CN117833412A - 一种煤矿智能化电源储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤矿智能化电源储能系统，包括：储能装置、电池管理监控与控制装置、通信装置和MCU控制核心装置；所述储能装置，用于储能；所述电池管理装置，用于对所述储能装置的充放电进行实时监测和管理；所述通信装置，用于实现所述电池管理装置与所述MCU控制核心装置的通信；所述MCU控制核心装置，用于采集所述电池管理装置中电池电流和电池电压，并对所述电池管理装置进行控制。本发明能够提高能源利用效率、降低管理成本。

Description

一种煤矿智能化电源储能系统
技术领域
本发明属于节能优化领域技术领域，尤其涉及一种煤矿智能化电源储能系统。
背景技术
现有技术中，电源系统在煤矿的应用中存在功能简单、管理复杂等问题，无法对电源进行更好的管理，更有甚者不存在管理系统，因此需要一种能够提高增强管理能力、降低管理成本的电源管理系统。为了解决这些问题提供了一种煤矿智能化电源储能系统。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种煤矿智能化电源储能系统，旨在提高能源利用效率、降低管理成本，该系统采用多种储能技术，如镍氢电池、锂离子电池等，可以根据煤矿的用电需求，自动调整供电方式，实现能源的高效利用。此外，该系统还采用了智能化的管理技术，可以对电源系统进行实时监测和控制，降低维护和管理的成本。
为实现上述目的，本发明提供了一种煤矿智能化电源储能系统，包括：
储能装置、电池管理装置、通信装置和MCU控制核心装置；
所述储能装置，用于储能；
所述电池管理装置，用于对所述储能装置的充放电进行实时监测和管理；
所述通信装置，用于实现所述电池管理装置与所述MCU控制核心装置的通信；
所述MCU控制核心装置，用于采集所述电池管理装置中电池的电池电流和电池电压，并对所述电池管理装置进行控制。
可选的，所述电池管理装置包括：防反接模块、限流模块、充放电模块、AC/DC输入开关模块、AC/DC检测模块、电池开关模块、充电电压电流检测模块和放电电压电流检测模块；
所述防反接模块，用于防止电源反接和电池反接；
所述限流模块，用于限制所述电池管理装置内的电流，当检测到电流超过第一预设电流值时将关断所述AC/DC输入开关模块，若电流未超过所述第一预设电流值则将电流输出到DC/DC直流供电电路；
所述AC/DC检测模块，用于检测是否存在AC/DC输入；
所述充放电模块，用于电池和外部电源的放电和电池的充电；
所述AC/DC输入开关模块，用于控制外部电源与所述电池管理装置的输入级的电气连接；
所述电池开关模块，用于控制电池与所述电池管理装置的电气连接；
所述充电电压电流检测模块，用于检测电池充电的电压和电流
所述放电电压电流检测模块，用于检测电池放电的电压和电流；
所述防反接模块、所述限流模块和所述AC/DC检测模块串联，所述防反接模与所述AC/DC输入开关模块和所述电池开关模块串联，所述电池开关模块与所述充放电模块串联。
可选的，所述通信装置包括485通信模块和上位机模块；
所述485通信模块，用于MCU控制核心装置与上位机模块进行通信；
所述上位机模块，用于将MCU控制核心装置采集的状态数据上传，并将数据远程传输至所述电池管理装置，对所述电池管理装置进行控制。
可选的，对所述电池管理装置进行控制包括：电池管理装置根据所述电池电压，确定所述电池是否欠压、过充并对所述电池管理装置进行控制；
根据所述电池放电的电流，确定所述电池是否过放并对所述电池管理装置进行控制。
可选的，根据所述电池电压，确定所述电池电压是否欠压并对所述电池管理装置进行控制包括：
当所述电池的电压低于第一预设电压值时，所述MCU控制核心装置检测所述储能装置的电压状态为欠压，打开所述AC/DC输入开关模块，判断所述AC/DC输入是否存在，所述AC/DC输入存在则对所述储能装置进行充电，否则将所述AC/DC输入开关模块打开的同时关闭系统，若所述储能装置电压未欠压则系统正常工作。
可选的，根据所述电池电压，确定所述电池是否过充并对所述电池管理装置进行控制；包括：
当所述电池充电的电压高于第二预设电压值时，所述MCU控制核心装置检测到所述储能装置充电状态为过充，将关闭所述AC/DC输入开关模块和所述电池开关模块，直到排除故障时打开所述AC/DC输入开关模块，若未发生过充则检测所述AC/DC输入是否存在，不存在则电池放电，存在则继续充电，直到所述储能装置充满自停。
可选的，根据所述电池的放电电流，确定所述电池是否过放并对所述电池管理装置进行控制包括：
当所述电池放电的电流高于第二预设电流时，所述MCU控制核心装置检测所述储能装置过放，控制关闭所述AC/DC输入开关模块和所述电池开关模块，直到故障排除后打开所述AC/DC输入开关模块和所述电池开关模块，若未发生过放则所述储能装置将继续放电。
可选的，所述储能装置为镍氢电池或锂离子电池。
本发明技术效果：本发明提供了一种煤矿智能化电源储能系统，旨在提高能源利用效率、降低管理成本。
1.能耗降低：本发明采用多种储能技术，如镍氢电池、锂离子电池等，可以根据煤矿的用电需求，自动调整供电方式，实现能源的高效利用。
2.产率提高：本发明采用智能化的管理技术，可以对电源系统进行实时监测和控制，提高了电源系统的稳定性和可靠性，从而提高了煤矿的生产效率。
3.成本降低：本发明采用模块化的设计，可以根据煤矿的实际需求，灵活配置电源系统的规模和功能，降低了电源系统的成本。
4.减少污染：本发明采用多种储能技术，如镍氢电池、锂离子电池等，可以根据煤矿的用电需求，自动调整供电方式，实现能源的高效利用，减少了对环境的污染。
5.维护便捷：本发明可进行远程维护，维护过程简单方便，降低现场人员维护成本。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例一种煤矿智能化电源储能系统硬件框图；
图2为本发明实施例一种煤矿智能化电源储能系统程序控制框图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1所示，本实施例中提供一种煤矿智能化电源储能系统，包括：
储能装置、电池管理装置、通信装置和MCU控制核心装置。
储能装置采用多种储能技术，如镍氢电池、锂离子电池等，储能装置采用多种储能技术是现代电力系统灵活性和可靠性提升的一个重要方向。通过组合不同类型的电池，可以实现以下几个目标：
1.优化成本：不同的电池类型有不同的制造成本和性能特性，组合使用可以平衡整体系统的成本效益。高成本的锂离子电池可以用于快速响应需求，而相对低成本的镍氢电池或铅酸电池则可用于满足长时间的稳定功率输出。
2.延长寿命：各种电池有各自的充放电循环次数限制，合理地混合使用可以避免单一电池过度使用导致的提前失效。梯次利用策略(如从电动汽车退役下来的电池)也是一种经济有效的方式，可以在一定程度上降低新电池的需求量。
3.提高效率：不同电池在不同的工作条件下的效率有所不同，结合各种电池的优点，可以提高整个储能系统的能量转换效率。在某些情况下，可以根据电网需求灵活切换最合适的电池进行充电或放电。
4.增强安全性：通过多样化电池类型，可以降低单个电池故障对整个储能系统的影响。对于大规模储能项目来说，这尤其重要，因为一旦发生事故可能会带来严重的安全风险。
5.适应性：多种电池的组合可以更好地应对多变的电网需求，包括可再生能源接入、峰谷调节等场景。系统可以根据实际需要动态调整各类型电池的运行状态，以达到最佳效果。
该部分为镍氢电池组作为后备电源，对应图1中的电池部分。
电池管理装置主要用于对电源系统进行实时监测和控制，以提高电源系统的稳定性和可靠性。电池管理装置采用智能化的管理技术，可以根据煤矿的用电需求，自动调整电源系统的运行状态。该部分是由图1中的防反接电路、限流电路、充电电路、放电电路、AC/DC输入开关模块和电池开关模块与图2中的充电电压电流检测模块、放电电压电流检测模块和AC/DC检测组成的电源管理板。
防反接电路主要功能为预防电源反接而造成的设备损坏；限流电路的作用为限制电路内电流，防止电流过大造成的温度过高和烧毁器件；充电电路和放电电路的功能是给电池充电和对外部电路进行放电；AC/DC输入开关和电池开关分别负责控制AD/DC进入电源管理板的输入级和电池到电源管理板的电气连接；两个充放电电流检测模块和两个电压检测模块分别在放电电路的前级与放电电路串联以及充电电路的后级跟充电电路串联主要是检测充电电压电流检测和放电电压电流检测；AC/DC检测则是检测是否存在AC/DC输入。防反接电路分为电源防反接和电池防反接，它们的目的都是防止电流逆流或者在错误极性下工作导致设备损坏。
电源防反接：电源防反接主要应用于直流电源输入端，以确保电源的正负极连接正确。当电源插入错误时，防反接电路会阻止电流流动，从而保护负载免受反向电压的影响。电池防反接：电池防反接通常用于电池供电系统中，特别是可充电电池组，如铅酸电池、锂电池等。它们的作用是在电池充电或放电过程中防止电池正负极反接，因为反接可能会导致电池内部短路，甚至爆炸。在这两种情况下，防反接电路的设计原理基本相同，都是利用二极管的单向导电特性来阻止电流反向流动。具体的实现方式可以根据实际应用需求选择合适的电路结构，比如使用肖特基二极管、保险丝与二极管并联等。
防反接电路、限流电流和AC/DC检测串联，电源防反接电路和电池防反接电路分别与AC/DC输入开关和电池开关串联，AC/DC输入开关后串联着充电电压电流检测电路和一个放电电路，充电电压电流检测电路和一个放电电路属于并联关系，充电电压电流检测电路和放电电路这两个电路与AC/DC输入开关串联，当AC/DC输入开关打开时，这两个电路都会被激活，两者都直接与AC/DC输入开关串联。充电电压电流检测电路与充电电路串联，然后充电电路串联进电池开关。
电池开关与放电电路串联：在这个部分，电池开关(例如MOSFET)和放电电路是串联在一起的。当电池开关打开时，电流可以通过放电电路流向负载；当电池开关关闭时，电流被切断。放电电路与AC/DC输入开关后的放电电路并联，意味着这两个电路可以同时为负载提供电流。当使用外部交流电源供电时，AC/DC转换器将交流电压转换为直流电压，并通过放电电路为负载供电。同时，电池也可以通过其自身的放电电路向负载提供电流。当外部交流电源断开时，放电电路仍然可以从电池获取电流，继续为负载供电。
放电电路与AC/DC输入开关后的放电电路并联这种电路设计可以在外部交流电源可用时优先使用它，而在外部电源不可用时自动切换到电池供电。电路设计中含有切换电路，由MOS管切换，当有外部输入时，电池不输出，反之，电池输出。这种设计方式广泛应用于便携式设备、应急照明系统等领域。需要注意的是，在实际应用中，需要根据具体需求和所选元器件的功能特性来确定具体的电路连接和参数设置。
限流电路和AC/DC检测模块在电源系统中都起到了关键的作用。限流电路的主要目的是限制电流，保护电路免受过大的电流而损坏。其工作原理是当输入电流Iin小于限流I时，电阻RX上的压降小于三极管的开启电源，此时三极管处于截止状态。限流I的值大于判断是否电池过放的电流值。
AC/DC检测模块则是用来检测是否有外部电源输入的。AC/DC检测模块的主要任务是监测和控制电力转换过程，但通过分析这些过程中的参数和状态，它可以提供关于AC/DC输入是否存在以及其质量的信息。直接检测AC/DC输入的存在通常需要额外的电路或传感器，例如使用零交叉检测、有源或无源钳位电路来判断交流输入的有无。AC/DC检测模块具有高可靠性、回路补偿简单和负载分担能力好等特点。
在实际应用中，这三种电路和模块之间的连接关系可能会因应用的具体需求而有所不同。例如，在某些应用中，可能不需要额外的限流器模块，但如果系统中的电压较高，如24V，那么线路中的电流应该受到限制。此外，为了提高限流的准确性和稳定性，可以考虑使用线绕电阻，因为它可以减少温度对电流大小的影响。
通信装置主要用于实现电源系统与外部设备的通信，以便进行远程监控和控制。通信装置采用现代通信技术，可以实现实时的数据传输和交互。该部分由485通信模块和上位机模块组成，实现远程通信。
如图1所示是电源管理板的硬件工作流程，先由AC/DC输入到电源管理板，电源管理板带有电源防反接功能的电路和保险丝限流电路，当限流电路检测到电流超过设定值时将关断AC/DC输入，若电流未超过设定值则将电流输出到DC/DC直流供电电路。同时经过限流电路后的电流将经过电池充电电路给电池充电，电池控制部分有电池防反接功能和，电池过充MCU控制核心装置控制电池断电，若电池未过充则检测AC/DC输入是否存在，AC/DC输入不存在则电池放电，否则电池继续充电。当电池放电电流过大时MCU控制核心装置控制电池关闭输出，等待故障排除后再进行放电，若故障未排除则关断AC/DC输入，等待故障排除；电池放电正常则输出到DC/DC直流供电模块。
如图2所示是电源管理系统的程序控制框图，MCU控制核心采集充电电流、放电电流、电池电压，电池电压：高电压可能表示电池正在充电或已充满，低电压可能表示电池正在放电或接近放空，过高或过低的电压可能表明电池存在过度充电或过度放电的风险，这可能会损害电池寿命。充电电流：充电电流的大小可以帮助判断充电速度和效率，过大的充电电流可能会导致电池过热，影响电池寿命和安全性，如果充电电流长时间低于预期值，可能表示电池老化或者充电器存在问题。放电电流：放电电流可以反映设备的功率需求和电池的输出能力，过大的放电电流可能导致电池电压下降过快，影响设备运行，并可能对电池寿命产生负面影响。电源管理板输入电压：输入电压的稳定性直接影响到电池的充电效果和系统的运行状态。输入电压过高或过低都可能导致充电过程出现问题，甚至损坏电池或电源管理电路。MCU控制核心可单独控制电池的输出开关(AC/DC输入开关模块)和电池管理板的输入开关(电池开关模块)。
当电压低于一定电压时，MCU控制核心检测电池电压状态为欠压，打开电源管理板输入，判断输入是否存在，输入存在则对电池进行充电，否则将电源管理板输入打开的同时关闭系统，同时，"关闭系统"指的是采取措施停止或关闭系统的运行。包括以下几个方面：断开电池与系统负载的连接，防止电池进一步放电并导致深度欠压，这可能会对电池寿命和安全性造成影响；关闭系统中的非必要组件或设备，以降低功耗和保护系统不受损坏；进入低功耗模式或待机模式，减少系统的能源消耗，等待外部电源的接入。若电池电压未欠压则系统正常工作，MCU控制核心可通过RS485模块与上位机进行通信，将采集到的状态数据上传，并且上位机可远程下发数据对电源管理板进行控制。
当电压高于一定电压时，MCU控制核心检测到电池充电状态过充，将关闭电源管理板AC/DC输入和电池输出，直到排除故障才打开输入。若未发生过充现象则继续充电，直到电池充满自停，电池充电全过程都会进行过充检测。
当电池放电电流高于一定电流时，MCU控制核心会检测电池过放，电池过放则关闭电池输出和电源管理板输入，直到故障排除后再打开，若未发生电池过放现象则电池将继续放电。
本发明首先，采用多种储能技术，如镍氢电池、锂离子电池等，可以根据煤矿的用电需求，自动调整供电方式，实现能源的高效利用。其次，采用智能化的管理技术，可以对电源系统进行实时监测和控制，降低维护和管理的成本。最后，采用模块化的设计，可以根据煤矿的实际需求，灵活配置电源系统的规模和功能。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种煤矿智能化电源储能系统，其特征在于，包括：储能装置、电池管理装置、通信装置和MCU控制核心装置；
所述储能装置，用于储能；
所述电池管理装置，用于对所述储能装置的充放电进行实时监测和管理；
所述通信装置，用于实现所述电池管理装置与所述MCU控制核心装置的通信；
所述MCU控制核心装置，用于采集所述电池管理装置中电池的电池电流和电池电压，并对所述电池管理装置进行控制。
2.如权利要求1所述的煤矿智能化电源储能系统，其特征在于，所述电池管理装置包括：防反接模块、限流模块、充放电模块、AC/DC输入开关模块、AC/DC检测模块、电池开关模块、充电电压电流检测模块和放电电压电流检测模块；
所述防反接模块，用于防止电源反接和电池反接；
所述限流模块，用于限制所述电池管理装置内的电流，当检测到电流超过第一预设电流值时将关断所述AC/DC输入开关模块，若电流未超过所述第一预设电流值则将电流输出到DC/DC直流供电电路；
所述AC/DC检测模块，用于检测是否存在AC/DC输入；
所述充放电模块，用于电池和外部电源的放电和电池的充电；
所述AC/DC输入开关模块，用于控制外部电源与所述电池管理装置的输入级的电气连接；
所述电池开关模块，用于控制电池与所述电池管理装置的电气连接；
所述充电电压电流检测模块，用于检测电池充电的电压和电流
所述放电电压电流检测模块，用于检测电池放电的电压和电流
所述防反接模块、所述限流模块和所述AC/DC检测模块串联，所述防反接模与所述AC/DC输入开关模块和所述电池开关模块串联，所述电池开关模块与所述充放电模块串联。
3.如权利要求1所述的煤矿智能化电源储能系统，其特征在于，所述通信装置包括485通信模块和上位机模块；
所述485通信模块，用于MCU控制核心装置与上位机模块进行通信；
所述上位机模块，用于将MCU控制核心装置采集的状态数据上传，并将数据远程传输至所述电池管理装置，对所述电池管理装置进行控制。
4.如权利要求2所述的煤矿智能化电源储能系统，其特征在于，对所述电池管理装置进行控制包括：电池管理装置根据所述电池电压，确定所述电池是否欠压、过充并对所述电池管理装置进行控制；
根据所述电池放电的电流，确定所述电池是否过放并对所述电池管理装置进行控制。
5.如权利要求4所述的煤矿智能化电源储能系统，其特征在于，根据所述电池电压，确定所述电池电压是否欠压并对所述电池管理装置进行控制包括：
当所述电池的电压低于第一预设电压值时，所述MCU控制核心装置检测所述储能装置的电压状态为欠压，打开所述AC/DC输入开关模块，判断所述AC/DC输入是否存在，所述AC/DC输入存在则对所述储能装置进行充电，否则将所述AC/DC输入开关模块打开的同时关闭系统，若所述储能装置电压未欠压则系统正常工作。
6.如权利要求4所述的煤矿智能化电源储能系统，其特征在于，根据所述电池电压，确定所述电池是否过充并对所述电池管理装置进行控制；包括：
当所述电池充电的电压高于第二预设电压值时，所述MCU控制核心装置检测到所述储能装置充电状态为过充，将关闭所述AC/DC输入开关模块和所述电池开关模块，直到排除故障时打开所述AC/DC输入开关模块，若未发生过充则检测所述AC/DC输入是否存在，不存在则电池放电，存在则继续充电，直到所述储能装置充满自停。
7.如权利要求4所述的煤矿智能化电源储能系统，其特征在于，根据所述电池的放电电流，确定所述电池是否过放并对所述电池管理装置进行控制包括：
当所述电池放电的电流高于第二预设电流时，所述MCU控制核心装置检测所述储能装置过放，控制关闭所述AC/DC输入开关模块和所述电池开关模块，直到故障排除后打开所述AC/DC输入开关模块和所述电池开关模块，若未发生过放则所述储能装置将继续放电。
8.如权利要求1所述的煤矿智能化电源储能系统，其特征在于，所述储能装置为镍氢电池或锂离子电池。
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