一种电池动态成组系统及其运行控制方法与流程

本发明属于储能技术领域，涉及到一种基于模块化双向充放电控制器的电池动态成组系统及其运行控制方法。

背景技术：

在众多储能方式中，电池储能技术发展最为迅速而且技术相对成熟，蓄电池作为储能单元，由于其较高的储能密度和性价比，得到了广泛的应用。但是，由于单个电池所能提供的电压、容量有限，大多数情况下不能满足实际应用的需要，故需要将多个电池串联或者并联构建电池组来满足系统使用的要求。由于每个单体电池的内阻等内部特性存在差异，导致电池组内每个单体的运行状态无法保持一致。当电池组中单体电池的出现过充、过放或者故障时，会导致整个串并联电池组的性能下降甚至报废，严重限制了大规模电池成组系统的运行可靠性和使用寿命。

为解决上述问题，目前成熟的解决方案为利用电池管理系统(bms)对电池组内部的每个串并联电池的运行状态进行实时在线检测，并通过电池管理系统(bms)的主动均衡功能控制电池组中的每个串并联电池单体都处于相同的运行工况，避免出现个别单体电池的过充或者过放，降低单体电池的故障发生率，从而显著提升大规模电池成组系统的运行可靠性和运行寿命。

电池管理系统(bms)要具备提高电池利用率、监控电池状态、延长电池使用寿命的基本功能。通常，bms要实现以下作用：

1.准确估测电池组的荷电状态

准确估算电池组的剩余电量(stateofcharge，即soc)，也称为荷电状态。确保电池组剩余电量在合理的范围内，避免过充电和过放电对电池组造成的损伤，并对剩余电量或是充电状态进行正确报告。

2.实时监测电池组工作状态

在电池的工作过程中，采集电池组总电压、单个电池端电压、工作电流、电池温度等实时数据，防止过充电或是过放电事故发生，确保电池组的正常运行和可靠使用，同时记录单块电池使用情况，为故障诊断提供可靠数据。建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发提供资料，为离线分析系统故障提供依据。

3.单体电池的均衡

确保在使用过程中，电池组各个电池都处于一致的工作状态，避免单个电池提前损坏。均衡技术是目前世界正在致力研究与开发的一项电池能量管理系统的关键技术。

对于电池管理系统(bms)而言，需要从根本上解决单体电池直接串并联所面临的电压电流均衡问题，实现单体电池充放电过程的自动均衡，避免单体电池失效对整个储能系统的影响，充分发挥电池储能系统的整体能效。但是，由于常规的电池管理系统(bms)从本质上而言无法真正精确对每个电池单体的充放电过程进行精确管理，因此其主动均衡电路的设计及策略面临极大的挑战，实际工程运行过程中的可靠性非常有限。同时，利用电池管理系统(bms)无法解决单体电池故障导致大规模电池成组系统停运的问题，必须人工进行故障电池的替换才能够使得大规模电池成组系统重新恢复运行。然而，更换后的新单体电池与大规模电池成组系统中的原有单体的内部特性有较大差异，会显著增加单体电池更换后电池管理系统(bms)的运行控制难度。随着新单体电池的不断更换，会导致电池成组系统的运行可靠性显著降低。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明旨在设计一种基于模块化双向充放电控制器的电池动态串并联成组系统及其运行控制方法，能够实现电池储能单元的动态在线串并联成组，并精确管理每个电池储能单元的充放电过程，避免了大规模电池成组系统对于电池管理系统(bms)的依赖，能够有效提高大规模电池成组系统的运行可靠性和稳定性，为电池储能系统在大规模新能源发电、电网辅助服务、微电网、综合能源服务等众多领域的应用和稳定运行提供坚实的技术保障。

在本发明的基于模块化双向充放电控制器的电池动态成组系统中，包括模块化双向充放电控制器、串联接入开关、并联接入开关、旁路开关、电池储能单元以及动态电池组运行管理系统。

所述电池动态成组系统包括多个电池储能单元和多个模块化双向充放电控制器，各电池储能单元接入对应的模块化双向充放电控制器的低压侧，各个模块化双向充放电控制器的高压侧经串并联接入开关进行串并联动态连接，然后接入电池动态成组系统的直流母线。

所述电池动态成组系统的直流母线连接至电池动态成组系统外部的储能变流器的直流侧，所述储能变流器的交流侧接入外部交流系统。

所述动态电池组运行管理系统连接至各个电池储能单元、各个模块化双向充放电控制器以及各个串并联接入开关，用于对模块化双向充放电控制器、串并联接入开关的运行状态进行实时监控和指令下达，并对各个单体电池的运行状态进行在线检测。

所述电池储能单元经模块化双向充放电控制器后的串并联成组是通过串联接入开关、并联接入开关以及旁路开关实现的。各模块化双向充放电控制器的输出正负极分别串联连接至串联接入开关，而后“正负”依次连接，实现串联接入；同时，各模块化双向充放电控制器的输出正负极分别经过并联接入开关并联连接至直流母线，实现各模块化的并联接入；在各模块化双向充放电控制器的正负极之间接入旁路开关，用以随时隔离故障储能单元。通过上述串联接入开关、并联接入开关以及旁路开关实现各储能单元经精确充放电管理后的任意、动态串并联成组，并实时隔离故障单元。

上述串联接入开关、并联接入开关以及旁路开关采用电力电子开关管的反串联结构构成。

所述模块化双向充放电控制器采用隔离式双向斩波器或非隔离式buck-boost双向斩波器。模块化双向充放电控制器的低压侧接入电池储能单元，其高压侧经串并联接入开关接入电池成组系统的直流母线。利用模块化双向充放电控制器可以对接入其低压侧的电池储能单元的充放电电流和低压侧电压进行精确控制，从而实现对每个接入的电池储能单元的充放电功率和充放电过程进行精确管理。

所述buck-boost双向斩波器由储能电感、高压侧滤波电容、两个功率开关管(第一功率开关管和第二功率开关管)，两个续流二极管(第一续流二极管和第二续流二极管)组成。其中将电池储能单元的正极经储能电感连接至第一功率开关管的漏级，该第一功率开关管的源级连接至电池储能单元的负极，第二功率开关管的漏极连接至高压侧滤波电容的正极，两个续流二极管反并联到两个功率开关管的漏--源级之间。通过对两个功率开关管的通断控制，可以实现能量在低压侧与高压侧之间的快速、精确双向灵活调节，从而实现对电池储能单元的精确充放电管理。

由于储能系统与外部系统之间存在双向功率/能量交换，因此基于模块化双向充放电控制器的电池动态成组系统中的串联接入开关、并联接入开关、旁路开关均采用双向开关结构。所述双向开关结构包括两个功率开关管(第三功率开关管和第四功率开关管)和两个续流二极管(第三续流二极管和第四续流二极管)。其中，第三功率开关管的漏极与第四功率开关管的源极相连接，两个续流二极管分别反并联在两个功率开关管的漏--源极之间。当两个功率开关管同时关断时，正向电流和反向电流皆无法通过该开关，双向开关闭合；当两个功率开关管同时导通时，正向电流和反向电流均可通过该开关，双向开关导通。

电池储能单元可以选择磷酸铁锂电池、铅酸电池、铅碳电池、钛酸锂电池、三元锂电池、超级电容器等不同类型的电池以及单体电池、电池组、电池包、电池簇等不同类型的成组规模。利用模块化双向充放电控制器的精确管理，可以利用不同类型的电池以及不同类型电池成组规模进行混合成组。

动态电池组运行管理系统用于实时监测电池储能单元、模块化双向充放电控制器、储能变流器以及串并联接入开关的运行信息，并结合实际运行工况和应用需求，给模块化双向充放电控制器、储能变流器以及串并联接入开关的下达运行控制指令，实现电池储能单元的在线动态成组、电池充放电功率精准调度以及电池成组系统参与外部系统运行控制等功能。

储能变流器的直流侧接入电池成组系统的直流母线，其交流侧与外部交流系统连接。根据储能系统的不同应用领域和运行工况，储能变流器可选择运行于p/q模式和v/f模式。在p/q模式下，储能变流器对储能系统的充放电功率进行精确控制，从而主动参与新能源调峰、电网辅助服务(调峰、调频、调压)以及微电网功率调节等。在v/f模式下，储能变流器在交流侧输出频率、幅值稳定的三相电压，用于构建独立供电的微网系统，满足独立供电系统中的负荷稳定供电需求。

本发明还涉及一种基于模块化双向充放电控制器的电池动态成组系统的运行控制方法，包括以下步骤：

(1)构建基于模块化双向充放电控制器的电池动态成组系统，包括将各电池储能单元接入对应的模块化双向充放电控制器的低压侧，各个模块化双向充放电控制器的高压侧经串并联接入开关进行串并联动态连接，然后接入电池动态成组系统的直流母线；将动态电池组运行管理系统连接至各个模块化双向充放电控制器以及各个串并联接入开关的测控回路；

(2)动态电池组运行管理系统实时监测电池储能单元、模块化双向充放电控制器、储能变流器以及串并联接入开关的运行信息，并结合实际运行工况和应用需求，给模块化双向充放电控制器、储能变流器以及串并联接入开关下达运行控制指令，实现电池储能单元的在线动态成组、电池充放电功率精准调度以及电池成组系统参与外部系统运行控制；

模块化双向充放电控制器对接入其低压侧的电池储能单元的充放电电流和低压侧电压进行精确控制，从而实现对每个接入的电池储能单元的充放电功率和充放电过程进行精确管理。

进一步地，将储能变流器的直流侧接入电池成组系统的直流母线，其交流侧与外部交流系统连接。

当电池动态成组系统接入外部电网运行时，储能变流器运行在p/q模式下，储能变流器对储能系统的充放电功率进行精确控制，从而主动参与新能源调峰、电网辅助服务(调峰、调频、调压)以及微电网功率调节等。

当电池动态成组系统接入的外部电网出现故障时，储能变流器运行在v/f模式下，储能变流器在交流侧输出频率、幅值稳定的三相电压，用于构建独立供电的微网系统，满足独立供电系统中的负荷稳定供电需求。

由上述对技术方案的描述可见，本发明具有以下有益效果：

(1)可以实现电池储能单元的动态在线任意串并联成组，能够兼顾满足电池成组系统在多种不同运行领域和运行工况下的成组需求，成组过程无需人为干预且不影响电池成组系统的正常运行，真正实现电池储能单元的即插即用和动态成组；

(2)能够实现电池成组系统中对于电池储能单元的充放电精确管理，避免了对于传统bms系统均衡控制的依赖，并可在线实时隔离故障电池储能单元，能够有效提升电池成组系统的运行可靠性和使用寿命；

(3)由于模块化电池充放电控制器的精确管理，使得用户无需再考虑电池储能单元的内部特性及接口电压，可以实现不同类型电池乃至电池与超级电容之间的联合成组，大大提升了电池成组系统的适应性和兼容性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于模块化双向充放电控制器的电池动态串并联成组结构。

图2为模块化双向充放电控制器的电路结构。

图3为双向开关结构(串联接入开关、并联接入开关、旁路开关均采用该结构)。

其中，附图标记的含义如下：

1-动态电池成组运行管理系统；2-电池储能单元；3-模块化双向充放电控制器；4-串联接入开关；5-并联接入开关；6-旁路开关；7-直流母线；

l为滤波电感，c为高压侧滤波电容，g1、g2为功率开关管，d1、d2为续流二极管；

g3、g4为功率开关管，d3、d4为续流二极管。

具体实施方式

以下结合图1、图2和图3对本发明的实施例进行说明，此处描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不仅限于本发明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

如图1所示，基于模块化双向充放电控制器的电池动态成组系统由动态电池组运行管理系统1、电池储能单元2、模块化双向充放电控制器3、串联接入开关4、并联接入开关5、旁路开关6、直流母线7构成。

所述电池动态成组系统包括多个电池储能单元2和多个模块化双向充放电控制器3，每个电池储能单元2均由各自的模块化双向充放电控制器3进行独立管理，可以独立控制每个电池储能单元的充放电功率，且可对模块化双向充放电控制器的高压侧电压进行精准控制。

电池储能单元2可以选择磷酸铁锂电池、铅酸电池、铅碳电池、钛酸锂电池、三元锂电池、超级电容器等不同类型的电池以及单体电池、电池组、电池包、电池簇等不同类型的成组规模。利用模块化双向充放电控制器的精确管理，可以利用不同类型的电池以及不同类型电池成组规模进行混合成组。

各电池储能单元2接入对应的模块化双向充放电控制器3的低压侧，各个模块化双向充放电控制器3的高压侧经串并联接入开关进行串并联动态连接，然后接入电池动态成组系统的直流母线7。

每个电池储能单元2经模块化充放电控制器3输出后，模块化充放电控制器3的高压侧经由串联接入开关4、并联接入开关5以及旁路开关6进行任意串并联组合。

各模块化双向充放电控制器的输出正负极依次串联连接至串联接入开关，而后“正负”依次连接，实现串联接入；同时，各模块化双向充放电控制器的输出正负极经过并联接入开关并联连接至直流母线，实现各模块化的并联接入；在各模块化双向充放电控制器的正负极之间接入旁路开关，用以随时隔离故障储能单元。通过上述串联接入开关、并联接入开关以及旁路开关实现各储能单元经精确充放电管理后的任意、动态串并联成组，并实时隔离故障单元。

当各串联接入开关4闭合且并联接入开关5、旁路开关6打开后，即可实现各电池储能单元的串联组合，此时各电池储能单元2经由模块化充放电控制器3控制后组成串联组串接入直流母线7。

当各串联接入开关4、旁路开关6打开，且并联接入开关5闭合后，即可实现各电池储能单元2的并联组合，此时各电池储能单元2经由模块化充放电控制器3各自独立并联接入直流母线7。

当某电池储能单元2或其模块化充放电控制器3出现故障时，立即闭合旁路开关6，并打开并联接入开关5以及其正极所接串联接入开关4，即可实现对故障单体的实时隔离。

在系统构建串联组串时，闭合某模块化充放电控制器高压侧对应的旁路开关6、并联接入开关5，同时打开其正极所接串联接入开关4，可以实现某电池储能单元2独立并联接入直流母线7，从而实现系统中电池储能单元2任意串并混联接入直流母线7。

通过上述方式，可以实现电池储能单元2的任意串并联组合，并能实时在线隔离故障单元，满足不同运行场景的需求。

电池动态成组系统的直流母线7连接至电池动态成组系统外部的储能变流器的直流侧，储能变流器的交流侧接入外部交流系统。

动态电池组运行管理系统1连接至各个模块化双向充放电控制器3以及各个串并联接入开关的测控回路，用于对模块化双向充放电控制器、串并联接入开关的运行状态进行实时监控和指令下达。

模块化双向充放电控制器3、串联接入开关4、并联接入开关5以及旁路开关6由动态电池组运行管理系统1进行统一调控管理。动态电池组运行管理系统的工作内容如下：动态电池组运行管理系统1实时采样各电池储能单元2的运行状态，如荷电状态、端口电压等，并且根据外部对储能系统的充放电功率需求，对各电池储能单元2所应承担的充放电功率以及串并联成组方式进行合理分配，进而给模块化双向充放电控制器3、串联接入开关4、并联接入开关5、以及旁路开关6下达运行控制指令。

所述模块化双向充放电控制器采用隔离式双向斩波器或非隔离式buck-boost双向斩波器。模块化双向充放电控制器的低压侧接入电池储能单元，其高压侧经串并联接入开关接入电池成组系统的直流母线。利用模块化双向充放电控制器可以对接入其低压侧的电池储能单元的充放电电流和低压侧电压进行精确控制，从而实现对每个接入的电池储能单元的充放电功率和充放电过程进行精确管理。

模块化双向充放电控制器3采用了buck-boost型双向dc/dc斩波器拓扑，如图2所示。

模块化双向充放电控制器3由储能电感l、高压侧滤波电容c、功率开关管g1、g2，续流二极管d1、d2组成。电池储能单元2的正极经储能电感l接到功率开关管g1的漏级，功率开关管g1的源级接到电池储能单元2的负极，功率开关管g2的漏极接入高压侧滤波电容c的正极，续流二极管d1、d2反并联到功率开关管g1、g2的漏--源级之间。通过对功率开关管g1、g2的通断控制，可以实现能量在低压侧与高压侧之间的快速、精确双向灵活调节，从而实现对电池储能单元的精确充放电管理。

由于储能系统与外部系统之间存在双向功率/能量交换，因此基于模块化双向充放电控制器的电池动态串并联成组系统中的串联接入开关4、并联接入开关5、旁路开关6均采用双向开关结构，如图3所示。

功率开关管g3的漏极与功率开关管g4的源极相连接，续流二极管d3、d4分别反并联在两个功率开关管的漏--源极之间。当g3与g4同时关断时，正向电流和反向电流皆无法通过该开关，双向开关闭合；当g3与g4同时导通时，正向电流和反向电流均可通过该开关，双向开关导通。

对于上述电池动态成组系统的运行控制方法，包括以下步骤：

(1)构建基于模块化双向充放电控制器的电池动态成组系统，包括将各电池储能单元2接入对应的模块化双向充放电控制器3的低压侧，各个模块化双向充放电控制器3的高压侧经串并联接入开关进行串并联动态连接，然后接入电池动态成组系统的直流母线7；将动态电池组运行管理系统1连接至各个模块化双向充放电控制器3以及各个串并联接入开关的测控回路；

(2)动态电池组运行管理系统1实时监测电池储能单元2、模块化双向充放电控制器3、储能变流器以及串并联接入开关的运行信息，并结合实际运行工况和应用需求，给模块化双向充放电控制器3、储能变流器以及串并联接入开关下达运行控制指令，实现电池储能单元2的在线动态成组、电池充放电功率精准调度以及电池成组系统参与外部系统运行控制；

模块化双向充放电控制器3对接入其低压侧的电池储能单元2的充放电电流和低压侧电压进行精确控制，从而实现对每个接入的电池储能单元2的充放电功率和充放电过程进行精确管理。

进一步地，将储能变流器的直流侧接入电池成组系统的直流母线7，其交流侧与外部交流系统连接。

当电池动态成组系统接入外部电网运行时，储能变流器运行在p/q模式下，储能变流器对储能系统的充放电功率进行精确控制，从而主动参与新能源调峰、电网辅助服务(调峰、调频、调压)以及微电网功率调节等。

当电池动态成组系统接入的外部电网出现故障时，储能变流器运行在v/f模式下，储能变流器在交流侧输出频率、幅值稳定的三相电压，用于构建独立供电的微网系统，满足独立供电系统中的负荷稳定供电需求。

本发明旨在将模块化斩波控制技术与电池成组技术进行有机结合，解决传统电池成组系统应用电池管理系统(bms)所带来的可靠性低、单体电池充放电过程无法精确管理、故障电池无法在线隔离等问题，具体如下：

(1)提出一种基于模块化充放电控制器的新型电池成组系统，单体电池经模块化充放电控制器进行串并联成组接入，真正实现对电池成组系统中单体电池的充放电管理，彻底避免了电池成组系统中个别单体电池的过充或者过放的问题，显著提升电池成组系统的运行可靠性和使用寿命；

(2)利用所提出基于模块化充放电控制器的新型电池成组系统，可以实现电池成组系统中单体电池任意串并联动态在线成组，满足电池成组系统在不同领域和运行工况的需求；并实现在线隔离故障电池，显著提升电池成组系统的运行可靠性。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。