應用于高功率高電壓工況的儲能系統的電池單元連接線路的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種儲能系統，尤其是涉及一種高功率高電壓應用場合的儲能系統的組成結構、電池單元連接線路和單元監控管理方法。
【背景技術】
[0002]隨著電池儲能系統技術的進步，其儲能的比能量快速提升，單位成本逐步下降，加上電池儲能系統本身所具有的快速響應、設置便捷等特點，使得電池儲能系統的應用在高功率高電壓的工況中也變得越來越廣泛。
[0003]通常情況下，電池儲能系統是由大量的單體電池進行串并聯組合，構建成一個完整的系統，來實現一定規模電能的存儲和釋放的功能。在需要滿足高功率高電壓工況工作的場合(如港口胎式龍門吊油電混合動力系統)，由于儲能系統需要滿足的功率能力很大，往往不便于在工作回路上設置過多的保護裝置，例如熔斷器，這些高功率的保護裝置本身的需要消耗功率，并且可能由于這些保護裝置一致性差造成儲能系統可靠性的下降。更進一步，儲能系統的高電壓意味著串聯的單體電池數量多，因而其一致性的問題顯得尤為突出。如果沒有較好的解決方案來實現儲能系統在使用過程中動態的一致性，則該儲能系統往往需要限容量或限功率運行，不能很好的滿足實際使用工況的需求。
[0004]為解決這一問題，一般是在BMS (電池管理系統)中設置均衡管理模塊，通常使用的均衡方法是在BMS (電池管理系統)中添加硬件結構電路作為均衡管理模塊，當儲能系統需要均衡的時候，開啟均衡模式，對系統中高電壓或高SOC的單體電池中多余的電量進行消耗，將單體電池的電壓和帶電量調整到系統設定的目標水平，以此達到均衡的目的，但是這種方法存在均衡管理成本高、均衡效率低的問題。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中的缺陷，本發明旨在提供一種可以應用于高功率高電壓工況的儲能系統的電池單元連接線路。本發明通過以下方案實現:
[0006]儲能電池單元在結構上采用主串次并的方式，先將η只單體電池串聯形成電池組形成主回路，m支主回路并聯連接，再將每支主回路之間的每一行單體電池并聯形成次回路。所述主回路電池單元間的連接電阻與次回路單元間連接電阻之比的范圍為1:1?1:200，優選為1:20?1:100。該連接電阻比值的設置，可以很好地實現兩類回路不同功能的實現，即主回路承擔儲能系統與外部進行電能交換的通路，次回路承擔儲能系統內部行采樣監測、BMS保護、電流過流熔斷硬保護、均衡、輔助工作等多重功能。
[0007]所述主回路的總負極或總正極端串聯第一熔斷器(5)，所述次回路單元間連接有第二熔斷器(6)和第三熔斷器(7)，第二熔斷器(6)和第三熔斷器(7)額定電流為第一熔斷器額定電流的5%?20%。該第二熔斷器和第三熔斷器及其額定電流的設置，既能實現正常情況下滿足儲能系統各電池單元由于性能差異內部自動均衡的目的，又能實現異常情況下滿足儲能系統安全保護和快速隔離的要求。
[0008]同時，為結合儲能系統的新型結構特點，還特別設置有監測次回路單元的電池管理單元。該次回路監測用電池管理單元的設置，進一步的增強了對儲能系統動態管理能力，尤其是在單元一致性的監測上得到根本加強，因而其安全性和可靠性得到強化和保障。
[0009]與現在技術相比，本發明有以下的優點:
[0010]1.儲能系統表現出更高的能量效率。主回路作為工作回路，承擔儲能系統與外部進行電能交換的通路，由于不需要考慮內部并聯環流等影響，也不需設置額外的保護裝置如FUSE，因此主回路的連接電阻和壓降很低，高功率工作情況下的線路損耗小，導致儲能系統表現出更高的整體效率。
[0011]2.可以實現高效、快速均衡。次回路作為輔助回路，實現了電池單元之間的并聯，因而可以起到并聯電池單元之間動態均衡的目的。
[0012]3.可以實現儲能系統均衡和正常工作的良好結合。由于主回路和次回路是分離的，因而不會影響儲能系統高功率的工作，相反，由于次回路的存在可以實現并聯電池單元之間的動態均衡，增強了儲能系統工作狀態下的一致性，可以延長儲能系統高功率工作的有效時間。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明比較例儲能系統組合結構圖；
[0014]圖2是本發明實施例儲能系統組合結構圖；
[0015]圖3a是本發明實施例鎳氫電池儲能系統放電列單元電壓-時間曲線圖。
[0016]圖3b是本發明比較例鎳氫電池儲能系統放電列單元電壓-時間曲線圖。
[0017]圖4是本發明實施例鎳氫電池儲能系統放電行單元電壓-時間曲線圖。
[0018]圖5是本發明實施例鎳氫電池儲能系統放電同行單體電池與行單元電壓-時間曲線圖。
【具體實施方式】
[0019]實施例1
[0020]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。本實施例采用鎳氫D型1.2V6Ah電池，以及由該型號單體電池所組成的儲能系統來進行說明。儲能系統由3360只單體電池組成，儲能系統額定電壓為576V，額定能量為24.2kWh，該儲能系統需滿足200kW額定功率輸出工作3分鐘以上的能力。
[0021]圖1展示了比較例儲能系統的組合結構形式。首先480只單體電池I串聯起來，構成一個列，并且每列的正極與總正2連接的地方設置有繼電器4，每列的負極與總負3連接的地方設置有熔斷器5。然后同樣的7列負極共同并聯連接到總負3，7列正極共同并聯連接到總正2。BMS (電池管理系統)監測最小管理單元的電壓、溫度、每列電流，計算出每列的S0C，實施對儲能系統的管理和控制。由于儲能系統由3360只單體電池構成，為了減少管理的成本，往往最小管理單元是由6個單體電池串聯構成，即BMS檢測由6個單體電池串聯而成的最小管理單元的電壓、溫度、每列電流。該結構形式的儲能系統存在以下的問題:首先由于BMS監測的最小管理單元是由多達6個電池串聯而成，其電壓特性是6個單體電池特性的疊加，由于單體電池的不一致性，疊加的特性往往不能準確反映單體電池的實際特性，因此對儲能系統的管理和控制帶來不確定性，容易造成單體電池的過充電、過放電等，嚴重情況下帶來安全風險。其次，單體電池本征特性的不一致性、使用環境的不一致性、組合的不一致性等多重因素疊加，儲能系統使用過程中，單體之間的差異往往呈現擴大的趨勢，例如單體電池之間的電壓偏差，這種差異達到一定程度，就需要對儲能系統進行停機維護。但是，由于BMS只能判斷最小管理單元即6只串聯組合體之間的電壓偏差，難以判斷單體電池之間的電壓偏差，所以存在最小管理單元偏差較小，實際上單體電池之間電壓偏差已經很大的情況。判斷的不及時會進一步加速儲能系統的不良和惡化。第三，單體之間的不一致性，缺乏有效的均衡方法來消除。由于單體之間是全串聯型，彼此之間只能通過列來均衡，但是列均衡可能與單體均衡需求剛好是反向的，即該列在均衡充電但是其中卻存在高容量高電壓的單體電池剛好需要放電。第四，儲能系統的可維護性差，可使用的能量范圍大打折扣。由于BMS不能有效反饋單體電池的狀態、有效的單體之間均衡方法缺乏，導致儲能系統使用過程中為了保證安全性，往往縮小其可利用的能量范圍，同時，在儲能系統確實需要進行維護的時候，也不能獲得可靠的維護方法。
[0022]圖2展示了本發明實施例儲能系統的組合結構形式。首先480只單體電池I串聯起來，構成一個列，稱為主回路，并且每列的正極與總正2連接的地方設置有繼電器，每列的負極與總負3連接的地方設置有第一熔斷器5。然后同樣的7列負極共同并聯連接到總負3，7列正極共同并聯連接到總正2。其次是每一行，共480行，同行的單體電池I通過并聯導體8進行并聯，稱為次回路，在單體電池的正極與并聯導體連接的地方設置有行熔斷器即第二熔斷器6，在單體電池的負極與并聯導體連接的地方設置有第三熔斷器7。
[0023]每列480只單體電池之間的串聯連接，為了使得儲能系統具備200kW額定功率輸出工作3分鐘以上的能力，因此主回路的連接電阻(圖2所示從a到b的連接電阻，即Rab)盡量小，以降低工作時回路自身的損耗。其次，次回路承擔了同行單體電池之間均衡的功能，需要具備通過一定電流的能力，但是不能等同承擔主回路的功能，因此，次回路連接電阻(圖2所示從c到d的連接電阻，即RJ的設置就非常必要(并聯導體8的電阻采用銅排，總電阻為0.2m Ω，每相鄰兩列電池之間為0.033m Ω，并聯導體8的電阻值遠小于Rj。本實施例儲能系統主回路單體電池間連接電阻與次回路單體電池間連接電阻之比為1:80 (Rab=0.05m QjRc