CN110299757A - 基于梯次动力蓄电池的应急电源系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于梯次动力蓄电池的应急电源系统，包括市电及负载，还包括断路器F、接触器K、储能变流器以及蓄电池，所述蓄电池为电动汽车退役的动力蓄电池，所述市电依次经断路器F、接触器K后与负载连接，在负载和接触器K之间引出接线与储能变流器的交流测连接，所述储能变流器的直流侧与蓄电池连接。本发明的优点在于：采用电动汽车退役的动力电池实现应急电源系统，使得电动汽车动力蓄电池得到了最大限度的使用，避免了浪费，使得电力蓄电池的生命周期得到了延长，减少了固废排放；在节约应急电源的成本的同时满足对于应急电源储能的要求。
Description
技术领域
本发明涉及退役动力电池回收利用领域，特别涉及一种基于梯次动力电池的应急电源系统及控制方法。
背景技术
依据我国国家标准规定动力蓄电池寿命为循环1000次、放电容量不低于初始容量的80％，当容量低于80％时不再用于电动汽车，须从电动汽车上退役下来，退役下来的动力电池若处理不当，将产生安全隐患、环境污染、资源流失等一些列问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于梯次动力蓄电池的应急电源系统及控制方法，用于采用退役的动力蓄电池实现应急电源，以最大程度的利用退役动力蓄电池。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：基于梯次动力蓄电池的应急电源系统，包括市电及负载，还包括断路器F、接触器K、储能变流器以及蓄电池，所述蓄电池为电动汽车退役的动力蓄电池，所述市电依次经断路器F、接触器K后与负载连接，在负载和接触器K之间引出接线与储能变流器的交流侧连接，所述储能变流器的直流侧与蓄电池连接。
所述电源系统还包括控制器，所述控制器与储能变流器连接，用于控制储能变流器的工作状态；所述控制器的I/O与接触器的辅助触点和线圈连接，用于控制接触器闭合和断开。
所述控制器通过CAN接口与电池管理系统连接，用于获取电池管理系统采集的数据。
所述控制器与触摸屏连接，所述触摸屏用于人机数据交互。
所述电池管理系统包括电池管理单元、电压电流检测单元、温度采集单元、系统绝缘度采集单元，所述电池管理单元分别连接电压电流检测单元、温度采集单元、系统绝缘度采集单元。
所述控制器与市电信号采集单元连接，所述控制器用于根据市电信号采集单元来判断市电是否正常并控制接触器、储能变流器的工作状态。
基于梯次动力蓄电池的应急电源系统的控制方法，所述控制方法包括充电控制步骤、放电控制步骤，所述控制器根据市电电网供电是否正常来控制应急电源系统处于充电控制步骤或放电控制步骤；当市电电网断电时，进入放电控制步骤，控制器控制蓄电池放电以为负载供电；当市电电网供电正常时，进入充电控制步骤，控制器控制市电为负载供电同时为蓄电池充电。
在放电控制步骤中，控制器判断市电失电，控制接触器K断开，同时控制储能变流器处于逆变工作状态，将蓄电池的直流电转换成交流电为负载提供供电。
控制器通过电池管理系统获取蓄电池的剩余电量，当电量小于或等于预设放电电量阈值时，控制储能变流器处于待机状态，蓄电池停止放电，当剩余电量值大于预设放电电量阈值时，储能变流器处于逆变工作状态将蓄电池输出的交流电逆变为交流为负载供电；在放电控制步骤中，当检测到市电有电时，切换至充电控制步骤。
当市电有电时，进入充电控制步骤，此时控制接触器、断路器闭合，控制储能变流器处于整流状态，市电经断路器、接触器后为负载供电，市电经断路器、接触器、储能变流器后为蓄电池充电。
控制器通过电池管理系统获取蓄电池的电量，当蓄电池电量等于预设充电电量阈值时，控制储能变流器处于待机状态，断开蓄电池的充电，当蓄电池电量小于预设充电电量阈值时，储能变流器则继续给梯次动力蓄电池充电，市电保证负载供电。
本发明的优点在于：采用电动汽车退役的动力蓄电池实现应急电源系统，使得电动汽车动力蓄电池得到了最大限度的使用，避免了浪费，使得电力蓄电池的生命周期得到了延长，减少了固废排放；在节约应急电源的成本的同时满足对于应急电源储能的要求；设置的电路结构简单、实现方便，控制逻辑清晰；系统具备自动判断市电是否正常，快速切换应急供电模式，保障负载正常运行，同时也能自动识别储能载体电量，快速切换充电模式，提高了供电系统的可靠性。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明应急电源系统结构原理图；
图2为本发明控制器硬件配置图；
图3为本发明控制方法流程图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，基于梯次动力蓄电池的应急电源系统，包括市电及负载、断路器F、接触器K、储能变流器以及蓄电池，蓄电池为电动汽车退役的动力蓄电池，市电依次经断路器F、接触器K后与负载连接，在负载和接触器K之间引出接线与储能变流器的交流侧连接，所述储能变流器的直流侧与蓄电池连接。
在本实施例中的蓄电池为梯次动力蓄电池，为电动汽车退役的动力蓄电池，在动力电池退役后，其剩余容量仍可以存储电能，本申请利用这一点设计一种应急电源系统，为重要负荷提供应急电源，从而起到了动力电池的回收利用的同时满足应急负荷的供电。在实际工作中，市电正常供电时，通过断路器、接触器为负载供电，同时控制储能变流器处于整流状态，市电经过整流后变成直流电为蓄电池充电，当市电断电时，控制储能变流器处于逆变状态，将蓄电池输出的直流逆变成交流为负载供电。
储能变流器、接触器的工作状态由控制器进行控制。控制器与储能变流器连接，用于控制储能变流器的工作状态：逆变状态还是整流状态；控制器的I/O与接触器的辅助触点和线圈连接，用于控制接触器闭合和断开。
通过控制接触器的断开闭合来控制为蓄电池充电或蓄电池为负载放电。
控制器采用采用嵌入式计算机，Cortex-A8RI SC处理器作为主控制器CPU，用于实现控制储能变流器和接触器的工作状态。储能变流器PCS包括双向ACDC变换器、控制单元，控制单元用于根据接收到控制器发来的控制信号控制双向ACDC变换器的工作状态是逆变状态还是整流状态。接触器采用交流接触器，用于实现控制，同时预防倒闸，为系统供电安全性提供保障。
控制器与市电信号采集单元连接，控制器用于根据市电信号采集单元来判断市电是否正常并控制接触器、储能变流器的工作状态。市电信号采集单元可以采用电流互感器等采集供电电网的工作状态，以通过采集电流、电压等电网信号来判断市电是否正常供电。当供电正常时，控制器输出控制信号至接触器，控制接触器闭合；控制器输出控制信号至储能变流器，控制储能变流器处于整流工作状态，市电经断路器、接触器、储能变流器后为蓄电池供电，市电经断路器、接触器后为负载供电。当判断电网失电时，控制器发出控制信号至接触器，控制接触器断开；控制器发出控制信号至储能变流器，控制储能变流器处于逆变工作状态，蓄电池的输出直流经逆变为交流后为负载供电。
控制器通过CAN接口与电池管理系统连接，用于获取电池管理系统采集的数据。电池管理系统包括电池管理单元、电压电流检测单元、温度采集单元、系统绝缘度采集单元、SOC采集单元，电池管理单元分别连接电压电流检测单元、温度采集单元、系统绝缘度采集单元、SOC采集单元。用于获取电池的状态信息。控制器与触摸屏连接，以触摸屏作为人机交互界面HMI，用于人机数据交互，可以显示电池的状态信息。
市电与市电断路器连接，市电断路器的输出与接触器输入连接，市电正常时，为负载和梯次动力蓄电池提供电源。接触器的输出与负载、双向变流器的输入连接，接触器的切换与市电连接，同时预防倒闸，为系统供电安全性提供保障。
储能变流器集逆变、整流、控制于一体，市电正常时，将市电作为电流源为梯次动力蓄电池充电，市电失电时，将以电压源的形式为负载供电输出。
控制器作为本系统的大脑，操作系统基于Linux，具备多种通讯规约(Modbus RTU/TCP、TCP/IP等)的并发采集与转发功能，可以从通讯规约级实现串口(RS232/RS485)、CAN、以太网等通讯网络的相互转换，与其他设备进行实时的数据交互，同时完成各个网络上所有测量、控制、保护、信号等数据汇总工作。控制器测量采集市电信号，判断市电是否正常，经数据通讯实时控制双向变流器充放电模式，读取电池管理系统数据，判断电池电量以及电池的稳定性和安全性。
电池管理系统实时监测电池总电压、总电流、SOC、单体电池电压、单体电池温度及系统绝缘度，该系统具备对电池自动加热和冷却控制，从而最大限度保障电池的利用率和安全性。系统数据和状态由HIM(触摸屏)显示，方便系统操作。
本实施例中使用的梯次动力蓄电池即是电动汽车退役的动力蓄电池，有益之处在于使得电动汽车动力蓄电池得到了最大限度的使用，生命周期得到了延长，减少了固废排放，符合国家政策导向，顺应绿色发展理念。
应急电源系统的控制模式有充电模式和放电模式，具体工作模式如下：
1、充电模式
1.1系统判断市电有电，市电供电负载和电池充电，储能变流器充电模式，以电流源的形式给梯次动力蓄电池充电，市电断路器(F)和接触器(K)在闭合状态；
1.2梯次动力蓄电池容量判断，防止梯次动力蓄电池过充现象，梯次动力蓄电池电量等于预设充电电量阈值时(充满电对应的阈值)，双向变流器待机状态，梯次动力蓄电池电量小于预设充电电量阈值时，双向变流器则继续给梯次动力蓄电池充电，市电保证负载供电；
1.3系统判断市电失电，系统将快速切换至放电模式。
2、放电模式
2.1系统判断市电失电，控制器释放接触器线圈，接触器(K)在断开状态，其目的是用电安全，防止倒闸，另保障重要负荷供电；
2.2双向变流器以电压源输出，为负载供电；
2.3梯次动力蓄电池容量判断，防止梯次动力蓄电池过放现象，梯次动力蓄电池电量等于预设放电电量阈值时(放空或接近防空对应的电量值)，双向变流器待机状态，梯次动力蓄电池电量大于预设放电电量阈值时，则系统继续处于放电模式；
2.4系统判断市电有电，系统将快速切换至充电模式。
基于梯次动力蓄电池的应急电源系统的控制方法，包括充电控制步骤、放电控制步骤，控制器根据市电电网供电是否正常来控制应急电源系统处于充电控制步骤或放电控制步骤；当市电电网断电时，进入放电控制步骤，控制器控制蓄电池放电以为负载供电；当市电电网供电正常时，进入充电控制步骤，控制器控制市电为负载供电同时为蓄电池充电。
在放电控制步骤中，控制器判断市电失电，控制接触器K断开，同时控制储能变流器处于逆变工作状态，将蓄电池的直流电转换成交流电为负载提供供电。控制器通过电池管理系统获取蓄电池的剩余电量，当蓄电池电量等于预设放电电量阈值时时，系统控制储能变流器处于待机状态，蓄电池停止放电，当剩余电量大于预设放电电量阈值时，储能变流器处于逆变工作状态将蓄电池输出的直流电逆变为交流为负载供电；在放电控制步骤中，当检测到市电有电时，切换至充电控制步骤。
当市电有电时，进入充电控制步骤，此时控制接触器、断路器闭合，控制储能变流器处于整流状态，市电经断路器、接触器后为负载供电，市电经断路器、接触器、储能变流器后为蓄电池充电。控制器通过电池管理系统获取蓄电池的电量，当蓄电池电量等于预设充电电量阈值时，系统控制储能变流器处于待机状态，断开蓄电池的充电，电量小于预设充电电量阈值时，双向变流器则继续给梯次动力蓄电池充电，市电保证负载供电。当检测到市电失电时，切换至放电控制步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：从社会和环境效益角度来说，系统能够使用梯次动力蓄电池作为储能载体，使动力蓄电池得到了最大限度的使用，其生命周期得到了延长，减少了固废排放；从电源管理控制技术角度来说，系统具备自动判断市电是否正常，快速切换应急供电模式，保障负载正常运行，同时也能自动识别储能载体电量，快速切换充电模式，提高了供电系统的可靠性。除此之外还具备如下三种优点：
1、保证系统功能前提下，优化硬件设计，减少硬件的故障率，从而实现应急电源系统硬件可靠性。
2、应急电源系统的控制器采用嵌入式计算机，Cortex-A8RISC处理器，配备RS232、RS485、CAN、以太网等接口，适合长时间连续运行，不会因为硬件老化而发生故障，造成通讯的中断；操作系统基于Linux，实时多任务，运行速度快，系统具备多种通讯规约(ModbusRUT/TCP、TCP/IP等)的并发采集与转发功能，可以从通讯规约级实现串口(RS232/RS485)、CAN、以太网等通讯网络的相互转换，与其他设备进行实时的数据交互，同时完成各个网络上所有测量、控制、保护、信号等数据汇总工作。
3、发明中使用的梯次动力蓄电池即是电动汽车退役的动力蓄电池，有益之处在于使得电动汽车动力蓄电池得到了最大限度的使用，生命周期得到了延长，减少了固废排放，符合国家政策导向，顺应绿色发展理念。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于梯次动力蓄电池的应急电源系统，包括市电及负载，其特征在于：还包括断路器F、接触器K、储能变流器以及蓄电池，所述蓄电池为电动汽车退役的动力蓄电池，所述市电依次经断路器F、接触器K后与负载连接，在负载和接触器K之间引出接线与储能变流器的交流侧连接，所述储能变流器的直流侧与蓄电池连接。
2.如权利要求1所述的基于梯次动力蓄电池的应急电源系统，其特征在于：所述电源系统还包括控制器，所述控制器与储能变流器连接，用于控制储能变流器的工作状态；所述控制器的输出端与接触器连接，用于控制接触器闭合和断开。
3.如权利要求2所述的基于梯次动力蓄电池的应急电源系统，其特征在于：所述控制器通过CAN接口与电池管理系统连接，用于获取电池管理系统采集的数据。
4.如权利要求1-3任一所述的基于梯次动力蓄电池的应急电源系统，其特征在于：所述控制器与触摸屏连接，所述触摸屏用于人机数据交互。
5.如权利要求3所述的基于梯次动力蓄电池的应急电源系统，其特征在于：所述电池管理系统包括电池管理单元、电压电流检测单元、温度采集单元、系统绝缘度采集单元，所述电池管理单元分别连接电压电流检测单元、温度采集单元、系统绝缘度采集单元。
6.如权利要求1-3任一所述的基于梯次动力蓄电池的应急电源系统，其特征在于：所述控制器与市电信号采集单元连接，所述控制器用于根据市电信号采集单元来判断市电是否正常并控制接触器、储能变流器的工作状态。
7.如权利要求1-6任一所述的基于梯次动力蓄电池的应急电源系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括充电控制步骤、放电控制步骤，所述控制器根据市电电网供电是否正常来控制应急电源系统处于充电控制步骤或放电控制步骤；当市电电网断电时，进入放电控制步骤，控制器控制蓄电池放电以为负载供电；当市电电网供电正常时，进入充电控制步骤，控制器控制市电为负载供电同时为蓄电池充电。
8.如权利要求7所述的基于梯次动力蓄电池的应急电源系统的控制方法，其特征在于：在放电控制步骤中，控制器判断市电失电，控制接触器K断开，同时控制储能变流器处于逆变工作状态，将蓄电池的直流电转换成交流电为负载提供供电。
9.如权利要求8所述的基于梯次动力蓄电池的应急电源系统的控制方法，其特征在于：控制器通过电池管理系统获取蓄电池的剩余电量，当电量小于或等于预设放电电量阈值时，控制储能变流器处于待机状态，蓄电池停止放电，当剩余电量值大于预设放电电量阈值时，储能变流器处于逆变工作状态将蓄电池输出的交流电逆变为交流为负载供电；在放电控制步骤中，当检测到市电有电时，切换至充电控制步骤。
10.如权利要求7所述的基于梯次动力蓄电池的应急电源系统的控制方法，其特征在于：当市电有电时，进入充电控制步骤，此时控制接触器、断路器闭合，控制储能变流器处于整流状态，市电经断路器、接触器后为负载供电，市电经断路器、接触器、储能变流器后为蓄电池充电。
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