CN220021238U - 无酸固态储能电池管理系统 - Google Patents

Abstract

一种无酸固态储能电池管理系统，包括电池簇、检测控制单元、BMS、EMS及PCS，所述电池簇及PCS的数量至少为一组，所述PCS、检测控制单元、电池簇一一对应，检测控制单元检测电池簇的状态信息并反馈到PCS、BMS及EMS，每一所述检测控制单元包括若干采样单元、若干收集器、开关盒及PCS，PCS通过开关盒接入电池簇，开关盒与收集器信号连接，电池簇包括若干依次串联的电芯，所述电芯与采样单元一一对应，采样单元与收集器连接，采样单元将采集到的信息反馈到收集器。本实用新型以单电芯为采集单元，实时检测每节电芯电压、温度，串联电池簇电流等基本参数，检测准确进一步提高可靠性；降低系统成本，方便维护，提升了无酸固态电池的性能、效率等。

Description

无酸固态储能电池管理系统

技术领域

本实用新型涉及一种储能电池管理系统，特别是涉及一种无酸固态储能电池管理系统。

背景技术

全球电化学储能电站事故频发，安全形势严峻复杂。2022年6月29日，国家能源局发布《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022年版)(征求意见稿)》。针对电化学储能电站火灾事故防范，提出了详细要求：中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池，不宜选用梯次利用动力电池。在三元锂电池被“除名”后，电化学储能如何跨越安全和成本两道坎，是当前储能发展无法回避的问题。

无酸固态电池采用纳米级二氧化硅作为电解质，是百分百固态结构，不存在泄露风险；其正负极、隔板、电解质等均是防火防爆级别材料，不起火不爆炸，有效解决了电池热失控起火的安全问题；旧电池可以回收再生利用，残值率高，绿色环保。80％放电深度循环次数超过3500次。温度范围-40℃～75℃，投资成本为磷酸铁锂电池的2/3，有效缩短了投资回报周期。为新型储能发展提供了强有力的支持和保障，有效解决了行业痛点。但是无酸固态电池能量密度低、体积大。

正是由于无酸固态电池体积大，导致电芯无法参照锂电池十几个电芯串联成组集成在一个箱体内的方案。虽然减少了电池组装成本，但如果机械式采用锂电池管理方案，电池采样线长、采样线多、很容易发生安装错误，后续维护也存在较大安全隐患。传统锂电池多节电池共用一个MCU采集电芯本征参数，可能存在关键数据丢失的情况。因此，无酸固态电池储能系统的成簇方式发生巨大变化，常规锂电池系统管理方案直接移植到无酸固态电池储能系统不太适合，亟需开发出一套新的无酸固态储能电池管理系统。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有技术中的不足，提供一种无酸固态储能电池管理系统。

一种无酸固态储能电池管理系统，其包括电池簇、检测控制单元、BMS、EMS、PCS，所述电池簇及PCS的数量至少为一组，所述PCS、检测控制单元、电池簇一一对应，检测控制单元检测电池簇的状态信息并反馈到BMS、PCS及EMS，BMS及EMS通过检测控制单元采集电池簇的参数并控制电池簇工作，每一组所述检测控制单元包括若干采样单元、若干收集器、开关盒，所述PCS通过开关盒接入电池簇，开关盒与收集器信号连接，电池簇包括若干依次串联的电芯，所述电芯与采样单元一一对应，采样单元与收集器连接，采样单元将采集到的信息反馈到收集器。

在其中一个实施例中，所述采样单元包括电压采样线及温度采样线，温度采样线上设有温度采样触点，每个采样单元的温度采样触点贴近所需检测的电芯，每个电芯所对应的电压采样线统一长度，每个电芯所对应的温度采样线统一长度。

在其中一个实施例中，所述电池簇以邻近的k个电芯为一组，k个采样单元与邻近的收集器实现通讯，收集器与同组的开关盒、PCS及上层的BMS实时通讯；电池簇内的PCS根据各簇内收集器收集的电芯数据和电芯健康状态，实时调整充放电电流大小。

在其中一个实施例中，所述采样单元还包括MCU、隔离运放模块、继电器模块及隔离通讯模块，所述温度采样触点为热敏电阻，所述隔离运放模块、继电器模块、温度采样线、隔离通讯模块电连接在MCU，隔离运放模块的两端入端分别通过电阻R1、电阻R2电连接至电压采样线，电压采样线并联在与之对应的电芯上并与继电器模块电连接。

在其中一个实施例中，每一电池簇对应一个开关盒，所述开关盒包括MCU、直流断路器QF1和QF2、熔断器F1和F2、绝缘检测模块、电压测量模块、电流传感器及隔离通讯模块，上层的BMS分别管理各电池簇对应的收集器、开关盒，BMS与EMS通讯。

在其中一个实施例中，所述开关盒包括正、负输入端，所述开关盒的正、负输入端并联在电池簇，用于检测电池簇的总电压及电池簇正负极对地绝缘电阻。

在其中一个实施例中，所述开关盒的正输入端、熔断器F1、直流断路器QF1、电流传感器依次串联，开关盒的负输入端、熔断器F2、直流断路器QF2依次串联，绝缘检测模块和电压测量模块组成采集模组，采集模组的输出端接入MCU，采集模组的一输入端并联接入熔断器F1和直流断路器QF1之间的电路上，采集模组的另一输入端并联接入熔断器F2和直流断路器QF2之间的电路上。

本实用新型以单电芯为采集单元，实时检测每节电芯电压、温度，串联电池簇电流等基本参数，检测准确进一步提高可靠性；降低系统成本，方便维护，提升了无酸固态电池的性能、效率等。

附图说明

图1为本实用新型无酸固态储能电池管理系统各模块的连接示意图；

图2为图1所示无酸固态储能电池管理系统的采样单元对电芯运行参数实时检测示意图；

图3为图2所示无酸固态储能电池管理系统的开关盒对电池簇运行参数实时检测示意图。

图4为图1所示，无酸固态电池储能系统的工作原理图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

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”、“轴向”、“径向”、“周向”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至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参阅图1至图3，本实用新型提供一种无酸固态储能电池管理系统，包括电池簇10、检测控制单元20、BMS(电池管理系统)30、EMS(能量管理系统)40、、HCAC(热管理)系统50及PCS(储能变流器)90，所述电池簇10及PCS 90的数量至少为一组，所述PCS 90、检测控制单元20及电池簇10一一对应，检测控制单元20检测电池簇10的状态信息并反馈到PCS 90、BMS 30及EMS 40，BMS 30及EMS 40通过检测控制单元20采集电池簇10的参数并控制电池簇10工作。

请续参阅图1，每一组所述检测控制单元20包括若干采样单元60、若干收集器70、开关盒80，PCS 90通过开关盒80接入电池簇10，开关盒80与收集器70信号连接，电池簇10包括若干依次串联的电芯，所述电芯与采样单元60一一对应，采样单元60与收集器70连接，采样单元60将采集到的信息反馈到收集器70。

所述采样单元60实现电压、温度采样以及均衡控制，采样单元60包括电压采样线62及温度采样线61，所述温度采样线61包括温度采样触点611，每个采样单元60的温度采样触点611贴近所需检测的电芯，确保电压采样线62、温度采样线61的采样距离很短。每个电芯所对应的电压采样线62、温度采样线61统一长度。根据每个电池簇10内串联的电芯数量，合理选择邻近的k个电芯为一组，k个采样单元60通过串口/CAN或者无线等方式与邻近的收集器70实现通讯，收集器70与本电池簇10内的开关盒80、PCS 90及上层的BMS 30实时通讯。电池簇10内的PCS 90根据各簇内收集器70收集的电芯数据和电芯健康状态，实时调整充放电电流大小，确保电芯安全。

请续参阅图2，其为采样单元60的基本原理，采样单元60还包括MCU 65、隔离运放模块63、继电器模块64及隔离通讯模块66，所述温度采样触点611为一热敏电阻，所述隔离运放模块63、继电器模块64、温度采样线61、隔离通讯模块66电连接在MCU 65，隔离运放模块63的两端入端分别通过电阻R1、电阻R2电连接至电压采样线62，电压采样线62并联在与之对应的电芯上并与继电器模块64电连接。

工作时，采样单元60以MCU 65为核心，通过隔离运放模块63采样电芯电压，热敏电阻采样电芯温度，继电器模块64包括电磁继电器，MCU 65控制电磁继电器实现电芯被动均衡管理，从而控制采样单元60所对应的电芯的工作电压，进而使电芯处于安全工作电压范围内。隔离通讯模块66通过串口/CAN或者无线通讯等实现与收集器70的隔离通讯。收集器70主要是承上启下转换功能(如通讯协议转换)，也可根据开关盒80得到的电池簇10电流及采样单元60检测的电芯电压、温度等基本特征参数，完成各电芯的SOC(动力电池荷电状态)、SOH(动力电池健康状态)、SOE(电池剩余能量)、电池内阻等电芯健康度参数的估算。

请续参阅图3，每一电池簇10对应一个开关盒80，所述开关盒80至少包括MCU 84、直流断路器QF1和QF2、熔断器F1和F2、绝缘检测模块、电压测量模块、电流传感器及隔离通讯模块85。上层的BMS 30分别管理各电池簇10对应的收集器70、开关盒80等，BMS 30通过以太网或其它方式与EMS 40通讯。BMS 30可完成各类电芯保护参数设置、权限管理设置等。

所述开关盒80以MCU 84为核心，开关盒80包括正、负输入端(81、82)，所述开关盒80的正、负输入端(81、82)并联在电池簇10，用于检测电池簇10的总电压及电池簇10正负极对地绝缘电阻。其中开关盒80的正输入端81、熔断器F1、直流断路器QF1、电流传感器依次串联，开关盒80的负输入端82、熔断器F2、直流断路器QF2依次串联，绝缘检测模块和电压测量模块组成采集模组83，采集模组83的输出端接入MCU 84，采集模组83的一输入端并联接入熔断器F1和直流断路器QF1之间的电路上，采集模组83的另一输入端并联接入熔断器F2和直流断路器QF2之间的电路上。

其中，熔断器与断路器均为电池簇10充放电安全防护而设置。电流传感器采样电池簇10回路电流，用于正常条件下的电芯容量估算参数，异常情况下快速保护。高压开关盒80通过隔离通讯模块85实现与PCS 90、BMS 30及收集器70的实时通讯，在大型储能电站系统中，也可采用无线通讯方式，MCU 84执行断路器的闭合及通断状态检测。

上层的BMS 30主要管理各电池簇10、高压开关盒80及收集器70。通过BMS 30可根据电池类型，灵活设置电芯过欠压保护值等，通过最底层的电芯采样单元60，完成电芯的被动均衡管理。收集各电芯采样数据，根据设定值启动热管理系统50，确保储能系统正常工作温度环境。

图4给出了无酸固态电池储能系统的工作原理，系统借助外部电源或者系统UPS电源，给控制系统上电，系统内部主要控制设备完成系统自检测，等待主电源动力线路上电。然后启动HVAC系统60，开启加热和制冷程序，为电池营造适宜的工作环境温度。待环境温度满足条件后，本地控制器系统转入待机状态，并实时检测电网电压、内部环境及各设备工作状态，等待EMS 40启动指令。启动阶段，电池簇10、开关盒80等接到EMS 40指令后，依次完成电芯电压输出、直流回路电压建立及检测。PCS 90完成运行模式设置及启动等。运行阶段，本地控制器根据EMS 40下发的工作模式，实现指令下发，运行环境和状态监测、本地数据采集和记录、数据上传、人机交互等功能。本地控制器根据实时电芯工作状况、环境温度及时干预PCS 90输出功能，并进行合理的功率指令和电流指令修正，确保各簇电池及PCS 90功能分配正常。故障告警阶段，本地控制器将储能电池管理系统内部故障按照严重程度可划分告警、故障、事故三个等级。例如单个电池簇10故障停机、PCS 90过温、直流浪涌保护(SPD)等偶发性告警，本地控制器在系统不停机的情况下，采取告警模式，及时通知运维人员进行故障排除，或降功率运行，以等待告警在一段时间内自动消失。在较长时间超限运行情况下，告警可转变故障状态，例如对于电池簇10大范围故障停机、PCS 90温度严重超限、直流侧长期绝缘故障及温控系统故障等，本地控制器装采取相应保护动作，实现PCS 90功率降额甚至停机，PCS 90交直侧断开，待故障排除后再启动。对于火灾等非常严重事故，本地控制器实现内部快速停机、快速切断主电源，发出声光严重告警信息。储能电池管理系统接收到EMS 40停机指令，整个系统进入停机状态，停机状态可分仅PCS 90与交流电网断开但电池则仍然保持连通的热备份状态和PCS 90与电网及电池均断开的全停机状态。热备份状态下，储能系统接收到EMS 40指令后，可以快速启动。而全停机状态下，需要按照图4所示的工作原理，再次启动储能系统。

本实用新型无酸固态储能电池管理系统的有益效果在于：

1、以单电芯为采集单元，采样单元60贴近电芯本体，采集线短、方便安装、维护。实时检测每节电芯电压、温度，串联电池簇10电流等基本参数，通过均衡电路实现电池簇10间均衡控制。另外，最上级电池管理系统(BMS 30)、高压开关盒80、收集器70等均与PCS 90直接通讯互联，确保无酸固态储能电站第二道安全防护可靠性；

2、在电池管理系统中，每个电池簇10所有电芯只串联不并联，保证电芯采集单元所采样的电芯本征参数(电压、电流、温度)是准确可靠的，从而避免电芯并联可能存在电芯间环流，采集的电芯本征参数不准确的现象发生；

3、每个PCS 90的直流侧只接1个电池簇10，不存在电池簇10间并联环流，可以减少直流控制箱或者DC/DC变换器的数量。一方面降低系统成本，另一方面提升了无酸固态电池的性能、效率等。

4、每个电芯所对应的采集单元均拥有独立的MCU 65，可以实时采样电芯的电压、温度等，确保关键数据不丢失。而且都是隔离采样，均衡管理也是隔离的，确保储能系统的电气安全。最重要的是该采集单元便于安装在电芯本体上，方便检查及维护，保证采样线长度统一。

5、一个电池簇10采用一个开关盒80，实时采集整簇电池的总电压，绝缘电阻及电池簇10电流，并安装直流熔断器、断路器等电气保护装置。减少采样成本、提升了安全性。

6、该实用新型每个电池簇10有n个电芯串联，k个采集单元共用一个收集器70，解决了CAN或者RS485等通讯节点数量受限问题。

7、该实用新型中，BMS 30为电池管理系统最高级，可设置、修改及保存电芯和电池簇10的保护参数等。并将电芯采集参数、计算的特征参数等上传EMS 40。

8、本实用新型中，BMS 30、收集器70、高压开关盒80与PCS 90均直接通讯，因此，确保电池系统发生异常时，PCS 90能实时决策。PCS 90发生故障时，开关盒80也能及时决策并断开断路器。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种无酸固态储能电池管理系统，其特征在于，包括电池簇、检测控制单元、BMS、EMS、PCS，所述电池簇及PCS的数量至少为一组，所述PCS、检测控制单元、电池簇一一对应，检测控制单元检测电池簇的状态信息并反馈到BMS、PCS及EMS，BMS及EMS通过检测控制单元采集电池簇的参数并控制电池簇工作，每一组所述检测控制单元包括若干采样单元、若干收集器、开关盒，所述PCS通过开关盒接入电池簇，开关盒与收集器信号连接，电池簇包括若干依次串联的电芯，所述电芯与采样单元一一对应，采样单元与收集器连接，采样单元将采集到的信息反馈到收集器。

2.根据权利要求1所述的无酸固态储能电池管理系统，其特征在于，所述采样单元包括电压采样线及温度采样线，温度采样线上设有温度采样触点，每个采样单元的温度采样触点贴近所需检测的电芯，每个电芯所对应的电压采样线统一长度，每个电芯所对应的温度采样线统一长度。

3.根据权利要求2所述的无酸固态储能电池管理系统，其特征在于，所述电池簇以邻近的k个电芯为一组，k个采样单元与邻近的收集器实现通讯，收集器与同组的开关盒、PCS及上层的BMS实时通讯。

4.根据权利要求3所述的无酸固态储能电池管理系统，其特征在于，所述采样单元还包括MCU、隔离运放模块、继电器模块及隔离通讯模块，所述温度采样触点为热敏电阻，所述隔离运放模块、继电器模块、温度采样线、隔离通讯模块电连接在MCU，隔离运放模块的两端入端分别通过电阻R1、电阻R2电连接至电压采样线，电压采样线并联在与之对应的电芯上并与继电器模块电连接。

5.根据权利要求1所述的无酸固态储能电池管理系统，其特征在于，所述开关盒包括MCU、直流断路器QF1和QF2、熔断器F1和F2、绝缘检测模块、电压测量模块、电流传感器及隔离通讯模块，上层的BMS分别管理各电池簇对应的收集器、开关盒，BMS与EMS通讯。

6.根据权利要求5所述的无酸固态储能电池管理系统，其特征在于，所述开关盒包括正、负输入端，所述开关盒的正、负输入端并联在电池簇，用于检测电池簇的总电压及电池簇正负极对地绝缘电阻。

7.根据权利要求5所述的无酸固态储能电池管理系统，其特征在于，所述开关盒的正输入端、熔断器F1、直流断路器QF1、电流传感器依次串联，开关盒的负输入端、熔断器F2、直流断路器QF2依次串联，绝缘检测模块和电压测量模块组成采集模组，采集模组的输出端接入MCU，采集模组的一输入端并联接入熔断器F1和直流断路器QF1之间的电路上，采集模组的另一输入端并联接入熔断器F2和直流断路器QF2之间的电路上。