高压锂电池储能系统及方法与流程

本发明涉及高压储能技术领域，尤其涉及一种高压锂电池储能系统及方法。

背景技术：

能源技术的革命催生了新技术，高压储能装置广泛应用于电磁发射、轨道交通等领域。锂电池具有能源效率高、能源密度高、存储性能优秀等特点，可进行并联及串联以获得高容量或高电压，近年来大容量锂电池储能系统在电力系统领域获得了较好应用，正逐渐成为储能系统中主流的储能介质。

高压锂电池储能装置中的高电压(通常达到上千伏)对系统的隔离电压设计、安全性提出更高的难题，需要的锂电池串并联节数也很多，因此需要对装置及锂电池组的结构进行优化设计。同时由于锂电池这种储能单体自身参数的不同，以及单体电池在串并联成组使用后，随着充放电次数的增加，电池组之间的性能差异会逐渐增大，可能出现单体电池过充电、过放电问题，会使锂电池受到损坏，这种损坏会进一步加剧端电压的差异，最终可能导致整个储能装置损坏。因此对锂电池储能装置需要采取电压均衡技术，调节锂电池单体端电压达到一致。

技术实现要素：

本发明提供了一种高压锂电池储能系统及方法，能够解决现有技术中锂电池储能装置电压不均衡的技术问题。

本发明提供了一种高压锂电池储能系统，其中，该系统包括级联的多个锂电池分组柜、充电输入隔离变压器、集中处理器、分布式充电单元和电池电压检测单元，每个锂电池分组柜连接有充电输入隔离变压器和集中处理器且设置有多个锂电池模组，每个锂电池模组均连接有分布式充电单元和电池电压检测单元，其中，

多个锂电池模组各自的电池电压检测单元用于分别检测对应锂电池模组的端电压；

集中处理器用于接收各个锂电池模组的端电压，在各个锂电池模组的端电压不相等的情况下输出控制各个分布式充电单元的充电电流的信号；

各个分布式充电单元根据控制各个分布式充电单元的充电电流的信号执行充电操作。

优选地，集中处理器在各个锂电池模组的端电压不相等的情况下输出控制各个分布式充电单元的充电电流的信号包括：

将各个锂电池模组的端电压按照大小排序；

在排序为从小到大排序的情况下，根据预设最小充电电流和预设最大充电电流确定对应分布式充电单元的充电电流依次从大到小，并输出对应的控制信号；

在排序为从大到小排序的情况下，根据预设最小充电电流和预设最大充电电流确定对应分布式充电单元的充电电流依次从小到大，并输出对应的控制信号。

优选地，

根据预设最小充电电流和预设最大充电电流控制对应分布式充电单元的充电电流的信号对应的充电电流依次从大到小包括：

根据锂电池模组的数量n将预设最小充电电流和预设最大充电电流之间的区间进行n-1等分得到n-2个等分点电流；

确定对应分布式充电单元的充电电流依次为预设最大充电电流、从大到小的各等分点电流、预设最小充电电流；

根据预设最小充电电流和预设最大充电电流控制对应分布式充电单元的充电电流的信号对应的充电电流依次从小到大包括：

根据锂电池模组的数量n将预设最小充电电流和预设最大充电电流之间的区间进行n-1等分得到n-2个等分点电流；

确定对应分布式充电单元的充电电流依次为预设最小充电电流、从小到大的各等分点电流、预设最大充电电流；

其中，在各个锂电池模组的端电压存在部分相等的情况下，根据端电压相等的锂电池模组的数量m从预设最小充电电流开始舍弃(m-1)个电流值，并将预设最大充电电流和其余各等分点电流按从小到大或从大到小确定为对应分布式充电单元的充电电流，端电压相等的锂电池模组的对应分布式充电单元的充电电流相等。

优选地，

多个锂电池模组各自的电池电压检测单元还用于分别检测每个锂电池模组中各个并联节的端电压；

集中处理器还用于根据各个并联节的端电压判断对应并联节的状态。

优选地，集中处理器根据各个并联节的端电压判断对应并联节的状态包括：

在某个并联节电压大于预设并联节电压最大值的情况下，判断该并联节的状态为过充。

优选地，集中处理器还用于在判断并联节的状态为过充的情况下输出控制与该并联节相对应的mosfet导通的信号，以对过充的并联节进行放电，并在实时检测的进行放电的并联节的端电压小于预设并联节电压最大值的情况下输出控制与该并联节相对应的mosfet截止的信号。

优选地，集中处理器根据各个并联节的端电压判断对应并联节的状态包括：

在检测某个并联节电压小于预设并联节电压最小值的情况下，判断该并联节的状态为过放。

优选地，集中处理器还用于在判断并联节的状态为过放的情况下输出报警信号。

优选地，在各个分布式充电单元执行充电操作的过程中，集中处理器还用于将各个锂电池模组的端电压与预设电压阈值进行比较，并在某个锂电池模组的端电压等于预设电压阈值的情况下输出控制对应分布式充电单元停止充电的信号。

本发明还提供了一种高压锂电池储能方法，其特征在于，该方法包括：

每个锂电池分组柜的多个锂电池模组各自的电池电压检测单元分别检测对应锂电池模组的端电压；

每个锂电池分组柜的集中处理器接收各个锂电池模组的端电压，在各个锂电池模组的端电压不相等的情况下输出控制各个分布式充电单元的充电电流的信号；

各个分布式充电单元根据控制各个分布式充电单元的充电电流的信号执行充电操作，

其中，多个锂电池分组柜级联，每个锂电池分组柜连接有充电输入隔离变压器和集中处理器且设置有多个锂电池模组，每个锂电池模组均连接有分布式充电单元和电池电压检测单元。

通过上述技术方案，可以将总电压分成多个锂电池分组柜(储能柜)级联，每个储能柜使用单独的充电输入隔离变压器，保证了更高的安全性；同时储能柜包括多个锂电池模组，可以以模组为单元进行分布式充电及电池电压采样：通过采集各模组电压进行相应运算，控制分布式充电单元5的充电电流大小，由此实现每个储能柜的各个模组之间的电压均衡。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的一种高压锂电池储能系统的原理框图；

图2示出了根据本发明实施例的一种高压锂电池储能方法的流程图；

图3示出了根据本发明实施例的模组均衡流策略充电曲线图；

图4示出了根据本发明实施例的分布式充电单元工作原理图；

图5示出了根据本发明实施例的电池电压检测单元工作原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1示出了根据本发明实施例的一种高压锂电池储能系统的原理框图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种高压锂电池储能系统，其中，该系统包括级联的多个锂电池分组柜1、充电输入隔离变压器2、集中处理器4、分布式充电单元5和电池电压检测单元6，每个锂电池分组柜1连接有充电输入隔离变压器2和集中处理器4且设置有多个锂电池模组3，每个锂电池模组3均连接有分布式充电单元5和电池电压检测单元6(即，以锂电池模组3为单元配置分布式充电单元5及电池电压检测单元6)，其中，

多个锂电池模组3各自的电池电压检测单元6用于分别检测对应锂电池模组3的端电压；

集中处理器4用于接收各个锂电池模组3的端电压，在各个锂电池模组3的端电压不相等的情况下输出控制各个分布式充电单元5的充电电流的信号；

各个分布式充电单元5根据控制各个分布式充电单元5的充电电流的信号执行充电操作。

举例来讲，在图1中，4000v总电压可以分成四个锂电池分组柜1级联，每个锂电池分组柜1包括多个锂电池模组3，每个锂电池模组3包括多个通过多个锂电池(cell1……celln)并联现成的并联节，多个并联节之间串联连接形成声势锂电池模组3，但本领域技术人员应当理解，图1仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。

通过上述技术方案，可以将总电压分成多个锂电池分组柜(储能柜)级联，每个储能柜使用单独的充电输入隔离变压器，保证了更高的安全性，能够降低高压储能装置中的隔离电压设计要求；同时储能柜包括多个锂电池模组，可以以模组为单元进行分布式充电及电池电压采样：通过采集各模组电压进行相应运算，控制分布式充电单元5的充电电流大小，由此实现每个储能柜的各个模组之间的电压均衡。

此外，在图1中，出于简化的目的，用电压检测+充电单元表示电池电压检测单元和分布式充电单元。

在本发明实施例中，电池电压检测单元6例如可以采用锂电池电压监测集成芯片ltc6803，集中处理器4包括cpu。

根据本发明一种实施例，集中处理器4在各个锂电池模组3的端电压不相等的情况下输出控制各个分布式充电单元5的充电电流的信号包括：

将各个锂电池模组3的端电压按照大小排序；

在排序为从小到大排序的情况下，根据预设最小充电电流和预设最大充电电流确定对应分布式充电单元5的充电电流依次从大到小，并输出对应的控制信号；

在排序为从大到小排序的情况下，根据预设最小充电电流和预设最大充电电流确定对应分布式充电单元5的充电电流依次从小到大，并输出对应的控制信号。

举例来讲，每个锂电池分组柜1独立控制，充电时，集中处理器4通过与电池电压检测单元6连接，获得各个锂电池模组3的端电压(总电压)v1-vn。集中处理器4对采集到的模组电压进行相应比较、运算，传递给分布式充电单元5相应的充电电流给定信号，使得总电压较低的模组获得较大的充电电流，总电压较高的模组获得较小的充电电流。由此，可以实现各个模组之间的电压均衡。

根据本发明一种实施例，

根据预设最小充电电流和预设最大充电电流控制对应分布式充电单元5的充电电流的信号对应的充电电流依次从大到小包括：

根据锂电池模组3的数量n将预设最小充电电流和预设最大充电电流之间的区间进行n-1等分得到n-2个等分点电流；

确定对应分布式充电单元5的充电电流依次为预设最大充电电流、从大到小的各等分点电流、预设最小充电电流；

根据预设最小充电电流和预设最大充电电流控制对应分布式充电单元5的充电电流的信号对应的充电电流依次从小到大包括：

根据锂电池模组3的数量n将预设最小充电电流和预设最大充电电流之间的区间进行n-1等分得到n-2个等分点电流；

确定对应分布式充电单元5的充电电流依次为预设最小充电电流、从小到大的各等分点电流、预设最大充电电流；

其中，在各个锂电池模组3的端电压存在部分相等的情况下，根据端电压相等的锂电池模组3的数量m从预设最小充电电流开始舍弃(m-1)个电流值，并将预设最大充电电流和其余各等分点电流按从小到大或从大到小确定为对应分布式充电单元5的充电电流，端电压相等的锂电池模组3的对应分布式充电单元5的充电电流相等。

根据本发明一种实施例，

多个锂电池模组3各自的电池电压检测单元6还用于分别检测每个锂电池模组3中各个并联节的端电压；

集中处理器4还用于根据各个并联节的端电压判断对应并联节的状态。

由此，可以实时获知各个并联节的状态。

根据本发明一种实施例，集中处理器4根据各个并联节的端电压判断对应并联节的状态包括：

在某个并联节电压vi大于预设并联节电压最大值vmax(即，vi＞vmax)的情况下，判断该并联节的状态为过充。

由此，可以及时发现并联节的状态为过充，以便后续及时采取相应措施，确保电池安全。

根据本发明一种实施例，集中处理器4还用于在判断并联节的状态为过充的情况下输出控制与该并联节相对应的mosfet导通的信号，以对过充的并联节进行放电，并在实时检测的进行放电的并联节的端电压小于预设并联节电压最大值vmax的情况下输出控制与该并联节相对应的mosfet截止的信号。

举例来讲，在mosfet导通的情况下，可以通过与该mosfet连接的电阻进行放电，并在进行放电的并联节的端电压小于预设并联节电压最大值vmax的情况下控制mosfet截止(关断)，以停止放电。由此，可以实现模组中各个并联节之间的电压均衡。

根据本发明一种实施例，集中处理器4根据各个并联节的端电压判断对应并联节的状态包括：

在检测某个并联节电压vi小于预设并联节电压最小值vmin(即，vi＜vmin)的情况下，判断该并联节的状态为过放。

由此，可以及时发现并联节的状态为过放，以便后续及时采取相应措施，确保电池安全。

根据本发明一种实施例，集中处理器4还用于在判断并联节的状态为过放的情况下输出报警信号。

通过输出报警信号，可以及时通知相关操作人员采取相应处理。

根据本发明一种实施例，在各个分布式充电单元5执行充电操作的过程中，集中处理器4还用于将各个锂电池模组3的端电压与预设电压阈值进行比较，并在某个锂电池模组3的端电压等于预设电压阈值的情况下输出控制对应分布式充电单元5停止充电的信号。

也就是，当检测到模组总电压到达设定值时，停止充电。

本发明还提供了一种高压锂电池储能方法，其中，该方法包括：

每个锂电池分组柜的多个锂电池模组各自的电池电压检测单元分别检测对应锂电池模组的端电压；

每个锂电池分组柜的集中处理器接收各个锂电池模组的端电压，在各个锂电池模组的端电压不相等的情况下输出控制各个分布式充电单元的充电电流的信号；

各个分布式充电单元根据控制各个分布式充电单元的充电电流的信号执行充电操作，

其中，多个锂电池分组柜级联，每个锂电池分组柜连接有充电输入隔离变压器和集中处理器且设置有多个锂电池模组，每个锂电池模组均连接有分布式充电单元和电池电压检测单元。

通过上述技术方案，可以将总电压分成多个锂电池分组柜(储能柜)级联，每个储能柜使用单独的充电输入隔离变压器，保证了更高的安全性；同时储能柜包括多个锂电池模组，可以以模组为单元进行分布式充电及电池电压采样：通过采集各模组电压进行相应运算，控制分布式充电单元5的充电电流大小，由此实现每个储能柜的各个模组之间的电压均衡。

上述的方法与图1所述的系统相对应，具体实例可以参照上述实施例中关于图1的装置的描述，本发明在此不再赘述。

下面结合实例对本发明上述的高压锂电池储能系统进行描述。

图2示出了根据本发明实施例的一种高压锂电池储能方法的流程图。

图3示出了根据本发明实施例的模组均衡流策略充电曲线图。

如图2所示，系统上电后，先对系统的一些参数初始化，充电开始后，电池电压检测单元6工作，检测1#～n#各个锂电池模组电压，并上传到集中处理器4，集中处理器4判断模组间电压大小关系，在各个锂电池模组的端电压为v1＜v2＜...＜vn，则给出分布式充电单元充电电流信号imax≥i1＞i2＞...＞in≥imin，其中imax和imin分别为设定的模组最大和最小充电电流(即，预设最大充电电流和预设最小充电电流)。这样电压低的模组可以获得较大的充电电流，电压高的模组可以获得较小的充电电流，使各模组间电压逐渐趋于相等。同时电池电压检测单元6还会检测模组内各个并联节电压，当检测到某个并联节电压vi＞vmax,说明该并联节过充，则驱动该并联节相对应的mosfet，通过电阻进行放电，并实时检测并联节电压，控制其电压小于vmax,然后停止放电；当检测到某个并联节电压vi＜vmin,说明该并联节过放，则集中处理器输出报警信号，以此实现模组间各并联节的电压均衡。当检测到模组总电压到达设定值(预设电压阈值)时，该模组充电结束。

模组充电电流ij与其电压vj的具体对应关系为：imax为设定的模组最大充电电流，同时也是模组最适宜的充电电流，充电电流不宜以此向上取值。当模组电压v1＝v2＝...＝vn，有i1＝i2＝...＝in＝imax，无需进行均衡控制。设定一个模组最小充电电流值imin，将imin与imax均匀n-1等分，即：

(其中与间隔均相等)。

当检测到v1＜v2＜...＜vn时，则给出各分布式充电单元充电电流信号为：

若模组电压存在相等的情况，假如v1＝v2＜...＜vn，则电流从小的值imin开始舍弃，即：

从imin开始舍弃而保留imax可以最大限度消除该均衡策略对充电时间产生的影响。

模组均衡充电曲线如图3所示，在图3中，以3个锂电池模组为例，假如初始t0时刻v1＜v2＜v3，则充电电流i1＞i2＞i3，即模组1电压上升快，模组2次之，模组3电压上升最慢。当t1时刻v2赶超上v3，则充电电流从小的值进行舍弃，即模组2和模组3均以i2电流进行充电，当t2时刻v1赶超v2和v3，则充电电流再次舍弃小值，模组1、模组2、模组3均以i1电流充电。

图4示出了根据本发明实施例的分布式充电单元工作原理图。

分布式充电单元5的工作原理，如图4所示。分为两级，前级为单相apfc电路，将220v交流电转变为400v直流电压，后级为半桥式dc-dc变换电路，采用恒流输出方式给锂电池模组充电。由于所有的电池模组充电均由电网提供能量，为避免对电网造成大量的谐波污染，所以充电单元前级加入了单相apfc电路，以获得较高的功率因数。后级采用半桥式dc-dc变换电路，可以提供较大的功率输出，同时保证了原副边隔离。采用恒流输出方式，集中处理器根据各模组电压大小关系，经运算给出该模组相应的电流给定值i*，与实际输出电流做差，在经过电流控制器得出上下桥臂开关管的pwm信号，驱动开关管，从而输出想要的电流值。

图5示出了根据本发明实施例的电池电压检测单元工作原理图。

电池电压检测单元6工作原理，如图5所示，可以使用ltc6803芯片作为模组电池并联节电压管理主芯片。其内部包含一个12位adc、一个精确的电压基准、一个高压输入多路复用器和一个串行spi接口与主mcu通信，最多能测量12个串联连接的独立电池单元，内部集成mosfet用于电池电压均衡功能，同时该器件可多个串联叠置以测量更多的电池串联节。本系统ltc6803可以监测电池模组内#1～#n电池并联节，并设定并联节电压允许最大值与最小值vmax和vmin，当充电时检测某个并联节电压vi＞vmax,说明该并联节过充，则驱动该并联节相对应的mosfet，通过电阻进行放电，并实时检测并联节电压，控制其电压小于vmax,然后停止放电；当检测某个并联节电压vi＜vmin,说明该并联节过放，则上传到集中处理器并通过集中处理器报警。

从上述实施例可以看出，本发明将高压系统分组级联，同时采用变压器隔离，保证了更高的安全性，降低系统的隔离电压设计要求。并且，以模组为单元设置充电单元及电压检测单元，结构与均衡控制策略简单，易实现各模组间及模组中各并联节间的电压均衡。此外，采用模块化设计，使系统便于集成与维护。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。