CN107046293B - 基于电池梯次利用的公交充电站预制舱式储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电池梯次利用的公交充电站预制舱式储能系统及方法，在标准集装箱内集成储能系统全部一次、二次设备，并布置相关环境监控设备以保障整体系统正常运行，集装箱主体部分划分为相对独立的电池室和控制室；电池柜内电池组基于电池梯次利用的筛选方法采用退役电动公交车动力电池作为电池组，实现动力电池的梯次利用，成本低，方便推广利用。

Description

基于电池梯次利用的公交充电站预制舱式储能系统及方法

技术领域

本发明提出一种基于电池梯次利用的公交充电站预制舱式储能系统及方法，属于智能交通领域。

背景技术

公交车穿行于城市的大小街道，与人民生活息息相关，其尾气排放情况、噪音标准、能耗标准均不同程度地影响着城市风貌和居民生活质量。相比于传统燃油公交车，电动公交车以电代油，具有零排放、低噪音、低能耗等一系列优势。随着电池、车载电机等相关技术不断发展，电动公交车在国内乃至全世界范围内逐步推广应用。

电动公交车充电站是电动公交车必不可少的配套基础设施，除公交车充电外，充电站还具备泊车、人员休息、电池检修更换等多重功能。为保障公交车正常营运、节约充电时间，公交充电站内建设多套快速充电桩，每套充电桩功率在200kW左右，一般可满足10辆公交车同时充电的需求，正常行驶的公交车进站充电30分钟左右即可再次投入营运。由于短时间内充电负荷较大，为防止线路过载，一般采用10kV中压线路为充电站供电，站内建设降压变压器，将电压降至380V后为充电桩及站内其他生产生活设施供电。

动力电池是充电公交车的重要部件之一，其寿命及性能影响着车辆的正常营运。为保障车辆正常行驶并具备一定的应急能力和安全裕量，根据国家相关标准，当电池容量衰减至80％以下时即无法继续应用于交通工具，需进行回收处理。根据目前电池技术及电动公交车营运经验，电动公交车用电池寿命一般在3－5年。

现有储能系统均采用户内设备，需要在充电站生产综合用房内专门开辟蓄电池室，用以布置储能系统一次设备（包括电池、汇流箱、变流器等）；储能系统二次控制屏柜布置于充电站生产综合用房二次设备室内，其集成化、模块化程度较低，运输、施工难度较大。此类储能系统仅适用于规模较大、建设有生产综合用房的公交充电站。对于规模较小、因采用户外设备而未建设生产综合用房的充电站，新建此类储能系统的土建施工量较大，且对场地、进出通道要求较高，难以推广应用。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有技术问题，提供一种基于电池梯次利用的公交充电站预制舱式储能系统及方法，电池柜内采用退役电动公交车动力电池作为电池组，实现动力电池的梯次利用，降低成本，集成化程度高，便于推广应用。

本发明技术方案为：

一种基于电池梯次利用的公交充电站预制舱式储能系统，储能系统接入充电站内380V母线，接受充电站内的监控系统的控制，包括储能系统一次部分和储能系统二次部分；储能系统一次部分和储能系统二次部分集成在集装箱内；集装箱包括电池室和控制室；

储能系统一次部分包括双向变流器（PCS）、直流汇流箱、电池柜、电力电缆和通讯线缆；储能系统二次部分包括智能控制屏柜、环境监控设备和电池柜内的电池管理系统；直流汇流箱和电池柜设置在电池室内，双向变流器（PCS）和智能控制屏柜设置在控制室内；

双向变流器（PCS）、直流汇流箱和电池柜依次通过电力电缆相连接，双向变流器（PCS）、智能控制屏柜和电池管理系统依次通过通讯线缆相连接，环境监控设备与智能控制屏柜通过通讯线缆相连接；

双向变流器用于交直流电能转换，连接在智能控制屏柜与直流汇流箱之间，连接储能系统内部直流部分与充电站内交流部分，根据智能控制屏柜下发的指令，改变功率流向，实现储能系统充电/放电；

直流汇流箱连接双向变流器和电池柜，用于电能的汇集和分配，直流汇流箱内设置有直流母线和熔断器，直流母线和熔断器相连接；电池柜发生短路故障时，短路电流使熔断器断开，切除故障设备，保护储能系统；

电池柜包括若干个串并联连接的电池组和均衡/采集模块，电池组与均衡/采集模块相连接，电池柜容量及数量由储能系统总容量决定，均衡/采集模块用于组间均衡；

电池管理系统设置在电池柜内，电池管理系统与智能控制屏柜相连接，用于电池组动态检测；

智能控制屏柜为储能系统的核心控制器，接收来自充电站监控系统的运行指令，根据运行指令生成控制策略发送至双向变流器，实现储能系统输出/接收电能控制；智能控制屏柜接收每个电池柜内的电池管理系统上传的运行数据，对电池柜进行监控；

智能控制屏柜通过环境监控系统，对储能系统的运行环境进行监测和调节，并把运行数据及环境数据上传至充电站监控系统以便于运行人员实时观察。

智能控制屏柜包括服务器、后台软件和人机交互界面。

环境监控设备包括若干个传感器和摄像头，传感器和摄像头设置在电池室内，用于实现视频监控、火灾报警、温度控制和湿度控制。

集装箱底部设置有电缆夹层，用于电力电缆敷设，保证电池室、控制室内无外露电缆，便于运维人员巡检。

电池室和控制室均设置有巡视小门和检修大门，巡视小门朝向检修道路的方向设置。

电池柜和直流汇流箱并排双列布置在电池室内；双向变流器（PCS）和智能控制屏柜并排双列布置在控制室内。

基于电池梯次利用的公交充电站预制舱式储能方法，储能系统接入充电站内380V母线，接受充电站内监控系统的控制，基于全站运行模式进行电能储电，电池柜内电池组基于电池梯次利用的筛选方法采用退役电动公交车动力电池作为电池组，实现动力电池的梯次利用；配置均衡采集模块实现电池组之间平衡控制，监控各个电池组运行状态；配置电池管理系统（BMS）监控电池柜整体运行状态，并将电池柜的运行数据通过控制总线上传至智能控制屏柜，同时接受智能控制屏柜的运行指令，智能控制屏柜通过环境监控设备，对储能系统的运行环境进行监测和调节，并把运行数据及环境数据发送至至充电站监控系统以便于运行人员实时观察。

全站运行模式包括：

（1）并网运行模式：当电价处于谷时，储能系统吸收电能并存储；当电价为峰时且站内有车辆进行充电时，储能系统通过380V母线为充电桩供电；

（2）离网运行模式：当充电站进线因故退出运行，造成全站失电时，由储能系统提供应急电源，为充电站内应急用电负荷及部分充电桩供电，保障充电站正常运行，当充电站进线恢复供电之后，再由储能系统存储所需电能。

电池梯次利用的筛选方法包括：将电动公交车退役动力电池组进行拆解，获得若干动力电池单体，按照以下步骤进行筛选：

（1）外观检测

检测电池单体是否存在漏液、端子锈蚀、电池鼓包、变形或者破损，若有，将电池单体进行报废处理。

（2）静态放电试验

将通过外观检测的电池单体充电，在室温环境下静置7天，检测自放电率，若自放电率高于30％，将电池单体进行报废处理；

（3）动态放电试验

进行电池单体动态放电试验，检测充电状态（SOC），若充电状态（SOC）大于等于50％，则电池单体具备梯次利用的条件，将电池单体重新组成电池组，安装进储能系统电池柜内；若SOC低于50％，将电池单体进行报废处理。

智能控制屏柜监控包括：

（1）温度监控

通过除湿空调内温度传感器检测预制舱内温度，当舱内温度高于40°C或低于0°C时，智能监控系统启动除湿空调制冷或制热功能；当舱内温度高于60°C或低于15°C时，除开启空调制冷或者制热功能外，智能监控系统下发指令停止双向PCS运行，断开电池柜内断路器，并向充电站站内监控系统发出高温或者低温报警；

（2）消防监控

通过感烟探测器，对预制舱内进行消防监控。当探测到烟雾时，智能监控系统下发指令停止双向PCS运行，断开电池柜内断路器，并向充电站站内监控系统发出火灾报警；

（3）湿度监控

通过除湿空调内湿度传感器检测预制舱内湿度，当舱内湿度超过50％时，启动除湿空调通风除湿功能；

（4）安防监控

将预制舱内视频监控枪机拍摄内容存储至后台，当充电站站内监控系统下发调用指令时，将视频数据上传至站内监控系统，实现操作人员远方查看。

本发明有益效果：

1、在标准集装箱内集成储能系统全部一次、二次设备，并布置相关环境监控设备以保障整体系统正常运行；电池柜内基于动力电池的梯次利用采用退役电动公交车动力电池作为电池组，成本低，方便推广。

2、集装箱主体部分划分为相对独立的电池室和控制室。主要储能设备如电池柜、汇流箱等均布置在电池室内，主要控制设备如智能控制屏柜等布置在控制室内，保证一次二次设备不互相干扰。

3、除主要电气设备外，两个小室内均配置相关环境监控设备以保证设备正常运行：采用除湿空调，以控制集装箱内湿度、温度；采用感烟探测器作为消防监控设备；采用视频监控枪机作为安防监控设备。所有环境监控设备均接入智能控制屏柜。

4、集装箱底部为电缆夹层，贯穿电池室和控制室，方便一次二次电缆敷设，且保证电池室、控制室内无外露电缆，便于运维人员巡检。

5、电池室和控制室均开设巡视小门和检修大门。正常工作时检修大门闭锁，运维人员通过巡视小门出入，在保证储能系统安防的同时方便人员进出；设备发生故障时需要更换时，由检修大门移出。

6、电池室内电池柜和汇流箱采用双列布置，布置方式较为紧凑，节约集装箱内空间。同时预留了检修通道，方便人员和设备的出入。

7、配置均衡采集模块实现电池组之间平衡控制，监控各个电池组运行状态；配置电池管理系统BMS监控电池柜整体运行状态，并将运行数据通过控制总线上传至智能控制屏柜，同时接受智能控制屏柜的运行指令。

8、采用组屏式服务器和相关软件构成智能控制屏柜，根据充电站运行指令控制储能系统内部各电气设备运行，同时智能控制屏柜还通过各种环境监控设备对集装箱内运行环境进行监控，并将储能系统运行情况和环境数据上传至充电站监控系统。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明储能系统总体结构示意图；

图2为储能系统的充电站主接线示意图；

图3为电池室俯视图；

图4为电池室侧视图；

图5为电池梯次利用的筛选方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1、图2所示，一种基于电池梯次利用的公交充电站预制舱式储能系统，储能系统接入充电站内380V母线，接受充电站内的监控系统的控制，包括储能系统一次部分和储能系统二次部分；储能系统一次部分和储能系统二次部分集成在集装箱内；集装箱包括电池室和控制室；

储能系统一次部分包括双向变流器（PCS）、直流汇流箱、电池柜、电力电缆和通讯线缆；储能系统二次部分包括智能控制屏柜、环境监控设备和电池柜内的电池管理系统；直流汇流箱和电池柜设置在电池室内，双向变流器（PCS）和智能控制屏柜设置在控制室内；

双向变流器（PCS）、直流汇流箱和电池柜依次通过电力电缆相连接，双向变流器（PCS）、智能控制屏柜和电池管理系统依次通过通讯线缆相连接，环境监控设备与智能控制屏柜通过通讯线缆相连接；

双向变流器用于交直流电能转换，连接在智能控制屏柜与直流汇流箱之间，连接储能系统内部直流部分与充电站内交流部分，根据智能控制屏柜下发的指令，改变功率流向，实现储能系统充电/放电；

直流汇流箱连接双向变流器和电池柜，用于电能的汇集和分配，直流汇流箱内设置有直流母线和熔断器，直流母线和熔断器相连接；电池柜发生短路故障时，短路电流使熔断器断开，切除故障设备，保护储能系统；

电池柜包括若干个串并联连接的电池组和均衡/采集模块，电池组与均衡/采集模块相连接，电池柜容量及数量由储能系统总容量决定，均衡/采集模块用于组间均衡；

电池管理系统设置在电池柜内，电池管理系统与智能控制屏柜相连接，用于电池组动态检测；

智能控制屏柜为储能系统的核心控制器，接收来自充电站监控系统的运行指令，根据运行指令生成控制策略发送至双向变流器，实现储能系统输出/接收电能控制；智能控制屏柜接收每个电池柜内的电池管理系统上传的运行数据，对电池柜进行监控；

智能控制屏柜通过环境监控系统，对储能系统的运行环境进行监测和调节，并把运行数据及环境数据上传至充电站监控系统以便于运行人员实时观察。

智能控制屏柜包括服务器、后台软件和人机交互界面。

环境监控设备包括若干个传感器和摄像头，传感器和摄像头设置在电池室内，用于实现视频监控、火灾报警、温度控制和湿度控制。

如图4所示，集装箱底部设置有电缆夹层，用于电力电缆敷设，保证电池室、控制室内无外露电缆，便于运维人员巡检。

电池室和控制室均设置有巡视小门和检修大门，巡视小门朝向检修道路的方向设置。

电池柜和直流汇流箱并排双列布置在电池室内；双向变流器（PCS）和控制屏柜并排双列布置在控制室内。

基于电池梯次利用的公交充电站预制舱式储能方法，储能系统接入充电站内380V母线，接受充电站内监控系统的控制，基于全站运行模式进行电能储电，电池柜内电池组基于电池梯次利用的筛选方法采用退役电动公交车动力电池作为电池组，实现动力电池的梯次利用；配置均衡采集模块实现电池组之间平衡控制，监控各个电池组运行状态；配置电池管理系统（BMS）监控电池柜整体运行状态，并将电池柜的运行数据通过控制总线上传至智能控制屏柜，同时接受智能控制屏柜的运行指令，智能控制屏柜通过环境监控设备，对储能系统的运行环境进行监测和调节，并把运行数据及环境数据发送至至充电站监控系统以便于运行人员实时观察。

全站运行模式包括：

（1）并网运行模式：当电价处于谷时，储能系统吸收电能并存储；当电价为峰时且站内有车辆进行充电时，储能系统通过380V母线为充电桩供电；

（2）离网运行模式：当充电站进线因故退出运行，造成全站失电时，由储能系统提供应急电源，为充电站内应急用电负荷（如应急照明、消防系统等）及部分充电桩供电，保障充电站正常运行，当充电站进线恢复供电之后，再由储能系统存储所需电能。

如图5所示，电池梯次利用的筛选方法包括：将电动公交车退役动力电池组进行拆解，获得若干动力电池单体，按照以下步骤进行筛选：

（1）外观检测

检测电池单体是否存在漏液、端子锈蚀、电池鼓包、变形或者破损，若有，将电池单体进行报废处理。

（2）静态放电试验

将通过外观检测的电池单体充电，在室温环境下静置7天，检测自放电率，若自放电率高于30％，将电池单体进行报废处理；

（3）动态放电试验

进行电池单体动态放电试验，检测充电状态（SOC），若充电状态（SOC）大于等于50％，则电池单体具备梯次利用的条件，将电池单体重新组成电池组，安装进储能系统电池柜内；若SOC低于50％，将电池单体进行报废处理。

智能控制屏柜监控包括：

（1）温度监控

通过除湿空调内温度传感器检测预制舱内温度，当舱内温度高于40°C或低于0°C时，智能监控系统启动除湿空调制冷或制热功能；当舱内温度高于60°C或低于15°C时，除开启空调制冷或者制热功能外，智能监控系统下发指令停止双向PCS运行，断开电池柜内断路器，并向充电站站内监控系统发出高温或者低温报警；

（2）消防监控

通过感烟探测器，对预制舱内进行消防监控。当探测到烟雾时，智能监控系统下发指令停止双向PCS运行，断开电池柜内断路器，并向充电站站内监控系统发出火灾报警；

（3）湿度监控

通过除湿空调内湿度传感器检测预制舱内湿度，当舱内湿度超过50％时，启动除湿空调通风除湿功能；

（4）安防监控

将预制舱内视频监控枪机拍摄内容存储至后台，当充电站站内监控系统下发调用指令时，将视频数据上传至站内监控系统，实现操作人员远方查看。

图3以容量为500kWh储能系统为例，介绍预制舱式储能系统平面布置方案。储能系统采用标准集装箱式安装方案,根据储能系统电池容量的不同，采取不同规格的集装箱。对于容量在800kWh以下的储能系统，采用20英尺标准集装箱；对于800-1500kWh的储能系统，采用40英尺标准集装箱；对于容量大于1500kWh的储能系统，采用40英尺超高集装箱。集装箱底部为电缆夹层，作为电气设备一次、二次电缆的主要通道；集装箱主体分为电池室和控制室两部分：

（1）电池室：电池柜及汇流箱等主要一次设备安装在电池室内。电池柜内所安装的电池组由梯次利用的电动公交车车载动力电池构成。根据常用电动公交车动力电池的一般参数估算，每电池柜容量约为40-60kWh,电池柜尺寸为600*500*1200，采用双列布置的方式布于电池室两侧，两列电池柜中间预留检修通道，便于运行人员日常巡检以及故障设备搬运。汇流箱与电池柜并排，布置在电池室内靠近控制室的一侧，以便于汇流箱与双向PCS之间的接线。蓄电池至汇流箱的一次电缆、至智能控制屏柜的二次电缆以及汇流箱至双向PCS的一次电缆均引下至电缆夹层后敷设。除湿空调、感烟探测器、视频监控枪击等环境监控设备布置在集装箱顶部，其电源电缆和控制电缆穿PVC管后沿集装箱壁敷设，连接至智能控制屏柜相应接口。

（2）控制室：控制室内并排布置双向PCS和智能控制屏柜。智能控制屏柜内安装多台组屏式服务器，运行智能控制屏柜相关软件，且集成显示屏，通过人机交互界面展示储能系统运行情况以及温度、湿度等集装箱内环境状况。显示屏面向检修通道方向，以方便运维人员观察和操作。设备一次、二次电缆敷设方式同电池室；环境监控设备布置方式同电池室。

图3所示，为方便运维人员巡检，在朝向检修道路的方向开设巡视小门，便于人员在日常维护时进入电池室或控制室查看设备运行情况。同时在集装箱两侧窄边设置检修大门，当电池室或控制室内电气设备出现故障需要更换时，通过小室内预留的检修通道和检修大门移出故障设备。正常工作时检修大门保持闭锁状态，人员由巡视小门出入。

本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此，如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种基于电池梯次利用的公交充电站预制舱式储能系统，其特征在于，所述储能系统接入充电站内380V母线，接受充电站内的监控系统的控制，包括储能系统一次部分和储能系统二次部分；所述储能系统一次部分和储能系统二次部分集成在集装箱内；所述集装箱包括电池室和控制室；

所述储能系统一次部分包括双向变流器、直流汇流箱、电池柜、电力电缆和通讯线缆；储能系统二次部分包括智能控制屏柜、环境监控设备和电池柜内的电池管理系统；直流汇流箱和电池柜设置在电池室内，双向变流器和智能控制屏柜设置在控制室内；

所述双向变流器、直流汇流箱和电池柜依次通过电力电缆相连接，所述双向变流器、智能控制屏柜和电池管理系统依次通过通讯线缆相连接，所述环境监控设备与智能控制屏柜通过通讯线缆相连接；

双向变流器用于交直流电能转换，连接储能系统内部直流部分与充电站内交流部分，根据智能控制屏柜下发的指令，改变功率流向，实现储能系统充电/放电；

直流汇流箱连接双向变流器和电池柜，用于电能的汇集和分配，直流汇流箱内设置有直流母线和熔断器，直流母线和熔断器相连接；

电池柜包括若干个串并联连接的电池组和均衡/采集模块，电池组与均衡/采集模块相连接，均衡/采集模块用于电池组组间均衡；

电池管理系统设置在电池柜内，电池管理系统与所述智能控制屏柜相连接，用于电池组动态检测；

环境监控设备包括若干个传感器和摄像头，所述传感器和摄像头设置在电池室内，用于实现视频监控、火灾报警、温度控制和湿度控制；通过除湿空调内温度传感器检测预制舱内温度，通过感烟探测器，对预制舱内进行消防监控；

集装箱底部设置有电缆夹层，用于电力电缆敷设，保证电池室、控制室内无外露电缆，便于运维人员巡检；

智能控制屏柜包括服务器、后台软件和人机交互界面；

电池室和控制室均设置有巡视小门和检修大门，巡视小门朝向检修道路的方向设置。

2.根据权利要求1所述的基于电池梯次利用的公交充电站预制舱式储能系统，其特征在于，

电池柜和直流汇流箱并排双列布置在电池室内；双向变流器和智能控制屏柜并排双列布置在控制室内。

3.基于权利要求1或者2任一项权利要求所述的一种基于电池梯次利用的公交充电站预制舱式储能系统的储能方法，其特征在于，

储能系统接入充电站内380V母线，接受充电站内监控系统的控制，基于全站运行模式进行电能储电，电池柜内电池组基于电池梯次利用的筛选方法采用退役电动公交车动力电池作为电池组，实现动力电池的梯次利用；配置均衡采集模块实现电池组之间平衡控制，监控电池组运行状态；配置电池管理系统监控电池柜整体运行状态，并将电池柜的运行数据通过控制总线上传至智能控制屏柜，同时接受智能控制屏柜的运行指令，智能控制屏柜通过环境监控设备，对所述储能系统的运行环境进行监测和调节，并把运行数据及环境数据发送至至充电站监控系统；

全站运行模式包括：

(1)并网运行模式：当电价处于谷时，储能系统吸收电能并存储；当电价为峰时且站内有车辆进行充电时，储能系统通过380V母线为充电桩供电；

(2)离网运行模式：当充电站进线因故退出运行，造成全站失电时，由储能系统提供应急电源，为充电站内应急用电负荷及部分充电桩供电，保障充电站正常运行，当充电站进线恢复供电之后，再由储能系统存储所需电能；

电池梯次利用的筛选方法包括：

将电动公交车退役动力电池组进行拆解，获得若干动力电池单体，按照以下步骤进行筛选：

(1)外观检测

检测电池单体是否存在漏液、端子锈蚀、电池鼓包、变形或者破损，若有，将电池单体进行报废处理；

(2)静态放电试验

将通过外观检测的电池单体充电，在室温环境下静置7天，检测自放电率，若自放电率高于30％，将电池单体进行报废处理；

(3)动态放电试验

进行电池单体动态放电试验，检测充电状态，若充电状态大于等于50％，则电池单体具备梯次利用的条件，将电池单体重新组成电池组，安装进储能系统电池柜内；若充电状态低于50％，将电池单体进行报废处理；

智能控制屏柜监控包括：

(1)温度监控

通过除湿空调内温度传感器检测预制舱内温度，当舱内温度高于40℃或低于0℃时，智能监控系统启动除湿空调制冷或制热功能；当舱内温度高于60℃或低于15℃时，除开启空调制冷或者制热功能外，智能监控系统下发指令停止双向PCS运行，断开电池柜内断路器，并向充电站站内监控系统发出高温或者低温报警；

(2)消防监控

通过感烟探测器，对预制舱内进行消防监控；

当探测到烟雾时，智能监控系统下发指令停止双向PCS运行，断开电池柜内断路器，并向充电站站内监控系统发出火灾报警；

(3)湿度监控

通过除湿空调内湿度传感器检测预制舱内湿度，当舱内湿度超过50％时，启动除湿空调通风除湿功能；

(4)安防监控

将预制舱内视频监控枪机拍摄内容存储至后台，当充电站站内监控系统下发调用指令时，将视频数据上传至站内监控系统，实现操作人员远方查看。

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