CN111370615A - 一种全固态电池的高安全性分布式储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全固态电池的高安全性分布式储能系统，包括全固态电池管理系统及若干电池系统，其中，各电池系统均包括全固态电池模组，全固态电池模组包括壳体以及设置于所述壳体内的若干全固态电池，其中，全固态电池模组连接有用于控制各全固态电池的DC‑DC模块，各DC‑DC模块与全固态电池管理系统相连接，该储能系统的安全性极高。

Description

一种全固态电池的高安全性分布式储能系统
技术领域
本发明属于全固态电池应用和电力储能系统领域，涉及一种全固态电池的高安全性分布式储能系统。
背景技术
随着可再生能源的大力发展及能源结构的转型，波动性发电比例不断攀升，为了保证电力供应和需求之间的平衡，通常需要对可再生能源发电系统配备一定容量的储能装置，从而对电站起到调峰、促进新能源消纳及提高电能品质的作用。但是从目前的储能系统来看，尤其是各种电化学储能技术的发展和应用，普遍存在较大的安全问题。
首先，是电池本身的安全问题。目前电池储能体系普遍采用的还是含有大量液态电解液的储能电池，这些有机液态电解液大多具有可燃性，当电池在充放电过程中遇到明火、撞击、雷电、过冲或者过放时，易发生短路从而引起火灾；储能电池因外部环境温度过高、距离外部热源太近、通风散热系统堵塞或者运行不良时，极易导致电池温度上升，当温度达到一定程度时就会发生燃烧，最后引发火灾；储能电池在长期充放电过程中，电解水会产生气体，其中包括极易爆炸的氢气，当通风系统不畅切氢气累积到一定浓度时就有可能发生爆炸事故。其次，是电池模组层面的安全问题。目前电池储能系统层级的热管控技术不完善，容易导致电池的运行状态不一致，从而导致故障点增多；由于电池模组之间运行的差异性，导致电池控制系统的漏洞和缺陷被放大，致使正常的电池模组过冲过放，引起电路起火。目前来看，只有提高储能系统的安全性，降低发生危险事故的概率，储能才会有更巨大的发展空间。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种全固态电池的高安全性分布式储能系统，该储能系统的安全性极高。
为达到上述目的，本发明所述的全固态电池的高安全性分布式储能系统包括全固态电池管理系统及若干电池系统，其中，各电池系统均包括全固态电池模组，全固态电池模组包括壳体以及设置于所述壳体内的若干全固态电池，其中，全固态电池模组连接有用于控制各全固态电池的DC-DC模块，各DC-DC模块与全固态电池管理系统相连接。
同一全固态电池模组中的各全固态电池串联连接或者并联连接。
各全固态电池包括自上到下依次连接的正极集流体、正极板、固态电解质层、负极板及负极集流体。
固态电解质层的材质为无机固态电解质，该无机固态电解质的电化学窗口大于5.0V，离子电导率大于1.0ms/cm。
同一全固态电池模组中的各全固态电池堆叠布置。
各DC-DC模块均集成有BMS管理模块。
在工作时，各DC-DC模块检测各全固态电池模组的运行参数数据，并实时发送给全固态电池管理系统，固态电池管理系统控制具有较高电量的全固态电池模组在放电时优先放电，控制具有较低电量的全固态电池模组在充电时优先充电。
BMS管理模块实时检测全固态电池模组中各全固态电池的充放电数据，获取全固态电池模组的电压、电流、温度及健康状态参数，并以此判断全固态电池模组是否发生故障，当任一全固态电池模组发生故障时，该全固态电池模组对应的DC-DC模块切断该故障的全固态电池模组并进行报警。
全固态电池管理系统根据外部所需的输出功率，生成实时调度运行曲线，并通过各DC-DC模块调节各全固态电池模组通断状态，使得所有全固态电池模组的实际输出功率之和与外部所需的输出功率相匹配。
全固态电池管理系统通过温度传感器实时检测各全固态电池模组内的温度，在各全固态电池模组电量相当时，控制温度较低的全固态电池模组优先充放电，以限制温度较高的全固态电池模组的充放电电流密度，当任一全固态电池模组内的温度高于第一预设温度上限时，则并通过风扇对该全固态电池模组进行散热降温，当任一全固态电池模组内的温度高于第二预设温度上限时，则直接切断该全固态电池模组的充放电行为，以保护全固态电池模组内的全固态电池。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的全固态电池的高安全性分布式储能系统在具体操作时，采用全固态电池，该全固态电池中的固态电解质不可燃且不含有任何有机电解液，从而不存在电池短路或有机电解液泄漏而产生的安全隐患，此外固态电解质可以替代有机电解液和隔膜的作用，减小电池体积，提高电池的能量密度；同时全固态电池具有不可燃性和高安全性，全固态电池之间可紧密堆叠，可在有效空间内增加全固态电池模组的数目，进一步提高储能集装箱的能量密度，降低成本。另外，本发明中各全固态电池模组均独立运行，通过各自的DC-DC模块进行控制，可提高各全固态电池的运行效率，降低各全固态电池的容量衰减速度，使整个系统具有高安全性、可靠性及实用性，且其中一个全固态电池模组失效时，不影响其他全固态电池模组的运行，保证储能系统的正常运行和输出。
附图说明
图1为本发明中全固态电池的原理图；
图2为本发明的结构示意图。
其中，1为全固态电池模组、2为DC-DC模块、3为全固态电池管理系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的全固态电池的高安全性分布式储能系统包括全固态电池管理系统3及若干电池系统，其中，各电池系统均包括全固态电池模组1，全固态电池模组1包括壳体以及设置于所述壳体内的若干全固态电池，其中，全固态电池模组1连接有用于控制各全固态电池的DC-DC模块2，各DC-DC模块2与全固态电池管理系统3相连接，通过全固态电池管理系统3分别管理各全固态电池模组1中的DC-DC模块2，从而控制各全固态电池模组1，所述全固态电池包括自上到下依次连接的正极集流体、正极板、固态电解质层、负极板及负极集流体，相较于液态电池，全固态电池可极大减小实际电池的体积并解决安全性的问题，同时起到提高电池及储能体系的能量密度的作用。
优选的，全固态电池采用无机固态电解质，在常温下其电化学窗口大于5.0V，并且离子电导率大于1.0mS/cm，该全固态电池的能量密度可达到300-500Wh/kg，是常规液态电池能量密度的2-4倍。且全固态电池具有不可燃性，因此在组装储能集装箱时，可极大程度地减小电池安全距离，提高电池能量密度并降低成本。
各全固态电池模组1之间可紧密堆叠，因其高安全性，无需在各全固态电池之间、各全固态电池模组1之间或全固态电池与壳体之间填充防火材料，其堆叠方式见图2所示，全固态电池与全固态电池之间密堆积，大幅度提升全固态电池模组1的能量密度和实用性，降低成本，提高经济性，经检测，该全固态电池模组1的能量密度大约在400Wh/kg。
各DC-DC模块2均集成有BMS管理模块，该BMS管理模块基于全固态电池的特性进行优化，大幅度提升对于全固态电池的管理准确度，本发明采用320个6kWh的全固态电池模组1，其中，每个全固态电池模组1中全固态电池的数目为12个，同一全固态电池模组1中各全固态电池之间并联连接或串联连接，然后将其与320个DC-DC模块2分别串联之后并联到全固态电池管理系统3，组装成2MWh的全固态储能系统。
BMS管理模块对全固态电池模组1中全固态电池的充放电数据进行实时监控，读取全固态电池模组1的电压、电流、温度以及健康状态的参数，并以此确定全固态电池模组1是否发生故障，当任一全固态电池模组1发生故障时，DC-DC模块2及时响应，切断故障的全固态电池模组1并进行报警，各电池系统在工作时相互独立，可随时拆卸更换或者安装单个或者部分全固态电池模组1，不影响整个系统的运行，极大地提高整个全固态储能系统的可用性。
在工作时，各DC-DC模块2将检测到的运行参数数据实时发送给全固态电池管理系统3，全固态电池管理系统3进行管理和调配整个系统，让具有电量较高的全固态电池模组1在放电时优先放电，让具有电量较低的全固态电池模组1在充电时优先充电，保证整个系统中每个全固态电池模组1的电池电量基本保持均衡状态，以保证系统的工作效率及使用寿命。同时全固态电池管理系统3根据全固态电池的特性进行相应的调整和优化，尽量使整个全固态电池模组1浅充浅放，延长全固态电池的使用寿命。
全固态电池管理系统3通过自动监控外部所需的输出功率，生成实时调度运行曲线，制定合理的功率分配方案并通过控制各DC-DC模块2，增减全固态电池模组1的数量来调节，从而实时控制系统的输出功率，从而达到平稳整体输出功率的目的，其中，动态调节的响应时间<0.1s，且所有全固态电池的实际输出功率与外部所需的输出功率值偏差不超过3％。
全固态电池的充放电性能受温度的影响较大，全固态电池管理系统3根据全固态电池的实时温度，在电池电量相当时，让温度较低的全固态电池模组1优先充放电，以限制温度较高的全固态电池模组1的充放电电流密度并通过启动风扇散热降温，当全固态电池模组1的温度过高时，则直接切断该全固态电池模组1的充放电行为，以保护全固态电池，最终尽量保证整个储能系统中各部分之间温度的一致性。
在本申请所提供的实施例中，所揭露的技术内容，主要是采用的电池种类和所对应的电池模组架构，以上所描述的实例仅仅是示意性的，例如所采用的固态电池形式，可以为单一的无机固态电池，也可以是多种固态电池的组合形式，例如多个单元或组件可以结合或可以集成到另一个系统，或一些特征可忽略或不执行。
以上所述仅为本发明实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易想到的变化或者替换，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或直接、间接运用在其他相关技术领域的情况，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全固态电池的高安全性分布式储能系统，其特征在于，包括全固态电池管理系统(3)及若干电池系统，其中，各电池系统均包括全固态电池模组(1)，全固态电池模组(1)包括壳体以及设置于所述壳体内的若干全固态电池，其中，全固态电池模组(1)连接有用于控制各全固态电池的DC-DC模块(2)，各DC-DC模块(2)与全固态电池管理系统(3)相连接。
2.根据权利要求1所述的全固态电池的高安全性分布式储能系统，其特征在于，同一全固态电池模组(1)中的各全固态电池串联连接或者并联连接。
3.根据权利要求1所述的全固态电池的高安全性分布式储能系统，其特征在于，各全固态电池包括自上到下依次连接的正极集流体、正极板、固态电解质层、负极板及负极集流体。
4.根据权利要求1所述的全固态电池的高安全性分布式储能系统，其特征在于，固态电解质层的材质为无机固态电解质，该无机固态电解质的电化学窗口大于5.0V，离子电导率大于1.0ms/cm。
5.根据权利要求1所述的全固态电池的高安全性分布式储能系统，其特征在于，同一全固态电池模组(1)中的各全固态电池堆叠布置。
6.根据权利要求1所述的全固态电池的高安全性分布式储能系统，其特征在于，各DC-DC模块(2)均集成有BMS管理模块。
7.根据权利要求1所述的全固态电池的高安全性分布式储能系统，其特征在于，在工作时，各DC-DC模块(2)检测各全固态电池模组(1)的运行参数数据，并实时发送给全固态电池管理系统(3)，固态电池管理系统控制具有较高电量的全固态电池模组(1)在放电时优先放电，控制具有较低电量的全固态电池模组(1)在充电时优先充电。
8.根据权利要求6所述的全固态电池的高安全性分布式储能系统，其特征在于，BMS管理模块实时检测全固态电池模组(1)中各全固态电池的充放电数据，获取全固态电池模组(1)的电压、电流、温度及健康状态参数，并以此判断全固态电池模组(1)是否发生故障，当任一全固态电池模组(1)发生故障时，该全固态电池模组(1)对应的DC-DC模块(2)切断该故障的全固态电池模组(1)并进行报警。
9.根据权利要求1所述的全固态电池的高安全性分布式储能系统，其特征在于，全固态电池管理系统(3)根据外部所需的输出功率，生成实时调度运行曲线，并通过各DC-DC模块(2)调节各全固态电池模组(1)通断状态，使得所有全固态电池模组(1)的实际输出功率之和与外部所需的输出功率相匹配。
10.根据权利要求1所述的全固态电池的高安全性分布式储能系统，其特征在于，全固态电池管理系统(3)通过温度传感器实时检测各全固态电池模组(1)内的温度，在各全固态电池模组(1)电量相当时，控制温度较低的全固态电池模组(1)优先充放电，以限制温度较高的全固态电池模组(1)的充放电电流密度，当任一全固态电池模组(1)内的温度高于第一预设温度上限时，则并通过风扇对该全固态电池模组(1)进行散热降温，当任一全固态电池模组(1)内的温度高于第二预设温度上限时，则直接切断该全固态电池模组(1)的充放电行为，以保护全固态电池模组(1)内的全固态电池。
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