CN108879921A - 一种可循环利用电能的蓄电池充放电系统 - Google Patents

Abstract

一种可循环利用电能的蓄电池充放电系统，它包括连接市电网路的电源模块、多个通过直流母线连接于电源模块的双向DCDC充放电单元、连接于电源模块直流母线接出端部的主控制单元、连接于主控制单元的电热组件，所述的主控制单元通过通讯总线与所述的各个双向DCDC充放电单元连接；所述的直流母线上还连接有由多个蓄电池构成的母线电池，且所述主控制单元与设置在直流母线上的补给电流传感器和母线电池连接直流母线连接线上的母线电池电流传感器分别连接；它采用“挂起申请‑延迟执行”的调度方法，具有最大程度地避免充电或放电过程被中断等特点；除电源模块外，系统工作于安全、低成本的直流低电压状态。

Description

一种可循环利用电能的蓄电池充放电系统

技术领域

本发明涉及的是一种可循环利用电能的蓄电池充放电系统。

背景技术

蓄电池应用广泛，如电动汽车、电动自行车、电动工具、充电宝；在蓄电池的生产、维护过程中，需要多次、重复地充电放电；在充放电过程中记录容量、电压、电流、回升等参数；放电时，电池释放出电能；充电时，电池吸收电能。

目前有多种方法来处理电池释放的电能。第一类方法是：采用灯泡或电热丝，以直接发热的方式消耗电能，这种方法简单、易于实现，但缺点明显：如电能浪费；大量、重复地发热，使得充放电设备本身不可靠、易于损坏；同时,也造成工作环境高温,通风、排热困难。大排量通风带来噪声。

第二类方法是：通过DC-AC转换，把电池释放的电能，馈送到市电交流网络。此类方法的优点是节约能源；没有直接发热，也就没有因发热而产生的一系列问题。但是，技术上同时涉及“高电压”和“大电流”，导致实现难度大、成本高。另外，也会对市电网络造成一定程度的谐波污染，且面临并网许可问题。

第三类方法是：采用局部直流母线，但存在明显不足。例如专利号为03256921.1公开的技术方案中，没有在“直流母带M”上设置储能用的母线电池，以至于在放电电量大于充电电量时，只得通过“电子负载”消耗多余部分，导致电能浪费；更没有提及充电、放电操作的“挂起申请-延迟执行”处理方法。又如专利号为200510035713.2公开的技术方案中，也没有设置母线电池；“若正母线电压高于某一设定值，计算机机控制系统将断开部分放电状态下的电路”，也就时不得不中断放电过程；如此，充放电过程将会不连续，这会导致电池分容、配组时产生严重误差。授权公告号为CN 201877857U公开的技术方案中，采用了直流母线，没有设置母线电池；同时，因为其直流母线电压高达590VDC，成本高、安全性差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种采用“挂起申请-延迟执行”的调度方法，最大程度地避免充电或放电过程被中断，除电源模块外，系统工作于直流低电压状态，以利于安全、降低系统成本的可循环利用电能的蓄电池充放电系统。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种可循环利用电能的蓄电池充放电系统，它包括连接市电网路的电源模块、多个通过直流母线连接于电源模块的双向DCDC充放电单元、连接于电源模块直流母线接出端部的主控制单元、连接于直流母线上的电热组件，所述的主控制单元通过通讯总线与所述的各个双向DCDC充放电单元连接；所述的直流母线上还连接有由多个蓄电池构成的母线电池，且所述电源模块、母线电池与直流母线之间分别设有电流传感器，所述电流传感器分别连接到主控制单元。

作为优选：所述的电热组件由多个电热丝或电热棒串、并联组成，所述的主控制单元与电热组件连接线上设置电热电流传感器；所述电热电流传感器的下部，还设有与主控制单元相连接的电子开关，所述的母线电池由多个蓄电池串、并联而成，所述的双向DCDC充放电单元各自外接被充放电的蓄电池，并使电能在系统内部的各个蓄电池之间、蓄电池与母线电池之间，通过直流母线被转移、储存、循环利用。

本发明的特点在于：

1)得益于系统中的直流母线和母线电池，放电时，蓄电池所释放的电能，不是直接转化为热能；而是通过各双向DCDC充放电单元共用的直流母线，转移给系统中其它待充电电池电池、或者存储于共用的母线电池。实现循环利用电能。

2)基于通讯网络，利用“挂起申请-延迟执行”的调度方法，各双向DCDC充放电单元自动地调度其充电、放电操作。最大程度地避免充电或放电过程被中断。

3)电能不馈送到市电网络，只在系统内部循环利用；不涉及“高电压”，安全性好，对市电网络无谐波污染。

4)直流母线、母线电池，采用直流低电压，以12-60VDC为佳。

5)除电源模块以外，系统工作于直流低电压状态，以利于安全、降低系统成本。同时，

使得相应的直流母线、母线电池易于采购、配置。

以一辆常规的电动自行车为例，配置4节12V 20AH(安时)的蓄电池组。一次检测充放电2次，2次放电所释放的电能可计算为：

4节x 12V x 20AH x 2次＝1.92千瓦时(度)

以80％的放电转换效率，保守估算，可节约电能：

0.8x(4节x 12V x 20AH x 2次)＝1.536千瓦时(度)

由此可知，在大规模生产、维护蓄电池时，节能效益可观。

附图说明

图1是本发明的系统构成原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1所示，本发明所述的一种可循环利用电能的蓄电池充放电系统，它包括连接市电网路的电源模块(2)、多个通过直流母线(1)连接于电源模块(2)的双向DCDC充放电单元(5)、连接于电源模块(2)直流母线接出端部的主控制单元(4)、连接于直流母线上的电热组件(8)，所述的主控制单元(4)通过通讯总线(7)与所述的各个双向DCDC充放电单元(5)连接；所述的直流母线(1)上还连接有由多个蓄电池构成的母线电池(3)，且所述电源模块(2)、母线电池(3)与直流母线(1)之间分别设有电流传感器(10)，所述电流传感器(10)分别连接到主控制单元(4)。

如图所示：所述的电热组件(8)由多个电热丝或电热棒串、并联组成，所述的主控制单元(4)与电热组件(8)连接线上设置电热电流传感器(11)；所述电热电流传感器(11)的下部，还设有与主控制单元(4)相连接的电子开关(9)，所述的母线电池(3)由多个蓄电池串、并联而成，所述的双向DCDC充放电单元(5)各自外接被充放电的蓄电池(6)，并使电能在系统内部的各个蓄电池之间、蓄电池与母线电池之间，通过直流母线被转移、储存、循环利用，系统中的电源模块、母线电池、充放电单元，可以重复配置多个对象实例。

实施例：本发明的各部件的作用是：

a)直流母线1用于连接各个部件，在各部件之间双向传输电能。直流母线所维持的电压(例如24V)，总是高于被充放电池之电压(例如12V)。在规模较大、被充放电池数量较多的系统中，宜采用铜排，以承载大电流。

b)电源模块2可选用市面常见的开关电源。它可以从市电网络获取电能，输出稳定的直流电压(小范围内可调整)到直流母线。自带过电流保护功能。当各个被充电电池所需的电能，大于各个被放电电池所释放的电能，并且母线电池也不足以提供所需电量时，直流母线电压会下降。当直流母线电压低于电源模块的输出电压时，电源模块开始向系统补给电能，从而维持母线电压，使之不至于过低，防止母线电池过流、过放。这是自然而且平滑的过程。

c)母线电池3是直接或者经由母线电池管理单元，挂接在直流母线上的电池组。可由多个单体电池通过并联、串联组成。起储存、释放电能的作用。同时,母线电池等效于大容量的电容器，可以起到稳定母线电压的缓冲作用。母线电池电压(例如24V)，总是高于蓄电池之电压(例如12V)。

当被放电电池所释放的电能(功率)，大于被充电电池的电能(功率)所需时，由母线电池接收、储存多余部分的电能。当母线电池荷电饱满，不足以接收、储存多余部分电能时，启动电热组件，主动地、以发热方式予以消耗，以维持系统稳定。

当被充电电池所需的电能，大于被放电电池所释放的电能时，母线电池自动放电，补足充电所需的电能。当母线电池也不足以提供所需电量时，则自动地，由电源模块从市电网络获取电能，以维持系统所需。

d)主控制单元4实现2个主要功能：

一是采集以下关键的系统参数:

电源模块的补给电流；

电热组件的电流(或功率配置状况)；

母线电池的充放电流(双向)、电压；

直流母线电压。

连同电源模块功率的配置参数、母线电池容量配置参数等，一并通过通讯总线，分发给各个充放电单元。

二是根据母线电压、母线电池电流，估算母线电池荷电状态。控制电热组件(PWM方式)，以发热方式，主动地消耗母线电池不足以接收、储存的部分电能，防止母线电池过压、过充，维持系统稳定。

e)充放电单元5是系统的核心部件，基于双向DCDC变换原理。由单片机、场效应管(MOSFET)、散热器、小型轴流风机等主要元件组成。单片机执行程序，根据系统的当前状态(电源模块补给电流、电热组件电流(或功率配置状况)、母线电池充放电流、直流母线电压、电源模块功率、母线电池容量)按照工艺要求，对蓄电池执行恒流、恒压等方式的充放电操作，并显示、记录其电流、电压、安时等参数。自身的工作电源，也取自直流母线。

系统中，可以配置多个充放电单元。每个单元，一端接被充放电的蓄电池，另一端并联接到直流母线。即，充放电单元接在蓄电池与直流母线之间。它有2个主要的工作状态：

一是充电状态。需要充电时，如果母线电池、电源模块，足以提供此次充电所需的电量，充放电单元直接进入充电状态，执行充电操作；否则，挂起本次充电申请，等待系统条件满足时，再自动执行充电操作。

对蓄电池充电时，充放电单元以BUCK降压方式工作，从直流母线上吸取电能。从直流母线上吸取的电能，一部分来自其它正在放电的充放电单元所释放的电能，另一部分来自母线电池。当母线电池不足以提供充电所需电量时，则自动地，由电源模块从市电网络获取电能，从而维持系统所需。

二是放电状态。需要放电时，如果母线电池、电热组件，足以吸收或消耗此次放电所释放的电量，充放电单元直接进入放电状态，执行放电操作；否则，挂起本次申请，等待系统条件满足时，再自动执行放电操作。

对蓄电池放电时，充放电单元以BOOST升压方式工作，从蓄电池吸取(释放)电能。通过直流母线，一部分电能被其它正在充电的单元转移到对应的被充电蓄电池，另一部分，被母线电池存储。当母线电池荷电饱满，不足以接收、储存多余部分电能时，则由主控制单元，经由电子开关控制电热组件，主动地、以发热方式予以消耗，从而维持系统电压稳定。

f)蓄电池6是需要充电、放电的工作对象。可以是单体电池，也可以是由多个单体电池串联、并联组成的电池组。

g)通讯总线7实现系统中各部件的互联。主控制单元通过通讯总线，传送系统参数给各个充放电单元；充放电单元依照这些参数，实现自身功能。同时收集各个充放电单元的运行状态。

h)电热组件8。主控制单元以PWM方式控制电热组件与直流母线之间的电子开关，使得电热组件主动地、以发热方式消耗系统不能转移、储存的电能。

本发明在具体实施例中，主要考虑如下两个方面：

一方面是母线电池的容量配置：系统运行时，通过生产调度，调配蓄电池的充放电比例，可以使得母线电池处于既不充电也不放电的空闲状态。亦即，蓄电池放电时所释放的电量，全部被正在充电的其它蓄电池所吸收。这是理想状态，也不需要电源模块从市电网络取电。

极端地，当系统中全部的蓄电池同时放电时，需要母线电池吸收最大的电能。母线电池容量,可按下式计算:

Cbus＝(N*Cb*0.8)/0.3；

注：Cbus：母线电池容量(安时)；

N：系统中蓄电池数量，亦即充放电单元数量；

0.3：母线电池充电倍率；

0.8：蓄电池放电时的估算转换效率。

不过，在实践中，可以适当地减少母线电池容量，因为：

一是可以采用“挂起申请-延迟执行”方式，充放电单元延迟执行蓄电池的放电请求。也就是等待合适的时机，再开始放电。这样，可能完全避免以发热方式消耗电能。充放电单元中的单片机执行程序，可以方便地实现“挂起申请-延迟执行”功能。

二是系统中全部的蓄电池同时放电，是极端情形，可以通过生产调度，调配蓄电池的充放电比例，减轻母线电池的储能压力；也就是，调配蓄电池的充电电量与放电电量，尽量使之平衡。

三是当较多的蓄电池急需放电，而且生产调度难以调配充放电比例时，主控制单元发挥作用:控制电热组件，以发热方式，消耗部分电能。

实践中，按下式估算系统中母线电池容量，辅以合理调度，系统可以稳定运行:

Cbus＝N*Cb；

亦即，母线电池容量与蓄电池总容量大致相当。

另一方面是电源模块的功率配置：极端地，当系统中全部的蓄电池，同时以最大额定电流充电，并且母线电池已经放空(荷电为0％)时,系统所需电量完全取自市电网络。可按下式计算电源模块的功率:

n*P＝N*Vb*Cb*0.15；

注：n:电源模块数量；

P：电源模块输出功率；

N：系统中蓄电池数量，亦即充放电单元数量；

Vb：蓄电池标称电压；

Cb：蓄电池容量(安时)；

0.15：蓄电池充电倍率；

同样地，采用“挂起申请-延迟执行”的方法，充放电单元延迟执行蓄电池的充电请求。也就是等待合适的时机，再开始充电。这样可以减少电源模块的配置功率，从而降低系统成本。

实践中，按下式估算系统中电源模块的配置功率，辅以合理调度，系统可以稳定运行:

n*P＝(N*Vb*Cb*0.15)*0.5。

Claims (2)

1.一种可循环利用电能的蓄电池充放电系统，它包括连接市电网路的电源模块（2）、多个通过直流母线（1）连接于电源模块（2）的双向DCDC充放电单元（5）、连接于电源模块（2）直流母线接出端部的主控制单元（4）、连接于直流母线上的电热组件（8），其特征在于所述的主控制单元（4）通过通讯总线（7）与所述的各个双向DCDC充放电单元（5）连接；所述的直流母线（1）上还连接有由多个蓄电池构成的母线电池（3），且所述电源模块（2）、母线电池（3）与直流母线（1）之间分别设有电流传感器(10)，所述电流传感器(10)分别连接到主控制单元（4）。

2.根据权利要求1所述的可循环利用电能的蓄电池充放电系统，其特征在于所述的电热组件（8）由多个电热丝或电热棒串、并联组成，所述的主控制单元（4）与电热组件（8）连接线上设置电热电流传感器(11)；所述电热电流传感器(11)的下部，还设有与主控制单元（4）相连接的电子开关（9），所述的母线电池（3）由多个蓄电池串、并联而成，所述的双向DCDC充放电单元（5）各自外接被充放电的蓄电池（6），并使电能在系统内部的各个蓄电池之间、蓄电池与母线电池之间，通过直流母线被转移、储存、循环利用。