CN109193873A - 一种后备用网格化电池组及其安全控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种后备用网格化电池组及其安全控制方法，其中电池组包括：总控模块和彼此并联的m个电池组单元；每个电池组单元中的二极管与可控开关单元并联后与电池串联单元串联；总控模块通过电池采集模块连接电池串联单元；总控模块通过电池保护控制模块连接可控开关单元。本申请通过先串后并的网格化结构满足变电站后备电源高电压等级大容量电池组需求的基础上，避免了电池直接并联时内部互充放电导致的问题，保障电池的使用安全并延长电池使用寿命；满足过充电保护的同时保证交流失电时无缝切换至电池组供电；模块化的结构设计能够适应变电站后备电源多种电压等级及电池容量需求。

Description

一种后备用网格化电池组及其安全控制方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种后备用网格化电池组及其安全控制方法。

背景技术

作为直流电源备用的各种电池组，不论是阀控密封铅酸蓄电池，还是锂离子电池，绝大多数采用的是串联结构，当某单节电池开路时，会引起整组电池失效，国内发生过多起由于电池开路造成变压器烧毁、大面积用户停电的事故，优化电池组的成组方式和拓扑结构，采用并联的结构，在电池应用的过程中越来越重要。

但在电池组直接并联时，由于无法避免电池一致性存在差异，将会在不同的电池组之间产生环流，造成电池老化加剧甚至引发自燃爆炸事故，且一般电池管理系统在电池出现短路、过充、过放时将会将主回路断开对系统进行保护，不能很好地满足变电站对后备电源在交流失电时能够无时间间隔切换至蓄电池组供电的使用要求。

在发明专利(公布号：CN 106532150 A)一种模块化的高压大容量锂电池组可控拓扑结构中将n个电池模块并联后形成一个电池单元，m个电池单元串联形成锂电池组。通过电流作为判据对对并联电池模块进行均衡，抑制并联电池内部的互充放电。

以上方案存在的问题是电池在直接并联时，由于内部参数一致性较差，容量、内阻、电压、充电恒流比都无法避免的存在差异，并联电池在充放电的不同阶段，将互相充放电，随着差异性的扩大，内部互充放电也将更加恶劣，尤其在充放电过程的起始和停止阶段电池开路电压变化剧烈，开路电压相差较大的电池并联时内部互充放电流甚至超过电池允许的最大倍率充放电流，造成老化加剧甚至引发自燃爆炸事故。因此即使在出厂时电池组一致性高，随着使用时间延长，一致性差异会越来越大，电池直接并联的风险始终存在。一般电池管理系统在电池出现短路、过充、过放时将会将主回路断开对系统进行保护，不能很好地满足变电站对后备电源在交流失电时能够无时间间隔切换至蓄电池组供电的使用要求。

发明内容

本发明提供了一种后备用网格化电池组及其安全控制方法，避免了电池直接并联时内部互充放电导致的问题，保障电池的使用安全并延长电池使用寿命；满足过充电保护的同时保证交流失电时无缝切换至电池组供电；模块化的结构设计能够适应变电站后备电源多种电压等级及电池容量需求。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种后备用网格化电池组，包括：总控模块和彼此并联的m个电池组单元；

每个所述电池组单元包括电池串联单元、二极管、可控开关单元、电池保护控制模块和电池采集模块；

所述二极管与所述可控开关单元并联后与所述电池串联单元串联；

所述总控模块通过所述电池采集模块连接所述电池串联单元；

所述总控模块通过所述电池保护控制模块连接所述可控开关单元。

优选地，每个所述电池串联单元包括依次串联的j个电池包，每个所述电池组单元包括的所述电池采集模块的数量具体为j个；

j个所述电池采集模块与j个所述电池包对应连接，用于采集各电池包内所有电池的电压、温度并发送至所述总控模块。

优选地，每个所述电池包由t个电池单芯依次串联而成。

优选地，所述电池包内部通过连接条连接，引出所述电池包的正极和负极接线端子；

从各个所述电池单芯正负极分别引出电压采集端口，由所述电池单芯负极接线端引出温度采集端口；

所述电池采集模块具体通过所述电压采集端口进行所述电池单芯的电压采集，通过所述温度采集端口进行所述电池单芯的温度采集。

优选地，所述二极管的正极端与所述电池串联单元的正极端连接，所述二极管负极端连接形成所述后备用网格化电池组的正端接线点，接入直流母线正极，所述电池串联单元的负极端连接形成所述后备用网格化电池组的负端接线点。

优选地，所述主控模块通过所述电池采集模块读取每个所述电池单芯的电压和每个所述电池单芯的温度，当任一所述电池单芯的电压或温度超过阈值时，输出与该超过阈值的所述电池单芯对应的所述可控开关单元的关断信号，以实现各电池串联单元的过充电保护。

优选地，所述主控模块还用于判断所述电池串联单元的充电时间是否大于预设时间阈值或者判断所述电池串联单元的充电电流大小是否小于预设电流阈值，若其中一个判断为是，则所述主控模块通过所述电池保护控制模块控制与判断为是的所述电池串联单元对应的所述可控开关单元关断。

优选地，所述可控开关单元具体为IGBT器件，所述电池保护控制模块输出的PWM调制信号，并通过控制PWM脉冲频率控制IGBT器件的导通时间，以实现对所述电池串联单元的充电电流大小的调节。

本申请第二方面提供一种后备用网格化电池组安全控制方法，基于如第一方面所述的一种后备用网格化电池组进行安全控制，包括：

主控模块接收到电池串联单元充电命令后，通过电池保护控制模块控制与电池串联单元对应的可控开关单元闭合，使得直流母线与电池串联单元连通充电；

主控模块通过电池采集模块读取每个电池单芯的电压和每个电池单芯的温度，当任一电池单芯的电压或温度超过阈值时，输出与该超过阈值的电池单芯对应的可控开关单元的关断信号，使得可控开关单元关断。

优选地，该方法还包括：

主控模块判断电池串联单元的充电时间是否大于预设时间阈值或者判断电池串联单元的充电电流大小是否小于预设电流阈值，若其中一个判断为是，则主控模块通过电池保护控制模块控制与判断为是的电池串联单元对应的可控开关单元关断。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本申请提供了一种后备用网格化电池组及其安全控制方法，其中电池组包括：总控模块和彼此并联的m个电池组单元；每个所述电池组单元包括电池串联单元、二极管、可控开关单元、电池保护控制模块和电池采集模块；所述二极管与所述可控开关单元并联后与所述电池串联单元串联；所述总控模块通过所述电池采集模块连接所述电池串联单元；所述总控模块通过所述电池保护控制模块连接所述可控开关单元。本申请通过先串后并的网格化结构满足变电站后备电源高电压等级大容量电池组需求的基础上，避免了电池直接并联时内部互充放电导致的问题，保障电池的使用安全并延长电池使用寿命；满足过充电保护的同时保证交流失电时无缝切换至电池组供电；模块化的结构设计能够适应变电站后备电源多种电压等级及电池容量需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请提供的一种后备用网格化电池组的一个实施例的示意图；

图2为本申请提供的一种后备用网格化电池组安全控制方法的一个实施例的示意图；

图3为本申请提供的一种后备用网格化电池组安全控制方法的一个实施例的另一个示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种后备用网格化电池组及其安全控制方法，避免了电池直接并联时内部互充放电导致的问题，保障电池的使用安全并延长电池使用寿命；满足过充电保护的同时保证交流失电时无缝切换至电池组供电；模块化的结构设计能够适应变电站后备电源多种电压等级及电池容量需求。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本申请提供的一种后备用网格化电池组的一个实施例，包括：总控模块和彼此并联的m个电池组单元；

每个电池组单元包括电池串联单元、二极管、可控开关单元、电池保护控制模块和电池采集模块；

二极管与可控开关单元并联后与电池串联单元串联；

总控模块通过电池采集模块连接电池串联单元；

总控模块通过电池保护控制模块连接可控开关单元。

需要说明的是，本申请中的m、j、t等表示数量的数学符号都表示一个或一个以上的数量，且不限定其数量，一般是自然数。

并且，本申请通过采用二极管与可控开关单元并联后与电池串联单元串联，当电池组充电的时候，电流可以通过可控开关单元进行充电，且可控开关单元可在充电出现问题或过充电时及时关断，防止电池组损坏，而当电池组放电的时候，如直流母线失压的时候，电池组单元瞬间分别通过对应的二极管无缝不间断的为母线负载提供后备电力。本申请的二极管一般是大功率二极管，能够更好地实现上述效果。

本申请通过先串后并的网格化结构满足变电站后备电源高电压等级大容量电池组需求的基础上，避免了电池直接并联时内部互充放电导致的问题，保障电池的使用安全并延长电池使用寿命；满足过充电保护的同时保证交流失电时无缝切换至电池组供电；模块化的结构设计能够适应变电站后备电源多种电压等级及电池容量需求。

具体地，请参阅图1，本申请提供的一种后备用网格化电池组包括m个电池组单元和总控模块构成，m个电池组单元包括m个电池串联单元、以及m个二极管、m个可控开关单元以及m个电池保护控制模块(一个电池组单元包括一个电池串联单元、以及一个二极管、一个可控开关单元以及一个电池保护控制模块)，其中：

m个电池串联单元：#1电池串联单元，#2电池串联单元，…，#i电池串联单元，…，#m电池串联单元，其中，i、m均为整数，i≤m，i代表1～m中的任何一个电池串联单元；

m个二极管：#1二极管，#2二极管，…，#i二极管，…，#m二极管，其中，i、m均为整数，i≤m，i代表1～m中的任何一个电池串联单元；

m个可控开关单元：#1可控开关单元，#2可控开关单元，…，#i可控开关单元，…，#m可控开关单元，其中，i、m均为整数，i≤m，i代表1～m中的任何一个电池串联单元；

m个电池保护控制模块：#1电池保护控制模块，#2电池保护控制模块，…，#i电池保护控制模块，…，#m电池保护控制模块，其中，i、m均为整数，i≤m，i代表1～m中的任何一个电池串联单元；

#i二极管与#i可控开关单元并联后与#i电池单元串联，#i电池保护控制模块与#i可控开关单元连接，各电池组单元内部结构相同，单元之间并联连接；

总控模块与所述各电池保护控制模块连接。

进一步地，每个电池串联单元包括依次串联的j个电池包，每个电池组单元包括的电池采集模块的数量具体为j个；

j个电池采集模块与j个电池包对应连接，用于采集各电池包内所有电池的电压、温度并发送至总控模块。

具体地，请参阅图1，每个电池串单元包括了j个电池包：电池包1、电池包2、…电池包j，以及j个电池采集模块：电池采集模块1、电池采集模块2、…电池采集模块j，各电池包依次串联，各电池采集模块与各池包对应连接，采集各电池包内所有电池的电压、温度，各电池采集模块与所述总控模块相连。

进一步地，每个电池包由t个电池单芯依次串联而成。

进一步地，电池包内部通过连接条连接，引出电池包的正极和负极接线端子；

从各个电池单芯正负极分别引出电压采集端口，由电池单芯负极接线端引出温度采集端口；

电池采集模块具体通过电压采集端口进行电池单芯的电压采集，通过温度采集端口进行电池单芯的温度采集。

具体地，请参阅图1，每个电池包由t个大容量的电池单芯依次串联而成，包括电池单芯1、电池单芯2、…、电池单芯t，电池包内部通过连接条连接，引出电池包正极和负极接线端子；从各电池单芯正负极分别引出电压采集端口，由电池单芯负极接线端引出温度采集端口，所述各电池管理模块通过电压采集端口进行电池单芯的电压采集，通过温度采集端口进行电池单芯的温度采集。

进一步地，二极管的正极端与电池串联单元的正极端连接，二极管负极端连接形成后备用网格化电池组的正端接线点，接入直流母线正极，电池串联单元的负极端连接形成后备用网格化电池组的负端接线点。

各二极管的正极端与各电池串联单元的正极端连接，所述各二极管负极端连接形成所述电池网格化结构的正端接线点，接入直流母线正极，所述各电池串单元的负极端连接形成所述电池网格化结构的负端接线点。

进一步地，主控模块通过电池采集模块读取每个电池单芯的电压和每个电池单芯的温度，当任一电池单芯的电压或温度超过阈值时，输出与该超过阈值的电池单芯对应的可控开关单元的关断信号，以实现各电池串联单元的过充电保护。

进一步地，主控模块还用于判断电池串联单元的充电时间是否大于预设时间阈值或者判断电池串联单元的充电电流大小是否小于预设电流阈值，若其中一个判断为是，则主控模块通过电池保护控制模块控制与判断为是的电池串联单元对应的可控开关单元关断。

进一步地，可控开关单元具体为IGBT器件，电池保护控制模块输出的PWM调制信号，并通过控制PWM脉冲频率控制IGBT器件的导通时间，以实现对电池串联单元的充电电流大小的调节。

以上是对本申请提供的一种后备用网格化电池组的一个实施例进行详细的描述，以下将对本申请提供的一种后备用网格化电池组安全控制方法的一个实施例进行详细的描述。

请参阅图2，本申请提供的一种后备用网格化电池组安全控制方法的一个实施例，基于如上述实施例的一种后备用网格化电池组进行安全控制，包括：

101、主控模块接收到电池串联单元充电命令后，通过电池保护控制模块控制与电池串联单元对应的可控开关单元闭合，使得直流母线与电池串联单元连通充电；

102、主控模块通过电池采集模块读取每个电池单芯的电压和每个电池单芯的温度，当任一电池单芯的电压或温度超过阈值时，输出与该超过阈值的电池单芯对应的可控开关单元的关断信号，使得可控开关单元关断。

例如，如图1的左方第一个电池串联单元的第一个电池单芯的电压或温度超过阈值，则关断左方第一个可控开关单元，其余可控开关单元无需关断。

进一步地，该方法还包括：

主控模块判断电池串联单元的充电时间是否大于预设时间阈值或者判断电池串联单元的充电电流大小是否小于预设电流阈值，若其中一个判断为是，则主控模块通过电池保护控制模块控制与判断为是的电池串联单元对应的可控开关单元关断。本步骤可每时每刻进行。

具体地，请参阅图3，本申请的一种后备用网格化电池组安全控制方法还可以表述为：

总控模块接收到第i各电池组单元充电命令后，通过RS485总线将命令传送至#i电池保护控制模块；

#i电池保护控制模块控制#i可控开关单元闭合，使直流母线与#i电池串联单元之间的充电回路导通；

总控模块通过RS485通信读取#i电池串联单元中每一电池单芯的端电压U1、U2、…Ut*j，单体温度T1、T2、…Tt*j，其中每一电池串联单元的电池单芯数量为t*j；

根据实时采集的电池单体电压、单体温度来判断控制#i可控开关单元的通断，当任一单体电压或单体温度超过总控模块设定阈值时，输出所述#i可控开关单元的关断信号，以实现各电池串联单元的过充电保护；

根据设定的充电时间及充电电流大小来判断控制#i可控开关单元的通断，当充电时间达到设定值或充电电流小于设定值时，输出所述#i可控开关单元的关断信号，使电池串单元进入监控状态。

由以上实施例对具体应用场景进行实施，可以得出以下应用例：

例如变电站锂离子电池组总电压为110V，总容量为200AH，锂离子电池单芯电压为3.2V，每个电池包容量为50AH，由此可计算出电池组单元数i＝4，每个电池组单元中电池采集模块数量与电池包数量j＝5，每个电池包中电池单芯数t＝7。那么基于本发明形成的锂离子电池网络化结构的组成及连接如下：

由4个电池组单元和1个总控模块构成，4个电池组单元并联连接后与总控模块连接。其中，每个电池组单元包括1个电池串联单元、1个二极管、1个可控开关单元以及1个电池保护控制单元，电池保护控制单元与可控开关单元连接，二极管与可控开关并联后与电池串联单元串联，而每个电池串联单元包括5个电池采集模块和5个电池包，每个电池采集模块分别与总控模块连接，每个电池包内部由7个大容量电池单芯串联而成，电池包与对应的电池采集模块连接。

假设需要对该锂离子电池组中的第1个电池组单元进行充电：系统发送第1个电池组充电的命令到总控模块，总控模块接收到命令后，通过RS485总线将命令传送到#1电池保护控制模块，#1电池保护控制模块控制#1可控开关单元导通，直流母线开启对#1电池组单元中5个电池包里的各个电池单芯充电。同时，总控模块可通过相应的电池采集模块获取到各个电池单芯的端电压为U11、U21、U31、U41、U51、U61、U71、U12、U22...U75，各个电池单芯的温度T11、T21、T31、T41、T51、T61、T71、T12、T22...T75。总控模块可根据这些实时数据控制#1可控开关单元的导通与断开，但是某一电池单芯的温度或电压超过设定值时，总控模块控制#1可控开关单元断开，停止对#1电池组串联单元充电，实现过充电保护。总控单元也可以根据设定的充电时间及充电电流以同样的方式控制#1可控开关单元。

若直流母线失压，4个电池组单元瞬间分别通过对应的二极管无缝不间断的为母线负载提供后备电力。

本申请还提供另一个应用例为：例如变电站内锂离子电池组总电压为48V，总容量为500Ah。同样，计算得出，基于本发明的锂离子电池网络化结构，包括10个电池组单元，即i＝10，每个电池组单元又包括1个电池保护控制模块，1个二极管、1个可控开关单元、5个电池采集模块、5个电池包(即j＝5)，每个电池包由三个电池单芯串联组成，即t＝3。该锂离子电池组的网络化结构连接与充放电实施方法与上一个应用例一致，此处不再赘述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种后备用网格化电池组，其特征在于，包括：总控模块和彼此并联的m个电池组单元；

每个所述电池组单元包括电池串联单元、二极管、可控开关单元、电池保护控制模块和电池采集模块；

所述二极管与所述可控开关单元并联后与所述电池串联单元串联；

所述总控模块通过所述电池采集模块连接所述电池串联单元；

所述总控模块通过所述电池保护控制模块连接所述可控开关单元。

2.根据权利要求1所述的一种后备用网格化电池组，其特征在于，每个所述电池串联单元包括依次串联的j个电池包，每个所述电池组单元包括的所述电池采集模块的数量具体为j个；

j个所述电池采集模块与j个所述电池包对应连接，用于采集各电池包内所有电池的电压、温度并发送至所述总控模块。

3.根据权利要求2所述的一种后备用网格化电池组，其特征在于，每个所述电池包由t个电池单芯依次串联而成。

4.根据权利要求3所述的一种后备用网格化电池组，其特征在于，所述电池包内部通过连接条连接，引出所述电池包的正极和负极接线端子；

从各个所述电池单芯正负极分别引出电压采集端口，由所述电池单芯负极接线端引出温度采集端口；

所述电池采集模块具体通过所述电压采集端口进行所述电池单芯的电压采集，通过所述温度采集端口进行所述电池单芯的温度采集。

5.根据权利要求1所述的一种后备用网格化电池组，其特征在于，所述二极管的正极端与所述电池串联单元的正极端连接，所述二极管负极端连接形成所述后备用网格化电池组的正端接线点，接入直流母线正极，所述电池串联单元的负极端连接形成所述后备用网格化电池组的负端接线点。

6.根据权利要求4所述的一种后备用网格化电池组，其特征在于，所述主控模块通过所述电池采集模块读取每个所述电池单芯的电压和每个所述电池单芯的温度，当任一所述电池单芯的电压或温度超过阈值时，输出与该超过阈值的所述电池单芯对应的所述可控开关单元的关断信号，以实现各电池串联单元的过充电保护。

7.根据权利要求1所述的一种后备用网格化电池组，其特征在于，所述主控模块还用于判断所述电池串联单元的充电时间是否大于预设时间阈值或者判断所述电池串联单元的充电电流大小是否小于预设电流阈值，若其中一个判断为是，则所述主控模块通过所述电池保护控制模块控制与判断为是的所述电池串联单元对应的所述可控开关单元关断。

8.根据权利要求1所述的一种后备用网格化电池组，其特征在于，所述可控开关单元具体为IGBT器件，所述电池保护控制模块输出的PWM调制信号，并通过控制PWM脉冲频率控制IGBT器件的导通时间，以实现对所述电池串联单元的充电电流大小的调节。

9.一种后备用网格化电池组安全控制方法，基于如权利要求1至8任一项所述的一种后备用网格化电池组进行安全控制，其特征在于，包括：

主控模块接收到电池串联单元充电命令后，通过电池保护控制模块控制与电池串联单元对应的可控开关单元闭合，使得直流母线与电池串联单元连通充电；

主控模块通过电池采集模块读取每个电池单芯的电压和每个电池单芯的温度，当任一电池单芯的电压或温度超过阈值时，输出与该超过阈值的电池单芯对应的可控开关单元的关断信号，使得可控开关单元关断。

10.根据权利要求9的一种后备用网格化电池组安全控制方法，其特征在于，还包括：

主控模块判断电池串联单元的充电时间是否大于预设时间阈值或者判断电池串联单元的充电电流大小是否小于预设电流阈值，若其中一个判断为是，则主控模块通过电池保护控制模块控制与判断为是的电池串联单元对应的可控开关单元关断。