CN117748668A - 一种储能系统电池pack间能量转移系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能系统电池PACK间能量转移系统及方法，所述系统中，每个所述电池PACK的输出端连接一个PACK控制器；电池簇的两端分别接入输出正母线和输出负母线，输出正母线和输出负母线连接储能变流器PCS；所述系统还包括均衡母线；每个电池簇配置一个能量转移电路，能量转移电路包括电抗器L、开关K1、开关K2，开关K1、开关K2并联后与电抗器L串联，电抗器L与电池簇连接，开关K1与输出母线连接，开关K2与均衡母线连接。本发明通过均衡母线以及能量转移电路优化储能系统的拓扑结构，能够对因故障退出的电池簇中无故障电池PACK的能量进行转移，解决容量和电量损失的问题。

Description

一种储能系统电池PACK间能量转移系统及方法

技术领域

本发明涉及储能系统技术领域，特别是涉及一种储能系统电池PACK间能量转移系统及方法。

背景技术

储能系统中，单体电池串并联构成电池箱，电池箱串并联构成电池簇，多个电池簇直接并联接入同一直流母排。当前储能系统中，针对电池PACK级控制的储能系统方案，直流母线可以并列后接集中式PCS，因此故障处置方案不同。针对电池PACK级控制，仅在很少的储能系统中看到部分厂家在电池PACK中增加DC/DC模块的控制方案，实现电池PACK级管理，该DC/DC模块方案成本高、损耗大，且未看到有在大型储能系统中应用；基于电池模块级控制的能量转移方案，暂未看到有厂家应用。储能系统中，当电池模块发生故障后，可切除故障电池PACK继续运行；当故障PACK数量超过电池簇的冗余数量后，电池簇退出运行。针对电池PACK级控制的储能系统方案，当电池簇退出运行后，导致电池簇中无故障电池PACK存储的能量浪费以及储能系统的容量浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种储能系统电池PACK间能量转移系统及方法，针对电池PACK级控制的储能系统，解决因故障退出的电池簇中无故障电池PACK能量转移问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种储能系统电池PACK间能量转移系统，包括并联接入同一直流母排的多个电池簇，每个电池簇包括串联、并联或串并联方式设置的多个电池PACK，其特征在于，每个所述电池PACK的输出端连接一个PACK控制器；

所述直流母排包括输出正母线和输出负母线，所述电池簇的两端分别接入所述输出正母线和输出负母线，所述输出正母线和输出负母线连接储能变流器PCS；所述系统还包括均衡母线；

每个电池簇配置一个能量转移电路，所述能量转移电路包括电抗器L、开关K1、开关K2，所述开关K1、开关K2并联后与所述电抗器L串联，所述电抗器L与所述电池簇连接，所述开关K1与所述输出母线连接，所述开关K2与所述均衡母线连接。

进一步地，每个电池簇设置一个簇控制器，所述PACK控制器与其所在的电池簇的簇控制器通信连接，所述簇控制器控制所述开关K1、开关K2的通断。

进一步地，多个电池簇组合形成电池堆，每个电池堆设置一个堆控制器，所述簇控制器与其所在的电池堆的堆控制器通信连接，所述堆控制器通过所述储能变流器PCS对电池堆内的各个电池簇进行充放电控制。

进一步地，所述开关K1、开关K2为自动化控制的机械开关或者半导体开关。

进一步地，每个所述PACK控制器设置有电压检测模块、温度检测模块，所述电压检测模块用于采集所述电池PACK的单体电芯电压，所述温度检测模块用于采集所述电池PACK的工作温度。

本发明还提供了一种储能系统电池PACK间能量转移方法，应用于上述的储能系统电池PACK间能量转移系统，包括以下步骤：

当储能系统正常运行时，储能系统中所有的开关K1全部闭合，所有的开关K2全部打开，输出正母线和输出负母线投入运行，通过储能变流器PCS进行充电或者放电；

当储能系统发生故障时，判断每个电池簇内的电池PACK冗余是否用尽，将电池PACK冗余用尽的电池簇作为能量转移电池簇，断开能量转移电池簇所连接的开关K1，退出运行，闭合能量转移电池簇所连接的开关K2，同时，选择任一正常运行的电池簇作为能量接收电池簇，并闭合能量接收电池簇所连接的开关K2，并断开能量接收电池簇所连接的开关K1，均衡母线投入运行；

通过均衡母线将能量转移电池簇的能量转移到能量接收电池簇；

能量转移完成后，断开能量转移电池簇以及能量接收电池簇所连接的开关K2，闭合能量接收电池簇所连接的开关K1，能量接收电池簇继续正常运行。

进一步地，所述方法还包括判断储能系统是否发生故障的步骤：

每个电池PACK控制器采集所述电池PACK的单体电芯电压、工作温度，并与设定的电压、温度的阈值范围进行比较；

当采集所述电池PACK的单体电芯电压、工作温度中的至少一项超出设定的阈值范围，则判断该电池PACK发生故障，得到故障信息；

PACK控制器将故障信息发送到簇控制器，簇控制器对发生故障的电池PACK进行切除，退出运行。

进一步地，所述判断每个电池簇内的电池PACK冗余是否用尽，具体包括：

每个电池簇共配置N个电池PACK，为满足电池簇电压和功率与PCS相匹配，实际需要投入的电池PACK数量至少为N-n个，其中，n为设定的冗余数，0<n<N；

当发生故障的电池PACK的数量大于n时，则认为冗余用尽。

进一步地，所述通过均衡母线将能量转移电池簇的能量转移到能量接收电池簇，具体包括：

通过控制能量转移电池簇的各PACK控制器，控制能量转移电池簇的输出电压和输出电流；

通过控制能量接收电池簇的各PACK控制器，控制能量接收电池簇的输出电压和输出电流；

通过储能系统的堆控制器协调控制能量转移电池簇和能量接收电池簇的簇控制器，实现能量转移电池簇进行放电，能量接收电池簇进行充电，实现能量转移电池簇的能量向能量接收电池簇转移。

进一步地，所述能量转移完成的判断依据为：

当能量转移电池簇内任一电池PACK的电芯电压达到下限保护阈值或者能量接收电池簇内任一电池PACK的电芯电压达到上限保护阈值，视为能量转移完成。

根据本发明提供的具体实施例，本发明提供的储能系统电池PACK间能量转移系统及方法，公开了以下技术效果：

1、通过增加均衡母线，为故障簇和非故障电池簇提供能量转移通道，实现不同电池簇之间能量的转移；可通过均衡母线把能量从故障簇转移出来，也可以把能量从正常簇转移进去，因此可以实现故障电池簇中非故障电池模块的有效利用；

2、通过开关K1和开关K2的配合，当发生电池PACK故障导致电池簇退出运行后，可通过控制不同开关通断，改变拓扑结构，将未发生故障的电池PACK能量进行转移，解决容量和电量损失的问题，也可以通过正常簇向故障簇实现能量转移，将故障簇的电池容量进行有效利用；

3、该发明在电池节数串联越多的情况下，效果越明显，低压场合和高压场合均使用，电压越高，效果越明显；

4、该发明在长时储能中，效果更加明显，实现储能系统，在发生电池PACK故障后，仅损失故障电池PACK的能量；

5、该发明可以使储能系统大大降低运维次数，降低运维成本。

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，下面将对实施例中所需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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例储能系统电池PACK间能量转移系统的控制系统硬件拓扑图；

图2为本发明储能系统电池PACK间能量转移系统的控制系统原理框图；

图3为本发明实施例储能系统正常运行的各个开关状态示意图；

图4为本发明实施例储能系统发生故障时各个开关状态示意图。

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。

本发明的目的是提供一种储能系统电池PACK间能量转移系统及方法，针对电池PACK级控制的储能系统，解决因故障退出的电池簇中无故障电池PACK能量转移问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-2所示，本发明提供的储能系统电池PACK间能量转移系统，包括：并联接入同一直流母排的多个电池簇，每个电池簇包括串联、并联或串并联方式设置的多个电池PACK，其特征在于，每个所述电池PACK的输出端连接一个PACK控制器；例如，图1中每个电池簇有N个电池PACK串联；

所述直流母排包括输出正母线和输出负母线，所述电池簇的两端分别接入所述输出正母线和输出负母线，所述输出正母线和输出负母线连接储能变流器PCS；所述系统还包括均衡母线；

每个电池簇配置一个能量转移电路，所述能量转移电路包括电抗器L、开关K1、开关K2，所述开关K1、开关K2并联后与所述电抗器L串联，所述电抗器L与所述电池簇连接，所述开关K1与所述输出母线连接，所述开关K2与所述均衡母线连接。

其中，如图2所示，每个电池簇设置一个簇控制器，所述PACK控制器与其所在的电池簇的簇控制器通信连接，所述簇控制器控制所述开关K1、开关K2的通断。多个电池簇组合形成电池堆，每个电池堆设置一个堆控制器，所述簇控制器与其所在的电池堆的堆控制器通信连接，该通信方式包括有线通信、无线通信方式，该有线通信为CAN总线、485总线、以太网等方式；所述堆控制器通过所述储能变流器PCS对电池堆内的各个电池簇进行充放电控制。

所述开关K1、开关K2为自动化控制的机械开关或者半导体开关。该机械开关包括如接触器、断路器、继电器等机械开关；该半导体开关包含如IGBT、IGCT、MOSFET、三极管等。

每个所述PACK控制器设置有电压检测模块、温度检测模块，所述电压检测模块用于采集所述电池PACK的单体电芯电压，所述温度检测模块用于采集所述电池PACK的工作温度。

堆控制器(SC)：协调控制各个电池簇充放电控制的电池堆级控制器；

簇控制器(CC)：协调电池簇内各控制器工作的簇级控制器；

PACK控制器(PC)：控制电池PACK进行充放电的电池PACK级控制器，同时具备电池电压和温度采集等功能。每个电池PACK控制器，除了对电池PACK的充放电具备控制能力外，还具备电池温度、电压等信息的采集功能。每个PACK控制器内会设置电池温度和电压采集值和合理范围，当采集值大于设置范围时，会报相应的故障。PAKC控制器(PC)是通过电力电子器件组成DCDC(直流转直流变换器)进行充放电功率控制。

电池PACK：包含电池模块、电池管理单元、消防传感器及集成所需电气、结构等部件。其中，电池模块由电池单体采用串联、并联或串并联连接方式，且只有一对正负极输出端子的电池组合体，还宜包括外壳、管理与保护装置等部件。

示例地，本发明中提到的各种控制器可以采用实时性高的FPGA或者CPLD等等，根据实际使用需求，选择运行性能好的处理芯片即可。

本发明还提供了一种储能系统电池PACK间能量转移方法，应用于上述的储能系统电池PACK间能量转移系统，包括以下步骤：

当储能系统正常运行时，储能系统中所有的开关K1全部闭合，所有的开关K2全部打开，输出正母线和输出负母线投入运行，通过储能变流器PCS进行充电或者放电，如图3所示；

当储能系统发生故障时，判断每个电池簇内的电池PACK冗余是否用尽，将电池PACK冗余用尽的电池簇作为能量转移电池簇，断开能量转移电池簇所连接的开关K1，退出运行，闭合能量转移电池簇所连接的开关K2，同时，选择任一正常运行的电池簇作为能量接收电池簇，并闭合能量接收电池簇所连接的开关K2，并断开能量接收电池簇所连接的开关K1，均衡母线投入运行；其他电池簇正常运行；

例如：电池簇1电池PACK冗余用尽，则断开电池簇1的K1，闭合K2；同时断开电池簇2的K1，导通K2，均衡母线投入运行，运行状态如图4所示。

通过均衡母线将能量转移电池簇的能量转移到能量接收电池簇；

能量转移完成后，断开能量转移电池簇以及能量接收电池簇所连接的开关K2，闭合能量接收电池簇所连接的开关K1，能量接收电池簇继续正常运行。

其中，所述方法还包括判断储能系统是否发生故障的步骤：

每个电池PACK控制器采集所述电池PACK的单体电芯电压、工作温度，并与设定的电压、温度的阈值范围进行比较；

当采集所述电池PACK的单体电芯电压、工作温度中的至少一项超出设定的阈值范围，则判断该电池PACK发生故障，得到故障信息；

PACK控制器将故障信息发送到簇控制器，簇控制器对发生故障的电池PACK进行切除，退出运行。

其中，所述判断每个电池簇内的电池PACK冗余是否用尽，具体包括：

每个电池簇共配置N个电池PACK，为满足电池簇电压和功率与PCS相匹配，实际需要投入的电池PACK数量至少为N-n个，其中，n为设定的冗余数，0<n<N，例如n可以取值为2；

当发生故障的电池PACK的数量大于2时，则认为冗余用尽。

其中，通过均衡母线将能量转移电池簇的能量转移到能量接收电池簇；这个过程中，通过控制能量转移电池簇的各PACK控制器，可以控制能量转移电池簇的输出电压和输出电流；该电池PACK控制器为一个DC/DC形式的电力电子变换器拓扑结构，通过电池簇级控制器协调控制电池簇的各电池PACK控制器，可实现电池簇输出电压和电流的控制；

通过控制能量接收电池簇的各PACK控制器，可以控制能量接收电池簇的输出电压和输出电流；

通过储能系统的堆控制器协调控制能量转移电池簇和能量接收电池簇的簇控制器，实现能量转移电池簇进行放电，能量接收电池簇进行充电，实现能量转移电池簇的能量向能量接收电池簇转移。

最后，所述能量转移完成的判断依据为：

当能量转移电池簇内任一电池PACK的电芯电压达到下限保护阈值或者能量接收电池簇内任一电池PACK的电芯电压达到上限保护阈值，视为能量转移完成。

例：以磷酸铁锂电池为例，可设置下限保护阈值为2.5V，上限保护阈值为3.6V；当电池簇内任意电池PACK内电芯电压达到2.5V或者3.6V，则视为能量转移完成。

本发明提供的储能系统电池PACK间能量转移系统及方法，一方面，优化了储能系统的拓扑结构，通过增加均衡母线，为故障簇和非故障簇提供能量转移通道；另一方面，通过控制开关通断，协调各电池簇之间实现能量转移。本发明可以实现故障电池簇能量与非故障电池簇能量的转移；电池节数串联越多的情况下，效果越明显，低压场合和高压场合均使用，电压越高，效果越明显；在长时储能中，效果更加明显，实现储能系统，在发生电池PACK故障后，仅损失故障电池PACK的能量；本发明可以使储能系统大大降低运维次数，降低运维成本。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种储能系统电池PACK间能量转移系统，包括并联接入同一直流母排的多个电池簇，每个电池簇包括串联、并联或串并联方式设置的多个电池PACK，其特征在于，每个所述电池PACK的输出端连接一个PACK控制器；

所述直流母排包括输出正母线和输出负母线，所述电池簇的两端分别接入所述输出正母线和输出负母线，所述输出正母线和输出负母线连接储能变流器PCS；所述系统还包括均衡母线；

每个电池簇配置一个能量转移电路，所述能量转移电路包括电抗器L、开关K1、开关K2，所述开关K1、开关K2并联后与所述电抗器L串联，所述电抗器L与所述电池簇连接，所述开关K1与所述输出母线连接，所述开关K2与所述均衡母线连接。

2.根据权利要求1所述的储能系统电池PACK间能量转移系统，其特征在于，每个电池簇设置一个簇控制器，所述PACK控制器与其所在的电池簇的簇控制器通信连接，所述簇控制器控制所述开关K1、开关K2的通断。

3.根据权利要求2所述的储能系统电池PACK间能量转移系统，其特征在于，多个电池簇组合形成电池堆，每个电池堆设置一个堆控制器，所述簇控制器与其所在的电池堆的堆控制器通信连接，所述堆控制器通过所述储能变流器PCS对电池堆内的各个电池簇进行充放电控制。

4.根据权利要求1所述的储能系统电池PACK间能量转移系统，其特征在于，所述开关K1、开关K2为自动化控制的机械开关或者半导体开关。

5.根据权利要求1所述的储能系统电池PACK间能量转移系统，其特征在于，每个所述PACK控制器设置有电压检测模块、温度检测模块，所述电压检测模块用于采集所述电池PACK的单体电芯电压，所述温度检测模块用于采集所述电池PACK的工作温度。

6.一种储能系统电池PACK间能量转移方法，应用于权利要求1-5任一所述的储能系统电池PACK间能量转移系统，其特征在于，包括以下步骤：

当储能系统正常运行时，储能系统中所有的开关K1全部闭合，所有的开关K2全部打开，输出正母线和输出负母线投入运行，通过储能变流器PCS进行充电或者放电；

当储能系统发生故障时，判断每个电池簇内的电池PACK冗余是否用尽，将电池PACK冗余用尽的电池簇作为能量转移电池簇，断开能量转移电池簇所连接的开关K1，退出运行，闭合能量转移电池簇所连接的开关K2，同时，选择任一正常运行的电池簇作为能量接收电池簇，并闭合能量接收电池簇所连接的开关K2，并断开能量接收电池簇所连接的开关K1，均衡母线投入运行；

通过均衡母线将能量转移电池簇的能量转移到能量接收电池簇；

能量转移完成后，断开能量转移电池簇以及能量接收电池簇所连接的开关K2，闭合能量接收电池簇所连接的开关K1，能量接收电池簇继续正常运行。

7.根据权利要求6所述的储能系统电池PACK间能量转移方法，其特征在于，所述方法还包括判断储能系统是否发生故障的步骤：

每个电池PACK控制器采集所述电池PACK的单体电芯电压、工作温度，并与设定的电压、温度的阈值范围进行比较；

当采集所述电池PACK的单体电芯电压、工作温度中的至少一项超出设定的阈值范围，则判断该电池PACK发生故障，得到故障信息；

PACK控制器将故障信息发送到簇控制器，簇控制器对发生故障的电池PACK进行切除，退出运行。

8.根据权利要求7所述的储能系统电池PACK间能量转移方法，其特征在于，所述判断每个电池簇内的电池PACK冗余是否用尽，具体包括：

每个电池簇共配置N个电池PACK，为满足电池簇电压和功率与PCS相匹配，实际需要投入的电池PACK数量至少为N-n个，其中，n为设定的冗余数，0<n<N；

当发生故障的电池PACK的数量大于n时，则认为冗余用尽。

9.根据权利要求6所述的储能系统电池PACK间能量转移方法，其特征在于，所述通过均衡母线将能量转移电池簇的能量转移到能量接收电池簇，具体包括：

通过控制能量转移电池簇的各PACK控制器，控制能量转移电池簇的输出电压和输出电流；

通过控制能量接收电池簇的各PACK控制器，控制能量接收电池簇的输出电压和输出电流；

通过储能系统的堆控制器协调控制能量转移电池簇和能量接收电池簇的簇控制器，实现能量转移电池簇进行放电，能量接收电池簇进行充电，实现能量转移电池簇的能量向能量接收电池簇转移。

10.根据权利要求6所述的储能系统电池PACK间能量转移方法，其特征在于，所述能量转移完成的判断依据为：

当能量转移电池簇内任一电池PACK的电芯电压达到下限保护阈值或者能量接收电池簇内任一电池PACK的电芯电压达到上限保护阈值，视为能量转移完成。