CN216597708U - 一种电池模组和储能设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种电池模组，包括：外壳；电池芯体，设置于外壳内部，用于储存电能和释放电能；电池监控管理模块，设置于外壳内部，包括：电池管理单元，其一端与电池芯体电性连接，另一端作为电池模组的第一组功率接口，包括第一功率端和第二功率端，第一功率端和第二功率端分别为上述第一组功率接口的正极和负极；功率变换单元，其一端与第一组功率接口耦接，另一端作为电池模组的第二组功率接口；电池管理单元和功率变换单元通信连接；第一通信接口，设置于外壳外表面，与电池监控管理模块通信连通。其中，第一组功率接口和第二组功率接口中至少一组功率接口设于外壳的外表面。上述电池模组有更好的适配性且易于储能设备的拓展与扩容。

Description

一种电池模组和储能设备

技术领域

本实用新型实施例属于储能的技术领域，特别涉及一种电池模组和储能设备。

背景技术

电化学储能系统中，往往使用数百个电池单体串联构成。由于电池生产工艺的限制，同一型号规格的电池单体间，在容量、内阻等参数上存在一定的差异，导致上述数百个串联的电池单体在使用过程中，出现电能不均衡的情况。此外，大量电池单体串联的结构，使得电池簇的故障失效率远大于任一簇内电池单体的失效率，且簇内未失效电池单体的电能无法被充分使用。

现有的电池管理技术也只是将串联电池单体做分层管理。将整个串联电池单体定义为一个电池簇，每个电池簇配置一个控制管理单元，实现电池簇对外的电能交换及电池簇之间的电能均衡；将电池簇划分为若干串联的电池模组，每个电池模组配备一个电池管理单元对模组内的电池单体监测及有限的控制。这种有限的控制表现在：(1)电池模组仅可被控制为通、断两种状态，电池的输出电能功率无法被控制；(2)电池模组内的电池单体的能量均衡可以受到控制，但电池模组间的电能均衡无法被实现。这种控制上的局限性主要受制于电池模组的硬件电路以及储能系统的硬件架构，一方面，由于电池模组缺少组间的均衡电路，无法完全解决电池不均衡问题，另一方面，由于串联的电池架构，导致电池簇的失效率必定远大于单个电池单体的失效率，同时也不利于电池簇安装、维护及容量的扩展。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种电池模组，可兼容并优化现有电池串联架构的储能设备；且可以构造新的电池簇架构，有更好的适配性；并可对电池模组进行模块化管理，易于储能设备的拓展与扩容。

第一方面，本申请实施例提供了一种电池模组，该电池模组设置有一外壳，该电池模组还包括：

电池芯体，设置于外壳内部，配置为储存电能和释放电能。

电池监控管理模块，设置于外壳内部，包括：

电池管理单元，其一端与电池芯体电性连接，另一端作为电池模组的第一组功率接口，第一组功率接口包括第一功率端和第二功率端，第一功率端和第二功率端分别为电池模组第一组功率接口的正极和负极。

功率变换单元，该功率变换单元设置有原边功率端口和副边功率端口；原边功率端口与电池模组的第一组功率接口耦接；副边功率端口作为电池模组的第二组功率接口。其中，功率变换单元还与电池管理单元通信连接。

第一通信接口，第一通信接口设置于电池模组外壳外表面，第一通信接口与电池监控管理模块通信连通。上述第一组功率接口和第二组功率接口中至少一组功率接口设于电池模组外壳的外表面。

在一些实施例中，电池芯体由若干单体电池串联构成。

在一些实施例中，电池监控管理模块还包括，通信总线。通信总线承载功率变换单元与电池管理单元之间的通信以及第一通信接口与电池监控管理模块之间的通信。

在一些实施例中，功率变换单元设置有均衡控制器，该均衡控制器通过第一通信接口获取储能设备中所有电池模组的至少一个电参数和SOC值。

在一些实施例中，第二组功率接口与储能设备中其他电池模组的第二组功率接口并联；第二组功率接口并联的接口作为储能设备的功率接口。

在一些实施例中，第一组功率接口与储能设备中其他电池模组的第一组功率接口串联，第二组功率接口与储能设备中其他电池模组的第二组功率接口并联；第一组功率接口串联的接口作为储能设备的功率接口。

在一些实施例中，第一组功率接口与储能设备中其他电池模组的第一组功率接口串联；第二组功率接口与储能设备中其他电池模组的第二组功率接口并联；第一组功率接口串联的接口以及第二组功率接口并联的接口作为储能设备的第一功率接口和第二功率接口。

第二方面，本申请实施例提供了一种分布式储能设备，分布式储能设备包括：电源转换模组以及若干个上述的电池模组。其中，电源转换模组包括第二通信接口、第三组功率接口以及第一外设功率接口。

若干电池模组的第二组功率接口并联连接形成上述第三组功率接口；若干电池模组的第一通信接口与第二通信接口通信连通。

第三方面，本申请实施例提供了一种直挂式储能设备，直挂式储能设备包括：电源转换模组以及若干个上述的电池模组。其中，电源转换模组包括第三通信接口、第四组功率接口以及第二外设功率接口。

若干电池模组的第二组功率接口并联连接，若干电池模组的第一组功率接口串联连接后与第四组功率接口连接，若干电池模组的第二组功率接口并联连接，若干电池模组的第一通信接口与第三通信接口通信连通。

第四方面，本申请实施例提供了一种混合式储能设备，混合式储能设备包括：电源转换模组以及若干个上述的电池模组。其中，电源管理模组包括第四通信接口、第五组功率接口以及第三外设功率接口。

若干电池模组的第一组功率接口串联连接后与第五组功率接口连接，若干电池模组的第二组功率接口并联连接形成第四外设功率接口；以及，若干电池模组的第一通信接口与所述第四通信接口连通。

本申请实施例与现有技术相比，至少具有以下有益效果：本申请实施例提供一种电池模组和储能设备，储能设备包括若干个电池模组，每个电池模组均包括电池芯体、功率变换单元、第一组功率接口、第二组功率接口以及第一通信接口。通过调整电池模组的第一组功率接口和第二组功率接口的不同连接方式及与各功能模块配合，即可以兼容并优化现有电池串联架构的储能设备；且可以构造新的电池簇架构，以适配不同需求的用电系统，应用领域更广；另外，还可实现储能设备中电池模组的模块化管理，易于储能设备的拓展与扩容。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本申请一实施例提供的电池模组的结构示意图；

图2是本申请另一实施例提供的电池模组的结构示意图；

图3是本申请一实施例提供的电池模组中电池管理单元的结构示意图；

图4是本申请一实施例提供的电池模组中功率变换单元的结构示意图；

图5是本申请一实施例提供的储能设备中电池模组间的连接关系示意图；

图6是本申请另一实施例提供的储能设备中电池模组间的连接关系示意图；

图7是本申请另一实施例提供的储能设备中电池模组间的连接关系示意图；

图8是本申请一实施例提供的分布式储能设备的结构示意图；

图9是本申请一实施例提供的直挂式储能设备的结构示意图；

图10是本申请一实施例提供的混合式储能设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，如果不冲突，本申请实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

第一方面，本申请实施例提供一种电池模组，请参阅图1，图1为该电池模组的结构示意图。电池模组10包括外壳100、电池芯体200、第一组功率接口300、电池监控管理模块400、第二组功率接口500和第一通信接口600。

电池芯体200设置于外壳100内部，配置为储存电能和释放电能。

电池监控管理模块400设置于外壳100内部，包括电池管理单元4001和功率变换单元4002。

其中，电池管理单元4001一端与电池芯体200电性连接，另一端作为电池模组的第一组功率接口300，第一组功率接口300包括第一功率端3001和第二功率端3002，第一功率端3001和第二功率端3002分别为电池模组10的第一组功率接口300的正极和负极；

功率变换单元4002设置有原边功率端口和副边功率端口。原边功率端口与第一组功率接口300耦接；副边功率端口作为电池模组10的第二组功率接口500。第二组功率接口500用于连接电源或负载。其中，功率变换单元4002还与电池管理单元4001通信连接。

第一通信接口600设置于外壳100外表面，与电池监控管理模块400通信连通。

需要说明的是，第一组功率接口300和第二组功率接口500中至少有一组功率接口设置于外壳100的外表面(在本申请实施例中，仅以两者均设置于外表面的情况举例说明)。

与现有技术相比，本申请实施例提供一种了电池模组，该电池模组包括电池芯体、电池监控管理模块、第一组功率接口、第二组功率接口以及第一通信接口。通过调整电池模组的第一组功率接口和第二组功率接口的不同连接方式及与各功能模块配合，即可以兼容并优化现有电池串联架构(如本申请实施例中图6和图9所示实施例中电池模组的架构)的储能设备；且可以构造新的电池簇架构(如本申请实施例中图5、图7、图8和图10所示实施例中电池模组的架构)，以适配不同需求的用电系统，应用领域更广；另外，还可实现储能设备中电池模组的模块化管理，易于储能设备的拓展与扩容。

在一些实施例中，请参阅图2，图2为本申请另一实施例提供的电池模组的结构示意图。其中，电池模组10中的电池监控管理模块400还包括通信总线4003。

通信总线4003承载功率变换单元4002与电池管理单元4001之间的通信以及第一通信接口600与电池监控管理模块400之间的通信。

在一些实施例中，请再次参阅图2，功率变换单元4002中设置有均衡控制器。

均衡控制器控制所在电池模组的第二组功率接口的电压从而间接控制所在电池模组中电池芯体的电流/功率，以实现各电池模组间的电能均衡。

在一些实施例中，请参阅图3，图3为本申请一实施例提供的电池模组中电池管理单元的结构示意图。电池管理单元4001包括电压采样电路、均衡电路、电流采样电路、温度采样电路、控制器、充放电开关、开关驱动电路以及其他一些用于监控电池的功能模块(如绝缘检测、低温加热控制等)。

其中，电压采样电路与电池芯体200中的每一电池单体及控制器电连接，分别用于采集所有电池单体电压及电池芯体的总电压并传输至控制器；均衡电路与电池芯体200中的每一电池单体及控制器电连接，接收控制器的控制信号，对电池单体执行均衡控制；温度采样电路与控制器电连接，用于采集电池芯体、主要电路器件及环境温度并传输至控制器；电流采样电路与电池芯体200和控制器电连接，用于采集电池芯体200的电流并传输至控制器；充放电开关与电池芯体200电连接，开关驱动电路与充放电开关和控制器电连接，三者结合用于控制电池芯体200对外供电回路的导通与切断；通信接口分别与控制器和通信总线4003连接。

电池管理单元4001用于对电池模组10内电池芯体200进行监控管理,具体的，主要包括以下功能：对电池芯体200中任一电池单体的电压、温度以及电池芯体200的总电流进行监控；获取、计算电池芯体200的总电压、SOC(电池剩余电量百分比)、SOH(电池当前容量与出厂容量百分比)等信息；对电池芯体200和/或电池芯体200中的电池单体进行过欠压、过流、高低温等保护；对能量过高的电池单体执行能耗式均衡等功能。同时具备通信接口，可用于组内通信(即单个电池模组中电池管理单元与功率变换单元间的通信)和组间通信(即多个电池模组间的通信)。

在一些实施例中，请参阅图4，图4为本申请一实施例提供的电池模组中功率变换单元的结构示意图。功率变换单元4002包括双向隔离DC-DC功率电路、均衡控制器、电流采样电路、电压采样电路、开关管驱动电路以及通信接口。其中，均衡控制器的实现载体为任意一种具备满足电路工作所需外设资源的可编程功能的控制芯片，本申请实施例以DSP芯片为例进行阐述。DSP芯片通过模数转换器ADC将双向隔离DC-DC功率电路的电参数(如电压、电流、功率等)采样收集，并通过通信接口(eCAN、UART等)收集其他电池模组的电参数信息，在片内CPU进行处理，最终生成控制信号，通过ePWM输出，控制双向隔离DC-DC功率电路的逆变电路和整流电路中的开关管动作，从而实现功率变换、各电池模组间的电能均衡等功能。

双向隔离DC-DC功率电路的原边功率接口连接第一组功率接口300(即第一功率端3001和第二功率端3002)，双向隔离DC-DC功率电路的副边功率接口作为第二组功率接口500。

双向隔离DC-DC功率电路可以为任何一种常见的双向、隔离、直流-直流变换的功率拓扑，例如DAB、LLC-SRC、CLLC等电路拓扑。需要说明的是，上述电路拓扑的结构均为现有技术，在此不再赘述，请参见现有技术。

DSP芯片通过通信接口连接通信总线4003，以获取其所在电池模组及其他电池模组的电压、电流、电池状态等信息(即组内或组间通信)，并基于上述信息按照实际需求调整功率变换单元4002的工作状态。

DSP芯片通过设置于第一组功率接口300侧的电压采样电路、电流采样电路以及设置于第二组功率接口500侧的电压采样电路，获得实时电压、电流的参数信息，以基于该参数信息对双向隔离DC-DC功率电路的工作状态进行实时控制，从而满足实际的控制需求。

需要说明的是，在上述一些实施例中所提到的通信是以总线式通信的方式实现电池模组的组内通信和组间通信。在其它一些实施例中，也可以采用独立的通信方式实现通信功能，具体的，单个电池模组中的电池管理单元或功率变换单元的通信接口作为电池模组的第一通信接口，与其他电池模组进行数据共享，即发出所在电池模组中电压、电流、SOC、温度等参数信息，同时也接受其他电池模组的上述参数信息。再通过独立的组内通信线路，与所在电池模组的功率变换单元或电池管理单元进行电池模组内的数据共享。在其他一些实施例中，上述电池模组的组内通信和组间通信也可根据实际需求采用无线通信、有线通信与无线通信结合等通信方式，在此对其通信方式不做限定。

另外，将上层的设备(如对若干个储能设备进行统一管理的设备，其中，储能设备包括若干个电池模组)接入电池模组中的第一通信接口，也可实现信息的交互、控制实现、固件升级等功能。

在一些实施例中，请参阅图5，图5示出了储能设备中本申请实施例提供的电池模组间的一种连接关系。如图5所示：各电池模组10的第二组功率接口500并联，该并联的接口作为储能设备的功率接口。需要说明的是，为了方便描述，图5所示的实施例中，储能设备仅有3个电池模组，在其他实施例中，储能设备中电池模组的数量不限。

在一些实施例中，请参阅图6，图6示出了储能设备中本申请实施例提供的电池模组间的又一种连接关系。如图6所示：各电池模组10的第二组功率接口500并联，且各电池模组10的第一组功率接口300串联，该串联的接口作为储能设备的功率接口。需要说明的是，为了方便描述，图6所示的实施例中，储能设备仅有3个电池模组，在其他实施例中，储能设备中电池模组的数量不限。

在一些实施例中，请参阅图7，图7示出了储能设备中本申请实施例提供的电池模组间的又一种连接关系。如图7所示：各电池模组10的第一组功率接口300串联，该串联的接口作为储能设备的第一功率接口。各电池模组10的第二组功率接口500并联，该并联的接口作为储能设备的第二功率接口。需要说明的是，为了方便描述，图7所示的实施例中，储能设备仅有3个电池模组，在其他实施例中，储能设备中电池模组的数量不限。

第二方面，本申请实施例还提供了一种分布式储能设备，请参阅图8，图8为本申请一实施例提供的分布式储能设备的结构示意图。分布式储能设备1包括若干个本申请任一实施例提供的电池模组10及电源转换模组20。其中，电源转换模组20包括第二通信接口201、第三组功率接口202和第一外设功率接口203。

电源转换模组20中的功率转换模块为DC-DC变换器和/或DC-AC变换器，上述功率转换模块的一侧与第三组功率接口202电连接，另一侧与第一外设功率接口203电连接，第一外设功率接口203作为分布式储能设备的对外电能交换接口；若干个电池模组10的第二组功率接口500并联连接于第三组功率接口202，且若干个电池模组10的第一组功率接口300禁用；若干个电池模组10的第一通信接口600均与第二通信接口201通信连通。

需要说明的是，为了方便描述，图8所示的实施例中，电池模组10的数量为两个。另外，上述电源转换模组20中的功率转换模块的拓扑结构为现有技术，在此不做赘述，请参看现有技术。

第三方面，本申请实施例还提供了一种直挂式储能设备，请参阅图9，图9为本申请一实施例提供的直挂式储能设备的结构示意图。直挂式储能设备2包括若干个本申请任一实施例提供的电池模组10及电源转换模组30，其中，电源转换模组30包括第三通信接口301、第四组功率接口302和第二外设功率接口303。

电源转换模组30中的功率转换模块为DC-DC变换器和/或DC-AC变换器，上述功率转换模块的一侧与第四组功率接口302电连接，另一侧与第二外设功率接口303电连接，第二外设功率接口203作为直挂式储能设备的对外电能交换接口；若干个电池模组10的第一组功率接口300串联后与第四组功率接口连接，若干个电池模组10的第二组功率接口500并联连接；若干个电池模组10的第一通信接口600均与第三通信接口301通信连通。

需要说明的是，为了方便描述，图9所示的实施例中，电池模组10的数量为两个。另外，上述电源转换模组30中的功率转换模块的拓扑结构为现有技术，在此不做赘述，请参看现有技术。

第四方面，本申请实施例还提供了一种混合式储能设备，请参阅图10，图10为本申请一实施例提供的混合式储能设备的结构示意图。混合式储能设备3包括若干个本申请任一实施例提供的电池模组10及电源转换模组40，其中，电源转换模组40包括第四通信接口401、第五组功率接口302和第三外设功率接口403。

电源转换模组40中的功率转换模块为DC-DC变换器和/或DC-AC变换器，上述功率转换模块的一侧与第五组功率接口402电连接，另一侧与第三外设功率接口303电连接；若干个电池模组10的第一组功率接口300串联后与第五组功率接口连接，若干个电池模组10的第二组功率接口500并联连接形成第四外设功率接口404；若干个电池模组10的第一通信接口600均与第三通信接口401通信连通。其中，第三外设功率接口403作为混合式储能设备中串联架构的对外电能交换接口；第四外设功率接口404作为混合式储能设备中并联架构的对外电能交换接口。

需要说明的是，为了方便描述，图10所示的实施例中，电池模组10的数量为两个。另外，上述电源转换模组40中的功率转换模块的拓扑结构为现有技术，在此不做赘述，请参看现有技术。

需要说明的是，本申请的说明书及其附图中给出了本申请的较佳的实施例，但是，本申请可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本申请内容的额外限制，提供这些实施例的目的是使对申请的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本申请说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本申请所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种储能设备中电池模组，设置有一外壳，其特征在于，包括：

电池芯体，设置于所述外壳内部，配置为储存电能和释放电能；

电池监控管理模块，设置于所述外壳内部，包括：

电池管理单元，其一端与电池芯体电性连接，另一端作为电池模组的第一组功率接口，所述第一组功率接口包括第一功率端和第二功率端，所述第一功率端和所述第二功率端分别为所述第一组功率接口的正极和负极；

功率变换单元，设置有原边功率端口和副边功率端口；所述原边功率端口与所述第一组功率接口耦接；所述副边功率端口作为所述电池模组的第二组功率接口，所述功率变换单元还与所述电池管理单元通信连接；以及，

第一通信接口，设置于所述外壳外表面，所述第一通信接口与所述电池监控管理模块通信连通；

其中，所述第一组功率接口和所述第二组功率接口中至少一组功率接口设于所述外壳的外表面。

2.根据权利要求1所述的电池模组，其特征在于，所述电池监控管理模块还包括，通信总线；所述通信总线承载所述功率变换单元与所述电池管理单元之间的通信以及所述第一通信接口与所述电池监控管理模块之间的通信。

3.根据权利要求1所述的电池模组，其特征在于，所述功率变换单元设置有均衡控制器，所述均衡控制器通过所述第一通信接口获取所述储能设备中所有电池模组的至少一个电参数。

4.根据权利要求3所述的电池模组，其特征在于，所述第二组功率接口与所述储能设备中其他所述电池模组的第二组功率接口并联；所述第二组功率接口并联的接口作为所述储能设备的功率接口。

5.根据权利要求3所述的电池模组，其特征在于，所述第一组功率接口与所述储能设备中其他所述电池模组的第一组功率接口串联；所述第二组功率接口与所述储能设备中其他所述电池模组的第二组功率接口并联；所述第一组功率接口串联的接口作为所述储能设备的功率接口。

6.根据权利要求3所述的电池模组，其特征在于，所述第一组功率接口与所述储能设备中其他所述电池模组的第一组功率接口串联；所述第二组功率接口与所述储能设备中其他所述电池模组的第二组功率接口并联；所述第一组功率接口串联的接口以及所述第二组功率接口并联的接口作为所述储能设备的第一功率接口和第二功率接口。

7.一种分布式储能设备，其特征在于，包括：

电源转换模组，所述电源管理模组包括第二通信接口、第三组功率接口以及第一外设功率接口；

若干个如权利要求1所述的电池模组；所述若干电池模组的第二组功率接口并联连接于所述第三组功率接口；以及，所述若干电池模组的第一通信接口与所述第二通信接口通信连通。

8.一种直挂式储能设备，其特征在于，包括：

电源转换模组，所述电源管理模组包括第三通信接口、第四组功率接口以及第二外设功率接口；

若干个如权利要求1所述的电池模组；若干所述电池模组的第一组功率接口串联连接后与所述第四组功率接口连接，若干所述电池模组的第二组功率接口并联连接；以及，若干所述电池模组的第一通信接口与所述第三通信接口连通。

9.一种混合式储能设备，其特征在于，包括：

电源转换模组，所述电源管理模组包括第四通信接口、第五组功率接口以及第三外设功率接口；

若干个如权利要求1所述的电池模组；若干所述电池模组的第一组功率接口串联连接后与所述第五组功率接口连接，若干所述电池模组的第二组功率接口并联连接形成第四外设功率接口；以及，若干所述电池模组的第一通信接口与所述第四通信接口连通。

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