本發(fā)明屬于電池儲能系統(tǒng)的構(gòu)建和控制領(lǐng)域，具體是一種可動態(tài)重構(gòu)的電池儲能系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著化石能源的逐漸枯竭和人類對環(huán)境問題的日益關(guān)注，清潔的可再生能源發(fā)電迅速擴大，新一輪的能源變革逐步推進。然而，可再生能源具有波動性和隨機性的固有特征，給電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行提出了諸多挑戰(zhàn)。儲能技術(shù)是應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的有效手段，構(gòu)建大規(guī)模經(jīng)濟性儲能系統(tǒng)是意義重大的研究課題。除抽水蓄能外，電池儲能是現(xiàn)階段最具備工程應(yīng)用前景的儲能技術(shù)，但電池儲能系統(tǒng)通常采用大量儲能容量和功率有限的電池單體(電芯)組成，必須配合高效的重組和管理技術(shù)才能充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)的能量存儲能力。

傳統(tǒng)上，電池儲能系統(tǒng)按照固定方式將電池單體串、并聯(lián)，從而擴展儲能系統(tǒng)的儲能容量和功率，這存在兩方面的缺點：(1)儲能系統(tǒng)存在短板效應(yīng)，難以充分利用所有電池單體的儲能能力。例如，多個電池單體串聯(lián)構(gòu)成的電池組充放電安時數(shù)等于安時數(shù)最少的電池單體，因此安時數(shù)較大電池單體的儲能能力未得到充分利用。(2)儲能系統(tǒng)存在不均衡效應(yīng)，導(dǎo)致電池單體老化程度和速度差異顯著，縮短了儲能系統(tǒng)整體壽命。參數(shù)差異會導(dǎo)致電池組內(nèi)各單體充放電工況不均衡，進而引起電池單體老化差異，并進一步加大參數(shù)差異，引起更大程度的工況不均衡。因此，電池單體參數(shù)差異和老化差異互相促進，形成正反饋過程，最終導(dǎo)致某些單體老化嚴(yán)重而某些單體因使用率較低而老化很小，進而影響儲能系統(tǒng)的整體壽命。

上述可見：采用固定連接方法的電池儲能系統(tǒng)缺乏靈活的調(diào)整空間，難以充分發(fā)揮電池管理系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，電池利用率低且不均衡，存在很大改進空間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明在傳統(tǒng)固定連接的電池儲能系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將全控型電力電子開關(guān)合理串入電池組，實現(xiàn)電池組可控性改造；在電池管理系統(tǒng)中增加信息交互和處理模塊，提升儲能系統(tǒng)的信息利用能力。

本發(fā)明采用下面的技術(shù)方案：

一種可動態(tài)重構(gòu)的電池儲能系統(tǒng)，包括儲能系統(tǒng)主電路和電池管理系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)主電路具有充放電接口電路和與所述充放電接口電路相連的儲能電池組，儲能電池組由多個電池單體并聯(lián)構(gòu)成，每一電池單體兩端均設(shè)有可控開關(guān)sn(n＝1,2，，，n)；在所述由多個電池單體并聯(lián)構(gòu)成的儲能電池中，每一電池單體的正極端還通過可控開關(guān)s’n(n＝1,2，，，n)與相鄰電池單體的正極端相連，每一電池單體的負(fù)極端也通過可控開關(guān)s″n(n＝1,2，，，n)與相鄰電池單體的負(fù)極端相連；

電池管理系統(tǒng)與所述儲能系統(tǒng)主電路相連，具有采集模塊，用于采集所述電池單體的電氣信息；通信模塊，用于獲取充放電接口電路輸出的功率交換指令；電池管理模塊，與所述采集模塊和通信模塊相連，用于根據(jù)所述電池單體的電氣信息和功率交換指令生成儲能電池組重構(gòu)決策，并控制所述可控開關(guān)sn、s’n和s″n的通斷，改變儲能電池組拓?fù)洹?/p>

進一步的，所述電池管理模塊包括狀態(tài)估計模塊、動態(tài)重組控制模塊和觸發(fā)模塊；

所述狀態(tài)估計模塊，與所述采集模塊相連，用于根據(jù)電池單體的電氣信息估算電池單體的狀態(tài)；

所述動態(tài)重組控制模塊，與所述狀態(tài)估計模塊和通信模塊相連，用于根據(jù)所述電池單體的狀態(tài)和所述功率交換指令，改變儲能電池組拓?fù)洌蛲ㄐ拍K發(fā)送請求改變充放電接口電路輸出的功率；

觸發(fā)模塊，與所述動態(tài)重組控制模塊相連，用于根據(jù)儲能電池組重構(gòu)決策，生成開通或關(guān)斷控制信號，發(fā)送至可控開關(guān)，驅(qū)動可控制開關(guān)的通斷，改變儲能電池組拓?fù)洹?/p>

進一步的，所述充放電接口電路包括充電接口電路和放電接口電路，充電接口電路與所述儲能電池組的輸入相連，放電接口電路與所述儲能電池組的輸出相連。

進一步的，所述充電接口電路包括三相不控整流電路和buck電路，三相不控整流電路的輸入與交流電源相連，buck電路發(fā)熱輸出與儲能電池組相連，三相不控整流電路通過第一緩沖電容與所述buck電路相連。

進一步的，所述放電接口電路包括boost電路和逆變器，boost電路的輸入與所述儲能電池組相連，逆變器的輸出連接交流負(fù)載；boost電路與所述逆變器之間通過第二緩沖電容相連。

進一步的，所述放電接口電路包括boost電路和與所述boost電路相連的第三緩沖電容，boost電路的輸入與所述儲能電池組相連，第三緩沖電容的輸出連接直流負(fù)載。

本發(fā)明還包括一種可動態(tài)重構(gòu)的電池儲能方法，包括以下步驟：

當(dāng)電池儲能方向為充電方向，

采集電池單體的電氣參數(shù)，估計電池單體的狀態(tài)；

獲取充放電接口電路輸出的功率；

確定與所述充放電接口電路輸出功率對應(yīng)的最優(yōu)儲能電池組運行電壓與電流參數(shù)；

根據(jù)電池單體的狀態(tài)，生成重構(gòu)儲能電池組拓?fù)涞牟呗裕?/p>

執(zhí)行儲能電池組拓?fù)渲貥?gòu)，即改變儲能電池組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

進一步的，判斷重構(gòu)儲能電池組拓?fù)涞牟呗允欠窨尚?，若不可行則重新確定與所述充放電接口電路輸出功率對應(yīng)的最優(yōu)儲能電池組運行電壓與電流參數(shù)，若可行則執(zhí)行儲能電池組拓?fù)渲貥?gòu)。

進一步的，設(shè)定時檢測機制，若達到設(shè)定時間，則重新采集電池單體的電氣參數(shù)，估計電池單體的狀態(tài)。

進一步的，檢測所述充放電接口電路輸出功率需求是否改變，若輸出功率需發(fā)生改變，則重新確定與所述充放電接口電路輸出功率對應(yīng)的最優(yōu)儲能電池組運行電壓與電流參數(shù)，若可行則執(zhí)行儲能電池組拓?fù)渲貥?gòu)。

本發(fā)明的工作流程：

儲能系統(tǒng)工作流程

儲能系統(tǒng)工作狀態(tài)包括充電和放電兩種，其工作流程如圖5所示，主要包括8個步驟：

1：根據(jù)交換功率的符號判斷是充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)，從而閉合與之對應(yīng)的開關(guān)，接通電源或負(fù)載。

2：通過查找優(yōu)化運行表確定與交換功率需求對應(yīng)的最優(yōu)運行電壓和電流，作為動態(tài)重組算法的決策目標(biāo)。通常，優(yōu)化運行表可根據(jù)儲能系統(tǒng)具體參數(shù)，離線計算并事先存入bms中。

3：根據(jù)電池狀態(tài)(由電池狀態(tài)矩陣表征)和電池組的電壓、電流要求，優(yōu)化決策電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4：判斷優(yōu)化決策得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否可行，若不可行則轉(zhuǎn)入步驟2，重新確定電池組運行電壓、電流；若拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可行則繼續(xù)進入步驟5。

5：執(zhí)行拓?fù)渲貥?gòu)，即根據(jù)電池組拓?fù)錄Q策結(jié)果，生成對應(yīng)的可控開關(guān)觸發(fā)脈沖，改變電池組電池網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

6：定時器到時檢測，若定時器到時則轉(zhuǎn)入步驟7，否則進入步驟8。

7：更新電池狀態(tài)信息，即根據(jù)電池組測量結(jié)果，重新執(zhí)行狀態(tài)估計算法，重新計算電池狀態(tài)信息矩陣，并更新bms中對應(yīng)信息。隨后轉(zhuǎn)入步驟3，根據(jù)最新電池狀態(tài)矩陣，執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化算法。

8：檢測儲能系統(tǒng)交換功率需求是否改變。若交換功率發(fā)生改變，則轉(zhuǎn)入步驟2重新啟動動態(tài)重組流程，否則轉(zhuǎn)入步驟6繼續(xù)檢測定時器是否到時。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明在傳統(tǒng)固定連接的電池儲能系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將全控型電力電子開關(guān)合理串入電池組，實現(xiàn)電池組可控性改造；在電池管理系統(tǒng)中增加信息交互和處理模塊，提升儲能系統(tǒng)的信息利用能力；進而使電池組能夠根據(jù)功率交換需求和電池狀態(tài)，動態(tài)改變電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電池組可用容量提升、故障單體自動隔離、電池組運行狀態(tài)優(yōu)化等應(yīng)用目標(biāo)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明可動態(tài)重組電池儲能系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)；

圖2為本發(fā)明可動態(tài)重組電池儲能系統(tǒng)的充電接口電路拓?fù)洌?/p>

圖3為本發(fā)明可動態(tài)重組電池儲能系統(tǒng)的放電接口電路拓?fù)洌?/p>

圖4為本發(fā)明可動態(tài)重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

圖5為本發(fā)明可動態(tài)重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)的充放電流程。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明：

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

本發(fā)明的一種典型實施例是一種可動態(tài)重構(gòu)的電池儲能系統(tǒng)，包括儲能系統(tǒng)主電路和電池管理系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)主電路具有充放電接口電路和與所述充放電接口電路相連的儲能電池組，儲能電池組由多個電池單體并聯(lián)構(gòu)成，每一電池單體兩端均設(shè)有可控開關(guān)sn(n＝1,2，，，n)；在所述由多個電池單體并聯(lián)構(gòu)成的儲能電池中，每一電池單體的正極端還通過可控開關(guān)s’n(n＝1,2，，，n)與相鄰電池單體的正極端相連，每一電池單體的負(fù)極端也通過可控開關(guān)s″n(n＝1,2，，，n)與相鄰電池單體的負(fù)極端相連；

電池管理系統(tǒng)與所述儲能系統(tǒng)主電路相連，具有采集模塊，用于采集所述電池單體的電氣信息；通信模塊，用于獲取充放電接口電路輸出的功率交換指令；電池管理模塊，與所述采集模塊和通信模塊相連，用于根據(jù)所述電池單體的電氣信息和功率交換指令生成儲能電池組重構(gòu)決策，并控制所述可控開關(guān)sn、s’n和s″n的通斷，改變儲能電池組拓?fù)洹?/p>

進一步的，所述電池管理模塊包括狀態(tài)估計模塊、動態(tài)重組控制模塊和觸發(fā)模塊；

所述狀態(tài)估計模塊，與所述采集模塊相連，2-狀態(tài)估計模塊：主要功能為根據(jù)通信模塊獲取的測量信息估算各電池單體狀態(tài)，如電池的荷電狀態(tài)(stateofcharge，soc)、健康狀態(tài)(stateofhealth，soh)等，為動態(tài)成組控制模塊提供決策所需的基礎(chǔ)信息。

所述動態(tài)重組控制模塊，與所述狀態(tài)估計模塊和通信模塊相連，主要功能為根據(jù)狀態(tài)估計模塊估計所得的狀態(tài)信息矩陣和儲能系統(tǒng)功率交換需求，優(yōu)化決策電池組的實時拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電池單體間soc、soh均衡等控制目標(biāo)。比如，若某個電池單體soh低，表明該單體老化嚴(yán)重，應(yīng)盡量減少該單體的充放電任務(wù)，改由健康度較高的電池單體承擔(dān)。當(dāng)電池組無法滿足功率交換需求時，動態(tài)成組模塊將通過通信模塊向充放電接口電路發(fā)送反饋信息，請求減小功率交換指令。

觸發(fā)模塊，與所述動態(tài)重組控制模塊相連，主要功能為根據(jù)成組控制模塊決策得到的拓?fù)湫畔?，給相應(yīng)可控開關(guān)生成開通或關(guān)斷控制信號。通常，可控開關(guān)可采用全控型電力電子開關(guān)(如mosfet)實現(xiàn)，則觸發(fā)模塊生成的控制脈沖經(jīng)隔離、驅(qū)動電路即可控制開關(guān)管通斷，改變電池組拓?fù)洹?/p>

進一步的，所述充放電接口電路包括充電接口電路和放電接口電路，充電接口電路與所述儲能電池組的輸入相連，放電接口電路與所述儲能電池組的輸出相連。

進一步的，所述充電接口電路包括三相不控整流電路和buck電路，三相不控整流電路的輸入與交流電源相連，buck電路發(fā)熱輸出與儲能電池組相連，三相不控整流電路通過第一緩沖電容與所述buck電路相連。

進一步的，所述放電接口電路包括boost電路和逆變器，boost電路的輸入與所述儲能電池組相連，逆變器的輸出連接交流負(fù)載；boost電路與所述逆變器之間通過第二緩沖電容相連。

進一步的，所述放電接口電路包括boost電路和與所述boost電路相連的第三緩沖電容，boost電路的輸入與所述儲能電池組相連，第三緩沖電容的輸出連接直流負(fù)載。

本發(fā)明的再一實施例是一種可動態(tài)重構(gòu)的電池儲能方法，包括以下步驟：

當(dāng)電池儲能方向為充電方向，

采集電池單體的電氣參數(shù)，估計電池單體的狀態(tài)；

獲取充放電接口電路輸出的功率；

確定與所述充放電接口電路輸出功率對應(yīng)的最優(yōu)儲能電池組運行電壓與電流參數(shù)；

根據(jù)電池單體的狀態(tài)，生成重構(gòu)儲能電池組拓?fù)涞牟呗裕?/p>

執(zhí)行儲能電池組拓?fù)渲貥?gòu)，即改變儲能電池組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

進一步的，判斷重構(gòu)儲能電池組拓?fù)涞牟呗允欠窨尚?，若不可行則重新確定與所述充放電接口電路輸出功率對應(yīng)的最優(yōu)儲能電池組運行電壓與電流參數(shù)，若可行則執(zhí)行儲能電池組拓?fù)渲貥?gòu)。

進一步的，設(shè)定時檢測機制，若達到設(shè)定時間，則重新采集電池單體的電氣參數(shù)，估計電池單體的狀態(tài)。

進一步的，檢測所述充放電接口電路輸出功率需求是否改變，若輸出功率需發(fā)生改變，則重新確定與所述充放電接口電路輸出功率對應(yīng)的最優(yōu)儲能電池組運行電壓與電流參數(shù)，若可行則執(zhí)行儲能電池組拓?fù)渲貥?gòu)。

儲能系統(tǒng)工作流程

儲能系統(tǒng)工作狀態(tài)包括充電和放電兩種，其工作流程如圖5所示，主要包括8個步驟：

步驟①：根據(jù)交換功率的符號判斷是充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)，從而閉合與之對應(yīng)的開關(guān)，接通電源或負(fù)載。

步驟②：通過查找優(yōu)化運行表確定與交換功率需求對應(yīng)的最優(yōu)運行電壓和電流，作為動態(tài)成組算法的決策目標(biāo)。通常，優(yōu)化運行表可根據(jù)儲能系統(tǒng)具體參數(shù)，離線計算并事先存入bms中。

步驟③：根據(jù)電池狀態(tài)(由電池狀態(tài)矩陣表征)和電池組的電壓、電流要求，優(yōu)化決策電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

步驟④：判斷優(yōu)化決策得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否可行，若不可行則轉(zhuǎn)入步驟②，重新確定電池組運行電壓、電流；若拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可行則繼續(xù)進入步驟⑤。

步驟⑤：執(zhí)行拓?fù)渲貥?gòu)，即根據(jù)電池組拓?fù)錄Q策結(jié)果，生成對應(yīng)的可控開關(guān)觸發(fā)脈沖，改變電池組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

步驟⑥：定時器到時檢測，若定時器到時則轉(zhuǎn)入步驟⑦，否則進入步驟⑧。

步驟⑦：更新電池狀態(tài)信息，即根據(jù)電池組測量結(jié)果，重新執(zhí)行狀態(tài)估計算法，重新計算電池狀態(tài)信息矩陣，并更新bms中對應(yīng)信息。隨后轉(zhuǎn)入步驟③，根據(jù)最新電池狀態(tài)矩陣，執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化算法。

步驟⑧：檢測儲能系統(tǒng)交換功率需求是否改變。若交換功率發(fā)生改變，則轉(zhuǎn)入步驟②重新啟動動態(tài)成組流程，否則轉(zhuǎn)入步驟⑥繼續(xù)檢測定時器是否到時。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本申請的保護范圍之內(nèi)。