功率可扩展模块化携行储能电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体地，涉及一种功率可扩展模块化携行储能电源及其控制方法。

背景技术

随着国家对新能源、智慧能源、储能等行业或领域的重视，这些行业在近几年获得了较快速的发展，基于光伏、风电等新能源的分布式发电在电力工业领域受到越来越多的关注，然而由于风电受地区限制，导致在中国大部分非西北地区小面积使用经济性较差，因此在内陆主要是以光储系统为主。

便携电源以其移动性、通用性以及便携性受到各个行业的青睐：移动性即便携电源可在山顶、森林、水下等各种极端环境中为电子设备提供电能。通用性即便携电源能够为各类不同电子设备提供电能(手机、笔记本电脑，小型工程设备等)。便携性是便携电源最大特点，以其较小的体积与便捷的携带方式适应各类户外环境。未来应用领域将拓展至医疗救援、高端电子设备(如无人机)、电动工具、移动办公等。然而，目前尚未有较为成熟的应用于市场的普适性兼容强，便携式可扩展，模块化易维修的光储携行电源。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种功率可扩展模块化携行储能电源及其控制方法。

根据本发明提供的一种功率可扩展模块化携行储能电源，包括防雨箱体、储能电池模组11、可折叠光伏板2和控制总成；

所述防雨箱体上设置有散热片5以及电气接口；

所述储能电池模组11设置于所述防雨箱体的内部空间的底部；

所述可折叠光伏板2设置于所述防雨箱体的内部空间的顶部；

所述控制总成设置于所述防雨箱体的内部空间的中部，并分别与所述储能电池模组11和所述可折叠光伏板2电连接。

优选地，所述防雨箱体包括：上盖1和外箱2；

所述上盖1与所述外箱2连接，构成所述内部空间；

所述散热片5和所述电气接口设置于所述外箱2的侧壁。

优选地，所述可折叠光伏板2包括：多个光伏组件、MPPT模块和光伏板托盘3；

所述多个光伏组件与所述MPPT模块电连接，并设置于所述光伏板托盘3内，所述光伏板托盘3连接在所述防雨箱体内，所述MPPT模块与所述控制总成电连接。

优选地，所述控制总成包括：主控板4和功率一体机9；

所述主控板4与所述功率一体机9电连接。

优选地，所述功率一体机9内部的电路包括：电感15和变压器16；

所述电感15的顶部设置有电感辅助散热片8，所述变压器16的周边设置有变压器辅助散热片7并通过导热胶灌封中间的缝隙；

所述电感辅助散热片8与所述变压器辅助散热片7与所述散热片5连接。

优选地，所述功率一体机9包括：主电路和控制电路；

所述主电路包括依次连接的功率电路、输入输出滤波电路和电压电流检测电路，以及设置于所述主电路中的静态开关。

优选地，所述功率电路包括整流电路、逆变电路和电池充电模块；

所述整流电路主要是对输入的交流电进行滤波净化，去掉电网中的干扰成分，并在一定范围内进行调压；

所述逆变电路包含交流侧连接电网的有源逆变和交流侧连接负载的无源逆变；

所述电池充电模块提供充电电流对储能电池模组11进行充电。

优选地，所述储能电池模组11包括：BMS22、电池包24和电池托盘23；

所述BMS22与所述电池包24电连接；

所述BMS22与所述电池包24设置于所述电池托盘23内。

优选地，所述储能电池模组11还包括：电池壳侧边垫片17、散热片钣金框架18、外部通讯板19和内部通讯板20；

所述电池壳侧边垫片17固定所述电池包24；

所述散热片钣金框架18固定所述散热片5，并与所述电池包24热交换；

所述外部通讯板19连接在所述BMS22和所述电气接口之间；

所述内部通讯板20连接在所述BMS22和所述电池包24之间。

根据本发明提供的一种上述的功率可扩展模块化携行储能电源的控制方法，包括：直流充电控制方法、交流充电控制方法、直流放电控制方法或交流放电控制方法；

所述直流充电控制方法包括：可折叠光伏板2的MPPT模块直流输出端与所述控制总成的功率一体机9直流端、储能电池模组的BMS22直流输入端并接形成直流母线，可折叠光伏板2通过母线给储能电池模组11充电；

所述交流充电控制方法包括：将功率一体机交流输入端、功率一体机的逆变电路、功率一体机直流输出端、储能电池模组的BMS直流输入端并接形成交流转直流母线，市电插入后给储能电池模组11充电；

所述直流放电控制方法包括：当储能电池模组有电时，将储能电池模组的BMS直流输出端、功率一体机直流端并接形成直流母线，储能电池模组通过直流母线给负载充电；当储能电池模组没电但光伏满足负载功率时，MPPT模块直流输出端通过主控机控制与功率一体机直流端、储能电池模组的BMS直流输入端并接形成直流母线，光伏组件通过母线给负载充电；当储能电池模组没电但光伏满足不了负载功率、且有市电时，MPPT模块直流输出端通过主控机控制与功率一体机直流端、储能电池模组的BMS直流输入端并接形成直流母线，光伏组件通过母线给负载充电，同时将功率一体机交流输入端、功率一体机的逆变电路、功率一体机直流输出端、负载并接形成交流转直流母线，市电插入后给负载充电；当储能电池模组没电也无光伏、但有市电时，将功率一体机交流输入端、功率一体机的逆变电路、功率一体机直流输出端、负载并接形成交流转直流母线，市电插入后给负载充电；

所述交流放电控制方法包括：当储能电池模组有电时，将储能电池模组的BMS直流输出端、功率一体机直流端、逆变电路、功率一体机交流输出端并接形成直流转交流母线，储能电池模组通过直流转交流母线给负载充电；当储能电池模组没电但光伏满足负载功率时，MPPT模块直流输出端与功率一体机直流端、逆变电路、功率一体机交流输出端并接形成直流转交流母线，光伏组件通过直流转交流母线给负载充电；当储能电池模组没电但光伏满足不了负载功率、且有市电时，MPPT模块直流输出端与功率一体机直流端、逆变电路、功率一体机交流输出端并接形成直流转交流母线，光伏组件通过直流转交流母线给负载充电，同时将旁路模块开启，市电插入后给负载充电；当储能电池模组没电也无光伏、但有市电时，将通过主控机控制将旁路模块开启，市电插入后给负载充电。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明具有便携、抗淋雨、耐低温、模块化可扩展的有益效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例1中功率可扩展模块化携行储能电源的结构示意图；

图2为实施例1中功率可扩展模块化携行储能电源的结构爆炸图；

图3为实施例1中功率可扩展模块化携行储能电源的底层结构图；

图4为实施例1中功率可扩展模块化携行储能电源的散热片钣金框架图；

图5为实施例1中功率可扩展模块化携行储能电源的控制总成的结构示意图；

图6为实施例1中功率可扩展模块化携行储能电源的控制总成的结构爆炸图；

图7为实施例1中功率可扩展模块化携行储能电源的储能电池模组的结构示意图；

图8为实施例1中功率可扩展模块化携行储能电源的储能电池模组的结构爆炸图；

图9为实施例1中的功率可扩展模块化携行储能电源的输入输出面板示意图；

图中：

1、上盖，2、可折叠光伏板，3、光伏板托盘，4、控制总成，5、散热片，6、内部辅助散热板，7、变压器辅助散热片，8、电感辅助散热片，9、功率一体机主板，10、一体机钣金总成，11、储能电池模组，12、外箱，13、信息显示板，14、对外线束连接板，15、电感，16、变压器，17、电池壳侧边垫片，18、散热片钣金框架，19、外部通讯板，20、内部通讯板，21、并机板，22、BMS，23、电池托盘，24、电池包，25、指示灯显示面板，26、启动开关，27、第一光伏输入接口，28、第二光伏输入接口，29、市电输入接口，30、交流输出开关，31、直流输出开关，32、交流输出接口，33、直流输出接口，34、第一并机通讯接口，35、第二并机通讯接口。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1～图9所示，一种功率可扩展模块化携行储能电源，包括箱体、可折叠光伏板、控制总成、储能电池模组、输入输出面板，具体包括以下部件：上盖1、可折叠光伏板2，光伏板托盘3、控制总成4、散热片5、内部辅助散热板6、变压器辅助散热片7、电感辅助散热片8、功率一体机主板9、一体机钣金总成10、储能电池模组11、外箱12、信息显示板13、对外线束连接板14、电感15、变压器16、电池壳侧边垫片17、散热片钣金框架18、外部通讯板19、内部通讯板20、并机板21、BMS22、电池托盘23、电池包24、指示灯显示面板25、启动开关26、I光伏输入接口27、II光伏输入接口28、市电输入接口29、交流输出开关30、直流输出开关31、交流输出接口32、直流输出接口33、I并机通讯接口34、II并机通讯接口35。其特征在于，所述的箱体一侧含有散热片5，所述的箱体具有抗淋雨能力；所述的储能电池模组11位于箱体低部，由低温功率型锂离子电池包24和BMS22组成，所述的可折叠光伏板2位于箱体顶部，由柔性光伏板和MPPT组成；所述的控制总成位于箱体中部，由主控板4和功率一体机9组成，集成控制交直流电的输入输出；所述的输入输出面板位13于散热片5另一侧的箱体，具有交直流输入输出功能。

所述的功率可扩展模块化携行储能电源的直流输入电气接口要求包括：电压30V～50V，输入功率≥400W。

所述的功率可扩展模块化携行储能电源的交流输入电气接口要求包括：电压AC230×(1±20％)V，频率50×(1±1％)Hz，输入功率≥1000W。

所述的功率可扩展模块化携行储能电源的交流输出电气接口要求包括：额定功率：1000W，额定电压：230V，额定电流：4.33A，额定频率：50Hz。

所述的功率可扩展模块化携行储能电源的直流输出电气接口要求包括：输出电压范围：48×(1±15％)V。

所述的功率可扩展模块化携行储能电源的并联组网能力为：不少于4套功率可扩展模块化携行储能电源可稳定并联组网，输出总功率≥3000W。

所述的功率可扩展模块化携行储能电源的内部散热形式为：因产品需要满足抗淋雨能力：耐受降雨强度2mm/min、风速18m/s、持续1h的降雨；故该产品外箱体需要做到基本密封的状态，产品主要发热源为功率一体机9中的电感15和变压器16，解决散热的方式为：电感15顶部加电感辅助散热片8，变压器16周边加变压器辅助散热片7，中间的空隙用导热胶灌封，使电感15和变压器16的热量有效的传递到内部辅助散热板6上面，然后通过内部辅助散热板6把热量传递到散热片5上，使内部热量能和外部空气自然对流，来达到整机的散热功能。

其中，如图1～图2所示，所述的箱体包括上盖1和外箱12，其背侧含有散热片5，正侧有输入输出面板13，具有IPX2的防水等级能力；所述的箱体内部分上中下三层，上层为可折叠光伏板，中层为控制总成，下层为储能电池模组。

其中，如图2所示，所述的可折叠光伏板包括8块光伏组件及MPPT模块和光伏板托盘3，其峰值发电功率大于400W，开路电压范围：30V～50V，光伏组件效率(有效面积)不小于18％；展开时间不大于5min/2人，撤收时间不大于5min/2人。

进一步的，所述的光伏组件采用效率为18％的柔性太阳能板，峰值发电功率大于200W。

进一步的，所述的MPPT模块与光伏组件和功率一体机9相连，其输入直流功率≥400W；输入输出电压范围：20V～60V；具有过压、过流保护；最大转换效率≥99％。

其中，如图2、图5～图6所示，所述的控制总成包括主控板4、功率一体机9、内部辅助散热板6、变压器辅助散热片7、电感辅助散热片8、一体机钣金总成10。

进一步的，所述的主控板4主要是通过对功率一体机9的各个信号进行侦测，来控制功率一体机9的工作状态，包括对输入市电的电压频率、功率一体机9输出的电压电流、功率器件的电流等进行侦测。

进一步的，所述的主控板4有1路CAN总线、1路RS485总线与BMS22进行通讯，有1路RS232总线与功率一体机9通讯，预留1路CAN总线调试通讯接口。

其中，所述的功率一体机9由主电路和控制电路两部分组成。主电路则包括功率电路，输入输出滤波电路、电压电流检测电路和静态开关等。

进一步的，所述的功率电路由整流电路、逆变电路和电池充电模块三部分组成。整流电路主要是对输入的交流电进行滤波净化，去掉电网中的干扰成分，并在一定范围内进行调压。逆变电路包含交流侧连接电网的有源逆变和交流侧连接负载的无源逆变。电池充电模块可提供60VDC/20A的充电电流对蓄电池进行充电。

进一步的，所述的输入输出滤波电路功能是将输入输出的交直流进行滤波净化，去掉干扰成分，并调压。

进一步的，所述的电压电流检测电路是将输入输出的交直流电压和电流传输给主控板。

进一步的，所述的静态开关在功率一体机中的维修旁路、自动旁路以及市电与逆变器输出相互切换等地方都有用到，它一方面保护功率一体机9和负载，另一方面增强系统的可靠性保证对负载的不间断供电。

进一步的，所述的功率一体机9所带负荷超过其限度或逆变电路等其他部件出现故障时，功率一体机9将由旁路直接供电。一旦电网供电中断，蓄电池立即对逆变器供电，以保证功率一体机9不间断地输出交流电压。

其中，如图2～图4、图7～图8所示，所述的储能电池模组11包括电池壳侧边垫片17、散热片钣金框架18、外部通讯板19、内部通讯板20、并机板21、BMS22、电池托盘23、电池包24。

进一步的，所述的电池壳侧边垫片17起到固定电池包24的作用。

进一步的，所述的散热片钣金框架18起到固定散热片5的作用，并与电池包24进行热交换。

进一步的，所述的外部通讯板19可实现BMS22与主控机4之间的通讯。

进一步的，所述的内部通讯板20可实现电池包24与BMS22之间的通讯。

进一步的，所述的并机板21是指一个储能电池模组11可以与四个功率一体机9相连，该四个功率一体机9并联，使系统具备3000W输出能力，采用四取三的热备份形式并联工作，允许一路电路失效，而且在控制电路上采取措施，失效的调节模块自动退出供电网络，不影响其他模块正常工作。

进一步的，所述的BMS22具备单体过压/欠压、总压欠压/过压、充电/放电过流、高温、低温及短路等保护与恢复功能。可实现充放电过程中的SOC精确计量(SOC估算偏差控制：≤10％)，SOH健康状态统计。实现充电过程电压均衡。通过通过CAN或RS485通讯与其主控机4进行数据通讯并进行参数配置和数据监控。

进一步的，所述的BMS22具有SOC修正功能，其中当单体电压达到4.15V时，修正SOC为93％；当触发单体电压保护时，修正SOC为100％；当单体电压放至2.65时，修正SOC为8％；当触发单体欠压保护时，修正SOC为0％。

进一步的，所述的BMS22具有控制启停加热的功能，其中当电池最低温度达到加热阈值或收到主控机4发送的加热控制命令时，开启加热功能；当与主控机4通讯中断或电池温度达到停止温度设置点或主控板4发送停止加热控制指令或BMS22重新上电时，停止加热功能。

进一步的，所述的电池托盘23与电池壳侧边垫片17起到电池包24的固定作用。

进一步的，所述的电池包24主要由串并联电池模组及加热带组成，其放电能量大于2000Wh。在-41℃低温时能够满足500W放电20分钟，同时具备交直流电源充电的功能。

进一步的，所述的电池包24的绝缘设计包括在蓄电池侧面均粘贴聚酰亚胺绝缘膜，袖套内装有绝缘垫。导线跨接片外漏部分均涂硅橡胶进行绝缘，电池包24与其他组件连接的安装角内均嵌有绝缘套。

进一步的，所述的电池包24的强度设计包括在单体电池与底板之间通过套内的空隙部分进行灌胶处理来增进强度连接。蓄电池与顶盖之间有一层弹性垫板，通过调整垫板的压缩量可以实现顶盖侧板与底板的紧装配连接。

进一步的，所述的电池包24的电接口设计包括在电池包24中使用电压采样线、温度采样线、功率总正、功率总负、加热线束。并配备2只不同功能的电连接器，用于实现功率、采样、均衡等功能。

其中，如图9所示，所述的输入输出面板13包括指示灯显示面板25、启动开关26、I光伏输入接口27、II光伏输入接口28、市电输入接口29、交流输出开关30、直流输出开关31、交流输出接口32、直流输出接口33、I并机通讯接口34、II并机通讯接口35等接口。

进一步的，所述的指示灯显示面板25含有运行指示灯、故障指示灯、交流输入指示灯、光伏输入指示灯、交流输出状态指示灯、电池电量指示灯等。

进一步的，所述的运行指示灯受主控机控制，在系统处于自检、有市电、故障模式下，常亮；当在低功耗或无市电模式下，SOC≥20％时，常亮；若SOC＜20％，每隔1S闪烁；当用户按下停机按钮，主控板正常执行关机流程后，熄灭。

进一步的，所述的故障指示灯受主控机4控制，在系统处于自检、有市电、无市电、低功率模式，常灭；当系统处于故障模式，且是由BMS引起的故障，常亮；当系统处于故障模式，且是由功率一体机引起的故障，每隔500ms闪烁；当系统处于故障模式，且是由MPPT引起的故障，每隔3s闪烁；当系统处于故障模式，且是由主控板引起的故障，每隔10s闪烁；正常关机后，熄灭。

进一步的，所述的交流输入指示灯受主控机控制，在开机状态下，检测到交流输入状态时，常亮；未检测到交流输入状态时，熄灭；正常关机后，熄灭。

进一步的，所述的光伏输入指示灯受主控机控制，当有光伏输入时，常亮；无光伏输入，熄灭；当MPPT工作模式为正常停机时，输入电压≥20V为有光伏输入，常亮；输入电压＜20V为无光伏输入，熄灭；当MPPT工作模式为工作模式时，主控板检测到MPPT通讯正常且光伏板输出功率≥100W并保持10次检测，常亮；主控板检测到MPPT通讯正常且光伏板输出功率<100W并保持10次检测，熄灭；当主控板检测到MPPT通讯异常时，熄灭；正常关机后，熄灭。

进一步的，所述的交流输出状态指示灯受主控机控制，在交流输出开关启动后，每隔1s闪烁；直到功率一体机交流输出频率不为0时，常亮；当交流输出开关断开后，常灭；其他状态，常灭。

进一步的，所述的电池电量指示灯受主控机控制，当电池充电时，0≤SOC<10，第一个灯闪烁，其他灯熄灭；10≤SOC<25，第一个灯常亮，第二个灯闪烁，其他灯熄灭；25≤SOC<50，第一个、第二个灯常亮，第三个灯闪烁，其他灯熄灭；50≤SOC<75，第一个、第二个、第三个灯常亮，第四个灯闪烁，其他灯熄灭；75≤SOC<99，第一个、第二个、第三个、第四个灯常亮，第五个灯闪烁；SOC＝100，全部灯常亮；当电池待机或者放电时，SOC＝0，全部灯熄灭；0

实施例2

一种功率可扩展模块化携行储能电源的控制策略，包括直流充电控制策略、交流充电控制策略、直流放电控制策略、交流放电控制策略。

所述的直流充电控制策略为MPPT直流输出端通过主控机控制与功率一体机直流端、储能电池模组的BMS直流输入端并接形成直流母线，光伏组件通过母线给电池充电。

所述的交流充电控制策略为通过主控机控制将功率一体机交流输入端、功率一体机的逆变电路、功率一体机直流输出端、储能电池模组的BMS直流输入端并接形成交流转直流母线，市电插入后给电池充电。

所述的直流放电控制策略为当储能电池模组有电时，通过主控机控制将储能电池模组的BMS直流输出端、功率一体机直流端并接形成直流母线，储能电池模组通过直流母线给负载充电；当储能电池模组没电但光伏满足负载功率时，MPPT直流输出端通过主控机控制与功率一体机直流端、储能电池模组的BMS直流输入端并接形成直流母线，光伏组件通过母线给负载充电；当储能电池模组没电但光伏满足不了负载功率、且有市电时，MPPT直流输出端通过主控机控制与功率一体机直流端、储能电池模组的BMS直流输入端并接形成直流母线，光伏组件通过母线给负载充电，同时通过主控机控制将功率一体机交流输入端、功率一体机的逆变电路、功率一体机直流输出端、负载并接形成交流转直流母线，市电插入后给负载充电；当储能电池模组没电也无光伏、但有市电时，通过主控机控制将功率一体机交流输入端、功率一体机的逆变电路、功率一体机直流输出端、负载并接形成交流转直流母线，市电插入后给负载充电。

所述的交流放电控制策略为当储能电池模组有电时，通过主控机控制将储能电池模组的BMS直流输出端、功率一体机直流端、逆变电路、功率一体机交流输出端并接形成直流转交流母线，储能电池模组通过直流转交流母线给负载充电；当储能电池模组没电但光伏满足负载功率时，MPPT直流输出端通过主控机控制与功率一体机直流端、逆变电路、功率一体机交流输出端并接形成直流转交流母线，光伏组件通过直流转交流母线给负载充电；当储能电池模组没电但光伏满足不了负载功率、且有市电时，MPPT直流输出端通过主控机控制与功率一体机直流端、逆变电路、功率一体机交流输出端并接形成直流转交流母线，光伏组件通过直流转交流母线给负载充电，同时通过主控机控制将旁路模块开启，市电插入后给负载充电；当储能电池模组没电也无光伏、但有市电时，通过主控机控制将通过主控机控制将旁路模块开启，市电插入后给负载充电。

进一步的，所述的功率可扩展模块化携行储能电源的主控板在实现上述功能之前，还需完成系统上电检测，检测按键状态和各单机状态实现系统的启停功能、逆变输出功能、待机降功耗功能，通过BMS完成系统加热功能，同时完成系统的故障诊断功能。

进一步的，所述的功率可扩展模块化携行储能电源的主控板在实现上述功能的同时，还可通过指示灯反馈系统运行状态，电池荷电状态，输入是否有效，输出是否建立，提示用户充电和故障报修。

进一步的，所述的功率可扩展模块化携行储能电源的功率一体机要实现上述功能，需满足如下要求：功率一体机内部的控制板通过主控板的启动控制信号进行启停信号的检测，可实现一键开关机；所述的旁路模块在有交流输出需求时，自检有交流输入，交流输入正常时，旁路模块启动；若交流输入异常，旁路模块停止工作，由逆变模块对外输出。

进一步的，所述的储能电池模组的工作状态受BMS控制，其控制策略如下：充电模式时，BMS在检测到与功率一体机连接且充电电压大于内部电池电压0.5V以上时，开启充电MOSFET进行充电。充电电流达到有效充电流时，进入充电模式。充电模式下充、放电MOSFET都闭合；浮充模式时，BMS在检测到与功率一体机连接，而因充电电流、充电温度等充电异常保护不能进行正常充电或是外部充电电压靠近内部电池电压而产生不了有效充电电流时，进入浮充模式。浮充模式下，充电MOSFET断开，在低温告警、低温保护时自动启动加热；放电模式时，BMS在检测到负载连接且放电电流达到有效放电电流时，进入放电模式；待机模式时，以上四种模式都不满足时，进入待机模式；关机模式时，正常待机4小时及以上、电池触发欠压保护、执行按键关机或主控机执行关机命令，BMS进入关机模式；关机模式的唤醒条件：1、充电激活；2、通讯唤醒。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。