CN218586945U - 一种隧道智能用电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种隧道智能用电系统，包括监控平台、电源模块、UPS设备、备电控制单元、主动均衡单元、蓄电池组以及接触器K1和电流传感器；备电控制单元分别与主动均衡单元和UPS设备通信连接，备电控制单元与监控平台通信连接；主动均衡单元对蓄电池组的各个蓄电池单体进行监测，并确保各个蓄电池单体的电压平衡，UPS设备的电源端与蓄电池组的电源端电连接。在用电高峰阶段，UPS设备切换成与市电断开，蓄电池组输出直流电给UPS设备，UPS设备将直流电转化成交流电以给负载供电，由于主动均衡单元确保了各蓄电池单体的电压平衡，并确保UPS设备在电高峰期的供电，降低了用电成本。

Description

一种隧道智能用电系统

技术领域

本实用新型涉及用电系统，更具体地说涉及一种隧道智能用电系统。

背景技术

由于蓄电池单体的内阻、容量、自放电等参数的影响，造成蓄电池单体的性能不一致，多个蓄电池单体通过并联成蓄电池组后进行充放电，每个蓄电池单体的性能差异进一步扩大，大大缩短了蓄电池组的使用寿命。而目前，在高速隧道中的UPS用电系统中一般通过UPS设备给蓄电池组充电，然而在其中一个或多个蓄电池单体出现损坏，使用UPS进行充电，损坏的蓄电池单体很快充满，而正常的蓄电池单体未能充满，使得蓄电池组的整体容量变小；而且，在UPS设备备电时，由于损坏的蓄电池单体的电量很快放完，而其他蓄电池单体的电量还未放完，这时如果蓄电池组继续对UPS进行放电，就会造成损坏的蓄电池单体出现过放的情况直至不能使用，由于蓄电池组的容量小，故达不到隧道所要求的备电时长，只能切换UPS状态，使用外部电源对隧道的用电设备进行供电，特别是高峰用电时段接入外部电源，由于用电高峰时段电费更贵，这样就增加了用电成本，未能发挥低谷时电价低的优势；而且，使用UPS设备出现备电不足的时候，由于无法获取蓄电池组的全面信息，需要人工到现场进行排查，费时费力。

有鉴于此，本申请在此基础上进行深入研究，遂有本案的产生。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种隧道智能用电系统，其能够监控蓄电池组的运行状态，排查简单、省时省力，并且，确保了蓄电池组的充放电，保证了UPS设备的备电，以在用电低峰期对蓄电池组进行充电，在用电高峰时段采用UPS设备进行供电，节省用电成本。

为达到上述目的，本实用新型的解决方案是：

一种隧道智能用电系统，包括监控平台、电源模块、UPS设备、备电控制单元、主动均衡单元、蓄电池组以及接触器K1和电流传感器；所述备电控制单元分别与所述主动均衡单元和所述UPS设备通信连接，且所述备电控制单元与所述监控平台通信连接；所述UPS设备连接外接电源，所述蓄电池组包括若干个蓄电池单体，各所述蓄电池单体依次连接，并使两端分别形成所述蓄电池组的正极端和负极端；所述UPS设备的负极端分别连接所述主动均衡单元的其中一个电池端口B0和所述蓄电池组的负极端，所述主动均衡单元的非电池端口B0的各电池端口与各所述蓄电池单体的正极端分别一对一电连接；所述电源模块的负极端分别所述蓄电池组的负极端和备电控制单元的负极端，所述电源模块的正极端分别所述备电控制单元的正极端和所述UPS的正极端；

所述备电控制单元包括电流传感器口P4、电压检测口P5和接触器控制口P6；所述接触器K1的线圈的第一端连接所述UPS设备的正极端，所述接触器的常开触点的第一端连接所述UPS设备的负极端，所述接触器K1的线圈的第二端和所述接触器的常开触点的第二端分别连接所述接触器控制口P6，且所述接触器K1的线圈的第二端还连接所述蓄电池组的正极端；所述电流传感器连接于所述接触器的线圈的第二端和所述蓄电池组的正极端之间，所述电流传感器的采样端连接所述电流传感器口P4，所述电压检测口连接所述蓄电池组的正极端。

还包括智能电表，所述外接电源通过所述智能电表连接所述UPS设备的电源输入端，所述智能电表的通信口连接所述备电控制单元的通信口。

所述外接电源为市电。

所述备电控制单元与所述监控平台通过通信模块连接，所述通信模块为4G通信模块或5G通信模块。

所述电源模块为DC-DC电源模块。

所述备电控制单元包括MCU和三个通信口，三个所述通信口分别对应为RS485通信口P1、RS485通信口P2和RS485通信口P3，所述MCU设有电源端；所述主动均衡单元的通信口、所述UPS设备的通信口和所述智能电表的通信口均为RS485通信口；

所述RS485通信口P1连接所述主动均衡单元的所述RS485通信口，所述RS485通信口P2连接所述UPS设备的所述RS485通信口，所述RS485通信口P3连接所述智能电表的所述RS485通信口。

所述电源模块的电源输出端连接所述MCU的电源端，所述MCU有多个串口，所述MCU的每个所述串口分别通过光电耦合器与收发器电连接，各所述收发器与各所述通信口分别一对一配设，每个所述收发器的A端和B端分别连接对应的所述通信口。

各所述收发器均为半双工收发器。

采用上述结构后，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型采用UPS设备、主动均衡单元和备电控制单元的设置，采用主动均衡单元实现各个蓄电池单体的电压平衡，确保蓄电池组的容量，且主动均衡单元会将各蓄电池单体的数据传输到备电控制单元中，并且备电控制单元通过电流传感器口P4和电压检测口分别获取蓄电池组的电流和电压，并将获取的数据上传到监控平台上，以对蓄电池组的运行状态进行监测，在蓄电池组出现异常时及时检修或更换；其中，本实用新型在充电阶段，外接电源给UPS设备提供电源，外接电源经UPS设备稳压后输出给负载，而一部分的外接电源经UPS设备的转换，从交流电转换成直流电，给蓄电池充电，由于充电阶段可以选择白天用电低峰期，因此降低了用电成本，且结合主动均衡单元避免了由于蓄电池单体损坏而造成蓄电池组的容量变小，确保了蓄电池组的整体容量，继而保证蓄电池组的充电量；因此在用电高峰阶段，UPS设备切换至与外接电源断开，蓄电池组输出直流电给UPS设备，UPS设备将直流电转化成交流电以给负载供电，确保了UPS设备在电高峰期的供电，降低了用电成本。

附图说明

图1为本实用新型的电路框图；

图2为本实用新型中控制芯片的电路示意图；

图3为本实用新型中MCU和RS485通信口P1的电路连接示意图；

图4为本实用新型中MCU和RS485通信口P2的电路连接示意图；

图5为本实用新型中MCU和RS485通信口P3的电路连接示意图；

图6为本实用新型中稳压器的电路连接示意图；

图7为本实用新型中各隔离电源模块的电路连接示意图；

图8为本实用新型中电流传感器口P4与MCU的电路连接示意图；

图9为本实用新型中电压检测口P5与MCU的电路连接示意图；

图10为本实用新型中接触器K1与接触器控制口P6的电路连接示意图。

具体实施方式

为了进一步解释本实用新型的技术方案，下面通过具体实施例来对本实用新型进行详细阐述。

一种隧道智能用电系统，如图1-3所示，包括电源模块、UPS设备、备电控制单元、主动均衡单元和蓄电池组；UPS设备的通信口与备电控制单元的通信口通信连接，备电控制单元和主动均衡单元的通信口通信连接；主动均衡单元有多个电池端口，UPS设备有电池组端口，且UPS设备的电池组端口分为正极端和负极端；蓄电池组包括若干个蓄电池单体，各蓄电池单体依次连接，以使蓄电池组形成正极端和负极端。

本实用新型的电源电路为：UPS设备的负极端分别连接主动均衡单元的其中一个电池端口B0和蓄电池组的负极端，UPS设备的正极端连接电源模块的正极端，并且，主动均衡单元的非电池端口B0的其他电池端口与各蓄电池单体的正极分别一对一电连接，蓄电池组的负极端连接电源模块的负极端，备电控制单元的正极端连接电源模块的正极端，备电控制单元的负极端连接电源模块的负极端。

本实用新型还包括接触器K1和电流传感器，备电控制单元包括三个通信口以及电流传感器口P4、电压检测口P5和接触器控制口P6；UPS设备的正极端还电连接接触器K1的线圈的第一端，接触器K1的线圈的第二端分别连接蓄电池组的正极端和继电器控制口P6，UPS设备的负极端还电连接接触器K1的常开触点的第一端，接触器K1的常开触点的第二端连接备电控制单元的接触器控制口P6，以使备电控制单元通过接触器控制口P6输出信号给接触器K1；接触器K1的线圈的第二端与蓄电池组的正极端之间连接有电流传感器，该电流传感器为现有常规的开口型电流传感器，电流传感器用于采集蓄电池组的电流信息；UPS设备的负极端和接触器K1的线圈的第二端分别连接备电控制单元的电压检测口P5，以便获取蓄电池组的电压信息。

具体来讲，上述的蓄电池单体有n个，n为正整数，各蓄电池单体分别对应为蓄电池单体BT1、BT2、……、BTn，主动均衡单元的各电池端口分别对应为电池端口B0、B1、B2、B3、……、Bn，其中，蓄电池单体BT1、BT2、……、BTn依次连接，以使整体形成蓄电池组，主动均衡单元的电池端口B0分别连接蓄电池单体BT1的负极端和UPS设备的负极端，主动均衡单元的电池端口B1连接蓄电池单体BT1的正极端，以此类推，主动均衡单元的电池端口Bn连接蓄电池单体BTn的正极端，以便主动均衡单元检测各个蓄电池单体的电压数据，并进行电量转移，以实现各个蓄电池单体的电压平衡。其中，主动均衡单元的通信口为RS485通信口。

在本实施例中，上述的主动均衡单元为采用现有常规的主动均衡电路，例如专利号为“201110039965.8”的一种电量转移电路，以通过主动均衡单元在一个或多个蓄电池单体出现损坏而整体电容量较小时，将未损坏蓄电池单体的电量转移到损坏的蓄电池单体上，即，在其中一个或多个蓄电池单体出现损坏，蓄电池组容量小时，使用UPS设备对蓄电池组进行充电时，损坏的蓄电池单体很快充满，这时主动均衡单元将充入损坏电池的电量转移到非损坏且未充满的蓄电池单体中，以实现各个蓄电池单体的电压平衡，以此确保蓄电池组给UPS设备供电时蓄电池组的容量。

进一步地，本实用新型还包括智能电表，智能电表具有RS485通信口，外部电源经智能电表连接UPS设备的电源输入端，以便外部电源给UPS设备供电，本实施例中外部电源为市电，智能电源用于计量所用电量，以方便查看用电量及用电成本，本实施例中智能电表为市面上有出售的智能电表，故不再展开叙述。其中，UPS设备可以将交流电源转换成直流电源，并输入直流电源给电源模块和蓄电池组，同时也可以将直流电转换成交流电，UPS设备为现有常规的不间断电源，且常规UPS设备即可将市电转换成直流电，以便市电直接给UPS供电。

上述的电源模块为DC-DC电源模块，用以将UPS设备输出电压转换成5V、3A的直流电，并给备电控制单元和主动均衡单元提供工作电源；本实施例中电源模块为现有常规的电源模块。

进一步地，上述的备电控制单元还包括MCU，前述三个通信口分别对应为RS485通信口P1、RS485通信口P2和RS485通信口P3，且MCU有电源端。

如图3所示，备电控制单元的MCU和RS485通信口P1之间的连接电路为：MCU的RX1口分别连接光电耦合器U1的输入侧的第一端和电阻R2的第一端，电阻R2的第二端连接供电电压一，光电耦合器U1的输入侧的第二端接地，且光电耦合器U1的输出侧的第一端通过电阻R3连接供电电压二，光电耦合器U2的输出侧的第二端连接收发器U2的RO端，收发器U2的RE端和DE端分别连接电阻R10的第一端和三极管Q2的集电极，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的基极通过电阻R13分出三路，一路连接收发器U2的DI端，一路通过电阻R14连接供电电压二，另一路连接光电耦合器U4的输出侧的第一端，光电耦合器U4的输入侧的第一端通过电阻R16连接供电电压一，光电耦合器U4的输入侧的第二端连接MUC的TX1端，光电耦合器U4的输出侧的第二端接地；收发器U2的B端通过电阻R9分出三路，一路通过电阻R4接地，一路连接RS485通信口P1的第一端，另一路连接电阻R11的第一端；收发器U2的A端通过电阻R12分出三路，一路连接电阻R11的第二端，一路连接RS485通信口P1的第二端，另一路通过电阻R15接地；并且，RS485通信口P1与主动均衡单元的RS485通信口双向电连接，即MCU和主动均衡单元进行通信连接。

上述的MCU为现有常规的控制器，本实施例中采用型号为STM32G070系列的单片机。

上述的收发器U2为现有常规的半双工收发器，本实施例中采用型号为SP485EE的收发器。

这样，串口1信号(TX1、RX1)通过光电耦合器U1、U4隔离后，输送到收发器U2中，并转成485信号，然后与主动均衡单元的通信口进行通信，以获取主动均衡单元中的信息，其信息包括蓄电池组的电压、温度、均衡电流和均衡开关状态。

在本实施例中，备电控制单元的MCU的串口2(TX2、RX2)和RS485通信口P2的连接电路如图4所示以及备电控制单元的MCU的串口3(TX3、RX3)和RS485通信口P3的连接电路如图5所示，均与上述的备电控制单元的MCU和RS485通信口P1的连接电路相同，故不再展开叙述；其中，RS485通信口P2与UPS设备的RS485通信口双向连接，以获取UPS设备的信息，包括输入电压、输出电压、充电电压、温度、功率和开关状态；RS485通信口P3与上述的智能电表的RS485通信口双向连接，以获取智能电表的信息，包括输入电压、输出电压和功率。

进一步地，如图6所示，上述的供电电压一为3.3V，电源模块的电源输出端电连接稳压器的电源输入端，即，供电电压一为电源模块输出的5V电源通过稳压器转换成3.3V，以给MCU提供工作电源；其中，稳压器为现有常规的稳压器，本实施例中采用型号为AMS1117的稳压器。

进一步地，如图7所示，上述的供电电压二为5V，电源模块的电源输出端电连接隔离电源模块的电源输入端，电源模块输出的5V电源通过隔离电源模块，输出5V隔离电源给相应的RS485通信供电。其中，隔离电源模块为现有常规的隔离电源模块，本实施例中采用型号为B0505S-1W的隔离电源模块。

进一步地，上述的电流传感器口P4口按图8所示电路连接MCU的PA6端，以将电流传感器上采集的电压输入到MCU中，在MCU中进行A/D转换，以获取电流值。

上述的电压检测口P5按如图9所示电路连接MCU的PA7端，以将要测量的电压经过电阻R17和R21的分压后，从PA7端输入到MCU中，经MCU的A/D转换，以获取电压值。

上述的接触器的开关脚连接接触器控制口P6，以作为输出开关，MCU的PB1端按图10所示电路连接接触器K1的线圈，以通过控制接触器K1的开关脚来控制接触器控制口P6的开关状态。

本实用新型中，UPS设备的电源输出端还连接负载，例如高速隧道中的照明灯或蜂鸣器等。

作为优选地方式，本实用新型还包括监控平台，备电控制单元与监控平台通过通信模块进行双向通信连接，该通信模块为现有常规的4G通信模块或5G通信模块。

进一步地，MCU中设有具有用电高峰时段和备电时段的存储单元，用电高峰时段和备电时段根据实际用电情况进行设定，在此不进行展开叙述。其中，MCU根据用电高峰时段和备电时段，通过RS485通信口P2输出控制指令给UPS设备，UPS设备按下述工作过程切换状态。

本实用新型的具体工作过程为：在备电状态中，MCU控制接触器K1的线圈处于得电状态，此时接触器K1的触点处于常闭状态，市电经过智能电表计量之后输送到UPS设备中，UPS设备将市电稳压之后提供给负载，同时还通过UPS设备将交流电转换成直流电，给蓄电池组充电；在处于用电高峰时段时，UPS设备和市电断开，以使蓄电池组给UPS设备供电，UPS设备将直流电转换成交流电再提供给负载，此时接触器K1的线圈处于得电状态，以使接触器K1的触点从常开状态变成常闭状态；在上述过程中结合主动均衡单元对蓄电池组进行监测，以确保蓄电池组的充放电量，确保备电时长，保证用电高峰期采用UPS设备进行供电，而不需要接入市电。

在备电或用电过程中，当MCU检测到异常时，MCU控制接触器K1的线圈断电，以使接触器K1的常闭触点变成常开触点，以断开UPS设备和蓄电池组之间的连接，然后MCU将故障信息上传到监控平台，以方便工作人员核对故障信息，有针对性进行检修。

本实施例中，上述的备电时段和高峰时段分别根据实际用电情况和备电时长等实际情况进行人工设置，在此不再展开叙述。

上述的异常可为：电流传感器采集的蓄电池组的电流过流时，即MCU内具有设有额定电流的存储单元，在采集电流大于额定电流即为过流；和/或，电压检测口P5检测的电压过大，即MCU内具有设有额定电流的存储单元，在检测的电压大于额定电流时即为过压。此外，还可以根据实际情况进行设置，并不局限于上述异常。

在本实施例中，备电控制单元中的MCU分别对应通过PA6端和PA7端采集蓄电池组的电流和总电压，并通过通信模块上传到监控平台中，同时主动均衡单元通过充放电过程获取各个蓄电池单体的状态，并将检测的信息通过RS485通信口传输给备电控制单元，备电控制单元再传输给监控平台，以通过监控平台查看蓄电池组和各个蓄电池单体的状态，以便于精准定位损坏的电池。

以上所述仅为本实施例的优选实施例，凡跟本实用新型权利要求范围所做的均等变化和修饰，均应属于本实用新型的权利要求范围。

Claims (8)

1.一种隧道智能用电系统，其特征在于：包括监控平台、电源模块、UPS设备、备电控制单元、主动均衡单元、蓄电池组以及接触器K1和电流传感器；所述备电控制单元分别与所述主动均衡单元和所述UPS设备通信连接，且所述备电控制单元与所述监控平台通信连接；所述UPS设备连接外接电源，所述蓄电池组包括若干个蓄电池单体，各所述蓄电池单体依次连接，并使两端分别形成所述蓄电池组的正极端和负极端；所述UPS设备的负极端分别连接所述主动均衡单元的其中一个电池端口B0和所述蓄电池组的负极端，所述主动均衡单元的非电池端口B0的各电池端口与各所述蓄电池单体的正极端分别一对一电连接；所述电源模块的负极端分别所述蓄电池组的负极端和备电控制单元的负极端，所述电源模块的正极端分别所述备电控制单元的正极端和所述UPS的正极端；

所述备电控制单元包括电流传感器口P4、电压检测口P5和接触器控制口P6；所述接触器K1的线圈的第一端连接所述UPS设备的正极端，所述接触器的常开触点的第一端连接所述UPS设备的负极端，所述接触器K1的线圈的第二端和所述接触器的常开触点的第二端分别连接所述接触器控制口P6，且所述接触器K1的线圈的第二端还连接所述蓄电池组的正极端；所述电流传感器连接于所述接触器的线圈的第二端和所述蓄电池组的正极端之间，所述电流传感器的采样端连接所述电流传感器口P4，所述电压检测口连接所述蓄电池组的正极端。

2.根据权利要求1所述的一种隧道智能用电系统，其特征在于：还包括智能电表，所述外接电源通过所述智能电表连接所述UPS设备的电源输入端，所述智能电表的通信口连接所述备电控制单元的通信口。

3.根据权利要求2所述的一种隧道智能用电系统，其特征在于：所述外接电源为市电。

4.根据权利要求3所述的一种隧道智能用电系统，其特征在于：所述备电控制单元与所述监控平台通过通信模块连接，所述通信模块为4G通信模块或5G通信模块。

5.根据权利要求3所述的一种隧道智能用电系统，其特征在于：所述电源模块为DC-DC电源模块。

6.根据权利要求3所述的一种隧道智能用电系统，其特征在于：所述备电控制单元包括MCU和三个通信口，三个所述通信口分别对应为RS485通信口P1、RS485通信口P2和RS485通信口P3，所述MCU设有电源端；所述主动均衡单元的通信口、所述UPS设备的通信口和所述智能电表的通信口均为RS485通信口；

所述RS485通信口P1连接所述主动均衡单元的所述RS485通信口，所述RS485通信口P2连接所述UPS设备的所述RS485通信口，所述RS485通信口P3连接所述智能电表的所述RS485通信口。

7.根据权利要求6所述的一种隧道智能用电系统，其特征在于：所述电源模块的电源输出端连接所述MCU的电源端，所述MCU有多个串口，所述MCU的每个所述串口分别通过光电耦合器与收发器电连接，各所述收发器与各所述通信口分别一对一配设，每个所述收发器的A端和B端分别连接对应的所述通信口。

8.根据权利要求7所述的一种隧道智能用电系统，其特征在于：各所述收发器均为半双工收发器。

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