CN212627287U - 一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构，包括分别与直流母线相连接的光伏发电系统、储能系统和充电系统，光伏发电系统、储能系统和充电系统分别与能量管理系统连接，储能系统包括通过双向DC/DC变换器与直流母线相连接的常规储能模块和梯次储能模块，双向DC/DC变换器还与能量管理系统相连接，梯次储能模块包括多个额定电压相同、容量保持率不同的退役动力电池，多个退役动力电池通过开关组连接至双向DC/DC变换器。与现有技术相比，本实用新型将多个额定电压相同、容量保持率不同的退役动力电池组成梯次储能模块，并结合能量管理系统、开关组，能够降低退役动力电池梯次利用成本，同时避免发生退役动力电池加速衰减的问题。

Description

一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构

技术领域

本实用新型涉及动力电池梯次应用技术领域，尤其是涉及一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构。

背景技术

研究表明，当动力电池的容量衰减到70％～80％时，将无法继续适用于电动汽车。根据电动汽车产业近些年的发展形势，在接下来一段时间，退役动力电池的数目将会呈现出较大的增长幅度。因此，动力电池梯次利用技术对于电动汽车产业的可持续发展和节能减排工作的大规模开展均具有重要的意义。

现有技术对退役动力电池进行大规模梯次利用的方法主要有两种：一种是把退役动力电池拆解成单体电池，再进行重组，进行二次利用；另一种是直接将整个电池组通过串并联，接入到储能系统中。

这两种利用方法都存在着一定的局限性：前一种方法对于电池组的处理要求较高，使整个回收利用过程中产生了高额的处理成本；后一种方法由于不同电池组的衰减程度不同，进行大规模串并联运行可能会引起退役动力电池容量加速衰减，缩短其使用寿命。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构，以降低动力电池梯次利用过程中产生的处理成本，提高动力电池梯次利用的经济性；同时避免出现多个退役电池串并联同时放电而导致电池容量加速衰减的问题，延长退役动力电池使用寿命。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构，包括分别与直流母线相连接的光伏发电系统、储能系统、充电系统，所述光伏发电系统、储能系统和充电系统分别与能量管理系统连接，所述储能系统包括常规储能模块和梯次储能模块，所述常规储能模块和梯次储能模块均通过双向DC/DC变换器与直流母线相连接，所述双向DC/DC变换器还与能量管理系统相连接，所述梯次储能模块包括多个额定电压相同、容量保持率不同的退役动力电池，多个退役动力电池通过开关组连接至双向DC/DC变换器。

在光伏发电量较多的时期，投入容量保持率较大的退役动力电池进行补充储能；在光伏发电量较少的时期，投入容量保持率较小的退役动力电池进行补充储能。通过这种方式，对不同容量保持率的退役动力电池分时期进行利用，消除动力电池梯次利用过程中产生的拆解和重组成本，提高动力电池梯次利用的经济性；同时，通过对开关组的控制，使每次仅有一个退役动力电池接入直流母线，以进行充放电，避免出现多个退役电池串并联同时放电而导致电池容量加速衰减的问题，能够延长退役动力电池使用寿命。

进一步地，所述开关组包括一个容量选择开关组和多个电池状态开关组，所述容量选择开关组中设置有分别与双向DC/DC变换器相互连接的多个容量选择子开关，多个电池状态开关组分别对应连接至多个退役动力电池，单个电池状态开关组中设置有数量与容量选择子开关数量相同的多个电池状态子开关。

光储充电站运行时，根据所处时期的光伏发电量大小情况，确定所应该闭合的容量选择子开关，从而选择不同容量的退役动力电池投入直流母线运行；同时，根据退役动力电池的充放电次数、运行环境、运行年限等信息，预测各退役动力电池的容量保持率，根据每个退役动力电池的容量保持率大小，闭合退役动力电池上相应的表征当前容量的电池状态子开关。通过这种方式，实现光储充电站的储能系统变容量运行，从而对各退役动力电池进行分期利用，提高光储充电站运行的灵活性。

进一步地，所述开关组具体为可编程控制开关组，以实现开关组的自动化运行，减少人工运维成本。

进一步地，所述能量管理系统包括主控制器和与其分别连接的储能充放电控制模块和退役电池管理模块，所述储能充放电模块分别与双向DC/DC变换器、容量选择开关组通信连接，所述退役电池管理模块分别与多个电池状态开关组通信连接。

进一步地，所述常规储能模块包括常规储能电池，所述常规储能电池的额定电压与退役动力电池的额定电压相同，所述常规储能电池通过可控开关连接至双向DC/DC变换器。

进一步地，所述梯次储能模块的数量为N，N≥1，不同梯次储能模块中退役动力电池的额定电压不相同，各梯次储能模块分别通过不同电压等级的双向DC/DC变换器与直流母线相连接，从而使不同电压等级的退役动力电池均能接入直流母线，扩大退役动力电池回收利用的适用范围。

进一步地，所述光伏发电系统包括依次连接的光伏阵列和DC/DC变换器，所述DC/DC变换器连接至直流母线，所述光伏阵列和DC/DC变换器分别与能量管理系统连接。

进一步地，所述能量管理系统包括与主控制器连接的MPPT(Maximum Power PointTracking，最大功率点跟踪)控制模块，所述主控制器分别与光伏阵列、DC/DC变换器连接，所述MPPT控制模块连接至DC/DC变换器。

进一步地，所述充电系统包括依次连接的充电桩和待充电设备，所述能量管理系统包括与主控制器连接的充电控制模块，所述充电控制模块连接至充电桩，所述充电桩连接至主控制器。

进一步地，所述直流母线还通过逆变器与公共电网端相连接，所述能量管理系统包括与主控制器连接的并网控制模块，所述并网控制模块连接至逆变器，所述逆变器和公共电网端分别连接至主控制器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

一、本实用新型将额定电压相同、容量保持率不同的多个退役动力电池组成梯次储能模块，能够根据储能需要分时期、分梯次接入直流母线，从而减少动力电池梯次利用过程中产生的拆解和重组成本，提高动力电池梯次利用的经济性。

二、本实用新型通过设置容量选择开关组和多个与退役动力电池对应连接的电池状态开关组，以此实现各退役动力电池的“自动投入”和“自动降级”，使得直流母线只接入与所需容量、所需电压等级匹配的单个退役动力电池，避免出现多个退役电池串并联同时放电而导致电池容量加速衰减的问题，延长退役动力电池使用寿命。

三、本实用新型采用可控编程开关组设计，结合能量管理系统以及与退役动力电池额定电压等级相同的常规储能电池设计，以此提高光储充电站运行灵活性、减少双向DC/DC变换器的数量，进一步节省光储充电站建设成本、提高经济效益。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为梯次储能模块的结构示意图；

图3为实施例中光储充电站结构示意图；

其中：1、光伏发电系统，2、储能系统，21、常规储能模块，22、梯次储能模块，221、退役动力电池，222、容量选择开关组，223、电池状态开关组，3、充电系统，4、能量管理系统，5、双向DC/DC变换器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构，包括分别与直流母线相连接的光伏发电系统1、储能系统2以及充电系统3，光伏发电系统1、储能系统2、充电系统3分别与能量管理系统4连接，由能量管理系统4控制直流母线与光伏发电系统1、储能系统2和充电系统3之间的能量流动，储能系统2包括常规储能模块21和梯次储能模块22，常规储能模块21和梯次储能模块22均通过双向DC/DC变换器5与直流母线相连接，所述双向DC/DC变换器5与能量管理系统4相连接。

其中，梯次储能模块22包括多个额定电压相同、容量保持率不同的退役动力电池221、一个容量选择开关组222和多个电池状态开关组223，一个容量选择开关组222和多个电池状态开关组223共同构成开关组，容量选择开关组222中设置有分别与双向DC/DC变换器5相互连接的多个容量选择子开关，多个电池状态开关组223分别对应连接至多个退役动力电池221，单个电池状态开关组223中设置有数量与容量选择子开关数量相同的多个电池状态子开关，各电池状态子开关对应与容量选择子开关相连接，以实现不同容量退役动力电池221接入直流母线，本实施例中，容量选择开关组222和多个电池状态开关组223均为可编程控制开关组，以实现开关组的自动化运行，减少人工运维成本。

具体的，如图2所示，梯次储能模块22中，任一退役动力电池i上均连接有一个电池状态开关组S_i(i＝1,2,…,q)，任一电池状态开关组S_i内均包含p个电池状态子开关S_i1～S_ip(p＝1,2,…)，分别一一对应退役动力电池容量保持率的p个梯次。运行时，可根据退役动力电池的容量保持率所在梯次，闭合对应的电池状态子开关。

梯次储能模块22所连接的双向DC/DC变换器输出侧连接有一个容量选择开关组W，容量选择开关组W内包含p个容量选择子开关W₁～W_p，同样一一对应退役动力电池容量保持率的p个梯次。任一电池状态子开关S_ij远离退役动力电池的一端均与容量选择子开关W_j远离双向DC/DC变换器的一端相连。运行时，可根据所需要接入的容量梯次，接通对应的容量选择子开关。

本实施例中光储充电站的整体结构如图3所示，光伏发电系统1是由光伏阵列与DC/DC变换器连接构成；

储能系统2包括一个常规储能模块和m个梯次储能模块(m＝1,2,…)，常规储能模块为一个额定电压与梯次储能模块1中q个退役动力电池的额定电压相同的常规储能电池，假设各双向DC/DC变换器均以连接于直流母线一侧为输入侧，则常规储能电池通过开关与梯次储能模块1连接到同一双向DC/DC变换器的输出侧上，梯次储能模块2～梯次储能模块m的内部结构可参照梯次储能模块1，差别在于退役动力电池的数目q有所不同、双向DC/DC变换器的输出侧的额定电压等级不同以及双向DC/DC变换器的输出侧未连接常规储能电池；

充电系统3具体为与直流母线相连接的n个充电桩(n＝1,2,…)，本实施例中待充电设备为电动汽车，电动汽车可接入充电桩进行充电，以作为光储充电站中电能的主要消费对象；此外，直流母线还通过逆变器连接到公共电网，与公共电网进行能量交换；

能量管理系统4包括主控制器和与其分别连接的储能充放电控制模块、退役电池管理模块、MPPT控制模块、充电控制模块和并网控制模块，主控制器通过读取光储充电站中各部分的实时运行状态信息，并向容量选择开关组222、各电池状态开关组223、各变流器(包括双向DC/DC变换器、光伏发电系统中的DC/DC变换器、充电系统中的充电桩以及与直流母线连接的逆变器)发出控制指令，对整个光储充电站的能量流动进行控制：

MPPT控制模块与光伏发电系统中的DC/DC变换器进行信号连接，控制光伏阵列进行最大功率输出；

储能充放电控制模块与各梯次储能模块所连接的双向DC/DC变换器进行信号连接，控制常规储能电池和各退役动力电池的充放电以及常规储能电池所连接的开关、各容量选择子开关的通断状态；

充电控制模块与充电桩1～充电桩n进行信号连接，对电动汽车充电进行调度；

并网控制模块与逆变器进行信号连接，对光储充电站与公共电网的能量交换进行控制；

退役电池管理模块与各电池状态开关组进行信号连接，主控制器根据各退役动力电池的充放电循环次数、运行环境、运行年限等参数，估算各退役动力电池的实时容量保持率，控制各电池状态子开关的通断状态，实现各退役动力电池的“自我降级”，为了避免相同容量梯次的动力电池同时放电导致电池寿命缩短，通过改变控制策略，使相同容量梯次的退役动力电池仅有一个接通对应的电池状态子开关。

光储充电站建设前，可由光储充电站建设单位与电动汽车企业达成协议。根据电动汽车企业的动力电池回收需求，按照电动汽车品牌或系列，确定需要大规模回收的一种或几种动力电池额定电压标准，按回收量最大的动力电池额定电压标准进行常规储能电池的配置以及梯次储能模块1中双向DC/DC变换器的选型；按照其余的几种额定电压标准，分别选择相应电压等级的双向DC/DC变换器，拓展相应数目的梯次储能模块2～梯次储能模块m。在各梯次储能模块中，分别批量配置不同品牌或系列的电动汽车上退役下来的、能够适配同一双向DC/DC变换器的动力电池。需要注意的是，梯次储能模块的拓展伴随着变流器成本的增加，在工程中应当权衡变流器成本增加和对应的回收利用价值进行合理地建设规划。

光储充电站运行时，在能量管理系统的控制下，若光伏发电系统发出的电能大于电动汽车充电系统的负荷量，则光伏发电系统除了向电动汽车充电系统提供电能外，还能向储能系统充电，若向储能系统充电后仍有富余电量，还可将电能输送到公共电网；若光伏发电系统发出的电能无法向电动汽车充电系统的负荷提供足够的电能，则由储能系统放电，补充电动汽车充电系统的电能缺额，若储能系统放电后仍无法满足电动汽车充电系统的电能需求，还可由公共电网进一步提供电能支撑。

光储充电站在不同时期运行时，根据当前时期的光伏发电量，接通相应的容量选择开关，使对应容量的退役动力电池接入到直流母线中进行补充储能。在光伏发电量较大的时期，接入较大容量保持率的退役动力电池；在光伏发电量较小的时期，接入较小容量保持率的退役动力电池。通过这种方式，进行退役动力电池的批量梯次利用，消除了退役电池利用过程中拆解和重组的高额成本，也避免出现电池串并联同时放电而缩短电池寿命的问题；通过以上两点，减少退役动力电池利用成本，促进节能减排工作的开展。另一方面，对于光储充电站来说，还能减少常规储能电池的配置容量，节约光储充电站的建设成本，从而在提高生态效益的同时，提高经济效益。

Claims (10)

1.一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构，其特征在于，包括分别与直流母线相连接的光伏发电系统(1)、储能系统(2)、充电系统(3)，所述光伏发电系统(1)、储能系统(2)和充电系统(3)分别与能量管理系统(4)连接，所述储能系统(2)包括常规储能模块(21)和梯次储能模块(22)，所述常规储能模块(21)和梯次储能模块(22)均通过双向DC/DC变换器(5)与直流母线相连接，所述双向DC/DC变换器(5)还与能量管理系统(4)相连接，所述梯次储能模块(22)包括多个额定电压相同、容量保持率不同的退役动力电池(221)，多个退役动力电池(221)通过开关组连接至双向DC/DC变换器(5)。

2.根据权利要求1所述的一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构，其特征在于，所述开关组包括一个容量选择开关组(222)和多个电池状态开关组(223)，所述容量选择开关组(222)中设置有分别与双向DC/DC变换器(5)相互连接的多个容量选择子开关，多个电池状态开关组(223)分别对应连接至多个退役动力电池(221)，单个电池状态开关组(223)中设置有数量与容量选择子开关数量相同的多个电池状态子开关。

3.根据权利要求2所述的一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构，其特征在于，所述容量选择开关组(222)和电池状态开关组(223)均为可编程控制开关组。

4.根据权利要求3所述的一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构，其特征在于，所述能量管理系统(4)包括主控制器和与其分别连接的储能充放电控制模块和退役电池管理模块，所述储能充放电模块分别与双向DC/DC变换器(5)、容量选择开关组(222)通信连接，所述退役电池管理模块分别与多个电池状态开关组(223)通信连接。

5.根据权利要求1所述的一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构，其特征在于，所述常规储能模块(21)包括常规储能电池，所述常规储能电池的额定电压与退役动力电池(221)的额定电压相同，所述常规储能电池通过可控开关连接至双向DC/DC变换器(5)。

6.根据权利要求1所述的一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构，其特征在于，所述梯次储能模块(22)的数量为N，N≥1，不同梯次储能模块(22)中退役动力电池(221)的额定电压不相同，各梯次储能模块(22)分别通过不同电压等级的双向DC/DC变换器(5)与直流母线相连接。

7.根据权利要求4所述的一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构，其特征在于，所述光伏发电系统(1)包括依次连接的光伏阵列和DC/DC变换器，所述DC/DC变换器连接至直流母线，所述光伏阵列和DC/DC变换器分别与能量管理系统(4)连接。

8.根据权利要求7所述的一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构，其特征在于，所述能量管理系统(4)包括与主控制器连接的MPPT控制模块，所述主控制器分别与光伏阵列、DC/DC变换器连接，所述MPPT控制模块连接至DC/DC变换器。

9.根据权利要求4所述的一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构，其特征在于，所述充电系统(3)包括依次连接的充电桩和待充电设备，所述能量管理系统(4)包括与主控制器连接的充电控制模块，所述充电控制模块连接至充电桩，所述充电桩连接至主控制器。

10.根据权利要求4所述的一种考虑动力电池梯次利用的光储充电站结构，其特征在于，所述直流母线还通过逆变器与公共电网端相连接，所述能量管理系统(4)包括与主控制器连接的并网控制模块，所述并网控制模块连接至逆变器，所述逆变器和公共电网端分别连接至主控制器。

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