CN209389165U - 一种即插即用电池模块及电池储能系统 - Google Patents

一种即插即用电池模块及电池储能系统 Download PDF

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余婉仪
沈聪
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Abstract

本实用新型提供一种即插即用电池模块及电池储能系统，该即插即用电池模块，包括：电池箱体；多节单体电池，封装在所述电池箱体内，并在所述电池箱体的外侧预留连接器接口；电池管理系统(BMS)，通过所述连接器接口与所述多节电池相连。该电池储能系统包括：多个所述即插即用电池模块；多个双向储能变流器，连接到电网，且与多个所述即插即用电池模块一一对应相连；储能管理系统(EMS)，与所述双向储能变流器及所述即插即用电池模块相连。本实用新型提高了大规模储能系统灵活度和可靠性，任何一个电池包故障检修都不会影响其他电池的正常运行。

Description

一种即插即用电池模块及电池储能系统
技术领域
本实用新型涉及电池储能技术领域，尤其涉及一种即插即用电池模块及电池储能系统。
背景技术
目前大规模锂离子电池储能系统由数千只小容量的单体电池串、并联后组成。储能系统电池串并联成模组，然后模组串联组成电池包(PACK)，PACK串联组成电池簇，一个集装箱式锂离子电池储能系统由多簇电池并联组成。这样的系统如果有其中一个PACK内的单体电池损坏，需要更换整个PACK，并需要重新均衡簇内所有PACK之间的电压，灵活性差，维护成本高。
实用新型内容
本实用新型的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本实用新型而学习。
为克服现有技术的问题，本实用新型提供一种即插即用电池模块，包括：
电池箱体；
多节单体电池，封装在所述电池箱体内，并在所述电池箱体的外侧预留连接器接口；
电池管理系统(BMS)，通过所述连接器接口与所述多节电池相连。
可选地，所述连接器接口包括采集线接口、均衡线接口和充放电接口。
可选地，所述电池管理系统固定在所述电池箱体的外壁上。
可选地，所述电池管理系统包括多个DC/DC电路，与所述多节单体电池一一对应相连。
一种电池储能系统，包括：
多个本实用新型任一实施例提供的即插即用电池模块；
多个双向储能变流器，连接到电网，且与多个所述即插即用电池模块一一对应相连；
储能管理系统(EMS)，与所述双向储能变流器及所述即插即用电池模块相连。
可选地，所述双向储能变流器包括双向DC/DC变换器以及双向DC/AC变换器；所述双向DC/DC变换器与所述即插即用电池模块相连；所述双向DC/AC变换器用于与电网相连。
可选地，所述双向储能变流器包括控制器、连接器以及与所述控制器相连的通信单元、并网开关、功率变换单元、断路器；其中：所述功率变换单元与所述并网开关、断路器相连；所述连接器与所述并网开关、断路器相连。
可选地，所述双向储能变流器用于将所述即插即用电池模块产生的直流电能升压后输入电网；还用于将电网产生的交流电能整流成直流电压并降压后储存到所述即插即用电池模块。
可选地，所述储能管理系统用于：
获取所述即插即用电池模块中单体电池及整个模块的电压、温度、电流及报警信息；和/或
管理和控制所述双向储能变流器的传输功率；和/或
检测电网的电压、频率、相位等信息，控制所述双向储能变流器与电网同期。
可选地，所述储能管理系统设有远程通信接口。
本实用新型提供了一种即插即用电池模块及电池储能系统，同时提高了大规模储能系统灵活度和可靠性，任何一个电池包故障检修都不会影响其他电池的正常运行；此外本实用新型对单体电池一致性的要求大大降低，只需要单层BMU在电池包中进行均衡即可，省去了簇内均衡和簇间均衡，大幅度降低了BMS成本。
通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本实用新型，本实用新型的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本实用新型的解释说明，而不构成对本实用新型的任何意义上的限制，在附图中：
图1为本实用新型实施例的即插即用电池模块的结构示意图。
图2为本实用新型实施例的电池包与BMS均衡电路的连接示意图。
图3为本实用新型实施例的电池储能系统的结构示意图。
图4为本实用新型实施例的双向储能变流器的结构示意图。
图5为本实用新型实施例的双向储能变流器的主电路拓扑示意图。
图6为本实用新型实施例的双向DC/DC变换器控制框图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本实用新型提供一种即插即用电池模块，包括：电池箱体11、多节单体电池13、电池管理系统(BMS)17。其中：
多节单体电池13串并联在一起形成电池包14，并封装在电池箱体11内，且在电池箱体的外侧预留连接器接口15。一般地，电池包14可以由数十节单体电池串并联组成，例如，电池包由32节120Ah磷酸铁锂电池组成，见图2,单体电池组合为2并16串，开路端电压为41V～54V，充放电额定功率2.5kW，容量为12.5kWh，工作电压为40VDC～58.4VDC。
电池极柱上安装有电压、温度采集线和均衡线，电池和线束连接后，封装在的金属箱体内，并预留出连接器接口，通过连接器接口15接入电池管理系统。连接器接口15包括采集线接口、均衡线接口和充放电接口。
电池管理系统17可以通过连接线束与电池箱体上的采集线接口、均衡线接口、充放电接口相连。电池管理系统17能对电池包14进行智能管理，电池管理系统17配置了包括电源、通信、干接点输入/输出、采集、均衡、绝缘检测等多种类型接口，可以采集电池包14内部每个单体电池的电压、温度和主回路电流，当电池出现过压、欠压、过温、过流、连接故障等发出报警和保护信号，上传至储能管理系统(EMS)或实施保护隔离措施。本实施例中电池管理系统17通过连接线束将电池包采集均衡线接入电池管理系统17的采集均衡接口，电池管理系统17可以以紧固螺栓等方式固定在电池箱体的外壁，电池管理系统17设有通信接口，用于与储能变流器和EMS通信。
电池管理系统17包括多个DC/DC电路18，与多节单体电池一一对应相连。也就是说，电池管理系统17在每个单体电池上加入DC/DC电路18进行均衡，这样的设计电路可以同时对电池包14内每节单体电池13进行充放电均衡。电池管理系统17可以判断是否需要保护动作的时候发指令给双向储能变流器(PCS)，通知它跳机保护，如果PCS没有跳机保护动作，则电池管理系统17执行跳闸保护动作。
如图3所示，本实用新型提供一种电池储能系统，包括：多个本实用新型任一实施例提供的即插即用电池模块、多个双向储能变流器(PCS)20、储能管理系统(EMS)30。其中：该多个双向储能变流器20连接到电网，并与多个即插即用电池模块一一对应相连，更具体地，双向储能变流器20与即插即用电池模块中的电池管理系统17相连。储能管理系统30与双向储能变流器20及即插即用电池模块中的电池管理系统17相连。
本实施例中，将每个即插即用电池模块和双向储能变流器集成为一个小型储能系统；然后并机到集装箱储能系统交流侧。即插即用电池模块中的电池管理系统(BMS)和双向储能变流器进行通讯，进而在需要保护动作的时候发指令给充放电PCS，通知它跳机保护，如果保护没有动作，它自己跳闸保护。
上述小型储能系统集成在集装箱内，并联后接入电网；集装箱内还配置了EMS系统，能与BMS、储能变流器等通信，进行功率控制，管理整个储能系统的功率输入和输出。通过这种方式，当电池包内单体电池性能衰减到影响系统正常工作时，只需要BMS均衡电池电池包内的单体电池或将该电池包隔离即可。在具体实施时，可以采用12kWh电池包共20组，BMS共20套，5kW的双向储能变流器共20台，三者一一对应；其中EMS配置1套，还配备了其他系统如热管理系统、安监及消防系统等。
如图4所示，双向储能变流器20包括控制器51、连接器58以及与控制器51相连的通信单元52、检测单元53、热管理系统54、并网开关57、功率变换单元56、断路器55等；其中，功率变换单元56还与并网开关57、断路器55相连；连接器58与并网开关57、断路器55相连。
双向储能变流器20可以实现电池包与电网间的功率转换，通过连接器58实现即插即用特性。控制器51可以与功率变换单元56、并网开关57、断路器55、检测单元53、热管理系统54和通信单元52进行通信，发出控制指令或传输数据；大功率电流通过连接器58、断路器55、功率变换单元56和并网开关57等进行传输。
双向储能变流器20采用多级型拓扑结构，包括连接在一起的双向DC/DC变换器21和双向DC/AC变换器22。双向DC/DC变换器21与即插即用电池模块中的电池包相连；主要进行电池电压等级变换，以实现与逆变器直流侧匹配对接，双向DC/AC变换器22用于与电网相连完成电能的交直流双向转换。电池包的充电以交流电网为能量输出，双向储能变流器中双向DC/AC变换器22运行在有源整流工况，双向DC/DC变换器21运行在Buck降压模式，将电网能量存储到电池；放电时以电池作为能量输出，变流器中双向DC/DC变换器21运行在Boost升压模式，双向DC/AC变换器22运行在有源/无源逆变工况，将电池能量馈送到电网。在DC/AC中嵌入了柔性电压源控制技术，无需并机线可以将多台DC/AC设备在电压源工作模式下并联运行。可见，双向储能变流器20可以用于将即插即用电池模块产生的直流电能升压后输入电网；还用于将电网产生的交流电能整流成直流电压并降压后储存到所述即插即用电池模块。
此外，双向储能变流器将电池包产生的直流电能，先经过DC/DC变换器升压，再供给DC/AC变流器作为直流侧输入电压，逆变后输入电网。反之电网产生的交流电能经过DC/AC变流器整流成直流电压，经过DC/DC变换器降压，得到电池包的充电电压。经过DC/DC变换电池包的工作电压可在较宽范围内运行。
请参照图5，图5是双向储能变流器的主电路拓扑示意图。按电路功能分类，从电池端到交流电网侧各级电路功能及设计依据为：直流缓冲电路，在电池PACK充电中起到缓冲限流作用；交流缓冲电路，抑制充电交流侧启动冲击电流；主功率电路，作为系统的能量转换单元，DC/DC电路负责匹配电池与逆变器母线侧的接口电压、抑制充电电流，采用半桥型(Buck/Boost)非隔离型拓扑结构，含有高频变压器，DC/AC电路负责稳定母线电压、调节交流侧功率因数、谐波，同时放电时控制放电功率，三相半桥拓扑与LCL滤波器构成变流器的DC/AC部分；三相隔离变压器起电气隔离和电压变换作用，采用电网侧星型、PCS侧三角型接法，具有电气隔离作用，不会进入电网；LCL滤波器抑制变流器网侧谐波，提高并网质量，采用LCL型结构，其电网侧电感设计在隔离变压器中，等于其漏感。
PCS控制包括并网DC/AC变流器控制和DC/DC变换器环节控制，并网变流器采用SVPWM控制技术；双向DC/DC变换器采用双闭环控制，与恒流模式相比，增加一个电压外环，控制框图如图6所示。先采集中间直流侧电压Udc的实际值，与指令电压值进行比较，得到指令电流，再将采集到的电感电流实际值iL与电流指令值作比较，产生电流误差信号，计算出相应的占空比，最后产生PWM脉冲。
双向储能变流器20的工作状态分为电压源工作模式(V/F源)和电流源工作模式(PQ源)。在V/F源工作模式下，双向储能变流器为电网提供调频、调压等辅助服务。在PQ源的工作模式下，双向储能变流器接受按照EMS调度指令发出/吸收有功P和无功Q。
储能管理系统30是该储能系统的控制中心，一方面与BMS通信，获取电池包中单体电池及整个电池包的电压、温度、电流及报警信息；另一方面与双向储能变流器20通信，管理和控制每个双向储能变流器的传输功率；此外，EMS还通过特定检测装置检测电网的电压、频率、相位等信息，控制双向储能变流器与电网同期，保证集装箱储能系统按照相关电力行业标准要求并网运行。
储能管理系统30还具备远程通信接口，用于与储能电站控制中心通信,接受系统能量调度。
储能系统内BMS、PCS、EMS等可以使用统一规格的DC48V开关电源和电池组端联合供电，如此既满足了系统即插即用要求,又使系统脱离电网后具有黑启动功能。
本实用新型提供一种即插即用电池模块，对单体电池一致性的要求大大降低，只需要单层BMU在电池包中进行均衡即可，省去了簇内均衡和簇间均衡，大幅度降低了BMS成本。
本实用新型提供一种电池储能系统，采用即插即用型电池模块和双向储能变流器集成为一个小型储能系统；然后并机到集装箱储能系统交流侧；当电池包内单体电池性能衰减到影响系统正常工作时，只需要BMS均衡电池包内部的单体电池或将该电池包隔离即可，能够显著提高灵活性和可靠性。本实用新型增加了储能系统设计、施工和维护的灵活性，不仅增加了系统可靠性，还降低了系统维护成本。
以上参照附图说明了本实用新型的优选实施例，本领域技术人员不脱离本实用新型的范围和实质，可以有多种变型方案实现本实用新型。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本实用新型较佳可行的实施例而已，并非因此局限本实用新型的权利范围，凡运用本实用新型说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本实用新型的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种即插即用电池模块，其特征在于，包括：
电池箱体；
多节单体电池，封装在所述电池箱体内，并在所述电池箱体的外侧预留连接器接口；
电池管理系统(BMS)，通过所述连接器接口与所述多节电池相连。
2.根据权利要求1所述即插即用电池模块，其特征在于，所述连接器接口包括采集线接口、均衡线接口和充放电接口。
3.根据权利要求1所述即插即用电池模块，其特征在于，所述电池管理系统固定在所述电池箱体的外壁上。
4.根据权利要求1所述即插即用电池模块，其特征在于，所述电池管理系统包括多个DC/DC电路，与所述多节单体电池一一对应相连。
5.一种电池储能系统，其特征在于，包括：
多个如权利要求1至4任一所述即插即用电池模块；
多个双向储能变流器，连接到电网，且与多个所述即插即用电池模块一一对应相连；
储能管理系统(EMS)，与所述双向储能变流器及所述即插即用电池模块相连。
6.根据权利要求5所述的电池储能系统，其特征在于，所述双向储能变流器包括双向DC/DC变换器以及双向DC/AC变换器；所述双向DC/DC变换器与所述即插即用电池模块相连；所述双向DC/AC变换器用于与电网相连。
7.根据权利要求5所述的电池储能系统，其特征在于，所述双向储能变流器包括控制器、连接器以及与所述控制器相连的通信单元、并网开关、功率变换单元、断路器；其中：所述功率变换单元与所述并网开关、断路器相连；所述连接器与所述并网开关、断路器相连。
8.根据权利要求5所述的电池储能系统，其特征在于，所述双向储能变流器用于将所述即插即用电池模块产生的直流电能升压后输入电网；还用于将电网产生的交流电能整流成直流电压并降压后储存到所述即插即用电池模块。
9.根据权利要求5所述的电池储能系统，其特征在于，所述储能管理系统用于：
获取所述即插即用电池模块中单体电池及整个模块的电压、温度、电流及报警信息；和/或
管理和控制所述双向储能变流器的传输功率；和/或
检测电网的电压、频率、相位等信息，控制所述双向储能变流器与电网同期。
10.根据权利要求5所述的电池储能系统，其特征在于，所述储能管理系统设有远程通信接口。
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