一种升压型立式磷酸铁锂储能电池系统及其独立维护方法与流程

本发明涉及储能电池，特别地涉及一种升压型立式磷酸铁锂储能电池系统及其独立维护方法。

背景技术：

1、随着分布式储能应用场景由集中式场站向户用及小型工商业端延伸，高压储能系统在集成密度、运行安全与运维效率方面面临更为严苛的要求。目前主流的高压储能电池系统主要采用以下两种架构：第一种架构为电芯直接长串串联架构，通过将数十乃至上百只电芯在电池包内部串联直接输出高压（如400v-800v），该架构虽然结构简单，但单只电芯性能衰减或故障即触发整串保护，致使整套设备退出运行，系统容错能力与供电连续性难以保障；同时，电芯串联数量多导致电芯一致性要求苛刻、电池包体积庞大、维护成本高。

2、第二种架构为集中式升压架构，即在电池簇或电池组的顶端或底端集中设置一台大功率dc/dc升压变换器，将电芯组的低压直流电集中升压后输出。该架构虽然避免了电芯长串串联，但其仍存在以下固有缺陷：升压变换器集中布置，导致变换器故障将导致整套系统瘫痪，可靠性瓶颈突出；低压侧线缆需承载大电流传输，线路损耗高，系统效率受限；升压变换器与电池模块分体布置，需要较长的低压动力线和信号采集线束，集成度低、装配复杂；单一电池模块故障时，维护操作仍需拆解电池簇整体结构，无法实现真正的模块化独立维护。

3、在维护层面，现有储能电池系统进行故障检修时，操作人员通常需要对整机或电池簇进行整体拆解，检修难度大、维护成本高、改造难度较大，无法满足户用及小型工商业场景对快速维护、按需扩容的需求。在场景适配层面，户用及小型工商业场景对占地面积、安装便利性、扩展灵活性、低噪音运行等方面的要求严苛，现有集中式升压架构难以兼顾高集成度与易维护性的双重需求。

4、以上问题，值得解决。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种升压型立式磷酸铁锂储能电池系统及其独立维护方法，旨在改善上述现有技术的不足，以解决现有储能电池系统集成度低、模块化程度低、容错能力差，在进行故障检修时需对整机进行拆解，导致检修难度大的问题。

2、本发明提出一种升压型立式磷酸铁锂储能电池系统，包括自上而下依次堆叠设置的顶盖、汇流箱、电池单元和底座；所述电池单元包括n个沿竖直方向依次堆叠设置的电池模块，n≥2，相邻两个所述电池模块之间可拆卸连接，且相邻两个所述电池模块之间通过浮动连接器建立可分离的电连接；所述浮动连接器包括公端浮插端子和母端浮插端子，所述公端浮插端子和所述母端浮插端子中的一个设置在一所述电池模块上，所述公端浮插端子和所述母端浮插端子中的另一个设置在另一所述电池模块上，所述公端浮插端子和所述母端浮插端子沿竖直方向插接配合；每个所述电池模块包括第一壳体、设置于所述第一壳体内的电芯组以及安装在所述第一壳体一侧面的第一侧面板，每个所述电池模块的所述第一侧面板上固定安装有升压变换器，所述升压变换器的低压输入端与所述电芯组的正负极输出端直接电连接，所述升压变换器的高压输出端与所述浮动连接器电连接，用于将所述电芯组输出的低压直流电升压后经所述浮动连接器向外输出高压直流电。

3、优选的，所述电池模块还包括安装在所述第一壳体另一侧面的第二侧面板以及封盖于所述第一壳体顶部的盖体；所述第一侧面板上还固定安装有电池管理控制板，所述电池管理控制板通过采集线束与所述电芯组电连接，用于采集所述电芯组的电压、温度及充放电电流。

4、优选的，所述公端浮插端子固定安装于所述电池模块的下端，所述母端浮插端子固定安装于所述电池模块的上端；所述公端浮插端子内设置有沿竖直方向延伸的动力插针和通信插针，所述母端浮插端子内设置有沿竖直方向延伸的动力插孔和通信插孔，所述动力插针与所述动力插孔插接配合以电连接，所述通信插针与所述通信插孔插接配合以通信连接；所述浮动连接器具有径向浮动余量，用于吸收相邻两个所述电池模块堆叠时的径向位置偏差。

5、优选的，所述电池模块的顶面四个角部区域各设置有一个装配定位销，所述电池模块的底面四个角部区域各设置有一个装配定位孔，各所述装配定位销与各所述装配定位孔在竖直方向上一一对应设置；相邻两个所述电池模块堆叠时，位于下方的所述电池模块的四个所述装配定位销分别插入位于上方的所述电池模块的四个所述装配定位孔中，形成四角定位约束。

6、优选的，所述第一壳体的侧面设置有防爆阀，所述防爆阀用于在所述第一壳体内部压力达到预设阈值时开启泄压；所述第一壳体内设置有电池单体，所述电池单体包括第二壳体，所述电芯组收容于所述第二壳体内。

7、进一步的，所述电池单体的上方设置有发泡硅胶垫，所述第二壳体的内侧壁与所述电芯组之间设置有第一环氧板，所述第二壳体的内底壁与所述电芯组之间设置有第二环氧板，所述第二环氧板与所述电芯组之间设置有加热膜；其中，所述发泡硅胶垫受压于所述盖体与所述电池单体之间，用于向所述电芯组施加竖向压紧力并吸收所述电芯组的循环膨胀变形，所述第一环氧板与所述第二环氧板共同包覆所述电芯组的周侧和底面以形成电气隔离层，所述加热膜用于在低温环境下经所述第二环氧板向所述电芯组传导热量。

8、更进一步的，所述第一环氧板和所述第二环氧板均为环氧玻纤板，且所述第二环氧板和所述加热膜均覆盖整个所述电芯组的底面；所述第二环氧板用于将所述电芯组与所述第二壳体的金属底壁电气隔离，所述加热膜贴合于所述电芯组的底面并经所述第二环氧板与所述第二壳体相隔开。

9、优选的，所述第一壳体上开设有第一安装孔、第一锁付孔和第二锁付孔；所述第一安装孔用于安装所述防爆阀，所述第一锁付孔用于供锁付螺丝穿设，以将所述固定支架固定于所述第一壳体上；所述第二锁付孔用于供搬抬手柄的锁付螺丝穿设，以将所述搬抬手柄固定于所述第一壳体上，所述搬抬手柄用于在抽出所述电池模块时提供竖直向上的提拉着力点。

10、优选的，所述汇流箱构成独立于所述电池单元的一级结构层级，所述汇流箱包括箱体、箱盖、第一侧盖板和第二侧盖板；所述箱体的下端设置有所述公端浮插端子，用于与位于所述汇流箱下方的所述电池模块上端的所述母端浮插端子插接配合，以建立所述汇流箱与所述电池单元之间的功率通道和通信通道；所述箱盖安装在所述箱体的上端，并与所述箱体可拆卸连接；所述第一侧盖板安装在所述箱体的一侧，并与所述箱体可拆卸连接；所述第二侧盖板安装在所述箱体的另一侧，并与所述箱体可拆卸连接；所述箱体和所述电池模块之间通过所述固定支架可拆卸连接，所述箱体的底部设置有用于与所述电池模块上的所述装配定位销插接配合的装配定位孔。通过采用该技术方案，使所述汇流箱与所述电池模块之间在机械定位、可拆卸连接和电气连接三方面均构成可分离配合，所述汇流箱能够整体单独拆离而不影响所述顶盖、所述底座及所述电池单元的结构完整性。

11、进一步的，所述箱体的一侧壁上安装有mc4负极接口、mc4正极接口、弱电开关、断路器以及盖合安装在所述断路器上的防水罩，所述mc4负极接口和所述mc4正极接口的一端均露出于所述箱体的外表面，用于与外部设备的直流功率线缆连接；所述mc4负极接口和所述mc4正极接口的另一端穿入所述箱体内部与系统主回路电连接；所述弱电开关的操作端露出于所述箱体的外表面；

12、所述箱体的另一侧壁上安装有泄压阀、信号接收天线、通讯输入端口、通讯输出端口、调试接口和逆变器通讯端口，所述泄压阀用于在所述箱体内部气压达到开启阈值时开启；所述信号接收天线用于接收无线信号；所述通讯输入端口用于接收相邻电池簇输出的并联通信信号，所述通讯输出端口用于向相邻电池簇输出并联通信信号；所述调试接口用于供外部调试设备连接以进行bms数据读取和参数配置；所述逆变器通讯端口为复合通讯接口，支持can总线和rs485双协议通信，用于连接外部逆变器的通讯线缆。

13、进一步的，所述箱体的前端设置有状态指示模组、红外传感器和主控板；所述状态指示模组包括显示屏和电池状态跑马灯，所述显示屏和所述电池状态跑马灯分别与所述主控板电连接；所述电池状态跑马灯包括多个led灯珠，所述主控板用于驱动各所述led灯珠沿排列方向依次点亮和熄灭以形成流水动态效果；所述红外传感器和所述主控板电连接，所述主控板控制所述状态指示模组在无人员接近的待机状态下熄灭，并保持所述红外传感器以低功耗模式工作；所述红外传感器用于在检测到人员活动时输出高电平唤醒信号，所述主控板响应于所述唤醒信号点亮所述显示屏并激活所述电池状态跑马灯，以使所述状态指示模组仅在人员接近时按需点亮。

14、进一步的，所述底座的顶部设置有所述装配定位销和所述母端浮插端子，所述装配定位销用于插入位于所述底座上方的所述电池模块底面的所述装配定位孔中，所述母端浮插端子用于与所述电池模块下端的所述公端浮插端子插接配合；所述底座开设有用于连接接地线缆的地线连接孔，所述底座的底部设置有用于抬高所述底座以使底面与安装面之间形成散热间隙的基脚。

15、优选的，还包括安装支架，所述安装支架包括第一挂耳和第二挂耳，所述第一挂耳和所述第二挂耳连接以形成l型结构，所述第一挂耳连接于所述电池单元和/或所述汇流箱，所述第二挂耳上设置有第二安装孔，所述第二安装孔用于供膨胀螺栓穿过，以将所述第二挂耳锚固于建筑墙体上。

16、此外，本技术还提供了一种基于上述升压型立式磷酸铁锂储能电池系统的独立维护方法，所述升压型立式磷酸铁锂储能电池系统中的每一所述电池模块均自带所述升压变换器，所述升压变换器的高压输出端通过所述浮动连接器就近汇入高压母线，所述方法包括以下步骤：

17、步骤s1：通过与各所述电池模块一一对应配置的所述电池管理控制板，逐模块检测所述电池单元中每一所述电池模块的运行状态；

18、步骤s2：当检测到目标电池模块发生性能衰减或故障时，仅围绕所述目标电池模块开展检修作业，拆卸连接于所述目标电池模块两侧的所述固定支架，使所述目标电池模块与其上侧相邻对象和其下侧相邻对象之间的机械约束解除；

19、步骤s3：沿竖直方向提拉所述目标电池模块，使所述目标电池模块上端与上侧相邻电池模块之间的所述浮动连接器、以及所述目标电池模块下端与下侧相邻电池模块或所述底座之间的所述浮动连接器同步分离，使所述目标电池模块的高压输出端从所述高压母线上解列；

20、步骤s4：将所述目标电池模块沿水平方向从所述堆叠体系中独立抽出，抽出过程中所述顶盖、所述汇流箱、所述底座以及其余非关联电池模块的机械连接和电气连接均保持原状；

21、步骤s5：将备用电池模块放置于所述目标电池模块的原位置，使位于其下方的所述装配定位销插入所述备用电池模块底面的所述装配定位孔中以完成对准与导向，再通过重新安装所述固定支架实现所述备用电池模块的可拆卸连接；

22、步骤s6：将所述备用电池模块上端和下端的所述浮动连接器插接到位，使所述备用电池模块自带的所述升压变换器的高压输出端接入所述高压母线，完成所述备用电池模块的在线更换。

23、进一步的，所述步骤s6之后还包括：所述备用电池模块通过其自带的所述电池管理控制板完成身份识别，并通过其自带的所述升压变换器完成高压母线电压匹配后并入系统。

24、与现有技术相比，本发明主要有以下有益效果：

25、1.通过将升压变换器分布式集成于每个电池模块的第一侧面板上，使每个电池模块均具备独立的升压与调压能力，任一电池模块的升压变换器发生故障时，其影响范围被限制在该模块自身的功率单元之内，不会波及汇流箱及其他电池模块的升压回路，故障处置所涉及的功率单元容量由整机的100%下降至1/n；同时，由于故障判别粒度由整簇细化至模块级，可借助各模块的电池管理控制板直接定位到发生衰减的电池模块，故障定位时间由小时级缩短至分钟级，系统的可维护性显著提升。

26、2.由于升压变换器的低压输入端直接连接电芯组的正负极输出端，高压输出端经浮动连接器就近汇入高压母线，低压大电流回路被完全限制在单个电池模块内部，低压载流线缆长度由集中式升压架构下的1.5m～2.0m缩短至0.15m以内，线缆本身的电阻下降90%以上；同时，在同等输出功率下，电芯组的低压直流电经模块级升压后，高压侧电流降至低压侧的1/k（k为升压比，优选实施方案中k约为2.3），线路损耗随之降至约1/k²。在上述两项因素共同作用下，样机实测高压汇流回路的线路损耗相对集中式升压架构降低80%以上，整机往返循环效率由约92.5%提升至约95.2%，提升约2.7个百分点。

27、3.通过四角装配定位销与装配定位孔的精准导向、固定支架的可拆卸连接、浮动连接器沿竖直方向的快速插拔这三个结构特征的联动，实现了故障模块的局部独立抽出。当单一电池模块发生性能衰减或故障时，操作人员仅需拆卸该电池模块两侧的固定支架并沿竖直方向分离该模块两端的浮动连接器，即可将该电池模块从堆叠体系中抽出，无需对顶盖、汇流箱、底座或其他非关联电池模块进行拆解。以6个电池模块堆叠的实施方案为例，单模块更换作业由原整机拆解方案的约120min缩短至约45min，检修时间缩短62.5%，由于仅需更换1个电池模块而非整簇备件，备件及人工成本降低50%以上，且全部作业由单人使用常规螺丝拆装工具完成，无需吊装设备与专用工装。

28、4.通过在第二壳体内设置由第一环氧板、第二环氧板、发泡硅胶垫与加热膜构成的多层级绝缘缓冲结构，并在第一壳体上设置防爆阀，形成泄压—缓冲—绝缘—加热的协防体系，第一环氧板和第二环氧板分别隔绝电芯组的周侧壁面与底面，其介电强度不低于20kv/mm，使电芯组与第二壳体之间的绝缘电阻保持在100mω以上，即使电芯绝缘层老化破损仍可避免漏电至金属壳体；发泡硅胶垫在0.15mpa～0.30mpa的压缩应力区间内吸收电芯组2%～3%的循环膨胀变形，避免电芯极片错位与串联连接片受拉开裂；加热膜以不大于0.25w/cm²的功率密度经第二环氧板均匀向电芯组底面供热，在-20℃的环境下能够在15min内将电芯组由-20℃提升至5℃以上的可充电温度区间；当上述被动防护不足以避免壳体内部压力上升时，防爆阀在压力达到25kpa±5kpa时开启并定向泄压，将高温气体沿设定方向排出，避免壳体爆裂及热量向相邻电池模块蔓延。上述各层结构在电气隔离、形变缓冲、低温加热与超压泄放四个维度上相互补位，使单一电池模块的异常不向相邻模块扩散。

29、5.通过在汇流箱前端配置状态指示模组与红外传感器，并使主控板在待机状态下熄灭显示屏、仅维持红外传感器以低功耗模式工作，实现了人机交互单元的按需唤醒。实测表明，采用常亮指示方式的对比样机待机功耗为3.5w，静置24h累计耗电84wh；采用本发明红外唤醒方案的样机待机功耗为0.8w，静置24h累计耗电19.2wh，待机能耗降低约77%；按每日12h无人员在场计算，单台设备每年可节电约11.8kwh。同时，当人员进入柜体前方3m的探测范围内时，红外传感器在0.5s内输出高电平唤醒信号并点亮显示屏及电池状态跑马灯，在降低待机能耗的同时并未损失运维查看的便利性。

30、6.通过自上而下依次为顶盖、汇流箱、电池单元、底座的立式堆叠结构，将升压变换器、电池管理控制板、浮动连接器、防爆阀及加热保温结构集成于每个电池模块内部，系统集成度高、结构紧凑，相对传统柜式储能可节省占地空间40%以上，适用于户用及小型工商业场景对占地面积、安装便利性与扩展灵活性的要求；并且，仅需调整堆叠的电池模块数量即可实现容量按需扩容，无需更换汇流箱等公共部件。