新型储能电池簇内电池模组矩阵式重组结构及控制方法与流程

1.本发明涉及储能系统电池簇电池模组的结构组态技术领域，具体为新型储能电池簇内电池模组矩阵式重组结构及控制方法。


背景技术：

2.随着国家大力推动储能行业发展，储能电站的规模、数量飞速增长，由其是大规模储能电站投运，数万只电芯的聚集长期运行，因受不同工况的影响，使其参数不断地发生变化，造成同电池簇内的电池模组的一致性发生变化。
3.系统又无法实时对模组单体进行在线精准维护，导致电池的整体效率下降和使用寿命降低，同时由于受目前电池簇内电池模组的串接形式的影响，在其中任意一个模组故障状态下需要将所在电池簇进行整体切除，造成电池系统能量损失，为此，提出新型储能电池簇内电池模组矩阵式重组结构及控制方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供新型储能电池簇内电池模组矩阵式重组结构及控制方法，以解决上述背景技术中提出的无法实时对模组单体进行在线精准维护，导致电池的整体效率下降和使用寿命降低，同时由于受目前电池簇内电池模组的串接形式的影响，在其中任意一个模组故障状态下需要将所在电池簇进行整体切除，造成电池系统能量损失的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：新型储能电池簇内电池模组矩阵式重组结构，包括电池支架，所述电池支架内设置有多组电池模组，多组所述电池模组在电池支架上呈阵列状结构均匀分布，所述电池模组上设置有模组输出电子开关，所述电池支架上沿上下方向通过支撑件固定连接有多组与模组输出电子开关和电池模组配合使用的电池模组汇流排，所述电池支架的两侧沿上下方向设置有多组与电池模组配合使用的旁路电子开关，所述电池支架的两侧从左至右分别设置有与旁路电子开关配合使用的旁路负极排和旁路正极排，所述电池模组上设置有电池模组信息采集模块，所述电池支架上设置有控制器。
6.优选的，所述旁路负极排和旁路正极排相互靠近的一侧沿上下方向对称设置有连接架，且连接架的一侧固定连接在电池支架上。
7.另外本发明还提供了新型储能电池簇内电池模组矩阵式重组结构的控制方法，包括以下步骤：
8.s1、系统正常充放电模式：系统能量管理控制中心在线监测电池模组信息采集模块上送的各模组数据在正常阈值范围内，根据系统需求下发充电或放电命令到各电池簇控制器，控制器根据预置控制逻辑启动控制程序，下发启动命令到各模组输出电子开关，使其处于导通状态，同时控制并检测各旁路电子开关在断开状态，电池系统进入充放电工作模式；
9.s2、正常工作模式下的单一故障模组在线隔离：当控制器接收到在线监测电池模
组信息采集模块上发送的某一个模组数据超出正常阈值时，其可以限时转入故障处理程序，在经过一个数据检测循环后故障仍未消失，启动故障处理程序，下发启动跳闸命令到故障模组输出电子开关，使其处于断开状态，将故障电池模组进行电气隔离，并将故障信息上送到系统能量管理中心；
10.s3、正常工作模式下的某一层故障模组群在线隔离：当控制器接收到同一层多个电池模组信息采集模块上送的模组数据同时超出正常阈值时，其可以立即转入故障处理程序，在经过一个数据检测循环后故障仍未消失，于是启动故障处理程序，下发启动跳闸命令在断开同一层各故障模组输出电子开关的同时，通过下发合闸命令，将连接故障电池模组正负极汇流母排的两个正极旁路电子开关处于导通状态，通过旁路将其进行短接导通，在将故障电池模组层全部进行电气隔离的同时，通过旁路开关和旁路母排将电池系统重构成完整充放电回路，并将故障信息上送到系统能量管理中心；
11.s4、正常工作模式下的不同层几个模组同时故障的在线隔离：当控制器接收到在线监测电池模组信息采集模块上送的处于不同层的某几个电池模组数据同时超出正常阈值时，其可以限时转入故障处理程序，在经过一个数据检测循环后故障仍未消失，于是启动故障处理程序，下发启动跳闸命令分别到故障模组输出电子开关，使其处于断开状态，将所有故障电池模组进行电气隔离，系统通过原有的串并联回路仍能保证系统的运行，并将故障信息上送到系统能量管理中心；
12.s5、待机模式下的某一层内模组群在线能量转移均衡：在系统待机状态下，当控制器接收到一层或多层内的几个电池模组信息采集模块上发送的模组电量soc数据存在差异时，其可立即启动同层能量转移均衡程序，首先分别断开保持均值电量电池模组的模组输出电子开关，将他们先进行隔离，然后将电量soc高于和低于均值的电池模组的模组输出电子开关维持导通状态，形成同层能量均衡回路，并通过实时数据在线监测手段，根据电量均衡情况控制各电子开关的通断，以达到最终各电池模组电量的平衡，并将均衡信息上送到系统能量管理中心；
13.s6、电池簇内所有奇数层或偶数层的模组群整体在线能量转移均衡：电池簇在长期运行后，为达到电池簇整体的电池模组一致性，需要对簇内电池模组进行维护均衡，在系统待机状态下，系统根据电池簇的布置情况按层进行分类均衡，首先选取奇数层进行均衡操作，控制器将所有奇数层中的模组输出电子开关断开，然后将连接模组正极的电池模组汇流排的正极旁路电子开关导通，通过旁路正极排将所有奇数层内的电池模组汇流排连通；同时将连接模组负极的电池模组汇流排的负极旁路电子开关导通，通过旁路负极排将所有奇数层内的模组负极的电池模组汇流排连通，使整个电池簇内的奇数层模组形成电气原理上的同一层结构，然后按照同层模组能量转移均衡程序进行模组群体主动均衡。同理可以按照上述操作完成电池簇所有偶数层的模组群体能量转移主动均衡，并将均衡信息上送到系统能量管理中心；
14.s7、电池簇内所有奇数层或偶数层的模组群整体在线外部直流恒压主动均衡：在系统待机状态下，将系统切换到电池簇的奇数层或偶数层能量转移主动均衡模式，再完成能量均衡操作流程后，控制器按程序合上奇数层或偶数层内的所有模组电子开关，将参与均衡的模组全部投入，然后控制器根据程序设定自动合上与电池簇总输出正极母排相连的正极旁路电子开关和与电池簇总输出负极母排相连的负极旁路电子开关，然后对电池簇进
行恒压直流主动均衡，并在各电池模组信息采集模块实时数据的在线监测下完成恒压主动均衡流程，并将均衡信息上送到系统能量管理中心。
15.优选的，所述在s1中，电池系统在进入充放电工作模式时，需要借助外部变流器。
16.优选的，所述在s1中，控制器采用多端口测控一体化微机型装置，且装置还具备至少2路以太网网络接口。
17.优选的，所述在s6中，在系统待机状态下，系统根据电池簇的布置情况按层进行分类均衡，首先选取奇数层进行均衡操作，控制器将所有奇数层中的模组输出电子开关断开，然后将连接电池模组汇流排正极处的正极旁路电子开关导通，通过正极旁路母排将所有奇数层内的电池模组汇流排的正极连通；同时将连接电池模组汇流排负极处的负极旁路电子开关导通，通过负极旁路母排将所有奇数层内的电池模组汇流排的负极连通，使整个电池簇内的奇数层模组形成电气原理上的同一层结构，然后按照同层模组能量转移均衡程序进行模组群体主动均衡，同理可以按照上述操作完成电池簇所有偶数层的电池模组群体能量转移主动均衡。
18.优选的，所述在s7中，电池簇在进行恒压直流主动均衡时，需在储能系统能量管理中心的协调下，启动外部直流恒压设备。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.1.本发明中，通过设置电池支架、电池模组、模组输出电子开关、旁路电子开关、电池模组汇流排、旁路正极排、旁路负极排、电池模组信息采集模块和控制器，以电池簇内电池模组为控制单元的储能系统，以可控的模组输出电子开关、旁路电子开关、电池模组汇流排、旁路正极排、旁路负极排为控制节点，将电池模组按多重可筑的矩阵结构连接起来，形成多种可自由组合的电池模组链路，在储能管理系统的协同控制下完成不同的运行工况模式，除了完成整组的正常充放电工作模式之外，在不改变既有接线状态的情况下，可以实时在线进行多种工作模式的任意切换，不仅很好地解决大规模储能应用领域中电池模组无法多组并联的难题，而且可以轻松在线完成任意故障电池模组的故障隔离、多组电池模组间的在线主动能量均衡和任一或多组电池模组的外部恒压主动均衡等，便于实时对电池模组单体进行在线精准维护，提高了电池的整体效率和使用寿命，同时不受目前电池簇内电池模组串接形式的影响，在其中任意一个电池模组故障状态下，只需要将单个电池模组隔离即可，避免造成电池系统能量损失，从而可保证大规模储能系统在高度一致的工况下安全经济运行。
21.2.本发明中，通过设置控制器，控制器采用多端口测控一体化微机型装置，且装置还具备至少2路以太网网络接口，多端口测控一体化微机型装置具备多路i/o采集和输出功能，其具有不少于24路信号采集输入，并具备插入式可扩展功能，同时多端口输出形式具备以接点和脉冲两种形式，同时装置还具备至少2路以太网网络接口，便于接收远程命令及通过网络发射控制动作命令，同时装置内部的cpu具备数据运算和存储功能，可以按照程序对采集信息进行逻辑运算和根据运算结果发出控制命令。
22.本发明便于实时对电池模组单体进行在线精准维护，提高了电池的整体效率和使用寿命，同时不受目前电池簇内电池模组串接形式的影响，在其中任意一个电池模组故障状态下，只需要将单个电池模组隔离即可，避免造成电池系统能量损失，从而可保证大规模储能系统在高度一致的工况下安全经济运行。
附图说明
23.图1为本发明新型储能电池簇内电池模组矩阵式重组结构及控制方法的结构示意图；
24.图2为本发明新型储能电池簇内电池模组矩阵式重组结构的结构局部立体图。
25.图中：1、电池支架；2、电池模组；3、模组输出电子开关；4、旁路电子开关；5、电池模组汇流排；6、旁路正极排；7、旁路负极排；8、电池模组信息采集模块；9、控制器。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.实施例1
28.请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：新型储能电池簇内电池模组矩阵式重组结构，包括电池支架1，与大规模储能工程相适应且可满足多组电池模组2相并联要求的电池及配电元件支撑系统，电池支架1内设置有多组电池模组2，储能系统能量及可控制的最小单元，多组电池模组2在电池支架1上呈阵列状结构均匀分布，电池模组2上设置有模组输出电子开关3，具有远程控制功能的配电单元，可以通过其通断控制完成电池模组2不同工作模式的切换，电池支架1上沿上下方向通过支撑件固定连接有多组与模组输出电子开关3和电池模组2配合使用的电池模组汇流排5，分别连接各电池模组2的正负极输出，并对电流进行汇集和完成层间电池模组2的串联，电池支架1的两侧沿上下方向设置有多组与电池模组2配合使用的旁路电子开关4，可远程控制，且可以控制完成电池模组2不同工作模式的切换，电池支架1的两侧从左至右分别设置有与旁路电子开关4配合使用的旁路负极排7和旁路正极排6，旁路正极排6与电池簇正极输出母排通过旁路电子开关4的正极处相连，并通过各分路旁路电子开关4与各层电池模组2上的母排相连，形成可通断回路，旁路负极排7可与电池簇负极输出母排通过旁路电子开关4的负极相连，并通过各分路旁路电子开关4与各层电池模组2上的母排相连，形成可通断回路，电池模组2上设置有电池模组信息采集模块(bms)8，可各电池模组2的信息采集和测量元件，实时监测其主要参数信息和完成上送传输，电池支架1上设置有控制器9，控制器9为电池簇工作模式控制单元，接受储能系统能量管理控制中心的信息和远程命令，并通过通讯方式完成本电池簇内各电子开关的通断控制，通过设置电池支架1、电池模组2、模组输出电子开关3、旁路电子开关4、电池模组汇流排5、旁路正极排6、旁路负极排7、电池模组信息采集模块(bms)8和控制器9，便于实时对电池模组2单体进行在线精准维护，提高了电池的整体效率和使用寿命，同时不受目前电池簇内电池模组2串接形式的影响，在其中任意一个电池模组2故障状态下，只需要将单个电池模组2隔离即可，避免造成电池系统能量损失，从而可保证大规模储能系统在高度一致的工况下安全经济运行。
29.实施例2
30.请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：新型储能电池簇内电池模组矩阵式重组结构，包括电池支架1，与大规模储能工程相适应且可满足多组电池模组2相并联要求的电
池及配电元件支撑系统，电池支架1内设置有多组电池模组2，储能系统能量及可控制的最小单元，多组电池模组2在电池支架1上呈阵列状结构均匀分布，电池模组2上设置有模组输出电子开关3，具有远程控制功能的配电单元，可以通过其通断控制完成电池模组2不同工作模式的切换，电池支架1上沿上下方向通过支撑件固定连接有多组与模组输出电子开关3和电池模组2配合使用的电池模组汇流排5，分别连接各电池模组2的正负极输出，并对电流进行汇集和完成层间电池模组2的串联，电池支架1的两侧沿上下方向设置有多组与电池模组2配合使用的旁路电子开关4，可远程控制，且可以控制完成电池模组2不同工作模式的切换，电池支架1的两侧从左至右分别设置有与旁路电子开关4配合使用的旁路负极排7和旁路正极排6，旁路正极排6与电池簇正极输出母排通过旁路电子开关4的正极处相连，并通过各分路旁路电子开关4与各层电池模组2上的母排相连，形成可通断回路，旁路负极排7可与电池簇负极输出母排通过旁路电子开关4的负极相连，并通过各分路旁路电子开关4与各层电池模组2上的母排相连，形成可通断回路，旁路负极排7和旁路正极排6相互靠近的一侧沿上下方向对称设置有连接架，且连接架的一侧固定连接在电池支架1上，连接架的设计，可使旁路负极排7和旁路正极排6更加稳定，电池模组2上设置有电池模组信息采集模块(bms)8，可各电池模组2的信息采集和测量元件，实时监测其主要参数信息和完成上送传输，电池支架1上设置有控制器9，控制器9为电池簇工作模式控制单元，接受储能系统能量管理控制中心的信息和远程命令，并通过通讯方式完成本电池簇内各电子开关的通断控制，通过设置电池支架1、电池模组2、模组输出电子开关3、旁路电子开关4、电池模组汇流排5、旁路正极排6、旁路负极排7、电池模组信息采集模块(bms)8和控制器9，便于实时对电池模组2单体进行在线精准维护，提高了电池的整体效率和使用寿命，同时不受目前电池簇内电池模组2串接形式的影响，在其中任意一个电池模组2故障状态下，只需要将单个电池模组2隔离即可，避免造成电池系统能量损失，从而可保证大规模储能系统在高度一致的工况下安全经济运行。
31.另外本发明还提供了新型储能电池簇内电池模组矩阵式重组结构的控制方法，包括以下步骤：
32.s1、系统正常充放电模式：系统能量管理控制中心在线监测电池模组信息采集模块(bms)8上送的各模组数据在正常阈值范围内，根据系统需求下发充电或放电命令到各电池簇控制器9，控制器9根据预置控制逻辑启动控制程序，下发启动命令到各模组输出电子开关 和kk-，使其处于导通状态，同时控制并检测各旁路电子开关 和pk-在断开状态，电池系统进入充放电工作模式；
33.s2、正常工作模式下的单一故障模组在线隔离：当控制器9接收到在线监测电池模组信息采集模块(bms)8上发送的某一个模组数据超出正常阈值时，其可以限时转入故障处理程序，在经过一个数据检测循环后故障仍未消失，启动故障处理程序，下发启动跳闸命令到故障模组输出电子开关 和kk-，故障模组输出电子开关 和kk-为故障模组输出电子开关3的正极和负极，使其处于断开状态，将故障电池模组2进行电气隔离，并将故障信息上送到系统能量管理中心；
34.s3、正常工作模式下的某一层故障模组群在线隔离：当控制器9接收到同一层多个电池模组信息采集模块(bms)8上送的模组数据同时超出正常阈值时，其可以立即转入故障处理程序，在经过一个数据检测循环后故障仍未消失，于是启动故障处理程序，下发启动跳
闸命令在断开同一层各故障模组输出电子开关 和kk-的同时，通过下发合闸命令，将连接故障电池模组2正负极汇流母排的两个正极旁路电子开关4处于导通状态，通过旁路将其进行短接导通，在将故障电池模组2层全部进行电气隔离的同时，通过旁路开关和旁路母排将电池系统重构成完整充放电回路，并将故障信息上送到系统能量管理中心；
35.s4、正常工作模式下的不同层几个模组同时故障的在线隔离：当控制器9接收到在线监测电池模组信息采集模块(bms)8上送的处于不同层的某几个电池模组2数据同时超出正常阈值时，其可以限时转入故障处理程序，在经过一个数据检测循环后故障仍未消失，于是启动故障处理程序，下发启动跳闸命令分别到故障模组输出电子开关 和kk-，使其处于断开状态，将所有故障电池模组2进行电气隔离，系统通过原有的串并联回路仍能保证系统的运行，并将故障信息上送到系统能量管理中心；
36.s5、待机模式下的某一层内模组群在线能量转移均衡：在系统待机状态下，当控制器9接收到一层或多层内的几个电池模组信息采集模块(bms)8上发送的模组电量soc数据存在差异时，其可立即启动同层能量转移均衡程序，首先分别断开保持均值电量电池模组2的模组输出电子开关 和kk-，将他们先进行隔离，然后将电量soc高于和低于均值的电池模组2的模组输出电子开关维持导通状态，形成同层能量均衡回路，并通过实时数据在线监测手段，根据电量均衡情况控制各电子开关的通断，以达到最终各电池模组2电量的平衡，并将均衡信息上送到系统能量管理中心；
37.s6、电池簇内所有奇数层或偶数层的模组群整体在线能量转移均衡：电池簇在长期运行后，为达到电池簇整体的电池模组2一致性，需要对簇内电池模组2进行维护均衡，在系统待机状态下，系统根据电池簇的布置情况按层进行分类均衡，首先选取奇数层进行均衡操作，控制器9将所有奇数层中的模组输出电子开关3断开，然后将连接模组正极的电池模组汇流排5的正极旁路电子开关4导通，通过旁路正极排6将所有奇数层内的电池模组汇流排5连通；同时将连接模组负极的电池模组汇流排5的负极旁路电子开关4导通，通过旁路负极排7将所有奇数层内的模组负极的电池模组汇流排5连通，使整个电池簇内的奇数层模组形成电气原理上的同一层结构，然后按照同层模组能量转移均衡程序进行模组群体主动均衡。同理可以按照上述操作完成电池簇所有偶数层的模组群体能量转移主动均衡，并将均衡信息上送到系统能量管理中心；
38.s7、电池簇内所有奇数层或偶数层的模组群整体在线外部直流恒压主动均衡：在系统待机状态下，将系统切换到电池簇的奇数层或偶数层能量转移主动均衡模式，再完成能量均衡操作流程后，控制器9按程序合上奇数层或偶数层内的所有模组电子开关，将参与均衡的模组全部投入，然后控制器9根据程序设定自动合上与电池簇总输出正极母排相连的正极旁路电子开关25pk 和与电池簇总输出负极母排相连的负极旁路电子开关11pk-，然后对电池簇进行恒压直流主动均衡，并在各电池模组信息采集模块(bms)8实时数据的在线监测下完成恒压主动均衡流程，并将均衡信息上送到系统能量管理中心。
39.本发明中，在s1中，电池系统在进入充放电工作模式时，需要借助外部变流器，可使电池系统稳定运行。
40.本发明中，在s1中，控制器9采用多端口测控一体化微机型装置，且装置还具备至少2路以太网网络接口，多端口测控一体化微机型装置具备多路i/o采集和输出功能，其具有不少于24路信号采集输入，并具备插入式可扩展功能，同时多端口输出形式具备以接点
和脉冲两种形式，同时装置还具备至少2路以太网网络接口，便于接收远程命令及通过网络发射控制动作命令，同时装置内部的cpu具备数据运算和存储功能，可以按照程序对采集信息进行逻辑运算和根据运算结果发出控制命令。
41.本发明中，在s6中，在系统待机状态下，系统根据电池簇的布置情况按层进行分类均衡，首先选取奇数层进行均衡操作，控制器9将所有奇数层中的模组输出电子开关3断开，然后将连接电池模组汇流排5正极处的正极旁路电子开关4导通，通过正极旁路母排将所有奇数层内的电池模组汇流排5的正极连通；同时将连接电池模组汇流排5负极处的负极旁路电子开关4导通，通过负极旁路母排将所有奇数层内的电池模组汇流排5的负极连通，使整个电池簇内的奇数层模组形成电气原理上的同一层结构，然后按照同层模组能量转移均衡程序进行模组群体主动均衡，同理可以按照上述操作完成电池簇所有偶数层的电池模组2群体能量转移主动均衡，便于提高电池簇整体电池模组2的一致性。
42.本发明中，在s7中，电池簇在进行恒压直流主动均衡时，需在储能系统能量管理中心的协调下，启动外部直流恒压设备，便于保证电池簇可正常进行恒压直流主动均衡。
43.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。