CN115966788A - 一种三级架构储能电池管理系统及控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，包括第一级电池箱：由从控模块对电池箱的21串电池单体信息进行采样、均衡，并上报电池数据；第二级电池簇：由9个电池箱串联组成，次级主控模块对整簇电池信息进行采集，通过控制继电器、空开、隔离开关等执行电池安全保护策略及热管理；第三级电池堆：顶级主控模块及显示模块收集并汇总所有簇电池数据，下发控制命令，并负责与外部设备通信，实现电池堆的热管理、电池安全保护、远程监控、对外充放电等。充放电控制策略：为避免电池簇之间的环流风险，在电池端不直接并联，每簇分别通过1个储能变流器模块独立进行充放电，通过隔离变压器处理再并入电网。

Description

一种三级架构储能电池管理系统及控制策略

技术领域

本发明涉及大型储能电池管理系统技术领域，特别是指一种三级架构储能电池管理系统及控制策略。

背景技术

对于由大量电芯串并联组成的大规模储能系统而言，一般为多个单体电池串联组成1簇电池，多簇再并联就组成一个完整的电池堆储能单元，每个储能单元的电池管理系统多采用三级BMS的设计：从控模块管理单个电池箱的单体电池，次级主控模块管理整簇电池，顶级主控模块及显示设备管理整个电池堆。现有的储能电池管理系统往往存在因连接外部设备过多导致控制策略混乱，且因电池簇间直接并联而存在环流风险。环流会在电池簇间电压不一致时出现，出现环流时会造成电池内耗，且增加闭合继电器瞬间出现大电流环流冲击的风险，又会在电池禁充禁放后因电池簇间环流而出现涓流充放电，从而导致电池过充过放。

发明内容

本发明提出一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，能够逻辑清晰的实现对一个完整的电池堆储能单元进行管理，避免因电池端直接并联而造成环流风险；同时，还能够与以太网、PCS、EMS、空调、消防等外部设备进行通信。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，包括从控模块管理单个电池箱的单体电池；次级主控模块管理整簇电池；顶级主控模块及显示设备管理整个电池堆；充放电控制策略每簇分别通过1个PCS储能变流器模块独立进行充放电，经过PCS直流转交流后再通过隔离变压器处理后并入电网；由于在交流端再并联，可避免电池簇直接并联而出现环流风险。

优选的，所述电池箱包含21串单体电池串联的电池模组。

优选的，所述从控模块对单个电池箱的每一串电池单体电压、温度进行采样，对电压最低、最高的单体电池进行充电、放电均衡，并上报电池数据。

优选的，所述电池簇由9个电池箱串联，共189个单体电池串联组成的604.8V500Ah电池簇。

优选的，所述次级主控模块对整簇电池总电压、总电流、绝缘电阻、高压箱温度、开关量信号进行采集，通过控制继电器、空开、隔离开关等执行电池安全保护策略，保护整簇电池。

优选的，所述电池堆由4簇电池并联，共756个单体电芯串并联组合成的1.21MWh电池储能单元。

优选的，所述顶级主控模块收集所有次级主控模块上传的电池数据，对电池堆数据进行分析汇总，下发控制命令，并通过与空调、消防、EMS、PCS等外部设备通信，实现整堆电池的热管理、电池安全保护、对外充放电。

优选的，所述显示设备通过CAN总线监听所有簇的通信报文，用图形界面显示整堆电池管理系统的所有信息。

优选的，所述充放电控制采用模块化设计方案，4簇电池分别对应4个PCS储能变流器模块，降低环流风险，单簇电池对应功率150KW，总功率600KW。

优选的，所述电池堆、从控模块、次级主控模块、顶级主控模块等设备及对应线束统一安装在集装箱内，组成一个能独立运行的储能单元，并通过顶级主控模块的RJ45接口连接到以太网对储能单元进行远程监控。

本发明的有益效果在于：与现有技术相比较，本发明提供了一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，其从控模块采用高精度采样算法，单体电压采集精度1mV，温度采集精度1℃，均衡电流3A，达到行业领先水平。其次级主控模块通过CAN接口与从控模块进行高速通信、对整簇电池数据的实时采集分析，动态制定电池管理策略，通过热管理、主动均衡管理、边界管理等手段控制电池工作在合适的工况，能有效的保护电池。顶级主控模块有3路CAN、2路485、1路网口、1个SD存储接口，大大丰富了外设接口，可同时实现与空调、消防、EMS、PCS等外部设备通信交互。充放电控制采用模块化设计方案，4簇电池分别对应4个PCS储能变流器模块，通过储能变流器直流转交流，再进行隔离处理然后并入电网，可降低电池簇输出端直接并联而出现环流的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中储能电池管理系统结构框图；

图2为一实施例中的电池箱结构框图；

图3为一实施例中的簇高压箱结构框图；

图4为一实施例中的系统架构图；

图5为一实施例的充放电控制设计方案；

图6为显示设备界面-系统信息；

图7为显示设备界面-单簇信息；

图8为显示设备界面-历史数据。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通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。

在一个实施例中，如图1所示，一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，包括电池箱1、电池簇2、电池堆3、电池管理系统4，具体的，电池箱1包含21串单体电池串联，电池簇2是由9个电池箱串联起来组成的电池簇，电池堆共包含4个独立的电池簇；电池管理系统4中的从控模块对电池箱的单体电池信息进行采集及均衡，次级主控模块控制储能电池簇的充放电及执行电池安全保护策略，顶级主控模块对电池堆的所有电池信息进行汇总处理，分析电池控制策略后下发控制命令，并与外部进行通讯。

如图2所示，一实施例中的电池箱结构框图，电池箱内部包括电池箱风扇5、电池组6、从控模块7、风扇继电器8，从控模块安装在电池箱内部，用很短的电压采集线就可实现对单体电压的采集，可极大的减少因采集线阻抗带来的损耗；每个从控模块管理1个电池箱的21串单体电池，对应有21个单体电压，8个电池温度；采用高精度采样算法，单体电压采集精度1mV，温度采集精度1℃；高精度的单体电压采样值是电池管理系统判断电池组过充、过放、欠压、均衡、高性能SOC计算的基础；同时能实现3A的主动均衡电流，能够有效的提高电池一致性，从而提升电池系统的可用电量。

如图3所示，一实施例中的簇高压箱结构框图，簇高压箱内部包括次级主控模块9、高压箱风扇10、风扇继电器12、保险丝13、主正继电器14、隔离开关15、霍尔传感器16、预充电阻17、预充继电器18、主负继电器19，次级主控模块安装在高压箱内部，连接电池端电压采集、负载端电压采集、霍尔传感器测总电流、非平衡桥测总正总负对地绝缘阻值、高压MSD开关信号等开关量检测，对该电池簇的所有状态进行实时监控；控制高压箱内部的总正继电器、总负继电器、预充继电器实现整簇电池的充电、放电；控制24V电源空开、隔离开关跳闸保护等执行电池安全保护策略；控制风扇继电器，配合在空调加热或制冷时保持电池箱与环境空气流通，实现对电池的热管理；收集所属从控模块上的电池数据，计算出极值信息，下发均衡命令，在充放电过程中用安时积分法计算电池剩余电量SOC，并在充放电末端进行SOC校准。

如图4所示，一实施例中的系统架构图，包括4簇电池组成的电池堆20、显示设备21、24V电源22、顶级主控模块23、远程监控24、空调设备25、消防设备26、PCS储能变流器设备27、EMS能量管理系统28。

在实施例中，顶级主控模块通过CAN1通信接口接收4簇次级主控模块上传的电池数据，对电池堆数据进行分析汇总，然后下发控制命令；通过CAN2通信接口与PCS通信，发送充放电限制电压、电流，BMS状态字，禁充禁放状态等，确保电池按照预定的充放电功率表所规定的电流值对外进行充放电。

在实施例中，顶级主控模块通过RS485-1通信接口与EMS通信，实现储能系统的能量管理。

在实施例中，顶级主控模块通过RS485-2通信接口与消防设备进行通信，在出现消防报警时及时识别到，并下发命令给次级主控模块进行必要的保护动作，对电池进行必要的安全保护。

在实施例中，顶级主控模块通过CAN3通信接口与空调进行通信，根据电池系统的温度极值信息，计算出需求的温度，向空调请求相应的运行模式，并下发风扇控制指令给次级主控模块进行通风，以此实现电池热管理。

在实施例中，顶级主控模块通过RJ45通信接口连接以太网，与远程监控平台进行通信，通过远程监控平台，可以实现按照每一个储能电池堆单元进行监控并统一管理。

如图5所示，一实施例的充放电控制采用模块化设计方案，包括簇1电池簇29、簇1高压箱30、150KW储能变流器模块31、簇2电池簇32、簇2高压箱33、150KW储能变流器模块34、簇3电池簇35、簇1高压箱36、150KW储能变流器模块37、簇4电池簇38、簇4高压箱39、150KW储能变流器模块40、隔离变压器41、电网380V接入点42.

每组604.8V500Ah电池簇对应1个150KW储能变流器模块，根据功率计算公式P＝U*I，可知每簇的额定电流为248A，可保证电池能够按照0.5C的最佳充放电倍率进行充放电。具体的，在实际运行中，需求充放电电流是次级主控模块按照电池的充放电功率表计算，并上报给顶级主控模块，由顶级主控模块转发给PCS控制对应的储能变流器模块输入输出电流。储能变流器模块将直流转成交流，再进行隔离处理然后并入电网，可避免电池簇直流端直接并联而出现环流的问题。

如图6所示，显示设备界面-系统信息，显示设备通过CAN总线监听所有簇的通信报文，显示屏为触摸显示屏，可以通过触摸显示屏在本地监控电池堆运行时的实时状态，包括电池堆总电压、总电流、剩余电流，极值信息、可充放电电量等操作。

如图7所示，显示设备界面-单簇信息，可显示每一簇完整的电池实时数据，包括故障信息、采集数据、电池健康状态、开关量状态、单体信息等；

如图8所示，显示设备界面-历史数据，在实施例中BAMS为顶级主控模块的缩写、BCMS为次级主控模块的缩写，可进行BAMS、BCMS程序更新、读取版本号；当系统发生任何故障或故障消除时，记为报警事件或释放事件并记录在显示设备中；还可以按照最小1秒的间隔时间持续保存电池堆所有数据。

上述技术方案公开了本发明的改进点，未详细公开的技术内容，可由本领域技术人员通过现有技术实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，包括从控模块管理单个电池箱；次级主控模块管理电池簇；顶级主控模块及显示设备管理电池堆，通过各通信接口与外部设备通信，实现整堆电池的热管理、电池安全保护、远程监控；每簇分别通过1个PCS储能变流器模块独立进行充放电，经过PCS直流转交流后再通过隔离变压器处理后并入电网。

2.根据权利要求1所述的一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，其特征在于：所述每个电池箱包含21串单体电池串联组成的电池模组。

3.根据权利要求1所述的一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，其特征在于：所述从控模块对所述电池箱的21串电池单体电压、温度进行采样，接收上级下发的命令，对单体电压最低、最高的单体电池进行充电、放电均衡，打开、关闭风扇继电器，并上报电池数据。

4.根据权利要求1所述的一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，其特征在于：所述电池簇由9个电池箱串联，共189个单体电池串联组成的604.8V500Ah电池簇。

5.根据权利要求1所述的一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，其特征在于：所述次级主控模块对整簇电池总电压、总电流、绝缘电阻、高压箱温度、开关量信号进行采集，接收上级下发的命令，通过控制继电器、空开、隔离开关等执行电池安全保护策略，保护整簇电池，上报所属电池簇的相应数据。

6.根据权利要求1所述的一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，其特征在于：所述电池堆由4簇电池并联，共756个单体电芯串并联组合成的1.21MWh电池堆储能单元。

7.根据权利要求1所述的一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，其特征在于：所述顶级主控模块收集所有次级主控模块上传的电池数据，对电池堆数据进行分析汇总，分别向4簇次级主控模块下发控制命令，并通过与空调、消防、EMS、PCS等外部设备通信，实现整堆电池的热管理、电池安全保护、对外充放电。

8.根据权利要求1所述的一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，其特征在于：所述显示设备通过CAN总线监听所有簇的通信报文，用图形界面显示整堆电池管理系统的所有信息。

9.根据权利要求1所述的一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，其特征在于：所述充放电控制策略每簇分别通过1个PCS储能变流器模块独立进行充放电，经过PCS直流转交流后再通过隔离变压器处理后并入电网；由于在交流端再并联，可避免电池簇直接并联而出现环流风险，单簇电池对应充放电额定功率150KW，额定总功率600KW。

10.根据权利要求1所述的一种三级架构储能电池管理系统及控制策略，其特征在于：所述电池堆、从控模块、次级主控模块、顶级主控模块等设备及对应线束统一安装在集装箱内，组成一个能独立运行的储能单元，并通过顶级主控模块的RJ45网口连接到以太网对储能单元进行远程监控。

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