CN113612264A - 一种模块化多电平储能电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力储能领域，提供一种模块化多电平储能电池系统，该电池系统由一个电池簇或多个电池簇并联构成，所述电池簇由一个电池组或多个电池组串联构成，所述电池组包括电池包和半桥模块，电池包的直流输出端口并联半桥模块。本发明模块化多电平储能电池系统，能够实现对每个电池簇内串联的电池包以及多个并联的电池簇的充放电过程进行精细化的管控。

Description

一种模块化多电平储能电池系统

技术领域

本发明属于电力储能领域，具体涉及一种模块化多电平储能电池系统，用于对构成电池系统的电池包进行精细化管理。

背景技术

近年来，电力系统中风力发电、光伏发电的比重大规模上升，为了抵御大规模新能源发电并网带来的间歇性与波动性问题，电力储能成为未来电力系统不可或缺的部分。

电化学储能系统主要由电池系统、储能变流器、变压器、电池管理系统等组成。为了提高电池系统的容量，电池系统通常由多个电池单体串并联构成电池包，由多个电池包串联构成电池簇，再由多个电池簇并联构成电池系统。

现有的电池系统在电气拓扑上通常由成千上万个电池单体通过串并联的形式组合而成。要求电池单体的内生参数以及对外输出特性高度一致，当电池单体参数不一致时，易导致部分电池单体处于过充或过放状态，从而引起一系列安全及经济损失问题。

现有常规技术的缺点有：

1、要求串并联的电池单体内部参数与输出外特性高度一致，从而提高了电池制造、电池测试筛选及电池成组的成本；

2、随着储能系统运行时间的增长，串并联的电池单体其参数及输出特性会逐步变得不一致，参数偏差大的电池单体存在过充电或过放电的问题，从而参数不一致的电池单体温度上升，电池单体过热后有可能熔化电池单体的电池隔膜，有可能导致电池单体发生热失控问题，进而波及整个电池系统，引发火灾；

3、常规技术采用数量众多的电池单体简单串并联的方案，单个电池单体失效后，导致该电池单体所在的电池包失效，有可能进一步导致电池包所在的电池簇失效，从而降低了电池系统实际可用的容量及使用寿命；

4、常规技术缺乏对电池包进行精细化的管控，仅依靠电池管理系统中的主动均衡或被动均衡对电池系统进行均衡，而主动均衡及被动均衡的额定电流分别为电池单体额定电流的1%以下或更低，从而导致均衡效果差，因电池均衡效果差，导致电池的可用容量和可用寿命衰减快；

5、由于常规技术缺乏对电池包进行精细化主动管控，常规电池系统技术难以将电池输出特性差异大的电池聚合在一起提高电池系统的容量；

6、由于常规技术缺乏对电池包进行精细化的主动管控，常规电池系统的容量及寿命衰减快，导致采用常规技术的电池系统在初期建设时，电池容量超配严重，增加了电池系统初次投资的成本；

7、由于常规技术缺乏对电池包进行精细化的主动管控，常规电池系统中的电池包发生故障时，需要人工上站校核故障电池包，提高了运维成本；

8、由于常规技术缺乏对电池包进行精细化的主动管控，常规电池系统在施工安装时，需要在储能电池施工安装时人工调整电池包的荷电状态，增加了储能电池系统的施工安装成本。

发明内容

为了改进上述现有技术存在的缺点，本发明提供了一种模块化多电平储能电池系统，实现对每个电池簇内串联的电池包以及多个并联的电池簇的充放电过程进行精细化的管控，解决由于缺乏对电池系统进行精细化管控而带来的安全、容量损失、寿命衰减、一次投资超配高、施工安装不便、运维不便等系列问题。

为实现上述目的，本发明提供一种模块化多电平储能电池系统，该电池系统由一个电池簇或多个电池簇并联构成，所述电池簇由一个电池组或多个电池组串联构成，所述电池组包括电池包和半桥模块，电池包的直流输出端口并联半桥模块。

通过控制半桥模块开关管的开通与关断，可以控制电池包接入至电池簇主回路或从电池簇主回路退出，从而对电池包进行精细化管控。

由于每个电池组均配备了半桥模块，故电池组串联构成电池簇后，电池簇通过投入或切除其簇内的电池组，实现对其簇内电池包的充放电管理，通过投入或切除簇内的电池组能改变电池簇的输出电压，从而使得多个电池簇并联构成电池系统后，各个电池簇之间也具备主动控制能力。

由于每个电池簇可以通过改变其簇内电池组的投切状态而改变该电池簇的输出电压，故称该电池系统为模块化多电平电池系统。

本发明电池系统用于实现对每个电池簇内串联的电池包以及多个并联的电池簇的充放电过程进行精细化的管控，避免电池系统因电池包的串联不均衡以及电池簇的并联不均衡而带来容量损失、容量衰减快、寿命衰减快、起火隐患等问题。

在上述技术方案中，所述半桥模块由上部开关组及下部开关组串联而成，上部开关组及下部开关组均由开关管及对应的反并联二极管并联构成，上部开关组的高电压端联接电池包的高电位端，上部开关组的低电位端与下部开关组的高电位端相联接，记此联接点为联接点1，下部开关组的低电位端联接电池包的低电位端，记此联接点为联接点2，从联接点1及联接点2引出接线端子构成电池组的输出端子，一个或多个电池组通过输出端子的顺次串联，构成电池簇。

在上述技术方案中，多个电池簇的低压端并联联接在电池系统的直流负母线上，每个电池簇的高压端与隔离开关串联后，联接在电池系统的直流正母线上。

在上述技术方案中，多个电池簇的低压端并联联接在电池系统的直流负母线上，每个电池簇的高压端与电抗器及隔离开关串联后，联接在电池系统的直流正母线上。

在上述技术方案中，对于每一个电池组，通过开通上部开关组并关闭下部开关组将电池包接入到电池簇通流主回路中，使得电池包流过电池簇的电流，通过开通下部开关组并关闭上部开关组将电池包从电池簇通流主回路中切除，使得流过电池包的电流为零。

在上述技术方案中，关断一个电池簇的全部开关管从而将该电池簇从电池系统中退出。

在上述技术方案中，每个电池簇运行过程中监测每个电池包的荷电状态，并对电池包的荷电状态进行从高到低排序，记M为一个电池簇内电池组总数，K为当前时刻需要投入的电池包个数，电池系统处于充电状态或该电池簇需要进入充电状态时，投入荷电状态排序最低的K个电池包，切除荷电状态排序高的其余M-K个电池包，电池系统处于放电状态或该电池簇需要进入放电状态时，投入荷电状态排序高的K个电池包，切除荷电状态排序低的M-K个电池包，通过上述均衡投切策略，保证每个电池簇内的电池包的荷电状态处于均衡状态。

在上述技术方案中，通过使电池组的半桥模块工作在脉冲宽度调制模式下，对电池组的输出电压进行连续调控，进而形成对该电池簇直流输出电压的连续调控，使得该电池簇能与其他电池簇可控地交换电量并对该电池簇的电流进行限流。

在上述技术方案中，每个电池簇串联冗余的电池组，电池组故障时，通过触发该故障电池组的下部开关管长期导通，将该电池组从电池簇中切除，维持电池簇电流通路的连续。

在上述技术方案中，当故障电池组的数目超过配置的冗余电池组数目时，将故障电池组所在簇的全部开关管闭锁，待流过电池簇的电流为零后，将电池簇的旁路开关打开，将故障电池簇从电池系统中切除。

在上述技术方案中，所述半桥模块的上部开关组及下部开关组均由多个开关管及其反并联二极管并联而成。

在上述技术方案中，所述下部开关组所并联的开关管及反并联二极管的数量多于上部开关组所并联的开关管及反并联二极管的数量，从而提高下部开关组的冗余度及可靠性，避免下部开关组因开关管开路而导致电池簇的电流通路断开。

总体而言，本发明的模块化多电平储能电池系统相比于常规的直接串并联型电池系统，具有如下有益效果：

（1）通过每个电池包半桥模块的投切操作可以控制每个电池包的充、放电过程以及每个电池簇的充、放电过程，而现有储能电池系统因采用简单的串并联方式，无法实现对每个电池簇充、放电过程的精细化控制，也无法对每个电池包的充、放电过程进行精细化控制；

（2）由于本发明所提供的电池系统可以精细化地管控电池包的充放电过程从而可以避免现有储能电池系统电池簇内电池包直接串联带来的单个电池包过充电、过放电问题，进而避免了因单个电池包过充、过放而带来的火灾问题，也避免了现有技术单个电池包故障后导致的电池簇整体退出运行问题，提高了电池簇的利用率；

（3）由于本发明所提供的电池系统可以精细化地管控电池簇的充放电过程，从而避免了现有技术多个电池簇直接并联带来的单个电池簇过充、过放问题，极大避免了多个电池簇给单个电池簇集中充电或单个电池簇给多个电池簇集中放电而带来的过电流问题，及因过电流问题导致的温度上升、电池热失控及火灾问题；

（4）整体而言，本发明所提供的电池系统可以提高电池系统的利用率，延长电池的使用寿命，降低现有电池系统因充放电失衡带来的容量损失与寿命缩减，降低电池系统施工安装成本及电池系统运维成本，降低电池系统初始投资成本，以100MWh储能电池系统，15年运行时间尺度为例，常规技术一般在第7~8年就需要整体更换电池系统，且考虑电池成本因时代进步而带来的成本下降，常规技术在电池系统上的总投资约为1*0.75*(1+0.4)=1.05亿，本发明提供的技术在电池系统上的总投资约为1*0.75*(1+0.2)*0.7=0.63亿，可知本发明提供技术在电池系统一次投资上的成本为常规技术成本的60%。

附图说明

图 1是常规储能电池系统电路拓扑示意图，其中，21是常规储能电池系统，2是电池包，24是电池簇，5是隔离开关，10是直流正极母线，11是直流负极母线。

图 2是模块化多电平储能电池系统电路拓扑示意图，其中，1是模块化多电平储能电池系统，2是电池包，3是电池组，4是电池簇，5是隔离开关，6是电抗器，7是半桥模块，8是上部开关组，9是下部开关组，10是直流正极母线，11是直流负极母线。

图 3是图 2所示模块化多电平储能电池系统的简化接线，其中，1是模块化多电平储能电池系统，2是电池包，3是电池组，4是电池簇，5是隔离开关，7是上部开关组，8是下部开关组，9是半桥模块，10是直流正极母线，11是直流负极母线。

图 4是模块化多电平储能电池构成的集中式储能系统电路拓扑示意图，其中，1是模块化多电平储能电池系统，10是直流正极母线，11是直流负极母线，12是储能变流器，13是变压器，14是电网，15是集中式储能系统。

图 5是模块化多电平储能电池中电池组的一种实现方式，其中，2是电池包，3是电池组，7是半桥模块，8是上部开关组，9是下部开关组，17是开关管及其反并联二极管，16是电池单体。

图 6是模块化多电平储能电池中电池组的另一种实现方式，其中，2是电池包，3是电池组，7是半桥模块，8是上部开关组，9是下部开关组，17是开关管及其反并联二极管，16是电池单体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图 1所示为常规储能电池系统拓扑示意图，其原理为由多个电池包2直接串联构成电池簇24，多个电池簇24外接隔离开关5后，再并联构成常规储能电池系统21。

图 1所示的常规储能电池系统存在的主要问题之一是每个电池簇24由多个电池包2直接串联而成，无法独立控制单个电池包2的充放电过程，在充电工况时，假设某个电池包2已充满电后，若该电池包2所在的电池簇24整体电压仍偏低，则该电池包2仍会被继续充电，从而导致该电池包2过充电；在放电工况时，若某个电池包2已经放电到截止电压，原则上不应该继续放电，但若该电池包2所在的电池簇24整体电压仍偏高，则该电池簇24仍将继续放电，导致该电池簇24内的电池包2过放电，上述电池包过充电与过放电问题使得电池包的容量及寿命快速衰减，进而类似多米诺骨牌一样，该电池簇24的其他电池包逐个更易处于过充电或过放电状态，从而导致电池簇24整体的容量与寿命快速衰减。

图 1所示的常规储能电池系统存在的主要问题之二是多个电池簇24直接并联构成储能电池系统，若并联的某个电池簇24电压偏低时，其他所有的电池簇均向该电压偏低的电池簇24放电，从而易导致电压偏低的电池簇24发生过电流问题，过电流会导致该电池簇24的电池包2温度上升，严重时，该电压偏低的电池簇24内的电池包2因温度上升有可能熔化电池包2的隔膜，进而导致电池包进入到热失控状态，从而导致火灾。类似地，若并联的某个电池簇24的电压偏高，在电池系统整体处于放电状态时，该电压偏高的电池簇24将对其他电池簇放电，进而产生过电流问题，并因过电流问题而有可能逐步演化为火灾事故。

为了解决上述图 1所示常规电池系统因简单地对电池包进行串并联而带来的问题，图 2所示提出了一种模块化多电平储能电池系统1，每个电池包2的直流输出端口并联了半桥模块7，每个半桥模块7由上部开关组8和下部开关组9串联而成，每个开关组由开关管及其反并联二极管并联而成，电池包2与半桥模块7并联构成电池组3；

上部开关组8的低电位端与下部开关组9的高电位端相联接，记此联接点为联接点1，下部开关组9的低电位端联接到电池包2的低电位端，记此联接点为联接点2，从联接点1及联接点2引出接线端子构成电池组3的输出端子；

一个或多个电池组3在其输出端子侧顺次串联，构成电池簇4，每个电池簇4的高压端与电抗器6和隔离开关5串联后，联接到储能电池系统的正极直流母线10上，每个电池簇的低压端联接到负极直流母线11上，从而构成模块化多电平型储能系统1。

在图 2所示模块化多电平储能电池系统中，开通上部开关组8，并关断下部开关组9即可将电池包2投入，关断上部开关组8，开通下部开关组9即可将电池包2从电路中切除，故而通过控制半桥模块7的投切状态就可以控制电池包2处于投入状态还是切除状态，从而对电池包2的充电过程以及放电过程进行精细化控制。

在图 2所示模块化多电平储能电池系统中，将电池簇4内的全部开关组8和开关组9关断即可将该电池簇4从电池系统中退出，避免电池簇4进一步参与到电池系统的充电过程或放电过程中。

图 2所示模块化多电平储能电池系统1中，记每个电池簇4的电池包个数为M，当前时刻需要投入的电池包个数为K，每个电池簇4运行过程中监测每个电池包2的荷电状态，电池系统1处于充电状态或该电池簇4需要进入充电状态时，投入荷电状态相对较低的K个电池包2，切除荷电状态相对较高的其余M-K个电池包2，从而对荷电状态相对较低的K个电池包2进行充电，而其余处于切除状态的M-K个电池包不被充电；电池系统1处于放电状态或该电池簇4需要进入放电状态时，投入荷电状态相对较高的K个电池包2，切除荷电状态相对较低的M-K个电池包2，从而对荷电状态相对较高的K个电池包2进行放电，其余处于切除状态的M-K个电池包2的电量基本维持不变，通过上述均衡投切策略，保证每个电池簇4内的电池包2的荷电状态处于均衡状态，上述M，K均为正整数且M≧K。

图 2所示模块化多电平储能电池系统1中，使同一个电池簇4内的一个或多个电池组3的半桥模块7工作在脉宽调制模式下是，可以对该一个或多个电池组3的输出电压进行连续调节，从而可以对该一个或多个电池组3所在电池簇4的输出电压进行连续调控。

在初期配置的时候，可以在图 2所示模块化多电平储能电池系统1中的每个电池簇4均串联一定数量冗余的电池组3，电池簇4内某一个或多个电池组3故障时，通过触发该故障电池组3的下部开关组9处于持续导通状态，可以将该故障电池组3从电池簇4中切除，维持电池簇4的电流通路畅通，从而不会因一个或多个电池组3故障导致整个电池簇4故障。

图 2所示模块化多电平储能电池系统1中，若故障的电池组3的数量超过配置的冗余电池组数目，则将故障电池簇4的全部开关管关断，待流过该故障电池簇4的电流过零后，将该电池簇4对应的隔离开关打开，从而将故障电池簇4从电池系统1中切除。

图 3所示为模块化多电平储能电池系统1的简化接线，其拓扑结构与图 2基本一致，区别在于相比于图 2，每个电池簇没有外接电抗器6。

图 4为模块化多电平储能电池系统1与储能变流器12等构成的集中式储能系统15，其中13为变压器，14位交流电网，将模块化多电平储能电池系统1的正极直流母线10与负极直流母线11分别与储能变流器12的直流正、负极相联接，储能变流器12的交流输出接交流变压器13后，即可接入到交流电网14，构成集中式储能系统15。

图 5为电池组3的一种具体实现方式，半桥模块7的上部开关组8及下部开关组9均由多个开关管及其反并联二极管17并联而成，电池包2由1个或多个电池单体串、并联而成。

图 6为电池组3的另一种具体实现方式，半桥模块7的上部开关组8及下部开关组9均由多个开关管及其反并联二极管17并联而成，电池包2由1个或多个电池单体串并联而成，与图 5的区别在于，图 6下部开关组9并联的开关管及其反并联二极管17的数量多于上部开关组8并联的开关管及其反并联二极管17的数量，从而为下部开关组9提供冗余的开关管及其反并联二极管17，使得一个或多个开关管及其反并联二极管17故障时，下部开关组9仍能被安全地触发导通，从而使得电池组3能流过电池簇4的电流，保障电池簇4的电流处于通流状态，不会因为单个开关管及其反并联二极管17的故障而导致整个电池簇4退出运行。

综上，本发明提供了一种模块化多电平型储能电池系统，每个电池包均并联了半桥模块构成电池组，通过半桥模块可以控制电池包处于投入状态或切除状态，从而控制电池包接入到充放电主回路中或者从充放电主回路中切除，从而控制每个电池包的充放电状态，每个电池簇由一个或多个具备投切控制能力的电池组串联而成，从而每个电池簇也高度可控，一个或多个电池簇并联构成了模块化多电平型储能电池系统，相比于一个或多个电池包直接串联构成电池簇，再由一个或多个电池簇直接并联构成常规电池系统技术，本发明所提技术方案的优势在于：

（1）避免了一个电池簇内，单个电池包的过充电或过放电问题，从而减缓了电池系统的容量损失与寿命损失；

（2）避免了多个电池簇并联后，其他多数电池簇给少数电池簇放电或少数电池簇给其他多数电池簇充电的问题，从而避免了少数电池簇进入过电流状态，减少了电池簇因过流而衍生出的过温、电池隔膜熔化、电池热反应失控及电池起火等系列问题；

（3）由于可以减缓电池系统容量和寿命的衰减损失，初始投资时，可以降低电池系统的超配数量达30%及以上；

（4）由于每个电池组及每个电池簇均高度可控，本发明所提的技术方案不需要在施工安装及运行维护是人工上站跳闸电池包的荷电状态，从而降低了施工安装及运维成本；

（5）整体而言，本发明所提供的电池系统可以提高电池系统的利用率，延长电池的使用寿命，降低现有电池系统因充放电失衡带来的容量损失，降低电池系统初始投资成本，以100MWh储能电池系统，15年运行时间尺度为例，常规技术一般在第7~8年就需要整体更换电池系统，且考虑电池成本因时代进步而带来的成本下降，常规技术在电池系统上的总投资约为1*0.75*(1+0.4)=1.05亿，本发明提供的技术在电池系统上的总投资约为1*0.75*(1+0.2)*0.7=0.63亿，可知本发明提供技术在电池系统一次投资上的成本为常规技术成本的60%。

本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅为本领域的技术人员容易理解的本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种模块化多电平储能电池系统，其特征在于：该电池系统由一个电池簇或多个电池簇并联构成，所述电池簇由一个电池组或多个电池组串联构成，所述电池组包括电池包和半桥模块，电池包的直流输出端口并联半桥模块。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平储能电池系统，其特征在于：所述半桥模块由上部开关组及下部开关组串联而成，上部开关组及下部开关组均由开关管及对应的反并联二极管并联构成，上部开关组的高电压端联接电池包的高电位端，上部开关组的低电位端与下部开关组的高电位端相联接，记此联接点为联接点1，下部开关组的低电位端联接电池包的低电位端，记此联接点为联接点2，从联接点1及联接点2引出接线端子构成电池组的输出端子，一个或多个电池组通过输出端子的顺次串联，构成电池簇。

3.根据权利要求1所述的模块化多电平储能电池系统，其特征在于：多个电池簇的低压端并联联接在电池系统的直流负母线上，每个电池簇的高压端与隔离开关串联后，联接在电池系统的直流正母线上。

4.根据权利要求1所述的模块化多电平储能电池系统，其特征在于：多个电池簇的低压端并联联接在电池系统的直流负母线上，每个电池簇的高压端与电抗器及隔离开关串联后，联接在电池系统的直流正母线上。

5.根据权利要求1所述的模块化多电平储能电池系统，其特征在于：对于每一个电池组，通过开通上部开关组并关闭下部开关组将电池包接入到电池簇通流主回路中，通过开通下部开关组并关闭上部开关组将电池包从电池簇通流主回路中切除。

6.根据权利要求1所述的模块化多电平储能电池系统，其特征在于：关断一个电池簇的全部开关管从而将该电池簇从电池系统中退出。

7.根据权利要求1所述的模块化多电平储能电池系统，其特征在于：每个电池簇运行过程中监测每个电池包的荷电状态，并对电池包的荷电状态进行从高到低排序，记M为一个电池簇内电池组总数，K为当前时刻需要投入的电池包个数，电池系统处于充电状态或该电池簇需要进入充电状态时，投入荷电状态排序最低的K个电池包，切除荷电状态排序高的其余M-K个电池包，电池系统处于放电状态或该电池簇需要进入放电状态时，投入荷电状态排序高的K个电池包，切除荷电状态排序低的M-K个电池包，通过上述均衡投切策略，保证每个电池簇内的电池包的荷电状态处于均衡状态。

8.根据权利要求1所述的模块化多电平储能电池系统，其特征在于：通过使电池组的半桥模块工作在脉冲宽度调制模式下，对电池组的输出电压进行连续调控，进而形成对该电池簇直流输出电压的连续调控。

9.根据权利要求1所述的模块化多电平储能电池系统，其特征在于：每个电池簇串联冗余的电池组，电池组故障时，通过触发该故障电池组的下部开关管长期导通，将该电池组从电池簇中切除，维持电池簇电流通路的连续。

10.根据权利要求9所述的模块化多电平储能电池系统，其特征在于：当故障电池组的数目超过配置的冗余电池组数目时，将故障电池组所在簇的全部开关管闭锁，待流过电池簇的电流为零后，将电池簇的旁路开关打开，将故障电池簇从电池系统中切除。

11.根据权利要求2所述的模块化多电平储能电池系统，其特征在于：所述半桥模块的上部开关组及下部开关组均由多个开关管及其反并联二极管并联而成。

12.根据权利要求11所述的模块化多电平储能电池系统，其特征在于：所述下部开关组所并联的开关管及反并联二极管的数量多于上部开关组所并联的开关管及反并联二极管的数量。

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