复合储能电池的控制方法及系统与流程

本发明涉及电气控制领域，尤其涉及一种复合储能电池的控制方法及系统。

背景技术：

目前风光互补系统是一种分布式能源供电系统，通常包括风力发电机、光伏组件、风光互补控制器、蓄电池(通常使用铅酸电池)和逆变器四大组成部分，如图1所示，风光互补供电系统可以解决偏远地区或供电不便地区的用电问题。例如，风力发电机将风能转换为三相交流电输出，通常采用永磁发电机，小型风力发电机通常不具备变浆功能。光伏组件将太阳能转换为直流电能输出，风光互补控制器的功能是将永磁风力发电机输出的交流电能转换为直流电能，匹配电池电压，实现风机的保护、光伏逆功率保护、电池充电保护，也可根据需要实现风机和光伏的最大功率跟踪。蓄电池在整个系统中起到至关重要的作用，当风光资源条件较好时利用蓄电池充电将剩余的电能进行储存，当风光资源不好时通过蓄电池放电将储存的电能输出供用电负荷使用，目前蓄电池通常选用胶体铅酸电池。

风光互补供电系统对储能电池的能量密度、功率密度、使用寿命和价格提出了更高的需求，这是传统的铅酸电池或锂电池难以满足的。现有的铅酸电池可循环充放电寿命较低，一般只有200～500次，风光互补供电系统的电池通常一年左右的时间就需要更换；随着用电水平要求的不断提高，用电负荷的功率逐渐增大，尤其是短时大功率负荷的使用，负载短时峰值功率大大增加。为了解决该问题，除了需要配备更大发电功率的风机和光伏组件，还需要配置更大容量的蓄电池来满足功率需求。铅酸电池能量密度高，但功率密度低，因此只能增加铅酸电池并联数目，被迫加大铅酸电池配置容量的方法来获得大的充放电功率，大大增加系统的体积、重量和成本；若综合考虑用电需求、系统成本、体积和重量等多方面因素，蓄电池配置更倾向于采用大功率和最小储能容量的配置方案。蓄电池不再工作于小电流充放电的工况，但是大电流充放电会降低电池储能利用率，同时也会降低铅酸电池的使用寿命。

传统的风光互补供电系统，铅酸电池直接挂在充电电源和用电负荷之间，铅酸电池的充放电取决于风光发电功率和用电负荷功率之差，铅酸电池充放电完全不受控制，没有其他手段和途径去实现蓄电池的充放电管理，无法有效提高电池利用率和使用寿命，此外，风光互补供电系统，铅酸电池的使用过于粗放，缺少对铅酸电池电量、不均衡状况和健康状况等的监测，不利于使用和维护，即便是有复合储能，也是通过锂电池与铅酸电池并联的方式构成一个复合电池组件，对两种电池的匹配要求极高，且两种电池的输出特性无法实现独立灵活控制，无法充分发挥两种电池的互补特性，在提升寿命和能量利用率等方面的效果是大打折扣的。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种增加电池整体寿命的复合储能电池的控制方法及系统。

本发明包括如下技术方案：

一种复合储能电池的控制方法，所述控制方法包括：

将发电模块产生的交流电能转换成直流电能后，并且由直流母线输出所述直流电能；

逆变装置将所述直流电能转换为适用于对应负载的交流电能后提供给对应的所述负载；其中，

当所述发电模块产生的所述交流电能多于所述负载需要的交流电能时，将多出的所述交流电能转换为直流电能，通过一电池控制器的控制，将该直流电能存储于能量型电池和/或功率型电池中；

当所述发电模块产生的所述交流电能少于所述负载需要的交流电能时，所述电池控制器控制所述能量型电池和/或功率型电池向所述负载提供电能，其中，

所述能量型电池的功率密度小于所述功率型电池；所述能量型电池的能量密度大于所述功率型电池。

优选的，所述控制方法中，所述能量型电池为铅酸电池和/或所述功率型电池为锂电池。

优选的，所述控制方法中，当所述发电模块产生的所述交流电能少于所述负载需要的交流电能时，所述功率型电池充电；以及

当所述功率型电池充电至电池电量的70％时，所述能量型电池开始充电并且所述功率型电池限压恒流充电。

优选的，所述控制方法中，当所述能量型电池充电至电池电量的80％时，所述能量型电池恒压限流充电。

优选的，所述控制方法中，所述能量型电池和所述功率型电池电量均充满后，所述电池控制器提升直流母线电压，配合发电控制器实现弃风弃光。优选的，所述控制方法中，当所述发电模块产生的所述交流电能少于所述负载需要的交流电能时，在供电功率小于所述负载额定功率时，优先使用所述功率型电池放电，在所述功率型电池的剩余电量为20％时，所述能量型电池开始放电。

优选的，所述控制方法中，当所述发电模块产生的所述交流电能少于所述负载需要的交流电能时，在所述功率型电池放电过程中，若所述功率型电池放电电流大于所述功率电池允许最大放电电流，所述功率电池和所述能量型电池按照设定比例同时放电。

优选的，所述控制方法中，

所述电池控制器在直流母线侧采集直流母线电信号，所述电池控制器根据采集的所述直流母线电信号实时控制所述能量型电池和/或所述功率型电池的工作状态；

所述电池控制器采集能量型电池电信号，根据所述能量型电池电信号实时控制所述功率型电池和/或所述能量型电池的工作状态；

所述电池控制器采集功率型电池电信号，根据所述功率型电池电信号实时控制所述功率型电池和/或所述能量型电池的工作状态。

优选的，所述控制方法还包括：

所述电池控制器对所述能量型电池和所述功率型电池进行检测和/或保护。

优选的，所述控制方法还包括：

电池保护系统对所述功率型电池进行电池保护。

一种复合储能电池的控制系统，其特征在于，应用于发电单元向负载提供电能的过程中，所述控制系统包括：

逆变装置；

发电单元，通过所述逆变装置与所述负载连接，以向所述负载提供电能；

电池组，分别与逆变装置和所述发电单元连接，以存储所述发电单元输出的电能，且所述负载通过所述逆变装置获取所述电池组或所述发电单元提供的电能进行工作；

电池控制器，与所述电池组连接，以控制所述电池组的充/放电；

其中，所述电池组至少包括能量型电池和功率型电池，且所述能量型电池的功率密度小于所述功率型电池，所述能量型电池的能量密度大于所述功率型电池。

优选的，所述发电单元包括：

发电模块，产生电能；

发电控制器，与所述发电模块连接，并且通过直流母线与所述逆变装置连接，转换所述发电模块产生的电能；其中，

所述发电模块包括光伏组件和/或风力发电机。

优选的，所述电池控制器包括：

直流母线采样单元，对所述直流母线进行电信号的采样，得到直流母线电信号；

电池采样单元，分别对所述功率型电池和所述能量型电池的电信号进行采样，得到功率型电池电信号和能量型电池电信号；

主控模块，分别于所述直流母线采样单元、所述电池采样单元连接，根据所述直流母线电信号和/或功率型电池电信号和/或能量型电池电信号对能量型电池的主回路和/或功率型电池的主回路进行控制。

优选的，所述能量型电池为铅酸电池和/或所述功率型电池为锂电池。

本发明的有益效果是：

本发明将铅酸电池和锂电池当作独立的个体来使用，通过电池控制器来实现两种电池完全独立的充放电控制、动态功率的调整和能量管理，本发明中两种电池电压匹配的要求很低，0～100％范围内都能够实现，并且两种电池充放电方式和充放电功率完全独立受控，可以根据电池当前状态和需求情况灵活的分配和管理，在满足需求的前提下充分发挥两种电池的个性特点，提高电池能量利用率，提高电池使用寿命，通过充放电控制和能量管理，在一般工况下，优先使用循环寿命较高的锂电，仅在短时大功率和长时间放电的需求条件下启用铅酸电池，减少了铅酸电池使用频度，增加了系统整体的寿命。

附图说明

图1为现有技术中风光互补供电系统的结构示意图；

图2为本发明复合储能的控制系统的结构示意图；

图3为本发明发电与用电功率的变化曲线；

图4a-4c为本发明电池选择方案的对比图；

图5为本发明复合电池的控制电路图；

图6为本发明电池控制器的控制示意图；

图7为本发明电池控制器的电能管理流程图；

图8为本发明电池控制器的电路连接图；

图9为本发明中基于igbt的电池控制器的电路连接图；

图10为本发明基于mosfet的电池控制器的电路连接图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，下述技术方案，技术特征之间可以相互组合。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

图2为本实施例提出的一种基于复合储能的风光互补供电系统结构示意图，本实施例以风光发电进行举例，作为发电模块，但不限于上述两种发电模式，具体情况可以根据实际情况进行设定。如图2所示，系统中采用两种储能元件配合工作，一种储能元件能量密度高，可以成为能量型电池；一种储能元件功率密度高，可以称为功率型电池，综合二者优点，在尽可能减小体积、重量和成本的条件下同时满足能量和功率的需求。第一种储能元件可以采用铅酸电池，能量密度高，成本低，但功率密度较低。第二种储能元件通常采用锂电池，如钛酸锂电池、磷酸铁锂电池等，功率密度高，能量密度高，但当前成本较高，第二储能元件也可以使用超级电容，超级电容功率密度高，但能量密度低，成本高，目前在该场合使用经济性不佳。根据用户当地风光情况和负荷工况合理配置两种储能元件的配比，以达到系统的最有配置。通常情况下，锂电池与铅酸电池储能容量配比可以为2：8，甚至可以更低，具体比值可以根据详细情况进行设定。

现有技术中，风力发电机和光伏组件会通过一风光互补控制器，因本实施例中以风、光发电进行举例，若采用其他形式发电可以采用其相对应的发电控制器，即风光互补控制器可以作为发电控制器的一种，作为本实施例中将风、光发电模块产生的交流电能转换为直流电能通过直流母线输出给逆变器，逆变器将该直流电能转换为与用电负载(负载)相使用的交流电能，将该电能输出给负载。如上所示，上述提到的两种类型电池，可以连接在直流母线上，当负载需要的电能小于发电模块产生的电能的时候，这两种电池可以按照设定的模式进行储能，相反，当负载需要的电能大于发电模块产生的电能的时候，两种电池会为负载提供电能，除了采用复合储能，与现有技术中风光互补供电系统不同的是储能元件通过一个复合电池控制器挂在直流母线上，复合电池控制器(电池控制器)是实现风光互补供电系统能量管理的核心设备，其主要功能包括：铅酸电池和锂电池的功率分配；铅酸电池和锂电池的充放电控制与电池保护；铅酸电池和锂电池电量、不均衡状况和健康状况等的监测；配合风光互补控制器实现弃风弃光；通过复合电池控制器的功率分配策略保证优先使用锂电池充放电，维持系统功率动态平衡，减少铅酸电池循环充放电次数，提高铅酸电池使用寿命。后文会对电池控制器的控制方式进行详细的描述。

图3为某地区一天内典型的风光发电功率和用电负荷功率曲线图，由此可知，风光互补供电系统中的蓄电池需要在一天内进行频繁充放电来实现系统功率的动态平衡。锂电池循环充放电寿命在2000～3000次，铅酸电池循环充放电寿命仅200～500次，如图4a所示的范例，本实施例基于复合储能的功率分配策略，优先使用锂电池充放电保证系统动态功率平衡，仅在风光条件不佳或负荷用电高峰时段，在锂电池电量不够的情况下才使用铅酸电池，大大提高了铅酸电池的使用寿命。如果通过复合电池控制器的功率分配策略保证大功率负荷运行时优先考虑锂电池较高倍率放电，铅酸电池小倍率放电，获得系统用户需求、成本、体积和重量的最有性能。铅酸电池充放电倍率不超过0.3c，按照0.3c设计其配置方案如图4b所示，市场上铅酸电池价格一般为500～700元/kwh，锂电池的价格一般为1500～3000元/kwh，其中包括电池管理系统(bms)的价格，所以通过本实施例的技术方案可以大大的减少供电的成本。

如图4c所示，通过以上方案对比，通过复合电池控制器的功率分配策略保证大功率负荷运行时优先考虑使用锂电池较高倍率放电，铅酸电池小倍率放电，在成本、体积和重量方面都具备明显优势。若仅追求成本、体积和重量，选用铅酸电池单一储能方式，则铅酸电池充电电流最大会到0.5c以上，最大放电电流最大1c以上，这样的使用工况会降低铅酸电池会降低铅酸电池能量利用率和使用寿命。

本实施例中，两种电池通过复合电池控制器连接直流母线，通过复合电池控制器可以实现两种电池的充放电控制。当风光功率大于负载功率时，优先使用锂电池充电，对充电电流不做任何限制，锂电池的剩余电量(soc)达到70％左右，由铅酸电池充电，同时对锂电池进行恒压限流充电，保证锂电池完全充满。锂电池完全充满后，仅对铅酸电池充电，待铅酸电池soc到达80％左右快充满时，铅酸电池恒压限流充电，此时剩余风光功率将直流母线电压自动抬升至风光互补控制器弃风弃光的电压值，使整个供电系统在复合电池充满电后自动切入弃风弃光状态。风光功率小于负载功率时，优先使用锂电池放电，锂电池放电soc到达20％左右再使用铅酸电池放电；锂电池有电水泵工作时间较短，但功率很大，在风光条件较差的工况下由锂电池和铅酸电池按一定电流比例放电。通过复合电池控制器对锂电池和铅酸电池的充放电控制，既能提高电池的利用率，又能延长电池的使用寿命。复合电池控制器不仅实现了锂电池的监测，同时集成了铅酸电池bms的功能，实现铅酸电池soc、不均衡度和健康状况等的监测，有利于铅酸电池维护，提高铅酸电池使用寿命。本实施例中的电池保护系统(bms)可以对锂电池进行电池保护。

图5为复合电池控制器的电路示意图，如图5所示，该电路示意图主要分为控制回路和主回路，其中主回路包括铅酸电池主回路和锂电池主回路，二者共用一个控制回路。本实施例中，控制回路中包括第一电压采样单元(电压采样1)，该单元对直流母线的电信号进行采样，根据采样得到的直流母线电信号，第一主控单元(主控1)和/或第二主控单元(主控2)控制锂电池主回路和/或铅酸电池主回路的工作情况，第二电压采样单元分别从锂电池和铅酸电池侧进行电信号的采样，同样也是根据采样得到的信号由第一主控单元和第二主控单元进行相应的控制，此外控制回路中还包括一对外的接口，接受控制回路外部的信号，以对控制回路进行控制操作，后文对该对外接口进行详述。图6为复合电池控制电路图，图6的电路图主要分为锂电池控制框图和铅酸电池控制框图，其中每种电池的控制框图又包括直流母线外环控制和电池电压外环控制，当复合电池进行大功率放电时，由两种电池同时按一定比例完成放电。如图7所示首先上电后程序自动依次完成初始化和待机状态，当上级下发开机指令时，系统进入预充状态，预充完成后首先进入锂电池工作状态，然后依次图7所示的流程按照相应状态调节进行正常工况的跳转。如图8所示，复合电池控制器包括控制电路部分和主回路部分，其中控制电路由控制板卡、电源板卡、接口板卡等组成，主回路部分包括锂电池合铅酸电池主回路两部分；对外接口有直流母线接口、复合电池接口以及与锂电池bms等的通讯接口。

本实施例中，基于图5的连接图，接口板与控制板之间采用rs485通讯方式，并且通过can总线连接，epo急停信号可以控制使得控制回路的停止工作，以进行电路保护，第一主控单元和第二主控单元也可以根据从直流母线侧和电池侧采样得到的电信号通过pwm信号控制锂电池主回路和铅酸电池主回路中控制器件(例如下述的igbt或者mosfet)的占空比等参数。如图9所示，从安全角度出发户用型的系统电池电压一般较低，额定电压通常为48v，而直流母线电压通常比较高，通常在110v甚至更高，电池控制器需要实现直流升压的功能，且功率可以双向流动。同时考虑到电池电流纹波会影响电池的使用率和寿命，因此采用双向buck-boost电路交错并联的方式来实现，直流母线电压较高的场合通常选用的功率器件为igbt，其中igbt的关断与导通可以通过控制回路的控制、调节。两种电池的控制器根据功率需求选择交错并联的路数，图9中锂电池和铅酸电池都交错并联3路。图10为基于mosfet的复合电池pcs控制器实现方案，与图9不同的功率器件采用mosfet，除了交错并联，还通过mosfet单管并联的方式来扩容，该方案适合于较小功率，系统直流母线电压较低的场合。

如图9、图10所示，通过叠加电流纹波的方式，使得锂电池和铅酸电池输出的电压趋于稳定，防止输出的电压波动较大，而mosfet的开关敏感度要高于igbt，可以提高电路的开关频率，这样可以加强输出电压的稳定性。

综上所述，本发明的复合电池功率分配策略与控制方法，优先使用锂电池充放电实现风光储互补供电系统的动态功率平衡，提高电池使用寿命，复合电池充放电控制与保护，通过协调两种电池工作方式，实现锂电池和铅酸电池的充电控制和放电控制，提高电池能量利用率和使用寿命；本发明通过复合电池控制器实现两种电池独立灵活地充放电控制和管理，极大降低了两种电池匹配的要求；锂电池循环充放电寿命高，优先通过锂电池充放电实现风光互补供电系统的功率平衡，大大提高铅酸电池使用寿命；通过锂电池/铅酸电池的充电管理，大大提高锂电池和铅酸电池储能电量的有效利用率，这样可以减小锂电池和铅酸电池的配置容量，从而降低系统成本、体积和重量；通过两种电池的配合充电控制，保证在风光资源较好且某一电池电量较高时，由另一电池控制直流母线电压，同时由该电池进行恒压限流控制，既保证了牧民风光互补供电系统的稳定性，又实现了最大限度的提高铅酸电池利用率；通过锂电池/铅酸电池的放电管理，保证大功率负载短时工作时，锂电池大倍率放电，配合铅酸电池小倍率放电，在确保负荷功率需求的情况下，优化两种电池出力分配，既保证了电池的使用寿命，又减少了电池的配置，降低成本、体积和重量。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。