CN108110781A - 基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统 - Google Patents

基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统,包括:与系统控制主板通信连接以实现能量回收的第一BUCK降压电路;串联设置在第一BUCK降压电路的输出端上用于储能的碳酸锂电池组S1;对S1输出的基准电压进行辅助调整的第二BUCK降压电路;其中,在第二BUCK降压电路中,通过与所述碳酸锂电池组一端串接的电容C1实现基准电压的稳定,以使得与碳酸锂电池组连接的直流母线电压抬高并稳定在一预定电压值范围内。本发明提供一种基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统,其通过将储能单元储能器件的串数降低到现有电梯能量回收系统方案的一半以下,从而达到降低系统成本的目的。

Description

基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统
技术领域
本发明涉及一种电梯能量回收领域,更具体地说,尤其涉及一种基于钛酸锂电池的电梯能量回收系统
背景技术
随着城市建设的不断发展,高楼数量快速增长,每栋楼都会安装多部电梯。由于电梯的使用率较高,其耗电量也很高。并且由于各个领域的科学技术的不断发展,对能源的需求急速增加,但是自然能源的资源又非常有限。所以近年来在各个领域对能源的节约和二次利用技术成为了非常热门的话题。
就电梯领域来说,现代电梯均采用曳引方式工作,原理是曳引轮上挂的钢丝绳一端连接轿厢,钢丝绳另一端连接相应重量的配重,曳引轮与钢丝绳之间的摩擦力来保证曳引轮旋转时带动轿厢上下运行。因此在电梯的轻载上行和重载下行时,电梯系统的势能会通过曳引机转换成电能。在目前主流电梯系统中,这部分自发电的电能都是采用功率电阻将其转换成热能释放掉,这样不仅浪费了能源而且还对自然空间造成了热污染。就这一矛盾已经成为电梯领域的长期难题。
因此,随着科学技术的不断发展,近年来行业里也在不断研究电梯的节能设备,就目前来说主要有两种方式,一种是将自发电反馈到电网,另一种是将自发电回收存储再二次利用。
因反馈电网的方式目前电能表不能将发电电量从耗电电量中扣除,用户得不到任何利益,并且设备成本还很贵,所以得不到用户的认可。
将自发电量回收再二次利用的方式可以减少电梯的耗电量,实际减少用户的用电量从而节约用户电费,所以目前正逐步得到部分用户的认可。
因受到储能元件的限制,铅酸电池和磷酸铁锂电池的内阻太大、大电流特性差且寿命短,超级电容和钛酸锂电池的价格太高。为了同时兼顾储能单元的寿命和大电流特性目前市场所有电梯能量回收系统都是采用超级电容串联的方式为作电梯能量回收系统的储能单元,但是因超级电容的价格太高,这一成本矛盾一直没有得到解决。以10KW电梯系统20层楼系统来说,一般对于一套电梯能量回收系统光超级电容单体元件的成本就已经达到上万元,加上电路部分及其他材料和人工成本,一般其总成本会达到1.5万元到2万元。最终到达用户时的价格就更高了,这也是目前电梯能量系统在实现工程中难以普及的主要原因。
如果对于20KW/30KW的电梯系统或楼层数更高的工程,那么电梯能量回收系统所需要配备的超级电容数量就更大,所以其成本基本会按比例增加。
因此如何能在保证系统性能的前提下降低系统成本这是当前电梯能量回收系统急需解决的问题。只有这一难题能够得到有效解决才能真正实现电梯能量回收的价值,最大程度的给用户带来节能经济效益,促进电梯能量回收系统在行业的普及。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷,并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统,其通过将储能单元储能器件的使用数量降低到现有电梯能量回收系统方案的一半以下,从而达到降低系统成本的目的,本发明为了使用所配备的储能单元在同一成本情况下能同时满足更多的电梯系统需求,采用钛酸锂电池取代超级电容作储能器件,在电梯行业中,钛酸锂的10~20年寿命完全能满足电梯能量回收系统的需求,并且在配备相同成本器件情况下其容量为超级电容的近十倍,所以其相同成本的钛酸锂电池能满足更多电梯系统的需求。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点,提供了一种基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统,包括:
与系统控制主板通信连接以实现能量回收的第一BUCK降压电路;
串联设置在第一BUCK降压电路的输出端上用于储能的碳酸锂电池组S1;
与S1串联的基准电压进行辅助调整的第二BUCK降压电路;
其中,在第二BUCK降压电路中,通过与所述碳酸锂电池组一端串接的电容C1实现基准电压的稳定,以使得与碳酸锂电池组连接的直流母线电压抬高并稳定在一预定电压值范围内,进而C1在电梯处于耗电状态时,其供电处于半电平台状态。
优选的是,其中,所述第一BUCK降压电路、第二BUCK降压电路通过与其连接的充放电控制器K1实现二者之间工作状态的切换。
优选的是,其中,所述第一BUCK降压电路、第二BUCK降压电路均包括:处于串联状态的两个BUCK功率开关管Q1、Q2,与Q1、Q2相配合的电感L1。
优选的是,其中,在电梯处于发电状态时,K1的常闭触点闭合常开触点断开,PWM信号发生电路产生相应的PWM脉冲信号,Q1中因无PWM脉冲信号驱动,Q1关断,其内部反并联二极管作为BUCK继流二级管;而Q2 受PWM脉冲信号的驱动,与电感L1构成第一BUCK降压电路,向S1进行充电操作。
优选的是,其中,还包括辅助动力电源,其包括与外部供电设备相连接的三相整流桥与滤波电容C2,以将外部的三相电转换为对应的540V直流电压。
优选的是,其中,在电梯处于耗电状态时,K1的常闭触点断开常开触点闭合,PWM信号发生电路产相应的PWM脉冲信号,Q2中因无PWM脉冲信号驱动,故其内部反并联二极管作为BUCK继流二级管,而Q1受PWM 脉冲信号的驱动,与电感L1构成第二BUCK降压电路,将C2上的直流电压转换成对应的低压向C1充电,以通过C1与S1的串联,抬高直流母线上的电压大于外电网整流电压,从而取代外电网向变频器供电,S1工作在半电平状态。
优选的是,其中,所述系统控制主板包括与S1电连接的单片机,以及与其通信连接的ADC基准电压发生电路、系统电源自锁控制电路,S 1电压采集检测电路、S 1电流采集检测电路;
其中,所述单片机被配置为采用MC9S12XET256双核单片机;
所述系统电源自锁控制电路被配置为采用继电器作为自锁开关器件;
S1电压采集检测电路被配置为采用HCNR201线性光耦以实现对系统母线、S1以及BUCK自举电路的电压检测;
S1电流采集检测电路被配置为采用霍尔电流传感器和电磁互感器,以实现对三相电流、第一BUCK降压电路、第二BUCK降压电路能量二次利用释放电流的检测,进而实现高低压电气分离。
优选的是,其中,所述S1上设置有与其相配合的保护电路;
其中,所述S1被配置为多个采用2AH~10AH的电芯串联构成,所述钛酸锂电池组的储能电压平台使用范围为150V~550V之间,
保护电路被配置为采用过充电限压均衡方式,且所述保护电路被配置为分别设置在每一只钛酸锂电池单体之上。
优选的是,其中,还包括:与S1电连接的五方对讲电源模块及逆变器模块;
其中,所述逆变模块的低压供电来源于内部钛酸锂电池,其高压供电来源于内部系统直流母线电压,后级被配置为采用无变压器逆变电路。
优选的是,其中,与系统控制主板通信连接的CAN通讯模块,其被配置为采用隔离式CAN2.0通讯方式。
本发明至少包括以下有益效果:
1、由于现有电梯能量回收系统都是采用超级电容作为储能单元,无剩余容量为电梯五方对讲系统供电,所以现有电梯能量回收系统都没有电梯五方对讲电源。本发明因采用钛酸锂电池作为储能单元,其容量空间很大,有足够的剩余容量为电梯五方对讲系统供电,所以本发明在原有基础上增加了五方对讲电源模块;
2、现有电梯能量回收系统都是采用超级电容作为储能器件,因超级电容的容量密度低,所以在相同功率级别情况下其相对成本高。而本发明采用容量密度为超级电容数倍并同时能满足寿命和大电流特性的碳酸锂电池,所以从储能器件选择上来说,本发明在同功率级别情况下的容量成本更低;
3、现有电梯能量回收系统的储能单元与外电网的关系是并联关系,所以在储能单元电压平台较低时的转换效率低,热损耗大。而本发明所采用的结构为将储能单元与外电网串联释放能量,所以在耗电状态下电池与外电网的电流是一样的,其电压平台为外电网变换电压与钛酸锂电池的总和,并且恒定在600V,所以本发明的转换效率更高;
4、现有电梯能量回收系统都是采用的超级电容作为储能器件,因超级电容的容量与电压成正比,又因在整个系统中超级电容的电压范围只能使用一半,即储能单元的成本就有一半是浪费,且必须浪费。而本发明采用本身具有电压平台的钛酸锂电池作为储能单元,当钛酸锂电池剩余容量接近为0时,其电压平台还有总电压的一半以上。所以本发明可以利用储能器件的全部容量空间,无容量成本浪费问题;
5、现有电梯能量回收系统的能量回收为BUCK电路,但能量二次利用为 BOOST电路,因BOOST电路的效率为所有开关电路中最低的,所以因BOOST 电路的存在而使得能量二次利用的效率太低。而本发明的能量回收和能量二次利用都为BUCK电路,所以本发明的能量二次利用效率更高;
6、现有电梯能量回收系统采用超级电容,因超级电容的起始电压为0V,所以当电梯处于发电状态时的能量回收电路相当于短路,其电流很大并且回收功率很低,此时的能量回收电路的效率很低,大部分发电能量变成了热量。而本发明所采用的是钛酸锂电池,因钛酸锂本身具有半电压平台,所以在电梯发电状态时的能量回收电路不存在短路状态,且初始电压平台比较高,其回收最低功率比较大,所以本发明的能量回收效率更高;
7、现有电梯能量回收系统采用起始电压为0V的超级电容作为储能器件,当系统每次启动时都必须先向储能单元充电半电平台以上系统才能正常工作,因此会给用户带来使用不方便。而本发明采用本身就具备半电压以上平台的钛酸锂电池作为储能器件,因此即便电池剩余容量接近0V,其电压平台还有一半以上,所以本发明在系统启动时不需要预先充电,因此本发明使用更方便;
8、现有电梯能量回收系统因超级电容容量密度太小,容量利用率只有 50%,而本发明采用钛酸锂电池后在同样为半电压平台利用情况下的容量利用率可以达到100%,根据目前市面超级电容和钛酸锂电池的价格来说,在满足同一电梯系统需求情况下本发明所需要的储能器件成本低于超级电容成本的 50%,所以本发明的系统成本更低,可以给用户带来更多的经济效益,更容易让用户接受,更有利于促进电梯能量回收系统的普及。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现,部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
附图1为本发明的系统组成框图;
附图2为系统主板组成框图;
附图3为逆变器模块组成框图;
附图4为能量回收与二次利用原理简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解,本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-4所示,根据本发明的一种基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统的实现形式,其中包括:
与系统控制主板9通信连接以实现能量回收的第一BUCK降压电路1即 BUCK变换能量回收电路,其由大功率IGBT模块2和外部储能电感3组成,当电梯处于发电状态时,充放电继电器切换到充电状态,直流母线上的回收能量通过BUCK变换降压稳流后向钛酸锂电池充电,当电池电压达到330V后或电梯退出发电状态时停止充电;
串联设置在第一BUCK降压电路的输出端上用于储能的碳酸锂电池组S1 4,其采用2AH~10AH的电芯串联组成,所述碳酸锂电池组实现系统能量回收的储能功能,将电梯所发电量通过BUCK变换能量回收电路存储在钛酸锂电池中;
对S1输出的基准电压进行辅助调整的第二BUCK降压电路5,即BUCK自举能量二次利用电路,其由大功率IGBT模块和外部储能电感组成,当电梯处于耗电状态时,充放电继电器切换到放电状态,辅助动力电源输出的540V直流电压通过BUCK变换降压产生自举电压,保证直流母线6电压稳定在600V,其自举电压Vout=600V-当前钛酸锂电压电池,当电池电压降低到264V或电梯退出耗电状态时停止产生自举电压,此时直流母线电压恢复到电梯控制器输出的540V,同时264V~330V的钛酸锂电压悬浮在直流母线电压范围之内,因钛酸锂电池电压低于直流母线电压而不会再继续向直流母线供电;
其中,在第二BUCK降压电路中,通过与所述碳酸锂电池组一端串接的电容C1 7实现基准电压的稳定,以使得与碳酸锂电池组连接的直流母线电压抬高并稳定在一预定电压值范围内,进而C1在电梯处于耗电状态时,其供电处于半电平台状态。
如图1所示,本发明的电梯能量回收系统,包括系统电源8、单片机数字处理系统、CAN通讯模块、隔离型高精度电压检测系统、隔离型电流检测系统、电源自锁系统、BUCK变换能量回收电路、BUCK自举能量二次利用电路、辅助动力电源、三相切换交流接触器10、充放电切换继电器11、外部储能电感、数字输入输出电路1、直流母线控制接触器12、大功率IGBT模块、IGBT 驱动电路、系统开关、显示模块、碳酸锂电池、碳酸锂电池保护电路、逆变模块13、五方对讲电源模块14。所述系统电源采用TOP电源芯片使用反激式开关电源,其开关频率高、转换效率高,为系统各功能电路提供可靠稳定的供电,其能量来源于钛酸锂电池,通过外部交流接触器和内部低压继电器进行锁定,一方面可以降低系统本成,另一方面其电源质量高,可保证系统的可靠工作,所述单片机控制系统采用MC9S12XET256双核单片机,实现主板各个单元的信号处理和各种控制,具有可靠性高,运算速度快;所述三相切换交流接触器实现电梯控制器的外电网供电和内部逆变器供电的电源切换;所述数字输入输出电路实现系统主板与外部的逻辑信号输入输出,将接收到的控制逻辑转换成5V电平并送到单片机处理,同时将单片机输出的5V电平转换成外部执行器件所需要的电平或开关量输出;所述直流母线控制接触器控制系统与电梯控制器直流母线的通断控制;所述系统开关安装于机箱面板,实现系统的开关控制;所述显示模块由LED数码显示器或液晶显示屏、稳压电源、单片机、通讯电路组成,负责系统的信息显示,实现人机交互功能。
采用这种方案在同样为半电压平台利用情况下的容量利用率可以达到 100%,根据目前市面超级电容和钛酸锂电池的价格来说,在满足同一电梯系统需求情况下本发明所需要的储能器件成本低于超级电容成本的50%,所以本发明的系统成本更低;
因采用本身具有电压平台的钛酸锂电池作为储能单元,当钛酸锂电池剩余容量接近为0时,其电压平台还有总电压的一半以上。所以本发明可以利用储能器件的全部容量空间,无容量成本浪费问题;
且因能量回收和能量二次利用都为BUCK电路,所以本发明的能量二次利用效率更高;
另外因C1的采用,将储能单元与外电网串联释放能量,所以在耗电状态下电池与外电网的电流是一样的,其电压平台为外电网变换电压与钛酸锂电池的总和,并且恒定在600V,所以本发明的转换效率更高
又因钛酸锂本身具有半电压平台,所以在电梯发电状态时的能量回收电路不存在短路状态,且初始电压平台比较高,其回收最低功率比较大,所以本发明的能量回收效率更高,具有成本可控,稳定性好,可实施效果好,且利用率高的有利之处。并且,这种方式只是一种较佳实例的说明,但并不局限于此。在实施本发明时,可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图4所示,在另一种实例中,所述第一BUCK降压电路、第二BUCK降压电路通过与其连接的充放电控制器K1实现二者之间工作状态的切换,所述充放电切换继电器的作用是将大功率IGBT模块和外部储能电感分别变换成能BUCK变换能量回收电路和BUCK自举能量二次利用电路的两种不同BUCK组合形式。采用这种方案以在不同电梯工作状态的情况下,实现其工作状态的切换,具有适应性好,稳定性好,可实施效果好,且利用率高的有利之处。并且,这种方式只是一种较佳实例的说明,但并不局限于此。在实施本发明时,可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图4所示,在另一种实例中,所述第一BUCK降压电路、第二BUCK降压电路均包括:处于串联状态的两个BUCK开关管Q1、Q2,与Q1、Q2相配合的电感L1,外部储能电感采用大功率磁环和多股纱包线绕制,实现两种不同形式BUCK电路的能量转换,具有高频特性好,转换效率高的效果,大功率 IGBT模块作为BUCK变换能量回收电路和BUCK自举能量二次利用电路所需要的开关器件和续流器件;与IGBT模块配合的IGBT驱动电路由隔离驱动电源、前级光耦隔离电路、后级驱动电路组成,实现对大功率IGBT模块的功率驱动。采用这种方案以在不同电梯工作状态的情况下,与k1相配合共同实现第一 BUCK降压电路、第二BUCK降压电路工作状态的切换,具有适应性好,稳定性好,可实施效果好,且利用率高的有利之处。并且,这种方式只是一种较佳实例的说明,但并不局限于此。在实施本发明时,可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图4所示,在另一种实例中,在电梯处于发电状态时,K1的常闭触点闭合常开触点断开,PWM信号发生电路产相应的PWM脉冲信号,Q1中因无PWM 脉冲信号驱动,故其内部反并联二极管作为BUCK继流二级管;而Q2受PWM 脉冲信号的驱动,与电感L1构成第一BUCK降压电路,向S1进行充电操作。采用这种方案的BUCK变换能量回收电路由大功率IGBT模块和外部储能电感组成,当电梯处于发电状态时,充放电继电器切换到充电状态,直流母线上的回收能量通过BUCK变换降压稳流后向钛酸锂电池充电,当电池电压达到330V后或电梯退出发电状态时停止充电,通过对电路的组成及工作流程进行具体化,以使其达到回收能量的效果,具有可实施效果好,可操作性强的有利之处。并且,这种方式只是一种较佳实例的说明,但并不局限于此。在实施本发明时,可以根据使用者需求进行适当的替换和/ 或修改。
如图4所示,在另一种实例中,还包括辅助动力电源,采用独立三相整流模块,不影响原电梯控制系统的安全性,其包括与外部供电设备相连接的三相整流桥与滤波电容C2,以将外部的三相电转换为对应的540V直流电压,以作BUCK自举能量二次利用电路的输入电压。采用这种方案具有安全系数高,可实施效果好,可操作性强的有利之处。并且,这种方式只是一种较佳实例的说明,但并不局限于此。在实施本发明时,可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图4所示,在另一种实例中,在电梯处于耗电状态时,K1的常闭触点断开常开触点闭合,PWM信号发生电路产相应的PWM脉冲信号,Q2中因无 PWM脉冲信号驱动,故其内部反并联二极管作为BUCK继流二级管,而Q1受冲信号PWM的驱动,与电感L1构成第二BUCK降压电路将C2上的直流电压转换成对应的低压向C1充电,以通过C1与S1的串联,抬高直流母线上的电压大于外电网整流电压,使S1取代外部三相电向电梯变频器进行供电,S1工作在半电平状态。采用这种方案的BUCK自举能量二次利用电路由大功率 IGBT模块和外部储能电感组成,当电梯处于耗电状态时,充放电继电器切换到放电状态,辅助动力电源输出的540V直流电压通过BUCK变换降压产生自举电压,保证直流母线电压稳定在600V,其自举电压 Vout=600V-当前钛酸锂电压电池,当电池电压降低到264V或电梯退出耗电状态时停止产生自举电压,此时直流母线电压恢复到电梯控制器输出的540V,同时264V~330V的钛酸锂电压悬浮在直流母线电压范围之内,因钛酸锂电池电压低于直流母线电压而不会再继续向直流母线供电,具有可实施效果好,可操作性强,稳定性好的有利之处。并且,这种方式只是一种较佳实例的说明,但并不局限于此。在实施本发明时,可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图2所示,在另一种实例中,所述系统控制主板包括与S1电连接的单片机,以及与其通信连接的ADC基准电压发生电路、系统电源自锁控制电路, S 1电压采集检测电路、S1电流采集检测电路;
其中,所述单片机被配置为采用MC9S12XET256双核单片机;
所述系统电源自锁控制电路被配置为采用继电器作为自锁开关器件,所述电源自锁系统,在系统开机正常工作后受单片机控制锁定系统电源前级降压电路的供电由内部钛酸锂电池直流电压供电,保证当电网停电后系统能继续通过钛酸锂电池供电而正常工作,实现电梯应急平层时的系统供电;
S1电压采集检测电路即隔离型高精度电压检测系统,被配置为采用 HCNR201线性光耦以实现对系统母线、S1以及BUCK自举电路的电压检测,并将其隔离送到单片机的模拟输入口,在单片机内部进行ADC转换后进行数字信号处理;
S1电流采集检测电路即隔离型电流检测系统,被配置为采用霍尔电流传感器和电磁互感器,以实现对三相电流、第一BUCK降压电路、第二BUCK降压电路能量二次利用释放电流的检测,并将其送到单片机的模拟输入口,在单片机内部进行ADC转换后进行数字信号处理,进而实现高低压电气分离。采用这种方案具有可实施效果好,可操作性强,稳定性好的有利之处。并且,这种方式只是一种较佳实例的说明,但并不局限于此。在实施本发明时,可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图2所示,在另一种实例中,所述S1上设置有与其相配合的保护电路;
其中,所述S1被配置为多个采用2AH~10AH的电芯串联构成,所述钛酸锂电池组的储能电压平台使用范围为150V~550V之间,
保护电路被配置为采用过充电限压均衡方式,且所述保护电路被配置为分别设置在每一只钛酸锂电池单体之上,钛酸锂电池保护电路实现对钛酸锂电芯的保护,防止因钛酸锂电池电芯性能的不一致而在充电过程中损坏电池。采用这种方案具有安全性好,稳定性好,可实施效果好的有利之处。并且,这种方式只是一种较佳实例的说明,但并不局限于此。在实施本发明时,可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图1、3所示,在另一种实例中,还包括:与S1电连接的五方对讲电源模块及逆变器模块,五方对讲电源模块实现电梯系统的各工位之间的语音对讲系统的供电,其电能来源于系统内部的钛酸锂电池,并实现当电网停电后再继续供电2个小时,且逆变模块和五方对讲电源模块采用模块化设计,方便检修;
其中,所述逆变模块的低压供电来源于内部钛酸锂电池,其高压供电来源于内部系统直流母线电压,后级被配置为采用无变压器逆变电路,可有效降低系统成本,逆变模块当外部三相电网停电时,将钛酸锂电池的直流电压逆变为220V或380V的交流单相电提供给电梯控制器作为电梯应急平层电源。采用这种方案具有适应性好,独立性强,稳定性好的有利之处。并且,这种方式只是一种较佳实例的说明,但并不局限于此。在实施本发明时,可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图2所示,在另一种实例中,与系统控制主板通信连接的CAN通讯模块,其被配置为采用隔离式CAN2.0通讯方式。所述CAN通讯模块,实现主板与显示模块之间的数字通讯;采用这种方案具有可实施效果好,适应性好的有利之处。并且,这种方式只是一种较佳实例的说明,但并不局限于此。在实施本发明时,可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
实施例:
结合附图1(系统组成框图),一种基于钛酸锂电池的自举式电梯能量回收系统包括:系统电源、系统主板、交流接触器、逆变器模块、三相整流桥、辅助基准BUCK降压电路、能量回收BUCK降压电路、直流母线接触器、充放电控制接触器、储能电感、IGBT模块、钛酸锂电池组、基准电压滤波电容、五方对讲电源模块。所述输入三相接触器为系统电源的输入端,电网电源接到三相接触器的常开触点,逆变模块的交流输出连接到三相接触器的常闭触点,两相380V交流电压接到三相接触器的控制线圈,当电网正常供电时三相接触器吸合,常开触点闭合,电网三相电提供给电梯控制器。当系统正常工作的过程中,电网停电后,逆变模块工作输出的380V交流电通过三相接触器的常闭触点继续给电梯控制器供电提供应急电源;所述逆变模块的功能是当电网停电时,受系统主板的控制将钛酸锂电池组电压升压后提供给直流母线的600V直流电压逆变成380V的交流电压,通过三相接触器的常闭触点提供给电梯控制器的交流用电单元;所述钛酸锂电池组由120串的钛酸锂电芯串联组成,实现能量回收的存储功能,当电梯处理于发电状态时,能量回收BUCK 降压电路的输出与钛酸锂电池组的正极相连接,电梯的势能通过牵引电机转换成交流电能,这一交流电压通过电梯控制器转换成直流电压后叠加到直流母线上,此时直流母线的电压会升高,在常规电梯控制中是用电阻将这部分升高出的电压消耗掉将其变为热能释放,但这样即浪费了电量又给自然空间造成了热污染。在本发明中是通过BUCK转换电路将这部分升高的电压采用 (电-磁-电)的转换方式存储在钛酸锂电池组中。当电梯再次处于耗电状态时,辅助基准BUCK降压电路将三相整流模块输出的540V直流电压降压到 600V减去钛酸锂电池组电压的基准电压,该基准电压与钛酸锂电池组的电压串联后送到直流母线为电梯控制器提供电能驱动电机,并保证将直流母线电压稳定在600V。当钛酸锂电池组电压低于最低保护电压阀值时关闭BUCK电路,系统恢复外部电网供电,达到电梯节能和能源二次利用的目的。因本发明采用的是串联型600V高电压平台,与目前市场上的各种高低压平台相比,本发明的功率转换电流更小,转换效率更高、对功率器件的电流要求更小、成本更低,并且因本发明是采用的串联方式,所以其电磁干扰更少、系统工作更稳定。当外电网停电时,功率转换电路工作在BOOST升压方式,将钛酸锂电池组电压升压到600V提供给直流母线,并向逆变器模块提供高压供电;所述直流接触器的作用是当电梯能量回收系统处理能量回收和能量二次利用时通过直流接触器接通系统与电梯控制器的直流母线,实现直流母线上的电能传送。其它情况下将系统与电梯控制器的直流母线断开,保证电梯控制器工作的稳定性;所述IGBT模块包括IGBT驱动电路,实现功率转换电路中的开关控制和续流功能。IGBT为系统主要功率器件,其转换电流的大小直接决定IGBT的热损耗,所以本发明中的能量回收和二次利用转换都是BUCK降压方式,其电流较小,也降低了系统对IGBT的性能要求。其中IGBT驱动电路由隔离型驱动电源、隔离光耦、驱动三极管组成其作用是接收系统主板发出的PWM信号控制,实现对IGBT模块的有效驱动,同时保证高低压电路的电平隔离;所述功率转换电感主要是电磁转换,采用大功率环形磁芯和多股纱包线绕制而成,其高频特性好、转换效率高;所述系统控制主板包括单片机、液晶屏、信号采集和信号处理、通讯电路、控制电路,实现系统的信号处理与控制和系统信息的显示。所述充放电控制接触器实现对功率转换电路的方式变换,可通过此接触器的控制将功率转换电路分别配置为能量回收BUCK降压电路、辅助基准BUCK降压电路、BOOST升压电路;所述基准电压滤波电容除实现滤波功能外同时作为基准电压的支撑电容;所述五方对讲电源模块的作用是为电梯对讲和照明系统提供电源,并当外电网停电时能自动延迟2小时供电。
结合附图2(系统控制主板组成框图)本发明的系统控制主板主要包括:单片机最小系统、CAN通讯电路、ADC高精度基准电压发生电路、IC卡查插槽、板载EEPROM、液晶显示器、逻辑输入电路、逻辑输出电路、模拟输入电路、PWM发生电路。所述单片机最小系统以MC9S12XET256双核单片机为核心,配合软件实现系统的信处理和逻辑控制,即系统大脑。此单片机的处理速度快、工作稳定可靠,关键数字信号采用协处理器独立完成,不占用主处理器的硬件资源;所述CAN通讯电路采用CAN2.0通讯方式实现系统与外部的扩展通讯,CAN总线采用2线通讯方式,其硬件结构简单、抗干扰能力强;所述 ADC高精度电压发生电路采用专用电压基准芯片为单片机的ADC转换模块提供高精度的参考电压;所述IC卡插槽可插入外部IC卡,实现系统的主要参数配置和管理;所述板载EEPROM实现系统主要运行数据的记录和IC卡主要参考的备份;所述液晶显示器实现系统的信息显示,通过图文的人机交换显示系统状态供用户和维保人员参考;所述逻辑输入电路可输入电梯状态和门机状态,并将这些状态信息转换为5V逻辑信号送到单片机处理;所述逻辑输出电路将单片机通过软件运算后的数字逻辑控制信号转换为外部执行单元所需要的控制电平,包括系统电源自锁控制、充放电接触器控制、直流母线接触器控制、能量状态输出、逆变模块控制;所述PWM发生电路主要由单片机内部数字运算输出5V电平的PWM信号,并将PWM信号通过一级电流驱动后输出;所述模拟输入电路实现对系统所需要的模拟量信号进行输入处理后送到单片机的模拟输入引脚,通过单片机内部的ADC转换模块数字化后进行数字信号处理。其模拟信号包括直流母线电压、钛酸锂电池组电压、外部三相交流电压、钛酸锂电池组充放电电流、电机运行电流、外部三相交流电流、储能电感高频电流。
结合附图3(逆变器模块组成框图)本发明的逆变器模块主要包括:模块系统开关电源、PWM信号发生电路、直流母线输入电路、IGBT驱动电路、H 型IGBT转换桥、高频抑制电路、输出电抗器、电流检测电路、输出交流电压检测电路。所述模块系统开关电源采用以TOP芯片为核心的反激式开关电源,其效率高、成本低,开关电源的输入电源来源于钛酸锂电池组;所述直流母线输入电路主要由450V1000uF的电解电容组成,主要作用是滤波和电压平台稳定;所述PWM信号发生电路是以EG8010逆变器专用控制芯片为核心,负责 PWM信号的产生和调整;所述IGBT驱动电路是将EG8010所产生的PWM信号进行功率放大和电气隔离后送到IGBT转换桥;所述IGBT转换桥由4只IGBT 组合形成H桥,一对工作频率为50Hz基,一对工作频率为15~25KHz的载波,通过两对桥臂的组合工作实现逆变功能;所述高频抑制电路和所述输出电抗器共同对逆变电路所产生的高频载波成分进行抑制,保证输出为标准50Hz基波;所述电流检测电路对IGBT转换桥的工作电流进行检测,并将电流信号送回EG8010,当外部过载或短路时EG8010芯片进入保护模式;所述输出交流电压检测电路对逆变器输出的380V交流电压进行峰值检测,并返回到EG8010 进行调整,保证输出交流电压稳定为380V。
结合附图4(能量回收与二次利用原理简图)本发明的功率转换部分主要包括:三相整流桥、滤波电容、IGBT模块、储能电感、充放电控制接触器、钛酸锂电池组、基准电压稳定电容。所述三相整流桥将外部三相交流电源进行整流产生540V的脉动直流电压;所述滤波电容将三相整流后的脉动直流进行滤波,保证直流电压的平稳性;所述充放电控制器实现充放电功能转换;所述储能电感实现电磁转换;所述IGBT模块作BUCK降压开关和续流功率器件;所述钛酸锂电池组实现电梯能量的回收存储;所述基准电压稳定电容保证基准电压的稳定性和功率输出。附图中600V高压为直流母线电压,直接连接到电梯控制系统的直流母线端口;UVW为外部三相输入;D1~D6组成三相整流电路,整流后由C2滤波,在C2上产生540V的直流电压;Q2为能量回收 BUCK开关管;Q1为能量二次利用时基准电压自举BUCK开关管;S1为钛酸锂电池组;C1为基准电压支撑电容;L1为能量转换电感;K1为充放电切换直流接触器。当电梯处于发电状态时,K1常闭触点闭合常开触点断开,Q1无 PWM驱动,其内部反并联二极管作为BUCK继流二极管,Q2受PWM信号驱动与 L1组成BUCK电路向钛酸锂电压S1充电,当S1电压高于330V时关闭Q2的 PWM驱动信号。C1电压自动平衡为母线电压减去钛酸锂电池电压。当电梯处于耗电状态时,K1常开触点闭合常闭触点断开,Q2无PWM驱动,其内部反并联二极管作为BUCK继流二极管,Q1受PWM信号驱动与L1组成BUCK电路将 C2上的540V直流电压转换成低压向C1充电,通过C1与S1的串联使用直流母线电压抬高并稳定在600V,达到钛酸锂电压取代外部三相电独立向电梯控制器供电的目的,S1与C1的放电电流相等,二都串联使用,根据公式P=UI 可知,二者向电梯控制器提供的能量比为二者的电压比。同时当钛酸锂电池 S1的电压低于264V时关闭Q1的PWM驱动信号。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的基于碳酸锂电池组的电梯能量回收系统的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统,其特征在于,包括:
与系统控制主板通信连接以实现能量回收的第一BUCK降压电路;
串联设置在第一BUCK降压电路的输出端上用于储能的碳酸锂电池组S1;
对S1输出的基准电压进行辅助调整的第二BUCK降压电路;
其中,在第二BUCK降压电路中,通过与所述碳酸锂电池组一端串接的电容C1实现基准电压的稳定,以使得与碳酸锂电池组连接的直流母线电压抬高并稳定在一预定电压值范围内。
2.如权利要求1所述的基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统,其特征在于,所述第一BUCK降压电路、第二BUCK降压电路通过与其连接的充放电控制器K1实现二者之间工作状态的切换。
3.如权利要求2所述的基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统,其特征在于,所述第一BUCK降压电路、第二BUCK降压电路均包括:处于串联状态的两个BUCK开关管IGBT模块Q1、Q2,与Q1、Q2相配合的电感L1。
4.如权利要求3述的基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统,其特征在于,在电梯处于发电状态时,K1的常闭触点闭合常开触点断开,PWM信号发生电路产生相应的PWM脉冲信号,Q1中因无PWM脉冲信号驱动,Q1关断,其内部反并联二极管作为BUCK继流二级管;而Q2受PWM脉冲信号的驱动,与电感L1构成第一BUCK降压电路,向S1进行充电操作。
5.如权利要求3所述的基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统,其特征在于,还包括辅助动力电源,其包括与外部供电设备相连接的三相整流桥与滤波电容C2,以将外部的三相电转换为对应的540V直流电压。
6.如权利要求5所述的基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统,其特征在于,在电梯处于耗电状态时,K1的常闭触点断开常开触点闭合,PWM信号发生电路产相应的PWM脉冲信号,Q2中因无PWM脉冲信号驱动,故其内部反并联二极管作为BUCK继流二级管,而Q1受PWM脉冲信号的驱动,与电感L1构成第二BUCK降压电路,将C2上的直流电压转换成对应的低压向C1充电,以通过C1与S1的串联,抬高直流母线上的电压大于外电网整流电压,从而取代外电网向变频器供电,S1工作在半电平状态。
7.如权利要求1所述的基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统,其特征在于,所述系统控制主板包括与S1电连接的单片机,以及与其通信连接的ADC基准电压发生电路、系统电源自锁控制电路,S 1电压采集检测电路、S 1电流采集检测电路;
其中,所述单片机被配置为采用MC9S12XET256双核单片机;
所述系统电源自锁控制电路被配置为采用继电器作为自锁开关器件;
S1电压采集检测电路被配置为采用HCNR201线性光耦以实现对系统母线、S1以及BUCK自举电路的电压检测;
S1电流采集检测电路被配置为采用霍尔电流传感器和电磁互感器,以实现对三相电流、第一BUCK降压电路、第二BUCK降压电路能量二次利用释放电流的检测,进而实现高低压电气分离。
8.如权利要求1所述的基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统,其特征在于,所述S1上设置有与其相配合的保护电路;
其中,所述S1被配置为多个采用2AH~10AH的电芯串联构成,所述S1的储能电压平台使用范围为150V~550V之间;
保护电路被配置为采用过充电限压均衡方式,且所述保护电路被配置为分别设置在每一只钛酸锂电池单体之上。
9.如权利要求1所述的基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统,其特征在于,还包括:与S1电连接的五方对讲电源模块及逆变器模块;
其中,所述逆变模块的低压供电来源于内部钛酸锂电池,其高压供电来源于内部系统直流母线电压,后级被配置为采用无变压器逆变电路。
10.如权利要求2所述的基于碳酸锂电池的电梯能量回收系统,其特征在于,与系统控制主板通信连接的CAN通讯模块,其被配置为采用隔离式CAN2.0通讯方式。
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