CN107104453A - 一种兼具多级保护的集装箱多簇并联储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼具多级保护的集装箱多簇并联储能系统，包括多个单簇储能系统及三级控制器，所述单簇储能系统由多个电池箱，安全供电模块，二级单簇控制器组成，所述电池箱之间依次串联，同时采用CAN1总线内网通信；安全供电模块正负输入端连接串联的电池箱，各簇的安全供电模块的正负输出端并联接入集装箱储能系统的高压正负极输出，所述二级单簇控制器对安全供电模块进行测控，同时通过CAN1接口接入CAN1总线内网与电池箱之间通信，通过CAN2内网接口接入CAN2总线内网与三级控制器通信；所述三级控制器通过CAN1总线外网与外部管理系统通信，通过485总线外网接入逆变器。
Description
技术领域
本发明涉及储能系统，尤其涉及一种兼具多级保护的集装箱多簇并联储能系统。
背景技术
近年来，随着绿色能源战略的推进，新一轮电力体制改革配套政策的落实，储能技术的应用领域和应用类型逐步明晰，大规模储能技术得到市场的认可，应用价值日趋明确。工商业领域储能系统的重点、难点是大容量应用与大规模建设，要求储能系统具备高安全性、高比能量、高循环寿命，目前多以集装箱为系统载体，便捷地适应多变的应用环境。
通过多锂电池模块串联组成单簇高压电池组，并联多簇电池组实现高能量储能系统。锂离子电池簇适合并联使用，考虑到各簇荷电状态不完全一致，并联时将产生环流，严重时会直接导致所有电池组簇充电或者放电过流保护，所以需要一种安全、可靠、自动化的集装箱储能系统多簇电池组并联保护装置。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种兼具多级保护的集装箱多簇并联储能系统，采用阶梯上电运行的方式彻底消除电池组之间存在的环路电流，同时在并联上电运行时，提供模块级-单簇级-多簇级三级保护，确保了多簇电池组的使用安全性，运行可靠性。
本发明揭示了一种兼具多级保护的集装箱多簇并联储能系统，包括多个单簇储能系统及三级控制器，多个单簇储能系统之间并联并与一个三级控制器通信，所述单簇储能系统由多个电池箱，安全供电模块，二级单簇控制器组成，其中：
所述电池箱由多2并16串单体电芯和本地监控单元组成，电池箱之间依次串联，同时本地监控单元之间采用CAN1总线内网通信；
安全供电模块正负输入端连接串联的电池箱，各簇的安全供电模块的正负输出端并联接入集装箱储能系统的高压正负极输出，所述二级单簇控制器对安全供电模块进行测控，同时通过CAN1接口接入CAN1总线内网与电池箱之间通信，通过CAN2内网接口接入CAN2总线内网与三级控制器通信；
所述三级控制器通过CAN1总线外网与外部管理系统通信，通过485总线外网接入逆变器。
作为优选，所述本地监控单元包括电压采集模块，温度采集模块，本地监控单片机，主动均衡模块，被动均衡模块，光电报警模块及CAN1通信模块，其中电压采集模块对各个单体电芯的电压值进行采集，并发送至本地监控单片机，本地监控单片机对采集的电压进行数据校验，然后计算出单体电芯的总电压，平均电压，最高电圧，最低电压及奇偶电压，并通过CAN1通信模块接入CAN1总线内网送入二级单簇控制器内，所述温度采集模块通过温度传感器对各个单体电芯的温度进行采集，并发送至本地监控单片机，所述本地监控单片机对采集的温度数据进行校准，然后计算出各个单体电芯的总温度，平均温度，最高温度，最低温度及PCBA温度，并通过CAN1通信模块接入CAN1总线内网送入二级单簇控制器内，同时本地监控单片机对计算的电压值和温度值进行过压和过温判断，对存在故障的通过光电报警模块进行告警，同时本地监控单片机接收二级单簇控制器发送过来的均衡调节控制信号，通过主动均衡模块或被动均衡模块进行升压或降压处理。
作为优选，所述安全供电模块具有正负输入端，正负输出端，预充继电器，主继电器及塑壳断路器，其中塑壳断路器串联在正负输出端，为双路高压塑壳断路器，控制输出的通断，所述预充继电器与主继电器并联，然后再串联在正极输入端和塑壳断路器之间。
作为优选，所述二级单簇控制器包括单簇控制单片机，CAN1通信模块，CAN2通信模块，绝缘模块，AC/DC供电模块，继电器驱动模块及RTCC备用电源，其中单簇控制单片机通过CAN1通信模块接入CAN1总线内网接收电池箱发送过来的电压及温度数据并对这些数据进行处理统计获得该簇的总电流，总电压，总绝缘电阻，总荷电等数据，并通过CAN2通信模块接入CAN2总线内网将数据发送至三级控制器，同时单簇控制单片机通过继电器驱动模块驱动安全供电模块内的主继电器和预充继电器，所述绝缘模块连接高压正负输出及单簇控制单片机，对连接高压正负输出的动力线对地绝缘电阻值进行采集，并进行评判是否达到兆及以上标准，从而确定其绝缘性能，所述AC/DC供电模块对整个二级单簇控制器进行供电，且在断电后通过RTCC备用电源供电。
作为优选，所述三级控制器包括三级控制单片机，CAN1通信模块，CAN2通信模块，RS485通信模块，AC/DC供电模块及RTCC备用电源，三级控制单片机通过CAN2通信模块接入CAN2总线内网与二级单簇控制器通信，通过CAN1通信模块接入CAN1总线外网与外部管理系统通信，通过RS485通信模块接入485总线外网与逆变器通信，所述AC/DC供电模块对整个三级控制器进行供电，且在断电后通过RTCC备用电源供电。
与现有技术相比，本发明的一种兼具多级保护的集装箱多簇并联储能系统，具有如下有益之处：
采用本地监控模块对电池箱内电芯的电压、温度进行采集，同时对过压、过温等故障进行判断，通过光电报警方式示警，保证单电池箱的可用性，方便技术人员快速定位故障电池，且确保接入簇内的电池箱无故障，实现一级保护；
二级单簇控制器内通信与供能的供电分离，断开单簇电池组的主继电器后，通信供电仍存在，断开塑壳断路器后，通信与供能均没有供电；其具备本地保护功能，同时在三级控制器控制失效后，执行本地保护，通过本地保护先切断充电，放电继电器，待电流减小至安全范围，再断开本簇的塑壳断路器，保证其余并联电池簇系统的运行安全，实现二级故障隔离保护。
顶层控制器判断单簇运行是否出现告警，并提供单切及禁止充电放电两级保护，将断开该簇的充电、放电继电器，待电流减小至安全范围，断开塑壳断路器，将发生故障的单簇电池组隔离出系统，且不允许该簇自行接入系统工作，实现三级保护；
对于多簇并联形式的上电，由三级控制器汇总各单簇荷电状态，逐次优先闭合当前待闭合的无故障的最高压电池簇，减少比较次数，阶梯上电运行可以消除电池组间存在环路电流的问题；
对于储能系统的保护采用多重保护措施，并联上电级、运行、故障隔离时均提供模块级-单簇级-多簇级的3级保护，保证集装箱储能系统多簇电池组的使用安全性、运行可靠性。
电池箱以及二级单簇控制器之间采用CAN1总线内网进行通信，二级单簇控制器与三级控制器之间采用CAN 2总线内网进行通信，两路分开通信信号互不干扰，同时减少大数据量给单条总线造成的通信负担；三级控制器与外部采用CAN1总线外网进行通信，与内网进行数据隔离，确保内部系统运行时的通信可靠。
二级单簇控制器以及三级控制器均采用单独供电，在某个单簇进入保护状态后不会间断通信，还配备了备用电池在掉点后继续供电。
附图说明
图1是本发明所揭示的兼具多级保护的集装箱多簇并联储能系统的电路模块图；
图2是本发明所揭示的本地监控单元的电路模块图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1~2所示，本发明所揭示的一种兼具多级保护的集装箱多簇并联储能系统，包括多个单簇储能系统及三级控制器，多个单簇储能系统之间并联并与一个三级控制器通信，所述单簇储能系统由多个电池箱，安全供电模块，二级单簇控制器组成，其中：
所述电池箱由多2并16串单体电芯和本地监控单元组成，电池箱之间依次串联，同时本地监控单元之间采用CAN1总线内网通信；
安全供电模块正负输入端连接串联的电池箱，各簇的安全供电模块的正负输出端并联接入集装箱储能系统的高压正负极输出，所述二级单簇控制器对安全供电模块进行测控，同时通过CAN1接口接入CAN1总线内网与电池箱之间通信，通过CAN2内网接口接入CAN2总线内网与三级控制器通信；
所述三级控制器通过CAN1总线外网与外部管理系统通信，通过485总线外网接入逆变器。
所述本地监控单元包括电压采集模块，温度采集模块，本地监控单片机，主动均衡模块，被动均衡模块，光电报警模块及CAN1通信模块，其中电压采集模块对各个单体电芯的电压值进行采集，并发送至本地监控单片机，本地监控单片机对采集的电压进行数据校验，然后计算出单体电芯的总电压，平均电压，最高电圧，最低电压及奇偶电压，并通过CAN1通信模块接入CAN1总线内网送入二级单簇控制器内，所述温度采集模块通过温度传感器对各个单体电芯的温度进行采集，并发送至本地监控单片机，所述本地监控单片机对采集的温度数据进行校准，然后计算出各个单体电芯的总温度，平均温度，最高温度，最低温度及PCBA温度，并通过CAN1通信模块接入CAN1总线内网送入二级单簇控制器内，同时本地监控单片机对计算的电压值和温度值进行过压和过温判断，对存在故障的通过光电报警模块进行告警，同时本地监控单片机接收二级单簇控制器发送过来的均衡调节控制信号，通过主动均衡模块或被动均衡模块进行升压或降压处理。
所述安全供电模块具有正负输入端，正负输出端，预充继电器，主继电器及塑壳断路器，其中塑壳断路器串联在正负输出端，为双路高压塑壳断路器，控制输出的通断，所述预充继电器与主继电器并联，然后再串联在正极输入端和塑壳断路器之间。
所述二级单簇控制器包括单簇控制单片机，CAN1通信模块，CAN2通信模块，绝缘模块，AC/DC供电模块，继电器驱动模块及RTCC备用电源，其中单簇控制单片机通过CAN1通信模块接入CAN1总线内网接收电池箱发送过来的电压及温度数据，然后进行处理统计获得该簇的总电流，总电压，总绝缘电阻，总荷电等数据，并通过CAN2通信模块接入CAN2总线内网将数据发送至三级控制器，同时单簇控制单片机通过继电器驱动模块驱动安全供电模块内的主继电器和预充继电器，所述绝缘模块连接高压正负输出及单簇控制单片机，对连接高压正负输出的动力线对地绝缘电阻值进行采集，并进行评判是否达到兆及以上标准，从而确定其绝缘性能，所述AC/DC供电模块对整个二级单簇控制器进行供电，且在断电后通过RTCC备用电源供电。
所述三级控制器包括三级控制单片机，CAN1通信模块，CAN2通信模块，RS485通信模块，AC/DC供电模块及RTCC备用电源，三级控制单片机通过CAN2通信模块接入CAN2总线内网与二级单簇控制器通信，通过CAN1通信模块接入CAN1总线外网与外部管理系统通信，通过RS485通信模块接入485总线外网与逆变器通信，所述AC/DC供电模块对整个三级控制器进行供电，且在断电后通过RTCC备用电源供电。
本发明所揭示的一种兼具多级保护的集装箱多簇并联储能系统，其工作过程为：
闭合所有电池簇的塑壳断路器，使通信期间禁止任意电池簇充电或放电；
电池组内的本地监控单元采集并预处理电池模块信息，向所在簇的单簇控制器发送状态信息；
单簇控制器汇总本簇电池数据，均衡本簇所有电池，实时计算并上报单簇运行信息，包括电压、电流、绝缘电阻、最大的可用充电功率与放电功率等；
顶层控制器收取到所有单簇控制器的状态帧后，判断各簇是否满足运行条件，包括荷电状态及告警信息，存在故障的电池簇隔离在系统外，从无故障的所有簇中，向最高电压簇发送运行指令。单簇控制器收到运行指令后，由单片机判断是否存在故障，若没有故障，则先闭合预充继电器，一段时间后再闭合主继电器，在规定时间后断开预充继电器，单簇进入正常并联运行模式。其后，顶层控制器每次从剩余的无故障电池簇中选择最高压簇，若压差小于规定压差限值，就向该簇发送运行指令；若压差大于规定的压差限值，禁止该簇接入系统，满足运行条件后才可并入系统；直至所有无故障的电池簇实现并联，集装箱储能系统进入正常工作状态。
运行过程中，顶层控制器判断单簇出现告警，提供单切及禁止充电放电两级保护。若满足单切保护，发送单切指令，单簇控制器收到单切指令后将断开该簇的主继电器，待电流减小至安全范围，断开塑壳断路器，将发生故障的单簇电池组隔离出系统，且禁止该簇自行接入系统工作。若顶层控制失效，单簇控制器将执行本地保护，先断开主继电器后断开塑壳断路器。若不满足单切条件，则顶层控制器根据相应保护参数，向外部能量管理系统发送禁止充电、禁止放电等请求，满足告警恢复条件时，向外部能量管理系统发送恢复充电、恢复放电等请求。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种兼具多级保护的集装箱多簇并联储能系统，包括多个单簇储能系统及三级控制器，其特征在于：多个单簇储能系统之间并联并与一个三级控制器通信，所述单簇储能系统由多个电池箱，安全供电模块，二级单簇控制器组成，其中：
所述电池箱由多2并16串单体电芯和本地监控单元组成，电池箱之间依次串联，同时本地监控单元之间采用CAN1总线内网通信；
安全供电模块正负输入端连接串联的电池箱，各簇的安全供电模块的正负输出端并联接入集装箱储能系统的高压正负极输出，所述二级单簇控制器对安全供电模块进行测控，同时通过CAN1接口接入CAN1总线内网与电池箱之间通信，通过CAN2内网接口接入CAN2总线内网与三级控制器通信；
所述三级控制器通过CAN1总线外网与外部管理系统通信，通过485总线外网接入逆变器。
2.根据权利要求1所述的一种兼具多级保护的集装箱多簇并联储能系统，其特征在于：所述本地监控单元包括电压采集模块，温度采集模块，本地监控单片机，主动均衡模块，被动均衡模块，光电报警模块及CAN1通信模块，其中电压采集模块对各个单体电芯的电压值进行采集，并发送至本地监控单片机通过CAN1通信模块接入CAN1总线内网送入二级单簇控制器内，所述温度采集模块通过温度传感器对各个单体电芯的温度进行采集，并发送至本地监控单片机通过CAN1通信模块接入CAN1总线内网送入二级单簇控制器内，同时本地监控单片机接收二级单簇控制器发送过来的均衡调节控制信号，通过主动均衡模块或被动均衡模块进行升压或降压处理。
3.根据权利要求1所述的一种兼具多级保护的集装箱多簇并联储能系统，其特征在于：所述安全供电模块具有正负输入端，正负输出端，预充继电器，主继电器及塑壳断路器，其中塑壳断路器串联在正负输出端，为双路高压塑壳断路器，控制输出的通断，所述预充继电器与主继电器并联，然后再串联在正极输入端和塑壳断路器之间。
4.根据权利要求1所述的一种兼具多级保护的集装箱多簇并联储能系统，其特征在于：所述二级单簇控制器包括单簇控制单片机，CAN1通信模块，CAN2通信模块，绝缘模块，AC/DC供电模块，继电器驱动模块及RTCC备用电源，其中单簇控制单片机通过CAN1通信模块接入CAN1总线内网接收电池箱发送过来的电压及温度数据，然后进行处理统计获得该簇的总电流，总电压，总绝缘电阻等数据，并通过CAN2通信模块接入CAN2总线内网将数据发送至三级控制器，同时单簇控制单片机通过继电器驱动模块驱动安全供电模块内的主继电器和预充继电器，所述AC/DC供电模块对整个二级单簇控制器进行供电，且在断电后通过RTCC备用电源供电。
5.根据权利要求1所述的一种兼具多级保护的集装箱多簇并联储能系统，其特征在于：所述三级控制器包括三级控制单片机，CAN1通信模块，CAN2通信模块，RS485通信模块，AC/DC供电模块及RTCC备用电源，三级控制单片机通过CAN2通信模块接入CAN2总线内网与二级单簇控制器通信，通过CAN1通信模块接入CAN1总线外网与外部管理系统通信，通过RS485通信模块接入485总线外网与逆变器通信，所述AC/DC供电模块对整个三级控制器进行供电，且在断电后通过RTCC备用电源供电。
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