电力储能装置

技术领域

本公开涉及电池储能技术领域，尤其涉及一种电力储能装置。

背景技术

储能是我国实现碳达峰、碳中和战略部署的关键一环，主要包括电厂侧、电网侧和用户侧三大类应用。面向电厂侧和电网侧，主要包括平抑新能源电站出力波动、电厂调峰调频、电网电压支撑与需求侧响应、实现可控负荷以及移谷削峰等示范与应用。在用户侧储能应用的移动通信基站机房场景，根据尖峰平谷复费率电价，通过增加并联安装在基站48V通信电源母线上的储能装置，在谷时充电、峰时放电实现基于峰谷电价差的电费收益。

由于每个基站的电池模块容量均不完全一致，为每个基站单独设计或生产制造不同电池模块容量的储能装置并不现实。现有技术中的储能装置，采用固定电池模块容量配置，一般为固定的15串或16串电池、及其相应配套的电池管理系统构成48V或51.2V电池模块，在匹配不同用电负载时，匹配程度非常粗放，很难满足基站不同负载条件下的储能容量需求。如何更好的使储能容量适配负载，使之更为接近负载所需容量成为需要解决的问题。

发明内容

本公开提供了一种电力储能装置，以解决现有技术中储能装置的容量与基站用电负载不匹配的问题。

根据本公开的一方面，提供了一种电力储能装置，包括：

机架、至少一个机架隔板、基础电池模块、至少一个可扩展电池模块、电力电子变流器、计量通信保护模块；

基础电池模块、至少一个可扩展电池模块、电力电子变流器、计量通信保护模块之间依次通过柔性母排相连接，且分别置于各自对应的机架隔板上，并与对应的机架隔板及机架固定连接；

基础电池模块、每个可扩展电池模块均包含多个电池单体，每个可扩展电池模块包含的电池单体的总容量小于基础电池模块包含的电池单体的总容量。

在一种可能的实施方式中，基础电池模块、至少一个可扩展电池模块、电力电子变流器、计量通信保护模块按照从下到上的顺序分别置于各自对应的机架隔板上，并与对应的机架隔板及机架固定连接。

在一种可能的实施方式中，基础电池模块、至少一个可扩展电池模块、电力电子变流器、计量通信保护模块和至少一个机架隔板各自的前面板均设置有对应的安装孔，且通过各自对应的安装孔与机架螺栓连接。

在一种可能的实施方式中，基础电池模块或每个可扩展电池模块中的多个电池单体串联，各电池单体之间通过硬性母排相连接，各电池单体各自对应有电池管理系统，电池管理系统用于监测电池单体的运行状态。

在一种可能的实施方式中，基础电池模块和每个可扩展电池模块均具有外壳，基础电池模块或每个可扩展电池模块中的多个电池单体与外壳绝缘，外壳与机架隔板绝缘。

在一种可能的实施方式中，柔性母排包括软连接部分和硬连接部分；软连接部分位于柔性母排的中间位置，软连接部分由多层铜箔、编织带、多层薄铜板叠加构成，软连接部分的外层包覆有绝缘层；硬连接部分位于柔性母排的两端，硬连接部分设置有安装孔和开孔。

在一种可能的实施方式中，电力电子变流器由印刷电路板(Printed CircuitBoard，PCB)、双向调控元器件和PCB安装功率螺母构成，通过PCB安装功率螺母和柔性母排将PCB和相邻的可扩展电池模块固定连接。

在一种可能的实施方式中，计量通信保护模块包括双向计量表计、数据转换单元(Data Transfer unit，DTU)、保护开关和防雷装置。

在一种可能的实施方式中，机架包括底座和U型立柱；U型立柱与底座通过螺栓固定连接；至少一个机架隔板与U型立柱通过螺栓固定连接。

在一种可能的实施方式中，装置还包括绝缘的保护罩壳，保护罩壳覆盖安装在基础电池模块、至少一个可扩展电池模块、电力电子变流器、计量通信保护模块的前面板上。

本公开技术方案中的电力储能装置，通过基础电池模块和可扩展电池模块相结合的方式实现电池模块的功能，基础电池模块可以满足应用场景范围内基站机房年最小功率负载，实现粗匹配；可扩展电池模块可以通过堆叠的方式，增加在基础电池模块之上，实现细匹配，从而实现了电池模块容量与用电负载精细匹配。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：

图1为本公开一实施例中机架和机架隔板的示意图；

图2为本公开一实施例中电力储能装置的右视图；

图3为本公开一实施例中柔性母排的示意图；

图4为本公开一实施例中电力电子变流器的示意图；

图5为本公开一实施例中电力储能装置的示意图；

图6为本公开一实施例中机架叠加的示意图；

图7为本公开一实施例中机架叠加的右视图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

相关技术中，储能装置中的储能电池一般为磷酸铁锂电池，由于储能装置电池模块容量与计划放电时间长度和基站机房负载功率紧密相关，需根据实际负载功率情况和峰时时间长度来灵活配置电池模块容量，一般放电深度(Depth of Discharging，DoD)取80％-90％。

电池模块容量＝实际负载平均功率*峰时时间长度/放电深度；或，

最低电池模块容量＝实际负载年最小功率*峰时时间长度/放电深度。

相关技术中采用固定电池模块容量配置，主要方式是：

(1)固定的15串或16串电池、及其相应配套的电池管理系统构成48V或51.2V电池模块，整体储能装置出厂前做好电池管理系统布线，通过通信电池合路器装置或直接并联在基站48V通信电源母线上；

(2)多采用50Ah、100Ah或固定Ah数的电池单体组成电池模块，匹配不同负载时，增加或减少电池模块总容量以单个48V或51.2V电池模块容量为最小单位。

上述实现方式存在以下缺点：

(1)交流并网难以精确匹配。基站机房整体用电负载功率一般为5-10kW，空调系统的自动运行启停对负载影响较大，储能装置在交流配电网并网运行过程中，高于负载功率的上网电量没有收益，造成资源浪费，因此储能放电功率需要做到100％消纳；

(2)直流并网难以精确匹配。在直流微电网并网运行过程中，储能装置发电功率超出负载用电功率将引起直流母线过压或48V通信电源母线故障保护；同时，电池模块容量若高于在峰时放电期间直流负载所需用电量，则电池模块将出现超配，造成容量浪费，延长投资回收期；

(3)减少储能装置容量推高系统单价。若通过减少固定电池模块数量来减少基站储能装置容量，由于最小单位是15串或16串配置，每次储能装置容量减少的跨度单位配置越大，储能装置其他部分的成本占比相对增加越大，造成单位电量的投资成本增加，对投资收益率影响较大；

(4)减少电池单体容量推高电池管理系统成本及复杂度。采用更小Ah数如50Ah以内的电池单体组装为电池模块，可在一定程度提高电池模块的容量细分程度，但增加了电池管理系统的布线数量、成本和组装难度和调试难度，增加电池单体并联数量，电池模块特性受电池单体串联和并联一致性影响较大，不利于储能装置充放电循环寿命，无法解决储能装置在全寿命周期内的匹配问题；

(5)不满足主流高能量密度电池单体发展趋势。随着5G基站部署的实际投放和数量扩展，基站用电量将增加2倍以上，共享基站机房的不同运营商将增加，基站用电量将继续增加，实现基于峰谷电价差的电费收益应用，采用固定电池模块容量配置与用电负载匹配，由于增加或减少电池模块总容量以单个电池模块容量为最小单位，因此匹配程度非常粗放，电池单体容量越大，此种状况就越为明显，尤其是目前电池单体容量的能量密度在不断提升，对电池模块的能量密度和功率密度要求都不断增加，280Ah及330Ah以上的电池单体已经成为应用趋势，因此，采用固定电池模块容量很难满足基站不同负载条件下的储能容量需求。

为此，本发明提出一种电力储能装置，通过基础电池模块和可扩展电池模块相结合的方式，以机架式固定方式为基础，通过柔性母排连接不同容量的电池模块，实现电池模块总容量与基站机房负载功率最大程度匹配，以解决固定电池模块容量配置方式无法适应大规模基站机房负载的问题。

本公开技术方案中的电力储能装置，可以应用在移动通信基站机房场景中，根据尖峰平谷复费率电价，通过并联在基站通信电源母线上，在谷时充电、峰时放电，实现基于峰谷电价差的电费收益应用；也可应用在数据中心后备电源、带有储能装置的充电桩等直流储能系统进行峰谷电价差增值服务的场景中。

图1为本公开一实施例中机架和机架隔板的示意图。如图1所示，机架可以是落地式重载机架，包括两个U型立柱11和底座12，其中，底座12包括两个L型角型材，底座上设置有安装孔16，可以通过安装孔16将底座固定在地面上；U型立柱11的前面板15上设置有多个安装孔14，通过安装孔14可以将U型立柱11和机架隔板13进行螺栓连接；通过安装孔14可以将U型立柱11和底座12进行螺栓连接。

图2为本公开一实施例中电力储能装置的右视图。如图2所示，本公开中的电力储能装置可以包括：

机架21、至少一个机架隔板22、基础电池模块23、至少一个可扩展电池模块24、电力电子变流器25、计量通信保护模块26；

基础电池模块23、至少一个可扩展电池模块24、电力电子变流器25、计量通信保护模块26之间依次通过柔性母排27相连接，且分别置于各自对应的机架隔板22上，并与对应的机架隔板22及机架21固定连接；

基础电池模块23、每个可扩展电池模块24均包含多个电池单体，每个可扩展电池模块24包含的电池单体的总容量小于基础电池模块23包含的电池单体的总容量。

其中，基础电池模块23、至少一个可扩展电池模块24、电力电子变流器25、计量通信保护模块26，与机架隔板和机架的固定方式可以包括以下两种：

第一种是将基础电池模块23、至少一个可扩展电池模块24、电力电子变流器25、计量通信保护模块26之间依次通过柔性母排27相连接，且分别置于各自对应的机架隔板22上，并与各个机架隔板22固定连接，再将各个机架隔板22固定在机架21上；

第二种是将基础电池模块23、至少一个可扩展电池模块24、电力电子变流器25、计量通信保护模块26之间依次通过柔性母排27相连接，且分别置于各自对应的机架隔板22上，将基础电池模块23、至少一个可扩展电池模块24、电力电子变流器25、计量通信保护模块26和各自对应的机架隔板22一起固定连接在机架21上。

其中，基础电池模块23、至少一个可扩展电池模块24、电力电子变流器25、计量通信保护模块26，每个模块对应一个机架隔板，各模块放置在各自对应的机架隔板22上(图中未示出)，并与机架隔板22固定连接。

可以理解的是，各个模块和机架隔板22、机架21的固定方式还可以包括任意其他方式，本公开对此不做限定。

其中，电池单体是实现化学能和电能相互转化的基本单元，由正极、负极、隔膜、电解质、壳体和端子等组成。基础电池模块23、每个可扩展电池模块24均包含多个电池单体，基础电池模块23包含的电池单体的总容量可以根据应用场景范围内基站机房的年最小功率负载来确定，满足年最小功率负载，通过每个可扩展电池模块24包含的电池单体的总容量，来实现基站机房实际负载的精细匹配。其中，可扩展电池模块的具体数量可以根据应用场景基站机房的实际负载来确定。

在一个可选的实施中，基础电池模块23采用固定数量的单体串联满足年最小功率负载，可扩展电池模块24采用最少数量为2串电池单体串联，与现有技术相比，整体结构上不受15串或16串电池的制约，解决了现有技术中48V或51.2V电池模块带来的储能装置容量增加或减少跨度单位过大的问题，储能装置容量最小跨度单位为2串电池单体容量之和，间接降低了单位电量的投资成本。而且可以兼容更大的主流容量为280Ah及330Ah以上的电池单体。

本公开技术方案中的电力储能装置，通过基础电池模块和可扩展电池模块相结合的方式实现电池模块的功能，基础电池模块可以满足应用场景范围内基站机房年最小功率负载，实现粗匹配；可扩展电池模块可以通过堆叠的方式，增加在基础电池模块之上，实现细匹配，从而实现了电池模块容量与用电负载精细匹配。

另外，本公开中的电力储能装置通过基础电池模块和可扩展电池模块，采用堆叠方式，两种模块可按照实际基站负载现场配置组合堆叠，通过柔性母排连接不同容量的电池模块单元，使得不同基站部署不同容量电池模块的现场适配、组装简单，易于操作。

在一种可能的实施方式中，基础电池模块、至少一个可扩展电池模块、电力电子变流器、计量通信保护模块按照从下到上的顺序分别置于各自对应的机架隔板上，并与对应的机架隔板及机架固定连接。

本公开实施例中，将基础电池模块、至少一个可扩展电池模块、电力电子变流器、计量通信保护模块按照从下到上的顺序放置可以缩短直流配电线路长度，节省成本；同时，由于基础电池模块和可扩展电池模块的重量都比较重，上述放置顺序可以确保结构设计的稳定性。

可以理解的是，基础电池模块、至少一个可扩展电池模块、电力电子变流器、计量通信保护模块的放置顺序还可以是其他任意顺序，本公开对此不做限定。

在一种可能的实施方式中，基础电池模块、至少一个可扩展电池模块、电力电子变流器、计量通信保护模块和至少一个机架隔板各自的前面板均设置有对应的安装孔，且通过各自对应的安装孔与机架螺栓连接。

本公开实施例中，可以通过各模块前面板上设置的安装孔，各模块对应的机架隔板的前面板上的安装孔，以及机架的U型立柱的前面板上的安装孔，一起通过螺栓进行固定连接。

在一种可能的实施方式中，基础电池模块或每个可扩展电池模块中的多个电池单体串联，各电池单体之间通过硬性母排相连接，各电池单体各自对应有电池管理系统，电池管理系统用于监测电池单体的运行状态。

其中，基础电池模块和可扩展电池模块内部电池单体可以为串连形式，各电池单体可以具有独立的电池管理系统，电池管理系统可以通过电池单体的电压数据、电流数据等监控电池单体的运行状态，可选的，电池管理系统可以是电池单体监测器。本公开实施例中，各电池单体具有独立的电池管理系统，在满足适配灵活性的基础上，还可以满足电池管理系统的功能需求。

其中，基础电池模块和可扩展电池模块内部电池单体之间采用硬母排连接；可扩展电池模块中的电池单体串联总容量小于基础电池模块内部电池单体串联总容量。基础电池模块内部的电池单体的数量可以根据电力储能装置应用场景内基站机房的年最小功率负载以及每个电池单体的容量来确定，可扩展电池模块中的电池单体的具体数量可以根据机房的实际负载以及每个电池单体的容量来确定。

在一种可能的实施方式中，基础电池模块和每个可扩展电池模块均具有外壳，基础电池模块或每个可扩展电池模块中的多个电池单体与外壳绝缘，外壳与机架隔板绝缘。

其中，可以通过在电池单体外层覆盖绝缘层的方式与外壳绝缘，还可以通过绝缘材料制造外壳，以实现电池单体和外壳、外壳和机架隔板的绝缘，避免触电。

可以理解的是，实现电池单体和外壳、外壳和机架隔板的绝缘还可以通过其他任意的处理方式，本公开对此不做限定。

在一种可能的实施方式中，柔性母排包括软连接部分和硬连接部分；软连接部分位于柔性母排的中间位置，软连接部分由多层铜箔、编织带、多层薄铜板叠加构成，软连接部分的外层包覆有绝缘层；硬连接部分位于柔性母排的两端，硬连接部分设置有安装孔和开孔。

图3为本公开一实施例中柔性母排的示意图，如图3所示，柔性母排包括软连接部分31和硬连接部分32，软连接部分31位于柔性母排的中间位置，由多层铜箔、编织带、多层薄铜板叠加构成，软连接部分31的外层包覆有绝缘层；硬连接部分32位于柔性母排的两端，硬连接部分32设置有安装孔33和开孔34，其中，安装孔33用于柔性母排和各模块进行连接，柔性母排厚度可以为至少为0.3mm，宽度可以至少为10mm；柔性母排两端的硬连接部分32镀锡，安装孔直径可以是至少为5mm规格，且至少一端安装孔区域内有一处开孔，开孔的直径可以是3mm，开孔用于电池管理系统的电气线路端子连接。

在一种可能的实施方式中，电力电子变流器由PCB、双向调控元器件和PCB安装功率螺母构成，通过PCB安装功率螺母和柔性母排将PCB和相邻的可扩展电池模块固定连接。

其中，电力电子变流器是指对基础电池模块和可扩展电池模块的电池电压、电流进行双向调节与控制的电力电子装置，双向即电能的流向控制，实现充电和放电等功能调节与控制。电力电子变流器可以由印刷电路板PCB、双向调控元器件和PCB安装功率螺母构成。

图4为本公开一实施例中电力电子变流器的示意图，如图4所示，电力电子变流器包括PCB安装功率螺母41、双向调控元器件42和印刷电路板PCB43，电力电子变流器置于机架隔板44上，柔性母排45进行90度弯折，柔性母排45的硬连接部分的一端和PCB安装功率螺母41通过螺栓连接，柔性母排45的硬连接部分的另一端和相邻的电池模块46通过螺栓固定连接。

在一种可能的实施方式中，计量通信保护模块包括双向计量表计、数据转换单元DTU、保护开关和防雷装置。

其中，计量通信保护模块可以是集成了计量、通信和保护三种功能的模块，也可以是每种功能各自成为一个模块。其中，计量功能可以通过双向计量表计来实现，双向计量表计可以是双向计量的直流电表；通信功能可以通过具备远程无线通信能力的DTU来实现，远程无线通信方式可以是4G、窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)等，通过DTU实现与其他模块的数据连接，传输功能调节与控制、监测等信息；保护开关可以是保护基础电池模块或可扩展电池模块的直流空气开关或电子开关。

可选的，双向计量表计的显示面板与机架隔板前面板朝向相同；电力电子变流器和计量、通信与保护模块，均有金属外壳。

在一种可能的实施方式中，机架包括底座和U型立柱；U型立柱与底座通过螺栓固定连接；至少一个机架隔板与U型立柱通过螺栓固定连接。

其中，机架可以是落地式重载机架，左右对称，由工业级金属板材和角型材等组成，至少包含一个底座，由2个L型角型材构成，底座上设置有安装孔以固定在地面上；机架还可以包括至少两根U型立柱，U型立柱的宽度可以是30mm以上，能够承受沿高度方向均匀分布的100kg以上的重量，U型立柱的前面板上设有机架隔板安装孔，可以通过安装孔将机架隔板和机架螺栓连接。

在一种可能的实施方式中，装置还包括绝缘的保护罩壳，保护罩壳覆盖安装在基础电池模块、每个可扩展电池模块、电力电子变流器、计量通信保护模块的前面板上。

其中，各模块通过柔性母排完成连接后，可以采用柔性或刚性绝缘的保护罩壳，从上到下一次覆盖安装在全部模块前面板处，或从上到下依次覆盖安装在单个模块前面板处。

图5为本公开一实施例中电力储能装置的示意图，如图5所示，基础电池模块51、可扩展电池模块52、电力电子变流器53和计量通信保护模块54，堆叠放置在机架55上，每两个相邻模块的前面板通过两个柔性母排56相连接。其中，基础电池模块51、每个可扩展电池模块52均包含多个电池单体，每个可扩展电池模块52包含的电池单体的总容量小于基础电池模块51包含的电池单体的总容量。

图6为本公开一实施例中机架叠加的示意图，如图6所示，在基础电池模块或可扩展电池模块容量增加、数量增加，电力电子变流器等模块所需空间和承重增加的情况下，落地式重载机架可前后叠加为两个甚至更多。其中，每个机架包括两个U型立柱61，底座62，U型立柱61的前面板上设置有安装孔63，机架隔板可以通过安装孔63和U型立柱螺栓连接，底座62上设置有安装孔64，可以通过安装孔64将底座62固定安装在地面上。

图7为本公开一实施例中机架叠加的右视图，如图7所示，两个机架前后叠加放置，并在机架隔板上放置各个模块之后，可以在全部模块前面板处安装保护罩壳71，将保护罩壳71从上到下一次覆盖安装在全部模块的前面板处，起到保护作用。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。