应用于高功率高电压工况的储能系统的电池单元连接线路

摘要

本发明提供了一种应用于高功率高电压工况的储能系统的电池单元连接线路，先将单体电池串联形成主回路，多支主回路并联连接，再将主回路上每行单体电池并联形成次回路,主回路承担与外部进行电能交换的通路，次回路承担采样监测、电流过流熔断硬保护、均衡、辅助工作等多重功能，所述主回路电池单元间的连接电阻与次回路单元间连接电阻呈一定的比例，主回路与次回路上都设置有熔断器。本发明通过主次回路的设置使储能系统表现出更高的能量效率，是储能系统均衡和正常工作的良好结合，实现了并联电池单元间的动态均衡，增强了工作状态下的一致性，可以延长储能系统高功率工作的有效时间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种储能系统，尤其是涉及一种高功率高电压应用场合的储能 系统的组成结构、电池单元连接线路和单元监控管理方法。

背景技术

随着电池储能系统技术的进步，其储能的比能量快速提升，单位成本逐步 下降，加上电池储能系统本身所具有的快速响应、设置便捷等特点，使得电池 储能系统的应用在高功率高电压的工况中也变得越来越广泛。

通常情况下，电池储能系统是由大量的单体电池进行串并联组合，构建成 一个完整的系统，来实现一定规模电能的存储和释放的功能。在需要满足高功 率高电压工况工作的场合(如港口胎式龙门吊油电混合动力系统)，由于储能系 统需要满足的功率能力很大，往往不便于在工作回路上设置过多的保护装置， 例如熔断器，这些高功率的保护装置本身的需要消耗功率，并且可能由于这些 保护装置一致性差造成储能系统可靠性的下降。更进一步，储能系统的高电压 意味着串联的单体电池数量多，因而其一致性的问题显得尤为突出。如果没有 较好的解决方案来实现储能系统在使用过程中动态的一致性，则该储能系统往 往需要限容量或限功率运行，不能很好的满足实际使用工况的需求。

为解决这一问题，一般是在BMS(电池管理系统)中设置均衡管理模块， 通常使用的均衡方法是在BMS(电池管理系统)中添加硬件结构电路作为均衡 管理模块，当储能系统需要均衡的时候，开启均衡模式，对系统中高电压或高 SOC的单体电池中多余的电量进行消耗，将单体电池的电压和带电量调整到系 统设定的目标水平，以此达到均衡的目的，但是这种方法存在均衡管理成本高、 均衡效率低的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明旨在提供一种可以应用于高功率高电压工 况的储能系统的电池单元连接线路。本发明通过以下方案实现：

储能电池单元在结构上采用主串次并的方式，先将n只单体电池串联形成 电池组形成主回路，m支主回路并联连接，再将每支主回路之间的每一行单体电 池并联形成次回路。所述主回路电池单元间的连接电阻与次回路单元间连接电 阻之比的范围为1：1～1：200，优选为1：20～1：100。该连接电阻比值的设 置，可以很好地实现两类回路不同功能的实现，即主回路承担储能系统与外部 进行电能交换的通路，次回路承担储能系统内部行采样监测、BMS保护、电流过 流熔断硬保护、均衡、辅助工作等多重功能。

所述主回路的总负极或总正极端串联第一熔断器(5)，所述次回路单元间 连接有第二熔断器(6)和第三熔断器(7)，第二熔断器(6)和第三熔断器(7) 额定电流为第一熔断器额定电流的5％～20％。该第二熔断器和第三熔断器及其额 定电流的设置，既能实现正常情况下满足储能系统各电池单元由于性能差异内 部自动均衡的目的，又能实现异常情况下满足储能系统安全保护和快速隔离的 要求。

同时，为结合储能系统的新型结构特点，还特别设置有监测次回路单元的 电池管理单元。该次回路监测用电池管理单元的设置，进一步的增强了对储能 系统动态管理能力，尤其是在单元一致性的监测上得到根本加强，因而其安全 性和可靠性得到强化和保障。

与现在技术相比，本发明有以下的优点：

1.储能系统表现出更高的能量效率。主回路作为工作回路，承担储能系统 与外部进行电能交换的通路，由于不需要考虑内部并联环流等影响，也不需设 置额外的保护装置如FUSE，因此主回路的连接电阻和压降很低，高功率工作情 况下的线路损耗小，导致储能系统表现出更高的整体效率。

2.可以实现高效、快速均衡。次回路作为辅助回路，实现了电池单元之间 的并联，因而可以起到并联电池单元之间动态均衡的目的。

3.可以实现储能系统均衡和正常工作的良好结合。由于主回路和次回路是 分离的，因而不会影响储能系统高功率的工作，相反，由于次回路的存在可以 实现并联电池单元之间的动态均衡，增强了储能系统工作状态下的一致性，可 以延长储能系统高功率工作的有效时间。

附图说明

图1是本发明比较例储能系统组合结构图；

图2是本发明实施例储能系统组合结构图；

图3a是本发明实施例镍氢电池储能系统放电列单元电压-时间曲线图。

图3b是本发明比较例镍氢电池储能系统放电列单元电压-时间曲线图。

图4是本发明实施例镍氢电池储能系统放电行单元电压-时间曲线图。

图5是本发明实施例镍氢电池储能系统放电同行单体电池与行单元电压-时间曲 线图。

具体实施方式

实施例1

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本实施例采用镍氢D 型1.2V 6Ah电池，以及由该型号单体电池所组成的储能系统来进行说明。储能 系统由3360只单体电池组成，储能系统额定电压为576V，额定能量为24.2kWh， 该储能系统需满足200kW额定功率输出工作3分钟以上的能力。

图1展示了比较例储能系统的组合结构形式。首先480只单体电池1串联 起来，构成一个列，并且每列的正极与总正2连接的地方设置有继电器4，每列 的负极与总负3连接的地方设置有熔断器5。然后同样的7列负极共同并联连接 到总负3，7列正极共同并联连接到总正2。BMS(电池管理系统)监测最小管 理单元的电压、温度、每列电流，计算出每列的SOC，实施对储能系统的管理 和控制。由于储能系统由3360只单体电池构成，为了减少管理的成本，往往最 小管理单元是由6个单体电池串联构成，即BMS检测由6个单体电池串联而成 的最小管理单元的电压、温度、每列电流。该结构形式的储能系统存在以下的 问题：首先由于BMS监测的最小管理单元是由多达6个电池串联而成，其电压 特性是6个单体电池特性的叠加，由于单体电池的不一致性，叠加的特性往往 不能准确反映单体电池的实际特性，因此对储能系统的管理和控制带来不确定 性，容易造成单体电池的过充电、过放电等，严重情况下带来安全风险。其次， 单体电池本征特性的不一致性、使用环境的不一致性、组合的不一致性等多重 因素叠加，储能系统使用过程中，单体之间的差异往往呈现扩大的趋势，例如 单体电池之间的电压偏差，这种差异达到一定程度，就需要对储能系统进行停 机维护。但是，由于BMS只能判断最小管理单元即6只串联组合体之间的电压 偏差，难以判断单体电池之间的电压偏差，所以存在最小管理单元偏差较小， 实际上单体电池之间电压偏差已经很大的情况。判断的不及时会进一步加速储 能系统的不良和恶化。第三，单体之间的不一致性，缺乏有效的均衡方法来消 除。由于单体之间是全串联型，彼此之间只能通过列来均衡，但是列均衡可能 与单体均衡需求刚好是反向的，即该列在均衡充电但是其中却存在高容量高电 压的单体电池刚好需要放电。第四，储能系统的可维护性差，可使用的能量范 围大打折扣。由于BMS不能有效反馈单体电池的状态、有效的单体之间均衡方 法缺乏，导致储能系统使用过程中为了保证安全性，往往缩小其可利用的能量 范围，同时，在储能系统确实需要进行维护的时候，也不能获得可靠的维护方 法。

图2展示了本发明实施例储能系统的组合结构形式。首先480只单体电池1 串联起来，构成一个列，称为主回路，并且每列的正极与总正2连接的地方设 置有继电器，每列的负极与总负3连接的地方设置有第一熔断器5。然后同样的 7列负极共同并联连接到总负3，7列正极共同并联连接到总正2。其次是每一 行，共480行，同行的单体电池1通过并联导体8进行并联，称为次回路，在 单体电池的正极与并联导体连接的地方设置有行熔断器即第二熔断器6，在单体 电池的负极与并联导体连接的地方设置有第三熔断器7。

每列480只单体电池之间的串联连接，为了使得储能系统具备200kW额定 功率输出工作3分钟以上的能力，因此主回路的连接电阻(图2所示从a到b 的连接电阻，即R_ab)尽量小，以降低工作时回路自身的损耗。其次，次回路承 担了同行单体电池之间均衡的功能，需要具备通过一定电流的能力，但是不能 等同承担主回路的功能，因此，次回路连接电阻(图2所示从c到d的连接电 阻，即R_cd)的设置就非常必要(并联导体8的电阻采用铜排，总电阻为0.2mΩ， 每相邻两列电池之间为0.033mΩ，并联导体8的电阻值远小于R_cd)。本实施例 储能系统主回路单体电池间连接电阻与次回路单体电池间连接电阻之比为1：80 (R_ab＝0.05mΩ，R_cd＝4.0mΩ)。该电阻比例值的设置，一方面可以满足主回路承 担储能系统与外部进行电能交换的通路，也可以满足次回路承担储能系统内部 行采样监测、BMS保护、电流过流熔断硬保护、均衡、辅助工作等多重功能。 由于次回路电阻明显高于主回路，因此次回路在同行单体电池出现不均衡情况 时，能起到自动进行均衡的作用，而且单体之间偏差越大，均衡效果越明显。

在单体电池的正极与并联导体连接的地方设置有第二熔断器6，在单体电池 的负极与并联导体连接的地方设置有第三熔断器7，并且第二熔断器6和第三熔 断器7额定电流为第一熔断器5额定电流的5％～20％。本实施例储能系统每行 额定工作电流为60A，采用额定电流为60A的第一熔断器5，采用额定电流为 10A的第二熔断器6和第三熔断器7。次回路作为辅助并联均衡回路，可以有效 提高储能系统的一致性，但是，当储能系统的一致性偏差超出允许的范围，或 是发生异常的问题例如某行单体电池发生内部短路，则次回路由于该第二熔断 器6和第三熔断器7的设置可以快速隔离故障，保护储能系统的安全性。这种 方式，区别于普遍采用的主并联模式，主并联模式如果需要进行异常故障情况 下的安全保护则在并联回路上设置熔断器或其他保护装置，但是这会增加整个 主回路的功耗和压降，降低系统效率；相反，主并联模式如果不设置保护装置， 直接进行单体电池之间的并联，则整个储能系统的安全性存在较大风险。

本发明实施例的BMS设置有监测次回路即同行并联单体电池的管理单元， 也就是说与比较例相比，本发明的BMS(电池管理系统)监测的是每一行的电 压、每一列的电流、最小温度管理单元的温度，计算出每列的SOC，实施对储 能系统的管理和控制。由于次回路行单元是由单体电池进行辅助并联而成，搁 置状态下各单体电池的电压是一致的，工作状态下(即储能系统充电或放电) 由于同行单体电池之间的一致性偏差经由次回路时刻进行动态的均衡，因此各 单体电池之间的电压也是基本一致的。所以，BMS检测的各行电压，能够很好 反应该行单体电池的实际状态，可以有效避免过充电、过放电等情况的发生。 同时，也从根本上改善了储能系统的可维护性。

图3a展示了本发明实施例储能系统在42A恒流放电过程中，抽取的4个相 近列的各6只单体电池构成的最小管理单元(后称7.2V单元)的电压-时间曲线 图。由图3可以看出，在储能系统放电过程中，7.2V单元表现出了良好的一致 性，这是由于次回路的存在可以对同行的单体电池进行均衡，各列同行电池电 压偏差很小，最终结果是4个7.2V单元的电压一致性也表现良好，电压偏差最 大为30mV。对比同等放电电流条件下即42A恒流放电，图3b所展示的是比较 例该4个相近列7.2V单元的电压-时间曲线图，4个7.2V单元的电压一致性较 差，电压偏差最大为130mV，高出实施例的3倍。

图4展示本发明实施列储能系统在42A恒流放电过程中，抽取的12个相近 行的单元(后称1.2V单元)的电压-时间曲线图。由图4可以看出，在储能系统 放电过程中，1.2V单元并没有表现出了良好的一致性，这是由于各行电池往往 存在着不一致性例如容量上，次回路的存在实现了同行单体电池之间的均衡， 但是行与行之间的差异不能减小。因此，体现在放电过程中各行单元的电压差 别很大，如果不以行单元电压作为放电的保护控制，则存在过放电的情况，例 如图4中监测的第11行单元存在严重的过放电现象。为验证第11行单元电压 的真实性，即该行电压能否代表该行的7只单体电池，对该行各单体电池电压 进行了监测，图5展示了对比的电压-时间曲线。由图5可以看出，该行单元电 压与7只单体电池的电压重叠良好，可以代表该行单体电池的实际状况。

因此，综合以上的图2、图3、图4、图5，本发明实施例采用的技术方案 是：储能系统在结构上采用主串辅并方式，即主体采用串联结构，称为主回路， 主回路承担储能系统与外部进行电能交换的通路；同时，还设置有并联结构， 称为次回路或辅助回路，次回路承担储能系统内部行采样监测、BMS保护、电 流过流熔断硬保护、均衡、辅助工作等多重功能。

主回路单元间连接电阻与次回路单元间连接电阻之比介于1：20～1：100。 该连接电阻比值的设置，可以很好地实现两类回路不同功能的实现，即主回路 承担储能系统与外部进行电能交换的通路，次回路承担储能系统内部行采样监 测、BMS保护、电流过流熔断硬保护、均衡、辅助工作等多重功能。

次回路单元之间连接有第二和第三熔断器，第二熔断器和第三熔断器额定 电流为第一熔断器额定电流的5％～20％。该第二和第三熔断器及其额定电流的 设置，既能实现正常情况下满足储能系统各电池单元由于性能差异内部自动均 衡的目的，又能实现异常情况下满足储能系统安全保护和快速隔离的要求。

同时，为结合储能系统的新型结构特点，还特别设置有监测次回路单元的 电池管理单元。该次回路监测用电池管理单元的设置，进一步的增强了对储能 系统动态管理能力，尤其是在单元一致性的监测上得到根本加强，因而其安全 性和可靠性得到强化和保障。

与现有技术相比，本发明的镍氢电池储能系统具有以下的优点：

(1)储能系统表现出更高的能量效率。主回路作为工作回路，承担储能系 统与外部进行电能交换的通路，由于不需要考虑内部并联环流等影响，也不需 设置额外的保护装置如FUSE，因此主回路的连接电阻和压降很低，高功率工作 情况下的线路损耗小，导致储能系统表现出更高的整体效率。

(2)可以实现高效、快速均衡。次回路作为辅助回路，实现了电池单元之 间的并联，因而可以起到并联电池单元之间动态均衡的目的。

(3)可以实现储能系统均衡和正常工作的良好结合。由于主回路和次回路 是分离的，因而不会影响储能系统高功率的工作，相反，由于次回路的存在可 以实现并联电池单元之间的动态均衡，增强了储能系统工作状态下的一致性， 可以延长储能系统高功率工作的有效时间。

本发明虽然是以镍氢电池储能系统为例来进行说明，但是同样适用于锂离 子电池、镍镉电池、铅酸电池等可充电电池体系所构成的储能系统或能源模块。

以上所述仅是本发明的优选的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰， 这些改进和修饰也应该视为本发明的保护范围。