CN106451610A - 一种储能电池簇控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能电池簇控制系统，包括多个电池模组串联的电池簇、电流传感器、预充电电路、控制器、电源和具有第一电容的双向逆变器，预充电电路包括第一直流接触器、预充电直流接触器、预充电电阻和第二直流接触器；还公开一种储能电池簇控制系统的控制方法，应用于储能电池簇控制系统。本发明中一种储能电池簇控制系统控制器加入预充电电路，使系统接通时的冲击电流变为可控，杜绝了系统接通时的大电流烧坏电气元件和线路的现象；一种储能电池簇控制系统的控制方法控制直流接触器的合闸顺序实现预充电，控制直流接触器的分闸顺序，保障直流接触器的正常分闸。本发明作为一种储能电池簇控制系统及其控制方法，可广泛应用于储能电池领域。

Description

一种储能电池簇控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及储能电池领域，尤其是一种储能电池簇控制系统及其控制方法。

背景技术

电池管理系统（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM），电动汽车电池管理系统（BMS）是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带，其主要功能包括：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预警；充、放电与预充控制；均衡管理和热管理等。

储能系统是由多个电池簇汇流组成，而电池簇是由多个电池PACK组成，一簇电池是一个独立的单元，电池簇电压一般在DC 800～1000V，电流一般从±0～±400A之间（以放电电流方向为正），电气设计中要控制这簇电池正常分断、过流保护、过压、失压保护和短路保护，就需要一系列的保护元器件。一般来说，保护线路采用断路器就可以满足这个要求，但目前国际品牌塑壳断路器的额定电压为DC 750V，低于常规的电池簇的电压大小；电池簇电流又分充电和放电两个方向电流，传统的直流断路器在额定电压、电流方向都不满足这个要求；另外，带电操断路器的价格昂贵，安装尺寸大，同时断路器的维护和更换需要专业人员才能进行，设备维护成本高；储能产品一般应用在无人区、海岛、偏远山区等地方，断路器系列产品的后期服务也得不到保障。

电池簇汇流后要与双向逆变器PCS连接，而双向逆变器PCS直流测有一个大电容，而电容是储能元件，在电容长时间没通电的情况下，电容的两端的电压会逐渐变小，当电容静止很久时，电路瞬间闭合，这时候电路中的电阻主要是导线与开关的电阻，一般远小于20mΩ，则电容的充电电流将会很大；在一般系统中，充电电压以820V为例，则充电电流将高达I=820/20mΩ=41kA，一般器件必然损毁，熔断器也有可能熔断，还会影响系统其他电气元件，系统安全性低，所以需要控制电容的充电过程，而现有的电池簇控制系统在设计预充电电路时断路器的控制策略复杂。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种适用性强、操作安全、维修方便的储能电池簇控制系统及其控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种储能电池簇控制系统，所述储能电池簇控制系统包括多个电池模组串联的电池簇、用于测量电池簇工作状态的电流传感器、预充电电路、控制器、电源和具有第一电容的双向逆变器，所述电池簇通过预充电电路与双向逆变器连接，所述电流传感器的输出端与控制器的输入端连接，所述电源的输出端与控制器的输入端连接，所述控制器与预充电电路连接；

所述预充电电路包括第一直流接触器、预充电直流接触器、预充电电阻和第二直流接触器；

所述电池簇的总正极与第一直流接触器的主触头正接线柱连接，所述第一直流接触器的主触头负接线柱与双向逆变器的第一电容的上端连接，所述双向逆变器的第一电容的下端与第二直流接触器的主触头负接线柱连接，所述第二直流接触器的主触头正接线柱与电池簇的总负极连接，所述预充电电阻的一端与第一直流接触器的主触头正接线柱连接，所述预充电电阻的另一端与预充电直流接触器的主触头正接线柱连接，所述预充电直流接触器的主触头负接线柱与第一直流接触器的主触头负接线柱连接；所述控制器分别控制第一直流接触器、预充电直流接触器和第二直流接触器的线圈得失电。

进一步地，所述第一直流接触器和第二直流接触器的通断反馈触头的接线柱分别与控制器连接。

进一步地，所述储能电池簇控制系统还包括线路保护电路，所述线路保护电路包括熔断器，所述电池簇的总正极通过熔断器与第一直流接触器的主触头正接线柱连接。

进一步地，所述储能电池簇控制系统还包括可带载操作的隔离检修电路，所述预充电电路通过隔离检修电路与双向逆变器连接。

进一步地，所述隔离检修电路包括隔离开关或单极开关。

进一步地，所述控制器包括电池管理系统。

进一步地，所述电流传感器包括霍尔电流传感器。

本发明所采用的技术方案是：一种储能电池簇控制系统的控制方法，应用于所述的储能电池簇控制系统，包括以下步骤：

S1、控制器控制预充电直流接触器和第二直流接触器接通，直到第一电容充电达到预定容量时，断开预充电直流接触器并接通第一直流接触器，储能电池簇控制系统合闸完成；

S2、控制器根据电路的电流流向控制第一直流接触器和第二直流接触器按不同顺序分闸。

进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

S21、电流传感器检测电池簇的工作状态即电路的电流流向并将电池簇的工作状态信息发送至控制器，所述电池簇的工作状态包括空载状态和带载状态，所述带载状态包括带载放电状态和带载充电状态；

S22、控制器根据电池簇的工作状态信息控制第一直流接触器和第二直流接触器按照不同顺序分闸。

进一步地，所述步骤S22包括以下步骤：

S221、电池簇空载或带载放电时，控制器控制第一直流接触器分闸后，控制第二直流接触器分闸；

S222、电池簇带载充电时，控制器控制第二直流接触器分闸后，控制第一直流接触器分闸。

本发明的有益效果是：本发明中一种储能电池簇控制系统加入预充电电路，控制器控制直流接触器的接通顺序，使系统接通时的冲击电流变为可控，杜绝了系统接通时的大电流烧坏电气元件和线路的现象，同时也保护了储能电池簇本体；控制器结合电流传感器控制预充电电路的分断，保证直流接触器的正常分闸，延长了系统的使用寿命；直流接触器的可控性和分断次数高，而且接触器更换方便，一般人员就能操作，降低了系统的维护成本；系统器件均是高压适用器件，系统电气安全性高，直流接触器是真空器件，可以在高海拔地区和海岛上使用。

本发明的另一有益效果是：本发明中一种储能电池簇控制系统的控制方法控制直流接触器的合闸顺序实现预充电，使合闸时的冲击电流变为可控，杜绝了合闸时大电流烧坏电气元件和线路的现象，根据电路的电流流向控制直流接触器的分闸顺序，保障直流接触器的正常分闸，保障直流接触器的使用寿命，延长了系统的使用寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明中一种储能电池簇控制系统的结构框图；

图2是本发明中一种储能电池簇控制系统的一具体实施例电路示意图；

图3是本发明中一种储能电池簇控制系统的控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种储能电池簇控制系统，参考图1和图2，图1是本发明中一种储能电池簇控制系统的结构框图，图2是本发明中一种储能电池簇控制系统的一具体实施例电路示意图，所述储能电池簇控制系统包括多个电池模组串联的电池簇1、用于测量电池簇工作状态的电流传感器TA、预充电电路2、控制器、电源和具有第一电容C1的双向逆变器PCS，所述电池簇1由电池PACK1、PACK2、……PACKN前后串联组成，所述电池簇1通过预充电电路2与双向逆变器PCS连接，所述电流传感器TA的输出端与控制器的输入端连接，所述电源的输出端与控制器的输入端连接，所述控制器与预充电电路2连接；

所述预充电电路2包括第一直流接触器KM1、预充电直流接触器KM3、预充电电阻R1和第二直流接触器KM2，所述第一直流接触器KM1、预充电直流接触器KM3和第二直流接触器KM2均为单极性直流接触器；

所述电池簇1的总正极与第一直流接触器KM1的主触头正接线柱+A1连接，所述第一直流接触器KM1的主触头负接线柱-A2与双向逆变器PCS的第一电容C1的上端连接，所述双向逆变器PCS的第一电容C1的下端与第二直流接触器KM2的主触头负接线柱-A2连接，所述第二直流接触器KM2的主触头正接线柱+ A1与电池簇1的总负极连接，所述预充电电阻R1的一端与第一直流接触器KM1的主触头正接线柱+A1连接，所述预充电电阻R1的另一端与预充电直流接触器KM3的主触头正接线柱+ A1连接，所述预充电直流接触器KM3的主触头负接线柱-A2与第一直流接触器KM1的主触头负接线柱-A2连接；所述控制器分别控制第一直流接触器KM1、预充电直流接触器KM3和第二直流接触器KM2的线圈得失电，即第一直流接触器KM1、预充电直流接触器KM3和第二直流接触器KM2的线圈的两个接线柱与控制器连接，如图2所示，第一直流接触器KM1和第二直流接触器的线圈的正接线柱为+（红），负接线柱为-（黑）；预充电直流接触器KM3的线圈的正接线柱为+（白），负接线柱为-（白）；所述控制器可以使用电池管理系统BMS来实现，电池管理系统BMS可以接受电流传感器检测的电池簇的工作状态信息，也可以发送控制信号控制预充电电路的通断。

在本实施例中，本发明一种储能电池簇控制系统加入预充电电路，控制器控制直流接触器的接通顺序，使系统接通时的冲击电流变为可控，这个过程中电压通过预充电电阻R1得到控制，同时第一电容C1也得到了充电过程，直流接触器再合闸，电路中就不会有大电流，杜绝了系统接通时的大电流烧坏电气元件和线路的现象，同时也保护了储能电池簇本体。

另外，由于直流接触器的灭弧原理导致直流接触器不能反向分闸（对电流方向而言），即直流接触器分闸时，需要在电流从直流接触器的主触头正接线柱流向主触头负接线柱的时候分闸，才不会产生电火花损坏直流接触器。因此，本发明中，利用电流传感器检测电池簇的工作状态，控制器控制预充电电路的分断，保证直流接触器的正常分闸，延长了系统的使用寿命。

直流接触器的可控性和分断次数高，而且接触器更换方便，一般人员就能操作，降低了系统的维护成本；系统器件均是高压适用器件，系统电气安全性高，直流接触器是真空器件，可以在高海拔地区和海岛上使用，适应性强。直流接触器结构简单、占地和使用非常灵活，安全性能和实用性能都得到满足。

作为技术方案的进一步改进，参考图2，图2是本发明中一种储能电池簇控制系统的一具体实施例电路示意图，所述第一直流接触器KM1和第二直流接触器KM2的通断反馈触头的接线柱分别与控制器连接，如图2所示，通断反馈触头的两个接线柱标号为白TE。所述通断反馈触头用于向控制器反馈第一直流接触器和第二直流接触器的通断状态，帮助控制器更好地控制预充电电路中直流接触器的分合闸。

作为技术方案的进一步改进，参考图2，图2是本发明中一种储能电池簇控制系统的一具体实施例电路示意图，所述储能电池簇控制系统还包括线路保护电路3，所述线路保护电路3包括熔断器FU1，所述电池簇1的总正极通过熔断器FU1与第一直流接触器KM1的主触头正接线柱+A1连接。本发明选用熔断器作为线路的主要保护电路，当系统出现控制器例如电池管理系统BMS无法管控的过流或者短路情况时，熔断器可及时断开电路以保护电池电路，阻止电气大事故的发生，增强储能电池簇控制系统的安全性能。

作为技术方案的进一步改进，参考图2，图2是本发明中一种储能电池簇控制系统的一具体实施例电路示意图，所述储能电池簇控制系统还包括可带载操作的隔离检修电路4，所述预充电电路2通过隔离检修电路4与双向逆变器PCS连接。进一步地，所述隔离检修电路4包括隔离开关QS1或单极开关。

在本实施例中，本发明采用隔离开关QS1将电池簇1和预充电电路2与双向逆变器PCS隔离开。当电力系统的线路需要检修时，在物理上使这一簇电池脱离储能电池阵列系统，保证检修的安全进行；同时隔离开关可以带载操作，当发现单簇电池出现故障时可以迅速带载分合闸，隔离开关的带载操作性和隔离电源功能使系统更安全，检修更为方便，隔离开关结构简单、占地和使用非常灵活，安全性能和实用性能都得到满足。进一步地，隔离检修电路4也可采用与隔离开关等性能的单极开关来实现，优点是系统成本低，且节省安装空间，可以采用一个或者两个单极开关设置在预充电电路与双向逆变器PCS之间，将它们隔离开来。

作为技术方案的进一步改进，所述电流传感器包括霍尔电流传感器。霍尔电流传感器作为电磁式电流互感器的一种，是常用的电流传感器，其传感性能好，准确度高且稳定性好。

一种储能电池簇控制系统的控制方法，应用于所述的储能电池簇控制系统，参考图3，图3是本发明中一种储能电池簇控制系统的控制方法的步骤流程图，包括以下步骤：

S1、控制器控制预充电直流接触器和第二直流接触器接通，直到第一电容充电达到预定容量时，断开预充电直流接触器并接通第一直流接触器，储能电池簇控制系统合闸完成；

S2、控制器根据电路的电流流向控制第一直流接触器和第二直流接触器按不同顺序分闸。

在本实施例中，预充电直流接触器和第二直流接触器接通后，第一电容进行充电，充电过程中，控制器监控电容的电容量，所述电容量可由电容本身参数、电路中电压电流数据和时间所确定，直到第一电容充电完成至少85%时，即第一电容充电达到85%电容量以上时，断开预充电直流接触器并接通第二直流接触器，合闸完成，这个过程中电压通过预充电电阻得到控制，同时第一电容也得到了充电过程，则不会产生瞬间大电流损坏电路器件。

电化学储能电池系统有充电和放电两个过程，参考图2，图2是本发明中一种储能电池簇控制系统的一具体实施例电路示意图，电池簇1带载充电时，电流从双向逆变器PCS的正极流向电池簇1的正极，然后通过电池簇1流到双向逆变器PCS的负极；电池簇1带载放电时，电流是从电池簇1的正极流向双向逆变器PCS的正极，所以充电电流和放电电流方向相反，现规定储能电池簇控制系统在放电时的电流方向为正，充电时电流方向就为负。电流从直流接触器的主触头正接线柱流向主触头负接线柱时分断接触器为正常分断，即直流接触器带载分断电流时，电流方向必须是从直流接触器的主触头接线柱+A1流向主触头接线柱-A2；若在电流从直流接触器的主触头负接线柱流向主触头正接线柱时分断接触器即反向带载分断，直流接触器的使用寿命不大于20次。因此，本发明中一种储能电池簇控制系统的控制方法根据电路的电流流向控制第一直流接触器KM1和第二直流接触器KM2按不同顺序分闸，保证直流接触器正常分闸，保证直流接触器的使用寿命。

本发明中一种储能电池簇控制系统的控制方法控制直流接触器的合闸顺序实现预充电，使合闸时的冲击电流变为可控，杜绝了合闸时大电流烧坏电气元件和线路的现象；控制直流接触器的分闸顺序，使直流接触器正常分闸，保障直流接触器的使用寿命，延长了系统的使用寿命。

作为技术方案的进一步改进，所述步骤S2包括以下步骤：

S21、电流传感器检测电池簇的工作状态即电路的电流流向并将电池簇的工作状态信息发送至控制器，所述电池簇的工作状态包括空载状态和带载状态，所述带载状态包括带载放电状态和带载充电状态；

S22、控制器根据电池簇的工作状态信息控制第一直流接触器和第二直流接触器按照不同顺序分闸。

在本实施例中，通过电流传感器检测电池簇的工作状态以获知电路中电流的流向，控制器根据电流流向即可以确定第一直流接触器和第二直流接触器的分闸顺序，控制在当前的电流流向时能正常分断的直流接触器先分闸，即可以保证电路不产生电火花损坏直流接触器。

作为技术方案的进一步改进，所述步骤S22包括以下步骤：

S221、电池簇空载或带载放电时，控制器控制第一直流接触器分闸后，控制第二直流接触器分闸；

S222、电池簇带载充电时，控制器控制第二直流接触器分闸后，控制第一直流接触器分闸。

在本发明中，霍尔电流传感器通过检测电池簇电压的正负和大小判断储能电池簇是在带载充电、带载放电或者空载状态，以得知电路的电流方向，本实施例中，带载充电状态时电压为负，带载放电状态时电压为正，空载状态时电压为0。当电池簇空载或者带载放电时，控制器（如电池管理系统）发送命令分断第一直流接触器KM1，此时的电流是从第一直流接触器KM1的接线柱+A1流向接线柱-A2，第一直流接触器KM1正常分闸，再分断第二直流接触器KM2。

储能电池簇带载充电时，控制器（如电池管理系统）发送命令分断第二直流接触器KM2再分断第一直流接触器KM1，此时的电流是从第二直流接触器KM2的接线柱+A1流向接线柱-A2。

控制器通过判断电路的电流方向控制分断哪一个直流接触器以保证每一次分断直流接触器都是电流从直流接触器的接线柱+A1流向-A2，从而保证了直流接触器的使用寿命和储能电池簇控制系统的稳定性。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种储能电池簇控制系统，其特征在于，所述储能电池簇控制系统包括多个电池模组串联的电池簇、用于测量电池簇工作状态的电流传感器、预充电电路、控制器、电源和具有第一电容的双向逆变器，所述电池簇通过预充电电路与双向逆变器连接，所述电流传感器的输出端与控制器的输入端连接，所述电源的输出端与控制器的输入端连接，所述控制器与预充电电路连接；

所述预充电电路包括第一直流接触器、预充电直流接触器、预充电电阻和第二直流接触器；

所述电池簇的总正极与第一直流接触器的主触头正接线柱连接，所述第一直流接触器的主触头负接线柱与双向逆变器的第一电容的上端连接，所述双向逆变器的第一电容的下端与第二直流接触器的主触头负接线柱连接，所述第二直流接触器的主触头正接线柱与电池簇的总负极连接，所述预充电电阻的一端与第一直流接触器的主触头正接线柱连接，所述预充电电阻的另一端与预充电直流接触器的主触头正接线柱连接，所述预充电直流接触器的主触头负接线柱与第一直流接触器的主触头负接线柱连接；所述控制器分别控制第一直流接触器、预充电直流接触器和第二直流接触器的线圈得失电。

2.根据权利要求1所述的储能电池簇控制系统，其特征在于，所述第一直流接触器和第二直流接触器的通断反馈触头的接线柱分别与控制器连接。

3.根据权利要求2所述的储能电池簇控制系统，其特征在于，所述储能电池簇控制系统还包括线路保护电路，所述线路保护电路包括熔断器，所述电池簇的总正极通过熔断器与第一直流接触器的主触头正接线柱连接。

4.根据权利要求3所述的储能电池簇控制系统，其特征在于，所述储能电池簇控制系统还包括可带载操作的隔离检修电路，所述预充电电路通过隔离检修电路与双向逆变器连接。

5.根据权利要求4所述的储能电池簇控制系统，其特征在于，所述隔离检修电路包括隔离开关或单极开关。

6.根据权利要求1至5任一项所述的储能电池簇控制系统，其特征在于，所述控制器包括电池管理系统。

7.根据权利要求6所述的储能电池簇控制系统，其特征在于，所述电流传感器包括霍尔电流传感器。

8.一种储能电池簇控制系统的控制方法，应用于权利要求1至7任一项所述的储能电池簇控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1、控制器控制预充电直流接触器和第二直流接触器接通，直到第一电容充电达到预定容量时，断开预充电直流接触器并接通第一直流接触器，储能电池簇控制系统合闸完成；

S2、控制器根据电路的电流流向控制第一直流接触器和第二直流接触器按不同顺序分闸。

9.根据权利要求8所述的储能电池簇控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S21、电流传感器检测电池簇的工作状态即电路的电流流向并将电池簇的工作状态信息发送至控制器，所述电池簇的工作状态包括空载状态和带载状态，所述带载状态包括带载放电状态和带载充电状态；

S22、控制器根据电池簇的工作状态信息控制第一直流接触器和第二直流接触器按照不同顺序分闸。

10.根据权利要求9所述的储能电池簇控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S22包括以下步骤：

S221、电池簇空载或带载放电时，控制器控制第一直流接触器分闸后，控制第二直流接触器分闸；

S222、电池簇带载充电时，控制器控制第二直流接触器分闸后，控制第一直流接触器分闸。