一种储能系统及其控制方法与流程

1.本发明属于电能储存系统技术领域，特别涉及一种储能系统及其控制方法。


背景技术：

2.目前，新能源发电主要包括光伏发电及风能发电；为了解决光伏和风能的消纳，储能系统亦趁势而起；现有的储能系统主要包括蓄水储能系统和电化学储能系统；其中，电化学储能系统由于具有转运灵活、投资周期短及场地要求低等优点，其市场占比逐步扩大；电化学储能系统主要包括液流电池系统、锂离子电池系统及铅蓄电池系统等；其中，磷酸铁锂电池具备能力密度大、循环寿命长、安全性高等优点，在电化学储能应用中占比最大。
3.以10mwh的电化学储能系统为例，整套电化学储能系统中一般包含上万颗电芯；其中，多颗电芯通过串联或并联的方式相连，并连接一级bms（battery management system）电池管理系统形成电池模块；将多个电池模块通过串联或并联的方式相连，并连接二级bms（battery management system）电池管理系统形成电池簇；将多个电池簇通过并联的方式相连，并连接三级bms（battery management system）电池管理系统形成电池堆；进而将多个电池堆组合得到整套电化学储能系统。
4.现有的电化学储能系统中，一般将电池模块作为现场可维护的最小单元；在电池模块中单颗电芯出现热失控等异常等概率较高，且当其中某个电池模块中的电芯出现异常时，对应的电池簇或电池堆都将停止工作，导致储能系统的储能效率大大降低。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种储能系统及其控制方法，以解决现有的电化学储能系统中，当其中某个电池模块中的电芯出现异常时，对应的电池簇或电池堆都将停止工作，导致储能系统的储能效率大大降低的技术问题。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明提供了一种储能系统，包括若干电池堆；所述电池堆包括若干电池簇；所述电池簇包括若干电池模块、二级bms电池管理系统、若干保护开关及若干旁路开关；所有电池模块均与所述二级bms电池管理系统相连；每个电池模块均串联有一个保护开关，所述电池模块与所述保护开关串联后与一个所述旁路开关并联；所述电池模块包括若干电芯及一级bms电池管理系统，所有电芯均与所述一级bms电池管理系统相连；所述一级bms电池管理系统，用于采集电芯的预设工作状态指标，将采集的电芯的预设工作状态指标与预设的电芯工作状态指标阈值进行比较，得到电芯的预设工作状态指标对比结果；并根据电芯的预设工作状态指标对比结果，触发并发送电芯异常告警信息至所述二级bms电池管理系统；所述二级bms电池管理系统，用于响应所述电芯异常告警信息，生成并发送第一开关控制指令至所述保护开关；其中，所述第一开关控制指令，用于控制所述保护开关执行断开动作；所述二级bms电池管理系统，还用于监测所述保护开关的开闭状态，生成并发送第
二开关控制指令至所述旁路开关；其中，所述第二开关控制指令，用于控制所述旁路开关执行闭合动作。
7.进一步的，所述保护开关采用常闭开关，所述旁路开关采用常开开关。
8.进一步的，所述电芯的预设工作状态指标包括电芯的工作电压、电芯的工作电流及电芯的工作温度；预设的电芯工作状态指标阈值包括电压阈值、电流阈值及温度阈值；其中，所述电压阈值包括电芯的充电截止电压阈值及电芯的放电截止电压阈值；所述电流阈值包括电芯的充电最大允许截止电流阈值及电芯的放电最大允许截止电流阈值；所述温度阈值包括电芯的充放电最高截止温度阈值及电芯的充放电最低截止温度阈值。
9.进一步的，所述电池模块还包括消防探测器，所述消防探测器的输出端与所述一级bms电池管理系统相连；所述消防探测器，用于采集并发送电芯的预设工作环境指标至所述一级bms电池管理系统；所述一级bms电池管理系统，还用于将采集的电芯的预设工作环境指标与预设的电芯工作环境指标阈值进行比较，得到电芯的预设工作环境指标对比结果；并根据电芯的预设工作环境指标对比结果，生成并发送消防预警信息至所述二级bms电池管理系统；所述二级bms电池管理系统，还用于响应所述消防预警信息，生成并发送第三开关控制指令至所述保护开关；其中，所述第三开关控制指令，用于控制所述保护开关执行断开动作。
10.进一步的，所述电芯的预设工作环境指标包括电芯周围环境中的温度数据、电芯周围环境中的烟雾数据、电芯周围环境中的一氧化碳数据、电芯周围环境中的氢气数据以及电芯周围环境中的voc气体数据；所述预设的电芯工作环境指标阈值包括环境温度阈值、环境烟雾浓度阈值、环境一氧化碳浓度阈值、环境氢气浓度阈值以及环境voc气体浓度阈值。
11.进一步的，所述电池模块还包括消防喷洒装置，所述消防喷洒装置的控制端与所述一级bms电池管理系统相连；所述消防喷洒装置，用于接收并响应所述消防预警信息，执行消防介质喷洒作业；其中，所述消防介质，用于对所述电芯进行降温或灭火。
12.进一步的，所述消防介质包括气溶胶、七氟丙烷、全氟己酮及高压细水雾。
13.进一步的，每个电池模块中若干所述电芯采用全部串联的方式相接，或采用串并联组合的方式相接；每个电池簇中若干所述电池模块采用全部串联的方式相接，或采用串并联组合的方式相接。
14.本发明还提供了一种储能系统的控制方法，包括：采集电芯的预设工作状态指标，并将采集的电芯的预设工作状态指标与预设的电芯工作状态指标阈值进行比较，得到电芯的预设工作状态指标对比结果；根据电芯的预设工作状态指标对比结果，生成电芯异常告警信息；所述二级bms电池管理系统接收并响应所述电芯异常告警信息，生成并发送第一开关控制指令至所述保护开关；所述保护开关响应所述第一开关控制指令，执行开关断开动作；当二级bms电池管理系统监测到所述保护开关的开闭状态为断开时，生成并发送
第二开关控制指令至所述旁路开关；所述旁路开关响应所述第二开关控制指令，执行开关闭合动作。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供了一种储能系统及其控制方法，对每个电池模块串联一个保护开关，并在电池模块与保护开关串联后与一个旁路开关并联相接；利用电芯的预设工作状态指标判断电芯是否发生热失控异常，并根据电芯的热失控异常判断结果，控制保护开关及旁路开关的开闭状态，实现将出现热失控异常的电芯所在的电池模块主动切出储能系统的回路，确保储能系统其余部分的电池模块能够正常运行，以精准实现储能系统的保护，避免因单个电芯异常导致整套储能系统的停运，有效确保了储能系统的储能效率，大大降低经济损失。
16.进一步的，保护开关采用常闭开关，旁路开关采用常开开关，确保了在未出现电芯异常时，储能系统内的所有电池模块均能正常运行。
17.进一步的，通过在电池模块内设置消防探测器，利用消防探测器对电芯的预设工作环境指标进行采集，并发送采集的电芯的预设工作环境指标至一级bms电池管理系统，利用一级bms电池管理系统根据电芯的预设工作环境指标判断电芯是否发生热失控异常或起火事故，利用二级bms电池管理系统根据电芯是否发生热失控异常或起火事故的判断结果，控制保护开关及旁路开关的开闭状态，实现将出现热失控异常或起火事故的电芯所在的电池模块主动切出储能系统的回路，确保储能系统其余部分的电池模块能够正常运行。
18.进一步的，通过在电池模块内设置消防喷洒装置，利用消防喷洒装置喷洒的消防介质对出现热失控异常或起火事故的电芯及其周围的电芯进行降温或灭火处理，实现差异化的消防措施，有效提高了消防效果，确保了储能系统的安全性。
19.进一步的，消防介质包括气溶胶、七氟丙烷、全氟己酮及高压细水雾，满足对电芯热失控状态的不同阶段喷洒对应的消防介质，提高降温及灭火处理的效率。
附图说明
20.图1为实施例1中所述的储能系统的结构示意图；图2为实施例1中的电池簇的结构示意图；图3为实施例1中电池模块的结构示意图。
21.其中，100电池堆；11电池簇，12三级bms电池管理系统；21电池模块，22二级bms电池管理系统，23保护开关，24旁路开关；31电芯，32一级bms电池管理系统，33消防探测器，34消防喷洒装置。
具体实施方式
22.为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
23.实施例1如附图1-3所示，本实施例1提供了一种储能系统，包括若干电池堆100，若干所述电池堆100通过组合的方式接入电网；所述电池堆100包括若干电池簇11及三级bms电池管
理系统12；若干所述电池簇11通过并联的方式相接，所有电池簇11均与所述三级bms电池管理系统12相连；所述电池簇11包括若干电池模块21、二级bms电池管理系统22、若干保护开关23及若干旁路开关24；若干电池模块21采用全部串联的方式相接，所有电池模块21均与所述二级bms电池管理系统22相连，所述二级bms电池管理系统22与所述三级bms电池管理系统12之间电连接。
24.每个电池模块21均串联有一个保护开关23，所述电池模块21与所述保护开关23串联后与所述旁路开关24并联相接；所述保护开关23采用常闭开关，所述旁路开关24采用常开开关；所述二级bms电池管理系统22与所述保护开关23及所述旁路开关24均相连。
25.所述电池模块21包括若干电芯31、一级bms电池管理系统32、消防探测器33及消防喷洒装置34；若干所述电芯31采用串并联组合的方式相接，所有电芯31均与所述一级bms电池管理系统32相连；所述消防探测器33及所述消防喷洒装置34均设置在所述电池模块21内部，所述消防探测器33的输出端与所述一级bms电池管理系统32相连，所述一级bms电池管理系统32还与所述消防喷洒装置34的控制端相连；所述一级bms电池管理系统32还与所述二级bms电池管理系统22相连。
26.本实施例1中，所述一级bms电池管理系统32用于采集电芯31的预设工作状态指标，将采集的电芯31的预设工作状态指标与预设的电芯工作状态指标阈值进行比较，得到电芯31的预设工作状态指标对比结果；并根据电芯31的预设工作状态指标对比结果，触发并发送电芯异常告警信息至所述二级bms电池管理系统22。
27.具体的，所述电芯31的预设工作状态指标包括电芯31的工作电压、电芯31的工作电流及电芯31的工作温度；预设的电芯工作状态指标阈值包括电压阈值、电流阈值及温度阈值；其中，所述电压阈值包括电芯31的充电截止电压阈值及电芯31的放电截止电压阈值；所述电流阈值包括电芯31的充电最大允许截止电流阈值及电芯31的放电最大允许截止电流阈值；所述温度阈值包括电芯31的充放电最高截止温度阈值及电芯31的充放电最低截止温度阈值。
28.本实施例1中，所述消防探测器33，用于采集并发送电芯31的预设工作环境指标至所述一级bms电池管理系统32；所述一级bms电池管理系统32，还用于将采集的电芯31的预设工作环境指标与预设的电芯工作环境指标阈值进行比较，得到电芯31的预设工作环境指标对比结果；并根据电芯31的预设工作环境指标对比结果，生成并发送消防预警信息至所述二级bms电池管理系统22及消防喷洒装置34；其中，所述消防探测器33采用btfa-wyq型电池箱火灾探测预警装置。
29.其中，所述电芯31的预设工作环境指标包括电芯周围环境中的温度数据、电芯周围环境中的烟雾数据、电芯周围环境中的一氧化碳数据、电芯周围环境中的氢气数据以及电芯周围环境中的voc气体数据；所述预设的电芯工作环境指标阈值包括环境温度阈值、环境烟雾浓度阈值、环境一氧化碳浓度阈值、环境氢气浓度阈值以及环境voc气体浓度阈值。
30.本实施例1中，所述消防喷洒装置34，用于接收并响应所述消防预警信息，执行消防介质喷洒作业；其中，所述消防介质，用于对所述电芯31进行降温或灭火；其中，所述消防介质包括气溶胶、七氟丙烷、全氟己酮及高压细水雾，满足对电芯热失控状态的不同阶段喷洒对应的消防介质，提高降火及灭火处理的效率。
31.本实施例1中，所述二级bms电池管理系统22，用于响应所述电芯异常告警信息，生
成并发送第一开关控制指令至所述保护开关23；其中，所述第一开关控制指令，用于控制所述保护开关23执行断开动作；所述二级bms电池管理系统22，还用于监测所述保护开关23的开闭状态，生成并发送第二开关控制指令至所述旁路开关24；其中，所述第二开关控制指令，用于控制所述旁路开关24执行闭合动作；所述二级bms电池管理系统22，还用于响应所述消防预警信息，生成并发送第三开关控制指令至所述保护开关23；其中，所述第三开关控制指令，用于控制所述保护开关23执行断开动作。
32.工作原理及控制方法：当电芯31处于热失控初期时一般会产生一氧化碳、氢气及voc气体，同时引起电芯31周围局部空间的温度快速升温扩散；当电芯31处于热失控后期时往往会产生厌恶和温度急剧升高的现象。
33.本实施例1所述的储能系统，使用时，利用一级bms电池管理系统32采集电芯31的预设工作状态指标，并将采集的电芯31的预设工作状态指标与预设的电芯工作状态指标阈值进行比较，得到电芯31的预设工作状态指标对比结果；根据电芯31的预设工作状态指标对比结果，生成电芯异常告警信息。
34.具体的，将采集的电芯31的预设工作状态指标与预设的电芯工作状态指标阈值进行比较，得到电芯31的预设工作状态指标对比结果；根据电芯31的预设工作状态指标对比结果，生成电芯异常告警信息的过程，具体如下：将电芯31的工作电压分别与电芯31的充电截止电压阈值及电芯31的放电截止电压阈值进行比较，若所述电芯31的工作电压超出所述电芯31的充电截止电压阈值或所述电芯31的放电截止电压阈值时，所述一级bms电池管理系统32生成所述电芯异常告警信息；或将电芯31的工作电流分别与电芯31的充电最大允许截止电流阈值及电芯31的放电最大允许截止电流阈值进行比较，若所述电芯31的工作电流超出所述电芯31的充电最大允许截止电流阈值或所述电芯31的放电最大允许截止电流阈值时，所述一级bms电池管理系统32生成所述电芯异常告警信息；或将电芯31的工作温度分别与电芯31的充放电最高截止温度阈值及电芯31的充放电最低截止温度阈值进行比较，若所述电芯31的工作温度超出所述电芯31的充放电最高截止温度阈值或所述电芯31的充放电最低截止温度阈值时，所述一级bms电池管理系统32生成所述电芯异常告警信息。
35.通过所述二级bms电池管理系统22接收并响应所述电芯异常告警信息，生成并发送第一开关控制指令至所述保护开关23；所述保护开关23响应所述第一开关控制指令，执行开关断开动作。
36.当二级bms电池管理系统22监测到所述保护开关23的开闭状态为断开时，生成并发送第二开关控制指令至所述旁路开关24；所述旁路开关24响应所述第二开关控制指令，执行开关闭合动作。
37.利用所述消防探测器33采集电芯31的预设工作环境指标，通过所述一级bms电池管理系统32接收采集的电芯31的预设工作环境指标，并将采集的电芯31的预设工作环境指标与预设的电芯工作环境指标阈值进行比较，得到电芯31的预设工作环境指标对比结果；并根据电芯31的预设工作环境指标对比结果，生成消防预警信息。
38.具体的，通过所述一级bms电池管理系统32将采集的电芯31的预设工作环境指标
与预设的电芯工作环境指标阈值进行比较，得到电芯31的预设工作环境指标对比结果；并根据电芯31的预设工作环境指标对比结果，生成消防预警信息的过程，具体如下：将电芯周围环境中的温度数据与环境温度阈值进行比较，若所述电芯周围环境中的温度数据超过所述环境温度阈值时，则所述一级bms电池管理系统32生成所述电芯异常告警信息；或将电芯周围环境中的烟雾数据与环境烟雾浓度阈值进行比较，若所述电芯周围环境中的烟雾数据超过所述环境烟雾浓度阈值时，则所述一级bms电池管理系统32生成所述电芯异常告警信息；或将电芯周围环境中的一氧化碳数据与环境一氧化碳浓度阈值进行比较，若所述电芯周围环境中的一氧化碳数据超过所述环境一氧化碳浓度阈值时，则所述一级bms电池管理系统32生成所述电芯异常告警信息；或将电芯周围环境中的氢气数据与环境氢气浓度阈值进行比较，若所述电芯周围环境中的氢气数据超过所述环境氢气浓度阈值时，则所述一级bms电池管理系统32生成所述电芯异常告警信息；或将电芯周围环境中的voc气体数据与环境voc气体浓度阈值进行比较，若所述电芯周围环境中的voc气体数据超过所述环境voc气体浓度阈值时，则所述一级bms电池管理系统32生成所述电芯异常告警信息。
39.通过所述二级bms电池管理系统22接收并响应所述消防预警信息，生成并发送第三开关控制指令至所述保护开关23；所述保护开关23响应所述第三开关指令，以执行断开动作。
40.当所述二级bms电池管理系统22监测到所述保护开关23的开闭状态为断开时，生成并发送第二开关控制指令至所述旁路开关24；所述旁路开关24响应所述第二开关控制指令，以执行闭合动作。
41.通过所述消防喷洒装置34接收并响应所述消防预警信息，执行消防介质喷洒作业，以对所述电芯31进行降温或灭火。
42.本实施例1所述的储能系统及其控制方法，通过在每个电池模块21上串联一个保护开关23，并将电池模块21与保护开关23串联后与一个旁路开关24并联相接；利用二级bms电池管理系统22对保护开关和旁路开关的开闭状态进行控制，实现将出现热失控异常或起火事故的电芯所在的电池模块主动切出储能系统的回路，确保储能系统其余部分的电池模块能够正常运行。
43.实施例2本实施例2提供的一种储能系统与实施例1中所述的储能系统的结构和原理基本相同，不同之处在于，本实施例2中的若干所述电池簇通过串并联组合的方式相接，若干电池模块通过串并联组合的方式相接。
44.实施例3本实施例3提供的一种储能系统与实施例1中所述的储能系统的结构和原理基本相同，不同之处在于，本实施例3中每个电池模块中的消防探测器和消防喷洒装置的个数分别不仅限于1个；每个消防探测器或每个消防喷洒装置的接入方式和工作原理分别与实施例1中的消防探测器33或消防喷洒装置34的接入方式和工作原理均相同，此处不再赘述。
45.本发明中，将采集的电芯31的预设工作状态指标与预设的电芯工作状态指标阈值进行比较，得到电芯31的预设工作状态指标对比结果；其中，若所述电芯31的预设工作状态指标超出所述预设的电芯工作状态指标阈值，表明所述电芯31已不具备继续充电或放电的条件，此时继续充电或放电将造成电芯永久性损伤，甚至出现热失控的着火事故；所述一级bms电池管理系统32，根据电芯31的预设工作状态指标对比结果，触发并发送电芯异常告警信息至所述二级bms电池管理系统22；所述二级bms电池管理系统22接收并响应所述电芯异常告警信息，生成并发送第一开关控制指令至所述保护开关23；所述保护开关23响应所述第一开关控制指令，执行开关断开动作；当二级bms电池管理系统22监测到所述保护开关23的开闭状态为断开时，生成并发送第二开关控制指令至所述旁路开关24；所述旁路开关24响应所述第二开关控制指令，执行开关闭合动作，从而实现将出现异常的电芯所在的电池模块切出系统，确保对应电池簇11中其他正常状态的电池模块21能够继续正常工作。
46.本发明中，根据不同电池模块21的结构形态，电芯31的空间布置存在差异，针对不同的空间布置，消防探测器33和消防喷洒装置34在每个电池模块21内的具体安装位置可以进行适应性调整；所述消防探测器33能够实现对电芯31周围环境中的温度数据、电芯31周围环境中的烟雾数据、电芯31周围环境中的一氧化碳数据、电芯31周围环境中的氢气数据以及电芯31周围环境中的voc气体数据进行监测，满足对电芯31热失控初期和热失控后期的状态监测要求；通过在每个电池模块21中设置消防探测器33，实现对电芯状态的实时监测；监测过程中，当某一电芯31的预设工作环境指标超出对应预设的电芯工作环境指标阈值时，通过一级bms电池管理系统32生成并发送生成消防预警信息至消防喷洒装置34及二级bms电池管理系统22；所述消防喷洒装置34接收并响应所述消防预警信息，执行消防介质喷洒作业，实现对电池模块21内部的电芯31的降温和灭火；通过多次间隔喷洒消防介质，达到有效防止二次复燃的效果；所述二级bms电池管理系统22，接收并响应所述消防预警信息，生成并发送第三开关控制指令至所述保护开关23；所述保护开关23响应所述第三开关指令，以执行断开动作；当所述二级bms电池管理系统22监测到所述保护开关23的开闭状态为断开时，生成并发送第二开关控制指令至所述旁路开关24；所述旁路开关24响应所述第二开关控制指令，以执行闭合动作；从而实现将出现异常的电芯所在的电池模块切出系统，确保对应电池簇中其他正常状态的电池模块能够继续正常工作。
47.本发明所述的储能系统及其控制方法，利用一级bms电池管理系统32采集电芯31的预设工作状态指标，利用消防探测器33采集电芯31的预设工作环境指标，能够实现对储能系统中的每个电芯31的工作状态进行检测，检测的精准度更高、覆盖范围更广，满足提前识别储能系统中出现的电芯异常，从而达到早识别、早预警、早控制的目标，有效预防火灾的发生；当识别到某个电池模块中的电芯出现热失控异常或起火事故时，利用消防喷洒装置34针对对应的电池模块21进行精准地消防降温和灭火，对于出现异常电池模块附近的其它电池模块，采取差异化的消防措施，从而达到更高效的消防效果。
48.本发明中，对每个电池模块21串联一个保护开关23，并电池模块21与保护开关23串联后与一个旁路开关24并联相接；当识别到某个电池模块21中的电芯31出现热失控异常或起火事故时，通过控制保护开关23的开闭状态，实现将电池模块21主动切出连接回路，防止异常或事故的进一步加剧和蔓延；当某个电池模块21从系统中主动切出后，通过控制旁路开关24的开闭状态，实现使其他正常的电池模块21回路正常工作，从而确保所在电池簇
11和电池堆100可以正常继续运行，减少因单个电芯31异常导致整个储能系统停运而带来的经济损失；通过每个电池模块21状态检测、精准消防、控制保护和旁路切换的逻辑控制，可以精准实现电池保护和提高储能系统经济收益。
49.上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。