CN106253314A - 通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电系统及控制方法，包括：双向储能变流器、梯次电池系统以及电动汽车充电设备，当通信基站失电时，控制器控制梯次电池系统，由梯次电池系统自动为通信基站内通信设备提供供电电源；在用电低谷时段，控制器控制双向储能变流器，由双向储能变流器为梯次电池系统充电储能，同时为通信基站提供电源；在用电高峰时段，控制器控制双向储能变流器，由双向储能变流器释放梯次电池系统中的能量，作为电网支撑，为电动汽车提供充电服务。本发明具有多种能量流向，并用于电动汽车充电，通过电池梯次利用技术，可有效规避铅酸电池在使用寿命、能量密度等短板，同时还能降低磷酸铁锂动力电池的使用成本。
Description
技术领域
本发明涉及通信基站储能电池技术领域，具体地，涉及一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电系统及控制方法。
背景技术
现有基站内的储能电池绝大部分采用的是铅酸电池，在能量密度、使用寿命方面较磷酸铁锂电池都存在较大差距，而全新的磷酸铁锂电池在通信基站中的应用又因成本因素而无法实现规模化推广。
随着近几年电动汽车的应用推广，因容量衰减而造成的电动汽车动力电池的更新量越来越大，对于替换下来的动力电池，因成本低，且高低温性能、能量密度、循环寿命、高充放电倍率、低自放电率、安全性及环保性等方面较传统铅酸电池优势明显，其再利用技术受到广泛关注。
现有通信基站站内铅酸电池备用电源系统体积庞大。利用锂离子梯次电池储能系统(含双向PCS装置)替换站内原有蓄电池系统，为站内48V直流母线提供备用电源的同时，亦可经双向PCS装置逆变后为电动汽车充电机提供电源，实现在基站配电不扩容的条件下为电动汽车提供快速充电服务，在拓展通信基站业务范围的同时，可实现转售电盈利的目的。
当前虽有磷酸铁锂电池在通信基站内的应用，但其大部分都是采用全新的磷酸铁锂电池，且在电池储能的应用方面，主要实现为通信基站内的设备提供应急电源。
经检索，《磷酸铁锂电池在通信行业的应用探讨》(闫德生，通信电源技术，2014年11月25日第31卷第6期)中对磷酸铁锂电池在通信行业中的应用进行了探讨，对磷酸铁锂电池和铅酸电池的性能进行了对比，指出了磷酸铁锂电池在通信行业的应用方向，但未涉及磷酸铁锂电池的梯次利用、转售电业务拓展、电池的充放电控制策略；
《磷酸铁锂电池在通信电源系统的应用》(熊振华，通信电源技术，2014年11月25日第31卷第6期)对通信电源系统的基本结构进行了描述，但系统属于单向系统(即能量流向只能从电网到负载侧)，在电池储能及应用于电动汽车充电方面并未涉及。
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通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电系统及控制方法，具有多种能量流向，并可以用于电动汽车充电。
根据本发明的第一方面，提供一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电系统，包括：双向储能变流器(PCS)、梯次电池系统以及电动汽车充电设备，所述双向储能变流器设有交流接口、直流接口、以太网接口以及CAN接口，所述梯次电池系统设有直流接口和CAN接口，其中：所述双向储能变流器的交流接口连接电网或通信基站配电设备，所述双向储能变流器的以太网接口连接通信基站内交换机，所述双向储能变流器的CAN接口连接梯次电池系统的CAN接口，所述梯次电池系统的直流接口连接所述双向储能变流器的直流接口，所述电动汽车充电设备连接电网或通信基站配电设备，同时通过CAN接口连接所述双向储能变流器的CAN接口；
当通信基站失电时，所述双向储能变流器控制所述梯次电池系统，由所述梯次电池系统自动为通信基站内通信设备提供供电电源；
在用电低谷时段，所述双向储能变流器控制所述双向储能变流器，由所述双向储能变流器为梯次电池系统充电储能，同时为通信基站提供电源；
在用电高峰时段，所述双向储能变流器控制所述双向储能变流器，由所述双向储能变流器释放所述梯次电池系统中的能量，作为电网支撑，为电动汽车提供充电服务。
较优地，所述双向储能变流器不仅是一个执行指令的电源转换设备，还设有用于能量控制流、峰谷时段设置、充放电管理的控制器，所述控制器和所述电动汽车充电设备之间通过CAN通信进行信息交互，所述控制器和所述梯次电池系统也通过CAN通信进行信息交互。
较优地，所述梯次电池系统包含多个磷酸铁锂梯次电池组和电池管理系统，所述磷酸铁锂梯次电池组放置在柜体中，所述电池组管理系统与所述磷酸铁锂梯次电池组连接。
更优地，所述梯次电池系统是一个48V系统，其母线电压波动范围在40～57V。
较优地，所述电动汽车充电设备为电动汽车直流充电机和/或电动汽车交流充电桩，所述电动汽车直流充电机和/或电动汽车交流充电桩设有充电接口。
较优地，所述双向储能变流器、梯次电池系统以及电动汽车充电设备均通过绝缘电缆连接到电网或通信基站配电设备。
根据本发明的第二方面，提供一种基于上述系统的通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电控制方法，包括：
将双向储能变流器连接到电网或通信基站配电设备、梯次电池系统，将电动汽车充电设备连接电网或通信基站配电设备、双向储能变流器；
当通信基站失电时，所述双向储能变流器控制所述梯次电池系统，由所述梯次电池系统自动为通信基站内通信设备提供供电电源；
在用电低谷时段，所述双向储能变流器控制所述双向储能变流器，由所述双向储能变流器为梯次电池系统充电储能，同时为通信基站提供电源；
在用电高峰时段，所述双向储能变流器控制所述双向储能变流器，由所述双向储能变流器释放所述梯次电池系统中的能量，作为电网支撑，为电动汽车提供充电服务。
优选地，所述双向储能变流器控制所述梯次电池系统的电池组充电，其停止充电的条件包括以下任一种：
(1)梯次电池系统的单体电池最高电压达到设定数值；
(2)电网或通信基站配电设备的AC/DC模块输出母线总电压达到设定数值；
(3)出线电池故障、电池禁止充电、通信故障的异常情况；
(4)用电高峰时段；
(5)收到停止充电指令。
优选地，所述双向储能变流器根据当前梯次电池系统的电池组的容量及电动车辆的充电需求信息，计算出放电功率，然后控制断开网侧接触器，控制AC/DC模块工作在逆变状态，并告知电动汽车充电设备输出电压电流，进行放电；
放电终止条件包括以下任一种：
(1)梯次电池系统的单体电池最低电压低于设定数值；
(2)电网或通信基站配电设备的AC/DC模块直流母线总电压低于设定数值；
(3)电动汽车充电结束、储能电池禁止放电、通信故障的异常情况；
(4)用电低谷时段；
(5)收到停止放电指令。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过电池梯次利用技术，可有效规避铅酸电池在使用寿命、环境适应性、能量密度、安全性等方面的短板，同时还能降低磷酸铁锂动力电池的使用成本；本发明用磷酸铁锂梯次电池将基站内的铅酸电池替换，具有多种能量流向，并可以用于电动汽车充电。当基站失电时，梯次电池系统可自动为基站内通信设备提供48V供电电源；在用电低谷时段，双向PCS可为梯次电池充电储能，同时为基站提供48V电源；在用电高峰时段，双向PCS可释放储能电池中的能量，作为电网支撑，为电动汽车用户提供充电服务。
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为本发明一实施例的系统电路原理图；
图2为本发明一实施例的系统接线示意图；
图3为本发明一应用实施例的第一工作模式的原理图；
图4为本发明一应用实施例的第二种工作模式的原理图；
图5为本发明一应用实施例的第三种工作模式的原理图；
图6为本发明一应用实施例的系统控制流程图；
图中：双向储能变流器100、梯次电池系统200、电动汽车充电设备300、电网或通信基站配电设备400、绝缘电缆500、电动汽车600、AC/DC模块700、DC/DC模块800；
双向储能变流器交流接口101、直流接口102、以太网接口103、CAN接口104、控制器105、充电机信息采集单元106、电池信息采集单元107、输入输出逻辑控制单元108、时钟单元109；
梯次电池系统直流接口201、CAN接口202、电池屏柜203；
电动汽车充电设备CAN接口301、电动汽车直流充电机302、电动汽车交流充电桩303、充电接口304、以太网接口305、交流接口306。
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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电系统的较优实施例示意图，包括：双向储能变流器100、梯次电池系统200以及电动汽车充电设备300，所述双向储能变流器设有交流接口101、直流接口102、以太网接口103以及CAN接口104，所述梯次电池系统设有直流接口201和CAN接口202，其中：所述双向储能变流器的交流接口101连接电网或通信基站配电设备400，所述双向储能变流器的以太网接口103连接通信基站内交换机，所述双向储能变流器的CAN接口104连接梯次电池系统的CAN接口202，所述梯次电池系统的直流接口102连接所述双向储能变流器的直流接口201，所述电动汽车充电设备300连接电网或通信基站配电设备400，同时通过CAN接口301连接所述双向储能变流器的CAN接口104。
所述双向储能变流器100设有用于能量控制流、峰谷时段设置、充放电管理的控制器105，所述控制器105和所述电动汽车充电设备300之间通过CAN通信进行信息交互，所述控制器105和所述梯次电池系统200也通过CAN通信进行信息交互。
当通信基站失电时，所述控制器105控制所述梯次电池系统200，由所述梯次电池系统200自动为通信基站内通信设备提供48V供电电源；在用电低谷时段，所述控制器105控制所述双向储能变流器100，由所述双向储能变流器100为梯次电池系统200充电储能，同时为通信基站提供48V电源；在用电高峰时段，所述控制器105控制所述双向储能变流器100，由所述双向储能变流器100释放所述梯次电池系统200中的能量，作为电网支撑，为电动汽车600提供充电服务。
所述梯次电池系统200包含多个磷酸铁锂梯次电池组，所述多个磷酸铁锂梯次电池组放置在电池屏柜203中。所述梯次电池系统200同时含有电池管理系统(BMS)，电池管理系统与磷酸铁锂梯次电池组连接。
本发明是针对通信基站，可替换原有基站的铅酸电池系统及开关电源设备；梯次电池系统是一个48V系统，母线电压需要符合通信基站设备的波动范围，因此其母线电压波动范围受到严格限制(40～57V)，梯次电池系统的成组要求为3并16串(即先每3个单体电池并联成一个单元，然后16个单元串联)。
所述电动汽车充电设备为电动汽车直流充电机302和/或电动汽车交流充电桩303，所述电动汽车直流充电机和/或电动汽车交流充电桩设有充电接口304。电动汽车交流充电桩304设有以太网接口305，通过该以太网接口305连接至通信基站内交换机。
进一步的，所述双向储能变流器100以及电动汽车充电设备300均通过绝缘电缆500连接到电网或通信基站配电设备400。更具体地，所述双向储能变流器100和电网或通信基站配电设备400之间通过等效截面积不超过16平方毫米的四芯绝缘电缆连接，所述电动汽车直流充电机302和电网或通信基站配电设备400之间也通过等效截面积不超过16平方毫米的四芯绝缘电缆、交流接口306连接，所述电动汽车交流充电桩303与电网或通信基站配电设备400之间通过等效截面积不超过5平方毫米的二芯绝缘电缆连接。
如图2所示，为本发明所述系统的接线示意图，双向储能变流器的控制器105连接AC/DC模块700、DC/DC模块800，并且和AC/DC模块700、DC/DC模块800、电动汽车充电设备300之间通过CAN通信进行信息交互，控制器105和梯次电池系统200的电池也是通过CAN通信进行信息交互；两路CAN相互独立，在控制器105接口限制等因素限制下，亦可全部在一条CAN总线上。
在某一具体应用实施例中，电网电压经断路器QF、熔断器(图中未画出)、接触器KM后，送至AC/DC模块700、DC/DC模块800和电动汽车充电设备300，其中AC/DC模块700、DC/DC模块800的交流工作电源均取自接触器KM前端(靠近网侧)，并经空气开关QF1、QF2后送至各AC/DC模块700、DC/DC模块800。控制器105的的工作电源通过空气开关QF3取自接触器KM前端。
在双向储能变流器的控制器105的控制下进行充放电，根据能量流向划分，存在三种工作模式，具体为：
第一种工作模式：电网经AC/DC模块700为梯次电池系统200充电，并为通信基站内48V设备提供电源；利用该工作模式，在具体应用中，可以在用电低谷时段，通过双向储能变流器100为梯次电池系统200充电储能，同时为通信基站提供48V电源；如图3所示，图中其他部分，如高压配电、低压配电、通信设备、机房空调、防雷接地系统、动力环境监测系统、移动电站、备用发电机组等，为通信基站的常用配套设施，在此不做赘述；
第二种工作模式：梯次电池系统200经AC/DC模块700逆变输出后，与电网共同为电动汽车充电设备300提供电源，用于为电动汽车600充电，同时梯次电池系统200为站内通信设备供电；利用该工作模式，在具体应用中，可以在用电高峰时段，双向储能变流器100可释放梯次电池系统中的能量，作为电网支撑，为电动汽车用户提供充电服务；如图4所示，图中其他部分为通信基站的常用配套设施，在此不做赘述；
第三种工作模式：市电失电，梯次电池系统200为基站内通信设备供电，利用该工作模式，在具体应用中，可以在通信基站失电时，通过梯次电池系统00可自动为通信基站内通信设备提供48V供电电源；如图5所示，图中其他部分为通信基站的常用配套设施，在此不做赘述；
所述双向储能变流器100是整个系统的核心，整个系统控制由双向储能变流器100的控制器105实现，其拓扑架构逻辑如图6所示。
所述双向储能变流器100包括：控制器105、充电机信息采集单元106、电池信息采集单元107、输入输出逻辑控制单元108、时钟单元109，充电机信息采集单元106、电池信息采集单元107输出端连接控制器105输入端，控制器105连接输入输出逻辑控制单元108，时钟单元109与控制器105连接。
所述双向储能变流器100中：
控制器5用于实现对整个系统的决策和指令发布；
充电机信息采集单元106用于采集充电机充电请求信息、充电实时信息等充电机接入状态信息，并将信息输给控制器105；
电池信息采集单元107用于采集梯次电池的实时信息等电池信息，并将信息输给控制器105；
输入输出逻辑控制单元108用于充电机接入状态、电池充放电状态等状态回采，以及实现对系统工作模式及电池充放电的控制；输入输出逻辑控制单元中的输入即是状态回采，输出即是控制信号；因此，输入输出逻辑控制单元既回采状态信息反馈给控制器，同时也执行控制器对它的指令；
时钟单元109用于提供控制器105时钟信息，控制器105定期向充电机、电池系统下发对时指令。
控制器根据从电池信息采集单元获取的充电机信息采集单元106充电机接入状态信息、电池信息采集单元107采集的电池信息、以及时钟单元109的时钟信息，决策系统的工作模式，如：储能、放电等。
进一步的，所述控制器105控制AC/DC模块为磷酸铁锂梯次电池组的电池进行充电(以夜间充电储能为主)，当检测到磷酸铁锂梯次电池组中单体最高电压达到设定数值时，则表明磷酸铁锂梯次电池基本充满，此时停止充电。
在具体应用中，停止充电的条件包括以下任一种：
(1)磷酸铁锂梯次电池组中单体最高电压达到3.65V(此值可手动设置，也可以是其他数值)；
(2)AC/DC模块输出母线总电压达到57V(此值可手动设置，也可以是其他数值)；
(3)出线电池故障、电池禁止充电、通信故障的异常情况；
(4)用电高峰时段；
(5)收到停止充电指令。
进一步的，所述控制器105根据当前磷酸铁锂梯次电池组的容量及电动车辆的充电需求信息，计算出放电功率，然后控制断开网侧接触器，控制AC/DC模块工作在逆变状态，并告知电动汽车充电设备300输出电压电流，进行放电。
在具体应用中，放电终止条件包括以下任一种：
(1)磷酸铁锂梯次电池组中单体最低电压低于2.5V(此值可手动设置，也可以是其他数值)；
(2)AC/DC模块直流母线总电压低于40V(此值可手动设置，也可以是其他数值)；
(3)电动汽车充电结束、储能电池禁止放电、通信故障的异常情况；
(4)用电低谷时段。
(5)收到停止放电指令。
本发明双向PCS不仅仅是一个执行指令的电源转换设备，还具有能量控制流功能、峰谷时段设置功能、充放电管理功能；本发明通过电池梯次利用技术，可有效规避铅酸电池在使用寿命、能量密度等方面的短板，同时还能降低磷酸铁锂动力电池的使用成本。
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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电系统，其特征在于，包括：双向储能变流器、梯次电池系统以及电动汽车充电设备，所述双向储能变流器设有交流接口、直流接口、以太网接口以及CAN接口，所述梯次电池系统设有直流接口和CAN接口，其中：所述双向储能变流器的交流接口连接电网或通信基站配电设备，所述双向储能变流器的以太网接口连接通信基站内交换机，所述双向储能变流器的CAN接口连接梯次电池系统的CAN接口，所述梯次电池系统的直流接口连接所述双向储能变流器的直流接口，所述电动汽车充电设备连接电网或通信基站配电设备，同时通过CAN接口连接所述双向储能变流器的CAN接口；
当通信基站失电时，所述双向储能变流器控制所述梯次电池系统，由所述梯次电池系统自动为通信基站内通信设备提供供电电源；
在用电低谷时段，所述双向储能变流器控制所述双向储能变流器，由所述双向储能变流器为梯次电池系统充电储能，同时为通信基站提供电源；
在用电高峰时段，所述双向储能变流器控制所述双向储能变流器，由所述双向储能变流器释放所述梯次电池系统中的能量，作为电网支撑，为电动汽车提供充电服务。
2.根据权利要求1所述的一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电系统，其特征在于，所述双向储能变流器不仅是一个执行指令的电源转换设备，还设有用于能量控制流、峰谷时段设置、充放电管理的控制器，所述控制器和所述电动汽车充电设备之间通过CAN通信进行信息交互，所述控制器和所述梯次电池系统也通过CAN通信进行信息交互。
3.根据权利要求2所述的一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电系统，其特征在于，所述双向储能变流器还包括：
充电机信息采集单元，用于采集充电机接入状态信息，并将信息输给控制器；
电池信息采集单元，用于采集梯次电池系统的电池信息，并将信息输给控制器；
输入输出逻辑控制单元，用于充电机接入状态、电池充放电状态等状态回采，以及实现对系统工作模式及电池充放电的控制；输入输出逻辑控制单元中的输入即是状态回采，输出即是控制信号，输入输出逻辑控制单元既回采状态信息反馈给控制器，同时也执行控制器对它的指令；
时钟单元，用于为控制器提供时钟信息，控制器定期向充电机、电池系统下发对时指令；
所述控制器根据从电池信息采集单元获取的充电机信息采集单元充电机接入状态信息、电池信息采集单元采集的电池信息、以及时钟单元的时钟信息，决策系统的工作模式。
4.根据权利要求3所述的一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电系统，其特征在于，所述梯次电池系统包含多个磷酸铁锂梯次电池组和电池管理系统，所述磷酸铁锂梯次电池组放置在柜体中，所述电池组管理系统与所述磷酸铁锂梯次电池组连接。
5.根据权利要求3所述的一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电系统，其特征在于，所述梯次电池系统是一个48V系统，其母线电压波动范围在40～57V。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电系统，其特征在于，所述电动汽车充电设备为电动汽车直流充电机和/或电动汽车交流充电桩，所述电动汽车直流充电机和/或电动汽车交流充电桩设有充电接口。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电系统，其特征在于，所述双向储能变流器、梯次电池系统以及电动汽车充电设备均通过绝缘电缆连接到电网或通信基站配电设备。
8.一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电控制方法，其特征在于：
将双向储能变流器连接到电网或通信基站配电设备、梯次电池系统，将电动汽车充电设备连接电网或通信基站配电设备、双向储能变流器；
当通信基站失电时，所述双向储能变流器控制所述梯次电池系统，由所述梯次电池系统自动为通信基站内通信设备提供供电电源；
在用电低谷时段，所述双向储能变流器控制所述双向储能变流器，由所述双向储能变流器为梯次电池系统充电储能，同时为通信基站提供电源；
在用电高峰时段，所述双向储能变流器控制所述双向储能变流器，由所述双向储能变流器释放所述梯次电池系统中的能量，作为电网支撑，为电动汽车提供充电服务。
9.根据权利要求8所述的一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电控制方法，其特征在于，所述双向储能变流器控制所述梯次电池系统的电池组充电，其停止充电的条件包括以下任一种：
(1)梯次电池系统的单体电池最高电压达到设定数值；
(2)电网或通信基站配电设备的AC/DC模块输出母线总电压达到设定数值；
(3)出线电池故障、电池禁止充电、通信故障的异常情况；
(4)用电高峰时段；
(5)收到停止充电指令。
10.根据权利要求8所述的一种通信基站磷酸铁锂电池梯次利用充放电控制方法，其特征在于，所述双向储能变流器根据当前梯次电池系统的电池组的容量及电动车辆的充电需求信息，计算出放电功率，然后控制断开网侧接触器，控制AC/DC模块工作在逆变状态，并告知电动汽车充电设备输出电压电流，进行放电；
放电终止条件包括以下任一种：
(1)梯次电池系统的单体电池最低电压低于设定数值；
(2)电网或通信基站配电设备的AC/DC模块直流母线总电压低于设定数值；
(3)电动汽车充电结束、储能电池禁止放电、通信故障的异常情况；
(4)用电低谷时段；
(5)收到停止放电指令。
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