CN115459404A - 一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统 - Google Patents

一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统，包括：通过电池管理单元对单体电芯的温度和电压进行监测；通过电池簇管理单元对电池簇的总电压、总电流进行监测，从而对电池簇的充电过程和放电过程进行安全管理；通过电池堆管理系统对电池簇接入汇流排时进行充放电管理；电池堆管理系统还用于对电池簇的使用方式进行接收控制；其中，电池管理单元由第一MCU主芯片和第一MCU辅助芯片组成；电池簇管理单元由第二MCU主芯片和第二MCU辅助芯片组成；第二MCU主芯片通过对三路霍尔采样获取电池簇的总电压和绝缘检测值；第二MCU主芯片通过板外霍尔元件采集电池簇的电流信息。

Description

一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统
技术领域
本发明涉及电源管理技术领域，具体涉及一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统。
背景技术
储能技术成为发展和建设智能电网的关键技术之一，其具有改善电网的低能质量，加大可再生能源的利用率。随着新一代锂电池材料的迅速发展，以及电池技术的进一步提高，使得锂电池在储能方面的应用有广泛的空间。集装箱式电池储能系统具有技术成熟、大容量、可移动、可靠性高、无污染、噪音低、适应性强、可扩充、便于安装等优点，所以集装箱储能系统作为电力系统的储能电源，是未来储能的发展方向。
目前的户外集装箱式储能柜在电池管理方向存在较多漏洞，比如在高温环境中，大量电池产生热能可能引起火灾事故，因此，如何改善户外集装箱式储能柜的电源管理方案，成为目前亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统，以解决现有技术中户外集装箱式储能柜在高温环境中针对电池管理存在的安全隐患问题。
本发明实施例提供了一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统，包括：
通过电池管理单元对单体电芯的温度和电压进行监测；
通过电池簇管理单元对电池簇的总电压、总电流进行监测，从而对电池簇的充电过程和放电过程进行安全管理；
通过电池堆管理系统对电池簇接入汇流排时进行充放电管理；电池堆管理系统还用于对电池簇的使用方式进行接收控制；
其中，电池管理单元由第一MCU主芯片和第一MCU辅助芯片组成；第一MCU主芯片通过总线与电池簇管理系统连接；第一MCU辅助芯片通过总线与电池簇管理系统连接；第一MCU主芯片与第一MCU辅助芯片通过串口连接；
电池簇管理单元由第二MCU主芯片和第二MCU辅助芯片组成；第二MCU主芯片通过对三路霍尔采样获取电池簇的总电压和绝缘检测值；第二MCU主芯片通过板外霍尔元件采集电池簇的电流信息；第二MCU主芯片分别通过总线与电池管理单元以及电池堆管理系统连接；第二MCU辅助芯片通过总线与电池管理单元连接；第二MCU辅助芯片通过RS485与电池堆管理系统连接。
可选地，电池堆管理系统由一块M3350周立功核心板和一块触摸屏组成。
可选地，第一MCU主芯片、第一MCU辅助芯片、第二MCU主芯片和第二MCU辅助芯片采用LPC1768FBD100芯片。
可选地，还包括：
电池监控器，与第一MCU主芯片连接；第一MCU主芯片通过电池监控器采集单体电芯的电压。
可选地，还包括：
第一MCU主芯片和第一MCU辅助芯片分别采集单体电芯的电池温度点；
当第一MCU主芯片和第一MCU辅助芯片均正常运行时，由第一MCU主芯片向电池簇管理单元上传温度信息；
当第一MCU主芯片发生故障，第一MCU辅助芯片正常运行时，由第一MCU辅助芯片向电池簇管理单元上传温度信息。
可选地，电池簇管理单元通过10路开关量信号输入电路对三路霍尔采样，获得采样信息；通过ADC转换模块将采样信息转换为数字信号；电池簇管理单元通过8路开关信号输出电路输出数字信号以控制断开主继电器。
可选地，当第二MCU主芯片和第二MCU辅助芯片均正常运行时，由第二MCU主芯片控制断开主继电器；
当第二MCU辅助芯片通过串口监测到第二MCU主芯片发生故障时，由第二MCU辅助芯片控制断开主继电器。
可选地，电池管理单元还包括：
数字信号输入/输出电路、主控芯片电路、通信电路、接口电路、温度信号采集电路、温度信号处理电路和均衡控制电路；
其中，数字信号输入/输出电路与主控芯片电路连接；通信电路与主控芯片电路连接；接口电路的一端接在数字信号输入/输出电路和主控芯片电路之间；温度信号采集电路的输入端与接口电路连接；温度信号采集电路的输出端与温度信号处理电路的输入端连接；温度信号处理电路的输出端与主控芯片电路连接；均衡控制电路的一端与电池监控器连接；均衡控制电路的另一端与接口电路连接。
可选地，均衡控制电路包括：
MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和发光二极管；
其中，MOS管的源极与接口电路连接；第一电阻的一端与MOS管的栅极连接；第一电阻的另一端与电池监控器连接；MOS管的漏极与第二电阻的一端连接；第二电阻的另一端与发光二极管的正极连接；发光二极管的负极与第三电阻的一端连接；第三电阻的另一端与MOS管的漏极连接。
本发明实施例的有益效果：
本发明实施例提供的一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统，通过将电池系统的BMS系统分成三级管理，底层电池管理单元用于监测单体电芯的温度和电压，采用主芯片和辅助芯片实现过热保护功能。中间层电池簇管理单元BCU监测整簇电池的总电压、总电流有效地对电池簇充、放电过程进行安全管理，监测电池簇的工作状态和绝缘电阻，对可能出现的故障进行报警和应急保护处理。向下收集电池管理单元BMU信息，实现电池单体过欠压保护、电池单体过热保护、电池簇过流保护、电池簇过欠压保护、通信故障保护等，并向上层电池堆管理系统BAS提供信息。最高层为电池堆管理系统BAS对整个储能电池堆的电池进行集中管理，保证电池安全、可靠、稳定的运行。通过收集到的数据可以实现电池系统的过欠压保护、过流保护、热管理故障保护、绝缘电阻低保护、低电量保护、通信故障保护等；对电池组的使用方式进行接收控制，如启动、停止信号、急停控制、报警输出等；对电池组以外的系统进行综合通讯，统一汇总传输所有电池簇的信息。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例中一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统的结构图；
图2示出了本发明实施例中一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统的电池管理单元BMU结构图；
图3示出了本发明实施例中一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统的电池管理单元BMU主控芯片及其外围电路图；
图4示出了本发明实施例中一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统的电池管理单元BMU数字信号输入/输出电路图；
图5示出了本发明实施例中一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统的电池管理单元BMU的采集芯片电路图；
图6示出了本发明实施例中一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统的电池管理单元BMU的温度采样电路图；
图7示出了本发明实施例中一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统的电池管理单元BMU的被动均衡电路图；
图8示出了本发明实施例中一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统的电池管理单元BMU的温度信号处理电路图；
图9示出了本发明实施例中一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统的电池管理单元BMU的接口电路图；
图10示出了本发明实施例中一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统的电池簇管理单元BCU的主控芯片及其外围电路图；
图11示出了本发明实施例中一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统的电池簇管理单元BCU的ANO电路图；
图12示出了本发明实施例中一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统的电池簇管理单元BCU的主控芯片与TP电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动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。
本发明实施例提供了一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统，如图1所示，包括电池管理单元BMU、电池簇管理单元BCU和电池堆管理系统BAS，其中：通过电池管理单元BMU对单体电芯的温度和电压进行监测；通过电池簇管理单元BCU对电池簇的总电压、总电流进行监测，从而对电池簇的充电过程和放电过程进行安全管理；通过电池堆管理系统BAS对电池簇接入汇流排时进行充放电管理；电池堆管理系统BAS还用于对电池簇的使用方式进行接收控制；其中，电池管理单元BMU由第一MCU主芯片和第一MCU辅助芯片组成；第一MCU主芯片通过总线与电池簇管理系统BCU连接；第一MCU辅助芯片通过总线与电池簇管理系统BCU连接；第一MCU主芯片与第一MCU辅助芯片通过串口连接；电池簇管理单元BCU由第二MCU主芯片和第二MCU辅助芯片组成；第二MCU主芯片通过对三路霍尔采样获取电池簇的总电压和绝缘检测值；第二MCU主芯片通过板外霍尔元件采集电池簇的电流信息；第二MCU主芯片分别通过总线与电池管理单元BMU以及电池堆管理系统BAS连接；第二MCU辅助芯片通过总线与电池管理单元BMU连接；第二MCU辅助芯片通过RS485与电池堆管理系统BAS连接。
在具体实施例中，第一MCU主芯片与第二MCU主芯片通过总线连接，第一MCU辅助芯片与第二MCU辅助芯片通过总线连接。
本实施例提供的一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统，通过将电池系统的BMS系统分成三级管理，底层电池管理单元用于监测单体电芯的温度和电压，采用主芯片和辅助芯片实现过热保护功能。中间层电池簇管理单元BCU监测整簇电池的总电压、总电流有效地对电池簇充、放电过程进行安全管理，监测电池簇的工作状态和绝缘电阻，对可能出现的故障进行报警和应急保护处理。向下收集电池管理单元BMU信息，实现电池单体过欠压保护、电池单体过热保护、电池簇过流保护、电池簇过欠压保护、通信故障保护等，并向上层电池堆管理系统BAS提供信息。最高层为电池堆管理系统BAS对整个储能电池堆的电池进行集中管理，保证电池安全、可靠、稳定的运行。通过收集到的数据可以实现电池系统的过欠压保护、过流保护、热管理故障保护、绝缘电阻低保护、低电量保护、通信故障保护等；对电池组的使用方式进行接收控制，如启动、停止信号、急停控制、报警输出等；对电池组以外的系统进行综合通讯，统一汇总传输所有电池簇的信息。
作为可选的实施方式，电池堆管理系统由一块M3350周立功核心板和一块触摸屏组成。
作为可选的实施方式，第一MCU主芯片、第一MCU辅助芯片、第二MCU主芯片和第二MCU辅助芯片采用LPC1768FBD100芯片。
作为可选的实施方式，还包括：
电池监控器，与第一MCU主芯片连接；第一MCU主芯片通过电池监控器采集单体电芯的电压。
在本实施例中，电池监控器采用LTC6811HG-2芯片采集单节电池电压，采样精度达到单节1.2mV。
在具体实施方式中，用于集装箱式储能系统的电源管理系统通过如图2~12的电路图实现。
作为可选的实施方式，还包括：
第一MCU主芯片和第一MCU辅助芯片分别采集单体电芯的电池温度点；
当第一MCU主芯片和第一MCU辅助芯片均正常运行时，由第一MCU主芯片向电池簇管理单元上传温度信息；
当第一MCU主芯片发生故障，第一MCU辅助芯片正常运行时，由第一MCU辅助芯片向电池簇管理单元上传温度信息。
在本实施例中，电池组包括12个单体电芯，对每个电芯的两处进行温度采集，即24个电池温度点。第一MCU主芯片和第一MCU辅助芯片独立工作。
作为可选的实施方式，电池簇管理单元通过10路开关量信号输入电路对三路霍尔采样，获得采样信息；通过ADC转换模块将采样信息转换为数字信号；电池簇管理单元通过8路开关信号输出电路输出数字信号以控制断开主继电器。
在本实施例中，ADC部分包括一块ADS1256IDB高精度24位芯片。
作为可选的实施方式，当第二MCU主芯片和第二MCU辅助芯片均正常运行时，由第二MCU主芯片控制断开主继电器；
当第二MCU辅助芯片通过串口监测到第二MCU主芯片发生故障时，由第二MCU辅助芯片控制断开主继电器。
作为可选的实施方式，电池管理单元还包括：
数字信号输入/输出电路、主控芯片电路、通信电路、接口电路、温度信号采集电路、温度信号处理电路和均衡控制电路；
如图2所示，数字信号输入/输出电路与主控芯片电路连接；通信电路与主控芯片电路连接；接口电路的一端接在数字信号输入/输出电路和主控芯片电路之间；温度信号采集电路的输入端与接口电路连接；温度信号采集电路的输出端与温度信号处理电路的输入端连接；温度信号处理电路的输出端与主控芯片电路连接；均衡控制电路的一端与电池监控器连接；均衡控制电路的另一端与接口电路连接。
作为可选的实施方式，均衡控制电路包括：
MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和发光二极管；
其中，MOS管的源极与接口电路连接；第一电阻的一端与MOS管的栅极连接；第一电阻的另一端与电池监控器连接；MOS管的漏极与第二电阻的一端连接；第二电阻的另一端与发光二极管的正极连接；发光二极管的负极与第三电阻的一端连接；第三电阻的另一端与MOS管的漏极连接。
在本实施例中，如图2和图7所示，均衡电路设置在接口电路和LTC采集芯片电路之间，且均衡电路通过总线与接口电路进行连接，实现底层电池管理单元BMU的均衡控制。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种用于集装箱式储能系统的电源管理系统，其特征在于，包括：
通过电池管理单元对单体电芯的温度和电压进行监测；
通过电池簇管理单元对电池簇的总电压、总电流进行监测，从而对所述电池簇的充电过程和放电过程进行安全管理；
通过电池堆管理系统对所述电池簇接入汇流排时进行充放电管理；所述电池堆管理系统还用于对所述电池簇的使用方式进行接收控制；
其中，所述电池管理单元由第一MCU主芯片和第一MCU辅助芯片组成；所述第一MCU主芯片通过总线与所述电池簇管理系统连接；所述第一MCU辅助芯片通过总线与所述电池簇管理系统连接；所述第一MCU主芯片与所述第一MCU辅助芯片通过串口连接；
所述电池簇管理单元由第二MCU主芯片和第二MCU辅助芯片组成；所述第二MCU主芯片通过对三路霍尔采样获取所述电池簇的总电压和绝缘检测值；所述第二MCU主芯片通过板外霍尔元件采集所述电池簇的电流信息；所述第二MCU主芯片分别通过总线与所述电池管理单元以及所述电池堆管理系统连接；所述第二MCU辅助芯片通过总线与所述电池管理单元连接；所述第二MCU辅助芯片通过RS485与所述电池堆管理系统连接。
2.根据权利要求1所述的用于集装箱式储能系统的电源管理系统，其特征在于，所述电池堆管理系统由一块M3350周立功核心板和一块触摸屏组成。
3.根据权利要求1所述的用于集装箱式储能系统的电源管理系统，其特征在于，所述第一MCU主芯片、所述第一MCU辅助芯片、所述第二MCU主芯片和所述第二MCU辅助芯片采用LPC1768FBD100芯片。
4.根据权利要求1所述的用于集装箱式储能系统的电源管理系统，其特征在于，还包括：
电池监控器，与所述第一MCU主芯片连接；所述第一MCU主芯片通过所述电池监控器采集所述单体电芯的电压。
5.根据权利要求1所述的用于集装箱式储能系统的电源管理系统，其特征在于，还包括：
所述第一MCU主芯片和所述第一MCU辅助芯片分别采集所述单体电芯的电池温度点；
当所述第一MCU主芯片和所述第一MCU辅助芯片均正常运行时，由所述第一MCU主芯片向所述电池簇管理单元上传温度信息；
当所述第一MCU主芯片发生故障，所述第一MCU辅助芯片正常运行时，由所述第一MCU辅助芯片向所述电池簇管理单元上传温度信息。
6.根据权利要求1所述的用于集装箱式储能系统的电源管理系统，其特征在于，所述电池簇管理单元通过10路开关量信号输入电路对所述三路霍尔采样，获得采样信息；通过ADC转换模块将所述采样信息转换为数字信号；所述电池簇管理单元通过8路开关信号输出电路输出所述数字信号以控制断开主继电器。
7.根据权利要求6所述的用于集装箱式储能系统的电源管理系统，其特征在于，当所述第二MCU主芯片和所述第二MCU辅助芯片均正常运行时，由所述第二MCU主芯片控制断开所述主继电器；
当所述第二MCU辅助芯片通过串口监测到所述第二MCU主芯片发生故障时，由所述第二MCU辅助芯片控制断开所述主继电器。
8.根据权利要求4所述的用于集装箱式储能系统的电源管理系统，其特征在于，所述电池管理单元还包括：
数字信号输入/输出电路、主控芯片电路、通信电路、接口电路、温度信号采集电路、温度信号处理电路和均衡控制电路；
其中，所述数字信号输入/输出电路与所述主控芯片电路连接；所述通信电路与所述主控芯片电路连接；所述接口电路的一端接在所述数字信号输入/输出电路和所述主控芯片电路之间；所述温度信号采集电路的输入端与所述接口电路连接；所述温度信号采集电路的输出端与所述温度信号处理电路的输入端连接；所述温度信号处理电路的输出端与所述主控芯片电路连接；所述均衡控制电路的一端与所述所述电池监控器连接；所述均衡控制电路的另一端与所述接口电路连接。
9.根据权利要求8所述的用于集装箱式储能系统的电源管理系统，其特征在于，所述均衡控制电路包括：
MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和发光二极管；
其中，所述MOS管的源极与所述接口电路连接；所述第一电阻的一端与所述MOS管的栅极连接；所述第一电阻的另一端与所述电池监控器连接；所述MOS管的漏极与所述第二电阻的一端连接；所述第二电阻的另一端与所述发光二极管的正极连接；所述发光二极管的负极与所述第三电阻的一端连接；所述第三电阻的另一端与所述MOS管的漏极连接。
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