CN112886153A - 一种储能电池模块、储能电池簇与储能电池*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种储能电池模块、储能电池簇与储能电池***。该储能电池模块包括若干电池单体与从控模块；所述电池单体通过串联和/或并联连接在一起，形成一个正极端与一个负极端；所述正极端串联一个接触器，所述接触器包括触头与线圈；所述接触器常开；所述从控模块驱动所述线圈通电与否。仅当该储能电池模块正常工作、无故障时线圈通电，接触器闭合，能够对外输出电压；当发生电池热失控，回路过电流或过电压等故障时，线圈失电，接触器断开，对外无电压输出，实现了在储能电池模块范围内控制其对外输出与否，可提高对故障的响应与控制防护能力，提高安全性。
Description
技术领域
本发明属于储能电池技术领域，尤其涉及一种储能电池模块、储能电池簇与储能电池***。
背景技术
储能技术是通过物理或者化学将能量储存起来以便需要时利用的技术。按照储存介质进行分类，可以分为机械类、电磁类、电化学类、储热类、化学类等。电化学类储能灵活高效、总投资成本较低、使用寿命长，近年发展迅速。
储能电池模块是一种重要的电化学类储能模块，主要由若干电池单体采用串联和/或并联连接构成，且只有一对正负极输出端子，又称电池包。若干储能电池模块通过串联和/或并联连接，且与变流器及附属设施连接，形成能够实现独立运行的电池组合体，称为电池簇。若干电池簇集成在集装箱中形成储能电池***。
在实际运行中，储能电池***存在安全事故，例如：电池单体内部放热反应引起不可控温升导致热失控，若不及时处理会导致热失控扩散，严重影响储能电池***的正常运行与安全；电池回路中的过电流或者过电压导致回路击穿而发生起火、***等安全问题；电池回路中的电源失电、短路、断路等引起电池***瘫痪、起火等安全问题。尤其是对于近年发展迅速的锂电池***而言，相较于传统的铅酸电池、铅炭电池等，锂电池能量密度更大、性质更为活泼，但是其热稳定性较低，不断有安全事故发生，特别是火灾事故，引起了诸多关注，对锂电池储能行业的发展产生了负面的作用。
为此，储能电池***中还包括电池管理***、检测和保护电路、电气和通讯接口等部件。电池管理***用于检测电池***的电压、电流、温度等参数信息，并对电池***的状态进行管理和控制。
例如，针对由若干电池单体采用串联和/或并联连接构成电池模块，若干电池模块串联连接构成电池簇，若干电池簇并联连接构成的储能电池***而言，现有的电路结构示意图如图1所示。其中，每个电池簇构成一个独立的主回路，主回路中设置断路器、接触器与熔断器。每个主回路中，主要的安全防护为三级架构，自下而上分别是：从控模块(BMU)、主控模块(BPU)与总控模块(BMS)。
BMU用于对单个电池模块中的各电池单元进行检测与管理。各BMU将检测结果传输至BPU，BPU可控制主回路中的断路器、接触器或者熔断器：例如，当BMU检测到电池模块中的某个或者某几个电池单体发生热失控时，将检测结果传输至BPU，BPU断开该电池簇主回路的断路器或者接触器，从而切断主回路；当BMU检测到电池模块中的某个或者某几个电池单体短路或者过电流时，将检测结果传输至BPU，BPU熔断该电池簇主回路中的熔断器，从而切断主回路；通过切断主回路保证该主回路的电气安全，同时，配合其他消防手段，例如气溶胶、七氟丙烷、全氟己酮、水等，对已经产生热失控或者起火的电池模块进行灭火。
同时，BPU将主回路的电气状态传输至BMS，BMS可管理、控制各BPU，并且对各BPU发出指令。例如，当某个电池簇中的电池单体或者电池模块存在R热失控风险时，BMS可指令该电池簇中的BPU断开该电池簇主回路的断路器或者接触器，从而切断主回路，保证该主回路的电气安全；当某个电池簇中的电池单体或者电池模块存在短路或者过电流风险时，BMS可指令该电池簇中的BPU自动熔断该电池簇主回路中的熔断器，从而切断主回路，保证该主回路的电气安全。
但是，该电池管理***存在如下问题:
(1)针对电池模块内部的电气故障，BMU只能检测出该故障，但是无法在该电池模块范围对该故障采取措施，BMU只能将该检测结果传输至BPU，通过BPU控制设置在主回路上的断路器、接触器或者熔断器切断主回路，从而保证主回路的电气安全。
(2)通过断路器、接触器或者熔断器切断主回路存在的问题是：与电池单体及电池模块相比，电池簇的电压等级较高。例如，锂电池单体的电压在DC2V～4V范围，通过铜排串并联后加上电池管理***组成的单个电池模块的电压在DC100V以下，而将若干个电池模块通过电缆串联成的单个电池簇的电压在DC500V～1000V范围。因此，当电池单体或者电池模块发生故障时通过断路器、接触器或者熔断器切断主回路存在由于电压较高接触器等黏连而无法响应的电气故障；另外，由于电池簇的电压等级较高，后续的消防手段(水、七氟丙烷)介入时，容易产生新的风险，例如短路、触电等扩大损失的情况。
发明内容
针对上述技术现状，本发明提供一种储能电池模块，可提高对故障的响应与控制防护能力，提高安全性。
本发明提供的技术方案为：一种储能电池模块，如图2所示，包括若干电池单体10，所述电池单体通过串联和/或并联连接在一起，形成一个正极端与一个负极端，其特征是：
还包括从控模块(BMU)；
所述正极端串联一个接触器20，所述接触器包括触头21与线圈22，所述接触器20常开；
所述从控模块驱动所述线圈通电与否。
所述接触器20的工作原理是：当接触器的线圈22通电后，线圈电流产生磁场，使触头21动作，常闭触头断开，常开触头闭合。当线圈22断电时，电磁消失，使触头21复原，常开触头断开，常闭触头闭合。本发明中，当常开触头闭合，电池模块对外输出电压，当常开触头断开，电池模块对外无电压输出。
作为一种实现方式，所述接触器20还包括静铁芯与动铁芯，所述触头与动铁芯相连，当接触器的线圈通电后，线圈电流产生磁场，产生的磁场使静铁芯产生电磁吸力吸引动铁芯，并带动接触器的触头动作，常闭触头断开，常开触头闭合。当线圈断电时，电磁吸力消失，使触头复原，常开触头断开，常闭触头闭合。
所述从控模块控制所述线圈通电与否是指从控模块可控制所述接触器的线圈通电与失电。当从控模块控制所述接触器的线圈通电时，线圈电流产生磁场，触头闭合，正极输出有电，电池模块可对外输出；当从控模块控制所述接触器的线圈失电时，接触器的触头断开，正极无输出，电池模块对外无输出。
作为优选，所述电池单体的电压为DC2V～4V。
作为优选，所述电池模块的电压在DC100V以下。
作为优选，所述电池簇的电压为DC500～DC1000V。
作为优选，所述线圈的电压为DC12V～24V。
作为优选，所述从控模块BMU还可用于电池组内部电压与温度的采集。
本发明还提供一种储能电池簇，包括若干本发明所述的储能电池模块，所述储能电池模块通过串联和/或并联连接在一起，还包括总控模块(BMS)，所述总控模块控制各储能电池模块中的BMU驱动该储能电池模块中的接触器的线圈通电与否。
即，各储能电池模块中的BMU由BMS控制。仅当储能电池模块正常工作且无故障时，BMS向该储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该BMU驱动该储能电池模块中的接触器的线圈通电，触头闭合，正极输出有电，电池模块可对外输出。当BMS检测到某储能电池模块热失控，即，某点温度短时间内快速上升，BMS不向该储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该接触器保持常开，避免了该储能电池模块的热失控影响电池簇的安全。当BMS故障，或者当工作电源失电时，电池处于无管理状态，由于接触器常开，所有回路保持断开，确保了电池模块在无管理状态下停止工作。
另外，在各储能电池模块通过串联连接在一起构成电池簇主回路的情况下，当BMS检测到的故障是在电池簇主回路中，而非储能电池模块内部时，也可以采用BMS不向某个或者几个储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该接触器保持常开，从而使电池簇主回路断开。与通过断开电池簇主回路中的断路器、接触器或者熔断器而切断主回路的方法相比，由于电池模块的电压较低，该方法避免了接触器等黏连而无法响应的电气故障，以及后续的消防引起的短路、触电等问题。
本发明还提供一种储能电池***，包括若干电池簇与总控模块(BMS)；
所述电池簇通过串联和/或并联连接在一起；每个电池簇包括若干本发明所述的储能电池模块，所述储能电池模块通过串联和/或并联连接在一起；
所述总控模块控制各储能电池模块中的BMU驱动该储能电池模块中的接触器的线圈通电与否。
即，各储能电池模块中的BMU由BMS控制。仅当储能电池模块正常工作且无故障时，BMS向该储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该BMU驱动该储能电池模块中的接触器的线圈通电，触头闭合，正极输出有电，电池模块可对外输出。当BMS检测到某储能电池模块热失控，即，某点温度短时间内快速上升，BMS不向该储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该接触器保持常开，避免了该储能电池模块的热失控影响电池簇的安全。当BMS故障，或者当工作电源失电时，电池处于无管理状态，由于接触器常开，所有回路保持断开，确保了电池模块在无管理状态下停止工作。
另外，当某个电池簇中，各储能电池模块通过串联连接在一起构成电池簇主回路时，当BMS检测到的故障是在该电池簇主回路中，而非储能电池模块内部时，也可以采用BMS不向某个或者几个储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该接触器保持常开，从而使该电池簇主回路断开。与通过断开该电池簇主回路中的断路器、接触器或者熔断器而切断该电池簇主回路的方法相比，由于电池模块的电压较低，该方法避免了接触器等黏连而无法响应的电气故障，以及后续的消防引起的短路、触电等问题。
与现有技术相比，本发明在储能电池模块中串联一个接触器，设置接触器常开，从控模块驱动接触器的线圈通电与否，具有如下有益效果：
(1)实现了在储能电池模块范围内控制其对外输出电压与否，仅当电池模块正常工作、无故障时能够对外输出电压，当发生电池热失控、回路过电流或过电压等故障时，回路切断，对外无电压输出；
(2)当本发明的储能电池模块构成电池簇或者电池***时，可以将电池簇中电池模块之间的电气连接断开，实现电池模块解列。当电池单体或者整个电池模块发生故障时，接触器断开后，电池模块对外没有电压，内部电压较低，检修运维人员的操作风险大大降低，提高了安全性。如果此时再进行进一步的消防处理也不会产生新的风险和损失。同时由于电池模块互相独立，可以针对某一个发生热失控的电池模块进行消防降温，提高消防的效率和成功率。
另外，当电池模块采用串联连接构成电池簇时，即使主回路的接触器产生黏连，在电池簇的串联***中只要任意电池模块从电池簇中解列，主回路依然可以断开，从而提高了对故障的响应与控制防护能力，提高了安全性。
(3)接触器的闭合逻辑集成在电池管理***中，可实现自动化控制，同时可与消防安全***、上位机***的控制逻辑互动，不需要人为干预；
(4)由于接触器的电气特性，响应与动作的时间在毫秒级，因此本发明的电池模块响应快、动作快；
(5)接触器的机械寿命长，可长达1×105次，因此本发明的电池模块使用寿命长。
附图说明
图1是现有的储能电池***拓扑结构示意图。
图2是本发明储能电池模块的结构示意图。
图3是本发明实施例1中的储能电池模块拓扑结构示意图。
图2中的附图标记为：电池单元10、接触器20、触头21、线圈22。
图3中的附图标记为：接触器1、触头2、线圈3。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，储能电池模块如图3所示，包括48个电池单体，每2个电池单体的电芯并联组成一个单元，然后与其他并联后的单元串联，组成一个24串2并的电池模块，具有一个正极端与一个负极端。正极端串联一个接触器1，接触器1包括触头2与线圈3，接触器1设置为常开。
本实施例中，接触器1还包括静铁芯与动铁芯，触头与动铁芯相连，当线圈通电后，线圈电流产生磁场，产生的磁场使静铁芯产生电磁吸力吸引动铁芯，并带动接触器的触头动作，常闭触头断开，常开触头闭合。当线圈断电时，电磁吸力消失，使触头复原，常开触头断开，常闭触头闭合。
本实施例中，接触器1的参数如下表所示：
该储能电池模块还包括从控模块BMU，BMU可采集电池模块内部电压与温度，如图3所示，每2个并联的电芯作为一个电压采集点，共有24个电压采集点，每两个串联的单元作为一个温度采集点，共有12个温度采集点。
BMU还用于驱动接触器的线圈通电与否。当BMU驱动接触器的线圈通电时，线圈电流产生磁场，触头闭合，正极输出有电，电池模块可对外输出；当BMU驱动接触器的线圈失电时，接触器的触头断开，正极无输出，电池模块对外无输出。
本实施例中，电池单体的电压在DC2.5V～3.65V。电池模块的电压在DC60～87.6V。
实施例2：
本实施例中，储能电池簇包括8个实施例1中的储能电池模块，各储能电池模块通过串联连接在一起，还包括总控模块(BMS)，BMS控制各储能电池模块中的BMU驱动该储能电池模块中的接触器的线圈通电与否。
即，各储能电池模块中的BMU由BMS控制：
(1)仅当储能电池模块正常工作且无故障时，BMS向该储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该BMU驱动该储能电池模块中的接触器的线圈通电，触头闭合，正极输出有电，电池模块可对外输出。
(2)当BMS检测到某储能电池模块热失控，即，某点温度短时间内快速上升，BMS不向该储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该接触器保持常开，避免了该储能电池模块的热失控影响电池簇的安全。
(3)当BMS故障，或者当工作电源失电时，电池处于无管理状态，由于接触器常开，所以所有回路保持断开，确保电池模块在无管理状态下停止工作。
另外，由于各储能电池模块通过串联连接在一起构成电池簇主回路，当BMS检测到的故障是在电池簇主回路中，而非储能电池模块内部时，也可以采用BMS不向某个或者几个储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该接触器保持常开，从而使电池簇主回路断开。与通过断开电池簇主回路中的断路器、接触器或者熔断器而切断主回路的方法相比，由于电池模块的电压较低，该方法避免了接触器等黏连而无法响应的电气故障，以及后续的消防引起的短路、触电等问题。
实施例3：
本实施例中，储能电池***包括8个实施例2中的电池簇与总控模块(BMS)；各电池簇通过并联连接在一起。
BMS控制各储能电池模块中的BMU驱动该储能电池模块中的接触器的线圈通电与否。
即，各储能电池模块中的BMU由BMS控制：
(1)仅当储能电池模块正常工作且无故障时，BMS向该储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该BMU驱动该储能电池模块中的接触器的线圈通电，触头闭合，正极输出有电，电池模块可对外输出。
(2)当BMS检测到某储能电池模块热失控，即，某点温度短时间内快速上升，BMS不向该储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该接触器保持常开，避免了该储能电池模块的热失控影响电池簇的安全。
(3)当BMS故障，或者当工作电源失电时，电池处于无管理状态，由于接触器常开，所以所有回路保持断开，确保电池模块在无管理状态下停止工作。
另外，由于各储能电池模块通过串联连接在一起构成电池簇主回路，当BMS检测到的故障是在某电池簇主回路中，而非该电池簇中的储能电池模块内部时，也可以采用BMS不向电池簇中的某个或者几个储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，接触器保持常开，从而使该电池簇主回路断开。与通过断开该电池簇主回路中的断路器、接触器或者熔断器而切断该电池簇主回路的方法相比，由于电池模块的电压较低，该方法避免了接触器等黏连而无法响应的电气故障，以及后续的消防引起的短路、触电等问题。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种储能电池模块，包括若干电池单体，所述电池单体通过串联和/或并联连接在一起，形成一个正极端与一个负极端，其特征是：
还包括从控模块，所述从控模块简称为BMU；
所述正极端串联一个接触器，所述接触器包括触头与线圈；
所述接触器常开；
BMU驱动所述线圈通电与否。
2.如权利要求1所述的储能电池模块，其特征是：所述电池单体的电压为DC2V～DC4V；
作为优选，所述电池模块的电压在DC100V以下。
3.如权利要求1所述的储能电池模块，其特征是：所述线圈的电压为DC12V～DC 24V。
4.一种储能电池簇，其特征是：包括若干权利要求1至3中任一权利要求所述的储能电池模块，所述储能电池模块通过串联和/或并联连接在一起；
还包括总控模块，所述总控模块简称为BMS；BMS控制各储能电池模块中的BMU驱动该储能电池模块中的接触器的线圈通电与否。
5.如权利要求4所述的储能电池簇，其特征是：所述储能电池簇的电压为DC500～DC1000V。
6.如权利要求4所述的储能电池簇，其特征是：仅当储能电池模块正常工作且无故障时，BMS向该储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该BMU驱动该储能电池模块中的接触器的线圈通电，触头闭合，该储能电池模块对外输出电压。
7.如权利要求4所述的储能电池簇，其特征是：各储能电池模块通过串联连接在一起构成电池簇主回路的情况下，当BMS检测到的故障发生在电池簇主回路中，采用BMS不向某个或者几个储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该接触器保持常开，使电池簇主回路断开。
8.一种储能电池***，其特征是：包括若干电池簇与总控模块；
所述电池簇通过串联和/或并联连接在一起；
每个电池簇包括若干权利要求1至3中任一权利要求所述的储能电池模块，所述储能电池模块通过串联和/或并联连接在一起；
所述总控模块控制各储能电池模块中的BMU驱动该储能电池模块中的接触器的线圈通电与否。
9.如权利要求8所述的储能电池***，其特征是：仅当储能电池模块正常工作且无故障时，BMS向该储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该BMU驱动该储能电池模块中的接触器的线圈通电，触头闭合，该储能电池模块对外输出电压。
10.如权利要求8所述的储能电池***，其特征是：某个电池簇中，各储能电池模块通过串联连接在一起构成电池簇主回路的情况下，当BMS检测到的故障发生在该电池簇主回路中，采用BMS不向某个或者几个储能电池模块中的BMU输出驱动接触器的线圈通电的信号，该接触器保持常开，使该电池簇主回路断开。
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