一种电池插箱变流器及电化学储能变流系统的制作方法

1.本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种电池插箱变流器及电化学储能变流系统。


背景技术：

2.目前大规模储能系统对储能电堆的容量需求越来越大，电堆中大量电池插箱串并联成为储能系统扩容的主要手段。实际项目中一般采用1-10个电池并联为一个电池模组，再将12或24个电池模组串联，形成一个电池插箱，电池插箱是电堆维护时的最小操作单元。一般多个电池插箱经过串联而成一个电池簇，电池簇电压一般与储能变流器直流电压范围匹配。每台储能变流器的直流侧接入多个并联的电池簇，即电堆。如图1所示为常见储能系统中电堆和储能变流器的组成方式。
3.但串并联后每个电池的不一致性成为了电堆整体性能的制约因素。电堆中的单个电池达到充放电截止电压后，整个电堆不得不停止充放电，否则将导致电池故障，甚至引起火灾等事故。
4.而目前的解决方案是采用电池管理系统，该系统不仅监测每个电池的电压、温度等运行状况，而且采用主动均衡或被动均衡等方式，使单个电池插箱内，充电时电压较高的电池少充电、放电时电压较低的电池少放电。但均衡能力有限，且只能管理单个电池插箱内部的电池间均衡，实际项目中往往还是出现电堆的短板效应。如图2所示为单个电池插箱内的电池管理系统，其包含采集和均衡电路。
5.在使用电池管理系统的基础上，有厂商提出采用组串式储能变流器，即每个电池簇接入一台储能变流器，电池簇间不再并联。可实现短板电池或插箱所在电池簇随时退出，其他电池簇继续充放电的功能。但单个电池或电池插箱达到充放电截止电压，则整簇停止运行，依然对其他电池的容量利用有限。如图3所示为组串式储能变流器和电堆的系统组成方式。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种电池插箱变流器及电化学储能变流系统，能够消除电堆中某个电池或插箱达到截止电压或故障所形成的短板效应。
7.本发明是通过以下技术方案实现的：
8.本发明的第一个方面，提供了一种电池插箱变流器，所述电池插箱变流器包括：主控单元，以及分别与其连接的dc/dc变换电路、高速通信接口；
9.所述dc/dc变换电路的一端的正负极分别与电池插箱的输出正负极连接；
10.所述dc/dc变换电路的另一端的正负极分别与级联电路的正负极连接。
11.本发明的进一步改进在于，多个所述电池插箱变流器能够通过级联电路串联连接。
12.本发明的进一步改进在于，所述电池插箱变流器包括旁路电路；
13.所述旁路电路的一端与电池插箱的输出正负极连接，另一端与级联电路的正负极连接。
14.本发明的进一步改进在于，在电池充放电的平台期，所述旁路电路连通，同时dc/dc变换电路关闭，通过旁路电路进行充放电；
15.在电池充电的末端、放电的末端，所述旁路电路断开，同时dc/dc变换电路导通，dc/dc变换电路投入运行。
16.本发明的进一步改进在于，所述电池插箱变流器进一步包括采集电路，所述采集电路与主控单元连接。
17.本发明的进一步改进在于，所述高速通信接口采用高速工业以太网接口。
18.本发明的第二个方面，提供了一种电化学储能变流系统，所述电化学储能变流系统包括：多个电池簇，每个电池簇包括一个储能变流器、多个电池插箱和多个上述电池插箱变流器；
19.每个电池簇中，在每一个电池插箱上连接有一个电池插箱变流器；位于最上方的电池插箱变流器的级联电路与储能变流器的直流侧连接，其它电池插箱变流器的级联电路和与其相邻的电池插箱变流器的级联电路连接。
20.本发明的进一步改进在于，所述电化学储能变流系统进一步包括：集中控制装置、簇管理系统、电池管理系统；
21.每个电池簇中设置有一个簇管理系统，每个电池簇中的簇管理系统控制该电池簇中的储能变流器和电池插箱变流器；
22.电池插箱变流器与电池管理系统一一对应连接；
23.每个电池簇中的簇管理系统、储能变流器能够分别与集中控制装置进行通讯。
24.本发明的进一步改进在于，每个电池簇中的簇管理系统通过通讯线缆与储能变流器连接；
25.电池插箱变流器的高速通信接口能够通过通讯线缆与电池管理系统、簇管理系统连接；
26.每个电池簇中的簇管理系统、储能变流器分别通过通讯线缆与集中控制装置连接。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本发明能够消除电堆中某个电池或电池插箱达到截止电压或故障所形成的短板效应，提高了充放电量和充放电效率。
附图说明
28.图1是传统直流侧系统一次拓扑图。
29.图2是电池管理系统均衡拓扑图。
30.图3是传统组串式直流侧系统一次拓扑图。
31.图4是本发明电化学储能变流系统的一次拓扑图。
32.图5是本发明电化学储能变流系统的二次拓扑图。
33.图6是本发明电池箱变流器的组成结构示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
35.本发明电化学储能变流系统的一次拓扑图如图4所示，即电池系统连接的示意图，图4中的连线表示电气连接线，本发明系统的二次拓扑图如图5所示，即控制系统的连接示意图，图5中的连线表示通讯电缆。电池插箱变流器的组成结构如图6所示。
36.如图4所示，本发明电化学储能变流系统包括：多个电池簇，每个电池簇包括一个储能变流器、多个电池插箱和多个电池插箱变流器，为了清晰，图4中仅仅画出了一个储能变流器。
37.具体的，每个电池簇中，电池插箱和电池插箱变流器一一对应连接，即在每一个电池插箱上连接有一个电池插箱变流器，多个电池插箱变流器串联连接，每个电池簇中位于最上方的电池插箱变流器与储能变流器的直流侧连接。
38.如图5所示，本发明电化学储能变流系统进一步包括：集中控制装置、簇管理系统、电池管理系统。电池插箱变流器与电池管理系统一一对应连接；每个电池簇中设置有一个簇管理系统，每个电池簇中的簇管理系统控制该电池簇中的储能变流器和电池插箱变流器。各个簇管理系统分别与集中控制装置进行通信，同时，各个储能变流器分别与集中控制装置进行通信，形成电堆。
39.具体的，每个电池簇中位于最上方的电池插箱变流器通过通讯线缆与簇管理系统连接，簇管理系统还通过通讯线缆与储能变流器连接，每个电池簇中的簇管理系统、储能变流器分别再与集中控制装置通过通讯线缆连接，形成电堆，同时，在每个电池簇内，每个电池插箱变流器通过通讯线缆连接有电池管理系统。
40.图5所示的实施例中，是在每个电池簇上设置有一个簇管理系统和一个储能变流器，电池簇、簇管理系统、储能变流器一一对应，即n个电池簇对应n个簇管理系统和n个储能变流器。各个储能变流器、各个簇管理系统分别与集中控制装置进行通讯。同时，在每个电池插箱变流器上连接有电池管理系统。
41.具体的，所述簇管理系统的功能如下：
42.1.接收该电池簇内的每个电池管理系统(bmu)上传的电池数据(该电池簇内每颗电池的电压，温度等数据)和电池插箱变流器上传的数据(pack电压以及电池插箱变流器工作状态等数据)；
43.2.根据上述数据，计算每颗电池的soc、soh值，计算每个电池插箱的soc、soh值，计算整个电池簇的soc、soh值，并根据这些数据分析结果和从集中控制装置接收的指令，控制电池插箱变流器的运行模式，运行模式包括电池插箱变流器的降压、旁路和直通三种模式中的一种；
44.3.将这些数据上传给集中控制系统，同时也接收集中控制系统的指令，集中控制装置负责接收外部指令并告知上级控制系统整个电堆的可充放电量，对整个电池簇进行充放电。
45.此外，簇管理系统和储能变流器也有相互联动的控制逻辑(例如，降功率运行等。)保护电池的充放电电流在合理的范围内。
46.上述这些功能均采用现有算法实现，在此不再赘述。
47.对本发明电化学储能变流系统、图3所示的传统系统分别进行实验，其中两个电池
簇的实验数据如下：
48.电池簇1的实验数据如表1所示：
[0049][0050]
表1电池簇2的实验数据如表2所示：
[0051][0052]
表2
[0053]
表1、表2中的“使能”是指本发明系统，“不使能”是指图3所示的传统系统(即没有电池插箱变流器的系统)，“循环结果”是指对两簇电池进行满充和满放的数据；“离散程度”是指整个电池簇内的soc的不一致性，即soc不一致性越高，系统充放电的损失越大。
[0054]
离散率是系统本身决定的，即电池插箱形成电堆的时候就决定了系统的离散率，但这个离散率会随着充放电系统的改变会有改变，充电前将所有soc加起来，放电后将所有soc加起来，两者之间的偏差即为离散率，离散率用于衡量soc的不一致性。表1和表2中，充放电时的pack离散程度之间的差值即为离散率，从pack离散程度之间的差值可知，本发明系统的离散率低于传统系统的离散率(表1中，本发明系统中电池簇1的离散率为0.013-0.009＝0.004，传统系统中电池簇1的离散率为0.009-0.001＝0.008，表2中，本发明系统中电池簇2的离散率为0.030-0.019＝0.011，传统系统中电池簇2的离散率为0.017-0.001＝0.016)，而离散率越低，满充满放电量越高，即充放电量更大，因此，相比传统的系统，本发明系统提升了充放电量。
[0055]
从表1和表2可以看出，在电池插箱的离散率特别低的情况下(即整簇电芯电量非常一致的情况下)，本发明的效果也能体现，电池簇1和电池簇2的放电量分别提升了2.5％左右。
[0056]
由于本发明采用簇管理系统控制各个电池插箱变流器的运行状态，因此减少了本发明系统的短板效应，从而提升了整个系统的充放电量。
[0057]
而且，本发明通过电池插箱变流器进一步提升了充放电效率。如图6所示，所述电池插箱变流器包括主控单元以及分别与其连接的dc/dc变换电路、高速通信接口。其中，dc/dc变换电路的一端的正负极分别与电池插箱的输出正负极连接，dc/dc变换电路的另一端的正负极分别与级联电路的正负极连接，通过级联电路能够将该电池插箱变流器与其它电池插箱变流器串联起来，即电池插箱变流器的级联侧端(级联电路)与相邻的电池插箱变流器的级联侧端(级联电路)连接，实现多个电池插箱变流器的串联连接。所述高速通信接口能够与簇管理系统、电池管理系统连接。
[0058]
图4和图5所示实施例中每个电池簇中最上方的电池插箱变流器的级联电路与储
能变流器的直流侧连接，其它电池插箱变流器的级联电路和与其相邻的电池插箱变流器的级联电路连接，图5所示的架构中，每个电池簇最上方的电池插箱变流器的高速通信接口与簇管理系统连接。
[0059]
进一步的，在所述电池插箱变流器的内部设置有旁路电路，所述旁路电路的一端与电池插箱的输出正负极连接，另一端与级联电路的正负极连接，这样在电池充放电的平台期，通过簇管理系统控制旁路电路连通，同时控制dc/dc变换电路关闭，使得电流通过旁路电路进行充放电，dc/dc变换电路不工作。只有在电池充电的末端或者放电的末端，才通过簇管理系统控制旁路电路断开，并控制dc/dc变换电路导通，使得dc/dc变换电路投入运行(具体采用现有电路控制方法通过plc编程对旁路电路、dc/dc变换电路的通断进行控制即可实现该功能，在此不再赘述。)。这样，本发明通过旁路电路消除了电池簇内各个电池插箱间的短板。正常情况下，在整个充放电过程中，旁路电路是不会受到充放电效率损失的影响，只有在充放电的末端dc/dc变换电路才投入运行，这样大幅度提升了充放电效率。
[0060]
进一步的，还可以将电池管理系统的采集电路(例如电池插箱内电池电压、温度采集电路、电池均衡电路)等结合到该电池插箱变流器内部(此处只是物理位置变化，并未改变电池管理系统的功能，不予赘述)。采集电路与主控单元连接。
[0061]
电池插箱变流器的主控单元接收集中控制装置发来的输出电压指令值，并根据输出电压指令值驱动dc/dc变换电路，使电池插箱变流器自然地根据输出端电流向电池侧的端口输入或输出电流(这个是dc/dc变化电路内部的控制逻辑，控制占空比，在此不再赘述)。此时电池侧由电池电压钳位、级联侧电压受本电池插箱变流器控制、输出电流则受储能变流器整体控制(即利用变流器控制充放电的输出和输入功率)，根据功率平衡原则，电池侧电流自然地跟随其他三个变量(即电池电压、级联侧电压和输出电流)变化。
[0062]
同时，电池插箱变流器的主控单元通过高速通信接口向簇管理系统反馈本电池插箱的电池电压温度等状态信息和设备运行状态信息，这些状态信息均是现有电池插箱中的采集电路采集到并发送给主控单元的，在此不再赘述。
[0063]
电池插箱变流器的通信接口采用高速工业以太网接口，实现整体系统毫秒级的信息交互和高速控制。
[0064]
当本电池插箱内的电池出现故障时，将该电池插箱所在的整个电池簇退出运行。具体的，关闭该电池簇对应的储能变流器即可，这样整个电池簇退出运行。此时，通过集中控制装置控制该电池插箱对应的旁路电路断开，同时控制该电池插箱对应的dc/dc变换电路断开，使得该电池插箱与该电池簇脱离，便于进行后续的维修或者更换。
[0065]
图4和图5所示的实施例中，所述集中控制装置采集本电堆内所有电池的信息，判断各电池的运行状态以及是否需要减小其充/放电电流等等，这些根据实际需要进行plc编程来实现相应的功能即可，在此不再赘述，仅简介如下：
[0066]
所述集中控制装置对电池插箱变流器的控制分为三部分，分别是电池簇内控制、电堆控制和总限流控制，具体如下：
[0067]
电池簇内控制：由于电池簇内部所有电池插箱变流器的级联侧是串联的，因此其电流是一致的，只能通过各台电池插箱变流器的级联侧电压的不同，控制该电池插箱的输入/输出功率。因此集中控制装置根据各电池插箱内电池的运行状态，自行判断其电池是否需要限流，并向各电池插箱变流器下达级联侧电压指令值，通过控制各电池插箱级联侧电
压的不同，实时调整各电池插箱的输入/输出功率，以保证整簇电池的持续最大化运行，消除短板。同时，应保证所有电池插箱变流器的级联侧电压之和为储能变流器的直流侧的额定电压。
[0068]
电堆控制：由于各个电池簇仍然可能出现一致性不足的情况，因此还需考虑各电池簇之间的均衡和限流问题。因此在储能系统向本电堆统一充放电时，本系统应能够分别控制各电池簇应该分担多大的充放电电流。由于系统连接的铜排、导线、功率器件等都有内阻的存在，各簇电池的充放电电流必然在其内阻上反应为压降。因此只需控制各电池簇级联总电压存在微小差异，即可控制各电池簇间的不同分流。本发明系统是在每个电池簇内设置有一个储能变流器，这样在硬件层面隔断了电池簇间的环流，也就控制了各个电池簇间的不同分流。
[0069]
总限流控制：由于集中控制装置可采集电堆内所有电池的运行状态，根据各电池插箱的状态调节各电池插箱在本电池簇内的功率大小，根据各电池簇的状态调节各电池簇在本电堆内的电流大小，因此再结合电池管理系统对电池插箱内的电池进行均衡后，即可对电堆内所有电池的限流和故障等状态及时作出响应和调整。但若电堆总体接近饱和或放空状态，或故障后退出的电池插箱较多，则需整个电堆整体限流降功率。此时集中控制装置应向储能变流器进行通信，实时上报本电堆所能容纳的总充电/放电功率或电流，实现整体电堆的保护。
[0070]
最后应说明的是，上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。