一种锂离子电池储能系统用电池簇拓扑及电池簇控制方法与流程

本发明锂离子电池储能系统，尤其是涉及一种适用于锂离子电池储能系统的电池簇拓扑及电池簇控制方法。

背景技术：

1、2020年9月22日，中国政府在第七十五届联合国大会上提出了“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的目标。储能技术是实现这一目标的关键技术之一，其中又以锂离子电池储能技术作为应用最为广泛的电化学储能技术而备受关注。同时我国已经成为全球最大新能源汽车市场，到2020年后我国将有大量锂离子动力电池开始逐渐开始退役，这些退役电池目前主要有两条处理路径，一是针对没有报废只是容量下降无法被电动汽车继续使用的电池，进行梯次利用，让其在其他领域（比如电力储存）发挥余热；二是对已经报废的动力电池拆解、回收有价值的材料。

2、无论是退役电池还是新电池都存在着由于健康状态、内阻、自放电等因素导致的性能不一致性，但是大中型的锂离子电池储能系统一般是由多个电池簇通过串联或并联或混联的方式组成，电池簇则是由多个电池组串联或并联或混联的方式组成，而电池组则是由多个单体电池串联或并联或混联的方式组成，单体电池性能的不一致性必然导致电池组、电池簇的不一致，从而影响电池组和电池簇性能的发挥，严重情况下可能导致安全事故。

3、在新旧电池维护替换、锂离子电池替代铅酸电池的应用中，由于电池类型、性能状态的不一致，现有方案必须整个电池簇或全部电池组进行替换，这非常浪费电池资源，且增加了成本。

4、在多电池簇并联应用中，电池簇间的电池类型、性能状态不一致时，会导致电池簇之间出现冲击电流和回流电流，严重时会导致电池过充、过放等安全问题，这是储能系统集成中要极力避免的。

5、因此，如何从锂离子电池储能系统的拓扑结构、控制方法和控制策略等综合维度出发，降低锂离子电池储能系统的成组成本或维护替换成本，提高系统效率，提高安全性和可靠性，就显得非常必要。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种适用于锂离子电池储能系统的电池簇拓扑及电池簇控制方法。

2、本发明通过以下方案实现。

3、一种锂离子电池储能系统用电池簇拓扑及电池簇控制方法，该锂离子电池储能系统用电池簇拓扑包括p个并联的电池簇单元（p为大于等于2的自然数），所述每一个电池簇单元由n个电池组（n为大于等于2的自然数）、n个双向dc/dc电压转换模块、n个旁路开关、bdcm协调控制器单元、电路开关、连接用一次母线构成。

4、所述的n个双向dc/dc电压转换模块的输出端依次串联连接，第1双向dc/dc电压转换模块的负极输出端与一次母线的负极连接，第1双向dc/dc电压转换模块的正极输出端与第2双向dc/dc电压转换模块的负极输出端连接，第2双向dc/dc电压转换模块的正极输出端连接与第3双向dc/dc电压转换模块的负极输出端连接，第（n-1）双向dc/dc电压转换模块的正极输出端连接与第n双向dc/dc电压转换模块的负极输出端连接，第n双向dc/dc电压转换模块的负极输出端与电路开关的一端连接，电路开关的另一端与一次母线的正极连接。

5、所述的n个电池组与n个双向dc/dc电压转换模块输入端并联连接，第1电池组正极端与第1双向dc/dc电压转换模块的正极输入端连接，第1电池组负极端与第1双向dc/dc电压转换模块的负极输入端连接，第n电池组正极端与第n双向dc/dc电压转换模块的正极输入端连接，第n电池组负极端与第n双向dc/dc电压转换模块的负极输入端连接。

6、所述的n个旁路开关与n个双向dc/dc电压转换模块的输出端并联连接，第1旁路开关的一端与第1双向dc/dc电压转换模块的负极输出端连接，第1旁路开关的另一端与第1双向dc/dc电压转换模块的正极输出端连接，第n旁路开关的一端与第n双向dc/dc电压转换模块的负极输出端连接，第n旁路开关的另一端与第n双向dc/dc电压转换模块的正极输出端连接。

7、所述的双向dc/dc电压转换模块集成了电池管理单元bmu的功能，bmu可对电池组进行荷电状态计算、健康状态估算、电池组安全管理，双向dc/dc电压转换模块根据bdcm协调控制器单元的指令调节其输出电压。

8、所述旁路开关起旁路双向dc/dc电压转换模块功能。

9、所述bdcm协调控制器单元对电池簇进行管理，具有电池簇的充放电管理、电池簇的荷电状态计算、电池簇的安全管理、控制旁路开关闭合或端开、控制电路开关闭合或端开的功能，并具有与外部进行通信和信息交互的功能。

10、所述的电池组由2个或2个以上的单体锂离子电池串联组成。

11、所述bdcm协调控制器单元与双向dc/dc电压转换模块、旁路开关、电路开关通过通信总线连接，双向dc/dc电压转换模块的电池管理单元bmu与电池组的底层管理单元通信连接。

12、所述电池簇控制方法，包括计算电池簇目标总电压、启动过程控制、停止过程控制。

13、所述电池簇控制方法中计算电池簇目标总电压的步骤如下。

14、步骤1，第n个bdcm协调控制器单元读取第n电池簇单元的所有n个电池组当前电压，并将这n个电池组电压相加得到第n电池簇单元的总电压v_total_n，n为从1到p的自然数。

15、步骤2，各bdcm协调控制器单元在其通信总线上广播对应的电池簇单元的总电压，各bdcm协调控制器单元将本电池簇单元的电池簇单元的总电压与其它电池簇单元的电池簇单元的总电压进行比较，各bdcm协调控制器单元将自己判定得到的电池簇单元中的电池簇总电压最大值在其通信总线上广播。

16、步骤3，各bdcm协调控制器单元接收通信总线上广播的电池簇总电压最大值，并将这些结果与自己判定得到的电池簇总电压最大值结果进行比较，如果结果不同则返回步骤1再次计算，如果结果相同后，则计算电池簇目标总电压，第n电池簇目标总电压v_target_cluster_n，v_target_cluster_n=v_max_cluster+ v_con，其中v_max_cluster是全部p个电池簇单元中的电池簇总电压最大值，n为从1到p的自然数；v_con是一个固定限制值，且v_con的取值满足：v_con≤v_dc_sum- v_max_cluster，其中v_dc_sum是电池簇总电压最大值的这个电池簇中所有的双向dc/dc电压转换模块输出电压限制值之和。

17、所述电池簇控制方法中启动过程控制的步骤如下。

18、步骤1，第n个bdcm协调控制器单元读取第n电池簇单元的电池组和双向dc/dc电压转换模块的信息，包括电池组荷电状态、电池组电压、电池组温度、双向dc/dc电压转换模块故障信息。

19、步骤2，第n个bdcm协调控制器单元判断第n电池簇单元的所有n个电池组状态的一致性。

20、步骤3，如果第n电池簇单元的电池组状态的一致性符合要求，则第n个bdcm协调控制器单元在通信总线上广播第n电池簇的所有双向dc/dc电压转换模块输出电压v_out_n，并且v_out_n=v_target_cluster_n/ m，m是第n电池簇的所有无故障电池组的数量；如果第n电池簇单元的电池组状态的一致性不符合要求，则第n电池簇的第k双向dc/dc电压转换模块放电输出电压，第n电池簇的第k双向dc/dc电压转换模块充电输出电压，其中socnk是第n电池簇的第k电池组的荷电比率，m是第n电池簇的所有无故障电池组的数量，表示第n电池簇的所有m个无故障电池组荷电比率求和，显然有m≤p。

21、步骤4，如果第n电池簇有b个双向dc/dc电压转换模块输出电压超过限制值（假设限制值为v_out_limit），则第n个bdcm协调控制器单元控制该双向dc/dc电压转换模块输出电压为v_out_limit，第n电池簇的其它所有双向dc/dc电压转换模块输出电压，其中m为第n电池簇的所有无故障电池组的数量，b是1到m的自然数。

22、步骤5，第n个bdcm协调控制器单元判断第n电池簇单元的总电压是否达到第n电池簇目标总电压v_target_cluster_n，如果没有达到则返回步骤1，如果达到则进行充电或放电工作阶段。以上的步骤1至步骤5中，n为从1到p的自然数，p为电池簇的数量。

23、所述电池簇控制方法中停止过程控制的步骤如下。

24、步骤1，如果第n个bdcm协调控制器单元检测到第第n电池簇单元的第r个电池组发生故障，或第r个电池组达到充电截至条件，或第r个电池组达到放电截至条件，或第r个双向dc/dc电压转换模块发生故障。

25、步骤2，第n个bdcm协调控制器单元控制第n电池簇单元的第r个双向dc/dc电压转换模块输出电压为零。

26、步骤3，第n个bdcm协调控制器单元控制第n电池簇单元的中与第r个双向dc/dc电压转换模块并联的旁路开关闭合。

27、步骤4，第n个bdcm协调控制器单元控制第n电池簇单元的中与第r个双向dc/dc电压转换模块关闭输出。

28、步骤5，返回到计算电池簇目标总电压的步骤，然后执行启动过程控制的步骤；如果发生电池簇单元总电压达不到该电池簇目标总电压，或电池簇单元发生过流保护，则该电池簇单元停止运行。

29、与现有技术相比，本发明的一种锂离子电池储能系统用电池拓扑及电池簇控制方法，具有以下优点。

30、（1）有利于充分发挥电池组的性能。由于本发明的每一个电池簇中，每一个电池组都是与一个双向dc/dc电压转换模块输入端并联连接，然后经由双向dc/dc电压转换模块的输出端串联连接；并且每一个双向dc/dc电压转换模块的输出端还并联一个旁路开关。这种拓扑结构，结合本公开的电池簇控制方法，可以实现对每个电池组的动态管理和控制，依据电池组的性能主动调节电池组的充电和放电，以使得电池组的性能能够充分发挥，尤其是对一致性较差的梯次利用电池组，更加有优势。

31、（2）有利于提高锂离子电池储能系统的安全性。本发明各电池簇单元在并联进行充电和放电工作前，首先经过了计算电池簇目标总电压、启动过程控制过程，各电池簇的总电压均达到了偏差很小的状态，因此可以非常大程度上减少电池簇并联充电和放电工作过程中的偏流和环流现象，提升了安全性。同时，储能系统工作过程中，任何一个电池簇中的电池组或双向dc/dc电压转换模块发生故障或达到保护条件，都可以通过与该双向dc/dc电压转换模块输出端并联的旁路开关闭合的方式，及时停止双向dc/dc电压转换模块和电池组工作，这非常有利于安全性的提高。