CN112572199A - 一种基于电池梯次利用的智能充电桩系统及充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池、锂电池梯次利用于充电桩的技术运用，具体为一种基于电池梯次利用的智能充电桩系统及充电方法，包括发电子系统、储能子系统、充电子系统和控制子系统；发电子系统包括空气供应模块、燃料供应模块、SOFC模块和启动模块，空气供应模块和燃料供应模块均与SOFC模块连接，所述启动模块也与空气供应模块、燃料供应模块和SOFC模块连接；储能子系统包括DC/DC输入模块、储能模块和DC/DC输出模块，所述SOFC模块与DC/DC输入模块连接，所述DC/DC输入模块、储能模块和DC/DC输出模块依次连接。

Description

一种基于电池梯次利用的智能充电桩系统及充电方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池、锂电池梯次利用于充电桩的技术运用，具体为一种基于电池梯次利用的智能充电桩系统及充电方法。
背景技术
中国已经成为世界上最大的新能源汽车生产国和销售国。2018年全年我国新能源汽车销量达101万辆，同比增长83％。新能源汽车包括燃料电池汽车，纯电动汽车，插电混动汽车；其中纯电动汽车销量76.9万台，是新能源汽车最主要的类型。纯电动汽车以动力锂离子电池作为储能器件，一辆乘用车通常配有电池40～70kWh。在行驶过程中，储存在锂电池中电能消耗尽，必须连接充电桩进行充电。插电式混动汽车虽然可以依靠汽车自身的内燃机发电，但是使用充电桩充电可以减少污染，降低油耗，减少使用成本，插电式混动汽车仍然是首选使用充电桩进行充电。因此，充电桩的发展对新能源汽车发展至关重要。
目前，纯电动汽车充电模式分为慢充和快充两种模式。慢充模式通常为6小时充满，快充模式通常在不到1小时内充至电池电量的80％。现有技术条件下，纯电动乘用车的电池能量为40～75kWh。根据计算，慢充模式充电桩输出功率在6.7～12.5kW，然而快充模式充电桩输出功率在32～60kW。随着市场和技术的发展，客户对于纯电动车的快充能力越来越看重，小于1小时的快充模式也渐渐成为主流，充电桩输出功率甚至高达90kW。如此大的峰值功率，若十几辆车甚至近百辆车同时连接充电桩进行快充充电，一方面对电网会造成冲击，另一方面对电网容量要求非常高。对电网影响和变电站建设是制约充电桩普及的重要原因。充电桩难以普及，特别是快充充电桩难以普及，制约了新能源汽车的发展。
所以逐渐出现了电动汽车续航和充电的矛盾问题，纯电动汽车普遍续航在300～500km，当使用空调时，续航里程还会明显缩短。这一续航里程已经可以完全覆盖市内交通出行，然而对于远程行驶，特别是出市区大于200公里以上路程，纯电动车必须进行充电。在这种使用场景下，显然不能使用慢充模式，需要大功率的充电桩采取快充模式。然而大功率充电桩又强烈依赖于电网，对电网影响大，且成本高。快大功率充电桩不能普及根本上也限制了纯电动车快速发展。
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的电化学发电装置，具有转化效率高，污染小的优势。燃料电池有很多种类型，其中质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池(SOFC)最适合商业化发展。质子交换膜燃料电池工作在100℃以下，使用高纯氢气作为燃料。然而氢气具有难以储存和运输的问题。固体氧化物燃料电池工作在600～1000℃，不仅仅可以使用氢气，还可以使用天然气和甲醇等含碳的有机物作为燃料。固体氧化物燃料电池在燃料气选择和发电效率上具有优势，更适合作为固定电源使用。然而正是由于工作在较高温度下，固体氧化物燃料电池也有热管理系统复杂，升温启动慢的问题。特别是每次停机后再升温，固体氧化物燃料电池经过高温-低温-高温的热循环，会对系统产生影响，过于频繁的热循环会大大降低系统寿命，所以燃料电池并不适合作为电动汽车的电源，但燃料电池的特性可以作为充电桩的电能来源进行使用，目前也有这样类型的充电桩，即燃料电池充电桩。
燃料电池作为高效的能量转换装置，可以脱离电网，作为电源供充电桩给新能源汽车充电。然而燃料电池价格高昂，通常质子交换膜燃料电池每千瓦售价在800～10000元人民币，固体氧化物燃料电池每千瓦售价在10000～15000元人民币。若匹配快充充电桩，则需要数十千瓦的燃料电池，仅仅燃料电池成本就在数十万元，大大超出了客户所能负担的成本。高昂的成本是阻碍燃料电池充电桩普及的重要原因，针对这一问题，目前中国也在研发新的技术从而便于燃料电池运用于充电桩，例如：授权公告号CN105946607B的专利，公开了一种以甲醇为燃料的离网式多功能充电桩。通过燃料电池与储能电池的搭配，实现对电动车辆的离网充电。但是此专利公开的充电桩主要是针对应急情况下给电动汽车少量的充电，并不能满足电动车对充电桩广泛普及的要求。
申请公布号为CN109552090A的专利，公开了一种基于SOFC的电动汽车家用充电系统及其运行控制方法。该系统能够脱离市政电网为电动汽车充电或为家庭供电，同时实现热电联产。该发明公开的系统中燃料电池发电经过升压后，转换为交流电，默认与家庭电网连接。该发明公开的系统，含有一个电能存储模块，在电动汽车充电时提供电力补充，并且提供系统启动的能量。这其中有以下问题：(1)家庭通常需求用电在5～10kW，与快充要求的数十千瓦不匹配，若以锂电池做储能，则成本高昂，用户承担不起；(2)燃料电池发出电为直流电，充电桩输出为直流电，该发明为了满足家庭电网而必须将直流转交流，然后输入到充电桩时，还要再转换回直流电，设备复杂昂贵，转换能量浪费严重。总体上该系统设计复杂，能量利用率不高，且成本巨大，不适合作为新能源车充电桩推广普及。
现在目前开始逐渐关注了锂电池的梯次利用技术，2019年7月底，我国新能源汽车产量累计超过377万辆，动力蓄电池装配量超过176GWh。随之而来的退役动力蓄电池回收利用问题日益突显。据业内预估，2019年动力电池的退役量将达到6.39万吨，到2020年回收量将猛增至25GWh(约20万吨)，2025年约116GWh(约78万吨)。根据国标要求，锂电池容量达到标称80％则需要退役，退役电池仍然可以作为储能器件进行梯次利用。然而退役电池的拆解，分选，重新定容等问题，都深深困扰着梯次利用行业的发展。如何在经济层面使锂电池梯次利用实现可行，是该行业必须解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术不足，提供了一种基于电池梯次利用的智能充电桩系统及充电方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于电池梯次利用的智能充电桩系统，包括发电子系统、储能子系统、充电子系统和控制子系统；
其中，发电子系统包括空气供应模块、燃料供应模块、SOFC模块和启动模块，空气供应模块和燃料供应模块均与SOFC模块连接，所述启动模块也与空气供应模块、燃料供应模块和SOFC模块连接；
其中，储能子系统包括DC/DC输入模块、储能模块和DC/DC输出模块，所述SOFC模块与DC/DC输入模块连接，所述DC/DC输入模块、储能模块和DC/DC输出模块依次连接；
其中，充电子系统包括充电模块和充电控制模块；所述DC/DC输出模块分别与启动模块和充电模块连接，所述充电控制模块与充电模块连接；
其中，控制子系统包括发电控制模块、充放电控制模块、总体控制模块和通信模块，所述总体控制模块分别与通信模块、充放电控制模块、发电控制模块和充电控制模块连接，所述发电控制模块与启动模块连接，所述充放电控制模块与DC/DC输出模块连接。
作为优选，所述储能模块包括梯次利用电池组若干。
作为优选，所述电池组为锂电池组。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于电池梯次利用的智能充电桩系统的充电方法，包括如下步骤：
步骤一：总体控制模块通过通信模块接收系统启动信号；
步骤二：总体控制模块控制充放电控制模块，使得充放电控制模块控制DC/DC输出模块，储能模块通过DC/DC输出模块为启动模块供电；
步骤三：总体控制模块控制发电控制模块，发电控制模块通过启动模块为空气供应模块和燃料供应模块进行供电启动；
步骤四：空气供应模块对空气进行预热，燃料供应模块负责将燃料进行加湿和预热；
步骤五：空气和燃料一起通入SOFC模块；当到达指定温度后，启动模块控制SOFC模块进行燃烧发电；SOFC模块利用输入的空气和燃料产生电能和热能，热能用于维持SOFC模块的运行温度，电能用于通过DC/DC输入模块升压后为储能模块供电，储能模块对电能进行储能；
步骤六：总体控制模块通过充放电控制模块控制DC/DC输出模块，DC/DC输出模块对充电子系统的充电模块进行充电；
步骤七：总体控制模块通过充电控制模块控制充电模块的放电，进而对车辆的电源进行充电。
作为优选，所述SOFC模块的热能还对空气供应模块的空气进行预热，所述SOFC模块的热能也对燃料供应模块负责将燃料进行预热。
作为优选，通信模块还接收车辆信息信号从而通过总体控制模块控制充电控制模块判断是否启动充电模块。
本发明所达到的有益效果：车用锂离子电池组通常都具有3C的放电能力，即可以在1/3小时(20分钟)的时间将所有存储的电能放掉。因此该电池组具有很好的功率特性，可以作为快充充电桩的电源，采用梯次利用锂电池组做缓冲储能，可以使用功率较小的燃料电池不间断的工作，减少燃料电池的成本。
锂离子电池输出电能的为大功率直流电，不需要经过DC/AC转化，直接通过DC/DC转换至合适的电压，即可给电动汽车充电，能量损失小效率高。
车用电池组退役时，仍然保持80％的容量，仍然具有很大的储能能力，作为充电桩储能用，可以消耗大量退役电池，并且带来社会效益。
梯次利用锂电池成本低，仅为新电池价格1/3～1/4，约300元/kWh，大大降低整个系统成本。
直接使用车用电池组作为基本单元，不用拆解，成本进一步降低，且降低拆装带来的电池组安装不到位的安全风险。
采用固体氧化物燃料电池作为发电源，可以直接使用天然气或者压缩天然气。与氢气相比，天然气爆炸极限范围小，更加安全；天然气储存运输已经有成熟的网络，使用便捷且成本低；天然气产量高，不需要专用设备制取，成本也相对低廉。在没有天然气管道的地方建立本发明公开的充电桩，也可以采用甲醇作为燃料。甲醇作为一种液体，运输更加方便安全。甲醇是一种工业原料，已经有成熟的规模制备方法，且价格较低。
固体氧化物燃料电池的升降温是最容易导致系统性能下降的。搭配合适大小总能量的储能模块，或者可以使固体氧化物燃料电池始终处于工作状态，或者可以使固体氧化物燃料电池大大减少升降温启动次数，都可以降低系统衰减，延长寿命，同样做到了降低系统成本。
通过建立客户预约模式，可以实现远程提前进行电能分配，这样客户在使用时更加方便和智能化。而充电桩系统可以根据客户预约，进行能量管理，减少SOFC的启动次数，降低系统成本。
SOFC和储能模块都是模块化设计。SOFC可以根据需要，增加减少电池堆的数量，达到改变SOFC发电能力的目的。储能模块可以通过增加和减少梯次利用锂电池组的数量，来增加减少储能模块总能量。模块化的设计，有利于根据客户需求调整两者比例，满足SOFC减少启动次数的需求；还有利于对充电桩进行扩容，实现多个车同时充电的要求。
附图说明
图1为本发明的基于电池梯次利用的智能充电桩系统的框示图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示：一种基于电池梯次利用的智能充电桩系统，包括发电子系统、储能子系统、充电子系统和控制子系统；
其中，发电子系统包括空气供应模块、燃料供应模块、SOFC模块和启动模块，空气供应模块和燃料供应模块均与SOFC模块连接，所述启动模块也与空气供应模块、燃料供应模块和SOFC模块连接；
其中，储能子系统包括DC/DC输入模块、储能模块和DC/DC输出模块，所述SOFC模块与DC/DC输入模块连接，所述DC/DC输入模块、储能模块和DC/DC输出模块依次连接；
其中，充电子系统包括充电模块和充电控制模块；所述DC/DC输出模块分别与启动模块和充电模块连接，所述充电控制模块与充电模块连接；
其中，控制子系统包括发电控制模块、充放电控制模块、总体控制模块和通信模块，所述总体控制模块分别与通信模块、充放电控制模块、发电控制模块和充电控制模块连接，所述发电控制模块与启动模块连接，所述充放电控制模块与DC/DC输出模块连接。
所述储能模块包括梯次利用电池组若干。
所述电池组为锂电池组。
一种基于电池梯次利用的智能充电桩系统的充电方法，包括如下步骤：
步骤一：总体控制模块通过通信模块接收系统启动信号；
步骤二：总体控制模块控制充放电控制模块，使得充放电控制模块控制DC/DC输出模块，储能模块通过DC/DC输出模块为启动模块供电；
步骤三：总体控制模块控制发电控制模块，发电控制模块通过启动模块为空气供应模块和燃料供应模块进行供电启动；
步骤四：空气供应模块对空气进行预热，燃料供应模块负责将燃料进行加湿和预热；
步骤五：空气和燃料一起通入SOFC模块；当到达指定温度后，启动模块控制SOFC模块进行燃烧发电；SOFC模块利用输入的空气和燃料产生电能和热能，热能用于维持SOFC模块的运行温度，电能用于通过DC/DC输入模块升压后为储能模块供电，储能模块对电能进行储能；
步骤六：总体控制模块通过充放电控制模块控制DC/DC输出模块，DC/DC输出模块对充电子系统的充电模块进行充电；
步骤七：总体控制模块通过充电控制模块控制充电模块的放电，进而对车辆的电源进行充电。
所述SOFC模块的热能还对空气供应模块的空气进行预热，所述SOFC模块的热能也对燃料供应模块负责将燃料进行预热。
通信模块还接收车辆信息信号从而通过总体控制模块控制充电控制模块判断是否启动充电模块。
总体控制模块的控制逻辑：当总体控制模块通过通信模块收到客户预约的时间、电量和客户信息，对信息进行分析，检查储能模块电能是否够预约的电量；若不足，则控制发电模块，启动发电子系统进行发电，由发电子系统的SOFC模块对储能模块充电；若电量充足，则对储能模块中的电能进行登记占用，只能用于该预约客户消耗使用。为了保证系统正常运行，储能模块不能将储存的电能全部耗尽，应至少保留有最低电量，即供启动模块启动SOFC模块进行发电的电量和系统正常运转的电量之和，若达到最低电量，则启动SOFC模块进行充电。在储能模块已经充满，且仍然不能满足预约要求，则控制通信模块发送信息给客户不能满足充电预约要求。
储能模块的电能分配逻辑：储能模块中包括若干个梯次利用的电池组，为了保证循环寿命和安全，都设置最高荷电电量为充满，设置最低荷电电量为放光；当梯次利用电池组电能都达到最低荷电量时，储能模块反馈给充放电控制模块，要求总体控制模块启动燃料电池进行充电；当客户预约电量后，此部分电量在客户消耗或者取消预约以前，不能再分配给其他预约客户。
SOFC模块是以固体氧化物燃料电池为核心的发电装置。
梯次利用电池组所能储存的最高荷电量的减去最低荷电量的差值为该梯次利用电池组最大可利用量，储能模块中所有梯次利用电池组最大可利用量的总和为储能模块总能量。
实施例：在较偏远的区域，建设本发明公开的充电桩。本实施例中SOFC模块的输出功率是5kW，储能模块总能量为150kWh。由于地区偏远，没有天然气管道，则使用甲醇作为燃料。
当有新能源电动汽车客户A对充电桩进行预约，预约充电量为50kWh，经客户端发送信息至通信模块，通信模块将信息发送至总体控制模块。总体控制模块控制充放电模块对储能模块电量进行检测。此时储能模块现有电量为100kWh，电量能够满足预约要求。总体控制模块判断不启动SOFC模块，储能控制模块对储能模块进行预约，占用50kWh电量。当客户按照预约时间进行充电后，储能模块剩余电量是50kWh，预约电量0kWh，未预约电量50kWh。
当又有新能源电动汽车客户B进行预约充电70kWh。经客户端发送信息至通信模块，通信模块将信息发送至总体控制模块。总体控制模块控制充放电模块对储能模块电量进行检测。通过判断，不足以满足客户B需求。则总体控制模块控制发电控制模块，启动SOFC模块，对储能模块进行充电。经过充电，储能模块中梯次利用电池组的电量150kWh，当客户B按照预约时间进行充电后，储能模块剩余电量是80kWh，预约电量0kWh，未预约电量80kWh。
当又有新能源电动汽车客户C进行预约充电30kWh。经客户端发送信息至通信模块，通信模块将信息发送至总体控制模块。总体控制模块控制充放电模块对储能模块电量进行检测。通过判断，可以满足客户C需求。总体控制模块判断不启动SOFC模块，储能控制模块对储能模块进行预约，占用储能模块的30kWh电量，此时储能模块有电量80kWh，预约占用电量30kWh，未预约电量50kWh。
当客户C未进行充电消耗电量前，又有客户D预约30kWh充电电量。经客户端发送信息至通信模块，通信模块将信息发送至总体控制模块。总体控制模块控制充放电模块对储能模块电量进行检测。总体控制模块判断不启动SOFC模块，储能控制模块对储能模块进行预约，占用储能模块的30kWh电量，此时储能模块有电量80kWh，预约占用电量60kWh，未预约电量20kWh。
当客户C和D进行充电后，储能模块有电量20kWh，预约占用电量0kWh,未预约电量20kWh。
在本实施例中，SOFC模块仅为5kW功率输出。由于采用梯次利用锂电池，具备1小时将最大电量全部放完的快放能力，因此充电桩功率可以满足快充需求。5kW的SOFC电池堆价格约7.5万元，梯次利用锂电池组价格约4.5万元。发电和储能设备价格总计约12万元。
比较例：使用SOFC作为发电装置，不配合梯次利用锂电池使用，则需要配备70kW的发电功率SOFC，价格约为105万元。远远超过实施例1的发电和储能设备价格。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于电池梯次利用的智能充电桩系统，其特征在于：包括发电子系统、储能子系统、充电子系统和控制子系统；
其中，发电子系统包括空气供应模块、燃料供应模块、SOFC模块和启动模块，空气供应模块和燃料供应模块均与SOFC模块连接，所述启动模块也与空气供应模块、燃料供应模块和SOFC模块连接；
其中，储能子系统包括DC/DC输入模块、储能模块和DC/DC输出模块，所述SOFC模块与DC/DC输入模块连接，所述DC/DC输入模块、储能模块和DC/DC输出模块依次连接；
其中，充电子系统包括充电模块和充电控制模块；所述DC/DC输出模块分别与启动模块和充电模块连接，所述充电控制模块与充电模块连接；
其中，控制子系统包括发电控制模块、充放电控制模块、总体控制模块和通信模块，所述总体控制模块分别与通信模块、充放电控制模块、发电控制模块和充电控制模块连接，所述发电控制模块与启动模块连接，所述充放电控制模块与DC/DC输出模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于电池梯次利用的智能充电桩系统，其特征在于：所述储能模块包括梯次利用电池组若干。
3.根据权利要求2所述的基于电池梯次利用的智能充电桩系统，其特征在于：所述电池组为锂电池组。
4.一种基于电池梯次利用的智能充电桩系统的充电方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：总体控制模块通过通信模块接收系统启动信号；
步骤二：总体控制模块控制充放电控制模块，使得充放电控制模块控制DC/DC输出模块，储能模块通过DC/DC输出模块为启动模块供电；
步骤三：总体控制模块控制发电控制模块，发电控制模块通过启动模块为空气供应模块和燃料供应模块进行供电启动；
步骤四：空气供应模块对空气进行预热，燃料供应模块负责将燃料进行加湿和预热；
步骤五：空气和燃料一起通入SOFC模块；当到达指定温度后，启动模块控制SOFC模块进行发电；SOFC模块利用输入的空气和燃料产生电能和热能，热能用于维持SOFC模块的运行温度，电能用于通过DC/DC输入模块升压后为储能模块供电，储能模块对电能进行储能；
步骤六：总体控制模块通过充放电控制模块控制DC/DC输出模块，DC/DC输出模块对充电子系统的充电模块进行充电；
步骤七：总体控制模块通过充电控制模块控制充电模块的放电，进而对车辆的电源进行充电。
5.根据权利要求4所述的基于电池梯次利用的智能充电桩系统的充电方法，其特征在于：所述SOFC模块的热能还对空气供应模块的空气进行预热，所述SOFC模块的热能也对燃料供应模块负责将燃料进行预热。
6.根据权利要求4所述的基于电池梯次利用的智能充电桩系统的充电方法，其特征在于：通信模块还接收车辆信息信号从而通过总体控制模块控制充电控制模块判断是否启动充电模块。
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