梯次利用动力锂电池储能系统的测控系统多级安全隔离架构

技术领域

本发明涉及电力电子与梯次利用退役动力锂电池的储能系统安全技术领域，具体涉及一种梯次利用退役动力锂电池储能系统的多级安全隔离架构。

背景技术

相比其他储能形式，基于锂电池的储能方式其具有能量密度高、循环寿命长、效率高等优势，但是其价格居高不下。而随着电动汽车近年来逐渐普及，将产生大量的退役动力锂电池。这些退役电池通常还保有初始容量70%~80%的剩余容量，因此退役动力锂电池的梯次利用有利于降低大规模储能系统的建设成本，有利于储能技术的普及。

储能电站中集中安放的电池容量巨大，而锂电池的集中式应用的安全隐患非常突出且长期被忽视，在当前技术水平和工艺水平下，锂电池电芯的热失控与爆燃具有较高的几率。大量电动汽车燃烧事故反映出传统消防措施极难控制火势。电力储能站中集中放置的动力电池相当于几十甚至几百辆汽车的电池，如电池模组开放式地层叠在货架类的空间，此处加入上面的内容其中几万个单体电芯只要有一个发生热失控引起爆燃，则会引燃整个站点，现有的消防措施根本无法扑灭。目前在集中式储能示范工程较为积极的韩国，已有超过40个站点发生自燃而全站烧毁，占其全部储能站点的多数。因此，已有的技术中提出采用仓位之间相互隔离的方式来防止锂电池组爆燃延烧整个站点，同时进行仓位内消防。然而，尽管物理上分隔，但传统上各组电池的BMS的控制电源和CAN总线都连在一起，在其中一组爆燃时会在CAN总线上产生不可知高压从而影响与CAN相连的其他BMS板和上位机，进而造成次生灾害，如附图的图1所示。

因此，各电池组对应的BMS板的控制供电与通信的电气与控制信号架构上需要保证在一组电池爆燃时储能站其他部分电池组及其上位机的安全。因此，电气与控制信号架构上需要新型多级安全隔离架构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供梯次利用动力锂电池储能系统的测控系统多级安全隔离架构，达到BMS的控制电隔离，各BMS板与通信总线之间的隔离，通信总线与上位机之间的隔离。大大提高仓位和上位机在电气和控制信号架构上的安全性。

本发明技术方案是：梯次利用动力锂电池储能系统的测控系统多级安全隔离架构，所述多级安全隔离架构包含BMS板的控制电源的隔离环节、各仓位内电池组的BMS板与通信总线间的隔离环节、通信总线与上位机之间的隔离环节；

所述BMS板的控制电源的隔离环节是BMS板由对应的电池组分别供电，并采用控制电源隔离，BMS板采集对应电池组的状态数据，并经过通信总线汇总至上位机；

所述各仓位内电池组的BMS板与通信总线间的隔离环节是每个BMS板通过隔离环节与通信总线进行连接，而通信总线是BMS板与上位机之间的唯一电气信号连接；

所述通信总线与上位机之间的隔离环节是通信总线与上位机通过隔离环节进行连接，从而保证上位机在某个仓位电池组爆燃事故时，且当BMS板与通信总线间的隔离环节被此事故击穿时，全站控制仍然可靠运行。

作为本发明的进一步方案，所述BMS板所连接和监控的电池组各自独立浮地或进一步串并联成组。

作为本发明的进一步方案，所述BMS板的控制电源由其连接与监控的电池组来通过电压变换隔离电路进行供电，而非统一供电或外部供电。

作为本发明的进一步方案，所述通信总线采用CAN总线。

作为本发明的进一步方案，作为上位机和各个BMS板与通信总线之间的隔离环节采用光纤或光耦方式。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的梯次利用退役动力锂电池储能系统的测控系统多级安全隔离架构，BMS板的供电与传统统一供电不同，本发明利用BMS板所要采集信息的电池组进行供电。依据电池组的负极非相连实现BMS板的控制电源隔离。

2、在将电池组分置于不同仓位内的物理隔离的基础上，本发明在储能系统内设计了多个位置的电气和控制信号隔离。每块BMS板与通信总线之间都仅通过隔离环节连接，也就是每个仓位的BMS是隔离的，且通信总线是BMS板与上位机之间的唯一电气信号连接。通信总线与上位机之间的隔离环节是通信总线与上位机通过隔离环节进行连接，从而保证上位机在某个仓位电池组爆燃事故时，且当BMS板与通信总线间的隔离环节被此事故击穿时，全站控制仍然可靠运行。

附图说明

图1为传统的控制与通信总线架构下，某个仓位电池组爆燃产生次生灾害示意图；

图2为BMS的控制电源隔离示意图；

图3为各BMS板与通信总线之间的隔离；

图4为通信总线与上位机之间隔离的示意图；

图5为采用本发明的多级安全隔离架构时，灾害被限制在单个仓位内示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚、明白，下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。

实施例1，梯次利用动力锂电池储能系统的测控系统多级安全隔离架构，所述多级安全隔离架构包含BMS板的控制电源的隔离环节、各仓位内电池组的BMS板与通信总线间的隔离环节、通信总线与上位机之间的隔离环节；

所述BMS板的控制电源的隔离环节是BMS板由对应的电池组分别供电，并采用控制电源隔离，BMS板采集对应电池组的状态数据，并经过通信总线汇总至上位机；

所述各仓位内电池组的BMS板与通信总线间的隔离环节是每个BMS板通过隔离环节与通信总线进行连接，而通信总线是BMS板与上位机之间的唯一电气信号连接；

所述通信总线与上位机之间的隔离环节是通信总线与上位机通过隔离环节进行连接，从而保证上位机在某个仓位电池组爆燃事故时，且当BMS板与通信总线间的隔离环节被此事故击穿时，全站控制仍然可靠运行。

作为本发明的进一步方案，所述BMS板所连接和监控的电池组各自独立浮地或进一步串并联成组。

作为本发明的进一步方案，所述BMS板的控制电源由其连接与监控的电池组来通过电压变换隔离电路进行供电，而非统一供电或外部供电。

作为本发明的进一步方案，所述通信总线采用CAN总线。

作为本发明的进一步方案，作为上位机和各个BMS板与通信总线之间的隔离环节采用光纤或光耦方式。

实施例2，本发明的电池组可以是多个，本实施例以四个电池组为例对本发明进行详细描述。

如图1所示，展示了未采用多层安全隔离架构的动力锂电池储能系统的测控系统在电池组1爆燃引起的未可知高压顺着通信总线造成上位机和其他BMS板损坏的过程；

如图2所示，BMS板BMS1、BMS2、BMS3、BMS4，分别由各自仓位内的电池组1、电池组2、电池组3、电池组4的电压通过降压隔离变换为5V进行供电。实现了BMS板控制电的隔离。

如图3所示，各个BMS板拥有控制电源后采集电池组状态数据分别经过隔离环节传输到通信总线，实现各BMS板与通信总线之间的隔离。

如图4所示，各个BMS板采集的信息汇总到通信总线之后又必须经过光纤（光耦）隔离传输给与通信总线连接的上位机。

图5说明了本发明的有益效果。当实施例中的电池组1爆燃时，灾害被BMS1与CAN总线之间的隔离环节限制在仓位1内，无法在通信总线上产生不可知高压。即使BMS1与通信总线的隔离环节被击穿，通信总线与上位机和其他BMS板之间还有着另外一层隔离环节进行保护。

本发明在储能系统测控的各级环节中插入安全隔离形成多级安全隔离架构，能在电池爆燃事故发生时，避免爆燃产生的未知高压击穿系统内其他BMS板并引起其他组电池电芯的短路，从而大大提高了锂电池集中式储能系统的安全性。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，其中，BMS板和通信总线之间的隔离可以是光耦隔离、光纤隔离和磁耦隔离等。BMS板与上位机的交互方式可以采用CAN总线，也可以用其他通信方式，只要在中间加入隔离环节即可。尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。