CN110739741B - 高压动力电池在通讯基站中的低压直流耦合管理系统 - Google Patents

Abstract

高压动力电池在通讯基站中的低压直流耦合管理系统，在通信电源系统内置控制单元，采用直流耦合方法设计双向整流电路，以双向充电电路通过高压直流母线连接电动汽车退役高压电池和耦合母线，通过DCDC电路连接48V直流母线低压输出和耦合母线，通过双向整流电路连接电网和耦合母线，进行削峰填谷、需量调节，完成电动汽车退役高压电池在通讯基站中智能化的充放电管理；系统在通信电源系统内置控制单元，采用直流耦合方法设计双向整流电路，可以直接连接退役电动车高压电池，并对其进行充放电管理。替代原通信电源，省去现有的48V铅酸电池。为用户带来削峰填谷、需量调节等多种应用场景，增加运营收益。

Description

高压动力电池在通讯基站中的低压直流耦合管理系统

技术领域

本发明涉及H02J供电或配电的电路系统以及电能存储系统的改进技术，尤其是高压动力电池在通讯基站中的低压直流耦合管理系统。

背景技术

从2014年，中国开始加速电动汽车应用推广，根据现行校准，在电动汽车使用过程中，当动力电池容量衰减到80％以后，由于行驶里程受限等因素就需从汽车上退役。这些退役的动力电池，与铅酸电池对比，不管其能量密度、循环寿命，还是高低温性能、充放电倍率等方面，都有明显的优势。但同时这些电池电压仍然较高，而且成本较新电池低很多，只不过需要找到合适的应用环境，并且配置相应的电池管理系统(BMS)对其管理才可以安全使用。

BMS电池系统俗称之为电池保姆或电池管家，主要就是为了智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。BMS电池管理系统单元包括BMS电池管理系统、控制模组、显示模组、无线通信模组、电气设备、用于为电气设备供电的电池组以及用于采集电池组的电池信息的采集模组，所述BMS电池管理系统通过通信接口分别与无线通信模组及显示模组连接，所述采集模组的输出端与BMS电池管理系统的输入端连接，所述BMS电池管理系统的输出端与控制模组的输入端连接，所述控制模组分别与电池组及电气设备连接，所述BMS电池管理系统通过无线通信模块与Server服务器端连接。

另一方面，现有通信基站中作为后备电源的储能电池绝大部分采用的是铅酸电池，铅酸电池在能量密度、寿命等方面相比磷酸铁锂电池都存在较大差距，但是全新的磷酸铁锂电池在通信基站内应用成本很高，无法大规模化推广。

目前，退役动力电池的再利用技术受到广泛关注。比如，在2018年10月中国铁塔公司宣布在2020年将完全消化1000万辆新能源汽车产生的退役动力电池。

现有通信基站内应用场景如附图1所示，通信电源与48V铅酸电池共接48V直流母线，48V铅酸电池作为备电使用，有市电时电网直接给设备供电，无市电时由48V铅酸电池给设备供电。

相关创新的技术方案公开较少。检索中国专利文献发现：

北京杉杉凯励新能源科技有限公司提出的中国专利申请201810087317.1公开一种通信基站中梯次锂电池的充放电控制系统，包括：电池管理单元、电池合路单元；电池管理单元及电池合路单元连接至一电池组；电池组通过电池合路单元连接至充电机；电池管理单元用于对该电池组进行参数采样、运行保护及充放电状态控制，计算电池组的电荷状态，并将采样数据发送至与其连接的主电池管理单元，或者发送至动力环境系统及GPRS模块，并通过控制电池合路单元，使充电机为电池组充电及放电操作；其中，采样数据至少包括单电池电压、单电池温度、充放电电流。

上海玖行能源科技有限公司提出的中国专利申请201610601656.8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。

电动汽车用动力电池大部分电压等级为300-400V或600-700V，无法直接应用于现有的系统架构中去。对退役动力电池做拆解重装为48V模块，又会大大增加退役电池的成本，同时不同的退役电池包中电芯再次搭配到一个电池包中使用时，由于电芯间的差异性，也会降低其整个电池包性能。

发明内容

本发明的目的是提供高压动力电池在通讯基站中的低压直流耦合管理系统，可以直接连接退役电动汽车高压电池，实现多种功率流向充放电管理功能，同时保证备电，可以省去现有的48v铅酸电池。

本发明的目的将通过以下技术措施来实现：在通信电源系统内置控制单元，采用直流耦合方法设计双向整流电路，以双向充电电路通过高压直流母线连接电动汽车退役高压电池，配合耦合母线通过逆变器连接48V直流母线低压输出，进行削峰填谷、需量调节，完成电动汽车退役高压电池在通讯基站中智能化的充放电管理；通信电源系统通过信息模块连接电网，通信电源系统通过高压直流母线连接电动汽车退役高压电池，电动汽车退役动力电池上安装电池管理系统BMS模块，同时，通信电源系统通过48V直流母线进一步的连接设备；在通信电源系统内，直流的耦合母线同时与双向整流电路、控制单元、双向充电电路以及DCDC电路连接；同时，控制单元也分别与耦合母线、双向整流电路、双向充电电路和DCDC电路相连，控制单元总体负责系统运行模式的控制和检测；双向充电电路通过高压直流母线外接电池管理系统BMS模块。当电网正常时，电网电流由双向整流电路到耦合母线，再通过DCDC电路经48V直流母线向设备供电；同时，耦合母线通过双向充电电路向电动汽车退役动力电池充电，保证容量维持；当电网异常时，双向整流电路停止工作，电动汽车退役电池通过双向充电电路向耦合母线放电，从而维持48V直流母线供电，满足设备的备电需求。

尤其是，设定电动汽车退役高压电池容量为SOC，SOC1为电池管理系统BMS模块传递的下限，SOC2为电池管理系统BMS模块传递的上限，同时SOC备电为控制单元接受远程调控设置的备电阀值；首先，判断电网情况，电网异常则进入备电模式，电动汽车退役高压电池为设备负载供电，采用V/F控制，输出功率Pr＝Plac；当电动汽车退役高压电池状态在SOC1<SOC<SOC备电时，进入备电模式，系统处于备电区，系统不做储能策略管理；当电池状态在SOC备电<SOC<SOC2时，系统处于储能区，系统进行削峰填谷策略管理；设定峰时段和谷时段，此参数由远程调控设置；当电网正常，电动汽车退役高压电池处于储能区时，则根据设定，依次判断当前处于是否归于峰时段、谷时段或平期模式之一，采用功率控制，并进而选择进入峰期模式、谷期模式或平期模式；

其中，峰期模式下，通信电源系统控制电动汽车退役高压电池放电，和电网一起来给负载设备提供功率，输出功率Pr＝Plac-Ptop，其中，Plac为设备负载功率，约束条件为

即ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac，式中k1、k2为系数，其值大于0.1，小于2；ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac不成立则返回开始状态；ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac成立则判断Ρr，Ρr>0，则调整放电功率，否则进入待机状态；

其中，谷期模式下，负载设备由电网供电，通信电源系统对电动汽车退役高压电池充电，充电功率Pr＝Pgrld-Plac，约束条件为

即ΔΡr<k1ΔΡtop—k2ΔΡlac；ΔΡr<k1ΔΡtop—k2ΔΡlac不成立则返回开始状态；ΔΡr<k1ΔΡtop—k2ΔΡlac成立则判断Ρr，Ρr>0，则调整放电功率，否则进入待机状态；

其中，平期模式下，通信电源功率目标Pr＝Ptop-Plac，系统根据Pr值控制充放电功率；ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac不成立，则返回开始状态；ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac成立下，Ρr<0，则进入放电模式，否则保持当前状态。

尤其是，控制单元分别通过通讯线路连接通信电源系统外的信息模块、电池管理系统BMS模块或远程遥控遥测系统，负责通信电源系统运行逻辑的调整及对远程遥控遥测信号的响应。

尤其是，耦合母线通过并联至少二路DCDC电路外接48V直流母线。

尤其是，双向充电电路连接对外供电电路，并且，对外供电电路通过BMS供电电路连接到电池管理系统BMS模块。

本发明的优点和效果：系统在通信电源系统内置控制单元，采用直流耦合方法设计双向整流电路，内置的控制单元通过监测电池、电网状态，根据远程遥控遥测自动执行预设的储能运行模式，可以直接连接退役电动车高压电池，并对其进行充放电管理。在通信基站中替代原通信电源，省去现有的48v铅酸电池。为用户带来削峰填谷、需量调节等多种应用场景，增加运营收益。

附图说明

图1为现有通信基站内应用场景示意图。

图2为本发明实施例1中通信基站内应用场景结构示意图。

图3为本发明实施例1通信电源内部具体结构示意图。

图4为本发明实施例1中通信电源内部结构充电时电路运行方向示意图。

图5为本发明实施例1中通信电源内部结构备电模式下电路运行方向示意图。

图6为本发明实施例1中具体的实现逻辑结构示意图。

具体实施方式

本发明原理在于，在通信电源系统内置控制单元，采用直流耦合方法设计双向整流电路，以双向充电电路通过高压直流母线连接电动汽车退役高压电池，配合耦合母线通过DCDC电路连接48V直流母线低压输出，通过双向整流电路连接电网和耦合母线，完成电动汽车退役高压电池的充放电管理，有效地控制电动汽车退役高压电池的充放电状态，实现高压动力电池在通讯基站中智能化的管理模式。由于电动汽车退役高压电池容量较大，远远超出通信基站备电需求，那么在预留出足够的容量作为给基站备电用以后，多余的容量就可以作为储能用容量来进行能量管理，从而实现削峰填谷、需量调节等多种运行模式，从而带来额外的可观收益。

本发明中，在通信基站内应用场景结构如附图2所示，通信电源系统通过信息模块连接电网，通信电源系统通过高压直流母线连接电动汽车退役高压电池，电动汽车退役动力电池上安装电池管理系统BMS模块，同时，通信电源系统通过48V直流母线连接48V电池，并且48V直流母线进一步的连接设备；又如附图3所示，在通信电源系统内，直流的耦合母线同时与双向整流电路、控制单元、双向充电电路以及DCDC电路连接；同时，控制单元也分别与耦合母线、双向整流电路、双向充电电路和DCDC电路相连，控制单元总体负责系统运行模式的控制和检测；双向充电电路通过高压直流母线外接电池管理系统BMS模块。

本发明中，当电网正常时，如附图4所示，电网电流由双向整流电路到耦合母线，再通过DCDC电路经48V直流母线向设备供电；同时，耦合母线通过双向充电电路向电动汽车退役动力电池充电，保证容量维持；当电网异常时，如附图5所示，双向整流电路停止工作，电动汽车退役电池通过双向充电电路向耦合母线放电，从而维持48V直流母线供电，满足设备的备电需求。

本发明与现有技术中的通信电源区别在于通过内部设置耦合母线，将原有整流电路和DCDC之间的直流母线对双向充电电路开放，对高压电池进行充放电操作，同时集成有控制单元可与电池管理系统通信管理。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：作为一种典型削峰填谷运行模式实现方案，具体的实现逻辑图如附图6所示。

设定电动汽车退役高压电池容量为SOC，SOC1为电池管理系统BMS模块传递的下限，SOC2为电池管理系统BMS模块传递的上限，同时SOC备电为控制单元接受远程调控设置的备电阀值；首先，判断电网情况，电网异常则进入备电模式，电动汽车退役高压电池为设备负载供电，采用V/F控制，输出功率Pr＝Plac；当电动汽车退役高压电池状态在SOC1<SOC<SOC备电时，进入备电模式，系统处于备电区，系统不做储能策略管理；当电池状态在SOC备电<SOC<SOC2时，系统处于储能区，系统进行削峰填谷策略管理；

设定峰时段和谷时段，此参数由远程调控设置；当电网正常，电动汽车退役高压电池处于储能区时，则根据设定，依次判断当前是否归于峰时段、谷时段或平期模式之一，采用功率控制，并进而选择进入峰期模式、谷期模式或平期模式；

其中，峰期模式下，通信电源系统控制电动汽车退役高压电池放电，和电网一起来给负载设备提供功率，输出功率Pr＝Plac-Ptop，其中，Plac为设备负载功率，约束条件为

即ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac，式中k1、k2为系数，其值大于0.1，小于2；ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac不成立则返回开始状态；ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac成立则判断Ρr，Ρr>0，则调整放电功率，否则进入待机状态；

其中，谷期模式下，负载设备由电网供电，通信电源系统对电动汽车退役高压电池充电，充电功率Pr＝Pgrld-Plac，约束条件为

即ΔΡr<k1ΔΡtop—k2ΔΡlac；ΔΡr<k1ΔΡtop—k2ΔΡlac不成立则返回开始状态；ΔΡr<k1ΔΡtop—k2ΔΡlac成立则判断Ρr，Ρr>0，则调整放电功率，否则进入待机状态；

其中，平期模式下，通信电源功率目标Pr＝Ptop-Plac，系统根据Pr值控制充放电功率；ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac不成立，则返回开始状态；ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac成立下，Ρr<0，则进入放电模式，否则保持当前状态。

前述中，控制单元分别通过通讯线路连接通信电源系统外的信息模块、电池管理系统BMS模块或远程遥控遥测系统，负责通信电源系统运行逻辑的调整及对远程遥控遥测信号的响应。

前述中，信息模块包括智能电表设备、负荷供电回路控制设备等。

前述中，耦合母线通过并联至少二路DCDC电路外接48V直流母线。

前述中，双向充电电路连接对外供电电路，并且，对外供电电路通过BMS供电电路连接到电池管理系统BMS模块。

前述中，典型的设备包括通信基站。

本发明实施例中，直流的耦合母线为功率部分的核心结构，双向整流电路既可以实现将电网能量整流后引入耦合母线的功能，也可以将耦合母线中的能量回馈到电网中。双向充电电路既可以实现从耦合母线对电动汽车退役高压电池充电的功能，也可以实现将电动汽车退役高压电池中能量回馈到耦合母线中的功能。DCDC电路功能与传统通信电源接近，单向输出连接48V直流母线，为设备供电，由于普遍电动汽车退役电池容量较大，所以耦合母线的容量也需要选择较大容量规格配置，所以，DCDC电路为可并联设计，在耦合母线容量范围内可以通过增加减少DCDC电路以实现对供电容量的灵活配置。

Claims (5)

1.高压动力电池在通讯基站中的低压直流耦合管理系统，其特征在于，在通信电源系统内置控制单元，采用直流耦合方法设计双向整流电路，以双向充电电路通过高压直流母线连接电动汽车退役高压电池和耦合母线，通过DCDC电路连接48V直流母线低压输出和耦合母线，通过双向整流电路连接电网和耦合母线，进行削峰填谷、需量调节，完成电动汽车退役高压电池在通讯基站中智能化的充放电管理；通信电源系统通过信息模块连接电网，通信电源系统通过高压直流母线连接电动汽车退役高压电池，电动汽车退役动力电池上安装电池管理系统BMS模块，同时，通信电源系统通过48V直流母线进一步的连接设备；在通信电源系统内，直流的耦合母线同时与双向整流电路、控制单元、双向充电电路以及DCDC电路连接；同时，控制单元也分别与耦合母线、双向整流电路、双向充电电路和DCDC电路相连，控制单元总体负责系统运行模式的控制和检测；双向充电电路通过高压直流母线外接电池管理系统BMS模块；当电网正常时，电网电流由双向整流电路到耦合母线，再通过DCDC电路经48V直流母线向设备供电；同时，耦合母线通过双向充电电路向电动汽车退役动力电池充电，保证容量维持；当电网异常时，双向整流电路停止工作，电动汽车退役电池通过双向充电电路向耦合母线放电，从而维持48V直流母线供电，满足设备的备电需求。

2.如权利要求1所述的高压动力电池在通讯基站中的低压直流耦合管理系统，其特征在于，设定电动汽车退役高压电池容量为SOC，SOC1为电池管理系统BMS模块传递的下限，SOC2为电池管理系统BMS模块传递的上限，同时SOC备电为控制单元接受远程调控设置的备电阀值；首先，判断电网情况，电网异常则进入备电模式，电动汽车退役高压电池为设备负载供电，采用V/F控制，输出功率Pr＝Plac；当电动汽车退役高压电池状态在SOC1<SOC<SOC备电时，进入备电模式，系统处于备电区，系统不做储能策略管理；当电池状态在SOC备电<SOC<SOC2时，系统处于储能区，系统进行削峰填谷策略管理；

设定峰时段和谷时段，此参数由远程调控设置；当电网正常，电动汽车退役高压电池处于储能区时，则根据设定，依次判断当前处于是否归于峰时段、谷时段或平期模式之一，采用功率控制，并进而选择进入峰期模式、谷期模式或平期模式；

其中，峰期模式下，通信电源系统控制电动汽车退役高压电池放电，和电网一起来给负载设备提供功率，输出功率Pr＝Plac-Ptop，其中，Plac为设备负载功率，约束条件为

即ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac，式中k1、k2为系数，其值大于0.1，小于2；ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac不成立则返回开始状态；ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac成立则判断Ρr，Ρr>0，则调整放电功率，否则进入待机状态；

其中，谷期模式下，负载设备由电网供电，通信电源系统对电动汽车退役高压电池充电，充电功率Pr＝Pgrld-Plac，约束条件为

即ΔΡr<k1ΔΡtop—k2ΔΡlac；ΔΡr<k1ΔΡtop—k2ΔΡlac不成立则返回开始状态；ΔΡr<k1ΔΡtop—k2ΔΡlac成立则判断Ρr，Ρr>0，则调整放电功率，否则进入待机状态；

其中，平期模式下，通信电源功率目标Pr＝Ptop-Plac，系统根据Pr值控制充放电功率；ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac不成立，则返回开始状态；ΔΡr>-k1ΔΡtop+k2ΔΡlac成立下，Ρr<0，则进入放电模式，否则保持当前状态。

3.如权利要求1所述的高压动力电池在通讯基站中的低压直流耦合管理系统，其特征在于，控制单元分别通过通讯线路连接通信电源系统外的信息模块、电池管理系统BMS模块或远程遥控遥测系统，负责通信电源系统运行逻辑的调整及对远程遥控遥测信号的响应。

4.如权利要求1所述的高压动力电池在通讯基站中的低压直流耦合管理系统，其特征在于，耦合母线通过并联至少二路DCDC电路外接48V直流母线。

5.如权利要求1所述的高压动力电池在通讯基站中的低压直流耦合管理系统，其特征在于，双向充电电路连接对外供电电路，并且，对外供电电路通过BMS供电电路连接到电池管理系统BMS模块。

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