CN218957819U - 一种集中组串式电化学储能控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种集中组串式电化学储能控制器，包括有控制系统模块和AD采集模块，控制系统模块包括有电源接口、EMC线路、系统电源、CAN电源、CAN接口、CAN驱动器、通信隔离器、电池电源、MCU控制器、N路继电器状态检测线路、N路继电器即驱动线路、信号采集接口、N路电芯电压线路和温度采样接口，AD采集模块包括有信号接口、信号隔离驱动器、滤波和被动均衡线路、N路电池组监控器、电压和温度采样接口。本实用新型通过增加了主动均衡功能，杜绝了组串式电化学储能系统因长期运行导致的电芯电压不均衡现象，规避了储能系统因电芯电压不均衡而导致的暂停运营现象，减少系统维护次数，降低维护成本，使储能系统长期高效稳定运行，发挥最大效能。
Description
技术领域
本实用新型涉及储能控制器领域，具体涉及到一种集中组串式电化学储能控制器。
背景技术
随着新能源行业的蓬勃发展，新能源电化学储能系统成为新能源行业的一块重要组成部分。而锂电池是目前市面上技术最成熟应用最广泛的电化学储能系统，其中锂电池主要以组串式方式应用于储能市场；例如：电动汽车动力电池系统、风光电电力调频储能系统、电网电力调频储能系统、工商业电力储能系统、家用储能系统、家用移动电源、电瓶车锂电池系统等。组串式电化学储能控制器是保障组串式电化学储能系统安全运行的核心，储能控制器直接影响电化学储能系统运行的好坏。
目前市面上运行的电化学储能系统多为组串式锂电池组储能系统。而许多的组串式锂电池组系统在完成安装运行一年左右，就开始出现各种故障，被迫暂停运行进行维护，而停止运行的大多数原因为组串式锂电池组长期运行后电芯电量不均衡。如果电池储能系统电芯电压在极度不均衡条件下强制使用，将导致不均衡电芯过充或过放，造成电芯永久损坏，严重时发生爆炸。因此，组串式电化学储能控制器解决电化学电池组在组串式应用中的均衡技术尤为重要。组串式电池组的均衡技术有主动均衡和被动均衡两种技术，目前市面上以被动均衡为主，主动均衡较少。被动均衡技术是对电池组中电芯电量较高电芯通过电阻放电以达到电芯平均电量的技术，主动均衡是对电池组中电芯电量较低的电芯进行单独补电以达到电芯平均电量的技术。被动均衡技术简单，大多数电池PACK监控芯片已集成被动均衡功能；而主动均衡实现相对复杂，控制严格且成本较高，这也是市面上主动均衡应用较少的原因。
目前较为流行的主动均衡IC方案为ADI(亚德诺)LTC3300：采用隔离变压器的双向同步反激式平衡，和TI(德州仪器)EMB1428：采用MOS管的开关矩阵阵列平衡。两个IC方案虽然都完成了复杂的逻辑信号集成，但是LTC3300控制大量隔离变压器，相当于一个控制系统有相应电芯数量个电源模块，成本和故障率高；EMB1428控制大量MOS管，而MOS管使用相对较严格，由于MOS管不具有电气隔离，一旦MOS管损坏，极易导致电路失效甚至发生安全事故。也有一些厂商采用多组继电器矩阵排列为电芯补电的非IC主动均衡方案，但是他们选用的继电器封装过大，且在PCB布板过程中未严格进行电器隔离，这样将导致他们的控制器只适用于低压系统，而无法适用于大型储能800V-1500V的系统。
针对上述问题，本实用新型提出了一种专门针对各组串式化学储能场景的一种集中串式电化学储能控制器。
实用新型内容
本实用新型提出了一种专门针对各组串式化学储能场景的一种集中组串式电化学储能控制器。
本实用新型的目的是提供一种集中组串式电化学储能控制器，包括有控制系统模块和AD采集模块，控制系统模块包括有电源接口、EMC线路、系统电源、CAN电源、CAN接口、CAN驱动器、通信隔离器、电池电源、MCU控制器、N路继电器状态检测线路、N路继电器即驱动线路、信号采集接口、N路电芯电压线路和温度采样接口，AD采集模块包括有信号接口、信号隔离驱动器、滤波和被动均衡线路、N路电池组监控器、电压和温度采样接口。
进一步的，控制系统模块在PCB排列时采用电气隔离排列，并在继电器线圈和触点中间开槽。
进一步的，控制系统模块和AD采样模块连接接口使两个模块电气连接，控制系统模块和AD采样模块隔离通信驱动器将控制系统模块和N路电池组电气隔离。
进一步的，N组继电器驱动线路采用595串转并信号驱动器，N组继电器状态检测线路线路采用165并转串寄存器。
进一步的，EMC线路为系统提供一个抗干扰能力强的电源。
进一步的，电源接口为系统提供电源并为电池充电提供电源。
进一步的，N组继电器驱动线路包括有n组继电器，n组继电器依次一字顺序排列，双刀双掷继电器的一路常开6号管脚接对应电芯的负极和相邻低电位电芯的正极；另一路常开7号管脚接对应电芯的正极和相邻高电位电芯的负极；继电器的一路公共5号管脚接充电电源的负极，另外一路公共8号管脚接充电电源的正极。
本实用新型具有以下优势：本实用新型通过增加了主动均衡功能，杜绝了组串式电化学储能系统因长期运行导致的电芯电压不均衡现象，规避了储能系统因电芯电压不均衡而导致的暂停运营现象，减少系统维护次数，降低维护成本，使储能系统长期高效稳定运行，发挥最大效能。
附图说明
图1为本实用新型的控制器系统框图；
图2为本实用新型的PCB结构布局图；
图3为本实用新型的电池电源原理图；
图4为本实用新型的N路继电器状态检测线路原理图；
图5为本实用新型的N路继电器驱动线路原理图；
图6为本实用新型的MCU控制器线路原理图；
图7为本实用新型的CAN驱动器线路原理图；
图8为本实用新型的EMC线路原理图；
图9为本实用新型的电压采样和被动均衡线路原理图；
图10为本实用新型的控制系统模块和AD采样模块连接接口原理图；
图11为本实用新型的电池充电原理图；
图12为本实用新型的AD采样模块隔离通信驱动线路原理图。
具体实施方式
本实用新型的目的是提供一种集中组串式电化学储能控制器，包括有控制系统模块和AD采集模块，控制系统模块包括有电源接口、EMC线路、系统电源、CAN电源、CAN接口、CAN驱动器、通信隔离器、电池电源、MCU控制器、N路继电器状态检测线路、N路继电器驱动线路、信号采集接口、N路电芯电压线路和温度采样接口，AD采集模块包括有信号接口、信号隔离驱动器、滤波和被动均衡线路、N路电池监控器、电压和温度采样接口。
本实施例中，控制系统模块在PCB排列时采用电气隔离排列，并在继电器线圈和触点中间开槽。
本实施例中，控制系统模块和AD采样模块连接接口使两个模块电气连接，控制系统模块和AD采样模块隔离通信驱动器将控制系统模块和N路电池组电气隔离。
本实施例中，N组继电器驱动线路采用595串转并信号驱动器，N组继电器状态检测线路线路采用165并转串寄存器。
本实施例中，EMC线路为系统提供一个抗干扰能力强的电源。
本实施例中，电源接口为系统提供电源并为电池充电提供电源。
本实施例中，N组继电器驱动线路包括有n组继电器，n组继电器依次一字顺序排列，双刀双掷继电器的一路常开6号管脚接对应电芯的负极和相邻低电位电芯的正极；另一路常开7号管脚接对应电芯的正极和相邻高电位电芯的负极；继电器的一路公共5号管脚接充电电源的负极，另外一路公共8号管脚接充电电源的正极。
本实施例中，595串转并信号驱动器可实现MCU较少管脚控制较多组信号的功能，且595控制信号需要按照协议进行通信，输出信号才能改变，可起到一定的滤波抗干扰作用。用595线路控制继电器，可以节省单片机管脚的同时还能防止继电器误触发，保障电芯安全。
本实施例中，扩展级/汽车级8位MCU控制器可实现稳定的数据交换和系统控制，保障系统按照设计运行。MCU控制器实时采集处理数据并上传给电池管理系统主机，接收电池管理系统主机指令并执行相应操作，多个组串式电化学储能控制器堆叠与电池管理系统主机组成大型储能系统基本框架。
本实施例中，隔离的CAN通信保证了每个组串式电化学储能控制器的系统独立性，从而使该控制器可以实现多个堆叠使用，以满足不同电压储能系统的场景。
本实施例中，CAN接口实现该控制器与外部数据和指令交换。电池组侧接口实现该控制器和电芯的连接，保险丝在控制器异常或接线错误时，可保障电池组和控制器断路，切断短路电芯回路，保证电芯安全。
本实施例中，电池充电电源可实现多组电池组堆叠情况下，每个电池组在组串式电化学储能控制器控制下可独立进行主动均衡，保障充电安全。
本实施例中，165并转串寄存器可将滤波后的继电器驱动信号采集起来，通过该信号判断继电器控制器状态，检测继电器线路是否故障，如有故障，则不能进行主动均衡操作，确保电芯安全。
本实施例中，MCU控制器通过电池采样线路对电池组每个电芯电压温度采样，MCU控制器读取该数据，判断电芯状态。如果有电芯电量偏高，MCU控制器给采样芯片发送被动均衡指令，采样芯片打开该短路电芯被动均衡回路，释放掉多余电量，完成被动均衡。
本实施例中，MCU控制器通过电芯采集芯片读取电池组中各个电芯的电压，判断出需要均衡的电芯并确定主被动均衡方式。如果电芯电压过高，选择被动均衡方式，通过控制相应电芯的放电电阻回路释放掉多余电量。如果电芯电压过低，选择主动均衡方式，通过控制相应电芯对应继电器导通，开启隔离的电池充电电源对该路电芯进行充电，使其与系统平均电量持平。被动均衡方式和主动均衡方式的综合使用，可保证电池组所有电芯处于均衡状态。
本实施例中，MCU控制器通过AD采集模块周期采集电池组各电芯电压数据和温度数据，对数据进行处理判断，并将数据上传至电池管理系统主机。控制系统模块接收到电池管理系统主机指令后，根据指令执行操作，并完成相应数据上传。当控制系统模块MCU控制器采集到该电池组有电芯电压过低并接收到电池管理系统主机均衡指令后，MCU控制器将低电压电芯对应继电器闭合，开启电池充电电源，为该节电芯补电；达到目标电压后，关闭电池充电电源，打开该节电芯对应继电器。每个组串式电化学储能控制器一次仅允许打开一路继电器，如果该控制器所管理的电池组有多节电芯需要补电，MCU控制器根据指令先后进行补电，直至所有电芯完成均衡。控制系统模块中虚线中内部与外部进行严格的电气隔离，与虚线交叉的模块为隔离器件，其作用是提供隔离信号或隔离电源。
虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (7)
1.一种集中组串式电化学储能控制器，包括有控制系统模块和AD采集模块，其特征在于：所述控制系统模块包括有电源接口、EMC线路、系统电源、CAN电源、CAN接口、CAN驱动器、通信隔离器、电池电源、MCU控制器、N组继电器驱动线路、N路继电器状态检测线路、N路电芯电压线路和温度采样接口，所述AD采集模块包括有信号接口、信号隔离驱动器、滤波和被动均衡线路、N路电池监控器、电压和温度采样接口。
2.如权利要求1所述的一种集中组串式电化学储能控制器，其特征在于：所述控制系统模块在PCB排列时采用电气隔离排列，并在继电器线圈和触点中间开槽。
3.如权利要求1所述的一种集中组串式电化学储能控制器，其特征在于：所述控制系统模块和AD采样模块连接接口使两个模块电气连接，所述控制系统模块和AD采样模块隔离通信驱动器将控制系统模块和N路电池组电气隔离。
4.如权利要求1所述的一种集中组串式电化学储能控制器，其特征在于：所述N组继电器驱动线路采用595串转并信号驱动器，所述N组继电器状态检测线路线路采用165并转串寄存器。
5.如权利要求1所述的一种集中组串式电化学储能控制器，其特征在于：所述EMC线路为系统提供一个抗干扰能力强的电源。
6.如权利要求1所述的一种集中组串式电化学储能控制器，其特征在于：所述电源接口为系统提供电源并为电池充电提供电源。
7.如权利要求1所述的一种集中组串式电化学储能控制器，其特征在于：所述N组继电器驱动线路包括有n组继电器，所述n组继电器依次一字顺序排列，双刀双掷继电器的一路常开6号管脚接对应电芯的负极和相邻低电位电芯的正极；另一路常开7号管脚接对应电芯的正极和相邻高电位电芯的负极；继电器的一路公共5号管脚接充电电源的负极，另外一路公共8号管脚接充电电源的正极。
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2022
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