[发明专利]电力电子化智能电池单元

说明书

本发明公开了一种电力电子化智能电池单元，包括：电池模块，所述电池模块包括多个串联的电池芯以及用于测量所述电池芯的电压、电流、压力和/或温度的传感器；以及智能电池接口，所述智能电池接口与所述电池模块的输出侧及传感器相连，并且所述智能电池接口对外界具有功率接口和信息接口，其中所述电池模块监测电池芯的电压、电流、压力和/或温度信息，同时通过所述智能电池接口提供或吸收功率。

技术领域

本发明涉及电池储能技术领域，具体而言，本发明涉及一种安全可靠、高效率及灵活扩容的电力电子化智能电池单元。

背景技术

随着新能源发电装机容量的不断增加和智能电网的不断发展，对于储能系统的容量和功能提出了越来越高的要求。其中，电池储能系统具有无运动部件、对场地无特殊要求、易于扩容、动态特性好的优势，在电网侧调频调峰、用户侧负荷应急保障、可再生能源功率波动平滑等场合的应用日趋广泛。

典型的大容量电池系统由海量电池芯按照图1所示方法组成，单个电池芯经串并联后组成电池模块，多个电池模块组成电池簇，多个电池簇进一步形成大容量电池系统，整个大容量电池系统以单级式PCS作为功率接口，联接到电网或负荷，实现功率的双向流动。

除了应用于支撑电网的大容量储能系统，电池储能在户用型储能领域也有着广泛的应用。图2所示为典型的户用型光储互补并离网一体化功率变换架构，该系统中，户用型光伏电池与储能电池构成良好的互补协同关系。其中，通过隔离型双向直流变换器，把48V电池模块接入400V直流母线。特斯拉也推出了应用于工商业的储能系统，如图3所示：48V低压电池模块经1.6kW的隔离型双向直流变换器，在直流变换器输出端等效为一个输出电压400V的PowerPod，16组PowerPod经直流母线并联组成一个25kW/4小时的Powerpack，10组Powerpack并联后接入250kW逆变器组成一个250kW/4小时的电池储能系统。

由于单个电池芯的电压低、容量小，因此，在各类储能应用场景中，需要将海量的电池芯单体进行串并联。同时，在电池芯的生产制造过程中，难以保证每个电池芯性能的一致性，在电池芯接入储能系统，参与充放电循环后，每个电池芯所处的工作环境、每个电池芯的老化速率也不尽相同，从而也导致了电池芯性能不一致性的进一步加剧。而电池芯单体性能的不一致性，使得在同一个储能系统中，难以保证每个电池荷电状态的相同。而由于电池芯的开路电压、内阻抗又与电池荷电状态紧密相关，当电池芯荷电状态不一致时，在电池模块内部和并联的电池模块间，都将由于电池电压的不一致而存在环流，这一环流的持续存在，将在电池内阻、线路电阻上产生可观的损耗，使得电池储能系统的充放电循环效率显著降低。同时，电池环流的存在也会加速电池的老化，使得电池内阻增大，进一步增加储能系统的损耗，也降低了储能系统的整体寿命，提高了系统成本。

如上所述，由于电池性能不一致性，导致了在储能系统充放电循环过程中，每个电池芯单体的荷电状态不一致。对于一系列串联的电池芯，在充电过程中，会存在某一电池电量已充满，而其余电池电量未充满的情况，为了避免对该电池的过充电，其余电池芯的电量将无法进一步充满；同样，在放电过程中，会存在某一电池电量已到达最小容许荷电状态，而其余电池仍可进一步放电的情况，此时，为了避免过放电导致的电池芯损坏，所有串联的电池芯都将停止继续放电。由此可见，电池芯性能的不一致，将导致储能系统整体的可用容量受到限制，造成配置容量的浪费，增加储能系统的成本。

同时，由于电池不一致性造成的环流也将加速电池的老化与损坏，增加系统的维护成本。另一方面，对于一系列串联的电池芯而言，当其中某一电池芯老化损坏，无法继续进行充放电时，所有与该电池串联的电池芯也将无法正常工作。由于大容量高电压的储能系统中，串联的电池芯数量往往很大，这一问题也将显著提高电池储能系统的成本与效能。