[發明專利]電力電子化智能電池單元

有效

• 申請號: 202011379108.8
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112366795B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 李睿;謝弘洋;吳西奇;蔡旭
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00;H02H7/18;H01M10/44;H02M3/335;H02M1/088;H02J3/32
• 代理公司: 上海智晟知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31313
• 代理人: 張東梅

本發明公開了一種電力電子化智能電池單元，包括：電池模塊，所述電池模塊包括多個串聯的電池芯以及用于測量所述電池芯的電壓、電流、壓力和/或溫度的傳感器；以及智能電池接口，所述智能電池接口與所述電池模塊的輸出側及傳感器相連，并且所述智能電池接口對外界具有功率接口和信息接口，其中所述電池模塊監測電池芯的電壓、電流、壓力和/或溫度信息，同時通過所述智能電池接口提供或吸收功率。

技術領域

本發明涉及電池儲能技術領域，具體而言，本發明涉及一種安全可靠、高效率及靈活擴容的電力電子化智能電池單元。

背景技術

隨著新能源發電裝機容量的不斷增加和智能電網的不斷發展，對于儲能系統的容量和功能提出了越來越高的要求。其中，電池儲能系統具有無運動部件、對場地無特殊要求、易于擴容、動態特性好的優勢，在電網側調頻調峰、用戶側負荷應急保障、可再生能源功率波動平滑等場合的應用日趨廣泛。

典型的大容量電池系統由海量電池芯按照圖1所示方法組成，單個電池芯經串并聯后組成電池模塊，多個電池模塊組成電池簇，多個電池簇進一步形成大容量電池系統，整個大容量電池系統以單級式PCS作為功率接口，聯接到電網或負荷，實現功率的雙向流動。

除了應用于支撐電網的大容量儲能系統，電池儲能在戶用型儲能領域也有著廣泛的應用。圖2所示為典型的戶用型光儲互補并離網一體化功率變換架構，該系統中，戶用型光伏電池與儲能電池構成良好的互補協同關系。其中，通過隔離型雙向直流變換器，把48V電池模塊接入400V直流母線。特斯拉也推出了應用于工商業的儲能系統，如圖3所示：48V低壓電池模塊經1.6kW的隔離型雙向直流變換器，在直流變換器輸出端等效為一個輸出電壓400V的PowerPod，16組PowerPod經直流母線并聯組成一個25kW/4小時的Powerpack，10組Powerpack并聯后接入250kW逆變器組成一個250kW/4小時的電池儲能系統。

由于單個電池芯的電壓低、容量小，因此，在各類儲能應用場景中，需要將海量的電池芯單體進行串并聯。同時，在電池芯的生產制造過程中，難以保證每個電池芯性能的一致性，在電池芯接入儲能系統，參與充放電循環后，每個電池芯所處的工作環境、每個電池芯的老化速率也不盡相同，從而也導致了電池芯性能不一致性的進一步加劇。而電池芯單體性能的不一致性，使得在同一個儲能系統中，難以保證每個電池荷電狀態的相同。而由于電池芯的開路電壓、內阻抗又與電池荷電狀態緊密相關，當電池芯荷電狀態不一致時，在電池模塊內部和并聯的電池模塊間，都將由于電池電壓的不一致而存在環流，這一環流的持續存在，將在電池內阻、線路電阻上產生可觀的損耗，使得電池儲能系統的充放電循環效率顯著降低。同時，電池環流的存在也會加速電池的老化，使得電池內阻增大，進一步增加儲能系統的損耗，也降低了儲能系統的整體壽命，提高了系統成本。

如上所述，由于電池性能不一致性，導致了在儲能系統充放電循環過程中，每個電池芯單體的荷電狀態不一致。對于一系列串聯的電池芯，在充電過程中，會存在某一電池電量已充滿，而其余電池電量未充滿的情況，為了避免對該電池的過充電，其余電池芯的電量將無法進一步充滿；同樣，在放電過程中，會存在某一電池電量已到達最小容許荷電狀態，而其余電池仍可進一步放電的情況，此時，為了避免過放電導致的電池芯損壞，所有串聯的電池芯都將停止繼續放電。由此可見，電池芯性能的不一致，將導致儲能系統整體的可用容量受到限制，造成配置容量的浪費，增加儲能系統的成本。

同時，由于電池不一致性造成的環流也將加速電池的老化與損壞，增加系統的維護成本。另一方面，對于一系列串聯的電池芯而言，當其中某一電池芯老化損壞，無法繼續進行充放電時，所有與該電池串聯的電池芯也將無法正常工作。由于大容量高電壓的儲能系統中，串聯的電池芯數量往往很大，這一問題也將顯著提高電池儲能系統的成本與效能。