一种退役电池梯次利用储能系统半实物仿真平台

摘要

本发明属于半实物仿真领域，具体涉及到一种退役电池梯次利用储能系统半实物仿真平台。该半实物仿真平台是基于RT‑LAB实时仿真机建立的硬件在环类半实物仿真平台，包括实时仿真模型和硬件实物装置；实时仿真模型包括在RT‑LAB实时仿真机中建立的电池PACK模型、DC/DC变换器主电路模型、DC/AC变流器主电路模型以及公共电网模型；电池PACK与DC/DC变换器主电路模型相连，DC/DC变换器主电路模型接入直流母线，DC/AC变流器主电路模型将直流电能转换为交流电能送到公共电网；硬件实物装置包括电池管理系统(BMS)、DSP控制板和退役电池能量管理系统；退役电池能量管理系统控制半实物仿真平台运行。

说明书

技术领域

本发明属于半实物仿真领域，具体涉及到一种退役电池梯次利用储能系统半实物仿真平台。

技术背景

随着电动汽车普及率越来越高，电动汽车的需求量呈爆发式增长，但是电动汽车对动力电池的性能要求较高，当电动汽车内的动力电池容量逐渐衰减，可能不再适宜电动汽车继续使用，这些更换下来的电池称之为“退役动力电池”。庞大的退役量也让动力电池回收再利用成为当前行业前行过程中亟待解决的问题。退役电池再利用中比较热门的一个应用方式便是在储能系统中的梯次利用，但是由于退役电池梯次利用目前还未得到大规模应用，面对退役电池的储能系统集成技术、能量管理系统技术、电池安全预警等还未得到更深刻研究，相关技术的验证也待深入开展，而这些研究都需要大量的实验验证及数据支撑，传统的研究手段主要是搭建实际的储能系统，但是一方面由于不同的研究目的需要不同的产品或者储能系统架构，导致反复的相似产品开发以及系统搭建，工作内容冗余；另一方面储能系统的搭建，周期较长且花费巨大，整个研究进程缓慢，不利于技术研究的步伐。

本发明所述的一种退役电池梯次利用储能系统半实物仿真平台，是将RT-LAB实时仿真机与硬件实物相结合，开发半实物仿真系统，通过搭建仿真模型实现对退役电池梯次利用技术的研究，不同的电路模型可以构成不同形式的储能系统，研究不同的储能系统集成技术、能量管理系统技术等；根据不同的研究目的，只要修改电路模型即可实现技术研究的更新，验证控制理论，这种方法是目前技术研究的一种重要而且便捷的手段。

发明内容

本发明的目的在于克服实际储能系统建设过程周期长、灵活性差、技术方案可扩展性差而导致影响退役电池梯次利用技术研究进度缓慢的缺点而提出的一种退役电池梯次利用储能系统半实物仿真平台。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种退役电池梯次利用储能系统半实物仿真平台是基于RT-LAB实时仿真机和控制电路建立的硬件在环类半实物仿真平台，仿真平台包括实时仿真模型和硬件实物装置；

实时仿真模型包括在RT-LAB实时仿真机中建立的电池PACK模型、DC/DC变换器主电路模型、DC/AC变流器主电路模型以及公共电网模型；

电池PACK模型以磷酸铁锂电池模型为例，可设置电池模型的容量、串并联数量、SOC、环境温度等特性参数；DC/DC变换器主电路模型采用隔离型DC/DC变换器拓扑，以实现电池和电网的电气隔离，可设置DC/DC变换器主电路模型的电压、功率等特性参数；DC/AC变流器主电路模型采用PWM整流器拓扑，可设置DC/AC变换器主电路模型的电压、功率等特性参数；公共电网模型包括直流母线、交流母线以及变压器模型，可以设置母线的电压、变压器的变比及容量；

在仿真过程中，各个电池PACK模型设置不同的容量和SOC，模拟不同批次的退役动力电池，每个电池PACK与一个DC/DC变换器主电路模型相连，DC/DC变换器主电路模型接入直流母线，DC/AC变流器主电路模型将直流母线的直流电能转换为交流电能送到公共交流电网；每个电池PACK、DC/DC变换器主电路模型、DC/AC变流器主电路模型运行的电气信息通过模拟量接口反馈给电池管理系统(BMS)和DSP控制器；根据技术研究的目的调整各个模型的参数，进行多次仿真，对比试验结果，得出仿真验证的结论；

RT-LAB实时仿真机除搭建实时仿真模型外，还需要配置通信接口、数字量接口以及模拟量接口；通信接口用于实时仿真机与退役电池能量管理系统通信，实时仿真机向退役电池能量管理系统反馈各个实时仿真模型关键的运行数据；数字量接口用于DSP控制板向DC/DC变换器主电路模型和DC/AC变流器主电路模型传递驱动信号；模拟量接口用于电池模型、DC/DC变换器主电路模型和DC/AC变流器主电路模型向BMS和DSP控制板反馈电压、电流等模拟量信号；

硬件实物装置包括电池管理系统(BMS)、DSP控制板和退役电池能量管理系统；

电池管理系统(BMS)集成退役电池数据处理、剩余电量估算、电池主动均衡、退役电池故障处理功能；BMS将RT-LAB实时仿真机反馈的电池数据进行分析处理，估算各个电池PACK的剩余电量以及允许的充放电功率，上报给退役电池能量管理系统作为能量调度的依据之一；针对退役电池容量、SOC不一致的问题进行电池的主动均衡处理，以提升电池利用率；针对退役电池在运行过程中可能出现的故障，进行故障的判断和处理，故障处理功能包括非电池本身引起的明火和电池热失控引起的明火两大类故障；非电池本身引起的明火类故障分析处理算法通过拟合电缆以及电气设备故障老化曲线分析故障发生的概率，上报给退役电池能量管理系统提出预警，用于发出声光信号报警；电池热失控引起的明火类故障分析处理包括锂电池过充分析、外短路分析、内短路分析、热蔓延模型分析处理以及电池PACK散热差模型分析，分析各种故障的诱因，并得出相应的处理措施，上报给退役电池能量管理系统，进行系统防控；

DSP控制板采用DSP控制核，利用RT-LAB实时仿真机反馈的DC/DC变换器主电路模型和DC/AC变流器主电路模型的电气信息，结合退役电池能量管理系统下发的功率控制指令，根据对应的闭环控制算法得到DC/DC变换器和DC/AC变流器驱动脉冲信号，送入RT-LAB实时仿真机控制DC/DC变换器和DC/AC变流器主电路模型仿真运行；

退役电池能量管理系统是整个仿真平台的控制核心，基于储能系统运行数据、退役电池数据、电池健康状态数据以及环境参数，结合电池数学模型，对电池数据进行分析处理，实现储能系统的能量调度与管理、对电池PACK进行容量差异分析、预估电池寿命并对电池中长期安全隐患进行预警。

上述的一种退役电池梯次利用储能系统半实物仿真平台由退役电池能量管理系统控制仿真平台运行；RT-LAB实时仿真机、DSP控制板、电池管理系统(BMS)向退役电池能量管理系统反馈当前储能系统运行信息，退役电池能量管理系统分析电池状态数据、健康数据以及电网潮流信息，得到电池充放电控制指令，下发给DSP控制板，DSP控制板根据控制指令以及RT-LAB实时仿真机反馈的DC/DC变换器和DC/AC变流器的电气信息，分析处理后得到DC/DC变换器和DC/AC变流器的驱动脉冲信号，通过实时仿真机的数字量接口驱动DC/DC变换器和DC/AC变流器主电路模型运行，实现对电池的充放电控制，最终进行储能系统集成、能量管理系统的技术的研究。

附图说明

图1：一种退役电池梯次利用储能系统半实物仿真平台示意图

图2：电池管理系统(BMS)中退役电池故障处理功能分类示意图

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面根据附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1～2所示，本发明公开了一种退役电池梯次利用储能系统半实物仿真平台。

一种退役电池梯次利用储能系统半实物仿真平台是基于RT-LAB实时仿真机和控制电路建立的硬件在环类半实物仿真平台，仿真平台包括实时仿真模型和硬件实物装置，其中实时仿真模型为退役电池梯次利用储能系统主电路部分，硬件实物装置为退役电池梯次利用储能系统控制电路部分；

实时仿真模型包括在RT-LAB实时仿真机中建立的电池PACK模型、DC/DC变换器主电路模型、DC/AC变流器主电路模型以及公共电网模型；

电池PACK模型以磷酸铁锂电池模型为例，可设置电池模型的容量、串并联数量、SOC、环境温度等特性参数，根据不同的配置，形成不同的退役电池PACK；DC/DC变换器主电路模型采用隔离型DC/DC变换器拓扑，以LLC谐振变换器模型为例，以实现电池和电网的电气隔离，可设置DC/DC变换器主电路模型的电压、功率等特性参数；DC/AC变流器主电路模型采用PWM整流器拓扑，可设置DC/AC变换器主电路模型的电压、功率等特性参数；公共电网模型包括直流母线、交流母线以及变压器模型，可以设置直流母线、交流母线的电压等级以及变压器的变比及容量；

在仿真过程中，各个电池PACK模型设置不同的容量和SOC，模拟不同批次的退役动力电池，每个电池PACK与一个DC/DC变换器主电路模型相连，DC/DC变换器主电路模型输出接入直流母线，DC/AC变流器主电路模型将直流母线的直流电能转换为交流电能送到公共交流电网；每个电池PACK、DC/DC变换器主电路模型、DC/AC变流器主电路模型运行的电气信息通过模拟量接口反馈给电池管理系统(BMS)和DSP控制器；根据技术研究的目的调整各个模型的参数，进行多次仿真，对比试验结果，分析总结得出仿真验证的结论；

RT-LAB实时仿真机除搭建实时仿真模型外，还需要配置通信接口、数字量接口以及模拟量接口；通信接口用于实时仿真机与退役电池能量管理系统通信，实时仿真机通过通信接口向退役电池能量管理系统反馈各个实时仿真模型关键的运行数据，包括电压、电流、温度等；数字量接口用于DSP控制板向DC/DC变换器主电路模型和DC/AC变流器主电路模型传递驱动信号；模拟量接口用于电池PACK模型、DC/DC变换器主电路模型和DC/AC变流器主电路模型向BMS和DSP控制板反馈电压、电流等模拟量信号用于闭环控制；

硬件实物装置包括电池管理系统(BMS)、DSP控制板和退役电池能量管理系统；

电池管理系统(BMS)除传统的BMS功能外，还集成退役电池数据处理、剩余电量估算、电池主动均衡、退役电池故障处理功能；BMS将RT-LAB实时仿真机反馈的电池PACK数据、电池运行工况等进行综合分析处理，估算各个电池PACK的剩余电量以及允许的充放电功率，上报给退役电池能量管理系统作为能量调度的依据之一；针对退役电池容量、SOC不一致的问题进行电池的主动均衡处理，以提升电池利用率；针对退役电池在运行过程中可能出现的故障，进行故障的判断和处理，故障的判断和处理功能包括非电池本身引起的明火和电池热失控引起的明火两大类；非电池本身引起的明火类故障分析处理算法通过拟合电缆以及电气设备故障老化曲线分析故障发生的概率，上报给退役电池能量管理系统提出预警，用于发出声光信号报警，可以通过数据统计提示进行不定期绝缘监测、电弧检测；电池热失控引起的明火类故障分析处理包括锂电池过充分析、外短路分析、内短路分析、热蔓延模型分析处理以及电池PACK散热差模型分析；分析各种故障的诱因，并得出相应的处理措施，上报给退役电池能量管理系统，进行系统防控；对于电池过充的问题可以通过监测电池单体电压、PACK总电压综合分析过充的情况及原因，甄别个体电池故障；分析电池外短路概率，提示更换熔断器等保护器件；对于电池内短路、热蔓延以及电池散热差等问题，在储能系统集成技术研究过程中，提出消防措施进行干预及防护，通过反复仿真迭代，更新退役电池能量管理系统的算法，推进能量管理系统技术研究工作。

DSP控制板采用DSP控制核，利用RT-LAB实时仿真机反馈的DC/DC变换器主电路模型和DC/AC变流器主电路模型的电气信息，结合退役电池能量管理系统下发的功率控制指令生成驱动脉冲信号；对于DC/DC变换器主电路模型，DSP控制板控制各个电池PACK的充放电功率，按照功率闭环控制算法得到DC/DC变换器主电路模型的驱动脉冲信号；对于DC/AC变换器主电路模型，控制直流母线电压稳定，按照电压外环、电流内环的双闭环控制算法得到DC/AC变换器主电路模型的驱动脉冲信号；所有驱动脉冲信号通过数字量接口送入RT-LAB实时仿真机，控制DC/DC变换器和DC/AC变流器主电路模型仿真运行；

退役电池能量管理系统是整个仿真平台的控制核心，具备数据采集、数据处理、数据存储及调用、历史报表等基本功能，为研究退役电池梯次利用能量管理技术，基于储能系统运行数据、退役电池数据、电池健康状态数据以及环境参数，结合电池数学模型，对电池数据进行分析处理，实现储能系统的能量调度与管理、对电池PACK进行容量差异分析、预估电池寿命并对电池中长期安全隐患进行预警。

上述的退役电池梯次利用储能系统半实物仿真平台由退役电池能量管理系统控制仿真平台运行；RT-LAB实时仿真机、DSP控制板、电池管理系统(BMS)向退役电池能量管理系统反馈当前储能系统运行信息，退役电池能量管理系统分析电池状态数据、健康数据以及电网潮流信息，得到电池充放电控制指令，下发给DSP控制板，DSP控制板根据控制指令以及RT-LAB实时仿真机反馈的DC/DC变换器和DC/AC变流器的电气信息，分析处理后得到DC/DC变换器和DC/AC变流器的驱动脉冲信号，通过实时仿真机的数字量接口驱动DC/DC变换器和DC/AC变流器主电路模型运行，实现对电池的充放电控制，最终进行储能系统集成、能量管理系统的技术的研究。