CN103050987A

CN103050987A - 一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***及控制方法

Info

Publication number: CN103050987A
Application number: CN2013100005405A
Authority: CN
Inventors: 张之梁; 蔡勇勇; 何晓飞
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-01-05
Filing date: 2013-01-05
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2033-01-05
Also published as: CN103050987B

Abstract

本发明涉及一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，包括供电母线、以及数个与供电母线相连接的单体蓄电池组，各个单体蓄电池组分别包括电池槽、微型双向变换器、微型电池控制装置、以及设置在电池槽内的蓄电池；其中，蓄电池经过微型双向变换器与供电母线相连，并受控于微型电池控制装置；本发明设计的蓄电池储能***，基于单体蓄电池组，能够提高***的储能利用率、可靠性和兼容性；与此相应，本发明设计了用于控制基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的方法，在保证供电的同时，能够有效地提高供电效率，避免不必要的电能浪费，保证电池的使用寿命。

Description

一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***及控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***及控制方法。

背景技术

随着国民经济的发展，电力需求迅速增长，电网规模不断扩大，超大规模电力***的弊端也日益凸现，其中成本高、运行难度大、难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求。而随着电力电子技术的发展，电力***逐渐趋于微型化、分布化，由此产生了一个新的名词——微网。

微网是由一连串负载与微型电源组成的，为其所在地区提供电源和热量的单一可控***，它是由分布式能源及其负载按照一定拓扑结构组成的***，更好的实现了分布式发电的优点。目前，应用比较广泛的是交流微网，但是相比于交流微网，直流微网具有以下明显优势：

(1) 直流微网中各微源与直流母线的连接简单，直流微网只需在与主电网连接处使用逆变器，使得整个微网***成本和损耗大大降低。

(2) 由于分布式微源的控制取决于直流微网电压，而直流微网中大量存在的微源能够较为容易协同运行，进而使得整个***的协同运行变得简单容易。

(3) 交流微网中普遍存在的谐波和功率因数问题在直流微网中将不复存在。

(4) 研究表明，在同样条件下，直流分布式输电网络传输的能量大于交流网络。

此外，直流微网还具有变换器所用磁性材料少；与非同步电源的连接容易；直流***微源和负载的变化可以作为整体进行综合补偿；直流微网相对于交流微网，故障几率较小；直流微网中微源换流器功率较小，散热和冗余设计简单，可靠性高等优点。综上所述，直流微网能够为更加合理有效地利用分布式发电提供了理想的解决方案。

在一些新型发电***，如光伏发电***、风能发电***中，可为负载直接供电，但此类发电***受环境影响很大，呈间歇式发电的特点。因此，必须在微网中加入储能装置，当发电***无法正常发电时，储能装置能够为负载提供正常的供电，而且储能装置还可以存储多余的能量。此外，储能装置还可在微网***中起到能量缓冲的作用，提供与吸收***中的动态能量，从而保证***稳定性。由此可以看出，储能装置是微网中的重要组成部分，因为它不仅保证了整个***的稳定，同时也提高了用电效率。

微型储能***主要有蓄电池、高速飞轮以及储能装置等，其中针对蓄电池的储能装置以其能量密度高、使用方便等优点取得了越来越广泛的应用前景。但是蓄电池组容量过大时，容易产生高温，诱发不安全因素。因此，实际工艺中，蓄电池组的容量是有上限的，大容量蓄电池储能***往往通过将蓄电池组进行串并联的方式实现的。如图1所示，现有的蓄电池储能***是将多个蓄电池组直接进行串并联组合，形成具有一定容量的储能单元，然后通过集中式双向变换器与高压母线相连，供负载使用。这种蓄电池储能***中还包括一个集中式电池管理***，它主要负责监测各个电池组的电压、温度及电荷状态等信息，形成相应的控制策略，控制集中式双向变换器进行充放电操作。这样的蓄电池储能***称为“集中式蓄电池储能***”，虽然目前来讲，这样的***已比较成熟，但却存在着诸多缺陷：（1）***需要考虑电池组间的均压问题；（2）生产工艺成本高；（3）电池组过充/过放问题；（4）***兼容性差；（5）***可靠性低；（6）***能量利用率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于单体蓄电池组，能够提高***储能利用率、可靠性和兼容性的蓄电池储能***。

与此相应，本发明所要解决的技术问题是提供一种在保证供电的同时，能够有效地提高供电效率，避免不必要的电能浪费，保证电池使用寿命的用于控制基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，包括供电母线、以及数个与供电母线相连接的单体蓄电池组，各个单体蓄电池组分别包括电池槽、微型双向变换器、微型电池控制装置、以及设置在电池槽内的蓄电池；其中，蓄电池经过微型双向变换器与供电母线相连，并受控于微型电池控制装置。

作为本发明的一种优选技术方案：所述单体蓄电池组还包括与所述微型电池控制装置相连接的无线通信模块。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括与供电母线相连的超级电容单元，其中，超级电容单元包括微型双向变换器、以及至少一个超级电容，各个超级电容并联连接后，经过微型双向变换器与供电母线相连。

作为本发明的一种优选技术方案：所述超级电容单元还包括与微型双向变换器相连接的无线通信模块。

作为本发明的一种优选技术方案：所述微型双向变换器为微型双向直流变换器。

作为本发明的一种优选技术方案：所述与供电母线相连接的各个单体蓄电池组呈分布式矩阵排列。

作为本发明的一种优选技术方案：所述供电母线为直流母线。

本发明所述一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明设计的蓄电池储能***基于单体蓄电池组，能够提高***的储能利用率、可靠性和兼容性；

（2）本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***中，单体蓄电池组还包括与所述微型电池控制装置相连接的无线通信模块，使得各个单体蓄电池组彼此之间能够相互通信，以及能够与用户监控设备进行通信，实现对本蓄电池储能***的监控；

（3）本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***中，设置超级电容单元，使得蓄电池组能够采用脉冲放电模式，大幅提升蓄电池组的放电时间和效率，而且能够利用超级电容单元脉冲放电模式为供电母线提供所需要的瞬时功率；

（4）本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，采用分布式结构，使得整个蓄电池储能***的架构变得灵活，提高了***的储能利用率，无需考虑各个单体蓄电池组之间的均压问题，并且降低了蓄电池的均一性要求，从而降低了整个蓄电池储能***的生产成本；

（5）本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***中，各个单体蓄电池组本身都是一个微型储能***，具有体积小，使用方便等特点，我们可以灵活地将单体蓄电池组接入***中，实现即插即用功能；

（6）本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***中，各个单体蓄电池组包括微型电池控制装置，通过微型电池控制装置能够使各个单体蓄电池组按最优充放电曲线工作，解决了蓄电池过充或过放的问题；

（7）本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***中，各个单体蓄电池组之间相互独立，不存在耦合性，提高了***的可靠性高；

（8）本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，采用了直流式供电方式，相比于交流式供电方式，具有成本低、功耗低、结构简单、控制方便、以及输出能量大的优点。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种用于控制基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的方法，包括与各所述单体蓄电池组中微型电池控制装置相互通信的总控制器，控制方法包括如下步骤：

步骤1.各微型电池控制装置检测其所在单体蓄电池组的电荷状态，并发送给总控制器，总控制器根据得到的各单体蓄电池组的电荷状态，筛选出电荷状态为20%～80%的单体蓄电池组，将其按电荷状态大小进行排序；

步骤2.总控制器根据与供电母线相连负载所需的电压和电流，在排序的单体蓄电池组中，从最大电荷状态到最小电荷状态，逐个累加选取所需的单体蓄电池组，直至满足负载的需求，并由总控制器向选取的各单体蓄电池组的微型电池控制装置发送指令，控制选取的各单体蓄电池组进行工作；

步骤3.经过事先设定好的检测时间间隔，返回步骤1进行工作，直至与供电母线相连的负载停止工作。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤1中，总控制模块将筛选出的单体蓄电池组，根据电荷状态大小按降序排列。

本发明所述一种用于控制基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明所设计的一种用于控制基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的方法，在保证供电的同时，能够有效地提高供电效率，避免不必要的电能浪费，保证了电池的使用寿命；

（2）本发明所设计的一种用于控制基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的方法中，针对单体蓄电池组按电荷状态大小的排列采用降序排列，能够有效减低控制方法在时间和空间上的复杂度。

附图说明

图1是集中式蓄电池储能***；

图2是本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的结构示意图；

图3是本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***中蓄电池脉冲交错放电架构与策略示意图；

图4是本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***与用户监控设备的连接示意图；

图5是本发明设计的用于控制基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的方法中装置的连接示意图；

图6是本发明设计的用于控制基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图2所示，本发明设计了一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，包括供电母线、以及数个与供电母线相连接的单体蓄电池组，各个单体蓄电池组分别包括电池槽(Cell Bank)、微型双向变换器、微型电池控制装置(Micro-BMS)、以及设置在电池槽内的蓄电池；其中，蓄电池经过微型双向变换器与供电母线相连，并受控于微型电池控制装置。

本发明设计的蓄电池储能***基于单体蓄电池组，能够提高***的储能利用率、可靠性和兼容性。

本发明的各个单体蓄电池组中，各蓄电池都是经微型双向变换器与供电母线相连，并受控于微型电池控制装置。因此，各个单体蓄电池组的电压、电流为独立控制，可以按照各个单体蓄电池组的最优曲线，由微型电池控制装置进行控制，并且各个单体蓄电池组之间不存在耦合性，这从根本上解决了各个单体蓄电池组之间的均压问题，即本蓄电池储能***中无需考虑各个单体蓄电池组之间的均压问题。

本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***中，各个单体蓄电池组都集成了微型双向变换器与微型电池控制装置，可直接与供电母线相连，对于各个单体蓄电池组来说本身都是一个微型储能***，具有体积小，使用方便等特点，我们可以灵活地将单体蓄电池组接入***中，实现即插即用功能。

本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***中，单体蓄电池组还包括与所述微型电池控制装置相连接的无线通信模块，使得各个单体蓄电池组彼此之间能够相互通信，以及能够与用户监控设备进行通信，实现对本蓄电池储能***的监控。

如图4所示，本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***中，能够通过设置的无线通信模块，将各个单体蓄电池组的电荷状态情况及时反馈到用户监控设备上，便于用户能够及时对本蓄电池储能***的运行状态进行监控，如各个单体蓄电池组的蓄电池工作情况、单体蓄电池组的储能状态、故障、反馈电能信息等，实现模组之间信息交互，进而实现微型***之间平衡组合的使用。

本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***中，设置超级电容单元，使得蓄电池组能够采用脉冲放电模式，大幅提升蓄电池组的放电时间和效率，而且能够利用超级电容单元脉冲放电模式为供电母线提供所需要的瞬时功率。相比于传统放电模式，脉冲放电技术利用了蓄电池恢复效应，大大提升了蓄电池的放电性能、电池寿命与续航能力。此外，当蓄电池发生故障和***受到能量冲击时，超级电容单元可在暂态过程中为负载提供稳定电压，达到不间断供电功能，保证了本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的稳定性，并提高了本蓄电池储能***的可靠性；其中，超级电容单元中超级电容的数量与蓄电池储能***中的单体蓄电池组的数量相适应；此外，通过设置与微型双向变换器相连接的无线通信模块，能够使其它设备通过无线通信模块对微型双向变换器的工作方式进行控制，进而控制超级电容的工作方式。

利用超级电容单元，实现对各个单体蓄电池组采用脉冲放电模式，各个单体蓄电池组还可根据实际负载的需求，采用交错放电模式。如图3所示，以两个蓄电池组阵列为例，一个周期内，当两个蓄电池组阵列都不导通时，采用超级电容单元来补偿恢复时间的***功率。

经验证，脉冲放电技术具有以下几点优势：

(1) 采用脉冲放电技术后，电池寿命平均提升了20%；

(2) 整个***的能量效率提升了10%；

(3) 超级电容单元还可作为能量补偿器件，充分发挥超级电容动态响应快，充放电次数多的特点，提供脉冲功率之间的能量差，保证***稳定性和可靠性。

本发明中各个单体蓄电池组呈分布式矩阵排列，其中，包括串联蓄电池组矩阵排列和并联蓄电池组矩阵排列。

由于本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，已经解决了各个单体蓄电池组之间的均压问题，所以进一步采用分布式结构，能够降低蓄电池的均一性要求；从厂家的角度考虑，厂家也无需花费大量经费购置过高质量的原材料和昂贵的高精度设备，进而大大降低了生产成本。

不仅如此，本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***采用分布式***架构，还使得整个蓄电池储能***的架构变得灵活，提高了***的储能利用率。相对于集中式储能***来说，由于蓄电池需要集中放置在一起，因此，在实际生产建设中，为了装备这些蓄电池元件需要占用较大空间，整个***空间储能利用率低。但对于分布式储能***来说，由于***的灵活性和即插即用功能，无需较为集中的空间安装储能电池。从而***的储能利用率得到提升。

本发明采用的分布式蓄电池储能***还提升了***的层级。对于集中式蓄电池储能***来说，各个蓄电池都是集中在一起的，***只有一个层级。而对于分布式蓄电池储能***来说，多个单体蓄电池组串并联在一起时，是第一层级；对于单体蓄电池组来说，它本身也是一个微型储能***，是第二层级。在***框架创新的基础上，本发明对第二层级提出了一项创新技术——微型BMS控制管理技术，利用各个单体蓄电池组上设置的微型电池控制装置对各个单体蓄电池组进行管理。在第二层级，即单体蓄电池组中，微型电池控制装置是其核心，它不仅能监测各自单体蓄电池组中蓄电池的电荷状态，还可以与微型双向变换器进行通信，控制其充放电状态。

作为本发明的一种优选技术方案：所述微型双向变换器为微型双向直流变换器(Micro-Bi DC/DC Converter)。

本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，采用了直流式供电方式，相比于交流式供电方式，直流式供电方式具有以下明显优势：

(1) 直流蓄电池储能***中各单体蓄电池组与直流母线的连接简单，直流蓄电池储能***只需在与主电网连接处使用逆变器，能够使得整个蓄电池储能***成本和损耗大大降低。

(2) 由于分布式的各单体蓄电池组的控制取决于蓄电池储能***的电压，而直流蓄电池储能***中大量存在的各单体蓄电池组能够较为容易协同运行，进而使得整个***的协同运行变得简单容易。

(3) 交流蓄电池储能***中普遍存在的谐波和功率因数问题在直流蓄电池储能***中将不复存在。

(4) 研究表明，在同样条件下，直流分布式输电网络传输的能量大于交流输电网络。

此外，直流蓄电池储能***还具有变换器所用磁性材料少；与非同步电源的连接容易；直流蓄电池储能***中各单体蓄电池组和负载的变化可以作为整体进行综合补偿；直流式供电方式相对于交流式供电方式，故障几率较小；而且直流蓄电池储能***中各单体蓄电池组功率较小，散热和冗余设计简单，可靠性高等优点。综上所述，直流蓄电池储能***能够为更加合理有效地利用分布式发电提供了理想的解决方案。

本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能系中，所述蓄电池包括铅酸电池和锂电池。

本发明设计的蓄电池储能***中，各个单体蓄电池组采用分布式排列结构，由于各单体蓄电池组中的蓄电池在与供电母线相连之前，都先经过微型双向变换器的变换，因此不同类别的蓄电池组可以并存，本***具有较高的兼容性。以一个铅蓄电池组和锂电池组为例，即使两电池组的充放电特性方面存在差别，但只要经过微型双向变换器的变换后输出所需的电压和电流，它们就可并存在一个***中。因此，分布式储能***充分发挥了不同储能元件的优势，改善了***的综合性能，整个***的兼容性得到提升，也有利于***的多元化发展。

本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***中，由于各个单体蓄电池组都只对各自的蓄电池进行充放电操作，各单体蓄电池组之间的充放电操作是互不影响的，因此，不会产生电池过充/过放问题，所以各个单体蓄电池组能按照各蓄电池组自身最优的充放电曲线进行工作，进而提升电池组寿命与工作效率。

本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***中，各个单体蓄电池组之间相互独立，不存在耦合性，提高了***的可靠性高；在本发明设计的蓄电池储能***中，各单体蓄电池组都是独立运行的，不存在耦合性。因此，当一个单体蓄电池组发生故障时，它并不影响其他单体蓄电池组的工作状态，对于整个蓄电池储能***来说，其损失的也仅仅是一个单体蓄电池组。因此，相对于集中式蓄电池储能***，分布式蓄电池储能***的可靠性大大提升。

本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***在实际应用过程当中，微型双向直流变换器(Micro-Bi DC/DC Converter)采用恒压恒流(CCCV)充电技术、脉冲放电技术和高效率高功率密度双向能量变换技术，微型电池控制装置(Micro-BMS)采用无线通信技术。电池槽（Cell Bank）、微型双向直流变换器(Micro-Bi DC/DC Converter)和微型电池控制装置(Micro-BMS)以及蓄电池组成单体蓄电池组，多个单体蓄电池组组合成蓄电池储能矩阵，形成分布式微型蓄电池储能***。

本发明设计的基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，其中，微型双向直流变换器(Micro-Bi DC/DC Converter)采用台湾Delta公司的S36SE12002PRFZ；微型电池控制装置(Micro-BMS)采用英国Intersil公司的ILS78600芯片；超级电容采用美国Illinois Capacitor公司的106DCN2R7M；无线通信模块采用美国TI公司的CC2530 芯片。

如图5和图6所示，本发明设计了一种用于控制基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的方法，包括与各所述单体蓄电池组中微型电池控制装置相互通信的总控制器，控制方法包括如下步骤：

步骤1.各微型电池控制装置检测其所在单体蓄电池组的电荷状态（SOC），并发送给总控制器，总控制器根据得到的各单体蓄电池组的电荷状态（SOC），筛选出电荷状态（SOC）为20%～80%的单体蓄电池组，将其按电荷状态（SOC）大小进行排序；

步骤2.总控制器根据与供电母线相连负载所需的电压和电流，在排序的单体蓄电池组中，从最大电荷状态（SOC）到最小电荷状态（SOC），逐个累加选取所需的单体蓄电池组，直至满足负载的需求，并由总控制器向选取的各单体蓄电池组的微型电池控制装置发送指令，控制选取的各单体蓄电池组进行工作；

本发明所设计的一种用于控制基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的方法，在保证供电的同时，能够有效地提高供电效率，避免不必要的电能浪费，保证了电池的使用寿命。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤1中，总控制模块将筛选出的单体蓄电池组，根据电荷状态（SOC）大小按降序排列。

本发明所设计的一种用于控制基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的方法中，针对单体蓄电池组按电荷状态大小的排列采用降序排列，能够有效减低控制方法在时间和空间上的复杂度。

本发明设计的用于控制基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的方法在实际应用过程当中，总控制器可以通过设置在各单体蓄电池组中的无线通信模块，与各微型电池控制装置进行相互通信，而且该控制方法能够有效地将各单体蓄电池组的寿命提升至少20%，放电时间提升至少30%。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，其特征在于：包括供电母线、以及数个与供电母线相连接的单体蓄电池组，各个单体蓄电池组分别包括电池槽、微型双向变换器、微型电池控制装置、以及设置在电池槽内的蓄电池；其中，蓄电池经过微型双向变换器与供电母线相连，并受控于微型电池控制装置。

2.根据权利要求1所述一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，其特征在于：所述单体蓄电池组还包括与所述微型电池控制装置相连接的无线通信模块。

3.根据权利要求1所述一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，其特征在于：还包括与供电母线相连的超级电容单元，其中，超级电容单元包括微型双向变换器、以及至少一个超级电容，各个超级电容并联连接后，经过微型双向变换器与供电母线相连。

4.根据权利要求3所述一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，其特征在于：所述超级电容单元还包括与微型双向变换器相连接的无线通信模块。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，其特征在于：所述微型双向变换器为微型双向直流变换器。

6.根据权利要求1所述一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，其特征在于：所述与供电母线相连接的各个单体蓄电池组呈分布式矩阵排列。

7.根据权利要求1所述一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***，其特征在于：所述供电母线为直流母线。

8.一种控制权利要求1至7中任意一项所述一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的方法，其特征在于：包括与各所述单体蓄电池组中微型电池控制装置相互通信的总控制器，控制方法包括如下步骤：

步骤1.各微型电池控制装置检测其所在单体蓄电池组的电荷状态，并发送给总控制器，总控制器根据得到的各单体蓄电池组的电荷状态，筛选出电荷状态为20%～80%的单体蓄电池组，将其按电荷状态大小进行排序；对于不符合该要求的单体蓄电池组，则由总控制器向其微型电池控制装置发送指令，控制该单体蓄电池组停止工作；

9.根据权利要求8所述一种控制权利要求1至7中任意一项所述一种基于单体蓄电池组的蓄电池储能***的方法，其特征在于：所述步骤1中，总控制模块将筛选出的单体蓄电池组，根据电荷状态大小按降序排列。