应用于高功率高电压工况的储能系统的电池单元连接线路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种储能系统，尤其是涉及一种高功率高电压应用场合的储能系统的组成结构、电池单元连接线路和单元监控管理方法。
【背景技术】
[0002]随着电池储能系统技术的进步，其储能的比能量快速提升，单位成本逐步下降，加上电池储能系统本身所具有的快速响应、设置便捷等特点，使得电池储能系统的应用在高功率高电压的工况中也变得越来越广泛。
[0003]通常情况下，电池储能系统是由大量的单体电池进行串并联组合，构建成一个完整的系统，来实现一定规模电能的存储和释放的功能。在需要满足高功率高电压工况工作的场合(如港口胎式龙门吊油电混合动力系统)，由于储能系统需要满足的功率能力很大，往往不便于在工作回路上设置过多的保护装置，例如熔断器，这些高功率的保护装置本身的需要消耗功率，并且可能由于这些保护装置一致性差造成储能系统可靠性的下降。更进一步，储能系统的高电压意味着串联的单体电池数量多，因而其一致性的问题显得尤为突出。如果没有较好的解决方案来实现储能系统在使用过程中动态的一致性，则该储能系统往往需要限容量或限功率运行，不能很好的满足实际使用工况的需求。
[0004]为解决这一问题，一般是在BMS (电池管理系统)中设置均衡管理模块，通常使用的均衡方法是在BMS (电池管理系统)中添加硬件结构电路作为均衡管理模块，当储能系统需要均衡的时候，开启均衡模式，对系统中高电压或高SOC的单体电池中多余的电量进行消耗，将单体电池的电压和带电量调整到系统设定的目标水平，以此达到均衡的目的，但是这种方法存在均衡管理成本高、均衡效率低的问题。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明旨在提供一种可以应用于高功率高电压工况的储能系统的电池单元连接线路。本发明通过以下方案实现:
[0006]储能电池单元在结构上采用主串次并的方式，先将η只单体电池串联形成电池组形成主回路，m支主回路并联连接，再将每支主回路之间的每一行单体电池并联形成次回路。所述主回路电池单元间的连接电阻与次回路单元间连接电阻之比的范围为1:1?1:200，优选为1:20?1:100。该连接电阻比值的设置，可以很好地实现两类回路不同功能的实现，即主回路承担储能系统与外部进行电能交换的通路，次回路承担储能系统内部行采样监测、BMS保护、电流过流熔断硬保护、均衡、辅助工作等多重功能。
[0007]所述主回路的总负极或总正极端串联第一熔断器(5)，所述次回路单元间连接有第二熔断器(6)和第三熔断器(7)，第二熔断器(6)和第三熔断器(7)额定电流为第一熔断器额定电流的5%?20%。该第二熔断器和第三熔断器及其额定电流的设置，既能实现正常情况下满足储能系统各电池单元由于性能差异内部自动均衡的目的，又能实现异常情况下满足储能系统安全保护和快速隔离的要求。
[0008]同时，为结合储能系统的新型结构特点，还特别设置有监测次回路单元的电池管理单元。该次回路监测用电池管理单元的设置，进一步的增强了对储能系统动态管理能力，尤其是在单元一致性的监测上得到根本加强，因而其安全性和可靠性得到强化和保障。
[0009]与现在技术相比，本发明有以下的优点:
[0010]1.储能系统表现出更高的能量效率。主回路作为工作回路，承担储能系统与外部进行电能交换的通路，由于不需要考虑内部并联环流等影响，也不需设置额外的保护装置如FUSE，因此主回路的连接电阻和压降很低，高功率工作情况下的线路损耗小，导致储能系统表现出更高的整体效率。
[0011]2.可以实现高效、快速均衡。次回路作为辅助回路，实现了电池单元之间的并联，因而可以起到并联电池单元之间动态均衡的目的。
[0012]3.可以实现储能系统均衡和正常工作的良好结合。由于主回路和次回路是分离的，因而不会影响储能系统高功率的工作，相反，由于次回路的存在可以实现并联电池单元之间的动态均衡，增强了储能系统工作状态下的一致性，可以延长储能系统高功率工作的有效时间。
【附图说明】
[0013]图1是本发明比较例储能系统组合结构图；
[0014]图2是本发明实施例储能系统组合结构图；
[0015]图3a是本发明实施例镍氢电池储能系统放电列单元电压-时间曲线图。
[0016]图3b是本发明比较例镍氢电池储能系统放电列单元电压-时间曲线图。
[0017]图4是本发明实施例镍氢电池储能系统放电行单元电压-时间曲线图。
[0018]图5是本发明实施例镍氢电池储能系统放电同行单体电池与行单元电压-时间曲线图。
【具体实施方式】
[0019]实施例1
[0020]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本实施例采用镍氢D型1.2V6Ah电池，以及由该型号单体电池所组成的储能系统来进行说明。储能系统由3360只单体电池组成，储能系统额定电压为576V，额定能量为24.2kWh，该储能系统需满足200kW额定功率输出工作3分钟以上的能力。
[0021]图1展示了比较例储能系统的组合结构形式。首先480只单体电池I串联起来，构成一个列，并且每列的正极与总正2连接的地方设置有继电器4，每列的负极与总负3连接的地方设置有熔断器5。然后同样的7列负极共同并联连接到总负3，7列正极共同并联连接到总正2。BMS (电池管理系统)监测最小管理单元的电压、温度、每列电流，计算出每列的S0C，实施对储能系统的管理和控制。由于储能系统由3360只单体电池构成，为了减少管理的成本，往往最小管理单元是由6个单体电池串联构成，即BMS检测由6个单体电池串联而成的最小管理单元的电压、温度、每列电流。该结构形式的储能系统存在以下的问题:首先由于BMS监测的最小管理单元是由多达6个电池串联而成，其电压特性是6个单体电池特性的叠加，由于单体电池的不一致性，叠加的特性往往不能准确反映单体电池的实际特性，因此对储能系统的管理和控制带来不确定性，容易造成单体电池的过充电、过放电等，严重情况下带来安全风险。其次，单体电池本征特性的不一致性、使用环境的不一致性、组合的不一致性等多重因素叠加，储能系统使用过程中，单体之间的差异往往呈现扩大的趋势，例如单体电池之间的电压偏差，这种差异达到一定程度，就需要对储能系统进行停机维护。但是，由于BMS只能判断最小管理单元即6只串联组合体之间的电压偏差，难以判断单体电池之间的电压偏差，所以存在最小管理单元偏差较小，实际上单体电池之间电压偏差已经很大的情况。判断的不及时会进一步加速储能系统的不良和恶化。第三，单体之间的不一致性，缺乏有效的均衡方法来消除。由于单体之间是全串联型，彼此之间只能通过列来均衡，但是列均衡可能与单体均衡需求刚好是反向的，即该列在均衡充电但是其中却存在高容量高电压的单体电池刚好需要放电。第四，储能系统的可维护性差，可使用的能量范围大打折扣。由于BMS不能有效反馈单体电池的状态、有效的单体之间均衡方法缺乏，导致储能系统使用过程中为了保证安全性，往往缩小其可利用的能量范围，同时，在储能系统确实需要进行维护的时候，也不能获得可靠的维护方法。
[0022]图2展示了本发明实施例储能系统的组合结构形式。首先480只单体电池I串联起来，构成一个列，称为主回路，并且每列的正极与总正2连接的地方设置有继电器，每列的负极与总负3连接的地方设置有第一熔断器5。然后同样的7列负极共同并联连接到总负3，7列正极共同并联连接到总正2。其次是每一行，共480行，同行的单体电池I通过并联导体8进行并联，称为次回路，在单体电池的正极与并联导体连接的地方设置有行熔断器即第二熔断器6，在单体电池的负极与并联导体连接的地方设置有第三熔断器7。
[0023]每列480只单体电池之间的串联连接，为了使得储能系统具备200kW额定功率输出工作3分钟以上的能力，因此主回路的连接电阻(图2所示从a到b的连接电阻，即Rab)尽量小，以降低工作时回路自身的损耗。其次，次回路承担了同行单体电池之间均衡的功能，需要具备通过一定电流的能力，但是不能等同承担主回路的功能，因此，次回路连接电阻(图2所示从c到d的连接电阻，即RJ的设置就非常必要(并联导体8的电阻采用铜排，总电阻为0.2m Ω，每相邻两列电池之间为0.033m Ω，并联导体8的电阻值远小于Rj。本实施例储能系统主回路单体电池间连接电阻与次回路单体电池间连接电阻之比为1:80 (Rab=0.05m QjRc