CN113036874A - 一种基于电动汽车的直流电源供给系统 - Google Patents

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周平
杨小东
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高泓
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刘志军
李民
朱开成
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Abstract

本发明公开了一种基于电动汽车的直流电源供给系统。为了克服现有技术变电站蓄电池组更换时过程繁琐，利用车辆负载成本大，存在安全隐患；利用新能源电动车动力电池供电无法隔离负载短路时的故障，安全性低的问题；本发明包括具有电池管理系统和动力电池电动汽车，动力电池为变电站直流系统提供电源；电源变换模块，将动力电池提供的电源转换为变电站直流系统用电源；外接电池模块，并联在变电站直流系统的直流母线上，外接电池模块用于瞬时提供大电流；直流空开，设置在变电站直流系统的直流母线与负载之间。本方案将新能源车的动力电池转变为直流系统的备用电源，并加装能瞬时提供大电流的电池，方便变电站蓄电池组的更换，提高安全性能。

Description

一种基于电动汽车的直流电源供给系统
技术领域
本发明涉及一种直流电源供给系统领域，尤其涉及一种基于电动汽车的直流电源供给系统。
背景技术
变电站的直流电源系统，作为断路器跳合闸电源、继电器保护装置电源和操作电源，涉及到电力系统的安全可靠运行，是电力系统中非常重要的供电设备。
大部分变电站直流系统的电源部分由一套充电装置和一套蓄电池组成。在电网发生故障时，变电站直流系统如果失去电压，可能会造成继电保护拒动，电网事故进一步扩大。现在一充一蓄的直流系统检修和维护存在的问题，表现在以下几个方面：
（1）变电站蓄电池组更换时，必须保证直流母线有可靠备用电池，不能单独由直流充电装置带变电站直流负荷，故必须经过旧电池组、备用电池组、新电池组3个蓄电池轮流倒换才能实现蓄电池更换（第一天备用电池运输、搬运及组装，第二天旧电池拆除新电池组装，第三天备用电池拆除）。该方法作业人员工作时间长，作业过程复杂，电池存在短路和开路风险，作业人员劳动强度大。
（2）变电站蓄电池主回路有消缺工作时，必须搭接备用电池，备用电池的搭接工作需经过运输、搬运及组装等多个步骤，作业过程复杂，电池存在短路和开路风险，作业人员劳动强度大。
（3）为保证变电站直流系统有充足的备用电池容量，所以蓄电池组放电试验时只能按照额定容量的50%进行，不能进行全容量放电试验。不满足蓄电池放电技术要求会造成蓄电池内部化学物质转化不彻底，活性降低，内阻增大，容量降低，使蓄电池寿命缩短，增大了资金投入；对电池容量的检测也不准确，造成对电池性能预判不准，存在电池性能突降，直流母线失去备用电源的风险。
（4）变电站直流充电装置故障或更换时，需使用备用的便携式充电机临时替代充电装置，该装置带负载能力低，存在直流母线失去主供电源的风险。
为了解决上述问题，目前有通过车辆携带备用电池及新电池前往现场的工作方式，例如，于2011年8月在中国文献上公开的“变电站移动式备用直流电源在检修维护中的应用”，通过对6座工具车进行改装，从而使其能搭载104节蓄电池，将车上的蓄电池组与变电站蓄电池组并列运行，再退出变电站蓄电池组，装上新蓄电池，完成电池更换。虽然减少了蓄电池更换步骤，但是该方案成本高，车辆改装涉及的工程量大，接线复杂；车辆上安放数量众多的蓄电池，车载较重，运输成本高，存在安全隐患。
也有通过新能源电动车动力电池作为变电站直流系统备用电源的，例如，一种在中国专利文献上公开的“一种变电站用应急供电系统”，其公告号CN107979167A，包括：新能源汽车，其内具有动力电池；控制器，与所述新能源汽车通过CAN总线通信连接；DC/DC变换器，分别与所述控制器和所述新能源汽车电气连接，用于将所述新能源汽车的电能转换为变电站用直流电源。但是该方案采用DC/DC变换器，其不具备瞬时提供大电流的能力，无法在负载短路时隔离故障，安全性低；采用CAN总线通信，连接复杂，可靠性低。
发明内容
本发明主要解决现有技术下变电站蓄电池组检修和维护时过程繁琐，利用车辆负载成本大，存在安全隐患；无法在负载短路时隔离故障，安全性低的问题；提供一种基于电动汽车的直流电源供给系统，将新能源车的动力电池转变为直流系统的备用电源，并加装能瞬时提供大电流的电源模块，方便变电站蓄电池组的检修和维护工作，成本低，提高安全性能。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于电动汽车的直流电源供给系统，包括
电动汽车，包括电池管理系统和动力电池，动力电池为变电站直流系统提供备用电源；
电源变换模块，将动力电池提供的电源转换为变电站直流系统用电源；
外接电源模块，并联在变电站直流系统的直流母线上，能在0.1秒内，瞬时提供大于或等于300A的电流；
直流空开，用于断开变电站直流系统的直流母线与负载的连接。
本方案充分利用电动汽车自带的电源输出功能，使车上的动力电池能源一体两用，不需要额外购买电池组，并且能通过电池管理系统实时掌握电池性能状况。电动汽车的动力电池一是作为车辆行驶的能源，二是经过电源变换转化连接，使其作为变电站直流系统的备用电源，在直流母线电压低于额定电压时对母线电压提供支撑。使用过程中无需搬运大量蓄电池组，消除了搬运过程中产生的风险，省去了备用蓄电池组的组装环节，节省大量人力物力。无需购买额外的备用蓄电池组，无需对车辆进行大范围的改装，安全性更有保障；通过电池管理系统，能实时掌握电池性能状况。外接电源模块通过大电流线夹并联在直流母线上，用于提供变电站内直流负载的直流空开的开断电流。外接电源模块为超级电容或能够瞬时提供大电流的锂电池或镍锌电池等，能在0.1秒内，瞬时提供大于或等于300A的电流；相较于由车载蓄电池提供短路电流，短路电流的流经路径为蓄电池组经导线到母线再到故障点，该设计的短路电流流经路径为外接电源模块直接到母线再到故障点，减少了故障电流流经导线产生的压降，从而提升了母线电压，提高了供电可靠性。
作为优选，所述的外接电源模块为超级电容，超级电容通过大电流线夹连接在变电站直流系统的直流母线上。由于电源变换模块无法提供大电流作为负载短路时的直流空开的跳开电流，故在此并联超级电容，该模块体积小，便于携带安装，可在负载短路时提供大电流用以跳开直流空开，断开短路的单个负载，隔离故障，保证直流母线电压稳定，从而保证变电站内其他直流设备的安全供电。外接电源模块可拆卸设计，使用方便。
作为优选，所述的电源变换模块包括AC/DC模块和/或DC/DC模块，电源变换模块冗余设置。适配不同电动汽车动力电池输出的交流电或直流电，冗余设置，在单个模块故障时装置仍能输出足额电流，保证装置的可用性。
作为优选，所述的电源变换模块设置在直流电源箱中，直流电源箱的箱体上开设有若干进线端口和直流出线端口。模块整合机箱设计，方便携带与使用。在变电站直流充电装置故障或蓄电池故障时，将电动汽车第一时间开至现场，并免除组装的工作，只需将本已连接好的电缆抽头连接至直流母线，即可为直流母线提供备用电源，极大地缩减了消缺时间，相较于直流充电装置，提高了带载能力，提升了变电站直流设备的安全性。
作为优选，所述的进线端口包括动力电池进线端口和市电进线端口；电源变换模块通过市电进线口连接市电，电源变换模块通过动力电池进线端口与电动汽车的动力电池连接。进线端口扩展，可接市电，可接第二辆电动汽车，扩展输入源，提高了输入源的可替换性。
作为优选，所述的直流电源箱中还包括电流继电器，电流继电器的线圈串联在市电与电源变换模块之间，电流继电器的常闭触点串联在动力电池与电源变换模块之间。市电和电动汽车动力电池自动切换通过该组电流继电器实现，当电流继电器的线圈中有电流时，常闭触点断开，即市电支路输入，电动汽车动力电池支路断开。当线圈中无电流时，即市电消失时，常闭触点闭合，电动汽车动力电池支路合上；切换开关的存在避免了汽车动力电池对市电反充电。
作为优选，所述的直流电源箱的箱体两侧设置有提手。设置提手，便于携带和搬运。
本发明的有益效果是：
1. 电动汽车的动力电池一是作为车辆行驶的能源，二是经过电源变换转化连接，使其作为变电站直流系统的备用电源，在直流母线电压低于额定电压时对母线电压提供支撑。使用过程中无需搬运大量蓄电池组，消除了搬运过程中产生的风险，省去了备用蓄电池组的组装环节，节省大量人力物力。
2. 电动汽车动力电池一体两用，无需购买额外的备用蓄电池组，无需对车辆进行大范围的改装，安全性更有保障；能实时掌握电池性能状况。
3. 相较于由车载蓄电池组提供短路电流，短路电流的流经路径为蓄电池组经导线到母线再到故障点，该设计的短路电流流经路径为电源模块直接到母线再到故障点，减少了故障电流流经导线产生的压降，从而提升了母线电压，提高了供电可靠性。
4.外接电源模块在市电和电动汽车动力电池自动切换的瞬间能支撑母线电压，保障直流负载可靠用电；分担切换时动力电池的启动电流，防止汽车电池管理系统因为启动电流过大而跳闸，提供负载短路时的跳闸大电流。
5. 进线端口扩展，可接市电，可接第二辆电动汽车，扩展输入源，提高了输入电源的可替代性。
附图说明
图1是本发明实施例一的直流电源供给系统连接结构框图。
图2是本发明的直流电源箱的结构示意图。
图中1.电动汽车，2.电源变换模块，3.直流母线，4.直流空开，5.负载，6.外接电源模块，7.电流继电器，8.市电，9.动力电池进线端口，10.市电进线端口，11.直流出线端口,12.提手。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例的一种基于电动汽车的直流电源供给系统，包括电动汽车1，电动汽车1含有电池管理系统和动力电池。如图1所示，直流电源供给系统包括依次连接的动力电池、电源变换模块2、直流母线3、直流空开4和负载5，在直流母线3上并联有外接电源模块6。直流母线3上连接有多个负载5，每个负载5均带有直流空开4，直流空开4用于负载短路时断开负载5与直流母线3的连接。
动力电池为变电站直流系统提供电源，电池管理系统监控动力电池的状态。选用带V2L（vehicle to load）或V2G或V2V功能的电动汽车1，使用汽车内置的动力电池，输出220V交流电或直流电作为电源。
电源变换模块2将动力电池提供的电源转换为变电站直流系统用电源。电源变换模块2为AC/DC模块和/或DC/DC模块，针对不同性质的电流输出，分别接入不同的电源变换模块2。AC/DC模块或DC/DC模块冗余设置，在单个模块故障时仍能使用，保证系统的可用性。
外接电源模块6用于提供直流空开的开断电流。外接模块6可以是超级电容或能够瞬时提供大电流的锂电池或镍锌电池等，在实施例中，瞬时提供大电流是指能在0.1秒内，提供大于或等于300A的电流；外接电源模块6为超级电容。超级电容通过大电流线夹连接在变电站直流系统的直流母线3上。
由于电源变换模块2无法提供大电流作为负载短路时的直流空开4的跳开电流，故在此并联超级电容，该模块体积小，便于携带安装，可在负载短路时提供大电流用以跳开直流空开4，断开短路的单个负载，隔离故障，保证直流母线3电压稳定，从而保证变电站内其他直流设备的安全供电。
外接电源模块6可拆卸设计，采用线夹连接的方式，使用方便，可放在电动汽车中一起运输。
如图2所示，电源变换模块2设置在直流电源箱中，直流电源箱的箱体两侧设置有提手12，便于携带和搬运。直流电源箱的箱体上开设有若干进线端口和直流出线端口11。进线端口包括动力电池进线端口9和市电进线端口10。
电源变换模块2通过市电进线端口10连接市电8，电源变换模块2通过动力电池进线端口9与电动汽车1的动力电池连接。进线端口扩展，扩展接市电，或扩展接第二辆电动汽车，扩展输入源，提高输入电源的可替代性。
直流电源箱中还设置有电流继电器7，电流继电器7设在在进线端口侧，电流继电器7的线圈串联在市电8与电源变换模块2之间，电流继电器7的常闭触点串联在动力电池与电源变换模块2之间。
市电8和电动汽车1动力电池自动切换通过该组电流继电器7实现。
当电流继电器的线圈中有电流时，常闭触点断开，即市电支路输入，电动汽车动力电池支路断开；
当线圈中无电流时，即市电8消失时，常闭触点闭合，电动汽车动力电池支路合上。
模块整合机箱设计，方便携带与使用。在变电站直流充电装置故障或蓄电池故障时，将电动汽车第一时间开至现场，并免除组装的工作，只需将本已连接好的电缆抽头连接至直流母线，即可为直流母线提供备用电源，极大地缩减了消缺时间，相较于直流充电装置，提高了带载能力，提升了变电站直流设备的安全性。
市电8和电动汽车1的动力电池自动切换需要时间，超级电容在切换的瞬间能支撑母线电压，保障直流负载可靠用电。切换的瞬间可能产生较大电流，启动电动汽车的过载保护跳开电动汽车电源，有了超级电容的支撑，能够在启动时瞬间承担大部分的负载，从而避免电动汽车1电源的失去。
本方案充分利用电动汽车自带的电源输出功能，使车上的动力电池能源一体两用，不需要额外购买电池组，容量大于传统蓄电池组，并且能通过电池管理系统实时掌握电池性能状况。
电动汽车1的动力电池一是作为车辆行驶的能源，二是经过电源变换转化连接，使其作为变电站直流系统的备用电源，在直流母线电压低于额定电压时对母线电压提供支撑。不需要电池轮换，作业时间短，作业过程简单。使用过程中无需搬运大量蓄电池组，消除了搬运过程中产生的风险，省去了备用蓄电池组的组装环节，节省大量人力物力。无需购买额外的备用蓄电池组，无需对车辆进行大范围的改装，安全性更有保障；能实时掌握电池性能状况。
本实施例的方案在做蓄电池核对性充放电试验时，可以将电动汽车开至现场，无后备电池的核对性充放电试验变为了有后备电池的核对性充放电试验，故可将50%的核容试验更改为100%的核容试验，提高了蓄电池容量检测的准确性；使电池内部的化学反应进行得更彻底，物质转化更充分，能有效稳定电池容量和寿命。
本实施例的外接电源模块6采用超级电容，在负载5短路时提供大电流用以跳开直流空开4，断开短路的单个负载5，隔离故障，保证直流母线3电压稳定，从而保证变电站内其他直流设备的安全供电；在市电8和电动汽车1动力电池自动切换的瞬间能支撑母线电压，保障直流负载5可靠用电；分担切换时动力电池的启动电流，防止汽车的电池管理系统因为启动电流过大而跳闸。
应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于电动汽车的直流电源供给系统，其特征在于，包括
电动汽车（1），包括电池管理系统和动力电池，动力电池为变电站直流系统提供备用电源；
电源变换模块（2），将动力电池提供的电源转换为变电站直流系统用电源；
外接电源模块（6），并联在变电站直流系统的直流母线（3）上，能在0.1秒内，瞬时提供大于或等于300A的电流；
直流空开（4），用于断开变电站直流系统的直流母线（3）与负载（5）的连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于电动汽车的直流电源供给系统，其特征在于，所述的外接电源模块（6）为超级电容，超级电容通过大电流线夹连接在变电站直流系统的直流母线（3）上。
3.根据权利要求1所述的一种基于电动汽车的直流电源供给系统，其特征在于，所述的电源变换模块（2）包括AC/DC模块和/或DC/DC模块，电源变换模块（2）冗余设置。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于电动汽车的直流电源供给系统，其特征在于，所述的电源变换模块（2）设置在直流电源箱中，直流电源箱的箱体上开设有若干进线端口和直流出线端口（11）。
5.根据权利要求4所述的一种基于电动汽车的直流电源供给系统，其特征在于，所述的进线端口包括动力电池进线端口（9）和市电进线端口（10）；电源变换模块（2）通过市电进线端口（10）连接市电（8），电源变换模块（2）通过动力电池进线端口（9）与电动汽车（1）的动力电池连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于电动汽车的直流电源供给系统，其特征在于，所述的直流电源箱中还包括电流继电器（7），电流继电器（7）的线圈串联在市电（8）与电源变换模块（2）之间，电流继电器（7）的常闭触点串联在动力电池与电源变换模块（2）之间。
7.根据权利要求4所述的一种基于电动汽车的直流电源供给系统，其特征在于，所述的直流电源箱的箱体两侧设置有提手（12）。
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