需求側電池組均衡性調節裝置及控制方法
2023-09-22 07:05:10 2
專利名稱：需求側電池組均衡性調節裝置及控制方法
技術領域：
本發明涉及電池組智能控制領域，更具體地說，涉及需求側電池組均衡性調節裝置及控制方法。
背景技術：
隨著工業發展速度加快，電力供應出現緊張的趨勢，各地電力相關部門正著手於制定相關的技術、經濟手段鼓勵電力需求側用戶自主削峰填谷。從用電部門的角度考慮，多利用低谷電可以有效地減小系統的維護成本，在具有併網逆變裝置的條件下，可以進一步向電網輸送電力，獲得收益。從電力管理部門的角度考慮，削峰填谷可以減小高峰負荷所要求的裝機容量。在全國範圍內的蓄電池組作為儲能裝置，其削峰填谷的潛力非常之大，若能實現經濟、有效的蓄電池組調度，一方面可提高大容量蓄電池管理者的積極性，另一方面也可減小國家的投資，提高電力設備的利用效率，優化電網結構。智能電網通過需求側管理提高終端響應能力，即電網依靠信息智能控制技術，將需求側管理融入到系統的構建上，通過調度需求側資源，實現信息和電能的智能交互，才可能從根本上解決電力系統的安全性和可持續發展等難題。通信電池組作為通信系統的重要組成部分，長期處於並聯浮充工作狀態，由於串並的單體電池間無法保持狀態一致性，體現在電池單體電壓存在偏差，必會導致單體電池長期處於過充電或欠充電狀態，對電池壽命造成無法估量的影響。目前，出於備用電源系統的可靠性考慮，蓄電池組的使用大多採用多組串接電池組再並聯供電的方式。在並聯電路中，各路串接電池組的總電壓與充電電壓相等，理想情況下各電池組所分得的電流相同，各串接電池組具有相同的工作模式。然而，由於收到製造工藝的限制，各個電池單元的內阻有所差別，造成並聯電池組的每個支路所流經的電流大小不同。內阻大的電池組流經的充電電流小,而內阻小的電池組所流經的充電電流大。在電池組工作一定時間後,充電電流小的電池組由於長期充電不足導致其硫酸鹽化，從而內阻進一步加大。而充電電流則更小，形成惡性循環，從而影響電池組的壽命。因此，長時間工作的並聯電池組的均衡性管理則顯得意義重大。目前，對於並聯電池組單元的要求是應當滿足同廠家、同型號、同規格的電池，同一批號出廠，新舊狀態相同且同時安裝的。通過上述限制，能夠保障系統在運行的初始狀態能夠滿足相同的狀態條件。然而，隨著時間的推移，即使是電池內阻在出廠時的微小差異，也會導致不同支路的充電電流的差異越來越大。閥控式密封鉛酸蓄電池通常不單獨設置電池室，可與電源控制櫃直接相連，動環系統能夠測量電池組的總電壓、電流、單體電壓、溫度進行監測。現有基站蓄電池組，除少數地區頻繁被供電局拉閘限電外，大部分電池組處於浮充狀態，只有很少量電流用於補償蓄電池自放電，使蓄電池組長期處於滿電狀態。若電池組長期處於浮充狀態下，則會導致蓄電池陽極極板鈍化以及極板內部的活性物質硫酸鹽化，電池的內阻相應也會增大，從而造成容量下降。綜上所述，合理而有效的充放電控制便於分析電池健康狀況及保持組間電池狀態一致性，同時使其充放電需求具備一定靈活性。因此在電池組監測系統中引入均衡機制，會最大限度的發揮蓄電池的工作效率，增加系統的安全性和工作壽命。同時在電池組均衡控制中以需求響應作為重要依據可以實現電池的智能化管理，在保證通信設備能源不間斷供應的情況下，輔助電網實現需求側管理。考慮到前述情況，存在克服相關技術中不足的需要。
發明內容
為解決上述問題，本發明提出了一種需求側電池組均衡性調節裝置及控制方法，所述均衡性調節裝置由多路選擇開關、電池組監測模塊、控制模塊組成，在原有電池組管理系統的基礎上增加多路開關以及具有均衡性策略的控制模塊。所述控制方法包括響應電網需求側信號、報告蓄電池組狀態，由控制系統通過通信設備獲得電網需求響應事件信息，根據電池狀態分析，優化得出電池組的均衡方法，實現通信電池組參與電力需求響應事件。本發明技術方案如下:
本方案由通信電池控制系統、通信設備端、通信電源系統與電網需求響應伺服器協調完成。其中通信電池控制系統包括多路選擇開關、電池組監測模塊和控制模塊。上述多路選擇開關經控制模塊獲得電池組均衡控制信息並予以實施。上述電池組監測模塊按照時間間隔及控制信息監測電池組的電壓、電流、內阻、溫度及剩餘容量情況，並將此信息報予控制模塊。上述控制模塊包括通信模塊，與電網需求響應伺服器通過通信設備交互需求響應事件信息。上述控制模塊包括數據存儲模塊，其中包括原始數據存儲及更新單元和電池組信息存儲單元。對電體電池的排列順序、廠家、型號等進行記錄，並對電池組監測模塊傳送過來的數據，按照組號對應將數據進行存儲。上述控制模塊還包括數據分析處理模塊，其中包括電池容量分析處理單元、均衡分析處理單元和壽命分析單元。電池容量分析處理單元設定保護容量比值，依據電池標稱容量和實時放電容量的比值限值電池組充放電行為，並依據均衡分析處理單元所作出的分析計算電池組可用於響應的容量及時間並報予通信模塊。均衡分析處理單元控制電池組行為，依據對單體電池電壓、電流、內阻、溫度、剩餘容量的數據分析，確定參與需求響應的電池，並將分析結果報予電池容量分析處理單元，在獲得參與需求響應的確定信息後，控制多路選擇開關做出均衡行為。壽命分析單元監測並分析電池壽命，將結果報予均衡分析處理單元。一種需求側電池組均衡性調節裝置及控制方法，用於實現通信電池組受控充放電以參與電力需求響應，包括以下步驟:
步驟1:通信電池控制系統通過通信設備獲得並解析電網需求響應伺服器的需求響應/[目號和其他電網側/[目息。步驟2:通信電池控制系統對電池組中單體電池的電壓、容量等參數進行分析，得出均衡結果，計算可用於響應的容量及時間，反饋至電網需求響應伺服器。步驟3:通信電池控制系統接收到需求響應事件確認信息，依據此信息調整均衡結果，報予通信電源模塊。步驟4:通信電池控制系統控制執行均衡事件，並反饋事件執行結果至需求響應伺服器。本發明的有益效果是:通過本發明方案，可隨時了解電池組的工作狀態，避免因檢測不及時造成系統斷電時出現嚴重後果，同時使電池組配合供電能夠有效提升電池的利用效率；可提高終端的響應能力，實現信息和電能的智能交互，輔助電網實現需求側管理，提升電網可靠性。由供應側通過行政或者經濟激勵手段實現蓄電池組的有效節能及需求方式改變，在保持能源服務水平前提下有效地降低能源消費量，從而減少新建電廠投資及一次能源消費，具有明顯的經濟效益。
為了更清楚地說明本發明，下面將結合附圖對本發明的實施實例進行具體描述，其
中:
附圖1示意性示出了本發明所述的需求側電池組均衡控制系統結構 附圖2是通信電池控制系統中控制模塊結構示意 附圖3為電池組η階阻容等效電路模型，針對附圖3說明了本發明所述的電池組均衡控制方法中所需的必要參數的檢測方法；
附圖4是本發明中需求側電池組均衡控制方法步驟；
附圖5給出了 DR通信接口與通信電源控制櫃控制模塊交互流程。
具體實施例方式為了使本領域的技術人員更好地理解本發明實施的方案，下面將結合附圖和實施方式對本發明實施方案做進一步的詳細說明。附圖1示意性示出了本發明所述的需求側電池組均衡控制系統結構圖，其中多路選擇開關依據控制模塊對電池組進行均衡控制，對電池組中需要控制的每一電池單元提供單獨的控制開關，從而形成對於電池組的動態切換。電池組監測模塊將實時的電池組狀態信息傳輸到控制模塊中，所採集的信息量包括電壓、電流、阻容、溫度以及電池單元的剩餘容量，根據電池的各運行參量的瞬時值以及累計統計值，確定多路選擇開關的動作行為。控制模塊與電網需求響應(Demand Response,簡稱DR)伺服器通過DR通信接口與電網側交互需求響應事件信息，同時控制本地的電池組的多路選擇開關與市電開關，根據DR通信接口所獲得的DR信息，綜合確定本地的充放電管理機制。市電開關則用於控制通信電源控制櫃的電源供應來源。通信設備與通信電源控制櫃之間的連接與原有系統的連接保持不變，通過控制單元選擇市電或者蓄電池供電。蓄電池組為至少2組並聯蓄電池，串聯電池數目不限。控制模塊解析需求響應信號並通過多路選擇開關對電池組進行均衡控制，減少電池之間的差異。通過電池組充放電行為的改變一方面響應電網需求側信號，減小高峰時的用電需求，同時在用電低谷時進行充電操作，充分響應電力生產與供應，實現削峰、填谷以及負荷轉移。對於蓄電池組的維護企業而言，通過電池組的控制實現均衡性管理，並通過控制電池組進行淺循環，延長電池單體的壽命。若電池組出口單元具有併網逆變裝置，企業還可通過用電與供電價格的差異從中獲取收益。由能源服務公司作為需求側項目的主要開發者，進行系統設計與設備安裝，並進行系統項目節能的測量與監控。附圖2是通信電池控制系統中控制模塊結構示意圖，其中包括:通信模塊、數據存儲模塊、數據分析處理模塊。其中通信模塊與電網需求響應伺服器交互需求響應信息，由於所交互的數據量較小，通常可以採用微功率、低速率的通信裝置。對於採用獨立通信單元的電池組，則可通過遠程無線通信技術集成。亦可通過微功率無線傳感器網絡技術實現本地數據的匯集，匯集後到集中器經數據匯聚後再進行二次傳輸。通過DR接口收到需求響應信息後，控制模塊會根據當前的基準電價信息確定電池組的充放電管理行為。在電力用電高峰期間進行大規模範圍內充電是無法接受的。需求側管理(Demand Side Management,簡稱DSM)的最大意義在於能夠降低電力負荷需求，通過削峰填谷將某個時間段內的負荷需求轉移到其它時間，以節約能源並改善負荷特性。需求響應控制模塊根據本地所獲取的電價基準，以及電池本地的容量，確定電池的行為，電動車電池參與響應的行為相對簡單，主要包括啟動、停止、快充、慢充、放電幾個動作。電價基準從電網需求側管理主站獲得，該基準可由需求側管理主站直接下發，確定當前某一時段的平均電價，或者在某一區域範圍內的政府指導價。也可由本地的需求響應控制單元根據近期所統計的峰、谷差計算得到本地的平均電價基準，在保障電池安全的前提下實現用電利益最大化。數據存儲模塊存儲電池組的原始數據以及電池組監測模塊所傳送數據。對於串聯電池組中的單體電壓監測可通過運放以及模擬器件轉換抑制共模電壓，或者通過專用的差模A/D晶片測量，或者用專用的串聯電池組測量晶片實現。從處理速度上看，本發明推薦採用具有並行處理能力的專用晶片，可在保障系統測量精度的同時提高系統的運算速度，從而在單位時間內儘可能測量更多的電池節數以保障電池組內各單體電池的一致性。測量過程中應當注意外界的電磁幹擾與高低壓隔離等因素，漏電流的長期累積不僅會消耗電池組的電量也會造成電池的不一致。數據分析處理模塊依據需求響應信號和電池組狀態信息對電池進行均衡控制分析，通過分析電池容量比確定電池可參與需求響應的情況，同時監測和分析電池組壽命。受到製造工藝的限制，電池本身也存在著差異。若在組裝或者裝配過程中，電池組的阻容匹配不完善，在電池組中會出現不均衡的現象，長期運行則會影響電池組的壽命。對於無人基站的後備蓄電池，在四、五年後大多會出現容量下降到不足50%的現象，造成使用壽命縮短，提前報廢。在系統實際工作過程中，電池組中部分電池單元產生不均衡的現象主要體現在電池組充電時，會存在部分電池單元的截止電壓高於其它電池，提前結束充電過程；而在電池組放電過程中，部分電池單元的電池的放電截止電壓低於其它電池，從而過早結束放電。考慮到對於電池組電壓的監測並無法實現電池過充、過放的管理，推薦採用單獨電池組單元進行獨立的監控。電池在化成過程之前材料的容量尚未完全發揮，容量相對較小。系統運行初期，活化過程佔據主導地位，而後期則劣化過程佔主導作用，直至電池單元壽命終結。數據分析處理模塊需要對電池組的壽命進行監測，電池組的壽命實際上是電池組中壽命最小者，當某一電池由於與其它電池單元存在的差異影響，則損壞後會導致整個電池組無法正常工作。在恆流階段充電過程中以吸熱過程為主，但若工作環境溫度過低則會導致材料的活性降低，影響充電效率。可適當通過控制外部加熱裝置對電池進行預熱改善。隨著充電進行，極化作用加強，同時伴隨著溫升、析氣以及電位升高。當電壓達到最高充電電壓限制後，為防止逸出氣體導致的不可逆過程，應控制電池組進入恆壓充電過程，採用涓流充電方式，隨著控制進入電流組的電流減小，析氣、溫升停止，並向逆向反應方向進行，實現平衡。若電池組中未進行單體電池監測，雖然電池組總電壓在控制範圍之內，而某些電池單元已經提前進入過充階段。特別是在恆流充電階段，若電流相對強度大，則會導致電壓、溫升逐步升高，若不停止充電更換單體電池，則極有可能造成電池的不可逆反應加劇，甚至引發電池內部物質燃燒，造成電池不可修復的損傷。類似地，在進行恆流放電時，電壓跌落由連接單體電極的導線電阻和觸電電阻造成壓降，在到達電化學平衡點後，電壓變化相對平緩，放熱使電池溫升，放電電壓與單體放電曲線類似。據統計，電池組中的容量分布服從正態分布，容量小的電池單體電壓降低速度最快，而此時其它電池電壓並未跌落，此時小容量電池已處於過放狀態，電池進入被動放電狀態，被反方向充電。組電壓監測對於，單體的控制不具有任何意義，需要單獨監測單體的荷電狀態，通過單體電壓均衡控制使各個電池單體漸進逼近其一致性性能曲線。均衡分析處理單元根據電池的能量迴路採用分流和斷流操作，通過機械觸點或者電氣開關等形成多路開關，改變電池組的連接結構，對每個電池單體進行獨立處理。通過開關矩陣亦可控制電池工作迴路的旁路，改變單體電池的特性。將單體電壓過高的電池單元分流，通過支路可控電阻調節單體電池的端電壓。若有條件，可引入能量變換器(如:Boost, Zeta,Flyback等)將單體之間的偏差能量回饋到指定單體電池上。從而使得在充電時，小容量電池吸收能量較小，分流支路吸收能量，而放電時則補充能量。附圖3是電池組η階阻容等效電路模型，針對附圖3說明了本發明所述的電池組均衡控制方法中所需的必要參數的檢測方法。η為所用模型的階數，該階數由電池組辨識精度而定，通常可選電池單體個數的整數倍，η數值越大，模型的精確度越高。在電池組中的各個電池單元的差異性無法消除，然而若任其自由運行，則差異則會逐漸增大導致系統崩潰。對於電池組中的串聯部分，由於流過的電流相同，對於容量較大的電池則處於淺循環，而對於容量較小的電池單元則處於過充、過放狀態，其容量衰減更快，從而導致差異進一步增大。如果缺乏合理的維護方法，將影響電池組的性能，造成用電設備的備用電源失效，無法及時地提供保護。某些電池組的工作環境惡劣，面臨著經常性的停電，開關電源輸出不穩定，造成充電電流過高或者過低均會影響電池組的壽命。峰值電壓過高，浮充電壓會造成電池組電解液水分解，影響電池組容量。對於參與需求響應的電池組，可在電網負荷低谷時，通過市電補充容量。在用電高峰時，則通過電池組自動控制單元將電源切換至電池組供電，達到削峰填谷的作用。放電深度直接影響電池組的使`用壽命，以閥控式鉛酸蓄電池為例，放電深度為30%時，其充放電循環次數可超過1200次，而在放電深度為100%時，則僅能支持25(Γ300次。若電池組長期處於浮充狀態下，則會導致蓄電池陽極極板鈍化以及極板內部的活性物質硫酸鹽化，電池的內阻相應也會增大，從而造成容量下降。蓄電池組作為可直接控制的負荷，能夠輔助實現電網削峰填谷，必要時系統調度人員可以對通信設備電源實施拉閘限電，降低峰荷。在大容量蓄電池組成規模參與電力需求側響應之後，通過電池單元的自主響應可以減小拉閘限電的次數，同時也可實現與削峰填谷等同的效果，充分利用系統的空閒低成本發電容量。在考慮季節性電價後，也可實現非尖峰時段的電力消費需求增長。電池的內阻、容量、以及荷電狀態(State of Charge,簡稱SoC)會隨著系統的運行以及外界環境發生變化，為保障電池組均衡控制的有效性，需要準確估計系統等效電路模型的參數。為實現對於電池組的均衡控制，需要高精度電池組等效電路模型，才能夠實施針對電池組中每個電池的精細控制與管理。目前，關於蓄電池的等效模型較多，如:Shepherd模型、Nernst模型、Thevenin模型等。為提高電池等效模型的精度，Gignioi曾提出一種四階動態模型，模擬電解液反應內阻、電池歐姆內阻、以及自放電特性，能夠實現一定精度的電池模型。但是，該模型通過並聯電容器跨接在多個電阻上，對處理器的運算能力要求較高，再進一步提高電池的參數辨識精度時，無法滿足實時性運算要求。借鑑Ginioi的四階動態模型設計思想，本發明結合內阻模型與阻容模型建立η階阻容模型，通過規則化的阻容網絡建立高階電池等效模型，同時該模型可通過級聯網絡的基本理論實現快速計算，也即解決了 Ginioi模型的高階運算處理速度問題。圖中為電池組電化學極化電路模型，其中
分別表示第階極化電容，41;盡2，...3#分別表示fn階極化內阻，為電池等效內阻，表示電池組荷電狀態。&用於模擬電池在充電後期的小規模寄生電流，該電流通常較小，對結果影響不大，在運算過程中可忽略。Oftr, /j分別為電池的開路電壓(Open Circuit Voltage,簡稱OCV)及負載電壓,/_為阻容網絡中的主幹電流，/j為流入負載的電流也即蓄電池的工作電流，根據基爾霍夫定律，阻容網絡主幹電流為負載電流與寄生電流之和，即/a+4 在忽略寄生電流的條件下有
權利要求
1.一種需求側電池組均衡性調節裝置及控制方法，使長期處於浮充狀態的通信電池組受控充放電以參與電力需求響應，所述控制方法的特徵為通信電池控制系統依據需求響應信號，在考慮電池組壽命的前提下，對電池組的充放電進行均衡以參與需求響應事件，其特徵在於包括以下內容: 需求側電池組均衡控制系統結構及控制模塊功能； 電池組η階阻容等效電路模型及參數電池組均衡性控制方法； DR通信接口與通信電源控制櫃控制模塊交互流程。
2.根據權利要求1所述需求側電池組均衡性調節裝置及控制方法，其特徵在於所述需求側電池組均衡控制系統結構及控制模塊功能包括: 所述均衡性調節裝置由(I)多路選擇開關、(2)電池組監測模塊、(3)控制模塊組成，其特徵在於在原有電池組管理系統的基礎上增加模塊(I)、(3)，實現電池組的均衡控制； 電池組均衡控制模塊主要負責電池組、電池單體的監控，具體包括:通信模塊、數據存儲模塊、數據分析處理模塊，其中數據分析處理模塊為電池組均衡控制的核心單元； 電池組參與需求響應事件是由通信電池控制系統、通信設備端、通信電源系統與電網需求響應伺服器協調完成。
3.根據權利要求1所述需求側電池組均衡性調節裝置及控制方法，其特徵在於所述電池組η階阻容等效電路模型及參數電池組均衡性控制方法，包括: 電池組中電池單體差異性檢測與控制； 電池組η階阻容模型分析方 法與參數識別，通過參數辨識矩陣P =，其中，n 為豐旲型的階數，Cfll分別表示第l n階極化電容，別表示l n階極化內阻力電池等效內阻，K, K,分別為Um的擬合參量係數； 用於模擬電池在充電後期的小規模寄生電流，該電流通常較小，對結果影響不大，在運算過程中可忽略，Uffe , U1分別為電池的開路電壓及負載電壓，4為阻容網絡中的主幹電流，h為流入負載的電流也即蓄電池的工作電流，建立對應的邏輯模型，
4.根據權利要求1所述需求側電池組均衡性調節裝置及控制方法，其特徵在於所述DR通信接口與通信電源控制櫃控制模塊交互流程，包括: 通信電源櫃電池組均衡控制模塊與電網DR伺服器間的交互流程及交互過程中所用的協議報文，包括:蓄電池組參與電力需求響應的關聯請求、解除關聯請求、確認操作、需求側信息發布、狀態請求查詢、蓄電池組狀態報告； 電池組狀態監測與電池單體監測，包括單個並聯支路的串聯電池組間均衡與不同並聯支路之間的均衡。
全文摘要
本發明涉及電池組智能控制領域，本發明實施例公開了一種需求側電池組均衡性調節裝置及控制方法，具體包括需求側電池組均衡控制系統結構及控制模塊功能、電池組n階阻容等效電路模型及參數電池組均衡性控制方法以及DR通信接口與通信電源控制櫃控制模塊交互流程。通信電池控制系統由多路選擇開關、電池組監測模塊、控制模塊組成，電池組參與需求響應事件是由通信電池控制系統、通信設備端、通信電源系統與電網需求響應伺服器協調完成。電池組中電池單體差異性檢測與控制，通過多路選擇開關進行控制，使長期處於浮充狀態的通信電池組受控充放電以參與電力需求響應。所述控制方法的特徵為通信電池控制系統依據需求響應信號，在考慮電池組壽命的前提下，對電池組的充放電進行均衡以參與需求響應事件，輔助電網實現需求側管理。
文檔編號G06Q50/06GK103208809SQ20131009423
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月22日 優先權日2013年3月22日
發明者李彬, 龔鋼軍, 陸俊, 楊春萍, 崔維新, 孫毅, 祁兵 申請人:華北電力大學