CN216215901U - 基于梯次电池储能的直流能源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于梯次电池储能的直流能源系统，包括光伏发电单元、储能单元、用户侧单元，储能单元采用退役电池包，用户侧单元包括直流充电桩和交流充电桩；光伏发电单元的输出端以及退役电池包的输出端均连接到同一直流母线上，直流母线输出侧经过DC/AC模块转化为交流电后接入到交流母线上，交流充电桩从交流母线侧获取电能，直流充电桩从直流母线侧获取电能。本实用新型依托绿色能源的转化实现电站用能供给自洽，降低了对电网的依赖，同时具备直流充电平台和交流充电平台，能满足电动车多种充电形式的需求，采用电动车退役电池作为储能元件，有效延长了电池的使用全寿命周期。

Description

基于梯次电池储能的直流能源系统

技术领域

本实用新型涉及光储充领域，具体涉及基于梯次电池储能的直流能源系统。

背景技术

电动汽车由于具有节能、环保的优势，可有效缓解能源紧张、减轻大气污染等问题，已经成为汽车工业发展不可逆转的潮流，电动汽车充电站是电动汽车发展的基础设施，目前运行的电动汽车充电站主要存在以下不足：

（1）充电形式单一，要么仅设置直流充电桩，要么仅设置交流充电桩，不能满足电动汽车用户的多种充电形式需求；

（2）电能供给完全依赖电网，没有使新能源微电网技术得到合理利用，而电网的发电主要依靠煤炭，电动汽车零污染、零排放的优点，将很快被发电站的污染而取代。

随着电动汽车的快速发展，电动汽车的电池使用量越来越大，当电动汽车电池的容量下降到初始容量的80%后就不宜再继续使用，如果直接将电池淘汰，将造成资源的巨大浪费。为了最大化利用车用动力电池的剩余价值，延长动力电池使用寿命，电动汽车淘汰下来的电池（被称为“退役电池”或“梯次电池”）具备在储能系统继续使用的条件，因此，通过梯级利用方式，不但可以延长电池使用寿命，降低电池全寿命周期成本，还可以在电网故障时为重要负荷供电，平抑充电行为的随机性，控制负荷波动，提高电网电能质量。

随着国家对新能源、智慧能源、储能等行业或领域的重视，这些行业在近几年获得了较快速的发展。光储充是一个退役电池梯次利用的热点领域，光储充通过在用户侧，既可以直接与电网并网运行，又可以与电网断开独立运行，具有较高的灵活性和可调度性。目前现有技术中利用梯次电池构建的光储充能源系统，较少考虑充电形式的多样性以及能源站内损耗的降低，在能源站结构设计上还有更多的优化空间，本案由此而生。

实用新型内容

本实用新型公开基于梯次电池储能的直流能源系统，依托绿色能源的转化实现站内设备的供电，同时具备直流充电平台和交流充电平台，能满足电动车多种充电形式的需求，采用电动车淘汰的梯次电池作为储能元件，有效延长了电池的使用全寿命周期。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

基于梯次电池储能的直流能源系统，包括光伏发电单元、储能单元、用户侧单元，储能单元采用退役电池包，用户侧单元包括直流充电桩和交流充电桩；光伏发电单元的输出端以及退役电池包的输出端均连接到同一直流母线上，直流母线输出侧经过DC/AC模块转化为交流电后接入到交流母线上，交流充电桩从交流母线侧获取电能，直流充电桩从直流母线侧获取电能。

进一步，所述交流母线的电压高于直流母线的电压，直流母线输出侧连接DC/AC模块，DC/AC模块输出端连接升压变压器，升压变压器输出端连接交流母线。

进一步，所述直流母线电压为600～800V，交流母线电压为0.4KV。

进一步，所述交流母线沿电能输送方向至少分为两级，第一级交流母线的电压高于第二级交流母线电压，第一级交流母线的电压高于直流母线电压，直流母线输出侧连接DC/AC模块，DC/AC模块输出端连接升压变压器，升压变压器输出端连接第一交流母线，第一交流母线输出侧经过降压变压器降压后连接第二交流母线。

进一步，所述直流母线电压为1.5KV～3KV，第一级交流母线电压为10KV或35KV，第二级交流母线电压为0.4KV。

进一步，所述储能单元包括多个退役电池包，每个退役电池包各自连接DC/DC模块，多个DC/DC模块级联后连接至直流母线上；光伏发电单元包括多个分布式光伏组件，每个分布式光伏组件各自连接DC/DC模块，光伏组件中的多个DC/DC模块级联后连接直流母线。

进一步，所述级联方式采用手拉手式串接方式级联。

进一步，所述退役电池包与DC/DC模块采用插拔方式连接。

进一步，所述储能单元包括多个退役电池包以及具有抽屉式结构的电池放置架，每个退役电池包放入各自的抽屉框架内。

进一步，所述能源系统还包括实时采集交流充电桩和直流充电桩用能状态并控制储能单元整体充放电管理的智能控制器，储能单元分为多组，储能单元与智能控制器之间还连接有用于控制每组储能单元充放电的协调控制器。

本实用新型所公开的光储充直流能源系统依托绿色能源的转化实现电站用能供给自洽，降低了对电网的依赖，剔除了充电站建设的壁垒，为电动汽车推广提供了良性支撑；并且采用退役电池作为储能元件，对退役电池的梯次利用有效延长了全寿命周期，建设成本低、建设工期短；退役电池采用插接方式连接，连接前只需对退役电池进行简单检测分类，无需进行拆解，简化了退役电池的处理环节，即插即用方式规避了异类电池之间连接产生的木桶效应；整个直流能源系统同时具备直流充电平台和交流充电平台，能满足电动车多种充电形式的需求。

附图说明

图1为本实用新型第一种实施例的直流能源系统结构示意图；

图2为本实用新型第二种实施例的直流能源系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实施例公开一种基于梯次电池储能的直流能源系统，按照能量流动方向可分解为四个组成单元，即能量采集单元、能量储存单元、能量转换单元和能量消费单元。能量采集单元是将绿色能源转换为电能输出，本实施例中是指光伏发电单元，通过采集光照能源产生电能，满足能源站内能量消费单元的用电需求。能量储存单元即为将多余的电能储存下来的储能单元，本实施例中的储能单元全部采用退役电池包构成，储能单元作为光伏出力不足时释放电能满足用能需要。能量转换单元包括DC/DC模块和DC/AC模块，能量消费单元是指用电端，即用户侧单元，主要包括为电动汽车充电的充电桩，本实施例中构建的直流能源系统的充电桩分为直流充电桩和交流充电桩两种。对于大型直流能源系统而言，用能端还可以包括照明系统、通信系统、供热/供冷系统等上述其一、部分或全部。

本实施例中的直流能源系统根据其规模大小以及用能端负荷大小来确定退役电池包的使用数量，通常情况下退役电池包数量为多个，考虑到退役电池的类型、电池容量等可能存在不同，为更好的加以控制和利用，可以将储能单元分为多组，每组由多个退役电池包构成，退役电池在接入直流能源系统之前，应先进行简单项目的检测分类，无需将其拆解开，目的是将同种类且容量相近的退役电池包分在同一组储能单元中。对退役电池包的检测可分为电池外观检测、动力电池分类、荷电状态检测以及健康状态检测等项目。电池外观检测主要是观测电池封边或褶皱部分是否出现漏液或破损情况，将外观不合格的电池进行淘汰，目的是预防使用中安全事故的发生。动力电池分类是根据电池种类不同进行划分，如电池种类包括磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、三元锂电池等，将同类型的电池归为一组。荷电状态（SOC）检测是判断电池充放电能力，根据其SOC值大小分多个区间来归类管理，推荐以5%区间梯次递减来划分区间，如按照80%～75%、75%～70%、70%～65%等进行划分，可以淘汰容量过低的电池。健康状态（SOH）检测主要是对电池内阻、充放电电压等进行简单评估，判断电池内部是否存在非正常的内短路情况、自放电情况、发热情况等，通过检测可以定量判断出电池的性能状态及预期使用寿命，将预期使用寿命相近或相同的电池归为一组，便于退役电池包的组合配置。

本实施例中对退役电池包的配置原则建议如下：将相同种类、外观、内部良好且荷电状态及健康状态相近的电池组归为同类退役电池包，在电站建设施工过程中，可尽量将同种类或相近种类退役电池包安装于一室或相近位置，以方便日后生产运维中对储能单元进行统一管理、维护、更换。分类后电池包按照电池种类、SOC类型、SOH类型顺序以如下原则进行配置。

1.最优方式。电站内全部储能单元内尽量将筛选后同种类电池、SOC相同区间、SOH相同类别的退役电池包为作为储能模块，该选型方式为最优方式；

2.第二优选方式。当筛选后电池包数量难以具备上述“最优方式”进行匹配，则在每一个储能单元内退役电池包配置尽量满足“最优方式”基础上，电站内储能单元类别按照电池种类在满足“最优方式”基础上进行分类；

3.第三优选方式。当筛选后电池包数量难以具备最优方式及第二优先方式进行匹配，除在储能单元内储能配置上尽量满足“最优方式”及“第二优先方式”基础上，应优先选用电池种类相同，结合SOC、SOH类别，选择SOC、SOH类别尽量相近退役电池包作为储能模块；

4.第四优选方式。当筛选后电池包种类、SOC及SOH类别较多，难以满足上述三种配置方式时，则按照电池种类、SOC类别、SOH类别相同或相近程度选用合适个数退役电池包作为储能模块。

直流能源系统在具备上述四个单元基础上，还包括智能控制器和协调控制器，智能控制器实时采集电站内两种充电桩的用能状态，依托充电桩使用状态充电与否作为判断条件，结合光伏阵列、储能单元剩余电量，在管控系统调配下控制各个设备精准响应指令要求，如对整个储能单元的充放电进行调控管理。由于本实用新型中所构建的直流能源系统中全部采用退役电池作为储能元件，为了更合理的利用各种性能不一的退役电池，储能单元根据退役电池检测分类情况划分为多组，在储能单元与智能控制器之间设置了用于控制每组储能单元中退役电池充放电的协调控制器。协调控制器结合储能单元总体荷电状态平均值及每组储能单元实时荷电状态，根据调度系统实时充放电功率需求，协调控制每组储能单元实时充（放）电大小，满足直流能源系统整体能量调度需要的同时，也确保每组储能单元荷电状态平衡及充放电均衡。

考虑到储能单元中所使用的退役电池包数量较多，为了实现每个退役电池包之间的电气隔离及独立管理，采用具有多个抽屉结构的电池放置架来安置退役电池包，将每个退役电池包单独放置在抽屉结构的插框中。由于退役电池有可能存在类型不同和容量不同，为方便退役电池的即退即用，本实用新型将退役电池与DC/DC模块之间的接线方式设计为插拔方式，这种连接结构也可以规避因异类电池连结产生的木桶效应。

本实施例中构建的直流能源系统可以根据应用场景不同有不同的连结方式，但总体相同处为：光伏发电单元的输出端以及退役电池包的输出端均连接到同一直流母线上，直流母线输出侧经过DC/AC模块转化为交流电后接入到交流母线上，交流充电桩从交流母线侧获取电能，直流充电桩从直流母线侧获取电能。以下给出两种不同接线方式的实施例具体说明：

实施例1：本实施例所构建的直流能源系统如图1所示，这种结构主要适用于中小型充电站、服务区等场景需求。其中，交流母线的电压高于直流母线的电压，直流母线电压为600～800V，交流母线电压为0.4KV。分布式光伏组件输出端连接DC/DC模块后接入直流母线，直流母线通过DC/AC模块转化为交流电后再升压接入交流母线上。每个退役电池包输出端连接DC/DC模块后接入到直流母线上。交流充电桩、照明通信系统及供冷/供热系统都从交流母线上获取电能，直流充电桩从直流母线上获取电能。

实施例1给出的拓扑架构中，DC/DC模块、DC/AC模块、隔离变压器等硬件设备可集成于集装箱内，适用于户外布置，不仅能满足电动汽车的不同形式充电需求，还可以安全、稳定、可靠、经济地满足站内照明通信及供冷/供热设备的用电，做到自发电自用。

实施例2：本实施例所构建的直流能源系统如图2所示，比实施例1中的结构更适合大规模的场景下应用，这种结构下的分布式光伏组件和储能单元容量都较大，除了可以保障直流能源系统内照明通信系统、充电系统、供冷/热系统用电外，也可结合实际情况接入电网，作为电网电能的补充。本实施例中交流母线沿电能输送方向至少分为两级，第一级交流母线的电压高于第二级交流母线电压及直流母线电压，第一级交流母线电压为10KV或35KV，第二级交流母线电压为0.4KV，直流母线电压为1.5KV～3KV。光伏发电单元中设置多个分布式光伏组件，每个分布式光伏组件输出端各自连接DC/DC模块，为提高光伏输出电压降低内部损耗，光伏组件中的多个DC/DC模块级联后接入直流母线上。直流母线输出侧通过DC/AC模块转换为交流电后经升压变压器升压后连接到第一级交流母线上，第一级交流母线通过降压变压器降压后连接第二交流母线，交流充电桩、照明通信系统及供冷/供热系统都从第二级交流母线上获取电能，直流充电桩从直流母线上获取电能。本实施例中的储能单元根据退役电池的分类情况分为多组，每组储能单元中有多个类型相同且容量相同或相近的退役电池包，为减少放电过程中电能损耗，将每组储能单元中的多个退役电池包输出端进行级联，级联后提高输出电压，可以减少损耗，这种级联方式相比单个连接结构，在相同容量设计下，所使用的开关设备及变压器数量可减少，可减少造价成本，有利于降低电站运维工作量，提高运行安全可靠性。本实施例中的级联不同于传统H桥级联方式，而是采用手拉手式串接方式级联，除了在物理电路上进行连接外，仅适当修改原有变换器的控制方法即可，这种级联复杂程度远小于H桥结构。

实施例2给出的拓扑架构中，采用KW级变流器，整体KW级变流器个数需求少，经济性好，具有交直流平台电压高、电流小，整体能效高的优点。不仅可以做到能源系统内自发电自用，还可以并入电网成为补充电能来源。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.基于梯次电池储能的直流能源系统，包括光伏发电单元、储能单元、用户侧单元，其特征在于：储能单元采用退役电池包，用户侧单元包括直流充电桩和交流充电桩；光伏发电单元的输出端以及退役电池包的输出端均连接到同一直流母线上，直流母线输出侧经过DC/AC模块转化为交流电后接入到交流母线上，交流充电桩从交流母线侧获取电能，直流充电桩从直流母线侧获取电能。

2.根据权利要求1所述的基于梯次电池储能的直流能源系统，其特征在于：所述交流母线的电压高于直流母线的电压，直流母线输出侧连接DC/AC模块，DC/AC模块输出端连接升压变压器，升压变压器输出端连接交流母线。

3.根据权利要求2所述的基于梯次电池储能的直流能源系统，其特征在于：所述直流母线电压为600～800V，交流母线电压为0.4KV。

4.根据权利要求1所述的基于梯次电池储能的直流能源系统，其特征在于：所述交流母线沿电能输送方向至少分为两级，第一级交流母线的电压高于第二级交流母线电压，第一级交流母线的电压高于直流母线电压，直流母线输出侧连接DC/AC模块，DC/AC模块输出端连接升压变压器，升压变压器输出端连接第一交流母线，第一交流母线输出侧经过降压变压器降压后连接第二交流母线。

5.根据权利要求4所述的基于梯次电池储能的直流能源系统，其特征在于：所述直流母线电压为1.5KV～3KV，第一级交流母线电压为10KV或35KV，第二级交流母线电压为0.4KV。

6.根据权利要求4所述的基于梯次电池储能的直流能源系统，其特征在于：所述储能单元包括多个退役电池包，每个退役电池包各自连接DC/DC模块，多个DC/DC模块级联后连接至直流母线上；光伏发电单元包括多个分布式光伏组件，每个分布式光伏组件各自连接DC/DC模块，光伏组件中的多个DC/DC模块级联后连接直流母线。

7.根据权利要求6所述的基于梯次电池储能的直流能源系统，其特征在于：所述级联方式采用手拉手式串接方式级联。

8.根据权利要求6所述的基于梯次电池储能的直流能源系统，其特征在于：所述退役电池包与DC/DC模块采用插拔方式连接。

9.根据权利要求1所述的基于梯次电池储能的直流能源系统，其特征在于：所述储能单元包括多个退役电池包以及具有抽屉式结构的电池放置架，每个退役电池包放入各自的抽屉框架内。

10.根据权利要求1所述的基于梯次电池储能的直流能源系统，其特征在于：所述能源系统还包括实时采集交流充电桩和直流充电桩用能状态并控制储能单元整体充放电管理的智能控制器，储能单元分为多组，储能单元与智能控制器之间还连接有用于控制每组储能单元充放电的协调控制器。

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