CN118091459A - 基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测系统及方法 - Google Patents

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杨扬
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Abstract

本发明涉及储能系统技术领域,公开了一种基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测系统及方法,储能系统中,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,每个所述电池PACK的输出端连接一个PACK控制器;多个PACK控制器通过控制电池PACK功率的方式,改变电池簇内的电流,通过每个电池PACK电流改变后采集对应电压的变化,实现电池阻抗参数的在线检测;其中,在电池簇内电流中注入交流或直流突变信号后,模拟前端模块采集电芯电压,并对簇电流进行采样,通过计算即可得到电池阻抗。本发明通过对每个电池模块的输出电压和电流进行精确控制,对电芯单体的阻抗进行正常运行过程中的在线检测。

Description

基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测系统及方法
技术领域
本发明涉及储能系统技术领域,特别是涉及一种基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测系统及方法。
背景技术
我国电化学储能装机中,锂离子电池占比很高,是目前基础比较成熟、发展势头最迅猛的储能方式。锂离子电池储能功率、密度大,响应速度快,但储能电站运行一段时间以后,由于电池之间的老化程度不同,原本一致性很好的锂离子电池性能逐渐变得参差不齐,为储能电站的安全高效运行带来潜在的风险,为此需要获取电池参数以检测电池状态。
电池健康状态(state of health,SOH)是电池系统中的重要参数之一,为电池安全保护、充放电控制、热管理等功能提供重要参考,因此精确及时地获得SOH信息对于提高电池寿命和使用安全至关重要,进而为储能电站精细化运维策略的制定和调整提供重要依据。
电池SOH评估一般通过放电实验法、电压陡降法、电阻折算法、循环次数折算法、阻抗分析法等。其中,放电实验法无法在线估计电池的SOH,并且由于需要对电池进行大电流放电,对放电设备的规格要求很高,会增加实验的成本,并且需要对设备进行实时看护;若以0.1C的电流对电池进行放电实验,则需10小时的实验,时间较长,同时进行深度放电会对电池寿命造成影响。另一种放电实验法是对电池进行局部放电,局部放电的精度与电池的放电深度有关。电压陡降法测量SOH简单快速,但是不能够进行在线估计,并且需要恒定负载进行放电实验。此外,由于电池的内阻在SOH变化范围不大时变化不明显,而当电池老化严重时电阻值的变化较大,因而电阻折算法在SOH变化较小时,测量的误差会较大。循环次数折算法根据电池循环次数与SOH的关系求得电池的SOH,该方法准确度较低。阻抗分析法是SOH评估精度较高的方法,但是受到现有传统储能系统拓扑及控制自由度限制,没有不停机且不影响输出特性的在线电池阻抗监测方法。
可见,现有大部分方法要么需要离线测量,要么需要设置不同于正常运行模式的特定工况,要么准确度偏低,难以实现电池阻抗参数的在线准确监测,实际应用受到较大限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测系统及方法,考虑到交流阻抗是评估电池系统SOH的重要参数,通过对每个电池模块的输出电压和电流进行精确控制,对电芯单体的阻抗进行正常运行过程中的在线检测,用以解决储能电站长期在线运行过程中的健康状态监控难题。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测系统,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,每个所述电池PACK的输出端连接一个PACK控制器;所述PACK控制器配有模拟前端模块,用于采集所述电池PACK的电芯电压;
多个PACK控制器通过控制电池PACK功率的方式,改变电池簇内的电流,通过每个电池PACK电流改变后采集对应电压的变化,实现电池阻抗参数的在线检测;其中,在电池簇内电流中注入交流或直流突变信号后,模拟前端模块采集电芯电压,并对簇电流进行采样,通过计算即可得到电池阻抗。
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。
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;当堆控制器接收到指令,需要测试电池阻抗时,堆控制器对1个簇或多个簇控制器下达功率改变的控制指令,通过簇间补偿配合,保证输出功率维持功率不变,不影响储能系统正常运行。
本发明还提供一种基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测方法,应用于上述的基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测系统,包括以下步骤:
启动簇电流交流或直流突变信号注入,通过簇间配合保证输出功率和电压不受影响;同步进行电芯电压以及簇电流的采样,根据电芯电压以及簇电流计算电池阻抗。
进一步地,在电池簇内电流中注入交流信号后,模拟前端模块采集到单体电芯电压会叠加交流电压,通过提取电芯交流端电压,结合交流电流进行计算,即可得到电芯在不同频率下的实时交流阻抗。
根据本发明提供的具体实施例,本发明提供的基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测系统及方法,公开了以下技术效果:
本发明将针对各个电池模块设置Pack控制器,多个PACK控制器进行配合,实现全电流控制,此外还可以结合簇控制器和堆控制器,利用不同的控制器对储能系统进行各个细节的灵活控制,通过在电池簇中主动注入不同频率和幅值的扫频电流信号,并检测电池两端电压来实现正常工作下的电池阻抗测量,可为储能系统电芯级SOH在线监测提供依据。
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为本发明实施例电池簇硬件拓扑图;
图2为本发明实施例PACK控制器电压及温度采样示意图;
图3为本发明实施例控制器布局原理图;
图4为本发明簇间补偿配合示意图;
图5为本发明基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测方法流程示意图。
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基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测系统及方法,考虑到交流阻抗是评估电池系统SOH的重要参数,通过对每个电池模块的输出电压和电流进行精确控制,对电芯单体的阻抗进行正常运行过程中的在线检测,用以解决储能电站长期在线运行过程中的健康状态监控难题。
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。
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。
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。
本发明提出全电流控制的概念,指的是由多个Pack控制器进行不同电池模块的控制,并与簇控制器、堆控制器等构成全电流控制系统,实现各个环节的精准控制。
如图1-图2所示,本发明提供的基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测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,每个所述电池PACK的输出端连接一个PACK控制器(PC);所述PACK控制器配有模拟前端模块(Analog Front-end,AFE),用于采集所述电池PACK的电芯电压;
多个PACK控制器通过控制电池PACK功率的方式,改变电池簇内的电流,通过每个电池PACK电流改变后采集对应电压的变化,实现电池阻抗参数的在线检测(电池内阻=欧姆内阻+极化阻抗,在电流突变时,欧姆内阻不会突变,此时电压引起的突变主要由欧姆内阻造成);其中,在电池簇内电流中注入交流或直流突变信号后,模拟前端模块采集电芯电压,并对簇电流进行采样,通过计算即可得到电池阻抗。
本发明所依据的原理为:电池内阻=欧姆内阻+极化阻抗,在电流突变时,欧姆内阻不会突变,此时电压引起的突变主要由欧姆内阻造成。可参考:锂离子电池离线参数辨识(基于二阶RC电池模型)_电池参数辨识-CSDN博客https://blog.csdn.net/m0_60354177/article/details/127718960。
如图3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。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;当堆控制器接收到指令,需要测试电池阻抗时,堆控制器对1个簇或多个簇控制器下达功率改变的控制指令,通过簇间补偿配合,如图4所示,保证输出功率维持功率不变,不影响储能系统正常运行。
本发明基于全电流控制,通过在每一个电池PACK输出增加PACK控制器(PC)的方式进行对各PACK进行功率控制。且储能系统在PACK控制器中配置了模拟前端模块(AFE),通过模拟前端模块对每一个单体电芯进行电压采样,采样结果通过通信送至簇控制器及堆控制器进行数据处理及判断。全电流控制器通过控制电池PACK功率的方式,改变电池簇内的电流,通过每个PACK电流改变后采集对应电压的变化,可实现电池阻抗参数的在线诊断。
PACK控制器置于PACK外部,作为独立的控制模块,便于与传统电池PACK兼容。每个PACK控制器通过通信网络与上簇控制器进行通信,每一个簇有一个簇控制器(CC)。多个簇控制器与一个电池堆控制器(SC)进行通信,这也代表着全电流控制器可以通过不同簇间的控制器调控,实现在线测试时电源总的输出功率不变,具体控制器结构如图3所示。
如图5所示,本发明还提供一种基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测方法,应用于上述的基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测系统,包括以下步骤:
启动簇电流交流或直流突变信号注入,通过簇间配合保证输出功率和电压不受影响;同步进行电芯电压以及簇电流的采样,根据电芯电压以及簇电流计算电池阻抗。
具体地,在电池簇内电流中注入交流信号后,模拟前端模块采集到单体电芯电压会叠加交流电压,通过提取电芯交流端电压,结合交流电流进行计算,即可得到电芯在不同频率下的实时交流阻抗。
综上,本发明通过簇级控制器实现电芯交流电流和直流附加电流的注入;通过簇间协调控制保证测量期间电池堆的输出总电压和电流不改变;通过扫频的电流注入,得到电芯运行期间的阻抗参数。通过直流电流调节,来获取电芯欧姆电阻。
本发明可以在完全不影响储能系统整体正常运行工况的条件下,通过全电流控制器的控制逻辑,注入交流或直流电流,在线获取电芯的交直流阻抗曲线。
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 (5)

1.一种基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测系统,所述储能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PACK控制器配有模拟前端模块,用于采集所述电池PACK的电芯电压;
多个PACK控制器通过控制电池PACK功率的方式,改变电池簇内的电流,通过每个电池PACK电流改变后采集对应电压的变化,实现电池阻抗参数的在线检测;其中,在电池簇内电流中注入交流或直流突变信号后,模拟前端模块采集电芯电压,并对簇电流进行采样,通过计算即可得到电池阻抗。
2.根据权利要求1所述的基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测系统,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。
3.根据权利要求2所述的基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测系统,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;当堆控制器接收到指令,需要测试电池阻抗时,堆控制器对1个簇或多个簇控制器下达功率改变的控制指令,通过簇间补偿配合,保证输出功率维持功率不变,不影响储能系统正常运行。
4.一种基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测方法,应用于权利要求1-3任一所述的基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测系统,其特征在于,包括以下步骤:
启动簇电流交流或直流突变信号注入,通过簇间配合保证输出功率和电压不受影响;同步进行电芯电压以及簇电流的采样,根据电芯电压以及簇电流计算电池阻抗。
5.根据权利要求4所述的基于全电流控制的储能系统电池阻抗在线检测方法,其特征在于,在电池簇内电流中注入交流信号后,模拟前端模块采集到单体电芯电压会叠加交流电压,通过提取电芯交流端电压,结合交流电流进行计算,即可得到电芯在不同频率下的实时交流阻抗。
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