CN112421661A - 电池控制系统、储能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池控制系统、储能系统及其控制方法，该电池控制系统包括电池管理系统、直流变换器以及低压电源模块，低压电源模块向电池管理系统以及直流变换器供电；电池管理系统包括电压采集电路组、隔离接口电路组、通信转换电路以及控制器，电压采集电路组包括多个电压采集电路，隔离接口电路组包括多个隔离接口电路，每一电压采集电路对一个电池模组的电压进行采集，每一电压采集电路将所采集的电压信号通过一个隔离接口电路传输至通信转换电路，通信转换电路将所接收的信号发送至控制器。储能系统具有储能电池以及上述的电池控制系统，本发明还提供上述储能系统的控制方法。本发明可以提高储能系统的兼容性，其控制方法的逻辑简单。

Description

电池控制系统、储能系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电池的控制控制领域，具体的，涉及一种电池控制系统、具有上述电池控制系统的储能系统以及储能系统的控制方法。

背景技术

随着新能源技术的发展，利用电能等新能源技术的设备也得到广泛的应用，而应用于提高间歇式电源并网能力的储能技术，尤其是电池储能技术得到了关注与发展。电能的储能技术贯穿于电力系统发电、输电、配电和用电各个环节，具有提高分布式能源消纳、削峰填谷、负荷转移、平抑负荷、抑制需量、降低用电费用、提高供电可靠性和电能质量的作用。而储能系统最重要的部件是电池管理系统(Battery Management System,BMS)，电池管理系统通过采集电池模组的电参数来监测储能系统的多个电池模组的运行状态，并且实现储能系统的运行策略监控及故障监测。通常，电池管理系统设置有采集模块，用于采集各电池模组的电压、电流、温度等电参数，一旦电池管理系统的采集模块失效或者采集精度不高，将会影响储能系统的充放电效率以及故障的监测。

中国发明专利申请CN110518690公开了一种储能系统及其控制方法，该方案的储能系统包含集成控制器，通过发电系统、电池和负载的情况来确定功率转换单元、双向转换器、双向逆变器的工作状态，但该方案的储能系统运行逻辑判断复杂，储能系统实现困难。此外，由于该方案的电池管理系统只能够对特定容量的储能电池进行监控，即储能电池内电池模组的数量是固定的，如果储能电池的电池模组数量发生改变，则需要更换另外一套电池管理系统，电池管理系统的兼容性不强，限制了储能系统的推广应用。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种能够灵活的兼容不同容量的储能电池的电池控制系统。

本发明的第二目的是提供一种具有上述电池控制系统的储能系统。

本发明的第三目的是提供一种应用在上述储能系统的控制方法。

为实现本发明的第一目的，本发明提供的电池控制系统包括电池管理系统、直流变换器以及低压电源模块，低压电源模块向电池管理系统以及直流变换器供电；电池管理系统包括电压采集电路组、隔离接口电路组、通信转换电路以及控制器，电压采集电路组包括多个电压采集电路，隔离接口电路组包括多个隔离接口电路，每一电压采集电路对一个电池模组的电压进行采集，每一电压采集电路将所采集的电压信号通过一个隔离接口电路传输至通信转换电路，通信转换电路将所接收的信号发送至控制器。

由上述方案可见，由于电压采集电路组、隔离接口电路组分别设置有多个电压采集电路、隔离接口电路，通过一个电压采集电路可以对一个电池模组的电压信号进行采集。这样，通过设置多组电压采集电路，可以实现对多个电池模组的电压监控，对于不同容量的储能电池，可以灵活的配置电压采集电路、隔离接口电路的数量，从而实现电池控制系统能够对多种不同容量的储能电池的兼容性，电池控制系统的兼容性能好。

一个优选的方案是，电池管理系统包括采样模块，采样模块对电池模组的特征参数信号进行采样，并将所采样的特征参数信号发送至控制器。

由此可见，通过采样电路对多个电池模组的电压、电流、温度等特征参数信号进行采样并且进行实时监控，可以确保储能电池运行的稳定性。

进一步的方案是，特征参数信号包括电池模组的电压信号；采样模块包括电压采样电路，电压采样电路将所采样的电压信号通过隔离电路发送至控制器。

可见，电压采样电路将所采用的电压信号通过隔离电路发送至控制器，可以避免采样的高压信号对控制器造成影响，确保控制器运行的稳定性，从而确保控制器能够正常的对多个电池模组的运行状态进行监控。

更进一步的方案是，特征参数信号包括电池模组的电流信号；采样模块包括电流采样电路，电流采样电路将所采样的电流信号通过隔离电路发送至控制器。

可选的方案是，特征参数信号包括电池模组的绝缘阻抗信号；采样模块包括绝缘检测电路，绝缘检测电路将所采样的绝缘阻抗信号发送至控制器。

可选的方案是，特征参数信号包括电池模组的温度信号；采样模块包括温度检测电路，温度检测电路将所采样的温度信号发送至控制器。

由此可见，采样电路对电池模组的电压、电流、绝缘阻抗以及温度等多个特征参数进行监控，可以及时发现电池模组的异常情况，从而确保储能电池的稳定运行。

更进一步的方案是，直流变换器的一个输入端与电池模组的输出端之间连接有第一开关支路以及第二开关支路，第一开关支路与第二开关支路并联，第一开关支路包括串联连接的第一开关与预充电电阻，第二开关支路包括第二开关。

可见，通过设置两个并联的开关支路，在直流变换器没有完成自检前，使用第一开关支路工作，使得直流变换器的两端电压较低，即使直流变换器异常，也不会导致输出电压过高而导致直流变换器损坏。在直流变换器自检完成后，使用第二开关支路工作，可以确保储能电池的电能高效的输出。

更进一步的方案是，低压电源模块与电池模组的输出端之间连接有断路器，优选的，断路器与低压电源模块之间连接有复位开关。

为实现上述的第二目的，本发明提供的储能系统包括储能电池，储能电池包括二个以上的电池模组，并且，该储能系统还包括上述的电池控制系统。

为实现上述的第三目的，本发明提供的储能系统的控制方法应用于上述的储能系统，该储能电池包括二个以上的电池模组，该方法包括电池管理系统上电后，采样模块对电池模组的特征参数信号进行采样，并将所采样的特征参数信号发送至控制器，控制器判断电池模组的特征参数信号是否异常，如各特征参数信号未出现异常，则对直流变换器进行检测，如直流变换器未出现异常，则直流变换器将储能电池的电压进行电压变换后输出。

由上述方案可见，本发明的储能系统在电池管理系统上电后，控制方法的流程较为简单，不需要经过复杂的判断流程，能够提高储能系统上电后的运行效率。

一个优选的方案是，采样模块所采样的特征参数信号至少包括以下的一种：电池模组的电压信号、电流信号、绝缘阻抗信号、温度信号。

由此可见，通过采样电路对多个电池模组的电压、电流、温度等特征参数信号进行采样并且进行实时监控，可以确保储能电池运行的稳定性。

进一步的方案是，直流变换器的一个输入端与电池模组的输出端之间连接有第一开关支路以及第二开关支路，第一开关支路与第二开关支路并联，第一开关支路包括串联连接的第一开关与预充电电阻，第二开关支路包括第二开关；如控制器判断电池模组的特征参数信号无异常，第一开关闭合，第二开关断开；在控制器判断判断直流变换器未出现异常，第二开关闭合，第一开关断开。

可见，在直流变换器没有完成自检前，使用第一开关支路工作，使得直流变换器的两端电压较低，即使直流变换器异常，也不会导致输出电压过高而导致直流变换器损坏。在直流变换器自检完成后，使用第二开关支路工作，可以确保储能电池的电能高效的输出。

更进一步的方案是，如控制器判断电池模组的特征参数信号异常，通过显示装置输出异常的特征参数信号的类型信息。

由此可见，通过显示装置输出异常的特征参数信号的类型信息，可以方便使用者直观的了解储能电池出现的异常情况，有针对性的对储能电池的异常进行维护。

更进一步的方案是，如控制器判断直流变换器出现异常，通过显示装置输出直流变换器出现异常的提示信息。这样，可以让使用者直观的了解直流变换器是否出现异常状态。

附图说明

图1是本发明储能系统实施例的结构框图。

图2是本发明电池管理系统实施例的结构框图。

图3是本发明储能系统控制方法实施例的流程图第一部分。

图4是本发明储能系统控制方法实施例的流程图第二部分。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的储能系统可以应用在新能源汽车、电力系统的输配电设备上，储能系统包括储能电池以及电池控制系统，本发明通过对电池控制系统的改进，提高电池控制系统对不同容量的储能电池的兼容性能，且储能电池的控制方法运行逻辑简单。

储能系统及其电池控制系统实施例：

参见图1，本实施例的储能系统由储能电池10和电池控制系统20组成，储能电池10包括多个电阻模组，例如包括电池模组11、电池模组12、电池模组13，多个电池模组之间相互串联。当然，实际应用时，电池模组的数量可以根据实际需要增加或者减少。

电池控制系统20包括电池管理系统(BMS)21、显示装置22、低压电源模块25以及直流变换器27，其中，低压电源模块25是一个低压电源模块，直流变换器27是双向DC/DC变换器。低压电源模块25接收储能电池10输出的电能，并且将储能电池10输出的电能转换成24V的低压直流电后，向电池管理系统21、显示装置22以及直流变换器27供电。

参见图2，电池管理系统21包括电压采集电路组8、隔离接口电路组9、通信转换电路100以及控制器110，其中，电压采集电路组8包括多个电压采集电路81、82、83，隔离接口电路组9包括多个隔离接口电路91、92、93，一个电压采集电路对一个电池模组进行电压采集。这样，电池管理系统21可以根据储能电池10的容量以及电池模组的数量来配置电压采集电路、隔离接口电路的数量。另外，直流变换器27也可以根据储能电池10的容量以及电池模组的数量来选定合适的参数，通过选配线束、保险管、继电器等规格参数来适用不同功率的储能系统，使得储能系统扩容性强，适用性更强，可拓展性高，可覆盖不同容量等级储能系统。

本实施例中，储能电池10由三个电池模组串联而成，其中电池模组13的正极连接保险管FU的一端，保险管FU的另一端连接着第一开关器件KM1、第二开关器件KM2的正极输出端，同时也连接着断路器23的正极输入端；电池模组11的负极连接着断路器23的负极输入端，同时也连接着第三开关器件KM3的正极输出端；断路器23的正极输出端连接着第四开关器件KM4的一端以及复位按钮24的一端，复位按钮24的另一端连接低压电源模块25正极输入端，并连接至第四开关器件KM4，从图1可以看出，第四开关器件KM4与复位按钮24并联。本实施例中，第一开关器件KM1、第二开关器件KM2、第三开关器件KM3、第四开关器件KM4均为继电器开关。

断路器23的负极输出端连接低压电源模块25的负极输入端，低压电源模块25的输出端分别连接至电池管理21、显示装置22以及直流变换器27，并且向电池管理21、显示装置22以及直流变换器27提供24V的电压直流电源。

第一开关器件KM1的一端与预充电电阻R1相连接，预充电电阻R1的另一端与第二开关器件KM2、直流变换器27的正极输入端相连。第三开关器件KM3的一端与直流变换器27的负极输入端相连，直流变换器27的输出端连接直流母线。本实施例中，显示装置22、直流变换器27、电池管理系统21之间采用CAN通讯进行数据交换。

显示装置22可以是触摸式显示装置，即使用者可以通过显示装置22输入控制指令，例如，使用者可以通过显示装置22输入充放电控制指令，显示装置22接收到该指令后，将所接收到的指令发送至电池管理系统21，由电池管理系统21的控制器110执行相应的指令。另外，显示装置22还可以显示储能电池10的充放电功率曲线、当前功率实时值、储能电池10的工作状态等信息，并能实时储能电池10的各个电池模组的电压U、电流I、有功功率P、无功功率Q等信息，还可以显示电池模组的温度、单体电池的电压以及故障信息。

参见图2，电池管理系统21包括电压采集电路组8、隔离接口电路组9、通信转换电路100以及控制器110、采样模块120。其中，电压采集电路组8包括多个电压采集电路81、82、83，隔离接口电路组9包括多个隔离接口电路91、92、93，一个电压采集电路对一个电池模组进行电压采集。

本实施例中，每一个电压采集电路81、82、83均包括一个用于采集电池模组电压的芯片，例如设置LTC6811芯片，该芯片是一个多节电池的电池组监视器，可测量多达12个串接电池并具有低于1.2mV的总测量误差。当然，电压采集电路还包括该芯片的外围电路。

每一个隔离接口电路91、92、93包括隔离SPI接口，即隔离串行通信接口，具体的，可以使用ISO-SPI接口，与常规的四线串行通信接口相比，ISO-SPI接口只有两根线，用一个正脉冲一个负脉冲表示二进制数1，一个负脉冲一个正脉冲表示二进制数0。隔离接口电路用于实现电压采集电路与通信转换电路100之间的隔离。这样，每一个电压采集电路将所采集的电压信号通过ISO-SPI通信接口传输到通信转换电路100，通信转换电路100能够在两个完全电气隔离的器件之间实现SPI通信所需的双向数据传输，通信转换电路100将数据传输到控制器100。

采样模块120包括隔离电路121、电流采样电路122、绝缘检测电路123、电压采样电路124以及温度检测电路125，其中，隔离电路121可以包括隔离芯片，例如光电耦合器或者其他类型的隔离芯片，电流采样电路122为高精度AD电流采样电路、电压采样电路124为高精度AD电压采样电路。

绝缘检测电路123用于实时监测储能电池10的正负极与地之间的绝缘阻抗值，绝缘检测电路123的正负极与储能电池10的正负极相连，将采样到的绝缘阻抗信号发送到控制器110中。电流采样电路122用于实时监测储能电池10的充放电的电流值，电流采样电路122连接采样电阻R2的两端，将采样到电流信号发送至隔离电路121，再由隔离电路121通过CAN总线发送至控制器110。电压采样电路124用于实时监测储能电池10两端的电压，因此，电压采样电路124连接储能电池10的正负极，将采样到电压信号发送至隔离电路121，隔离电路121通过CAN将所采样的电压信号发送至控制器110。温度检测电路125连接至温度传感器，实时监测电池模组内部的温度变化，并且将所采样的温度信号发送至控制器110。

这样，电压采集电路组8的每一个电压采集电路均可以对一个电池模组的电压进行采集，并且将所采集到的电压信号通过隔离接口电路、通信转换电路100发送至控制器110，由控制器110实施对各个电池模组的电压进行监控。

储能系统的控制方法实施例：

下面结合图3、图4对储能系统的控制方法进行说明。首先，执行步骤S1，闭合断路器23，并且按下复位按钮24，使得第四开关器件KM4闭合，此时，低压电源模块25从储能电池10获得电能，并且将储能电池10输出的直流电压降压后，向电池管理系统21、显示装置22以及直流变换器27供电，即执行步骤S2。此时，电池管理系统21上电，控制器110开始运行。

接着，执行步骤S3，电池管理系统21进行自检，具体的，执行步骤S4，通过绝缘检测电路123获取储能电池10的绝缘阻抗信号，即判断储能电池10的正、负极对地的绝缘阻抗值是否正常，如正常，则执行步骤S5，否则，执行步骤S9，由显示装置22输出异常信息，优选的，显示装置22显示故障代码信息，例如显示储能电池10绝缘阻抗异常的故障代码信息。实际上，绝缘检测电路123是检测多个电池模组串联后的绝缘阻抗是否异常。

对储能电池10的绝缘阻抗检测完毕后，进入单体电芯电压巡检，即执行步骤S5，判断储能电池10中各个电池模组的电压值是否都在2.3V至4.2V之间，如是，表示各电池模组的电压均正常，则执行步骤S6，否则，执行步骤S9，由显示装置22输出异常信息，优选的，显示装置22显示故障代码信息，例如显示某一个电池模组的电压异常的故障代码信息。

然后，对储能电池10的总电压进行检测，根据储能电池10的规格，判断储能电池10的总电压是否满足预设的要求，例如储能电池10的规格是大于100V，则步骤S6判断储能电池10的电压值大于100V时，表示储能电池10的总电压满足要求，则执行步骤S7，否则，执行步骤S9，由显示装置22输出异常信息，例如显示储能电池10总电压异常的故障代码信息。

如果步骤S6的判断结果为是，则执行步骤S7，判断储能电池10的电流是否为0，如是，表示储能电池10各个电池模组的电流均正常，则执行步骤S8，否则，执行步骤S9，由显示装置22输出异常信息，例如显示电池模组的电流异常的故障代码信息。

如果步骤S7的判断结果为是，则执行步骤S8，判断通过温度检测电路125对各电池模组的温度进行采集，并判断各电池模组的温度是否异常，例如判断各电池模组的温度是否都小于80℃，如果没有异常，则执行S10，否则，执行步骤S9，由显示装置22输出异常信息，例如显示某一个电池模组温度异常的故障代码信息。

如果各电池模组的电压、电流、绝缘阻抗、温度都没有异常，则执行步骤S10，显示装置22输出电池管理系统21自检完成的信息，并执行步骤S11，将第一开关器件KM1以及第三开关器件KM3闭合，此时第二开关器件KM2处于断开状态。然后，直流变换器27进行自检，控制器110执行步骤S12，判断直流变换器27是否自检完成，如果自检成功，则执行步骤S13，断开第一开关器件KM1，并闭合第二开关器件KM2，储能电池10输出的电压通过直流变换器27进行变换后输出至母线，即执行步骤S15。如果直流变换器自检失败，则执行步骤S14，由显示装置22输出故障标志，例如显示直流变换器27异常的故障代码。

可见，本发明通过在电池管理系统内设置电压采集电路组、隔离接口电路组，且电压采集电路组、隔离接口电路组分别设置有多个电压采集电路、隔离接口电路，通过一个电压采集电路可以对一个电池模组的电压信号进行采集，这样，通过设置多组电压采集电路，可以实现对多个电池模组的电压监控，对于不同容量的储能电池，可以灵活的配置电压采集电路、隔离接口电路的数量，从而实现电池控制系统能够对多种不同容量的储能电池的兼容性，电池控制系统的兼容性能好。

此外，储能系统的工作方法简单，通过对储能电池以及各电池模组的电压、电流、温度、绝缘阻抗等参数的采集，并且对直流变换器进行自检后，没有发现异常即完成检测并向母线输出电压，判断逻辑简单，提高储能系统上电后的启动效率。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，例如所采用的隔离芯片信号的变化，或者电压采集电路所使用的芯片的改变等，这些改变也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (15)

1.电池控制系统，包括：

电池管理系统以及直流变换器；

其特征在于：

该电池控制系统还包括低压电源模块，所述低压电源模块向所述电池管理系统以及所述直流变换器供电；

所述电池管理系统包括电压采集电路组、隔离接口电路组、通信转换电路以及控制器，所述电压采集电路组包括多个电压采集电路，所述隔离接口电路组包括多个隔离接口电路，每一所述电压采集电路对一个电池模组的电压进行采集，每一所述电压采集电路将所采集的电压信号通过一个所述隔离接口电路传输至所述通信转换电路，所述通信转换电路将所接收的信号发送至所述控制器。

2.根据权利要求1所述的电池控制系统，其特征在于：

所述电池管理系统包括采样模块，所述采样模块对所述电池模组的特征参数信号进行采样，并将所采样的特征参数信号发送至所述控制器。

3.根据权利要求2所述的电池控制系统，其特征在于：

所述特征参数信号包括所述电池模组的电压信号；

所述采样模块包括电压采样电路，所述电压采样电路将所采样的电压信号通过隔离电路发送至所述控制器。

4.根据权利要求2所述的电池控制系统，其特征在于：

所述特征参数信号包括所述电池模组的电流信号；

所述采样模块包括电流采样电路，所述电流采样电路将所采样的电流信号通过隔离电路发送至所述控制器。

5.根据权利要求2所述的电池控制系统，其特征在于：

所述特征参数信号包括所述电池模组的绝缘阻抗信号；

所述采样模块包括绝缘检测电路，所述绝缘检测电路将所采样的绝缘阻抗信号发送至所述控制器。

6.根据权利要求2所述的电池控制系统，其特征在于：

所述特征参数信号包括所述电池模组的温度信号；

所述采样模块包括温度检测电路，所述温度检测电路将所采样的温度信号发送至所述控制器。

7.根据权利要求1至6任一项所述的电池控制系统，其特征在于：

所述直流变换器的一个输入端与所述电池模组的输出端之间连接有第一开关支路以及第二开关支路，所述第一开关支路与所述第二开关支路并联，所述第一开关支路包括串联连接的第一开关与预充电电阻，所述第二开关支路包括第二开关。

8.根据权利要求1至6任一项所述的电池控制系统，其特征在于：

所述低压电源模块与所述电池模组的输出端之间连接有断路器。

9.根据权利要求8所述的电池控制系统，其特征在于：

所述断路器与所述低压电源模块之间连接有复位开关。

10.储能系统，包括：

储能电池，所述储能电池包括二个以上的电池模组；

其特征在于：

该储能系统还包括如权利要求1至9任一项所述的电池控制系统。

11.储能系统的控制方法，该储能系统包括储能电池以及如权利要求2所述的电池控制系统，所述储能电池包括二个以上的电池模组，其特征在于，该方法包括：

所述电池管理系统上电后，所述采样模块对所述电池模组的特征参数信号进行采样，并将所采样的特征参数信号发送至所述控制器，所述控制器判断所述电池模组的特征参数信号是否异常，如各特征参数信号未出现异常，则对所述直流变换器进行检测，如所述直流变换器未出现异常，则所述直流变换器将所述储能电池的电压进行电压变换后输出。

12.根据权利要求11所述的储能系统的控制方法，其特征在于：

所述采样模块所采样的特征参数信号至少包括以下的一种：所述电池模组的电压信号、电流信号、绝缘阻抗信号、温度信号。

13.根据权利要求11或12所述的储能系统的控制方法，其特征在于：

所述直流变换器的一个输入端与所述电池模组的输出端之间连接有第一开关支路以及第二开关支路，所述第一开关支路与所述第二开关支路并联，所述第一开关支路包括串联连接的第一开关与预充电电阻，所述第二开关支路包括第二开关；

如所述控制器判断所述电池模组的特征参数信号无异常，所述第一开关闭合，所述第二开关断开；

在所述控制器判断判断所述直流变换器未出现异常，所述第二开关闭合，所述第一开关断开。

14.根据权利要求11或12所述的储能系统的控制方法，其特征在于：

如所述控制器判断所述电池模组的特征参数信号异常，通过显示装置输出异常的特征参数信号的类型信息。

15.根据权利要求11或12所述的储能系统的控制方法，其特征在于：

如所述控制器判断所述直流变换器出现异常，通过显示装置输出所述直流变换器出现异常的提示信息。

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