CN216436795U - 一种光伏风储能系统的多重保护架构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光伏风储能系统的多重保护架构，包括：电源模块、模拟前端AFE模块、开关模块、二次保护IC、主控模块、电流采样模块、短路保护模块、放电模块、充电模块；所述短路保护模块包括依次电性连接的RS触发器模块、比较器模块、差分放大器模块；所述电源模块对应端分别与二次保护IC、开关模块、电流采样模块、模拟前端AFE模块对应端电性连接；所述二次保护IC对应端还与开关模块对应端电性连接。本实用新型冗余了多重保护功能，对电池储能系统形成更加有效的安全保护，显著减低储能系统的故障率，大大的降低储能电池系统起火爆炸事故的发生。

Description

一种光伏风储能系统的多重保护架构

技术领域

本实用新型涉及光伏风储能技术领域，特别涉及一种光伏风储能系统的多重保护架构。

背景技术

锂电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，邮电通讯的不间断电源，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。还有，就是锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用，预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到广泛应用。锂电还被广泛应用于电动车和储能行业，特别是磷酸铁锂材料电池的出现，更推动了锂电池产业的发展和应用。锂离子电池，在使用中最怕的就是过充电和过放电。但过充、过放电，电池就要损坏，容量降低，寿命减少严重的情况下，还会发生爆裂和起火燃烧。锂电池在成组使用时，更容易发生过充、过放电的现象其根源都在于电池的一致性差异所引起来的。而这些差异，如果在充、放电过程中没有得到应有的控制，将进步加大，导致部分电池发生过充、过放电现象，造成电池容量和寿命的急剧下降，最终引起事故的发生，这是锂电池在使用中出现的难题！

传统的储能管理系统的充放电回路一般由MOSFET控制(如图5)，且只有一重保护，当锂电池的电池发生过充电、过放电、过电流和短路时只能通过MOSFET管去关断充放电回路，但是当MOS保护失效时，若锂电池再次发生过压、过流和短路电池等危险故障电池就没有保护功能，这时候可能会引起会发生起火爆炸等安全事故的发生。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种光伏风储能系统的多重保护架构。

为了实现上述目的，本实用新型技术方案如下：

一种光伏风储能系统的多重保护架构，包括：电源模块、模拟前端AFE模块、开关模块、二次保护IC、主控模块、电流采样模块、短路保护模块、放电模块、充电模块；

所述短路保护模块包括RS触发器模块、比较器模块、差分放大器模块；

所述电源模块对应端分别与二次保护IC、开关模块、电流采样模块、模拟前端AFE模块对应端电性连接；所述二次保护IC对应端还与开关模块对应端电性连接；

所述模拟前端AFE模块对应端分别与主控模块、放电模块、充电模块、电流采样模块对应端电性连接；所述电流采样模块对应端还分别与差分放大器模块、放电模块对应端电性连接；所述放电模块对应端对应端还与充电模块对应端电性连接；

所述主控模块经开关模块依次与RS触发器模块、比较器模块、差分放大器模块对应端电性连接。

优选地，所述光伏风储能系统的多重保护架构还包括与主控模块对应端电性连接的温度检测模块。

优选地，所述温度检测模块包括一温度检测电路，该温度检测电路设为电阻R8、热敏电阻RT1；所述主控模块对应端分别与电阻R8、热敏电阻RT1一对应端电性连接，所述热敏电阻RT1另一对应端接地。

优选地，所述开关模块包括继电器模块、温度开关模块、保险丝模块；所述继电器模块对应端分别与二次保护IC、电源模块、温度开关模块、保险丝模块、主控模块对应端电性连接。

优选地，所述继电器模块包括一继电器控制电路，该继电器控制电路设为电阻RE6、电阻RE7、电阻RE8、电阻RE9、电阻RE0、电阻R10、场效应管Q3、场效应管Q4、场效应管Q5、二极管D25、二极管D24、二极管D29、继电器K1；所述二极管D25一端与主控模块对应端电性连接，另一端分别与二极管D24一端、二极管D29一端、电阻RE6一端、场效应管Q3的栅极电性连接；所述场效应管Q3的源极分别与电阻RE6另一端、电阻RE7一端、场效应管Q4的源极电性连接；所述场效应管Q3的漏极分别与电阻RE8一端、电阻RE7另一端、场效应管Q4的栅极电性连接；所述场效应管Q4的漏极分别与电阻RE9一端、电阻RE0一端电性连接；所述电阻RE0另一端与场效应管Q5的栅极电性连接，所述场效应管Q5的源极与电阻R10一端电性连接；所述场效应管Q5的漏极与继电器K1对应端电性连接。

优选地，所述温度开关模块包括一温度开关电路，该温度开关电路设为6温度开关RT3，该温度开关RT3一端与电阻RE8另一端电性连接，另一端与电阻RE9另一端、电阻R10另一端电性连接。

优选地，所述RS触发器模块包括一RS触发器电路，该RS触发器电路设为触发器U6、电阻R15、电阻R16、电阻R17、场效应管Q7、场效应管Q8；所述触发器U6的对应端分别与电阻R15一端、场效应管Q7漏极电性连接；所述场效应管Q7源极分别与电阻R16一端、场效应管Q8源极电性连接，场效应管Q7栅极分别与电阻R17、场效应管Q8漏极电性连接；所述电阻R15另一端与电阻R17另一端电性连接；所述场效应管Q8另一端分别与电阻R16另一端、主控模块对应端电性连接。

优选地，所述比较器模块包括比较器电路，该比较器电路设为比较器U8、电阻R18、电阻R19；所述比较器U8对应端分别与电阻R18一端、电阻R19一端、触发器U6对应端电性连接；所述电阻R19另一端与差分放大器模块对应端电性连接。

优选地，所述差分放大器模块包括差分放大器电路，该差分放大器电路设为差分放大器U7、电阻R2、电阻R3、电阻R9、电阻R12；所述差分放大器U7对应端分别与电阻R2、电阻R3、电阻R9、电阻R12一端电性连接；所述电阻R2另一端、电阻R3另一端分别与电流采样模块的对应端电性连接；所述电阻R9另一端分别与差分放大器U7对应端、电阻R19另一端电性连接；所述电阻R12另一端与差分放大器U7对应端电性连接且接地。

优选地，所述主控模块设为MCU，所述放电模块设为放电mos管，充电模块设为充电MOS管；所述电源模块设为电芯模组。

采用本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：本实用新型冗余了多重保护功能，对电池储能系统形成更加有效的安全保护，显著减低储能系统的故障率，大大的降低储能电池系统起火爆炸事故的发生，且具有广泛的市场应用前景。

附图说明

图1为本实用新型模块示意图；

图2为本实用新型开关模块电路原理图；

图3为本实用新型RS触发器模块与比较器模块电路原理图；

图4为本实用新型差分放大器模块电路原理图；

图5为本实用新型传统的储能管理系统电路原理图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，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，或一体地连接；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。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实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之

“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参照图1至图4，本实用新型提供一种光伏风储能系统的多重保护架构，包括：电源模块S1、模拟前端AFE模块S2、开关模块S3、二次保护IC S4、主控模块S5、电流采样模块S6、短路保护模块S7、放电模块S8、充电模块S9；所述短路保护模块S7包括RS触发器模块S70、比较器模块S71、差分放大器模块S72，所述RS触发器模块S70、比较器模块S71、差分放大器模块S72对应端依次电性连接；所述电源模块S1对应端分别与二次保护IC S4、开关模块S3、电流采样模块S6、模拟前端AFE模块S2对应端电性连接；所述二次保护IC S4对应端还与开关模块S3对应端电性连接；所述模拟前端AFE模块S2对应端分别与主控模块S5、放电模块S8、充电模块S9、电流采样模块S6对应端电性连接；所述电流采样模块S6对应端还分别与差分放大器模块S72、放电模块S8对应端电性连接；所述放电模块S8对应端对应端还与充电模块S9对应端电性连接；所述主控模块S5经开关模块S3依次与RS触发器模块S70、比较器模块S71、差分放大器模块S72对应端电性连接；所述主控模块S5设为MCU，所述放电模块S8设为放电mos管，充电模块S9设为充电MOS管；所述电源模块S1设为电芯模组。

参照图2，所述光伏风储能系统的多重保护架构还包括与主控模块S5对应端电性连接的温度检测模块S10；所述温度检测模块S10包括一温度检测电路S101，该温度检测电路S101设为电阻R8、热敏电阻RT1；所述主控模块S5对应端分别与电阻R8、热敏电阻RT1一对应端电性连接，所述热敏电阻RT1另一对应端接地；所述开关模块S3包括继电器模块S31、温度开关模块S30、保险丝模块S32；所述继电器模块S31对应端分别与二次保护IC S4、电源模块S1、温度开关模块S30、保险丝模块S32、主控模块S5对应端电性连接；所述继电器模块S31包括一继电器控制电路，该继电器控制电路设为电阻RE6、电阻RE7、电阻RE8、电阻RE9、电阻RE0、电阻R10、场效应管Q3、场效应管Q4、场效应管Q5、二极管D25、二极管D24、二极管D29、继电器K1；所述二极管D25一端与主控模块对应端电性连接，另一端分别与二极管D24一端、二极管D29一端、电阻RE6一端、场效应管Q3的栅极电性连接；所述场效应管Q3的源极分别与电阻RE6另一端、电阻RE7一端、场效应管Q4的源极电性连接；所述场效应管Q3的漏极分别与电阻RE8一端、电阻RE7另一端、场效应管Q4的栅极电性连接；所述场效应管Q4的漏极分别与电阻RE9一端、电阻RE0一端电性连接；所述电阻RE0另一端与场效应管Q5的栅极电性连接，所述场效应管Q5的源极与电阻R10一端电性连接；所述场效应管Q5的漏极与继电器K1对应端电性连接；所述温度开关模块S30包括一温度开关电路，该温度开关电路设为60℃温度开关RT3，该60℃温度开关RT3一端与电阻RE8另一端电性连接，另一端与电阻RE9另一端、电阻R10另一端电性连接。

参照图3，所述RS触发器模块S70包括一RS触发器电路S70a，该RS触发器电路S70a设为触发器U6、电阻R15、电阻R16、电阻R17、场效应管Q7、场效应管Q8；所述触发器U6的对应端分别与电阻R15一端、场效应管Q7漏极电性连接；所述场效应管Q7源极分别与电阻R16一端、场效应管Q8源极电性连接，场效应管Q7栅极分别与电阻R17、场效应管Q8漏极电性连接；所述电阻R15另一端与电阻R17另一端电性连接；所述场效应管Q8另一端分别与电阻R16另一端、主控模块对应端电性连接；所述比较器模块S71包括比较器电路S71a，该比较器电路S71a设为比较器U8、电阻R18、电阻R19；所述比较器U8对应端分别与电阻R18一端、电阻R19一端、触发器U6对应端电性连接；所述电阻R19另一端与差分放大器模块对应端电性连接。

参照图4，所述差分放大器模块S72包括差分放大器电路S72a，该差分放大器电路S72a设为差分放大器U7、电阻R2、电阻R3、电阻R9、电阻R12；所述差分放大器U7对应端分别与电阻R2、电阻R3、电阻R9、电阻R12一端电性连接；所述电阻R2另一端、电阻R3另一端分别与电流采样模块的对应端电性连接；所述电阻R9另一端分别与差分放大器U7对应端、电阻R19另一端电性连接；所述电阻R12另一端与差分放大器U7对应端电性连接且接地。

本实用新型工作原理如下：

(1)二次过充保护：在电池充电的过程中BMS一次过充保护失效后，充电器连接电池继续充电，当电池任意一节电芯达到二次过充保护值后，启动过充二次保护，即OV输出高电平，场效应管Q3导通，然后场效应管Q4管截止，进而场效应管Q5的G极为高电平，最后场效应管Q5截止，继电器断开，从而切断充电回路进行二次过充保护；

(2)二次过温保护：电芯的温度检测采用的是MCU自带的ADC检测RT1-10K NTC采样，保护值设置为50°，但在接负载大电流放电，且NTC一次温度检测保护失效后，若这个时候没及时切断放电回路，继续放电，电池就有可能发生起火爆炸的危险，这个时候若电芯温度继续上升，达到二次温度保护值(本新型方案采样温度开关RT3作为二次温度保护，保护值为60°)，当温度达到60°时，温度开关RT3断开，场效应管Q4的G极为低电平，场效应管Q4截止，场效应管Q5的G极为高电平，场效应管Q5截止，继电器断开，从而切断充放电回路进行二次过温保护；

(3)硬件触发短路保护：当接负载大电流放电出现模拟前端AFE模块S2保护失效时，发生短路启动硬件短路保护，具体逻辑如下，当模拟前端AFE模块S2保护短路失效时，发生短路，短路电流经过差分放大器U7采样并放大，输出信号OUT(VOUT＝R9/R2(VSEN+-VSEN-))，经比较器U8做比较，当VOUT电压大于VREF基准电压时(基准电压可根据短路保护电流大小设置)，比较器U8输出S信号变为高电平，后经RS触发器U6，而RS触发器U6 R信号初始值为低时(RS触发器U6，当R＝0时，若S＝1，则Q＝1)，所以RS触发器输出信号Q也为高电平，Q信号再经过二极管D29后，场效应管Q3导通，然后场效应管Q4截止，进而场效应管Q5的G极为高电平，最后场效应管Q5管截止，切断继电器12V供电，继电器断开，从而切断充放电回路进行相关保护；

(4)其他异常故障保护：当出现AFE和充电MOS管、放电mos管保护都失效或者检测电芯高温异常，若MCU还未失效，则可以通过MCU放送指令去关断继电器K1，从而切断充放电回路起保护作用，具体逻辑如下，MCU单片机PA1脚输出高电平，即MCU_Contr信号为高电平，场效应管Q3导通，然后场效应管Q4截止，进而场效应管Q5的G极为高电平，最后场效应管Q5截止，切断继电器12V供电，继电器断开，从而切断充放电回路进行相关保护；

(5)保险丝保护：当模拟前端AFE模块S2、充电MOS管、放电MOS管和继电器保护等都失效时，电池系统继续给负载放电，电流不受控制继续增大，且到达保险丝的熔断值，保险丝熔断，从而断开放电回路进行保护作用。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光伏风储能系统的多重保护架构，其特征在于，包括：电源模块、模拟前端AFE模块、开关模块、二次保护IC、主控模块、电流采样模块、短路保护模块、放电模块、充电模块；

所述短路保护模块包括RS触发器模块、比较器模块、差分放大器模块；

所述电源模块对应端分别与二次保护IC、开关模块、电流采样模块、模拟前端AFE模块对应端电性连接；所述二次保护IC对应端还与开关模块对应端电性连接；

所述模拟前端AFE模块对应端分别与主控模块、放电模块、充电模块、电流采样模块对应端电性连接；所述电流采样模块对应端还分别与差分放大器模块、放电模块对应端电性连接；所述放电模块对应端还与充电模块对应端电性连接；

所述主控模块经开关模块依次与RS触发器模块、比较器模块、差分放大器模块对应端电性连接。

2.根据权利要求1所述的光伏风储能系统的多重保护架构，其特征在于，所述光伏风储能系统的多重保护架构还包括与主控模块对应端电性连接的温度检测模块。

3.根据权利要求2所述的光伏风储能系统的多重保护架构，其特征在于，所述温度检测模块包括一温度检测电路，该温度检测电路设为电阻R8、热敏电阻RT1；所述主控模块对应端分别与电阻R8、热敏电阻RT1一对应端电性连接，所述热敏电阻RT1另一对应端接地。

4.根据权利要求1所述的光伏风储能系统的多重保护架构，其特征在于，所述开关模块包括继电器模块、温度开关模块、保险丝模块；所述继电器模块对应端分别与二次保护IC、电源模块、温度开关模块、保险丝模块、主控模块对应端电性连接。

5.根据权利要求4所述的光伏风储能系统的多重保护架构，其特征在于，所述继电器模块包括一继电器控制电路，该继电器控制电路设为电阻RE6、电阻RE7、电阻RE8、电阻RE9、电阻RE0、电阻R10、场效应管Q3、场效应管Q4、场效应管Q5、二极管D25、二极管D24、二极管D29、继电器K1；所述二极管D25一端与主控模块对应端电性连接，另一端分别与二极管D24一端；二极管D29一端、电阻RE6一端、场效应管Q3的栅极电性连接；所述场效应管Q3的源极分别与电阻RE6另一端、电阻RE7一端、场效应管Q4的源极电性连接；所述场效应管Q3的漏极分别与电阻RE8一端、电阻RE7另一端、场效应管Q4的栅极电性连接；所述场效应管Q4的漏极分别与电阻RE9一端、电阻RE0一端电性连接；所述电阻RE0另一端与场效应管Q5的栅极电性连接，所述场效应管Q5的源极与电阻R10一端电性连接；所述场效应管Q5的漏极与继电器K1对应端电性连接。

6.根据权利要求5所述的光伏风储能系统的多重保护架构，其特征在于，所述温度开关模块包括一温度开关电路，该温度开关电路设为温度开关RT3，该温度开关RT3一端与电阻RE8另一端电性连接，另一端与电阻RE9另一端、电阻R10另一端电性连接。

7.根据权利要求1所述的光伏风储能系统的多重保护架构，其特征在于，所述RS触发器模块包括一RS触发器电路，该RS触发器电路设为触发器U6、电阻R15、电阻R16、电阻R17、场效应管Q7、场效应管Q8；所述触发器U6的对应端分别与电阻R15一端、场效应管Q7漏极电性连接；所述场效应管Q7源极分别与电阻R16一端、场效应管Q8源极电性连接，场效应管Q7栅极分别与电阻R17、场效应管Q8漏极电性连接；所述电阻R15另一端与电阻R17另一端电性连接；所述场效应管Q8另一端分别与电阻R16另一端、主控模块对应端电性连接。

8.根据权利要求7所述的光伏风储能系统的多重保护架构，其特征在于，所述比较器模块包括比较器电路，该比较器电路设为比较器U8、电阻R18、电阻R19；所述比较器U8对应端分别与电阻R18一端、电阻R19一端、触发器U6对应端电性连接；所述电阻R19另一端与差分放大器模块对应端电性连接。

9.根据权利要求8所述的光伏风储能系统的多重保护架构，其特征在于，所述差分放大器模块包括差分放大器电路，该差分放大器电路设为差分放大器U7、电阻R2、电阻R3、电阻R9、电阻R12；所述差分放大器U7对应端分别与电阻R2、电阻R3、电阻R9、电阻R12一端电性连接；所述电阻R2另一端、电阻R3另一端分别与电流采样模块的对应端电性连接；所述电阻R9另一端分别与差分放大器U7对应端、电阻R19另一端电性连接；所述电阻R12另一端与差分放大器U7对应端电性连接且接地。

10.根据权利要求1所述的光伏风储能系统的多重保护架构，其特征在于，所述主控模块设为MCU，所述放电模块设为放电mos管，充电模块设为充电MOS管；所述电源模块设为电芯模组。

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