CN210629116U - 一种基于退役动力电池包的储能控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于退役动力电池包的储能控制系统，包括退役的电池包PACK、双向变流器PCS、桥接器BC、人机交互模块HMI，所述电池包的BMS通讯接口与桥接器的通讯接口连接；所述电池包的充放电接口与双向变流器PCS的直流接口连接，所述双向变流器PCS的交流接口与交流总线AC‑BUS连接，所述桥接器分别连接双向变流器PCS、人机交互界面。本实用新型基于不拆解的电池包实现储能控制，利用电池包内的BMS监控电池包的状态、利用双向AC/DC实现与外部交流总线的充放电，从而实现储能控制，整个系统结构简单、成本低，通过设置的交直流电能表可以统计充放电电能，进而可以了解电池的储能效率；设置的交流断路器、刀熔开关可以起到检修隔离、过流保护的作用。

Description

一种基于退役动力电池包的储能控制系统

技术领域

本发明涉及退役电池包回收利用领域，特别涉及一种基于退役动力电池包的储能控制系统。

背景技术

新能源电动汽车用动力电池在使用一定时间或循环一定次数之后，其容量或功率特性衰退较为明显，无法满足车用要求，需要从汽车上退役。但是，退役的动力电池仍然潜藏巨大的剩余价值，其容量和功率仍然可以满足其他对动力性要求不高的储能场合的需求，如UPS、通信基站、数据中心、电动自行车、风光发电储能等应用。将电动汽车上退役的电池再利用到其他场合，这种动力电池的再利用被称之为“梯次利用”，开展梯级利用技术研究，充分发挥动力电池的剩余价值，是国家重点支持的领域。

退役动力电池引人注目的是其低成本，但在现阶段的应用，主要是把从汽车上退役的电池包先拆解成电池模组，再进行筛选，筛选出性能相近的电池再重组成电池系统，再利用，拆解和筛选无形中增加了大量的成本，不仅工作量大，而且技术要求高，给本来具有价格竞争优势的“梯次电池”抬高了应用门槛，制约了梯次利用的发展。

动力电池在汽车上是以电池包(Pack)作为一个电池总成出现的，电池退役就是电池包总成的退役，现有的做法是首先是对退役电池包进行拆解，拆解成电池模组(Module)，由人工对对这些模组进行性能测试筛选，将性能相近的重新组在一起，再次利用，它有如下缺点：

(1)拆解电池需增加成本

应用于电动汽车上的电池部件总成是以电池包形式出现的，电池包是由若干个电池模组以及相应的电池管理系统(BMS)、控制电器和控制线路组成，对电池包的拆解就是对这些部件分解过程，需要一定的人力与物力，势必增加了梯次利用的成本；

(2)破坏了原电池包的优越性能

用于汽车上的动力电池系统不仅仅是电池模组的简单组装，因汽车环境的特殊要求，与之配套的电池包也要满足近乎苛刻的要求，即要满足电气性能还要满足恶劣的环境要求，如高温、低温、振动等。

为此原电池包均采用了一些特别的措施，如水循环降温、电加热升温、防振动的结构等。这些措施体现出了汽车工业不同于一般工业的性能优势。一旦对电池包拆解，这些优势也随之被破坏。若要重新达到这些性能势必要花费更大的代价。

(3)浪费了其它资源

如果拆解包，能用于储能的材料只有电池，电池包内的BMS、电器元器件、线束都将成为工业废料，而电池包整包利用不仅是将低了应用成本，而且延长了其他材料的生命周期，实现了对工业固废的资源化、减量化应用，符合绿色发展理念，符合国家政策导向。

基于此，本申请提供基于退役电池包实现的储能控制系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于退役动力电池包的储能控制系统，通过直接利用退役的电池包来实现储能系统，实现退役动力电池包的利用而不需要拆解。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于退役动力电池包的储能控制系统，包括退役的电池包、双向变流器PCS、桥接器、人机交互模块，所述电池包的BMS通讯接口与桥接器的通讯接口连接；所述电池包的充放电接口与双向变流器PCS的直流接口连接，所述双向变流器PCS的交流接口与交流总线AC-BUS连接，所述桥接器分别连接双向变流器PCS、人机交互界面。

所述桥接器包括微处理器以及在微处理器上扩展的CAN通讯接口、LAN通讯接口、串行接口。

所述桥接器的CAN通讯接口通过CAN总线连接电池包的BMS通讯接口；所述的桥接器的LAN通讯接口通过LAN总线连接人机交互界面；所述桥接器的串行接口通过RS485总线连接双向变流器PCS。

在所述的电池包的充放电接口与双向变流器PCS的直流接口之间串接设置第一电能采集模块，在所述双向变流器PCS的交流接口和交流总线之间串接设置第二电能采集模块，所述第一电能采集模块、第二电能采集模块分别与桥接器连接。

所述第一电能采集模块、第二电能采集模块通过RS485总线与桥接器的串行接口连接。

所述第一电能采集模块包括分流器、直流电能表，所述分流器串联设置在电池包的充放电接口与双向变流器PCS的直流接口之间，所述分流器与直流电能表连接，所述直流电能表通过RS485总线与处理器连接。

所述第二电能采集模块包括设置在双向变流器PCS的交流接口和交流总线之间电流互感器，所述电流互感器的输出端与交流电能表连接，所述交流电能表通过RS485总线与处理器连接。

在所述的电池包的充放电接口与双向变流器PCS的直流接口之间串接设置用于隔离和过流保护的刀熔开关SF，在所述双向变流器PCS的交流接口和交流总线之间串接设置交流断路器QF。

本发明的优点在于：基于不拆解的电池包实现一套独立的储能系统，利用电池包内的BMS监控电池包的当前状态、利用双向AC/DC实现与外部交流总线的充放电，从而实现储能控制，整个系统结构简单、成本低，通过设置的交直流电能表可以统计充放电电能，进而可以了解电池的储能效率；设置的交流断路器、刀熔开关可以起到检修隔离、过流保护的作用，使其整个系统处于安全运行状态；通过人机交互界面可以直观的监控充放电过程数据以及可以通过人机交互界面来控制储能系统的工作状态。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明电池包的储能控制系统原理图；

图2为本发明桥接器与各模块连接示意图。

上述图中的标记均为：1、电池包PACK；2、桥接器BC；3、人机交互界面；4、双向变流器PCS；5、直流电能表；6、分流器；7、刀熔开关；8、电流互感器T；9、交流电能表；10、交流断路器。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

原电池包内除了电池模组外还有相应的控制部件主要有电池管理系统(BMS)和电气部件(快充继电器、慢充继电器、预充电继电器、总负继电器、总正继电器、传感器、预充电阻等)，这些电气部件的动作是需要条件的，甚至是相互联锁的，只有满足条件后才能动作形成电流回路。可以从原电池包中读出所有电池模组的数据并能对这些继电器进行有效控制。使得本发明专利的实现成为可能。本发明的目的是利用一种控制技术不对电池包进行拆解而直接利用，以达到电池包直接利用以提高工效，降低本，减少资源浪费，促进梯次利用的发展。

如图1所示，一种基于退役动力电池包的储能控制系统，包括退役的电池包、双向变流器PCS、桥接器、人机交互模块，这里电池包属于一个整体概念，动力电池在汽车上是以电池包(Pack)形式作为电池部件总成出现，电池包由电池模块以及相对应的BMS、继电器等组成，用于对电动汽车供电。电池包的BMS通讯接口与桥接器的通讯接口连接；电池包的充放电接口与双向变流器PCS的直流接口连接，双向变流器PCS的交流接口与交流总线AC-BUS连接，桥接器分别连接双向变流器PCS、人机交互界面。双向PCS即为电力转换系统(PCS＝Power Conversion System)包括双向AC/DC转换器。

电池包的充放电接口属于电池包固有接口，在车载系统中，电池包的充电接口采用快充和慢充等两个接口(实际上这两个接口的电路是并联的，均为并联在电池包内电池模组正负极的)，根据实际需求，选择对应的一个充放电接口即可。双向变流器PCS工作状态包括逆变放电状态和整流充电状态，将直流接口连接电池包的充放电接口、交流接口连接交流母线(AC-BUS)，交流母线为供电母线(市电电网)。桥接器采集电池包的BMS的内部信息，并通过与其连接的人机交互界面来显示相关信息，方便监控。桥接器的输出端与双向变流器PCS的控制端连接，用于控制双向变流器的工作状态以及功率等。用户也可通过人机交互界面控制双向变流器PCS的工作以及通过人机交互界面查看监控的电池包数据。

桥接器包括微处理器以及在微处理器上扩展的CAN通讯接口、LAN通讯接口、串行接口。优选的微处理器采用Cortex-A7微处理器来实现。桥接器的CAN通讯接口通过CAN总线连接电池包的BMS通讯接口；桥接器的LAN通讯接口通过LAN总线连接人机交互界面；桥接器的串行接口包括两个RS485接口，通过RS485总线连接双向AC/DC变流器，用于驱动控制变流器PCS。微处理器作为处理控制的核心通过接口连接其他部件，用于通过接口发出控制信号或接收采集数据。

在电池包的充放电接口与双向变流器PCS的AC/DC变流器的直流接口之间串接设置第一电能采集模块，双向变流器的交流接口和交流总线之间串接设置第二电能采集模块，第一电能采集模块、第二电能采集模块分别与桥接器连接。第一电能采集模块、第二电能采集模块通过RS485总线与处理器的串行接口连接。具体的，第一电能采集模块包括分流器、直流电能表，分流器串联设置在电池包的充放电接口与双向变流器的直流接口之间，分流器与直流电能表连接(分流器的两个电流端分别与电源和负载相连接，电位端接电流表)，直流电能表通过RS485总线与桥接器连接。

第二电能采集模块包括设置在双向变流器PCS的交流接口和交流总线之间电流互感器，电流互感器的输出端与交流电能表连接，所述交流电能表通过RS485总线与桥接器连接。

在电池包的充放电接口与双向变流器PCS的直流接口之间串接设置用于隔离和过流保护的刀熔开关SF，在双向变流器PCS的交流接口和交流总线之间串接设置交流断路器QF。

人机交互界面为HMI界面，采用交互式的触摸屏进行数据查看和人机交互。在工作时，直流侧刀熔开关SF和交流侧断路器QF闭合后，通过人机交互界面输入控制指令，然后通过桥接器中的微处理器发送至双向变流器PCS进行处理，使得变流器处于逆变或整流状态同时通过BMS控制电池包的充放电口对应的继电器闭合断开(电池包的充电口对应的有快充慢充等继电器，进而控制)，从而控制其工作，在工作过程中，微处理器通过BMS获取电池包的状态数据并发送至人机交互界面进行显示，以方便监控，同时微处理器通过交流电流表、直流电流表来实现电能的统计，监控充放电过程。

基于退役动力电池包的储能控制系统的控制原理包括：

通过人机交互界面输入控制参数用于控制电池包处于充电储能状态或放电状态；

当通过人机交互界面输入的控制参数为控制储能系统工作在放电状态时，处理器控制双向变流器PCS工作在逆变状态，电池包储存的电能经双向变流器PCS后送入到交流总线AC-BUS；

当通过人机交互界面输入的控制参数用于控制储能控制系统处于充电(储能)状态时，微处理器控制双向变流器PCS工作在整流状态，交流总线AC-BUS的交流电经双向变流器PCS转换成直流电后为电池包充电。处理器通过直流电能表、交流电能表分别检测充放电电量数据、处理器通过与电池包的BMS系统获取电池包的工作状态数据，并通过LAN总线将充放电数据、电池包工作状态数据发送至人机交互界面进行显示。

下面针对系统的各个模块作进一步说明

(1)AC-BUS:交流总线(市电电源)，是电池充电的来源及电池放电的去向；

(2)QF：交流断路器，当电池包系统出现短路过流或短路时断开，以保护市电，或检修时起隔离作用；

(3)电流互感器，检测交流侧电流，将主回路大电流变成0～1A的小电流，以方便接入电量仪表计量进出电池包的电能；

(4)Pa：交流电能表，计量进出储能系统的电能，并将电量数据传送给桥接控制器(BC)；

(5)双向AC/DC变流器，负责将交流电(市电)转换成电池包能接受的直流电，以及将电池包的直流电转换成交流电，是储能系统的电力转换部件。

(6)桥接器，是电池包整包应用的控制中心，具有以下功能：

1)负责读取电池包BMS的数据，并对BMS发出控制指令，控制电池包内的继电器的吸合；

2)负责读取双向变流器PCS的运行数据，并对双向变流器PCS发出控制指令，控制对电池包的充放电功率；

3)读取Pa、Pd两只电能表的电量数据，经汇总后，统一传送给HMI；

4)负责与HMI通讯，将采集到的储能系统数据汇总后发送给HMI，供监视人员查看。

(7)HMI：人机界面,负责储能系统人机交互，显示所有信息，设定工作参数，并对这些数据通过固态硬盘保存为形成历史记录；

(8)SF：刀熔开关，起到对电池检隔离与过流保护之作用；

(9)RL：分流器，是直流电流的采样元件，起到将主回路的大电流转换成mV信号，供电能仪表(Pd)采样。

(10)Pd：直流电能表，记录进出电池包直流电能，并将数据经桥接器传送给HMI供操作员监视电池包的充电与放电的电量，与Pa相比，可以得到储能系统的储能效率；

(11)电池包，完整的、未经拆解的电池包，内含电池管理系统(BMS)、控制电器和控制线路等全套原车载电池系统。

所有电气元器件(除电池包外)均安装于一面控制箱内，控制箱采用壁挂式结构或也可以采用其它合适的结构来实现对于系统各元器件的保护实现。

桥接器是信息流的枢纽，它有三种通讯总线交汇于此：

(1)CAN总线：与电池包的BMS相连，读取与下发与电池包有关的数据；

(2)两路RS-485总线：采用MODBUS-RTU通讯规约。一路与双向变流器PCS相联，读取逆变器的数据并控制逆变器的充放电过程；一路与交直流电能表(Pa、Pd)相连，读取交直流电表的数据，所选用的交直流电能表具有计量许可证，其数据可以作为费用结经算的依据。

(3)LAN总线：采用TCP/IP协议，与人机界面(HMI)相连，通过HMI将储能系统的数据以图形、曲线、文字、符号等形式呈现于操作者，方便操作。

4储能系统的工作过程

本系统的储能容量受电池包容量(30～50kWh)限制，只能适用于小型户用储能或小型应急电源备用电源。工作过程可在HMI上进行设置：

(1)户用储能：主要以峰谷电价差为盈利模式，在HMI上设定峰谷时间段，储能系统将按所设定的时间，谷时段充电，峰时段放电；

(2)备用电源：平时充满电处于待机模式，一旦市电断电(AC-BUS失电)，储能系统自动进入放电工作模式，向AC-BUS供电，维持对电网供电。

本技术方案已制造成了一套储能系统，除电池包外，其他电气部件安装于一面钢制柜内(储能电气柜)，电气柜与电池包通过两条电缆相联，一条是动力电力电缆，联接电池包的正负两极，一条是信号电缆，联接电池包的BMS系统。一套储能系统的投资主要由PCS(双向AC/DC变流器)、BMS(电池管理系统)、电池包、成组费用、建设费用组成，因电池包直接利用无需额外配BMS系统、无需拆解重组减少了成组费用，使得总的建设费用是拆解利用的67％，即，减少建设费用三分之一。投资回收期也约缩短了近三年。本申请除了作为应急电源的常规效果外，还具有一方面节约成本，方便推广使用，另一方面可以为推广生产商提供一定的经济效果，进一步推动推广使用，节约能源做到回收利用的目的。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于退役动力电池包的储能控制系统，包括退役的电池包PACK，其特征在于：还包括双向变流器PCS、桥接器BC、人机交互模块HMI，所述电池包的BMS通讯接口与桥接器的通讯接口连接；所述电池包的充放电接口与双向变流器PCS的直流接口连接，所述双向变流器PCS的交流接口与交流总线AC-BUS连接，所述桥接器分别连接双向变流器PCS、人机交互界面。

2.如权利要求1所述的一种基于退役动力电池包的储能控制系统，其特征在于：所述桥接器包括微处理器以及在微处理器上扩展的CAN通讯接口、LAN通讯接口、串行接口。

3.如权利要求2所述的一种基于退役动力电池包的储能控制系统，其特征在于：所述桥接器的CAN通讯接口通过CAN总线连接电池包的BMS通讯接口；所述的桥接器的LAN通讯接口通过LAN总线连接人机交互界面；所述桥接器的串行接口通过RS485总线连接双向变流器PCS。

4.如权利要求1或2所述的一种基于退役动力电池包的储能控制系统，其特征在于：在所述的电池包的充放电接口与双向变流器PCS的直流接口之间串接设置第一电能采集模块，在所述双向变流器PCS的交流接口和交流总线之间串接设置第二电能采集模块，所述第一电能采集模块、第二电能采集模块分别与桥接器连接。

5.如权利要求4所述的一种基于退役动力电池包的储能控制系统，其特征在于：所述第一电能采集模块、第二电能采集模块通过RS485总线与桥接器的串行接口连接。

6.如权利要求4所述的一种基于退役动力电池包的储能控制系统，其特征在于：所述第一电能采集模块包括分流器、直流电能表，所述分流器串联设置在电池包的充放电接口与双向变流器PCS的直流接口之间，所述分流器与直流电能表连接，所述直流电能表通过RS485总线与桥接器连接。

7.如权利要求5所述的一种基于退役动力电池包的储能控制系统，其特征在于：所述第二电能采集模块包括设置在双向变流器PCS的交流接口和交流总线之间电流互感器，所述电流互感器的输出端与交流电能表连接，所述交流电能表通过RS485总线与桥接器连接。

8.如权利要求1或2所述的一种基于退役动力电池包的储能控制系统，其特征在于：在所述的电池包的充放电接口与双向变流器PCS的直流接口之间串接设置用于隔离和过流保护的刀熔开关，在所述双向变流器PCS的交流接口和交流总线之间串接设置交流断路器QF。

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