CN114825510A - 一种冗余储能***及动态冗余控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冗余储能***及动态冗余控制方法，冗余储能***包括m₀块工作电池和m₂块冗余电池，工作电池与冗余电池的型号相同且工作电池及冗余电池采用串联形式，m₀和m₂的关系如下式所示：

式中，β为单体电池的形状参数。控制方法基于电池健康度和循环时间实现动态冗余调度以延长***的电池寿命。本发明的冗余储能***通过设定特定且最佳的冗余电池数量，能够最大程度延长电池寿命，以降低运行成本，***经济性好；动态冗余控制方法实现了基于电池健康度和循环时间的串联电池***调度控制策略，可用于不同类型的电池、电池站以及具有与电池类似特性的其他装置，极具应用前景。

Description

一种冗余储能***及动态冗余控制方法

技术领域

本发明涉及储能***技术领域，涉及一种冗余储能***及动态冗余控制方法。

背景技术

随着社会的发展，人们的生活工作等方方面面均与能源供应息息相关。当下电能是人们生活工作必不可少的一种能源形式，电能由于其特殊性，其存储较为困难，往往需要电池组配合以存储电能，由于电能难以存储的特性，目前往往配套有储能***以配合电力需求的波动。

现有储能***为提高***的端口电压，往往采用串联多组储能单元形式。串联电池组中一旦有储能单元发生故障，经常需要切除该串联的***，导致该储能***的容量损失较大。串联电池组利用冗余电池可有效提高电池***的在线容量的同时，提高可靠性和延长电池寿命。然而，在冗余配置领域，以往基于预设的冗余电池配置，很少详细分析冗余电池配置对串联电池组寿命的影响。由于边际效应递减，在冗余电池达到一定规模后，随着冗余电池的增加，尽管总寿命仍在增加，但是平均寿命逐渐减少，这将大大增加运行成本。

因此，开发一种设计合理、电池寿命长、成本低廉的冗余储能***极具现实意义。

发明内容

由于现有技术存在上述缺陷，本发明提供了一种设计合理、电池寿命长、成本低廉的冗余储能***，克服了现有冗余储能***难以平衡电池寿命、运行成本过高的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种冗余储能***，包括m₀块工作电池和m₂块冗余电池，所述工作电池与冗余电池的型号相同且工作电池及冗余电池采用串联形式，m₀和m₂的关系如下式所示：

式中，β为单体电池的形状参数。

上述m₀和m₂的关系是基于以下分析推导得出的：

威布尔分布广泛应用于可靠性工程和失效分析，特别是用于机电产品磨损累积失效的分布。单体电池的故障符合威布尔分布。

威布尔分布的概率密度函数可用公式(1)表示：

威布尔分布的累积分布函数可由公式(2)表示：

式中，t为循环数，λ为尺度参数，β为形状参数，在长期使用中，电池存在老化过程，即β值应大于1。

对于包含m₀个工作电池和m₁个冗余电池的串联电池组，其可靠性符合二项分布。假设每个电池是否发生故障互不相关的，且每个电池的可靠性和故障率的为概率(1-F)和F。对于存在i个电池故障与(m₀+m₁-i)个电池无故障的的概率可表示为其概率的乘积，即

从(m₀+m₁)个电池中选择i个故障蓄电池的组合数可通过公式(3)表示：

由于电池交替工作，每个电池的累计工作时间与工作电池和冗余电池的数量有关。当串联电路工作一段时间t时，每个蓄电池运行m₀·t/(m₀+m₁)。因此，串联电路中存在i个故障电池的概率可表示为公式(4)：

对于串联电池的正常运行，故障电池不超过冗余电池，即i≤m₁。因此，可靠性分布和失效分布可分别用公式(5)和公式(6)表示：

F₁(t,m₀,m₁)＝1-R₁(t,m₀,m₁) (6)

利用公式(7)和公式(8)，可以计算具有冗余度的串联电池的预期寿命。

其中，由于冗余量m₁不同，无法直接比较预期寿命。因此，需要根据公式(9)中m₀和m₁的值对其进行修正：

从而，每个电池(包括工作电池和冗余电池)的单位寿命L可通过公式(10)计算得出。

对于确定的m₀和β，根据m₁的值，可分别计算对应的L值，根据L的极大值，确定最佳冗余电池数。

将m₂定义为最佳冗余电池数。在不同的β值条件下，m₀和m₂之间存在不同的关系。当β设置为2到20时，β、m₀和m₂之间的关系如图2所示，当m₀为一定值时，m₂的值随β的减小而增大。

图2表明，β、m₀和m₂之间的关系可以用四舍五入的多元有理函数表示，以β和m₀为自变量，m₂为因变量，拟合函数可用公式(11)表示：

当确定串联电池***的规模m₀和单体电池的形状参数β时，即可计算出最佳冗余电池数。

本发明的冗余储能***，通过电池组动态冗余控制提高电池***的在线容量，提高储能***可靠性和延长寿命，选取了最佳冗余电池数能够最大程度延长电池寿命，以降低运行成本，其可适用于各种电池类型、电池站甚至其他类似性质的电力电子设备，如光伏电池，极具应用前景。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种冗余储能***，还包括电池管理模块，所述电池管理模块与所有电池连接，以获取所有电池的相关运行参数；

每一块电池均对应设有切离或接入电路的切换装置且每块电池对应的切换装置均与电池管理模块连接。

如上所述的一种冗余储能***，所述相关运行参数包括电池的健康状态值、累积放电深度。

本发明还提供了如上所述的一种冗余储能***的动态冗余控制方法，所述动态冗余控制方法由电池管理模块运行，其步骤如下：

(1)判断当前的充放电周期是否结束，如结束则进入下一步，反之则继续放电；

(2)读取所有电池的相关运行参数；

(3)依次针对每块电池，判断该电池的健康状态值是否高于电池健康状态阈值，如是则将该电池接入电路，反之则将该电池切离电路；

(4)将所有接入电路的电池按照累积放电深度从小到大依次排列，选取前m₀个电池接入电路，其他电池切离电路，进入下一个充放电周期。

本发明提出了基于电池健康度和循环时间的串联电池调度控制策略，该方法能够应用于各种电池类型、电池站甚至其他类似性质的电力电子设备，如光伏电池，其适用性好。

作为优选的技术方案：

如上所述的动态冗余控制方法，步骤(3)具体如下：

(3.1)选取任一电池；

(3.2)判断步骤(3.1)选取的电池的健康状态值是否高于电池健康状态阈值，如是则将该电池接入电路，反之则将该电池切离电路；

(3.3)判断所有电池是否均已选取，如是则进入步骤(4)，反之返回步骤(3.1)。

以上技术方案仅为本发明的一种可行的技术方案而已，本发明的保护范围并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际需求合理调整具体设计。

上述发明具有如下优点或者有益效果：

本发明的冗余储能***，通过设定特定且最佳的冗余电池数量，能够最大程度延长电池寿命，以降低运行成本，***经济性好；动态冗余控制方法实现了基于电池健康度和循环时间的串联电池***调度控制策略，可用于不同类型的电池、电池站以及具有与电池类似特性的其他装置，极具应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是电池组出现故障时的电路示意图；

图2是β、m₀、m₂的关系拟合图；

图3是本发明的动态冗余控制方法的流程图；

图4是采用本发明的储能***寿命提升说明图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明中的结构作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。

现有储能***为提高***的端口电压，往往采用串联多组储能单元形式。串联电池组中一旦有储能单元发生故障，经常需要切除该串联的***，导致该储能***的容量损失较大，如图1所示，若储能单元a发生故障，a串储能单元需要整体切除，储能***容量损失较大。

本发明在电池组出现故障时(可能是过载、漏液、短路等)，***必须要做出及时且正确的反应，防止故障转变为事故并且维持***的正常工作。为了防止故障转变为事故，在电池组出现故障时，应立即对目标电池组进行切除，同时正常工作时处于备用状态的电池组接通，就可以维持***的正常工作。

实施例1

一种冗余储能***，包括m₀块工作电池、m₂块冗余电池和电池管理模块，电池管理模块与所有电池连接，以获取所有电池的相关运行参数(电池的健康状态值、累积放电深度)，每一块电池均对应设有切离或接入电路的切换装置且每块电池对应的切换装置均与电池管理模块连接，工作电池与冗余电池的型号相同且工作电池及冗余电池采用串联形式，m₀和m₂的关系如下式所示：

式中，β为单体电池的形状参数。

上述冗余储能***的动态冗余控制方法由电池管理模块运行，其步骤如图3所示：

(1)判断当前的充放电周期是否结束，如结束则进入下一步，反之则继续放电；

(2)读取所有电池的相关运行参数；

(3)依次针对每块电池，判断该电池的健康状态值是否高于电池健康状态阈值，如是则将该电池接入电路，反之则将该电池切离电路，具体为：

(3.1)选取任一电池；

(3.2)判断步骤(3.1)选取的电池的健康状态值是否高于电池健康状态阈值，如是则将该电池接入电路，反之则将该电池切离电路；

(3.3)判断所有电池是否均已选取，如是则进入步骤(4)，反之返回步骤(3.1)；

(4)将所有接入电路的电池按照累积放电深度从小到大依次排列，选取前m₀个电池接入电路，其他电池切离电路，进入下一个充放电周期。

通过仿真计算可知，当m₀介于20至60之间，β介于4至10之间，相比于无冗余储能***，采用该冗余储能***及动态冗余控制方法能够延长4.3～70％电池的寿命(如图4所示)。

经验证，本发明的冗余储能***，通过设定特定且最佳的冗余电池数量，能够最大程度延长电池寿命，以降低运行成本，***经济性好；动态冗余控制方法实现了基于电池健康度和循环时间的串联电池***调度控制策略，可用于不同类型的电池、电池站以及具有与电池类似特性的其他装置，极具应用前景。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种冗余储能***，其特征在于：包括m₀块工作电池和m₂块冗余电池，所述工作电池与冗余电池的型号相同且工作电池及冗余电池采用串联形式，m₀和m₂的关系如下式所示：

式中，β为单体电池的形状参数。

2.根据权利要求1所述的一种冗余储能***，其特征在于，还包括电池管理模块，所述电池管理模块与所有电池连接，以获取所有电池的相关运行参数；

每一块电池均对应设有切离或接入电路的切换装置且每块电池对应的切换装置均与电池管理模块连接。

3.根据权利要求2所述的一种冗余储能***，其特征在于，所述相关运行参数包括电池的健康状态值、累积放电深度。

4.如权利要求1～3任一项所述的一种冗余储能***的动态冗余控制方法，其特征在于，所述动态冗余控制方法由电池管理模块运行，其步骤如下：

(1)判断当前的充放电周期是否结束，如结束则进入下一步，反之则继续放电；

(2)读取所有电池的相关运行参数；

(3)依次针对每块电池，判断该电池的健康状态值是否高于电池健康状态阈值，如是则将该电池接入电路，反之则将该电池切离电路；

(4)将所有接入电路的电池按照累积放电深度从小到大依次排列，选取前m₀个电池接入电路，其他电池切离电路，进入下一个充放电周期。

5.根据权利要求4所述的动态冗余控制方法，其特征在于，步骤(3)具体如下：

(3.1)选取任一电池；

(3.2)判断步骤(3.1)选取的电池的健康状态值是否高于电池健康状态阈值，如是则将该电池接入电路，反之则将该电池切离电路；

(3.3)判断所有电池是否均已选取，如是则进入步骤(4)，反之返回步骤(3.1)。

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