一种基于钠离子电池的储能运行系统及方法与流程

本发明涉及钠离子电池，特别是涉及一种基于钠离子电池的储能运行系统及方法。

背景技术：

1、锂电池有着能量密度高、充放电速度快等优点，当前电化学储能多采用锂电池存储电能，但锂电池的安全问题始终难以解决。锂电特性：电流密度越大，枝晶锂的生长速度越快，刺状枝晶锂最终会刺穿电池内部结构，造成电池短路自燃。这也是锂电储能系统在某些特定条件下会引发火灾、爆炸的根本原因。

2、当前锂电储能系统为了避免出现火灾，常用技术方案有增加pack级消防设备、增加dc-dc模块提升系统稳定性等。以上方案虽然可以降低锂电自燃的风险，但也将产品复杂化，不利于生产维护，新增设备会带入更多潜在故障点，同时也会拉高产品成本。

3、相比锂离子电池，钠离子电池产生枝晶的概率低，自燃的概率相对也低，采用钠离子电池储能系统能够有效避免锂离子电池储能系统存在的上述问题；因此，加强基于钠离子电池的储能运行研究，是提高储能系统运行质量的关键措施。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于钠离子电池的储能运行系统及方法，在不增加额外设备的前提下，采用钠离子电池模组，可在故障电芯失控前切断其所在的模组，避免单电芯故障燃烧和电芯故障扩散，降低了电池自燃风险，从而保证储能运行系统可靠运行。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于钠离子电池的储能运行系统，包括多个电池簇；

4、所述电池簇包括多个电池包、监控单元、供配电模块、簇级消防单元；

5、所述电池包包括至少两个电池模组；

6、所述供配电模块用于进行交直流转换和簇级回路保护；

7、所述监控单元包括一级控制单元和二级控制单元；

8、所述一级控制单元设置于电池包内，所述一级控制单元包括信号采集回路、处理器、功率控制回路，所述功率控制回路用于投入或切除电池模组，控制电池包内的电流走向，所述信号采集回路用于采集所述电池模组内电芯数据；所述处理器用于根据信号采集回路采集的电芯数据判定电池模组是否存在异常，以此来控制功率控制回路；

9、所述二级控制单元设置在供配电模块内，所述二级控制单元与所述一级控制单元连接，用于接收一级控制单元的各项数据，并计算簇电压，通过判断簇电压是否低于设定阈值，来控制单个电池簇的运行与切断。

10、进一步的，所述供配电模块还包括变流器、交直流配电回路，所述变流器串联在交直流配电回路中，所述二级控制单元还用于采集所述变流器和电池簇内的主回路上的各器件的数据。

11、进一步的，所述功率控制回路包括若干开关器件，每个电池模组配置两个开关器件，一个开关器件与电池模组串联，另一个开关器件与电池模组并联。

12、进一步的，所述电池簇还包括备用电池包，用于当簇内某个电池模组被切除时进行使用；所述系统还包括备用电池簇。

13、进一步的，所述电芯数据包括包内温度、气压、回路电压、电流。

14、本发明还提供了一种基于钠离子电池的储能运行方法，应用于所述基于钠离子电池的储能运行系统，包括以下步骤：

15、s1、信号采集回路采集电池模组内电芯数据，处理器根据所述电芯数据判定电池模组是否存在异常；

16、s2、当某一个电池模组存在异常时，切除所述电池模组，所述储能运行系统正常运行；

17、s3、当检测到某一个电池包内的所有电池模组都存在异常时，切除该电池包，此时，二级控制单元检测到的簇电压不满足变流器输入电压要求，使得该电池包在的电池簇无法继续运行，则切除该电池簇，储能运行系统仍正常运行，但储能运行系统容量有所降低；

18、s4、若同一电池包中的任意一个电池模组恢复正常，则该电池包所在的电池簇重新启动运行；

19、s5、若某一个电池簇中，处于不同电池包的多个电池模组被检测为异常，则切除这几个电池模组，此时，若二级控制单元检测到的簇电压不满足变流器输入电压要求，则该电池簇被故障切除；

20、s6、当连续两个电池簇被切除时，将判定有故障蔓延趋势，则限制储能运行系统自动停机，此时，安排检修，检修完成后重新启动储能运行系统。

21、进一步的，在切除电池包时，断开所述功率控制回路的所有开关器件；在切除簇时，将每个电池包的所有开关器件都断开。

22、进一步的，所述电池包有两个电池模组：电池模组1和电池模组2，所述功率控制回路有4个开关器件：开关器件1、开关器件2、开关器件3、开关器件4，电池包的功率控制回路有以下工作模式：

23、工作模式1为：开关器件1、4闭合，开关器件2、3断开；放电时负极输入，经过电池模组1、2，正极输出，充电时方向相反；

24、判定电池模组1异常时，需要暂时切除电池模组1运行，功率控制回路进入工作模式2：开关器件2、4闭合，开关器件1、3断开；放电时负极输入，仅经过电池模组2，正极输出，充电时方向相反；待电池模组1恢复时功率控制回路切换为工作模式1；

25、判定电池模组2异常时，需要暂时切除电池模组2运行，功率控制回路进入工作模式3：开关器件1、3闭合，开关器件2、4断开；放电时负极输入，仅经过电池模组1，正极输出，充电时方向相反；待电池模组2恢复时功率控制回路切换为工作模式1；

26、判定电池模组1、2异常时，暂时切除电池模组1、2，功率控制回路进入工作模式4：开关器件2、3闭合，开关器件1、4断开；放电时负极输入，不经过模组，正极输出，充电时方向相反；仅电池模组2恢复时功率控制回路切换为工作模式2，仅电池模组1恢复时功率控制回路切换为工作模式3，待电池模组1、2都恢复时，功率控制回路切换为工作模式1。

27、进一步的，所述方法还包括对备用电池包和备用电池簇的控制方案，包括以下步骤：

28、1)备用电池包长期处于工作模式4，只有当电池簇内某个电池模组被切除时才投入使用；

29、2)当电池模组1被切除时，备用电池包中的电池模组1投入使用，功率控制回路进入工作模式3；

30、3)当某个电池包内的两个电池模组1、2都被切除时，备用电池包整个投入使用，功率控制回路进入工作模式1，无需单簇切除；当电池模组1、2中任一电池模组恢复时，备用电池包的电池模组2被切除，功率控制回路进入工作模式3；当1、2都恢复时，备用电池包被切除，此时电池包的功率控制回路进入工作模式4；

31、4)当电池簇a内出现重大故障，被切除的电池模组大于4个时，限制电池簇a被切除；

32、5)备用电池簇正常情况下处于待机状态，当故障电池簇被切除时，备用电池簇立即投入使用，避免储能运行系统降容运行；

33、6)如出现重大事故，连续2个电池簇被切除，此时无论备用电池簇是否投入，储能运行系统都自动停机。

34、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于钠离子电池的储能运行系统及方法，只需要添加一级控制单元和二级控制单元，即可实现通过采集电池模组工作信息，提前预判模组状态，可在故障电芯失控前切断其所在的电池模组，避免单电芯故障燃烧及电芯故障扩散，确保系统可靠运行，有效抑制火灾发生。而且由于钠电池具有较高的热稳定性，配置簇级消防设备即可应对电气火灾，删除电池包内消防部件以及消防主机和管路，简化系统方便生产调试维护，提高生产、调试效率，可大幅降低储能系统成本；电池簇包级消防删除后，电池簇体积可适当缩小，空间利用率提高，可提升单位体积系统能量密度；相比锂离子，钠离子产生枝晶的概率低，自燃的概率相对也低，可有效降低火灾出现机率，从而保证系统可靠运行。由于本发明未增加其他部件，电池模组控制回路集成在电池管理系统中，相比增加dc-dc模块，成本较低。

技术特征：

1.一种基于钠离子电池的储能运行系统，其特征在于，包括多个电池簇；

2.根据权利要求1所述的基于钠离子电池的储能运行系统，其特征在于，所述供配电模块还包括变流器、交直流配电回路，所述变流器串联在交直流配电回路中，所述二级控制单元还用于采集所述变流器和电池簇内的主回路上的各器件的数据。

3.根据权利要求1所述的基于钠离子电池的储能运行系统，其特征在于，所述功率控制回路包括若干开关器件，每个电池模组配置两个开关器件，一个开关器件与电池模组串联，另一个开关器件与电池模组并联。

4.根据权利要求1所述的基于钠离子电池的储能运行系统，其特征在于，所述电池簇还包括备用电池包，用于当簇内某个电池模组被切除时进行使用；所述系统还包括备用电池簇。

5.根据权利要求1所述的基于钠离子电池的储能运行系统，其特征在于，所述电芯数据包括包内温度、气压、回路电压、电流。

6.一种基于钠离子电池的储能运行方法，应用于权利要求1-5任一项所述的基于钠离子电池的储能运行系统，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于钠离子电池的储能运行方法，其特征在于，在切除电池包时，断开所述功率控制回路的所有开关器件；在切除簇时，将每个电池包的所有开关器件都断开。

8.根据权利要求6所述的基于钠离子电池的储能运行方法，其特征在于，所述电池包有两个电池模组：电池模组1和电池模组2，所述功率控制回路有4个开关器件：开关器件1、开关器件2、开关器件3、开关器件4，电池包的功率控制回路有以下工作模式：

9.根据权利要求8所述的基于钠离子电池的储能运行方法，其特征在于，所述方法还包括对备用电池包和备用电池簇的控制方案，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于钠离子电池的储能运行系统及方法，涉及钠离子电池技术领域，该系统包括多个电池簇；电池簇包括多个电池包、监控单元、供配电模块、簇级消防单元；电池包包括至少两个电池模组；供配电模块用于进行交直流转换和簇级回路保护；监控单元包括一级控制单元和二级控制单元；一级控制单元设置于电池包内，一级控制单元包括信号采集回路、处理器、功率控制回路；二级控制单元设置在供配电模块内，二级控制单元与一级控制单元连接，用于接收一级控制单元的各项数据，并计算簇电压，通过判断簇电压是否低于设定阈值，来控制单个电池簇的运行与切断。本发明在不增加额外设备的基础上，可有效减少火灾，保证系统可靠运行。

技术研发人员：宋斌,林卫星,左文平,张明露
受保护的技术使用者：厦门和储能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5