[发明专利]一种电芯级优化电池插箱、储能系统及其应用

说明书

本发明提供了一种电芯级优化电池插箱、储能系统及其应用，属于电化学储能领域。所述电芯级优化电池插箱包括：多个并联在直流母线上的电芯组件；每个所述电芯组件包括旁路开关、直通开关、至少一个单体电芯、主控单元和DC/DC变流器；所述单体电芯与DC/DC变流器连接，DC/DC变流器与主控单元连接；通过旁路开关和直通开关实现单体电芯与直流母线之间的断开、直接连接或者通过DC/DC变流器连接。本发明能够完全避免储能系统由于电芯串并联引起的短板效应，使得储能系统的循环寿命和电芯的循环寿命一致。

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种电芯级优化电池插箱、储能系统及其应用。

背景技术

目前大规模储能系统对储能电堆的容量需求越来越大，电堆中大量电池插箱串并联成为储能系统扩容的主要手段。实际项目中一般采用1-10个电池并联为一个电池模组，再将12到24个电池模组串联，形成一个电池插箱，电池插箱是电堆维护时的最小操作单元。一般多个电池插箱经过串联形成一个电池簇，电池簇的电压一般与储能变流器的直流电压范围匹配。每台储能变流器的直流侧接入多个并联的电池簇，形成电堆。如图1所示为常见储能系统中电堆和储能变流器的组成方式。

但串并联后每个电池的不一致性成为了电堆整体性能的制约因素。电堆中的单个电池达到充放电截止电压后，整个电堆不得不停止充放电，否则将导致电池故障，甚至引起火灾等事故。图8所示为单体电芯充放电曲线图，显然，充放电末端电芯电压变化剧烈，电芯的不一致性导致整个电堆中的电芯压差增大，有些电芯已经到达过欠压保护点，而有些电芯仍具备一定的可用容量。

进一步地，虽然储能变流器设置了恒压充电和浮充等小电流充电模式，但往往在大功率恒流充电阶段后期，就会出现电堆中个别电芯单体过压告警，导致整个电堆无法进入恒压、浮充状态即停机。根据工程经验，这种工作方式将损失至少4％的电堆充放电容量。随电堆运行时间加长，一致性变差，充放电容量的损失还会进一步加大。

而目前的解决方案是采用电池管理系统，该系统不仅监测每个电池的电压、温度等运行状况，而且采用主动均衡或被动均衡等方式，使单个电池插箱内，充电时电压较高的电池少充电、放电时电压较低的电池少放电。但均衡能力有限，且只能管理单个电池插箱内部的电池间均衡，实际项目中往往还是出现电堆的短板效应。如图2所示为现有的单个电池插箱内的电池管理系统，包括采集和均衡电路。

在使用电池管理系统的基础上，有厂商提出采用组串式储能变流器，即每个电池簇接入一台储能变流器，电池簇间不再并联。可实现短板电池或插箱所在电池簇随时退出，其他电池簇继续充放电的功能。但单个电池或电池插箱达到充放电截止电压，则整簇停止运行，依然对其他电池的容量利用有限。如图3所示为现有的组串式储能变流器和电堆的系统组成方式。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种电芯级优化电池插箱、储能系统及其应用，避免电堆中某个电池或电池插箱达到截止电压或故障所形成的短板效应。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一个方面，提供了一种电芯级优化电池插箱，所述电芯级优化电池插箱包括：多个并联在直流母线上的电芯组件；

每个所述电芯组件包括旁路开关、直通开关、至少一个单体电芯、主控单元和DC/DC变流器；

所述单体电芯与DC/DC变流器连接，DC/DC变流器与主控单元连接；

通过旁路开关和直通开关实现单体电芯与直流母线之间的断开、直接连接或者通过DC/DC变流器连接。

本发明的进一步改进在于，每个所述电芯组件包括一个单体电芯；

所述单体电芯的正负极分别与DC/DC变流器的首端的正负极连接，DC/DC变流器的末端的正负极分别与直流母线的正负极连接；