用电池130用于为直流母线20供电，以维持直流母线20上负载30的正常工作。
负载30根据实际需要可以为多个设备，例如，当该储能系统100应用于数据中心时，负载30为IT类设备，当该储能系统100应用于通信基站时，负载30为通信类设备。
储能系统100还包括通信链路140，通信链路140用于实现电源装置110和主电池120之间的通信。示例性地，可分别在电源装置110和主电池120上设置第一通信接口，通过电子线将电源装置110和主电池120的第一通信接口连接来建立通信链路140，又如，可分别在电源装置110和主电池120上设置无线通讯模块，通过无线通讯模块间的通信来建立通信链路140。在实际应用中，电源装置110和/或主电池120还可以通过其第一通信接口或者无线通讯模块与外部设备进行通信。
根据主电池120的工作状态不同，主电池120的工作模式包括待机模式和备电模式。当电源装置110正常支撑直流母线20电压时，亦即，当直流母线20电压处于额定工作电压时，主电池120处于待机模式，在待机模式下，主电池120与直流母线20之间无能量交互，即主电池120处于休眠状态；仅当主电池120检测到其荷电状态(state of charge，SOC)，即剩余容量与其完全充电状态的容量的比值因电能自耗导致低于阈值时，主电池120获取直流母线20上的电能进行补电。
当异常工况发生时，主电池120由待机模式切换为备电模式，在备电模式下，主电池120向直流母线20输出电能为负载30供电。其中，异常工况包括但不限于：a)在与电源装置110通信正常的情况下，检测到直流母线20电压低于预设触发电压，该预设触发电压可以是一个固定数值，也可以为电源装置110的输出电压的百分比值，电源装置110输出电压可通过与电源装置110通信获取；b)与电源装置110通信异常，包括与电源装置110的通信丢失，或者通过通信链路140接收电源装置110异常运行的信号；c)通过通信链路140接收电源装置110下发的强制切换指令。
备用电池130常接在直流母线20上，当电源装置110正常支撑直流母线20电压时，备用电池130处于浮充电状态；在异常工况发生瞬间，切换为备电模式的主电池120还未输出功率，备用电池130起到支撑直流母线20电压的作用；随着主电池120的输出功率逐渐增加，对应的，备用电池130的输出功率逐渐降低至0，备用电池130的输出功率为0，处于旁路状态，储能系统100的能量由主电池120提供。
在主电池120的输出功率降低，或负载30的功率增大，导致主电池120的最大输出功率仍小于负载30负荷功率的情况下，备用电池130参与供电；随着主电池120和备用电池130的电能进一步消耗，当备用电池130的电压达到其放电截止电压时，整个储能系统100断电停机。
当电源装置110恢复供电后，在电源装置110和主电池120(若主电池120还有电量)为负载30供电的同时，由于备用电池130两端的电压还未上升到最初的额定工作电压(该额定工作电压也即为备用电池130的浮充电压)，电源装置110和主电池120也为备用电池130充电；随着直流母线20电压的抬升，当直流母线20电压高于额定工作电压时，电源装置110开始为主电池120充电，直至主电池120和备用电池130均充满电，直流母线20电压回落至额定工作电压，主电池120重新保持在待机模式，备用电池130重新处于浮充电状态。
在电源装置110断电至恢复正常供电的过程中，储能系统100具体的工作过程如下：
请一并参阅图2a和图3，T0时段，在电源装置110正常工作时，由电源装置110为负载30供电，同时电源装置110对备用电池130进行浮充电，主电池120处于待机模式，输出功率为0；此时主电池120的SOC与备用电池130的SOC均在100％左右。
请一并参阅图2b和图3，T1时段，在电源装置110异常断电时，直流母线20电压由备用电池130支撑，由于电池内阻等原因，直流母线20电压会有小幅跌落，低于额定工作电压，主电池120由待机模式切换为备电模式，但尚未输出功率，该情况下，主电池120和电源装置110之间的通信链路140可能继续连接，也可能断开；备用电池130满负荷工作，主电池120的SOC不变，备用电池130的SOC以较高速率降低，该过程持续数十秒左右。
请一并参阅图2c和图3，T2时段，主电池120的输出功率逐渐增加，直至与负载30的功率达到动态平衡，对应的，备用电池130的输出功率逐渐降低至0，当备用电池130的输出功率为0时，备用电池130处于旁路状态；主电池120的SOC开始降低，备用电池130的SOC可视为稳定不变。
请一并参阅2d和图3，T3时段，随着主电池120的部分电池模组的SOC降为0，退出供电，主电池120的最大输出功率降低，当主电池120的最大输出功率小于负载30的功率时，备用电池130参与供电；主电池120的SOC和备用电池130的SOC持续降低。
请一并参阅图2e和图3，T4时段，电源装置110恢复供电后，由于直流母线20电压未恢复到额定工作电压，主电池120仍保持对外输出功率直至直流母线20电压回升至额定工作电压，电源装置110和主电池120共同为负载30供电的同时，也共同为备用电池130充电；该阶段备用电池130的SOC上升，但主电池120的SOC仍持续降低；
请一并参阅图2f和图3，T5时段，随着直流母线20电压进一步高于额定电压，主电池120开始充电，电源装置110同时为负载30、主电池120和备用电池130供电；主电池120的SOC和备用电池130的SOC均因充电上升。
T6时段，随着主电池120的SOC和备用电池130的SOC持续上升，在备用电池130和主电池120充电完成后，直流母线20电压回落至额定工作电压(如图2a所示)，电源装置110对备用电池130进行浮充电，主电池120重新保持在待机模式，。
在实际应用中，可选择具有高倍率放电性能的电池或者超级电容作为备用电池130，在异常工况发生的瞬间起到支撑直流母线20电压的作用；选择具有高能量密度和高循环性能的电池作为主电池120，在电源装置100断电期间，主要由主电池120供电，即使主电池120中所有电池模组全部失效，仍然可以通过备用电池130为负载30提供电能；通过上述方式，提高储能系统的能量密度及安全可靠性。
在一实施例中，主电池120为锂离子电池或镍基电池，备用电池130为铅酸蓄电池。锂离子电池或镍基电池具有能量密度高、循环性能好等优点，铅酸蓄电池具有高倍率放电性能、安全性高、成本低等优点，将锂离子电池或镍基电池作为主电池120使用，提高了储能系统的能量密度，将铅酸蓄电池作为备用电池130使用，减少了铅酸蓄电池的充放电次数，特别是深度放电次数，提高了储能系统的安全可靠性及铅酸蓄电池的使用寿命。
在一实施例中，主电池120的工作模式还包括调度模式，主电池120可通过通信链路140接收电源装置110下发的调度指令，主电池120接收到调度指令后，由待机模式转换为调度模式；在调度模式下，直流母线20电压由电源装置110控制，备用电池130仍处于浮充状态，主电池120根据调度指令进行充/放电。
其中，调度指令包括以下中的任意两项：目标SOC值，目标充/放电倍率，以及目标充/放电时间。
示例性地，若调度指令包括目标SOC值和目标充/放电倍率，主电池120以上述目标充/放电倍率进行充/放电，达到目标SOC值后，切换为待机模式。
示例性地，若调度指令包括目标SOC值和目标充/放电时间，主电池120以(当前SOC－目标SOC值)÷目标充/放电时间作为充/放电倍率进行工作，达到目标SOC值后，切换为待机模式。
示例性地，若调度指令包括目标充/放电倍率和目标充/放电时间，主电池120以上述目标充/放电倍率进行充/放电并开始计时，计时达到目标充/放电时间后，切换为待机模式。
通过电源装置110向主电池120发送调度指令，储能系统100可进行能量调度管理产生经济效益。具体地，在电价的峰时段，电源装置110向主电池120发送放电指令，其中，放电指令包括以下中的任意两项：目标SOC值，目标放电倍率，以及目标放电时间，可使主电池120根据上述放电指令进行放电，降低电源装置110的输出功率；在电价的谷时段，电源装置110向主电池120发送充电指令，其中，充电指令包括以下中的任意两项：目标SOC值，目标充电倍率，以及目标充电时间，可使主电池120根据上述充电指令进行充电，为下一次放电准备。
同样地，当异常工况发生时，主电池120也可由调度切换为备电模式，异常工况包括但不限于：a)在与电源装置110通信正常的情况下，检测到直流母线20电压低于预设触发电压，该预设触发电压可以是一个固定数值，也可以为电源装置110输出电压的百分比值，其中，电源装置110的输出电压可通过与电源装置110通信获取；b)与电源装置110通信异常，包括与电源装置110的通信丢失，或者通过通信链路140接收电源装置110异常运行的信号；c)通过通信链路140接收电源装置110下发的强制切换指令。
图4示出了主电池120在待机模式、调度模式和备电模式之间的切换，当电源装置110正常工作时，主电池120默认处于待机模式，当异常工况发生时，主电池120由待机模式切换为备电模式；当接收到调度指令时，主电池120由待机模式切换为调度模式；调度模式下，当异常工况发生时，主电池120又由调度模式切换为备电模式。
本发明实施例还提供一种上述储能系统100的主电池120的具体实施例，如图5和图6所示，本实施例中的主电池120包括多个电池模组120a，每一电池模组120a包括电芯单元121、电池管理单元122、直流功率变换单元123以及第二通信接口124；电池管理单元122的一端与电芯单元121连接，电池管理单元122的另一端与直流功率变换单元123连接，电池管理单元122和直流功率变换单元123均与第二通信接口124连接，第二通信接口124还与其余电池模组120a的第二通信接口120连接，以实现与其余电池模组120a之间的通信。
可以理解的是，上述所描述的功能模块仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，例如，该第二通信接口124与上述用于与电源装置110通信的第一通信接口在物理上可以是一个通信接口，本实施例中的第一通信接口、第二通信接口124只是用于作用上的区分；又如，第二通信接口124可与直流功率变换单元123集成在同一芯片上。
直流功率变换单元123的功率输出端作为电池模组120a对外的直流功率接口125，直流功率接口125与其余电池模组120a的直流功率接口125并联，并联的接口又与直流母线20并联。
电池管理单元122用于对电芯单元121中的多个单体电芯进行监控管理，具体的，主要包括以下功能：对任一单体电芯的电压、温度进行监控；获取、计算电芯单元121的总电压、总电流、SOC等信息；对电芯单元121和/或单体电芯进行过欠压、过流、高低温等保护；对能量过高的单体电芯均衡等功能。上述技术为现有技术，其在本领域技术人员容易理解的范围内，在此不再赘述。
如图7所示，直流功率变换单元123包括DC-DC功率电路、控制器、采样电路以及开关管驱动电路，DC-DC功率电路的功率输入接口连接电芯单元121或电池管理单元122的功率输出端，DC-DC功率电路的功率输出接口与其余电池模组120a中的DC-DC功率电路的功率输出接口并联。DC-DC功率电路可以为任何一种常见的双向、直流-直流变换的功率拓扑，例如Buck-Boost、DAB、LLC-SRC、CLLC等电路拓扑。
采样电路与DC-DC功率电路连接，用于采集DC-DC功率电路的电压和输出电流，控制器通过第二通信接口124获取所有电池模组120a的当前SOC值，通过采样电路获取其所在电池模组120a的电流，根据获取的所有电池模组120a的当前SOC值和其所在电池模组120a的电流确定其所在电池模组120a的工作电压。
当工作电压高于下限电压值时，控制器根据该工作电压驱动开关管驱动电路，进而通过开关管驱动电路驱动DC-DC功率电路工作，以控制其所在电池模组120a输出该工作电压；当工作电压低于下限电压值时，控制器根据该下限电压值驱动开关管驱动电路，以控制其所在电池模组120a输出的电压为该下限电压值。
控制器的控制逻辑如图8所示，首先，控制器根据所有电池模组120a的当前SOC值以及其所在电池模组120a的电流，确定其所在电池模组120a的工作电压，将该工作电压与下限电压值比较取较大值，以较大值作为电压环的电压给定值，该电压给定值与电压反馈值作差值后，输入电压环，经电压环调节后输出电流给定值；然后，将该电流给定值与上限电流值比较取较小值，以较小值作为电流环的电流给定值，与电流反馈值作差值后，输入电流环，经电流环调节后输出相应的驱动信号驱动开关管驱动电路。
控制器的实现载体为任意一种具备满足电路工作所需外设资源的可编程功能的控制芯片，本实施例以DSP芯片为例进行阐述。DSP芯片通过模数转换器ADC将DC-DC功率电路的电参数(如电压、电流)采样收集，并通过其通信接口(eCAN、UART等)收集其他电池模组的电参数(如当前SOC值)信息，在片内CPU进行处理，最终生成控制信号，通过ePWM输出，通过开关管驱动电路控制DC-DC功率电路的逆变电路和整流电路中的开关管动作，从而实现控制其所在电池模组120a输出特定电压。
控制器可使多个电池模组120a以一种与其电池SOC相关的下垂特性输出，其下垂特性使得多个电池模组120a能够并联在直流母线20中使用而不影响系统的稳定性；通过引入电池SOC信息，使得多个电池模组120a在使用过程中能够维持各个电池模组120a间的SOC实现动态平衡。
在一实施方式中，控制器根据所有电池模组120a的当前SOC值和其所在电池模组120a的电流确定其所在电池模组120a的工作电压，具体包括：
1)根据所有电池模组120a的当前SOC值，确定其所在电池模组120a的均衡控制系数KSOC，均衡控制系数KSOC在主电池120供电的情况下与当前SOC值负相关，在主电池120充电的情况下与(1-当前SOC值)负相关.
示例性地，当主电池120供电时，先计算其所在电池模组120a的比值系数
Figure BDA0003604260210000141
其中，
Figure BDA0003604260210000142
为所有电池模组120a的当前SOC值均值，SOCi为当前电池模组120a的当前SOC值；然后根据预设系数K计算其所在电池模组120a的均衡控制系数KSOCi＝K·ki。
当主电池120充电时，先计算其所在电池模组120a的比值系数
Figure BDA0003604260210000143
其中，
Figure BDA0003604260210000144
为所有电池模组120a的(1-当前SOC值)均值，(1-SOCi)为当前电池模组120a的(1-当前SOC值)的值；然后根据预设系数K计算其所在电池模组120a的均衡控制系数KSOCi＝K·ki。
预设系数K可以按K＝ΔVmax/Imax，对K取值，其中，ΔVmax为储能系统100在全范围工作状态下可接受的最大电压跌落或电压抬升，对应的，Imax是电池模组120a的最大充放电电流。
在其他一些实施例中，当对均衡速度有较高要求时，可以引入幂指数以加大SOC值的均衡差异，此时均衡控制项的比值系数，
Figure BDA0003604260210000145
或者比值系数
Figure BDA0003604260210000146
2)根据公式：Vi＝VNOR+－KSOCi·Ii，计算其所在电池模组120a的工作电压，其中，Vi为第i个电池模组120a的工作电压，VNOR+为直流母线20的额定工作电压，同时也为备用电池130的浮充电压，KSOCi为第i个电池模组120a的均衡控制系数，Ii为第i个电池模组120a的电流，i为大于或者等于1的正整数。
在一实施方式中，控制器还可以根据所有电池模组120a的当前SOC值和其所在电池模组120a的输出功率确定其所在电池模组120a的工作电压，与上述实施例的不同之处在于，预设系数K＝ΔVmax/Pmax，Pmax是电池模组120a的最大充放电功率；相应的，计算公式为：Vi＝VNOR+－KSOCi·Pi，Pi为第i个电池模组120a的功率，i为大于或者等于1的正整数。
本实施例中，储能系统100中的主电池120包括多个电池模组120a，在备电模式下，即在主电池120放电或者充电时，每一电池模组120a内的控制器可基于其电池SOC制定相应的控制策略，达到能量均衡的效果，维持系统的稳定。
请参阅图9a、9b，图9a、9b示出了储能系统100中的主电池120配置有两个电池模组时的V/I工作特性，其中设定在工作过程中模组A的SOC小于模组B的SOC。
正常工况下，电源装置110以额定工作电压VNOR+输出电能，备用电池130处于浮充状态，主电池120处于待机模式，处于图中工作点O。
当电源装置110断电时，停止工作的瞬间直流母线20电压由备用电池130支撑，由备用电池130为负载30供电。由于电池内阻等原因，直流母线20电压低于额定工作电压VNOR+，主电池120被触发切换为备电模式，并对负载30供电。
由于模组A、模组B的SOC不一样，工作曲线也不一样，在某一个时刻，主电池120的输出功率和负载30的功率平衡时，模组A、模组B的稳定工作点分别在A1、B1；若负载30负荷较重，则该时刻的稳定工作点在A2、B2，在B2点处，模组B以硬件允许的最大电流(即图8中所示的上限电流值)限流工作；若负载30负荷进一步加重，则该时刻的稳定工作点在A3、B3，此时模组A开始限压工作，模组A的输出电压固定在下限电压值VNOR-。
当模组A、B的稳定工作点在A4、B3时，两个电池模组均以最大功率输出；若负载30负荷功率仍大于主电池120的输出功率，则备用电池130参与供电。随着备用电池130的电能消耗，端口电压下降，模组A、B的工作点向E点移动，当工作点处于Ed点后，备用电池130放电截止，储能系统100断电停机。
如图9b所示，若电源装置110在A1、B1至Ed阶段中任意时刻重新恢复工作，则工作点将随着备用电池130的端电压上升沿着曲线反回至工作点O，并逐渐开始对模组A、B进行充电。
当电源装置110为备用电池130充电至工作点O后，模组A、B逐渐开始充电。随着备用电池130的端电压上升，SOC较小的模组A的工作点将沿着O、A5、A6、A7转移，并于工作点A7以最大功率充电；SOC较大的模组B的工作点将沿着O、B5、B6、B7转移。随着模组A、B的SOC逐步接近100％，工作点分别从A7、B7向Ec转移，当工作点到达Ec后，模组A、B完成充电并切换为待机模式。
当模组A与模组B均进入待机模式，且备用电池130达到了满充条件后，电源装置110将输出电压调节至额定工作电压点VNOR+，为备用电池130浮充，储能系统100回归正常工况。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (15)

1.一种储能系统供电方法，其特征在于，所述储能系统包括为直流母线供电的电源装置，以及并联连接在所述直流母线上的主电池和备用电池，所述供电方法包括：
在所述电源装置正常工作时，通过所述电源装置为负载供电，同时所述电源装置对所述备用电池进行浮充电，所述主电池处于待机模式；
当所述电源装置断电时，通过所述备用电池为所述负载供电，同时触发所述主电池由所述待机模式切换为备电模式，开始为所述负载供电；
当所述主电池的输出功率与所述负载的功率平衡时，所述备用电池的输出功率为零，处于旁路状态；
当所述主电池的最大输出功率小于所述负载的功率时，通过所述主电池和所述备用电池为所述负载供电；
当所述电源装置恢复供电时，通过所述电源装置和所述主电池共同为所述负载供电，同时所述电源装置和所述主电池为所述备用电池充电；
当所述直流母线电压高于额定工作电压时，通过所述电源装置为所述负载供电，同时所述电源装置为所述备用电池和所述主电池充电。
2.根据权利要求1所述的供电方法，其特征在于，所述供电方法还包括：
在所述备用电池和所述主电池充电完成后，所述直流母线电压回落至所述额定工作电压，所述电源装置对所述备用电池进行浮充电，所述主电池保持在所述待机模式。
3.根据权利要求2所述的供电方法，其特征在于，所述储能系统还包括通信链路，所述通信链路用于实现所述电源装置和所述主电池之间的通信，所述供电方法还包括：
所述电源装置向所述主电池发送调度指令，以使所述主电池由所述待机模式切换为调度模式，并使所述主电池根据所述调度指令进行充/放电；
所述主电池根据所述调度指令充/放电完成后，所述主电池重新保持在所述待机模式。
4.根据权利要求3所述的供电方法，其特征在于，所述调度指令包括放电指令和充电指令，所述电源装置向所述主电池发送调度指令，具体包括：
所述电源装置向所述主电池发送放电指令，以使所述主电池根据所述放电指令进行放电，其中，所述放电指令包括以下中的任意两项：目标SOC值，目标放电倍率，以及目标放电时间；或者，
所述电源装置向所述主电池发送充电指令，以使所述主电池根据所述充电指令进行充电，其中，所述充电指令包括以下中的任意两项：目标SOC值，目标充电倍率，以及目标充电时间。
5.根据权利要求3所述的供电方法，其特征在于，所述供电方法还包括：
当所述主电池与所述电源装置通信异常时，或者当所述主电池与所述电源装置通信正常，所述直流母线电压低于预设触发电压时，或者当所述主电池接收到所述电源装置的强制切换指令时，所述主电池由所述待机模式或者所述调度模式切换为所述备电模式。
6.根据权利要求1-5任一项所述的供电方法，其特征在于，
所述主电池包括多个电池模组，每一所述电池模组包括电芯单元、电池管理单元、直流功率变换单元和第二通信接口，所述电池管理单元的一端与所述电芯单元连接，所述电池管理单元的另一端与所述直流功率变换单元连接，所述电池管理单元和所述直流功率变换单元均与所述第二通信接口连接，所述第二通信接口与其余所述电池模组的第二通信接口连接；
所述直流功率变换单元设置有控制器和采样电路，所述控制器通过所述第二通信接口获取所有所述电池模组的当前SOC值，以及通过所述采样电路获取其所在电池模组的电流，根据获取的所有所述电池模组的当前SOC值和其所在电池模组的电流确定其所在电池模组的工作电压；
当所述工作电压高于下限电压值时，所述控制器控制其所在电池模组输出所述工作电压，当所述工作电压低于所述下限电压值时，所述控制器控制其所在电池模组输出所述下限电压值。
7.根据权利要求6所述的供电方法，其特征在于，所述控制器根据所有所述电池模组的当前SOC值和其所在电池模组的电流确定其所在电池模组的工作电压，具体包括：
根据所有所述电池模组的当前SOC值，确定其所在电池模组的均衡控制系数KSOC，所述均衡控制系数KSOC在所述主电池供电的情况下与当前SOC值负相关，在所述主电池充电的情况下与(1-当前SOC值)负相关；
根据公式：Vi＝VNOR+－KSOCi·Ii，计算所述其所在电池模组的工作电压，其中，Vi为第i个电池模组的工作电压，VNOR+为所述直流母线的额定工作电压，KSOCi为第i个电池模组的均衡控制系数，Ii为第i个电池模组的电流，i为大于或者等于1的正整数。
8.一种储能系统，其特征在于，包括为直流母线供电的电源装置，以及并联连接在所述直流母线上的主电池和备用电池；
在所述电源装置正常工作时，所述电源装置用于为负载供电，以及用于对所述备用电池进行浮充电，所述主电池处于待机模式；
当所述电源装置断电时，所述备用电池用于为所述负载供电，同时所述主电池由所述待机模式切换为备电模式，开始为所述负载供电；
当所述主电池的输出功率与所述负载的功率平衡时，所述备用电池的输出功率为零，处于旁路状态；
当所述主电池的最大输出功率小于所述负载的功率时，所述备用电池和所述主电池共同为所述负载供电；
当所述电源装置恢复供电时，所述电源装置和所述主电池共同为所述负载供电，同时所述电源装置和所述主电池为所述备用电池充电；
当所述直流母线电压高于额定工作电压时，所述电源装置为所述负载供电，同时所述电源装置为所述备用电池和所述主电池充电。
9.根据权利要求8所述的储能系统，其特征在于，
在所述备用电池和所述主电池充电完成后，所述直流母线电压回落至所述额定工作电压，所述电源装置对所述备用电池进行浮充电，所述主电池保持在所述待机模式。
10.根据权利要求9所述的储能系统，其特征在于，所述储能系统还包括通信链路，所述通信链路用于实现所述电源装置和所述主电池之间的通信；
所述电源装置还用于向所述主电池发送调度指令，以使所述主电池由所述待机模式切换为调度模式，所述主电池还用于根据所述调度指令进行充/放电；
在所述主电池根据所述调度指令充/放电完成后，所述主电池重新保持在所述待机模式。
11.根据权利要求10所述的储能系统，其特征在于，所述调度指令包括放电指令和充电指令，所述电源装置用于向所述主电池发送调度指令，具体包括：
所述电源装置用于向所述主电池发送放电指令，以使所述主电池根据所述放电指令进行放电，其中，所述放电指令包括以下中的任意两项：目标SOC值，目标放电倍率，以及目标放电时间；或者，
所述电源装置用于向所述主电池发送充电指令，以使所述主电池根据所述充电指令进行充电，其中，所述充电指令包括以下中的任意两项：目标SOC值，目标充电倍率，以及目标充电时间。
12.根据权利要求10所述的储能系统，其特征在于，
当所述主电池与所述电源装置通信异常时，或者当所述主电池与所述电源装置通信正常，所述直流母线电压低于预设触发电压时，或者当所述主电池接收到所述电源装置的强制切换指令时，所述主电池由所述待机模式或者所述调度模式切换为所述备电模式。
13.根据权利要求8-12任一项所述的储能系统，其特征在于，
所述主电池包括多个电池模组，每一所述电池模组包括电芯单元、电池管理单元、直流功率变换单元和第二通信接口，所述电池管理单元的一端与所述电芯单元连接，所述电池管理单元的另一端与所述直流功率变换单元连接，所述电池管理单元和所述直流功率变换单元均与所述第二通信接口连接，所述第二通信接口与其余所述电池模组的第二通信接口连接；
所述直流功率变换单元设置有控制器和采样电路，所述控制器通过所述第二通信接口获取所有所述电池模组的当前SOC值，以及通过所述采样电路获取其所在电池模组的电流，根据获取的所有所述电池模组的当前SOC值和其所在电池模组的电流确定其所在电池模组的工作电压；
当所述工作电压高于下限电压值时，所述控制器控制其所在电池模组输出所述工作电压，当所述工作电压低于所述下限电压值时，所述控制器控制其所在电池模组输出所述下限电压值。
14.根据权利要求13所述的储能系统，其特征在于，
所述控制器根据获取的所有所述电池模组的当前SOC值和其所在电池模组的电流确定其所在电池模组的工作电压，具体包括：
根据所有所述电池模组的当前SOC值，确定其所在的电池模组的均衡控制系数KSOC，所述均衡控制系数KSOC在所述主电池供电的情况下与当前SOC值负相关，在所述主电池充电的情况下与(1-当前SOC值)负相关；
根据公式：Vi＝VNOR+－KSOCi·Ii，计算所述其所在电池模组的工作电压，其中，Vi为第i个电池模组的工作电压，VNOR+为所述直流母线的额定工作电压，KSOCi为第i个电池模组的均衡控制系数，Ii为第i个电池模组的电流，i为大于或者等于1的正整数。
15.根据权利要求8-12任一项所述的储能系统，其特征在于，
所述主电池为锂离子电池，所述备用电池为铅酸蓄电池或者超级电容。
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