CN117318228A - 电芯保护装置、储能系统及电芯保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供电芯保护装置、储能系统及电芯保护方法，通过在电芯电路并联第一开关，在电芯至少一极串联第二开关，当主控模块接收到电芯故障信息时，控制第一开关导通和控制第二开关断开，这样，电芯断路以脱离所在电芯组，同时第一开关提供短路通道，电信号继续通过第一开关传输，整个电池组还可以继续工作，避免出现整个电池组退出工作的问题，提升储能系统的工作效率。

Description

电芯保护装置、储能系统及电芯保护方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种电芯保护装置、储能系统及电芯保护方法。

背景技术

目前，储能系统的内部构成是，电芯串联组成电池组或电池包(pack)，pack串联组成簇，几个簇并联后接入储能逆变器(英文：Power Conversion System，缩写：PCS)。目前对于电芯的保护措施是pack级或者簇级别的，但未又涉及到电芯级别的保护。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种储电芯保护装置、储能系统及电芯保护方法，以解决相关技术涉及到电芯级别的保护的技术问题。

本发明实施例提供一种电芯保护装置，其包括：

电芯电路、第一开关、传感器和主控模块；

电芯电路包括具有正极和负极的电芯、及串联在正极和负极中至少一侧电极的第二开关，第二开关具有第一控制端、第一端和第二端，第一端和第二端与电芯串联，第一控制端接主控模块；

第一开关具有第二控制端、第三端和第四端，第二控制端接主控模块，第一开关通过第三端和第四端与电芯电路并联；

传感器与电芯连接，并与主控模块建立通信连接，传感器设置为对电芯进行故障检测，并将检测信号传输给主控模块；

主控模块接第一控制端和第二控制端，主控模块设置为，在检测信号显示电芯故障的情况下，通过第一控制端控制第一开关导通和通过第二控制端控制第二开关断开。

在一些实施例中，第一开关为MOS管，MOS管的栅极作为第一控制端，MOS管的源极作为第一端，MOS管的漏极作为第二端。

在一些实施例中，第二开关为MOS管，MOS管的栅极作为第二控制端，MOS管的源极作为第三端，MOS管的漏极作为第四端。

在一些实施例中，传感器包括气体类传感器、温度传感器、电压采集装置、电流采集装置中的至少一个。

在一些实施例中，电芯保护装置还包括：

电源，接电芯和主控模块，设置为从电芯取电并向主控模块供电。

在一些实施例中，电源为直流-直流转换器。

在一些实施例中，电芯保护装置还包括：

备用接口，与主控模块连接，设置为接入外部电源和通信模块，以通过通信模块上传电芯的检测信息。

在一些实施例中，主控模块与传感器之间设置为无线通信连接。

本公开实施例还提供一种储能系统，其包括上述任一电芯保护装置。

本公开实施例还提供一种电芯保护方法，该电芯保护方法是基于上述任一实施例的电信保护装置实现的，电芯保护方法应用于主控模块，电芯保护方法包括：

从传感器接收对电芯的故障检测信号；

在故障检测信号显示故障的情况下，控制第二开关断开且控制第一开关导通。

本发明所提供的电芯保护装置、储能系统及电芯保护方法具有如下优点：

通过在电芯电路并联第一开关，在电芯至少一极串联第二开关，当主控模块接收到电芯故障信息时，控制第一开关导通和控制第二开关断开，这样，电芯断路以脱离所在电芯组，同时第一开关提供短路通道，电信号继续通过第一开关传输，整个电池组还可以继续工作，避免出现整个电池组退出工作的问题，提升储能系统的工作效率。

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为相关技术的用于锂电池的电池保护模块的电路图；

图2展示本公开实施例提供的电芯保护装置的电路结构图；

图3为图2所示第一开关为PMOS管时的电学符号示意图；

图4为图2所示第一开关为PNP型三极管时的电学符号示意图；

图5是本公开实施例提供的电芯保护方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本申请所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用系统，本申请中的各项细节也可以根据不同观点与应用系统，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面以附图为参考，针对本申请的实施例进行详细说明，以便本申请所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本申请可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。

在本申请的表示中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的表示意指结合该实施例或示例表示的具体特征、结构、材料或者特点包括于本申请的至少一个实施例或示例中。而且，表示的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本申请中表示的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于表示目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本申请的表示中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了明确说明本申请，省略与说明无关的器件，对于通篇说明书中相同或类似的构成要素，赋予了相同的参照符号。

虽然未不同地定义，但包括此处使用的技术术语及科学术语，所有术语均具有与本申请所属技术领域的技术人员一般理解的意义相同的意义。普通使用的字典中定义的术语追加解释为具有与相关技术文献和当前提示的内容相符的意义，只要未进行定义，不得过度解释为理想的或非常公式性的意义。

图1展示相关技术的一种用于锂电池的电池保护模块的电路图，当电放电欠压、电芯1充电电压过高或温度过高时，控制电路2通过控制MOS管3关断，来控制电芯负极输出。

相关技术的电池保护模块只适用于消费级的小容量、电流输出20A以内的电池，这类的电池体积小、输出小，所以保护电路用一片专用IC(Integrated Circuit)即可实现功能。

而储能行业内应用的电芯容量都要达到100AH以上，更有甚者可能达到300AH以上，储能电芯在充放电时电流都是几百安培，所以器件选型和电路的设计都要更加严谨。同时，由于储能系统中的电芯串联，如果一节电芯有问题断开后，整个电池组都不能使用了。

本公开实施例提出一种电芯级保护方案，确保一节电芯有问题断开后，整个电池组还能继续使用。

图2展示本公开实施例提供的电芯保护装置的电路图，如图2所示，该电芯保护装置包括：

电芯电路10、第一开关20、传感器30和主控模块40；

电芯电路10包括具有正极和负极(图中未示出)的电芯11、及串联在正极和负极的第二开关12，第二开关12具有第一控制端、第一端和第二端(图中未示出)，第一端和第二端与电芯11串联，第一控制端接主控模块40；

第一开关20具有第二控制端、第三端和第四端(图中未示出)，第二控制端接主控模块40，第一开关20通过第三端和第四端与电芯电路10并联；

传感器30与电芯11连接，并与主控模块40建立通信连接，传感器30设置为对电芯11进行故障检测，并将检测信号传输给主控模块40；

主控模块40接第一控制端和第二控制端，主控模块40设置为，在检测信号显示电芯11故障的情况下，通过第一控制端控制第一开关20导通和通过第二控制端控制第二开关12断开。

使用本实施例，当电芯11发生故障，可以直接断开电芯11，同时通过使第一开关20导通，第一开关20提供短路通路，使得电信号继续通过第一开关20传输，保证包含电芯11的电池组内的其他电芯还能正常对外工作，使得整个电池组继续工作，避免出现电池组整体退出工作的问题。

本实施例可以应用在大功率电芯的场合，安装方式可以根据电芯结构，直接与电芯组合安装做成一体化电芯。

在本公开实施例中，结合图3所示，第一开关20为MOS管，MOS管的栅极G作为第一控制端，MOS管的源极S作为第一端，MOS管的漏极D作为第二端。

图3所示MOS管为NMOS管，电流从源极S流向漏极D。在另一实施例中，MOS管为PMOS管，电路从漏极流向源极。在应用时，根据MOS管的类型和实际的电流方向设置第一开关的连接方式。

在本公开其他实施例中，如图4所示，第一开关20还可以是三极管，基极B作为第一控制端，集电极C作为第一端，发射极E作为第二端。其中，图4所示三极管为PNP型，还可以选择NPN型。在应用时，根据实际电流方向设置第一开关的连接方式。

在本公开实施例中，图2所示第二开关12可以为MOS管，MOS管的栅极作为第二控制端，MOS管的源极作为第三端，MOS管的漏极作为第四端。其中，MOS管为NMOS管或PMOS管。

在另外实施例中，第二开关还可以是三极管，基极作为第二控制端，集电极作为第三端，发射极作为第四端。其中，该三极管可以为PNP型或NPN型。

在图2所示实施例中的电芯11的正极及负极分别接不同的第二开关12，这可以确保其中一路第二开关20故障时，另一路第二开关20也能够保持正常断开，使电芯11脱离开pack，从而提升本实施例电芯保护装置的成功率。

在另一实施例中，也可以在电芯正极及负极中的一极接第二开关，第一端和第二端与电芯串联。

因此，可以在电芯的正极和负极中的至少一极接第二开关，第一端和第二端与电芯串联。

在本公开实施例中，主控模块40中可置入计算机程序，通过运行计算机程序对来自各传感器4的故障检测信号进行处理，判断电芯11是否故障，以作出响应，例如在判断为故障电芯的情况下，向第一开关20和第二开关12发送控制信号。进一步地，还可以通过运行计算机程序，判断电芯11的故障类型，例如是否不可逆，并可以及时上报。

在另外实施例中，主控模块40可以在电芯11故障的情况下，上报报警信号。

在一种实施例中，主控模块40可以选择微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)，又叫单片机(英语：single-chip microcomputer)，是把中央处理器、存储器、定时/计数器(timer/counter)、各种输入输出接口等集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。在应用时，将相应的计算机程序写入MCU。

在本公开实施例中，如图2所示，传感器30可以包括气体类传感器31、温度传感器32、电压采集装置33及电流采集装置34。

在相应实施例中，气体类传感器31设置为测量电芯周围的异常气体浓度。例如在电芯31内燃烧时产生一氧化碳、氢气、二氧化碳等气体，此时气体类传感器31采集这些燃烧气体的气体浓度，并将气体浓度作为检测信号传输给主控模块40，主控模块40设置为比较采集的气体浓度与阈值，并在气体浓度超标时向第一控制端和第二控制端发送控制信号。

在一种实施例中，气体类传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器，其包括半导体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、电化学气体传感器及光学气体传感器。

本实施例的气体类传感器31使用固态电解质气体传感器，这种传感器元件为离子对固体电解质隔膜传导，称为电化学池，分为阳离子传导和阴离子传导，是选择性强的传感器，研究较多达到实用化的是氧化锆固体电解质传感器，其机理是利用隔膜两侧两个电池之间的电位差等于浓差电池的电势。

在一种实施例中，温度传感器32采集电芯11内的温度值并传输给主控模块40。主控模块40根据实时采集的温度值判断电芯11温度是否过高，如是否超出温度阈值，并可在温度过高时，控制电芯11脱离所在pack，并可同时上报高温预警。

在一种实施例中，电压采集装置33及电流采集装置34用于采集电信号，主控模块40对电信号进行异常判断，以判定电芯11是否存在故障。

在本公开实施例中，气体类传感器31安装于电芯11的盖板，并伸入盖板内侧，以采集电芯11内的气体。

在本公开实施例中，如图2所示，电芯保护装置还包括：

电源5，接电芯11和主控模块40，设置为从电芯11取电并向主控模块40供电。

在该实施例中，电芯11是主控模块40的供电源，电源5设置为从电芯11取电并向主控模块40供电。这样，无需从外部供电，有利于降低布线复杂度。

在一种实施例中，电源5为直流-直流转换器(DC-to-DC converter)，也称为DC-DC转换器或直流变压器，是电能转换的电路或是机电设备，可以将直流(DC)电源转换为不同电压的直流(或近似直流)电源。

使用DC-DC转换器，将电芯11输出直流电转换成相应电压的直流电源5，该电源5输出电压与主控模块40适配。

本公开实施例中，如图2所示，电芯保护装置还包括：

备用接口6，与主控模块40连接，设置为接入外部电源和通信模块(图中未示出)，以通过通信模块上传电芯的检测信息。

在一种实施例中，备用接口6用于，当电芯11发生故障而不可用时，此时主控模块40也不能正常工作，启动备用接口6，依靠外部电源对主控模块40进行供电。同时，将电芯11的故障检测信息通过通信模块上传到上层设备，以便及时处理故障电芯11。

因此，本实施例能够做到及时检测电芯故障，并排除故障。

在本公开实施例中，主控模块40和各传感器30之间设置为无线通信连接，或有线通信连接。对于无线通信连接，各传感器30中可以置入无线通信模块，通过无线通信模块与主控模块40进行通信，以向主控模块40传输电芯11的故障检测信息。

在相应实施例中，无线通信连接可以减少布线，不仅能够降本，还能降低产品布线冗余度。

本公开实施例还提供一种储能系统，该储能系统包括上述实施例的电芯保护装置。在储能系统中，这些电芯保护装置通过电芯11串联在一起，这些电芯保护装置可以共用一主控模块40，也可以每个电芯保护装置配置一个对应的主控模块40，也可以部分电芯保护装置共用一个主控模块40。

图5为本公开实施例提供的电芯保护方法的流程图，该电芯保护方法是基于图2所示电芯保护装置实现的，并具体应用于主控模块40，如图5所示，该电芯保护方法包括但不限于如下步骤：

步骤510：从传感器接收对电芯的故障检测信号；

步骤520：在故障检测信号显示故障的情况下，控制第二开关断开且控制第一开关导通。

使用本方法，当电芯故障时，通过控制第二开关断开，将故障电芯脱离其所在pack，同时控制第一开关导通，则第一开关提供短路通道，电信号继续通过第一开关进行传输。在此种情况下，故障电芯所在pack还能继续对外工作，减轻储能系统性能下降的问题。

在一种实施例中，在从传感器获得故障检测信号的情况下，还可以根据故障检测信号判断电芯是否发生故障。对此，可参考上文有关传感器的内容，在此不再赘述。

在一种实施例中，还可以在故障检测信号显示故障的情况下，不仅可以自动响应以控制电芯脱离pack，还可以上报故障通知信号，该故障通知信号可以包含故障预警信息，提醒相关人员及时排除故障。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电芯保护装置，其特征在于，包括：

电芯电路、第一开关、传感器和主控模块；

所述电芯电路包括具有正极和负极的电芯、及串联在所述正极和负极中至少一侧电极的第二开关，所述第二开关具有第一控制端、第一端和第二端，所述第一端和第二端与所述电芯串联，所述第一控制端接所述主控模块；

所述第一开关具有第二控制端、第三端和第四端，所述第二控制端接所述主控模块，所述第一开关通过所述第三端和第四端与所述电芯电路并联；

所述传感器与所述电芯连接，并与所述主控模块建立通信连接，所述传感器设置为对所述电芯进行故障检测，并将检测信号传输给所述主控模块；

所述主控模块接所述第一控制端和第二控制端，所述主控模块设置为，在所述检测信号显示所述电芯故障的情况下，通过所述第一控制端控制所述第一开关导通和通过所述第二控制端控制所述第二开关断开。

2.根据权利要求1所述的电芯保护装置，其特征在于，

所述第一开关为MOS管，所述MOS管的栅极作为所述第一控制端，所述MOS管的源极作为所述第一端，所述MOS管的漏极作为所述第二端。

3.根据权利要求1所述的电芯保护装置，其特征在于，

所述第二开关为MOS管，所述MOS管的栅极作为所述第二控制端，所述MOS管的源极作为所述第三端，所述MOS管的漏极作为所述第四端。

4.根据权利要求1所述的电芯保护装置，其特征在于，

所述传感器包括气体类传感器、温度传感器、电压采集装置、电流采集装置中的至少一个。

5.根据权利要求1所述的电芯保护装置，其特征在于，所述电芯保护装置还包括：

电源，接所述电芯和主控模块，设置为从所述电芯取电并向所述主控模块供电。

6.根据权利要求5所述的电芯保护装置，其特征在于，所述电源为直流-直流转换器。

7.根据权利要求5所述的电芯保护装置，其特征在于，所述电芯保护装置还包括：

备用接口，与所述主控模块连接，设置为接入外部电源和通信模块，以通过所述通信模块上传所述电芯的检测信息。

8.根据权利要求1所述的电芯保护装置，其特征在于，

所述主控模块与所述传感器之间设置为无线通信连接。

9.一种储能系统，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的电芯保护装置。

10.一种电芯保护方法，其特征在于，所述电芯保护方法是基于权利要求1-8中任一项所述的电芯保护装置实现的，所述电芯保护方法应用于所述主控模块，所述电芯保护方法包括：

从所述传感器接收对所述电芯的故障检测信号；

在所述故障检测信号显示故障的情况下，控制所述第二开关断开且控制所述第一开关导通。