CN220138392U - 电池控制系统、电池柜和电池储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于电池柜的电池控制系统、包括该电池控制系统的电池柜和包括该电池柜的电池储能系统。电池柜包括电池组、开关设备和该电池控制系统，电池组经由开关设备连接到电力转换系统。该电池控制系统包括：通信装置，与电力转换系统通信连接以从电力转换系统接收指示开关设备合闸的第一信号或指示开关设备分闸的第二信号；以及控制装置，其输入端连接到通信装置，其输出端连接到开关设备，控制装置在接收到第一信号的情况下输出第一控制信号使开关设备执行合闸操作或者在接收到第二信号的情况下输出第二控制信号使开关设备执行分闸操作。

Description

电池控制系统、电池柜和电池储能系统

技术领域

本实用新型涉及一种电池控制系统(Battery Management System，BMS)、包含该电池电控制系统的电池柜、以及包含该池柜的电池储能系统。

背景技术

储能主要指将电能转化为其他形式的能量存放在储能装置中，并在需要时以电能的形式释放出来。随着新能源行业的发展，以电池为主的二次电源储能，因其具备能量密度高、建设周期短、响应速度快等优势而广泛用于电源侧、电网侧以及用户侧，发展势头迅猛。当前电池储能系统存在内部接口复杂、接线多的缺点，因此研究电池储能系统的简化具有经济价值。

在电池储能系统中，对开关设备的合闸与分闸的控制至关重要。开关设备一般包括若干开关和用于致动该若干开关的致动机构。通过控制致动机构的操作来控制该若干开关的闭合或断开，从而实现开关设备的合闸与分闸。对此，当前的方式是，在开关设备内部配置用于控制致动机构的控制回路。由PCS与BMS通信，在完成电压测量、绝缘电阻检测等操作后，由PCS告知BMS向开关设备内部的控制回路发送针对开关设备的合闸或分闸的指令。例如，PCS可以根据电池柜上电来确定开关设备应当合闸、可以根据当前周期输入功率大于负载功率来确定应当对电池组充电、可以根据当前周期输入功率小于或等于负载功率来确定应当对电池组放电、可以根据来自电气控制系统(Electric Control System，ECS)的指示来确定停用电池组等。开关设备内部的该控制回路在得到针对开关设备的合闸或分闸的指令后，控制致动机构的操作以实现该若干开关的闭合或断开，从而实现开关设备的合闸或分闸。然而，在此方式下，由于致动机构也存在主回路，主回路和控制回路都需要与BMS交互和接线，用于支持此控制回路的微控制单元和电源也需要在开关设备内单独配置，导致开关设备与BMS之间交互多、接线复杂、控制信号繁多。并且除此之外，还要考虑因控制回路与BMS之间的线路较长而带来的电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于电池柜的电池控制系统(BMS)。该电池柜包括电池组、开关设备和电池控制系统。电池组经由开关设备连接到电力转换系统(PCS)。电池控制系统包括：通信装置，与电力转换系统通信连接以从电力转换系统接收指示开关设备合闸的第一信号或指示开关设备分闸的第二信号；以及控制装置，其输入端连接到通信装置，其输出端连接到开关设备，控制装置在接收到第一信号的情况下输出第一控制信号使开关设备执行合闸操作或者在接收到第二信号的情况下输出第二控制信号使开关设备执行分闸操作。

可选地，通信装置还与电池组通信连接，以从电池组获取与电池组的状态相关联的状态参数；控制装置还在状态参数异常的情况下输出第二控制信号。

可选地，通信装置还与电池组通信连接，以从电池组获取与电池组的状态相关联的状态参数；控制装置还在状态参数异常的情况下生成报警信息以经由通信装置发送到电力转换系统，并且在预定时间阈值后未接收到第二信号的情况下输出第二控制信号。

可选地，开关设备包括电机、开关和致动机构，致动机构在电机的驱动下执行使开关闭合或断开的操作，其特征在于，控制装置的输出端与电机连接，第一控制信号使电机通电，第二控制信号使电机断电。

可选地，控制装置包括：H桥电路，包括以H桥方式连接到电机的多个功率半导体器件；以及微控制单元，其输入端连接到通信装置，其多个输出端分别连接到多个功率半导体器件中的每一个的控制端以向其施加控制电压。

可选地，多个输出端通过输出脉宽调制信号来调节向多个功率半导体器件中的每一个的控制端施加的控制电压。

可选地，功率半导体器件包括晶体管、绝缘栅双极型晶体管以及金属氧化物半导体场效应管。

可选地，开关设备包括开关和与开关关联的电磁铁，控制装置的输出端与电磁铁连接，第一控制信号控制流经电磁铁的电流不足以使开关闭合，第二控制信号控制流经电磁铁的电流足以使开关闭合。

本实用新型还提供了一种电池柜，其包括电池组、开关设备以及根据前述任一项的电池控制系统。

本实用新型还提供了一种电池储能系统，其包括电力转换系统以及前述电池柜。

根据本实用新型的电池控制系统将用于控制开关设备的合闸与分闸的控制功能集成在其中，减少了其与开关设备之间的交互和接口设计，从而整体上简化了电池柜和电池储能系统。

附图说明

通过下面结合附图对实施例的描述，本实用新型的这些和/或其他方面、特征和优点将变得更加清楚和容易理解，其中：

图1示出了根据本实用新型的电池储能系统的示意性框图；

图2示出了根据本实用新型的电池控制系统的示意性框图；

图3示出了根据本实用新型的电池控制系统中的控制装置的示例；以及

图4示出了根据本实用新型的电池控制系统中的控制装置的另一示例。

具体实施方式

下面将参考本实用新型的示例性实施例对本实用新型进行详细描述。然而，本实用新型不限于这里所描述的实施例，其可以以许多不同的形式来实施。所描述的实施例仅用于使本公开彻底和完整，并全面地向本领域的技术人员传递本实用新型的构思。所描述的各个实施例的特征可以互相组合或替换，除非明确排除或根据上下文应当排除。

如前所述，研究电池储能系统的简化是具有经济价值的。为便于理解，先简单介绍电池储能系统。

图1示出了根据本实用新型的电池储能系统的示意性框图。

参考图1，电池储能系统可以包括电池柜10、电力转换系统PCS 30以及市电40。市电40可以是依靠水能、核能、风能、火力等能源提供电力的发电厂、发电站、发电机等，本公开对其具体位置和能源类型不做限制。电池柜10包括电池组、开关设备20、以及用于控制电池组和开关设备的电池控制系统BMS100。电池组经由开关设备20连接到PCS 30。

电池储能系统依靠BMS100、PCS 30以及开关设备20的相互配合来实现电池组的充电、放电和停用。PCS 30中包括AC/DC双向变流器。在开关设备20合闸的情况下，PCS 30可以利用AC/DC双向变流器将来自电池组的DC电压转换成AC电压输出，以实现电池组的放电。反之，同样在开关设备20合闸的情况下，PCS 30也可以利用AC/DC双向变流器将来自市电40的AC电压转换成DC电压输出，以实现电池组的充电。在开关设备20分闸的情况下，电池组停用。

可见，在电池储能系统中，对开关设备的合闸与分闸的控制至关重要。开关设备一般包括若干开关和用于致动该若干开关的致动机构。通过控制致动机构的操作来控制该若干开关的闭合或断开，从而实现开关设备的合闸与分闸。对此，当前的方式是，在开关设备内部配置用于控制致动机构的控制回路。由PCS与BMS通信，在完成电压测量、绝缘电阻检测等操作后，由PCS告知BMS向开关设备内部的控制回路发送针对开关设备的合闸或分闸的指令。例如，PCS可以根据电池柜上电来确定开关设备应当合闸、可以根据当前周期输入功率大于负载功率来确定应当对电池组充电、可以根据当前周期输入功率小于或等于负载功率来确定应当对电池组放电、可以根据来自电气控制系统(Electric Control System，ECS)的指示来确定停用电池组等。开关设备内部的该控制回路在得到针对开关设备的合闸或分闸的指令后，控制致动机构的操作以实现该若干开关的闭合或断开，从而实现开关设备的合闸或分闸。然而，在此方式下，由于致动机构也存在主回路，主回路和控制回路都需要与BMS交互和接线，用于支持此控制回路的微控制单元和电源也需要在开关设备内单独配置，导致开关设备与BMS之间交互多、接线复杂、控制信号繁多。并且除此之外，还要考虑因控制回路与BMS之间的线路较长而带来的电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)问题。

鉴于此，为简化电池柜，换句话说，为简化整个电池储能系统，本实用新型提出将针对开关设备的合闸与分闸的控制功能集成到BMS中，从而开关设备内无需单独配置MCU和电源，也无需考虑原来因控制回路与BMS之间的线路较长而带来的EMC问题。并且，将针对开关设备的合闸与分闸的控制功能集成到BMS中，只需在当前BMS的基础上增加对开关设备中的致动机构的控制电路，因为BMS已具备MCU和电源，这与原来在开关设备内部配置控制回路、配置MUC、配置电源、设计电源接口、EMC接口相比简单许多。因此，本实用新型能够从整体上简化电池柜和电池储能系统。

下面介绍本实用新型的BMS100。

根据本实用新型的电池控制系统BMS100位于电池柜10中。电池柜10中的电池组可以包括例如电池组1、电池组、……、电池组n等多个电池组。每个电池组包括未示出的用于存储能量的多个电池单元以及用于对该多个电池单元进行管理和监控的电池监控器。例如，电池监控器可以负责闭合或断开与该电池组中的一个或多个电池单元相关联的继电器或类似装置来将这些电池单元纳入使用中或排除使用。该电池监控器还可以包括用于检测该电池单元的电压、电流、温度、绝缘电阻等状态参数的传感器和仪器仪表等。

BMS100可以与电池组1至n双向通信。BMS100可以从电池监控器获取其所检测的与电池组(或具体地，电池组中的电池单元)相关联的状态参数。BMS100也可以向电池监控器发送用于例如用于添加或删除某个或某些电池单元的信号等。如前所述，BMS100还可以与PCS 30双向通信，BMS 100可以从PCS 30接收例如指示开关设备合闸或分闸的指令。BMS100也可以向PCS 30发送例如从电池监控器获取的与电池组相关联的状态参数或下文所述的报警信息等。BMS100与电池组和PCS100两者的通信方式可以相同也可以不同，这些通信方式可以基于例如CAN(Controller Area Network，控制器局域网)通信协议、Modbus通信协议等。BMS100内集成了针对开关设备20的合闸和分闸的控制功能(如图1中点画线所表示的)。

图2示出了根据本实用新型的电池控制系统BMS100的示意性框图。

参考图2，根据本实用新型的电池控制系统BMS100包括通信装置110和控制装置120。

在一个实施例中，通信装置100与电力转换系统PCS 30通信连接以从PCS 30接收指示开关设备20合闸的第一信号或指示开关设备20分闸的第二信号。控制装置120的输入端连接到通信装置110，输出端连接到开关设备20。控制装置120在接收到第一信号的情况下输出第一控制信号使开关设备20执行合闸操作，并且在接收到第二信号的情况下输出第二控制信号使开关设备20执行分闸操作。

图2中示出了可以与本公开实施例的BMS100配合的开关设备20的一个示例。在该示例中，开关设备20包括电机M、致动机构210和开关k。开关k在此处仅是示意性的，且不限制其具体类型和数量。例如，开关k可以包括接触器、继电器或其他通过动触头和静触头的接触与分离来实现其闭合与断开的开关、或它们的组合。开关k的闭合与断开由致动机构210驱动。例如，致动机构210可以与开关k机械关联，其运动可以带动开关k的动触头运动以与静触头接触或分离。致动机构210由电机M驱动。电机M由控制装置120驱动。控制装置120的输出端与电机M连接。由控制装置120输出的第一控制信号使电机M通电，进而电机M驱动致动机构210操作，该操作可以带动开关k的动触头与其静触头接触。由控制装置120输出的第二控制信号使电机M断电，进而电机M驱动致动机构210操作，该操作可以带动开关k的动触头与其静触头分离。如此，在该示例中，开关设备20中无需配置电机M的控制回路和电源，只需预留电机M与控制装置120的接口。

容易理解，开关设备20的具体构造不限于图2中示出的示例，其还可以包括其他示例，也可以包括这些示例的组合。

例如，图3中示出了可以与本公开实施例的BMS100配合的开关设备20的另一个示例。在该示例中，开关设备20是基于电磁原理的。例如，开关设备20可以包括开关k和与开关k关联的电磁铁L。控制装置120的输出端与与电磁铁L连接。控制装置120输出的第一控制信号可以控制流经电磁铁L的线圈的电流i不足以使该电磁铁L执行使开关k闭合的操作。例如，该第一控制信号将电流i控制为零或者小于使电磁铁能够吸合开关k的动触头至与其静触头接触的最小电流。控制装置120输出的第二控制信号控制该电磁铁L的线圈的电流i足以使该电磁铁L执行使开关k闭合的操作。例如该第二控制信号将电流i控制为大于使电磁铁能够吸合开关k的动触头至与其静触头接触的最小电流。在该示例中，开关设备20中无需配置用于控制电流i的控制回路和电源，只需预留电磁铁L与控制装置120的接口。

又例如，开关设备3的另一示例还可以包括诸如晶体管、绝缘栅双极型晶体管或者金属氧化物半导体场效应管等的一个或多个功率半导体器件，控制装置120的输出端可以与这些功率半导体器件的控制端耦接以控制其导通或截止，进而控制开关设备3的合闸与分闸。

由此，通过将用于控制开关设备20合闸与分闸的控制功能集成在BMS 100中，减少了BMS与开关设备之间的交互和接口设计，也从整体上简化了电池柜和电池储能系统。

在另一个实施例中，根据本实用新型的通信装置110还与电池组1至n通信连接，以从电池组1至n获取与电池组1至n的状态相关联的状态参数。控制装置120还在这些状态参数异常的情况下输出第二控制信号以控制开关设备执行分闸操作。

例如，在通信装置110获取的与电池组1至n关联的温度参数异常，例如超过预定温度阈值的情况下，为避免电池组1至n中的一个或多个被损坏，控制装置120可以输出第二控制信号以控制开关设备20执行分闸操作。

在又一个实施例中，控制装置120在这些状态参数异常的情况下首先生成报警信息。通信装置110则将该报警信息发送到电力转换系统PCS 30。并且，在预定时间阈值(例如，10秒、20秒、60秒等)之后，如果还未接收到PCS 30发出的指示开关设备的分闸的第二信号，控制装置120将输出第二控制信号以控制开关设备20执行分闸操作。

例如，在通信装置110获取的与电池组1至n关联的温度参数异常，例如超过预定温度阈值的情况下，控制装置120首先生成报警信息。通信装置110将该报警信息发送至PCS30以请求停用电池组1至n。但可能由于PCS 30故障或PCS 30与BMS100之间的通信故障等造成在预定时间阈值后还未接收到指示开关设备20分闸的第二信号。为避免电池组损坏，控制装置20将输出第二控制信号以控制开关设备20执行分闸操作，而不再等待第二信号。

由此，除根据PCS 30的指示停用电池组之外，BMS100也可以自行停用电池组或预定时间阈值之后停用电池组，这避免了在紧急情况(例如，PCS 30故障或PCS 30与BMS100之间的通信故障)下电池组由于停用不及时而被损坏。

下面结合图4来说明控制装置120的一个示例，其中开关设备20以图2中示出的示例为例。应当理解，图4的示例仅仅为了说明，并不是限制性的，也可以使用其他电机驱动电路。

参考图4，控制装置120包括微控制单元MCU 410和H桥电路420。H桥电路420包括以H桥方式连接到电机M的多个功率半导体器件，如图所示，包括第一至第四功率半导体器件Q1至Q4，它们可以是晶体管、绝缘栅双极型晶体管或者金属氧化物半导体场效应管等。

众所周知，当H桥任一对角线上的两个功率半导体器件导通时，电机M才会通电。如图4所示，当第一功率半导体器件Q1和第四功率半导体器件Q4导通，且第二功率半导体器件Q2和第三功率半导体器件Q3截止时，电流依次经过第一功率半导体器件Q1、电机M和第四功率半导体器件Q4，电机通电并沿第一方向旋转。反之，当第二功率半导体器件Q2和第三功率半导体器件Q3导通，且第一功率半导体器件Q1和第四功率半导体器件Q4截止时，电流依次经过第三功率半导体器件Q3、电机M和第二功率半导体器件Q2，电机通电并沿与第一方向相反的第二方向旋转。

MCU 410的输入端连接到通信装置110，其多个输出端分别连接到第一至第四功率半导体器件Q1至Q4中的每一个的控制端以向其施加控制电压。例如，MCU 410可以通过脉宽调制PWM方式来调节向第一至第四功率半导体器件Q1至Q4中的每一个的控制端施加的控制电压的大小，进而控制它们的导通或截止。

根据该示例，将针对开关设备的合闸与分闸的控制功能集成到BMS中，只需在现有BMS中增加与图4所示的H桥电路类似的控制电路即可。

由此，将根据本实用新型的BMS应用于电池柜中以简化开关设备、电池柜和电池储能系统，节约了成本，使得安装和维护更加方便。

本实用新型中涉及的电路、器件、装置、设备、系统的方框图仅作为示例性的例子并不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些电路、器件、装置、设备、系统，只要能够实现所期望的目的即可。

本领域技术人员应该理解，上述的具体实施例仅是例子而非限制，可以根据设计需求和其它因素对本实用新型的实施例进行各种修改、组合、部分组合和替换，只要它们在所附权利要求或其等同的范围内，即属于本实用新型所要保护的权利范围。

Claims (8)

1.一种用于电池柜的电池控制系统，其特征在于：

所述电池柜包括电池组、开关设备和所述电池控制系统；

所述电池组经由所述开关设备连接到电力转换系统；

所述开关设备包括电机、开关和致动机构，所述致动机构在所述电机的驱动下执行使所述开关闭合或断开的操作，以及

所述电池控制系统包括：

通信装置，与所述电力转换系统通信连接以从所述电力转换系统接收指示所述开关设备合闸的第一信号或指示所述开关设备分闸的第二信号；以及

控制装置，其输入端连接到所述通信装置，其输出端连接到所述开关设备，所述控制装置在接收到所述第一信号的情况下输出第一控制信号使所述开关设备执行合闸操作或者在接收到所述第二信号的情况下输出第二控制信号使所述开关设备执行分闸操作，

其中，所述控制装置的输出端与所述电机连接，所述第一控制信号使所述电机通电，所述第二控制信号使所述电机断电。

2.根据权利要求1所述的电池控制系统，其特征在于，

所述通信装置还与所述电池组通信连接，以从所述电池组获取与所述电池组的状态相关联的状态参数；以及

所述控制装置还在所述状态参数异常的情况下输出所述第二控制信号。

3.根据权利要求1所述的电池控制系统，其特征在于，

所述通信装置还与所述电池组通信连接，以从所述电池组获取与所述电池组的状态相关联的状态参数；以及

所述控制装置还在所述状态参数异常的情况下生成报警信息以经由所述通信装置发送到所述电力转换系统，并且在预定时间阈值后未接收到所述第二信号的情况下输出所述第二控制信号。

4.根据权利要求1所述的电池控制系统，其特征在于，

所述控制装置包括：

H桥电路，包括以H桥方式连接到所述电机的多个功率半导体器件；

微控制单元，其输入端连接到所述通信装置，其多个输出端分别连接到所述多个功率半导体器件中的每一个的控制端以向其施加控制电压。

5.根据权利要求4所述的电池控制系统，其特征在于，

所述多个输出端通过输出脉宽调制信号来调节向所述多个功率半导体器件中的每一个的控制端施加的控制电压。

6.根据权利要求4所述的电池控制系统，其特征在于所述功率半导体器件包括晶体管、绝缘栅双极型晶体管以及金属氧化物半导体场效应管。

7.一种电池柜，其特征在于包括：

电池组；

开关设备；以及

根据权利要求1-6中任一项所述的电池控制系统。

8.一种电池储能系统，其特征在于包括：

电力转换系统；以及

根据权利要求7所述的电池柜。