基于退役动力电芯模组再利用的储能电站及充、放电方法与流程

本发明涉及储能电站领域，尤其涉及一种基于退役动力电芯模组再利用的储能电站及充、放电方法。

背景技术：

梯级利用的退役动力电芯模组的储能电站是与退役车辆电芯模组相结合的储能装置。由于已退役的动力电芯模组已经在车辆上使用了一段时间，它已经不能再满足车辆使用的要求。但部分退役电芯模组soh(电池健康度，是指在某一条件下电池可放出容量与新电池额定容量的比值)依然较高，能够符合储能应用的要求，因此可以筛选出来作为储能电站的储放电模块梯级利用。

但是，由于使用程度和工况的不同，退役的动力电芯模组在所有单个电芯模组的性能上都是离散的，即使是相同型号的电芯模组，在实际性能参数也存在较大偏差。

储能电站中，各电芯模组的偏差导致整个储放电模块的充电存在以下问题：充电时，一部分电芯模组已充满，而另一部分却还没有充满，导致整个储放电模块在充电时没有完全充满；放电时，根据“木桶效应”，未充满电的单个电芯模组容易先放电，导致部分电芯模组没有完全放电。从而导致整个储放电模块的部分电芯模组充不了多少电量，同时又不能放出足够电量，储能电站充放电效率很低。

针对电芯模组性能分散问题，目前的主流方法是利用电芯模组均衡模块对单个电芯模组进行均衡，但这种方法有一定的局限性，均衡电流较小，均衡操作一般在充电端和放电端进行。并且当各电芯模组之间偏差较大时，该均衡方法的效率很差。同时，需要配备专用的均衡装置，且成本较高。

另一种方法是拆卸退役的动力电芯模组中的电芯，然后重新组装。该方法是一种有效的方法，但成本较高，拆除中容易将电芯损坏，难以促进以废旧电芯模组梯级利用为基础的储能电站产业的发展。

鉴于此，有必要提出一种基于电芯模组级联再利用的新型储能电站及高效的充放电管理办法来克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于退役动力电芯模组再利用的储能电站及充、放电方法，能够进一步提高基于退役动力电芯模组再利用的储能电站的充放电效率，并且结构简单，成本低廉，经济性能良好。

本发明是通过以下技术方案实现的：

基于退役动力电芯模组再利用的储能电站，其特征在于：

所述储能电站包括并联的多个电芯模组(串)，逆变器pcs，以及控制管理系统，其中：

当单个电芯模组端电压在设定范围值内时，该单个电芯模组串联接触器km后直接成为储能电站的一个并联支路；

当单个电芯模组端电压小于设定范围值下限时，将多个电芯模组串联为电芯模组串，使串联后的电芯模组串总端电压在设定范围值内，再串联接触器km后成为储能电站的一个并联支路；

所述设定范围值为设定基础值±最大压差允许值，设定范围值≤逆变器pcs允许接入的最高直流电压值；最大压差允许值＝(逆变器pcs功率/接触器km载流)*接触器km过载系数；

储能电站的总电容量﹥总需电容量；

所述控制管理系统包括位于底层的电池管理系统bms，以及位于中间层的电芯模组控制系统bcs；

每个电芯模组(串)的电池管理系统bms通过信号线路连接电芯模组控制系统bcs，电芯模组控制系统bcs通过控制线路连接接触器km；

储能电站充放电时，电芯模组控制系统bcs通过电池管理系统bms采集每个电芯模组(串)的实时数据，从而获取储能电站当前整体的荷电状态soc、单个电芯模组(串)当前荷电状态soc、soh，控制接触器km的开启。

soc(stateofcharge)，即荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示。当soc＝0时表示电池放电完全，当soc＝100％时表示电池完全充满。

储能电站组装时，首先规划储能模块总电容量及输出的直流电压；然后根据设计值选配合适的逆变器pcs，从而确定储能模块端电压设定范围值；接着，开始组装储能模块的多个并联支路，每个并联支路包括至少一个电芯模组，以确保每个并联支路的端电压在设定范围值内，此外，每个并联支路都包含一个可以控制的接触器km(开关)，用于将该并联支路加入/脱离充、放电队伍序列；所有并联支路的总电容量之和﹥总需电容量，即电芯模组的设计数量大于需求数量。

每个电芯模组(串)自带的电池管理系统bms监测电芯、电池模组、电池系统的电压、电流、温度、绝缘状况、保护量信息；根据电压电流信息，评估计算电池的soc、电池健康度soh和累计处理电量；然后将上述实时数据反馈给电芯模组控制系统bcs，电芯模组控制系统bcs根据反馈信息、将储能电站当前整体的荷电状态soc、单个电芯模组(串)当前荷电状态soc、soh数据之间的实时比对，监测单个电芯模组(串)实时相对性能参数变化，在储能电站充电时保证每一个电芯模组(串)充满后即脱离充电状态，在储能电站放电时，确保处于放电状态的电芯模组(串)都是当前荷电状态soc最优的那部分电芯模组(串)，从而达到确保充电充分迅速，放电均衡高效的目的。

进一步的，所述储能电站中，任意两个电芯模组的电池健康度soh差值≤0.2。考虑到电芯模组(串)并联后，整个储能模块中最低的一个电芯模组soh就是整个系统的soh，为提高系统充放电效率，避免降低系统总容量，应尽量选择电池健康度soh接近的电芯模组搭建储能电站。

进一步的，所述储能电站的总电容量为总需电容量的1.1-1.2倍，预留足够的总电容量余额，保证在储能电站放电时，有足够的选择余量去选择当前荷电状态soc尽可能最优的那部分电芯模组(串)放电。

进一步的，考虑到单个电芯模组的性能差异性较大，当总需电容量较高时，可能无法在保证充放效率的前提下，通过一个储能电站满足相应需求，因此可以将储能电站设计为相互独立的多个，每个储能电站分别满足一部分电容量需求，并且每个储能电站内的各并联支路上的电芯模组的性能尽可能接近，多个储能电站的每个电芯模组(串)的电池管理系统bms通过信号线路连接同一个电芯模组控制系统bcs。

进一步的，所述控制管理系统还包括位于顶层的能量管理系统ems，能量管理系统ems信号线路连接电芯模组控制系统bcs。能量管理系统ems包括数据采集、网络监控、能量调度和网络数据分析四大类。主要用于微电网内部能量控制，维持微电网功率平衡，保证微电网正常运行；需求和应用场景多种多样、软件系统的工作量极大；可满足中小型商用级储能系统的现场能量调度需求，从级别及分工上来看，bms负责监控电池，作用于底层，中间层bcs负责一个或多个储能电站充放电队伍序列调整，ems位于最上层，主要控制什么时候充放电，功率是多少。各层之间协调配合，实现充放电效率的最优化。

一种基于退役动力电芯模组再利用的储能电站的充电控制方法，其特征在于：

s1：实时获取储能电站当前荷电状态soc和电芯模组(串)当前荷电状态soc；

s2：判断储能电站当前荷电状态soc是否>电芯模组(串)电池健康度soh：

如果是，转入s3；

如果否，转入s4；

s3：该电芯模组(串)无法充电，断开对应的接触器km；系统soc高于某个电芯模组soh时，电芯模组控制系统(bcs)断开接触器km，提高储能电站的储能效率。

s4：判断电芯模组(串)当前荷电状态soc是否<电芯模组(串)电池健康度soh：

如果是，转入s5；

如果否，转入s6；

s5：充电，转回s4；

s6：该电芯模组(串)充电完毕，断开对应的接触器km；

s7：判断储能电站下所有电芯模组(串)是否都充电完毕：

如果是，充电结束；

如果否，转回s1前。

充电时，电芯模组控制系统bcs实时比对储能电站当前荷电状态soc和每个电芯模组(串)当前荷电状态soc,优先对当前荷电状态soc低，且电池健康度soh高的那部分电芯模组(串)充电，随着储能电站当前荷电状态soc逐渐提高，当前荷电状态soc较高、且电池健康度soh高的那部分电芯模组(串)也加入充电序列，而电池健康度soh低的那部分电芯模组(串)因为无法充电，所以一直都没有进入充电序列，在整个充电过程中，随着储能电站当前荷电状态soc和每个电芯模组(串)当前荷电状态soc的实时动态变化，始终都是根据电芯模组(串)soc从低到高的优先顺序进行充电操作，并且充电中的电芯模组(串)soc非常接近。

进一步的，在s1前还设有步骤s0：

s0：实时获取每个电芯模组(串)当前温度，判断电芯模组(串)当前温度是否高于预设警示温度：

如果是，该电芯模组(串)需冷却，断开对应的接触器km，直至温度不高于预设警示温度，转入s1；

如果否，转入s1；

所述转回s1前为转回s0。

根据电池的温度、保护量信息，通过强行断开接触器km、加强冷却散热、报警故障等方式来保护电池的安全，避免安全隐患。直至电芯模组温度低于预设警示温度时，再把该电芯模组重新放入充电序列进行优先级排序。

一种基于退役动力电芯模组再利用的储能电站的放电控制方法，其特征在于：

s1：实时获取储能电站当前荷电状态soc和每个电芯模组(串)当前荷电状态soc；

s2：根据荷电状态soc大小对每个电芯模组(串)的放电优先级进行排序，将荷电状态soc大的电芯模组(串)排前，荷电状态soc大的电芯模组(串)排后；

s3：判断储能电站当前荷电状态soc是否<电芯模组(串)电池健康度soh：

如果是，转入s4；

如果否，转入s5，然后转回s1前；

s4：判断储能电站当前荷电状态soc是否<电芯模组(串)当前荷电状态soc：

如果是，转入s6；

如果否，转入s7，然后转回s1前；

s6：将该电芯模组(串)选择为工作模组，闭合对应接触器km，放电，然后进入s8；

s8，判断储能电站放电总量是滞达到设定值：

如果是，结束；

如果否，转入s8，然后转回s1前。

放电时，因为储能电站的总电容量﹥总需电容量，很有可能soc高的电芯模组(串)的总电容量依然大于总需电容量，因此可以先对所有放电队列中的电芯模组(串)进行优先级排序，将荷电状态soc高的电芯模组(串)排前，荷电状态soc低的电芯模组(串)排后，然后电芯模组控制系统bcs再按从高到低的顺序实时比对每个电芯模组(串)当前荷电状态soc和储能电站当前荷电状态soc,优先使当前荷电状态soc高，且电池健康度soh高的那部分电芯模组(串)放电，随着储能电站当前荷电状态soc逐渐降低，电芯模组(串)放电序列的优先级随之更新，之前荷电状态soc较低、且电池健康度soh高的那部分电芯模组(串)也加入放电序列，而电池健康度soh低的那部分电芯模组(串)按荷电状态soc从高到低的优先级，也先后加入放电序列，直至整个储能电站放电总量达到总需电容器。在整个放电过程中，随着储能电站当前荷电状态soc和每个电芯模组(串)当前荷电状态soc的实时动态变化，始终都是根据电芯模组(串)soh从高到低、soc从高到低的优先顺序进行放电操作，并且任一时间段的放电过程中，所有处于放电工作状态的电芯模组(串)实时soc都始终很接近。

进一步的，在s1前还设有步骤s0：

s0：实时获取每个电芯模组(串)当前温度，判断电芯模组(串)当前温度是否高于预设警示温度：

如果是，该电芯模组(串)需冷却，断开对应的接触器km，直至温度不高于预设警示温度，转入s1；

如果否，转入s1。

所述转回s1前为转回s0。

根据电芯模组(串)的温度、保护量信息，通过强行断开接触器km、加强冷却散热、报警故障等方式来保护电池的安全，避免安全隐患。直至电芯模组温度低于预设警示温度时，再把该电芯模组(串)重新放入放电序列进行优先级排序。

本发明的有益效果在于：

1、放电时，采集各电芯模组(串)的实时性能参数后，根据电芯模组健康状态soh、荷电状态soc进行优先级排序，然后根据充放电容量要求启动多个荷电状态soc一致性相似、并且soc最优、soh高的电芯模组(串)处于工作状态并放电，确保储能电站放电均衡充分高效，可使储能电站的放电效率提高10％以上。

2、充电时，采集各电芯模组(串)的实时性能参数后，根据电芯模组健康状态soh、荷电状态soc进行优先级排序，使充电中的电芯模组荷电状态soc一致性相似，并且soc较低、soh高的电芯模组(串)优先充电，确保储能电站充电均衡充分高效，可使储能电站的充电效率提高10％以上。

3、充放电过程中，电芯模组(串)是否处于充放电工作状态，位于充放电序列的前后位置都是动态变化的，以保证充放电过程中，电芯模组(串)荷电状态soc一致性相似，提高电芯模组寿命。

4、通过灵活调整电芯模组的工作状态，使工作状态中的多个电芯模组(串)的soc一致性始终保持良好，并且可以节省退役动力电芯模组电芯分拣和检测成本，大大提高了储能电站的经济效益。

附图说明

图1为一种储能电站的连接结构示意图

图2为多个储能电站的连接结构示意图

图3为一种储能电站的充电控制方法

图4为一种储能电站的放电控制方法

图1-2中，实线为直流线路连接，虚线为信号控制通讯连接。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的基于退役动力电芯模组再利用的储能电站，储能电站包括并联的6个电芯模组(串)，设计容量的电芯模组(串)数量可达2-999个，逆变器pcs，以及控制管理系统。

当单个电芯模组端电压在设定范围值内时，该单个电芯模组串联接触器km后直接成为储能电站的一个并联支路；当单个电芯模组端电压小于设定范围值下限时，将多个电芯模组串联为电芯模组串，使串联后的电芯模组串总端电压在设定范围值内，再串联接触器km后成为储能电站的一个并联支路；

设定范围值为设定基础值±最大压差允许值，设定范围值≤逆变器pcs允许接入的最高直流电压值；最大压差允许值＝(逆变器pcs功率/接触器km载流)*接触器km过载系数；

储能电站的总电容量﹥总需电容量，一般为1.1-1.2倍；任意两个电芯模组的电池健康度soh差值≤0.2。

本实施例中，控制管理系统包括位于底层的电池管理系统bms，以及位于中间层的电芯模组控制系统bcs；每个电芯模组(串)的电池管理系统bms通过信号线路连接电芯模组控制系统bcs，电芯模组控制系统bcs通过控制线路连接接触器km；储能电站充放电时，电芯模组控制系统bcs通过电池管理系统bms采集每个电芯模组(串)的实时数据，控制接触器km的开启。

电芯模组控制系统bcs可以通过电芯模组(串)原有的电池管理系统bms采集每个电芯模组(串)的电压和温度，并根据电芯模组(串)的荷电状态soc优先级进行排序,所有的电芯模组(串)根据系统实时参数变化在充、放电和待机状态中切换，通过控制接触器km的断开和闭合，确保每个电芯模组(串)soc的稳定性。

放电时，电芯模组控制系统(bcs)根据需求容量要求启动多个荷电状态soc相近、对应的端电压压差正负4v内的电芯模组(串)启动；启动的电芯模组(串)作为工作电芯模组(串)，工作电芯模组(串)处于工作状态并充放电；未经电芯模组控制系统(bcs)许可的其它电芯模组(串)处于待机状态，作为备用电芯模组(串)，备用电芯模组(串)处于待机状态，随时等待电芯模组控制系统(bcs)的唤醒，并在荷电状态soc满足当前的荷电状态soc一致性要求时启动。

充电时，所有的电芯模组(串)全部充电至达到各自电芯模组(串)soh值，以确保充电充分。

充放电过程中，电芯模组控制系统(bcs)根据每个电芯模组(串)的荷电状态变化，实时关闭一个或多个工作电芯模组(串)，并允许备用电芯模组(串)以荷电状态电压4v压差以内根据负荷需求启动。

本实施例中，单个电芯模组(串)的端电压值为230-400v，逆变器允许接入的直流电压范围为不超过800v。因此设定范围值可以在400-800v之间选取。逆变器最大功率为630kw，接触器km载流为170a，电压＝功率/电流，630/170＝3.7v。考虑接触器km50％过载能力，因此确定4v为最大压差允许值。

如果设定基础值为400v时，当单个电芯模组端电压为400±4v时，直接并联；当单个电芯模组端电压小于400±4v时，将soc相近的多个电芯模组串联为一列，使串联后的总端电压为400±4v，再与其它端电压为400±4v的电芯模组(串)进行并联。

soc值与电压值线性对应，因此本实施例中，折算为相应的电压压差范围来保证soc一致性相似。

如图2所示的实施例中，储能电站为相互独立的多个，多个储能电站的每个电芯模组(串)的电池管理系统bms通过信号线路连接同一个电芯模组控制系统bcs。控制管理系统包括位于底层的电池管理系统bms，位于中间层的电芯模组控制系统bcs，以及位于顶层的能量管理系统ems，能量管理系统ems信号线路连接电芯模组控制系统bcs。

如图3所示的充电控制方法，包括以下步骤：

s0：实时获取每个电芯模组(串)当前温度，判断电芯模组(串)当前温度是否高于预设警示温度：

如果是，该电芯模组(串)需冷却，断开对应的接触器km，直至温度不高于预设警示温度，转入s1；

如果否，转入s1；

s1：实时获取储能电站当前荷电状态soc和电芯模组(串)当前荷电状态soc；

s2：判断储能电站当前荷电状态soc是否>电芯模组(串)电池健康度soh：

如果是，转入s3；

如果否，转入s4；

s3：该电芯模组(串)无法充电，断开对应的接触器km；

s4：判断电芯模组(串)当前荷电状态soc是否<电芯模组(串)电池健康度soh：

如果是，转入s5；

如果否，转入s6；

s5：充电，转回s4；

s6：该电芯模组(串)充电完毕，断开对应的接触器km；

s7：判断储能电站下所有电芯模组(串)是否都充电完毕：

如果是，充电结束；

如果否，转回s0。

如图4所示的放电控制方法，包括以下步骤：

s0：实时获取每个电芯模组(串)当前温度，判断电芯模组(串)当前温度是否高于预设警示温度：

如果是，该电芯模组(串)需冷却，断开对应的接触器km，直至温度不高于预设警示温度，转入s1；

如果否，转入s1；

s1：实时获取储能电站当前荷电状态soc和每个电芯模组(串)当前荷电状态soc；

s2：根据荷电状态soc大小对每个电芯模组(串)的放电优先级进行排序，将荷电状态soc大的电芯模组(串)排前，荷电状态soc大的电芯模组(串)排后；

s3：判断储能电站当前荷电状态soc是否<电芯模组(串)电池健康度soh：

如果是，转入s4；

如果否，转入s5，然后转回s0；

s4：判断储能电站当前荷电状态soc是否<电芯模组(串)当前荷电状态soc：

如果是，转入s6；

如果否，转入s7，然后转回s0；

s6：将该电芯模组(串)选择为工作模组，闭合对应接触器km，放电，然后进入s8；

s8，判断储能电站放电总量是滞达到设定值：

如果是，结束；

如果否，转入s8，然后转回s0。

储能电站在运行过程中，由于锂电芯模组性能的分散性，打开的电芯模组(串)之间的性能一致性越来越差，表现为每个电芯模组(串)的soc数据差异越来越大。因此，在充放电的整个过程中，电芯模组控制系统(bcs)将持续计算储能电站的最优方案。当主控制芯片分析的一个或多个电芯模组(串)不在最优工作方案中,主要控制芯片自动关闭不在最优工作方案的电芯模组(串)，自动打开备用的达到最优工作方案的电芯模组(串)。