CN113659673B - 一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置及其工作方法。每个所述储能电源分别通过一个电控开关和断并网连接器相连接，每个所述储能电源、每个电控开关和断并网连接器均连通外网电源；多个储能电源并联设置，多个电控开关并联设置。本发明用以解决光伏充电价格贵、PD充电结构复杂、车充充电功率低、DC充电效率低的问题。

Description

一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置及其工作方法
技术领域
本发明属于电子应用领域；具体涉及一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置及其工作方法。
背景技术
在新能源行业中，越来越多的大功率储能产品问世，储能产品对外设产品十方便捷，能有效地对手机，平板乃至大型家用电器进行供电，但是目前技术对储能设备本身的充电虽然方式多样化，但难能有快速有效，安全的充电方式，来解决充电时间过长带来的不便。
现有技术存在如下问题，1：光伏充电，通过太阳能板连接控制器、逆变器到BMS电路对电芯进行充电，充电功率和太阳能板的多少，功率直接决定，数量越多价格越昂贵。2：PD充电，通过Type C接口结合充电协议对储能电源进行充电，这种方案目前有几个缺点，首先充电功率受目前技术所限，最大只能到100W，其次储能的Type C在一般情况下是作为Out输出，当兼做In的输入时，电路连接较仅OUT输出有复杂。3：车充充电，通过车充口对储能电源充电，缺点是充电功率低。4：DC充电，220V变压到24V/12V通过DC口对储能进行充电，充电效率低，充电器由于需要降压，因此体积笨重不易携带，充电慢。由于受限于目前的充电技术、电芯的充电倍率、电芯容量，安全性等原因，使得充电速度不是很快，以1KWH的储能设备为例，用以上任何一种充电方式往往需要7，8个小时才能充饱，这对提供便捷的储能设备来说十分的不便捷。
发明内容
本发明提供一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置及其工作方法，用以解决光伏充电价格贵、PD充电结构复杂、车充充电功率低、DC充电效率低的问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置，所述快速充电和并网连接装置包括多个储能电源、多个电控开关和断并网连接器，每个所述储能电源分别通过一个电控开关和断并网连接器相连接，每个所述储能电源、每个电控开关和断并网连接器均连通外网电源；
多个储能电源并联设置，多个电控开关并联设置；
所述断并网连接器包括连接器电源、AFE模块、MCU模块、通讯模块、充电保护开关、放电保护开关、降压整流模块、继电器开关Ⅰ与继电器开关Ⅱ，所述连接器电源与AFE模块相连接，所述AFE模块分别与MCU模块和放电保护开关相连接，所述放电保护开关与充电保护开关相连接，所述充电保护开关与降压整流模块相连接，所述降压整流模块分别与继电器开关Ⅰ与继电器开关Ⅱ相连接，所述MCU模块与通讯模块相连接。
进一步的，所述连接器电源的一端与B+端、继电器开关Ⅰ和充电过流保险丝的一端相连接，所述连接器电源之间设置NTC探测头，所述充电过流保险丝的另一端与开关M2的一端和充电二极管的负极，所述开关M2的另一端和充电二极管的正极均与降压整流模块的第一端相连接；
所述降压整流模块的第二端还通过过流保险丝与继电器开关Ⅰ和外网电源总线相连接，所述降压整流模块的第三端与充电保护开关相连接，所述充电保护开关与放电保护开关相连接，所述放电保护开关与检流电阻相连接，所述检流电阻与连接器电源的另一端相连接；
所述降压整流模块的第四端分别与MCU模块的内网电压电流检测和继电器开关Ⅱ相连接，所述继电器开关Ⅱ和外网电源总线相连接；
所述MCU模块的信息交互与通讯模块相连接，所述MCU模块的外网电压电流检测与外网电源总线相连接，所述MCU模块的状态参数信息控制及转换与AFE模块的ⅡC通讯模块相连接，所述AFE模块的过流保护对充电保护开关和放电保护开关进行控制，所述AFE模块的检流模块检测检流电阻的电流信号，所述AFE模块的电压温度采集模块检测NTC探测头的温度/电压信号；
所述MCU模块控制继电器开关Ⅰ与继电器开关Ⅱ开关外电网AC与内电网AC的连接与断开。
进一步的，所述继电器开关Ⅰ包括继电器Ⅰ，所述继电器Ⅰ的5号端分别与工作电压VCC和二极管D1的负极相连接，所述继电器Ⅰ的4号端分别与二极管D1的正极和三极管Q1的3号端相连接，所述三极管Q1的2号端接地，所述三极管Q1的1号端串联电阻R和二极管D2后与MCU模块及继电器开关Ⅱ相连接，所述继电器Ⅰ的3号端与单刀双掷开关K1相连接，所述单刀双掷开关K1的2号端与MCU模块和外网电源总线相连接，所述单刀双掷开关K1的1号端与过流保险丝相连接。
进一步的，所述继电器开关Ⅰ与继电器开关Ⅱ结构相同，所述继电器开关Ⅱ的单刀双掷开关K2的1号端与降压整流模块的第四端相连接，所述单刀双掷开关K2的2号端与外网电源总线相连接；所述继电器开关Ⅱ的二极管D4的负极与继电器开关的Ⅰ二极管D2的负极相连接。
一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：
步骤1：将市电电源与家电网通过断并网连接器直接连接到储能电源的AC输出口；
步骤2：经步骤1中储能电源的AC输出口的电能经逆变器反向降压给AC充电，经逆变器检波整流后给储能电源充电；
步骤3：当市电停电时步骤2已经充电后的储能电源打开AC输出为家用电器供电。
进一步的，所述步骤1具体为，所述断并网连接器的两路继电器开关连接在AC电网上，将AC电网分隔成外电网和内电网两个部分；
储能电源在加入家电网时，会通过通信网络与断并网连接器进行注册，当收到断并网连接器回馈的注册ACK信号时，表示通信已连上，储能电源需要定时和断并网连接器进行通信以确认储能电源仍然处于网络中。
进一步的，所述步骤2具体为，当断并网连接器检测到外网有市电存在，通过通信网络发送配置命令给储能电源，此时储能电源无需再检测并网网络，直接隔离AC的输出，转为AC的充电输入，断并网连接器会检测内网是否还有AC电压存在，仅当内电网无电压存在时，断并网连接器打开连接开关，此时市电进入内电网，通过AC口到逆变器，经逆变器的频率检频，检波整流后给储能电源进行充电。
进一步的，所述步骤3具体为，当市电停电时并网连接器检测到外网无市电的存在，断网连接器通过开关控制模块将内电网与外电网断开，通过通信模块与储能设备进行通信，配置储能电源关闭AC输入转而打开AC输出，储能设备在接收到断并网连接器的配置命令后，打开AC输出，此时内电网有AC电源供给，能给家用电器供电使用。
本发明的有益效果是：
本发明可以轻松实现一个小时充电80％的能源，该方法不仅可以实现快速充电，而且可以将多个储能电源并网，增大容量和功率，来实现家庭储能的目的。
本发明的装置在阶梯电价的区域，在电价便宜时储能，电价昂贵时断开外电网，使用储能电源供电。
本发明体积更小，可以在极短的时间内充满电能，真正且能轻松实现单机时可以携带户外使用。
本发明多机时并网组成家用储能设备，实现有电时储电，没电时供电的有益效果，其次安装方便，仅需在市电接入口加入断并网连接器，配合储能设备，轻轻送送实现并网使用。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是本发明的方法流程图。
附图3是本发明的断并网连接器结构示意图。
附图4是本发明的断并网连接器与储能电源的信号示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置，所述快速充电和并网连接装置包括多个储能电源、多个电控开关和断并网连接器，每个所述储能电源分别通过一个电控开关和断并网连接器相连接，每个所述储能电源、每个电控开关和断并网连接器均连通外网电源；
多个储能电源并联设置，多个电控开关并联设置；
所述断并网连接器包括连接器电源、AFE模块、MCU模块、通讯模块、充电保护开关、放电保护开关、降压整流模块、继电器开关Ⅰ与继电器开关Ⅱ，所述连接器电源与AFE模块相连接，所述AFE模块分别与MCU模块和放电保护开关相连接，所述放电保护开关与充电保护开关相连接，所述充电保护开关与降压整流模块相连接，所述降压整流模块分别与继电器开关Ⅰ与继电器开关Ⅱ相连接，所述MCU模块与通讯模块相连接。
AFE模块负责采集电芯的电压和温度，检流等参数，通过IIC通信模块与MCU进行信息互通，它可以起到对连接器的过压保护，过流保护、欠压保护、短路保护、温度保护等，一旦出现以上保护，AFE模块会控制保护充放电开关断开连接器内部开关，起到保护作用。LDO模块则负责给MCU模块稳定的电源供给。通信模块负责MCU与储能电源间的注册、通信(包括发心跳数据和实时数据以及指令数据等，心跳数据为每隔一段时间发送一次，以确保MCU确认储能电源仍然处于并电网络中)。
进一步的，所述连接器电源的一端与B+端、继电器开关Ⅰ和充电过流保险丝的一端相连接，所述连接器电源之间设置NTC探测头，所述充电过流保险丝的另一端与开关M2的一端和充电二极管的负极，所述开关M2的另一端和充电二极管的正极均与降压整流模块的第一端相连接；
所述降压整流模块的第二端还通过过流保险丝与继电器开关Ⅰ和外网电源总线相连接，所述降压整流模块的第三端与充电保护开关相连接，所述充电保护开关与放电保护开关相连接，所述放电保护开关与检流电阻相连接，所述检流电阻与连接器电源的另一端相连接；
所述降压整流模块的第四端分别与MCU模块的内网电压电流检测和继电器开关Ⅱ相连接，所述继电器开关Ⅱ和外网电源总线相连接；
所述MCU模块的信息交互与通讯模块相连接，所述MCU模块的外网电压电流检测与外网电源总线相连接，所述MCU模块的状态参数信息控制及转换与AFE模块的ⅡC通讯模块相连接，所述AFE模块的过流保护对充电保护开关和放电保护开关进行控制，所述AFE模块的检流模块检测检流电阻的电流信号，所述AFE模块的电压温度采集模块检测NTC探测头的温度/电压信号；
所述MCU模块控制继电器开关Ⅰ与继电器开关Ⅱ开关外电网AC与内电网AC的连接与断开。
进一步的，所述继电器开关Ⅰ包括继电器Ⅰ，所述继电器Ⅰ的5号端分别与工作电压VCC和二极管D1的负极相连接，所述继电器Ⅰ的4号端分别与二极管D1的正极和三极管Q1的3号端相连接，所述三极管Q1的2号端接地，所述三极管Q1的1号端串联电阻R和二极管D2后与MCU模块及继电器开关Ⅱ相连接，所述继电器Ⅰ的3号端与单刀双掷开关K1相连接，所述单刀双掷开关K1的2号端与MCU模块和外网电源总线相连接，所述单刀双掷开关K1的1号端与过流保险丝相连接。
进一步的，所述继电器开关Ⅰ与继电器开关Ⅱ结构相同，所述继电器开关Ⅱ的单刀双掷开关K2的1号端与降压整流模块的第四端相连接，所述单刀双掷开关K2的2号端与外网电源总线相连接；所述继电器开关Ⅱ的二极管D4的负极与继电器开关的Ⅰ二极管D2的负极相连接。
一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：
步骤1：将市电电源与家电网通过断并网连接器直接连接到储能电源的AC输出口；
步骤2：经步骤1中储能电源的AC输出口的电能经逆变器反向降压给AC充电，经逆变器检波整流后给储能电源充电；
步骤3：当市电停电时步骤2已经充电后的储能电源打开AC输出为家用电器供电。
工作原理如下：MCU模块通过内部的电压检测电路来检测外电网电压和电流以判断外电网是否有市电的存在，当检测到无市电存在时，MCU会通过通信模块(WIFI/4G/NB/蓝牙/ZigBEE/串口等)，发送配置信息与注册到断并网连接器的储能电源，告知外电网已断开，并同时控制继电器断开与外电网的连接，此时(家)内电网彻底与外部电网断开隔离。处于并网中的各储能设备将打开AC输出，给内电网络供电，可对家用电器等进行临时性时地供电。当MCU的电压检测电路检测到外电网有市电，并存在一段时间时(检测时间是为了保证外电有稳定的存在)，MCU通过通信模块发配置信号给储能设备关闭储能电源的AC输出，在检测到内电网无电压电流存在后，MCU控制继电器打开外电网和内电网的连接，此时内电网接入外电网络，市电通过储能电源的AC端，逆变器，充电控制电路后到储能电源的电芯模块进行快速充电。
进一步的，所述步骤1具体为，所述断并网连接器的两路继电器开关连接在AC电网上，将AC电网分隔成外电网和内电网两个部分；
储能电源在加入家电网时，会通过通信网络与断并网连接器进行注册，当收到断并网连接器回馈的注册ACK信号时，表示通信已连上，储能电源需要定时和断并网连接器进行通信以确认储能电源仍然处于网络中。
进一步的，所述步骤2具体为，当断并网连接器检测到外网有市电存在，通过通信网络发送配置命令给储能电源，此时储能电源无需再检测并网网络，直接隔离AC的输出，转为AC的充电输入，断并网连接器会检测内网是否还有AC电压存在，仅当内电网无电压存在时，断并网连接器打开连接开关，此时市电进入内电网，通过AC口到逆变器，经逆变器的频率检频，检波整流后给储能电源进行充电。
进一步的，所述步骤3具体为，当市电停电时并网连接器检测到外网无市电的存在，断网连接器通过开关控制模块将内电网与外电网断开，通过通信模块与储能设备进行通信(目前内电网无电，需要供电，即发送配置命令)，配置储能电源关闭AC输入转而打开AC输出，储能设备在接收到断并网连接器的配置命令后，打开AC输出，此时内电网有AC电源供给，能给家用电器供电使用。
由于受限于目前的充电技术、电芯的充电倍率、电芯容量，安全性等原因，使得充电速度不是很快，以1KWH的储能设备为例，用以上任何一种充电方式往往需要7，8个小时才能充饱，这对提供便捷的储能设备来说十分的不便捷。通过实践，我们提出一种通过并网的方式可以安全高效地实现对储能设备的快速充电。
储能电源可以单独携带使用，适合户外，在不使用时只需要连接AC口到电网就能实现快速充电，而无需另外的连接适配器。储能电源90％以上时间是放在家庭使用的，只有10％外带使用，这样长期存放难免因为忘记充电或储能电本身的耗电而产生的匮电无法使用，通过AC口接入断并电网络后可以实现对储能电源的快速充电和放电管理，有效在解决了这个问题。保证每次外出都能有足够的电能使用，在家里时也能有效地使用到储能电源。此外在电源极度匮乏的区域还可以在有市电时对储能电源进行电能存储，无市电时将平时储存的电源通过外电网卖给国家，或自用。

Claims (7)

1.一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置，其特征在于，所述快速充电和并网连接装置包括多个储能电源、多个电控开关和断并网连接器，每个所述储能电源分别通过一个电控开关和断并网连接器相连接，每个所述储能电源、每个电控开关和断并网连接器均连通外网电源；
多个储能电源并联设置，多个电控开关并联设置；
所述断并网连接器包括连接器电源、AFE模块、MCU模块、通讯模块、充电保护开关、放电保护开关、降压整流模块、继电器开关Ⅰ与继电器开关Ⅱ，所述连接器电源与AFE模块相连接，所述AFE模块分别与MCU模块和放电保护开关相连接，所述放电保护开关与充电保护开关相连接，所述充电保护开关与降压整流模块相连接，所述降压整流模块分别与继电器开关Ⅰ与继电器开关Ⅱ相连接，所述MCU模块与通讯模块相连接；
所述连接器电源的一端与B+端、继电器开关Ⅰ和充电过流保险丝的一端相连接，所述连接器电源之间设置NTC探测头，所述充电过流保险丝的另一端与开关M2的一端和充电二极管的负极，所述开关M2的另一端和充电二极管的正极均与降压整流模块的第一端相连接；所述降压整流模块的第二端还通过过流保险丝与继电器开关Ⅰ和外网电源总线相连接，所述降压整流模块的第三端与充电保护开关相连接，所述充电保护开关与放电保护开关相连接，所述放电保护开关与检流电阻相连接，所述检流电阻与连接器电源的另一端相连接；
所述降压整流模块的第四端分别与MCU模块的内网电压电流检测和继电器开关Ⅱ相连接，所述继电器开关Ⅱ和外网电源总线相连接；
所述MCU模块的信息交互与通讯模块相连接，所述MCU模块的外网电压电流检测与外网电源总线相连接，所述MCU模块的状态参数信息控制及转换与AFE模块的ⅡC通讯模块相连接，所述AFE模块的过流保护对充电保护开关和放电保护开关进行控制，所述AFE模块的检流模块检测检流电阻的电流信号，所述AFE模块的电压温度采集模块检测NTC探测头的温度/电压信号；
所述MCU模块控制继电器开关Ⅰ与继电器开关Ⅱ开关外电网AC与内电网AC的连接与断开。
2.根据权利要求1所述一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置，其特征在于，所述继电器开关Ⅰ包括继电器Ⅰ，所述继电器Ⅰ的5号端分别与工作电压VCC和二极管D1的负极相连接，所述继电器Ⅰ的4号端分别与二极管D1的正极和三极管Q1的3号端相连接，所述三极管Q1的2号端接地，所述三极管Q1的1号端串联电阻R和二极管D2后与MCU模块及继电器开关Ⅱ相连接，所述继电器Ⅰ的3号端与单刀双掷开关K1相连接，所述单刀双掷开关K1的2号端与MCU模块和外网电源总线相连接，所述单刀双掷开关K1的1号端与过流保险丝相连接。
3.根据权利要求2所述一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置，其特征在于，所述继电器开关Ⅰ与继电器开关Ⅱ结构相同，所述继电器开关Ⅱ的单刀双掷开关K2的1号端与降压整流模块的第四端相连接，所述单刀双掷开关K2的2号端与外网电源总线相连接；所述继电器开关Ⅱ的二极管D4的负极与继电器开关Ⅰ的二极管D2的负极相连接。
4.根据权利要求1或3所述一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：
步骤1：将市电电源与家电网通过断并网连接器直接连接到储能电源的AC输出口；
步骤2：经步骤1中储能电源的AC输出口的电能经逆变器反向降压给AC充电，经逆变器检波整流后给储能电源充电；
步骤3：当市电停电时步骤2已经充电后的储能电源打开AC输出为家用电器供电。
5.根据权利要求4所述一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置的工作方法，其特征在于，所述步骤1具体为，所述断并网连接器的两路继电器开关连接在AC电网上，将AC电网分隔成外电网和内电网两个部分；
储能电源在加入家电网时，会通过通信网络与断并网连接器进行注册，当收到断并网连接器回馈的注册ACK信号时，表示通信已连上，储能电源需要定时和断并网连接器进行通信以确认储能电源仍然处于网络中。
6.根据权利要求4所述一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置的工作方法，其特征在于，所述步骤2具体为，当断并网连接器检测到外网有市电存在，通过通信网络发送配置命令给储能电源，此时储能电源无需再检测并网网络，直接隔离AC的输出，转为AC的充电输入，断并网连接器会检测内网是否还有AC电压存在，仅当内电网无电压存在时，断并网连接器打开连接开关，此时市电进入内电网，通过AC口到逆变器，经逆变器的频率检频，检波整流后给储能电源进行充电。
7.根据权利要求4所述一种基于储能电源的快速充电和并网连接装置的工作方法，其特征在于，所述步骤3具体为，当市电停电时并网连接器检测到外网无市电的存在，断网连接器通过开关控制模块将内电网与外电网断开，通过通信模块与储能设备进行通信，配置储能电源关闭AC输入转而打开AC输出，储能设备在接收到断并网连接器的配置命令后，打开AC输出，此时内电网有AC电源供给，能给家用电器供电使用。
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