CN113346578A - 一种并网储能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及储能系统技术领域，具体涉及一种并网储能电池，应用于储能系统中，所述并网储能电池包括电池模块、DC‑DC升降压功率控制模块、P+P‑短路检测控制模块、MCU控制模块和通信模块；所述电池模块连接DC‑DC升降压功率控制模块和P+P‑短路检测控制模块，所述DC‑DC升降压功率控制模块和P+P‑短路检测控制模块分别连接MCU控制模块，所述MCU控制模块连接通信模块，所述通信模块连接储能系统；所述DC‑DC升降压功率控制模块连接储能系统的P+端和P‑端；所述P+P‑短路检测控制模块连接储能系统的P+端和P‑端；本发明在并网储能电池出现故障时，整个储能系统无需停止工作，并且无需将并网储能电池更换掉，即可完成故障并网储能电池的卸载和离网功能，不影响整个储能系统的工作。

Description

一种并网储能电池
技术领域
本发明涉及储能系统技术领域，尤其涉及一种并网储能电池。
背景技术
目前并网或组网储能系统都是依靠电池模块电压叠加输出总电压，如，并网或组网储能系统额定输出480V电压，单个储能电池的输出总压为48V，故并网或组网储能系统需要由10个储能电池叠加起来，才能满足额定电压输出480V的要求。
在实际应用中发现，当单个储能电池出现故障时，整个并网储能系统需要停止工作，将故障的储能电池更换掉，并挑选与其他并网储能电池一样状态、性能规格的电池，在经过测试验证完毕后，才可重新启动系统进行工作。如此，不仅存在挑选、测试等繁琐步骤，同时也对储能系统的工作造成影响。
发明内容
针对上述存在的当单个储能电池出现故障时，存在挑选、测试等繁琐步骤以及对储能系统的工作造成影响的问题，本发明提供了一种并网储能电池，在并网储能电池出现故障时，整个储能系统无需停止工作，并且无需将并网储能电池更换掉，即可完成故障并网储能电池的卸载和离网功能，不影响整个储能系统的工作。
为了解决上述技术问题，本发明提供的具体方案如下：
一种并网储能电池，应用于储能系统中，所述并网储能电池包括电池模块、DC-DC升降压功率控制模块、P+P-短路检测控制模块、MCU控制模块和通信模块；
所述电池模块连接DC-DC升降压功率控制模块和P+P-短路检测控制模块，所述DC-DC升降压功率控制模块和P+P-短路检测控制模块分别连接MCU控制模块，所述MCU控制模块连接通信模块，所述通信模块连接储能系统；
所述DC-DC升降压功率控制模块连接储能系统的P+端和P-端；
所述P+P-短路检测控制模块连接储能系统的P+端和P-端。
可选的，所述DC-DC升降压功率控制模块包括DC-DC升降压控制电路；
所述DC-DC升降压控制电路包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元和电感单元；
所述第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元和第四开关单元分别连接电感单元，所述第一开关单元连接第四开关单元，所述第二开关单元连接第三开关单元，电池模块的信号进入DC-DC升降压控制电路中，在放电状态下，经过电感单元升压，此时第二开关单元作为续流管，第三开关单元作为开关管；在充电状态下，第二开关单元作为开关管，第三开关单元作为续流管，并网储能电池通过DC-DC升降压控制电路，将输出电压、输出功率等状态信息与其他在线并网储能电池一致。
可选的，所述DC-DC升降压功率控制模块还包括滤波单元；
所述滤波单元连接DC-DC升降压控制电路，通过滤波单元滤除干扰，提高信号传输的稳定性。
可选的，所述DC-DC升降压功率控制模块还包括电流采样电路和过流保护电路；
所述电流采样电路连接DC-DC升降压控制电路和过流保护电路，通过电流采样电路获取主回路的电流信号，并由过流保护电路实现限流输出目的，对电路起到保护作用。
可选的，所述过流保护电路包括充电电流检测单元和放电电流检测单元，分别通过充电电流检测单元和放电电流检测单元对充电电流、放电电流进行检测，并由MCU控制模块作出相应的控制。
可选的，所述充电电流检测单元包括第一运算放大器和第一比较器；
所述第一运算放大器连接电流采样电路和第一比较器，所述第一比较器连接MCU控制模块；采样的充电电流经过第一运算放大器放大，进入第一比较器，对充电电流进行检测，若充电电流超出限值，则输出高电平至MCU控制模块，触发逐波限流，MCU控制模块封闭第二开关单元和第三开关单元的驱动，达到硬件限流目的。
可选的，所述放电电流检测单元包括第二运算放大器和第二比较器；
所述第二运算放大器连接电流采样电路和第二比较器，所述第二比较器连接MCU控制模块；采样的放电电流经过第二运算放大器放大，进入第二比较器，对放电电流进行检测，若放电电流超出限值，则输出高电平至MCU控制模块，触发逐波限流，MCU控制模块封闭第二开关单元和第三开关单元的驱动，达到硬件限流目的。
可选的，所述DC-DC升降压功率控制模块还包括升降压检测电路；
所述升降压检测电路连接DC-DC升降压控制电路和MCU控制模块，通过升降压检测电路的检测结果，MCU控制模块调整DC-DC升降压控制电路的输出，使输出电压稳定在设定的电压值。
可选的，所述P+P-短路检测控制模块包括第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元、保险单元、电压检测单元和第一电阻；
所述第四开关单元连接MCU控制模块、储能系统的P+端和第一电阻，所述第一电阻的另一端连接储能系统的P-端；
所述第五开关单元连接MCU控制模块、保险单元和储能系统的P-端；
所述第六开关单元连接储能系统的P+端和P-端；
所述保险单元连接电池模块的正极端和储能系统的P+端；
所述电压检测单元连接电池模块的负极端和储能系统的P-端，当满足短路条件时，通过P+P-短路检测控制模块短路储能系统的P+端和P-端，从而使故障的并网储能电池与储能系统离网连接。
可选的，所述通信模块采用CAN通信方式或RS485通信方式，使系统通信更加稳定、可靠。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种并网储能电池，在并网储能电池出现故障时，整个储能系统无需停止工作，并且无需将并网储能电池更换掉，即可完成故障并网储能电池的卸载和离网功能，不影响整个储能系统的工作。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种并网储能电池的拓扑结构图。
图2为本发明实施例中提供的DC-DC升降压控制电路、电流采样电路和滤波单元的连接示意图。
图3为本发明实施例中提供的第一开关单元的连接示意图。
图4为本发明实施例中提供的第二开关单元的连接示意图。
图5为本发明实施例中提供的第三开关单元的连接示意图。
图6为本发明实施例中提供的第四开关单元的连接示意图。
图7为本发明实施例中提供的电感单元的连接示意图。
图8为本发明实施例中提供的滤波单元的连接示意图。
图9为本发明实施例中提供的电流采样电路的连接示意图。
图10为本发明实施例中提供的过流保护电路的连接示意图。
图11为本发明实施例中提供的升降压检测电路的连接示意图。
图12为本发明实施例中提供的P+P-短路检测控制模块的连接示意图。
图13为本发明实施例中提供的CAN通信电路的示意图。
图14为本发明实施例中提供的RS485通信电路的示意图。
具体实施方式
为了详细说明本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
例如，一种并网储能电池，应用于储能系统中，并网储能电池包括电池模块、DC-DC升降压功率控制模块、P+P-短路检测控制模块、MCU控制模块和通信模块；电池模块连接DC-DC升降压功率控制模块和P+P-短路检测控制模块，DC-DC升降压功率控制模块和P+P-短路检测控制模块分别连接MCU控制模块，MCU控制模块连接通信模块，通信模块连接储能系统；DC-DC升降压功率控制模块连接储能系统的P+端和P-端；P+P-短路检测控制模块连接储能系统的P+端和P-端。
本实施例提供的一种并网储能电池，在并网储能电池出现故障时，整个储能系统无需停止工作，并且无需将并网储能电池更换掉，即可完成故障并网储能电池的卸载和离网功能，不影响整个储能系统的工作。
如图1所示，一种并网储能电池，应用于储能系统中，该并网储能电池包括电池模块、DC-DC升降压功率控制模块、P+P-短路检测控制模块、MCU控制模块和通信模块。
其中，电池模块，用于为储能系统提供电压；DC-DC升降压功率控制模块，用于调整输出电压、输出功率等状态信息与其他在线并网储能电池一致；P+P-短路检测控制模块，用于检测短路状态，并使故障的并网储能电池与储能系统离网连接；MCU控制模块，用于获取DC-DC升降压功率控制模块和P+P-短路检测控制模块的信号，并控制其作出相应调整或进一步动作，以及与通信模块进行信号传输；通信模块，用于与储能系统进行通信。
具体的，电池模块连接DC-DC升降压功率控制模块和P+P-短路检测控制模块，DC-DC升降压功率控制模块和P+P-短路检测控制模块分别连接MCU控制模块，MCU控制模块连接通信模块，通信模块连接储能系统；DC-DC升降压功率控制模块连接储能系统的P+端和P-端；P+P-短路检测控制模块连接储能系统的P+端和P-端。
在实际应用中，将并网储能电池接入储能系统中，通过通信模块获取储能系统中在线并网储能电池的电压、功率等状态信息及需要输出的电压、功率等状态信息。根据需要输出的电压、功率等输出需求，DC-DC升降压功率控制模块对并网储能电池进行调整，将其输出电压、输出功率等状态信息调整至与其他在线并网储能电池一致。
当并网储能电池出现故障时，通过P+P-短路检测控制模块进行检测，当满足短路条件时，由P+P-短路检测控制模块短路储能系统的P+端和P-端，从而使故障的并网储能电池与储能系统离网连接。
在一些实施例中，如图2-图7所示，DC-DC升降压功率控制模块包括DC-DC升降压控制电路；DC-DC升降压控制电路包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元和电感单元。
其中，第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元和第四开关单元分别连接电感单元，第一开关单元连接第四开关单元，第二开关单元连接第三开关单元，电池模块的信号进入DC-DC升降压控制电路中，在放电状态下，经过电感单元升压，此时第二开关单元作为续流管，第三开关单元作为开关管；在充电状态下，第二开关单元作为开关管，第三开关单元作为续流管，并网储能电池通过DC-DC升降压控制电路，将输出电压、输出功率等状态信息与其他在线并网储能电池一致。
具体的，参考图3-图6，第一开关单元包括MOS管Q1、Q15、Q13和Q14；第二开关单元包括MOS管Q2、Q5、Q6和Q10；第三开关单元包括MOS管Q4、Q11、Q8、Q12，第四开关单元包括Q3、Q16、Q18和Q17。
BAT_IN+信号进入DC-DC升降压控制电路中，放电状态下，如果电池电压低于输出电压，此时为升压电路，经过电感单元升压，MOS管Q2、Q5、Q6和Q10作为续流管，MOS管Q4、Q11、Q8、Q12作为开关管，将信号从BUS+输出。如果电池电压高于输出电压，则为降压电路，MOS管Q1、Q15、Q13、Q14作为开关管，MOS管Q3、Q16、Q18、Q17作为同步整流续流管，进行降压放电输出。
充电状态下相反，如果充电器电压高于电池电压，此时为降压电路，MOS管Q2、Q5、Q6和Q10作为开关管，MOS管Q4、Q11、Q8、Q12作为续流管。如果充电器低于电池电压，则工作在升压状态，此时MOS管Q3、Q16、Q18、Q17作为开关管，MOS管Q1、Q15、Q13、Q14作为续流管升压输出，该DC-DC升降压控制电路采用交错并联的半桥电路方式，可减小纹波对输出的影响。
需要说明的是，在第一开关单元、第二开关单元和第三开关单元中，并不仅限于使用MOS管，具有可控制的开关皆可应用于该DC-DC升降压控制电路中。
在一些实施例中，如图2和图8所示，DC-DC升降压功率控制模块还包括滤波单元；滤波单元连接DC-DC升降压控制电路，通过滤波单元滤除干扰，提高信号传输的稳定性。
参照图8，滤波单元包括串联连接的电容C53和电容C62，BAT_IN+信号经过滤波单元滤波后进入DC-DC升降压控制电路，有利于提高信号传输的稳定性。
在一些实施例中，如图9和图10所示，DC-DC升降压功率控制模块还包括电流采样电路和过流保护电路；电流采样电路连接DC-DC升降压控制电路和过流保护电路，通过电流采样电路获取主回路的电流信号，并由过流保护电路实现限流输出目的，对电路起到保护作用。
其中，过流保护电路包括充电电流检测单元和放电电流检测单元，分别通过充电电流检测单元和放电电流检测单元对充电电流、放电电流进行检测，并由MCU控制模块作出相应的控制。
参照图9，电流采样电路包括并联连接的电阻R58、R59、R61、R62、R64和R67，通过电流采样电路进行电流采样，采样的电流信号经过充电电流检测单元或放电电流检测单元，对充电或放电电流进行检测。
参照图10，充电电流检测单元包括第一运算放大器和第一比较器；其中，第一运算放大器为U12A，第一比较器为U13A，第一运算放大器U12A连接电流采样电路和第一比较器U13A，第一比较器U13A连接MCU控制模块。
采样的充电电流经过第一运算放大器U12A放大，进入第一比较器U13A，对充电电流进行检测，若充电电流超出限值，则输出高电平至MCU控制模块的TZ口，触发逐波限流，MCU控制模块封闭第二开关单元和第三开关单元的驱动，达到硬件限流目的。
放电电流检测单元包括第二运算放大器和第二比较器；其中，第二运算放大器为U12B，第二比较器为U13B，第二运算放大器U12B连接电流采样电路和第二比较器U13B，第二比较器U13B连接MCU控制模块。
采样的放电电流经过第二运算放大器U12B放大，进入第二比较器U13B，对放电电流进行检测，若放电电流超出限值，则输出高电平至MCU控制模块的TZ口，触发逐波限流，MCU控制模块封闭第二开关单元和第三开关单元的驱动，达到硬件限流目的。
需要说明的是，本示例可设置硬件一级，软件两级的过流保护功能，在MCU封闭第二开关单元和第三开关单元的驱动，达到硬件限流目的的同时，软件对电流进行平均值滤波，通过软件电流环进行充放电电流限制，以达到恒流充放电的目的。硬件限流速度快，用来作为快速的过流故障保护，软件限流速度稍慢，但是更精准，可以达到限流输出的目的，通过采用软硬件限流功能结合，对电路实现更完善的保护
在一些实施例中，如图11所示，DC-DC升降压功率控制模块还包括升降压检测电路；升降压检测电路连接DC-DC升降压控制电路和MCU控制模块，通过升降压检测电路的检测结果，MCU控制模块调整DC-DC升降压控制电路的输出，使输出电压稳定在设定的电压值。
参照图11，当BUS+电压高于REF_MCU设定的电压时，V_BUS_LOOP输出低电平；当BUS+电压低于REF_MCU设定的电压时，V_BUS_LOOP输出高电平。
通过获取V_BUS_LOOP的状态，调整DC-DC升降压控制电路的输出，使得BUS+的电压维持在设定的电压，在该示例中，对于电流的控制也是同理。
在一些实施例中，如图12所示，P+P-短路检测控制模块包括第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元、保险单元、电压检测单元和第一电阻。
其中，第四开关单元连接MCU控制模块、储能系统的P+端和第一电阻，第一电阻的另一端连接储能系统的P-端；第五开关单元连接MCU控制模块、保险单元和储能系统的P-端；第六开关单元连接储能系统的P+端和P-端；保险单元连接电池模块的正极端和储能系统的P+端；电压检测单元连接电池模块的负极端和储能系统的P-端；当满足短路条件时，通过P+P-短路检测控制模块短路储能系统的P+端和P-端，从而使故障的并网储能电池与储能系统离网连接。
具体的，第四开关单元包括MOS管Q7，第五开关单元包括MOS管Q9，第六开关单元包括继电器RLY1，保险单元包括保险丝F1，电压检测单元包括电阻R6，第一电阻为R1。
当系统工作电流满足并网条件时，控制Q7_DRV使MOS管Q7导通，将第一电阻R1与储能系统的P+端、P-端连接，通过检测电阻R6两端的电压，检测电池模块电流是否正常。当满足短路条件时，即整个储能系统处于小电流放电或者空闲状态，不对外输出功率时，控制Short_DRV使MOS管Q9导通将保险丝F1熔断，使电池模块的BAT+与储能系统的P+断开连接，并控制RLY_DRV+和RLY_DRV-使继电器RLY1的接触器点3和4连接，使储能系统的P+端和P-端短路，并网储能电池离网完成。
在一些实施例中，通信模块采用CAN通信方式或RS485通信方式，如图13和图14所示，图13示出的是CAN通信电路，图14示出的是RS485通信电路。
参照图13，网络标号CANTX和CANRX分别对应MCU控制模块的外设CAN，MCU控制模块的外设CAN经过了隔离器件输出连接到CAN通信电路中的收发IC，将隔离CAN信号转换为标准的CAN总线物理层接口。
其中，可在该CAN通信电路的输出接口处连接TVS或ESD器件，防止外部静电高压损坏内部器件。
参照图14，网络标号TXD_485和RXD_485分别连接对应MCU控制模块的外设UART或USART对应的TX、RX引脚，网络标号485_DE连接MCU控制模块的GPIO引脚。其中，TXD_485、RXD_485和485_DE经过光耦隔离连接RS485收发器，将MCU控制模块输出的串口TTL电平经过隔离后的UART或USART信号转成符合RS485总线标准的差分信号。
其中，在该RS485通信电路的接口输出处可连接TVS或ESD器件，防止外部静电高压损坏内部器件。
在整个并网储能电池中，所有信息交互都通过通信模块完成，其中包含的信息有，一是在线并网储能电池的状态信息，如电池电压、温度、电流、SOC、SOH告警故障等状态信息；二是在线并网储能电池输出信息，如电池可调整的电压范围及其精度、可输出的电流范围及其精度、是否可执行升降压状态信息等；三是总控要求输出的电池包电压范围及其精度、电流范围及其精度、系统实际输出信息、系统可输出信息以及系统状态信息等，其中，系统实际输出信息包括总输出电压、实时电流、功率在线电池包数量、电池包实时信息、系统绝缘值、环境温度、预充电阻温度、接触器状态以及系统告警保护状态等；系统可输出信息包括可输出功率、可输出电压、可输出电流范围、可进行升降压的电池数量、系统允许升降压的电池数量等控制信息；系统状态信息包括总SOC、总SOH、告警、保护状态、在线电池包数量、升降压执行中电池包的数量、剩余允许升降压电池包的数量等。
本发明提供的一种并网储能电池，在并网储能电池出现故障时，整个储能系统无需停止工作，并且无需将并网储能电池更换掉，即可完成故障并网储能电池的卸载和离网功能，不影响整个储能系统的工作。
可以理解的，上述实施例中各个部件之间的不同实施方式可以进行组合实施，实施例仅仅只是为了说明特定结构的可实施方式，并不是作为方案实施的限定。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种并网储能电池，其特征在于，应用于储能系统中，所述并网储能电池包括电池模块、DC-DC升降压功率控制模块、P+P-短路检测控制模块、MCU控制模块和通信模块；
所述电池模块连接DC-DC升降压功率控制模块和P+P-短路检测控制模块，所述DC-DC升降压功率控制模块和P+P-短路检测控制模块分别连接MCU控制模块，所述MCU控制模块连接通信模块，所述通信模块连接储能系统；
所述DC-DC升降压功率控制模块连接储能系统的P+端和P-端；
所述P+P-短路检测控制模块连接储能系统的P+端和P-端。
2.根据权利要求1所述的并网储能电池，其特征在于，所述DC-DC升降压功率控制模块包括DC-DC升降压控制电路；
所述DC-DC升降压控制电路包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元和电感单元；
所述第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元和第四开关单元分别连接电感单元，所述第一开关单元连接第四开关单元，所述第二开关单元连接第三开关单元。
3.根据权利要求2所述的并网储能电池，其特征在于，所述DC-DC升降压功率控制模块还包括滤波单元；
所述滤波单元连接DC-DC升降压控制电路。
4.根据权利要求2所述的并网储能电池，其特征在于，所述DC-DC升降压功率控制模块还包括电流采样电路和过流保护电路；
所述电流采样电路连接DC-DC升降压控制电路和过流保护电路。
5.根据权利要求4所述的并网储能电池，其特征在于，所述过流保护电路包括充电电流检测单元和放电电流检测单元。
6.根据权利要求5所述的并网储能电池，其特征在于，所述充电电流检测单元包括第一运算放大器和第一比较器；
所述第一运算放大器连接电流采样电路和第一比较器，所述第一比较器连接MCU控制模块。
7.根据权利要求5所述的并网储能电池，其特征在于，所述放电电流检测单元包括第二运算放大器和第二比较器；
所述第二运算放大器连接电流采样电路和第二比较器，所述第二比较器连接MCU控制模块。
8.根据权利要求2所述的并网储能电池，其特征在于，所述DC-DC升降压功率控制模块还包括升降压检测电路；
所述升降压检测电路连接DC-DC升降压控制电路和MCU控制模块。
9.根据权利要求1所述的并网储能电池，其特征在于，所述P+P-短路检测控制模块包括第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元、保险单元、电压检测单元和第一电阻；
所述第四开关单元连接MCU控制模块、储能系统的P+端和第一电阻，所述第一电阻的另一端连接储能系统的P-端；
所述第五开关单元连接MCU控制模块、保险单元和储能系统的P-端；
所述第六开关单元连接储能系统的P+端和P-端；
所述保险单元连接电池模块的正极端和储能系统的P+端；
所述电压检测单元连接电池模块的负极端和储能系统的P-端。
10.根据权利要求1所述的并网储能电池，其特征在于，所述通信模块采用CAN通信方式或RS485通信方式。
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