CN117277391A - 一种适用于户用储能及小型储能的bms管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，涉及储能管理技术领域，本发明包括BMS主控单元和BMS电池信息采集单元，BMS主控单元和BMS电池信息采集单元通信连接，BMS主控单元包括有主控制模块、电源模块、DO输出模块、DI输入模块、电流电压采集模块、系统绝缘采集模块、主控端的IOspi通信模块、CAN通信模块、RS485通信模块、以太网模块和无线WiFi模块，BMS电池信息采集单元包括电池组电压采集模块、均衡模块、温度采集模块和采集端的IOspi通信模块；本发明BMS管理系统，解决户用储能系统及小型储能系统通讯连线长及通信主从配地址问题，并解决户用储能系统及小型储能系统运行状态及数据远程监测及分析难的问题。

Description

一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统
技术领域
本发明涉及储能管理技术领域，特别涉及一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统。
背景技术
现有的BMS管理系统主要是用于电动汽车的电池包管理而户用储能及小型化储能并不适用，现有的BMS管理系统从结构上分主要有集中式、分布式和半集中式三种形式，其结构特点及存在问题如下：
集中式BMS管理系统结构其特征电压、温度采集及电池均衡等所有的功能均由主控BCU完成，且所有的功能全部集中在一块BMS管理系统板上，主控与电池组直接导线相连，无总线通信，适用于比较小的电池包；且缺点在于单体采样线束较长，连接线多，较长线束和较短线束在均衡是导致额外的电压压降，同时BMS管理系统的可靠性不高，管理点出数量有限；
分布式BMS管理系统结构其特征一主多从结构，电压采集、温度采集及均衡等功能由从控完成，一个从控管理多节电芯，主控与从控之间通过CAN总线通信；其缺点在于每个从控需要独立的MCU导致成本较高，需要考虑主从之间的通信隔离、通信多样、控制复杂，并且总线的电压信息对齐设计相对复杂；
半集中式BMS管理系统结构其特征属于集中式BMS管理系统和分布式BMS管理系统的组合运用，主要用于电芯排布奇特的电池包上，其缺点在于多种结构的混用从而成本较高；
以上BMS系统结构除了上述的问题，还存在以下问题：
1）通信需要进行主从地址配置，该操作使用户感到麻烦，经常地址配置错误，系统无法正常运行；
2）其次就是当前的BMS系统出现问题只能够本地进行维护，给运维人员增加个运维难度，每次运维都需要带一大包东西增加了运维人员的负荷。
3）设备安装到客户现场后供应商需要了解设备的运行状态，则需要到客户家里，因此经常打扰客户；为此，我们提出一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，涉及户用储能及小型储能的电池系统的管理以及基于大数据分析的云端BMS系统的数据监测分析、云端远程控制设备、远程维护和升级。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，包括BMS主控单元和BMS电池信息采集单元，所述BMS主控单元和BMS电池信息采集单元通信连接，所述BMS主控单元包括有主控制模块、电源模块、DO输出模块、DI输入模块、电流电压采集模块、系统绝缘采集模块、主控端的IOspi通信模块、CAN通信模块、RS485通信模块、以太网模块和无线WiFi模块，所述BMS电池信息采集单元包括电池组电压采集模块、均衡模块、温度采集模块和采集端的IOspi通信模块。
所述电池信息采集通过电压采样线束和温度感应线束与电池模组连接；多个采集模块之间使用双脚屏蔽线通过Iospi通信接口的PB口与下一个采集模块的PA口连接，依次类推形成级联模式；然后第一个采集模块的PA接口与BMS控制器的PB接口连接，最后一个采集模块的PB接口与BMS控制器的PA接口连接，从而形成了手拉手回环模式；BMS控制器通过PA或是PB接口可以实时通过电池信息采集模块收集、检测电池模组的工作状态；通过收集到的信息经过主控模块处理后通过WiFi模块或是有线以太网将信息传输到云端；电压检测模块与电池的正极和负极连接，电池的电压经过电压检测电路、信号隔离最后通过运放进行信号放大后送到主控模块进行电池母线电压计算、预充电压判断、主继电器工作情况判断；绝缘采集模块与电池的正极、负极和PE（大地、机壳）连接，电池的漏电信息经过绝缘采样电路、信号隔离最后通过运放进行信号放大后送到主控模块进行绝缘电阻计算；DI模块外部与开机按钮回检信号、主继电器辅助信号、各类传感器的干接点信号进行连接，信号通过光耦隔离后送到主控模块进行处理；DO模块外部与主继电器、预充继电器、二次电继电器、按钮指示灯等器件连接，主控模块通过所收集到的电池信息、电压采集信息、绝缘采集信息等，判断是否控制DO模块对主继电器、预充继电器、二次电继电器、按钮指示灯等器件进行控制。
所述电源模块为整个BMS管理系统主板提供稳定可靠的工作电源，同时向部分采集接口外接的采集传感器件提供工作电源。
所述BMS管理系统包括有光伏逆变器PCS，所述CAN通信模块进行与光伏逆变器PCS之间的数据通讯和扩容设备并联之间数据交互，所述RS485通信模块进行与光伏逆变器PCS之间的数据交互，同时为VPP通讯做预留。
所述IOspi通信模块进行BMS主控单元与电池信息采集单元之间的数据交互。
所述DO输出模块进行用户自建系统BMS系统之外的器件驱动及控制，所述DI输入模块进行其他功能模块的状态监测（具体根据软件需求实现）。
所述电流电压采集模块进行户用储能系统及小型储能系统的总电压实时采集和系统工作电流实时采集。
所述BMS管理系统包括有云端系统，所述以太网模块和无线WiFi模块与云端系统建立通信隧道连接，为远程监测、控制和维护提供通道。
所述主控制模块实现整个BMS管理系统的总集成，完成各个模块之间的数据交互调度，以及各模块之间的控制与状态监测。
所述BMS管理系统中包括有高压母线和机壳，所述系统绝缘采集模块采集系统中高压母线与机壳（大地）之间的绝缘电阻。
本发明具有如下有益效果：
本发明适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，解决户用储能系统及小型储能系统通讯连线长及通信主从配地址问题，并解决户用储能系统及小型储能系统运行状态及数据远程监测及分析难的问题，同时非硬件问题运维人员无需到达用户现场就能对系统进行运维。
本发明适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，BMS系统中电池信息采集端纯硬件化，去除软件部分提升产品的稳定性，此外，BMS系统中电池信息采集端无MCU及其相关硬件设计，降低设计成本，提升用户经济效益。
附图说明
图1为本发明适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统组成框图；
图2为本发明适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统的主控模块连接架构图；
图3为本发明适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统中BMS系统在户用储能中的运用架构图；
图4为本发明适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统工作流程图；
图5为本发明适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统中电池信息采集器工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1所示，本发明为适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，包括BMS主控单元和BMS电池信息采集单元，BMS主控单元和BMS电池信息采集单元通信连接，BMS主控单元包括有主控制模块、电源模块、DO输出模块、DI输入模块、电流电压采集模块、系统绝缘采集模块、主控端的IOspi通信模块、CAN通信模块、RS485通信模块、以太网模块和无线WiFi模块，BMS电池信息采集单元包括电池组电压采集模块、均衡模块、温度采集模块和采集端的IOspi通信模块。
其中，电源模块：为整个主板提供稳定可靠的工作电源，同时向部分采集接口外接的采集传感器件提供工作电源；CAN通信模块：实现与光伏逆变器PCS之间的数据通讯和扩容设备并联之间数据交互；RS485通信模块：实现与光伏逆变器PCS之间的数据交互，同时为VPP通讯做预留；IOspi通信模块：实现BMS主控器与电池采集器之间的数据交互；DO输出模块：实现用户自建系统BMS系统之外的器件驱动及控制；DI输入模块：实现其他功能模块的状态监测（具体根据软件需求实现）；电流电压采集模块：实现户用储能系统及小型储能系统的总电压实时采集和系统工作电流实时采集；无线WiFi模块与有线以太网模块：实现与云端系统建立通信隧道连接，为远程监测、控制和维护提供通道；主控制模块：实现整个系统的总集成，完成各个模块之间的数据交互调度，各模块之间的控制与状态监测；系统绝缘采集模块：采集系统中高压母线与机壳（大地）之间的绝缘电阻。
图1中，电池信息采集通过电压采样线束和温度感应线束与电池模组连接；多个采集模块之间使用双脚屏蔽线通过Iospi通信接口的PB口与下一个采集模块的PA口连接，依次类推形成级联模式；然后第一个采集模块的PA接口与BMS控制器的PB接口连接，最后一个采集模块的PB接口与BMS控制器的PA接口连接，从而形成了手拉手回环模式；BMS控制器通过PA或是PB接口可以实时通过电池信息采集模块收集、检测电池模组的工作状态；通过收集到的信息经过主控模块处理后通过WiFi模块或是有线以太网将信息传输到云端；电压检测模块与电池的正极和负极连接，电池的电压经过电压检测电路、信号隔离最后通过运放进行信号放大后送到主控模块进行电池母线电压计算、预充电压判断、主继电器工作情况判断；绝缘采集模块与电池的正极、负极和PE（大地、机壳）连接，电池的漏电信息经过绝缘采样电路、信号隔离最后通过运放进行信号放大后送到主控模块进行绝缘电阻计算；DI模块外部与开机按钮回检信号、主继电器辅助信号、各类传感器的干接点信号进行连接，信号通过光耦隔离后送到主控模块进行处理；DO模块外部与主继电器、预充继电器、二次电继电器、按钮指示灯等器件连接，主控模块通过所收集到的电池信息、电压采集信息、绝缘采集信息等，判断是否控制DO模块对主继电器、预充继电器、二次电继电器、按钮指示灯等器件进行控制。
如图2所示，RS485模块和无线WiFi模块通过串口USART接口与主控模块连接，CAN通讯模块与主控模块中MCU的CAN接口连接实现CAN通信；Iospi通信模块通过Iospi接口芯片转接与主控模块的spi接口连接；以太网模块通过专用以太网PHY芯片与主控模块的RMII接口连接，经过以太网变压器和以太网连接器实现有线以太网数据传输；DO模块与DI模块通过三极管和光耦与主控模块的GPIO连接，从而实现DO控制输出以及DI输入采集；电压采集模块通过连接器接到电池系统的正极和负极，然后通过电压采样电路、信号隔离和运放后与主控模块的ADC接口连接；绝缘模块通过连接器分别与电池正极、负极和机壳（大地PE）连接，然后通过绝缘采样电路、信号隔离和运放后与主控模块的ADC接口连接；电流采集模块通过连接器与外部的电流传感器连接，传感器的信号经过电流采样电路、信号隔离和运放后与主控模块的ADC接口连接。
如图3所示，BMS管理系统通过与电池连接的电池信息采集器完成对16节电芯的电压信息8个点的温度实时监测，并通过IOspi通信接口与主控制实现数据交互和指令传输，主控制根据电池采集器所收集到的信息，实现电池的充电、过充电、放电、过放电及高温、低温保护；并对电池的SOC和SOH进行估算，确保电池系统工作稳定可靠；
BMS系统在户用储能中的运用，电池采集器实现电池包16节电芯的电压采集和均衡控制，以及8个关键点位的温度监测。控制器通过电池采集器实时监测电池组内各单体电池的电压和总电压，首先将采集的各电芯电压加起来与采集的总电压比较，有差异表示采集电芯有问题或者采集总电压有问题，发出报警信息，并断开主继电器1和2，如果没有问题优先通过霍尔1和2进行电池组总电流检测，根据电流判定系统处于充电、放电或是待机状态，若果系统处于充电状态或是放电状态，则首先单体电压或总电压是否达到三级保护阀值，如果超过主控制器则控制主继电器1和2断开；如果未达到，继续判定是否达到二级保护阀值，如果超过，通过通讯通知充放电机（PCS）停止充放电；如果未达到，最后判定是否达到一级保护阀值，如果达到，通过通讯通知充放电机减小功率继续运行。
传统的电池信息采集器一般由电池管理模拟前端AFE模块、被动均衡模块、MUC控制模块、温度采集模块、对外CAN通信模块、温度采集模块构成；其中MCU控制模块需要编写软件才能是整个采集器正常工作，在系统集成时采集器之间采用总线式通讯，每个采集器地址必须是唯一地址系统才能正常通信，其次电芯的温度检测也是由MCU结合相关的采样电路进行采样检测，期间若是MCU程序出现BUG后整个电池模块将成为一个黑盒，其工作状态将不受监测和控制。
电池信息采集器其工作流程图如图5所示，采集器等待主控器的地址编码指令，收到地址编码指令后则进入电池的电压信息、温度信息自动采集，采集完成后通过IOspi通信模块将所采集的电压信息和温度信息上传给主控制器，由主控器进行数据分析处理，最终决定是否启动均衡模块对单节电芯进行均衡。
在该BMS系统中电池信息采集器能够完成1至16节电芯的电芯电压采集和1至16路的电芯均衡控制，同时能够完成1-8路电芯温度监测；电池信息采集器方案设计为纯硬件化设计且设计中没有MCU及其相关的外围电路，无论是从设计成本还是用户的采购成本上都能较好的降低成本；因该方案设计中硬件无MCU，电池信息采集器无任何软件控制，从而减少了电池采集器的故障概率，提升了其在系统中的稳定性。
系统中BMS主控制器是整个系统的大脑，其从电池信息采集器获取电池组中每只电芯的电压、温度等信息，判断电池组的工作情况、健康情况；并根据电池的工作状态实现对系统外部的电气件进行控制； BMS主控器实时采集电池的工作总电压以及工作总电流，通过总电压与总电流控制外部的充放电装置对电池进行充电和放电管理。BMS主控器还能对系统的绝缘电阻进行采集和判断，通过对电池组正极到大地、电池组负极到大地的绝缘电阻采集；能够准确的判断出系统是否存在漏电现象，绝缘性能是否下降，当BMS主控器检测到电池组正极或是负极存在漏电且绝缘性能小于系统安全工作要求则控制器会将电池组与外界用电器切断；BMS控制器设计有无线网络和有线网络，通过无线或是有线两种网络中的任意一种网络与云端管理平台建立连接，通过无线或是有线的方式实现了云端对设备的远程监测、控制和维护。
BMS主控器与电池信息采集器之间的通信方式为IOspi通信，该通信方式串联手拉手闭环通信，该方案电池信息采集器无需进行通信地址配置，优化了传统电池信息采集器的通讯配地址的烦恼，主控器通过PA-PB或是PB-PA的方式将电池采集器进行自动编号，从而距离主控器最近的地址为1依次叠加；即使电池采集器通信链路中间存在接触不良或是断路，控制器也能够从两个方向上将电池组的电压信息、温度信息、采样线束是否断开或是接触不良等信息收集起来进行处理。
系统工作流程如图4所示，控制器上电后首先对系统绝缘情况进行检测，根据检测漏电情况进行后续的操作，如果系统存在漏电情况且漏电情况并未出发系统设定阀值则系统继续后续操作；若系统漏电情况非常严重，远远超过了系统设定阀值则系统进行故障告警并执行停机操作，同时向云端发出告警信息；紧接着是对电池包信息进行收集同时对电池采集器进行自动地址编码，并对电池采集器地址编码进行校验，从而判定地址编码是否成功，若电池采集器地址编码不成功，则返回电池包信息收集和地址分配，重复该步骤5次若还是不成功则控制器则发出本地告警，同时将告警信息上报云端；地址编码成功后则主控制器对所收集到的电池包信息进行分析，判断电池包的信息是否有异常，若收集到的电池包信息存在异常项主控制器则发出本地告警并将告警信息上传云端；若如异常则进入正常运行状态；进入正常运行状态后还要对运行过程进行状态监测，若运行过程中系统触发异常项，主控制器则发出告警信息同时上传云端。
本发明中，随着储能行业的茁壮发展，随之带动了户用储能系统和小型化储能系统发展，用户对户用储能及小型储能的需求也是供不应求，伴随着行业的发展及用户的需求不仅带动储能系统刚需的BMS系统蓬勃发展，同时带动BMS系统的快速生长及迭代更新；本发明在户用储能及小型储能系统中具备着重要意义，本发明也是户用储能及小型储能系统中必不可少的零部件。
1、在户用储能系统中，储能系统一般以堆叠的形式存在，便于厂家拆卸和安装，储能系统无需按照传统的系统需要事先完成地址编码，再按照地址编码顺序进行堆叠，中途如有堆叠错误将导致整个系统无法工作，本发明在户用储能系统中完美的解决了该问题，设备安装无需先配置地址再按顺序叠放。
2、户用储能和小型化储能一般都是安装在客户的家里，客户使用过程中设备如果出现非硬件问题，运维人员无需到达用户家里就能够通过云端管理平台进行远程维护，从而提升了维护响应及时性，也增加了会对储能系统的使用体验。
3、本发明中电池采集器硬件上省去了原有的MCU及其外围电路，从设计上减少了软件的不可控因素，提升了产品的稳定性，降低了产品的采购成本。
4、户用储能及小型储能系统直接面对用户，安全性能对用户来书是重中之重，本发明主控制器具有超强的控制和计算能力，软件通过优异的算法实时监控电池的健康状态，从而提升了产品的安全性，用户使用起来更加安全放心。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，其特征在于：包括BMS主控单元和BMS电池信息采集单元，所述BMS主控单元和BMS电池信息采集单元通信连接，所述BMS主控单元包括有主控制模块、电源模块、DO输出模块、DI输入模块、电流电压采集模块、系统绝缘采集模块、主控端的IOspi通信模块、CAN通信模块、RS485通信模块、以太网模块和无线WiFi模块，所述BMS电池信息采集单元包括电池组电压采集模块、均衡模块、温度采集模块和采集端的IOspi通信模块。
2.根据权利要求1所述的一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，其特征在于：所述电源模块为整个BMS管理系统主板提供稳定可靠的工作电源，同时向部分采集接口外接的采集传感器件提供工作电源。
3.根据权利要求1所述的一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，其特征在于：所述BMS管理系统包括有光伏逆变器PCS，所述CAN通信模块进行与光伏逆变器PCS之间的数据通讯和扩容设备并联之间数据交互，所述RS485通信模块进行与光伏逆变器PCS之间的数据交互，同时为VPP通讯做预留。
4.根据权利要求1所述的一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，其特征在于：所述IOspi通信模块进行BMS主控单元与电池信息采集单元之间的数据交互。
5.根据权利要求1所述的一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，其特征在于：所述DO输出模块进行用户自建系统BMS系统之外的器件驱动及控制，所述DI输入模块进行各功能模块的状态监测。
6.根据权利要求1所述的一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，其特征在于：所述电流电压采集模块进行户用储能系统及小型储能系统的总电压实时采集和系统工作电流实时采集。
7.根据权利要求1所述的一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，其特征在于：所述BMS管理系统包括有云端系统，所述以太网模块和无线WiFi模块与云端系统建立通信隧道连接，为远程监测、控制和维护提供通道。
8.根据权利要求1所述的一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，其特征在于：所述主控制模块实现整个BMS管理系统的总集成，完成各个模块之间的数据交互调度，以及各模块之间的控制与状态监测。
9.根据权利要求1所述的一种适用于户用储能及小型储能的BMS管理系统，其特征在于：所述BMS管理系统中包括有高压母线和机壳，所述系统绝缘采集模块采集系统中高压母线与机壳之间的绝缘电阻。
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