一种电池储能系统的制作方法

1.本发明涉及电力电子和电池管理技术领域，尤其是涉及一种电池储能系统。


背景技术：

2.近年来，mw级电池储能技术迅速发展，集装箱式储能系统作为电力系统的储能电源，具有容量高、可靠性强、灵活性高、环境适应性强等多种优点，在电网系统具有广泛的应用前景。传统的集装式箱储能系统的拓扑结构采用mw级大功率dc/ac，其电池采用电池柜或电池架独立设计并集成在集装箱内。但是，电池的集中布置对于散热和温度平衡非常不利，散热不利会引发火宅且会造成火势蔓延而波及集装箱内的其他设备，温度不平衡会导致部分电池无法工作在理想温度下，从而影响储能系统的整体充放电效率。
3.为了改善电池储能系统散热不利和温度不平衡等问题，目前，通常采用h桥级联拓扑结构来完成电池能量的分布式设计，传统的h桥级联电池pack采用三层控制结构，分别为系统控制层，分相控制器和模块控制层，各控制层通过高速光纤接口进行数据通讯，以保证数据交互速度，针对大容量h桥级联方案，则采用多个pack串联的结构，但是，这种拓扑结构会产生以下问题：
4.(1)控制系统复杂，且高速光纤接口模块成本较高，故障率也较高。
5.(2)电池包(pack)串联连接后仍然需要放置在电池架中集中布置，这脱离了能量分布式的设计初衷，使系统仍保留了散热不利和温度不平衡非常等问题。
6.(3)电池包(pack)串联连接的设计导致单个电池模块过于庞大沉重，不便于后期的安装运维，同时，采用单级变换时，模块内的多个电池pack无法完成pack间的有源均衡。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供了一种电池储能系统，主要目的在于解决现有的级联型电池储能系统控制系统复杂、电池包(pack)无法分散布置、不便于安装运维以及无法实现电池包(pack)之间有源均衡的技术问题。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种电池储能系统，该电池储能系统包括集成控制器和至少一个电池储能模块，其中，
9.集成控制器包括一个多核信号处理器、至少一个可编程逻辑器件和至少一个电平转换与隔离电路；电池储能模块包括电池组、功率转换单元、电池驱动电路和电池管理单元；
10.其中，多核信号处理器通过通用并行端口与每个可编程逻辑器件的输入端电连接，每个可编程逻辑器件的输出端与每个电平转换与隔离电路的输入端电连接，每个电平转换与隔离电路的输出端与至少一个电池储能模块的电池驱动电路的输入端电连接，多核信号处理器通过数据总线与每个电池储能模块的电池管理单元的输出端电连接。
11.在本发明的一个实施例中，可选地，多核信号处理器包括基础数据处理内核、储能变流器控制内核和虚拟电池管理系统控制内核，其中，基础数据处理内核、储能变流器控制
内核和虚拟电池管理系统控制内核通过核间共享内存进行数据交互。
12.在本发明的一个实施例中，可选地，在每个电池储能模块中，电池组的输出端与功率转换单元的输入端电连接，功率转换单元的输出端与负载电连接，功率转换单元的控制端与电池驱动电路的输出端电连接，电池管理单元的输入端与电池组和功率转换单元的多个测试点电连接，功率转换单元为单级h桥模块。
13.在本发明的一个实施例中，可选地，电池储能系统包括三个h桥级联拓扑结构，三个h桥级联拓扑结构用于输出三相电压，其中，每个h桥级联拓扑结构包括串联连接的至少一个电池储能模块。
14.在本发明的一个实施例中，可选地，电池储能系统包括一个h桥级联拓扑结构，h桥级联拓扑结构用于输出单相电压，其中，h桥级联拓扑结构包括串联连接的至少一个电池储能模块。
15.在本发明的一个实施例中，可选地，每个h桥级联拓扑结构独立设置在一个电压输出装置中。
16.在本发明的一个实施例中，可选地，电平转换与隔离电路内部连接有高压隔离芯片，电池驱动电路内部连接有信号隔离电路。
17.在本发明的一个实施例中，可选地，多核信号处理器通过数据总线与每个电池储能模块的电池管理单元电连接，包括：多核信号处理器通过多套数据总线分别与每个电池储能模块的电池管理单元电连接，或多核信号处理器通过一套数据总线与每个电池储能模块串联连接，数据总线为can总线或rs485串行总线。
18.在本发明的一个实施例中，可选地，电池储能系统还包括至少一个壳体，壳体中设置有至少一个电池储能模块。
19.在本发明的一个实施例中，可选地，壳体内部的电池组和功率转换单元放置在水冷板的固定位上，水冷板内部设置有进水管和出水管，其中，进水管和出水管用于放置流动的冷凝液。
20.本发明提供的电池储能系统，通过对电池组、功率转换单元、电池驱动电路和电池管理单元进行一体化模块设计，可以便于实现电池包(pack)的分布化设置，提高了系统安全性，也使得电池储能模块同时具备了功率变送和能量优化器的作用，从而将电池能量均衡扩展到单个电池包(pack)的级别，大幅度提升了电池储能系统的整体充放电效率。并且，上述电池储能模块的小型化设计也简化了现场的安装和运维。此外，将传统的三层控制架构简化为单层控制架构，并通过集成控制器与电池储能模块的电池驱动电路和电池管理单元进行电连接来实现储能变流器和电池管理系统的功能，也可以有效的降低控制系统的复杂度，同时降低了高速光纤接口等通讯器件带来的高成本和故障率。
21.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
22.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
23.图1示出了本发明实施例提供的一种电池储能系统的电路结构示意图；
24.图2示出了本发明实施例提供的一种电池储能系统的电路结构示意图。
具体实施方式
25.下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
26.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
27.下面结合图1和图2描述根据本发明一些实施例所述的电池储能系统。
28.如图1所示，本发明的一个实施例提出的一种电池储能系统，该电池储能系统包括集成控制器10和至少一个电池储能模块20，其中，集成控制器10包括一个多核信号处理器11、至少一个可编程逻辑器件12和至少一个电平转换与隔离电路13；电池储能模块20包括电池组、功率转换单元、电池驱动电路和电池管理单元(bmu，battery management unit)；其中，多核信号处理器11通过通用并行端口(upp，universal parallel port)与每个可编程逻辑器件12的输入端电连接，每个可编程逻辑器件12的输出端与每个电平转换13与隔离电路的输入端电连接，每个电平转换与隔离电路13的输出端与至少一个电池储能模块20的电池驱动电路的输入端电连接，多核信号处理器11通过数据总线与每个电池储能模块20的电池管理单元的输出端电连接。
29.在本实施例中，集成控制器采用单层控制架构，将现有技术中的三层控制架构中的分相控制层和模块控制层均集成到系统控制层，形成一个整体的集成化控制器。具体的，集成控制器采用多核dsp处理器(digital signal process，数字信号处理器)、fpga(field programmable gate array，可编程逻辑器件)和电平转换与隔离电路组合的设计，其中，dsp与fpga之间采用upp(universal parallel port，通用并行端口)方式进行通信，多个bmu(battery management unit，电池管理单元)与多核信号处理器之间采用数据总线进行通讯。在本实施例中，通过在集成控制器内部配置一片或多片中低资源的fpga，可以完成多相或单向电压的调制以及与多核信号处理器的高速通讯；通过在集成控制器内部配置一个多核信号处理器，可以在集成控制器内部同时实现储能变流器和虚拟电池管理系统的双重功能。
30.进一步的，电池储能模块中的电池组可以包含一个或多个电池，每个电池之间可以通过串联或并联的方式进行连接；功率转换单元可以有多种实现方式，通常来说，功率转换单元可以由滤波电容和桥式电路组成，其中，功率转换单元可以在集成控制器的控制下调整电池组的输出电压和功率；电池驱动电路可以驱动功率转换单元中的开关器件进行开关动作；电池管理单元可以采集电路中的温度值和电压值等信号，并传输至集成控制器的多核信号处理器中，以在多核信号处理器的控制下实现虚拟电池管理系统的相关功能。
31.上述电池储能模块，通过对电池组、功率转换单元、电池驱动电路和电池管理单元进行一体化设计，可以实现电池包(pack)的能量分布化，解决了现有技术中集中式方案下电池散热不利和温度不均衡的问题。针对大容量级联型储能系统，本实施例将多个电池包
(pack)串联改为对单个电池包(pack)一体化设计后再与集成控制器进行连接，可以便于实现电池包(pack)级别的能量管理和soc(state charge，电池荷电状态)均衡，解决了新旧电池包(pack)的混用问题，同时消除了电池簇的概念。此外，通过对电池储能模块进行功率小型化设计，实现了功率转换单元和单个电池包(pack)的功率和电压匹配，解决了电芯配组和新旧电池的混用问题。最后，通过对电池包(pack)和功率转换单元进行内部连接封装，减小了直流连接路径和线缆，该部分寄生电感和对地电容的弱化也减小了系统的共模电流。
32.本实施例提供的电池储能系统，通过对电池组、功率转换单元、电池驱动电路和电池管理单元进行一体化模块设计，可以便于实现电池包(pack)的分布化设置，提高了系统安全性，也使得电池储能模块同时具备了功率变送和能量优化器的作用，从而将电池能量均衡扩展到单个电池包(pack)的级别，大幅度提升了电池储能系统的整体充放电效率。并且，上述电池储能模块的小型化设计也简化了现场的安装和运维。此外，将传统的三层控制架构简化为单层控制架构，并通过集成控制器与电池储能模块的电池驱动电路和电池管理单元进行电连接来实现储能变流器和电池管理系统的功能，也可以有效的降低控制系统的复杂度，同时降低了高速光纤接口等通讯器件带来的高成本和故障率。
33.在一个实施例中，如图2所示，集成控制器中的多核信号处理器包括基础数据处理内核cpu1、储能变流器控制内核cpu2和虚拟电池管理系统控制内核cpu3。其中，基础数据处理内核cpu1可以用于处理基础数据以及与外部电路进行通讯，储能变流器控制内核cpu2可用于实现储能变流器的相关功能，虚拟电池管理系统控制内核cpu3可用于实现电池管理系统的相关功能。在本实施例中，基础数据处理内核cpu1、储能变流器控制内核cpu2和虚拟电池管理系统控制内核cpu3可以通过核间共享内存实现数据交互。本实施例通过利用多核间映射内存完成“虚拟bms(battery management system，电池管理系统)内核”和pcs(power conversion system，储能变流器)控制内核的数据快速交互，可以有效的提升电池储能系统的调度速度。
34.在上述实施例中，针对现有技术中bms的引入会导致的系统调度延时较长问题，本实施例对传统的电池管理系统(bms)硬件链路层进行优化，将bms的软件实现融合到集成控制器的多核dsp中，并采用集成控制器和bmu直连方案，实现了电池管理系统的相关功能。此外，从电池包(pack)级能量均衡的角度，传统bms的soc计算与电池包(pack)级的能量均衡需要与pcs控制结合，因此，本实施例将“虚拟bms”和pcs布置到同一片dsp的不同核上，并通过芯片内存共享完成全局数据实时交互，减少了通讯连接线的同时，功能层次划分也更清晰简洁。本实施例提出的pcs和bms融合方案可大幅降低信号链路延时，提升了调度响应时间，降低了bms硬件成本，也降低了系统故障率。可以理解的是，在其他实施例中，集成控制器也可以采用多个单核dsp，以及单核dsp与多核dsp组合的方式实现pcs和bms的相关功能。
35.在一个实施例中，电池储能模块内部的电路连接关系如下：电池组的输出端与功率转换单元的输入端电连接，功率转换单元的输出端与负载电连接，功率转换单元的控制端与电池驱动电路的输出端电连接，电池管理单元的输入端与电池组和功率转换单元的多个测试点电连接，如图2所示，功率转换单元可以为单级h桥模块。在本实施例中，电池储能模块取消了在电池与电容之间的软起电阻和相应的切换电路，便于结构和成本优化的同时，也使得电池储能模块在不增加外围电路的基础上，兼具功率变送器和能量优化器功能，从而实现“一包一优化”。并且，能量变送与soc均衡均可以在集成控制器中统一实现，有效
的减少了信号采集和信息传输路径以及pcs和dc/dc之间的控制关联度。此外，上述方案扩展了soc均衡范围，传统方案均衡范围为电池簇间均衡，其实现电池包(pack)级别的soc均衡需增加一级dc/dc电路，而本实施例则无需增加额外电路，因而，本实施例提出的电路连接方式可以有效的减少电路硬件成本并降低控制的复杂性。最后，通过单级h桥模块的功率小型化设计，可以实现h桥和单个电池包(pack)的功率和电压匹配，解决了电芯配组和新旧电池的混用问题。
36.在一个实施例中，电池储能系统包括三个h桥级联拓扑结构，其中，三个h桥级联拓扑结构可用于输出a、b、c三相电压，并与变压器电连接或并入电网。在其他实施例中，电池储能系统也可以只包括一个h桥级联拓扑结构，并用于输出单相电压。在上述两种实施例中，h桥级联拓扑结构可以包括串联连接的至少一个电池储能模块，且电池储能模块的数量可以根据实际需求而定，本实施例在此不做具体限定。可以理解的是，电池储能系统中也可以包括未连入h桥级联拓扑结构的电池储能模块。
37.在一个实施例中，每个h桥级联拓扑结构可以独立设置在一个电压输出装置中。在本实施例中，电池储能系统可以适用于1500v以下的系统，电池储能系统所用的机柜可以采用标准规格设计，为方便布置和安装，可以通过不同的电压输出装置对不同相的电池储能模块进行分相布置，并且，为满足谐波指标，单相内可以至少包含15个电池储能模块。进一步的，多个储能系统可以采用多机并联，并通过10kv双分裂变压器进行系统并网和扩容。
38.在一个实施例中，电平转换与隔离电路内部连接有高压隔离芯片，电池驱动电路内部连接有信号隔离电路。具体的，本实施例对电气隔离措施进行了简化并采用了多级隔离，来保证信号的稳定性。其中，第一级电气隔离在电池驱动电路中完成，第二级隔离在电平转换与隔离电路中通过高压隔离芯片完成。在本实施例中，集成控制器中的可编程逻辑器件经过pwm调制后，可以输出对应h桥的控制脉冲，该电平为3.3v，将该电平转换为15v并经过高压隔离芯片后，可以经屏蔽双绞线连接下发至对应的电池驱动电路中进行再次隔离，最后传输至h桥模块。
39.在一个实施例中，多核信号处理器通过数据总线与每个电池储能模块的电池管理单元电连接的方式可以有以下两种：第一种是：多核信号处理器通过多套数据总线分别与每个电池储能模块的电池管理单元电连接；第二种是：多核信号处理器通过一套数据总线与每个电池储能模块串联连接(即图1采用的方式)。在本实施例中，数据总线可以为can总线或rs485串行总线，即各电池储能模块的电池管理单元可以通过can总线或rs485串行总线与集成控制器的多核信号处理器进行电连接，从而实现与虚拟电池管理系统控制内核之间的数据通讯。
40.在一个实施例中，电池储能系统还包括至少一个壳体，壳体中设置有一个或多个电池储能模块。其中，壳体可以由金属或塑料等材质制成。在本实施例中，通过将电池组、功率转换单元、电池驱动电路和电池管理单元共同集成在一个壳体中，可以将电池储能模块封装为一个整体，从而在对不同的电池储能模块进行连接或将电池储能模块与集成控制器进行连接时，只需用电缆将不同的电池储能模块或将电池储能模块与集成控制器连接在一起，即可构成一个完整的电池储能系统。
41.在一个实施例中，壳体内部的电池组和功率转换单元可以放置在水冷板的固定位上，水冷板内部设置有进水管和出水管，其中，进水管和出水管可用于放置流动的冷凝液。
在本实施例中，通过将多个壳体内部的电池组和功率转换单元放置在水冷板的固定位上，可以实现电池储能系统的冷却一体化。在本实施例中，电池储能系统采用水冷方式散热，其电池冷却和h桥开关管采用共架敷设设计，使电池储能模块实现能量单元一体化设计的同时，也实现了电池和功率器件的有效散热。
42.具体实施例：
43.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种电池储能系统，该电池储能系统包括集成控制器10和至少一个电池储能模块20，其中，集成控制器10包括一个多核信号处理器11、至少一个可编程逻辑器件12和至少一个电平转换与隔离电路13；电池储能模块20包括电池组、功率转换单元、电池驱动电路和电池管理单元(bmu，battery management unit)；其中，多核信号处理器11通过通用并行端口(upp，universal parallel port)与每个可编程逻辑器件12的输入端电连接，每个可编程逻辑器件12的输出端与每个电平转换13与隔离电路的输入端电连接，每个电平转换与隔离电路13的输出端与至少一个电池储能模块20的电池驱动电路的输入端电连接，多核信号处理器11通过数据总线与每个电池储能模块20的电池管理单元的输出端电连接。在本实施例中，电平转换与隔离电路内部连接有高压隔离芯片，电池驱动电路内部连接有信号隔离电路，以此保证信号的稳定性。
44.具体的，如图2所示，集成控制器中的多核信号处理器包括基础数据处理内核cpu1、储能变流器控制内核cpu2和虚拟电池管理系统控制内核cpu3。其中，基础数据处理内核cpu1可以用于处理基础数据以及与外部电路进行通讯，储能变流器控制内核cpu2可用于实现储能变流器的相关功能，虚拟电池管理系统控制内核cpu3可用于实现电池管理系统的相关功能。在本实施例中，基础数据处理内核cpu1、储能变流器控制内核cpu2和虚拟电池管理系统控制内核cpu3可以通过核间共享内存实现数据交互。本实施例通过利用多核间映射内存完成“虚拟bms(battery management system，电池管理系统)内核”和pcs(power conversion system，储能变流器)控制内核的数据快速交互，可以有效的提升电池储能系统的调度速度。
45.进一步的，电池储能模块内部的电路连接关系如下：电池组的输出端与功率转换单元的输入端电连接，功率转换单元的输出端与负载电连接，功率转换单元的控制端与电池驱动电路的输出端电连接，电池管理单元的输入端与电池组和功率转换单元的多个测试点电连接，如图2所示，功率转换单元可以为单级h桥模块。基于此，电池储能系统可以包括三个h桥级联拓扑结构，并用于输出a、b、c三相电压，或者也可以只包括一个h桥级联拓扑结构，并用于输出单相电压。在本实施例中，h桥级联拓扑结构可以包括串联连接的至少一个电池储能模块，且电池储能模块的数量可以根据实际需求而定，此外，每个h桥级联拓扑结构可以独立设置在一个电压输出装置中。
46.进一步的，多核信号处理器通过数据总线与每个电池储能模块的电池管理单元电连接的方式可以有以下两种：第一种是：多核信号处理器通过多套数据总线分别与每个电池储能模块的电池管理单元电连接；第二种是：多核信号处理器通过一套数据总线与每个电池储能模块串联连接(即图1采用的方式)。此外，电池储能系统还包括至少一个壳体，该壳体中设置有一个或多个电池储能模块。其中，壳体可以由金属或塑料等材质制成，且壳体内部的电池组和功率转换单元可以放置在水冷板的固定位上，水冷板内部设置有进水管和出水管，进水管和出水管可用于放置流动的冷凝液。在本实施例中，通过将壳体内部的电池
组和功率转换单元放置在水冷板的固定位上，可以实现电池储能系统的冷却一体化。
47.本实施例提供的电池储能系统，通过对电池组、功率转换单元、电池驱动电路和电池管理单元进行一体化模块设计，可以便于实现电池包(pack)的分布化设置，提高了系统安全性，也使得电池储能模块同时具备了功率变送和能量优化器的作用，从而将电池能量均衡扩展到单个电池包(pack)的级别，大幅度提升了电池储能系统的整体充放电效率。并且，上述电池储能模块的小型化设计也简化了现场的安装和运维。此外，将传统的三层控制架构简化为单层控制架构，并通过集成控制器与电池储能模块的电池驱动电路和电池管理单元进行电连接来实现储能变流器和电池管理系统的功能，也可以有效的降低控制系统的复杂度，同时降低了高速光纤接口等通讯器件带来的高成本和故障率。
48.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。