CN218161822U - 一种柴油发电机油电混合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及柴油发电机组，尤其涉及一种柴油发电机油电混合系统。其解决了负载功率较低时，发电机发电量过剩，能源浪费的问题，直接的提高柴油发电机的工作效率，同时规避了散热不良的问题。包括柴油发电机；还包括锂离子电池模组、BCU模块、显示控制模块、双向换流器PCS模块；每个锂离子电池模组对应一BMU模块，锂离子电池模组内部各单体电池分别与BMU模块链接，电池模组与BCU模块通过CAN总线链接，BCU模块通过RS485与双向换流器PCS相连；双向换流器PCS与采油发电机的输出端交流侧并联，负载输入端并联于交流母线；多个BMU模块间通过SPI总线相连，所述BMU模块与BCU模块间通过CAD总线相连，BCU模块与显示控制模块通过RS485总线相连。

Description

一种柴油发电机油电混合系统

技术领域

本实用新型涉及柴油发电机组，尤其涉及一种柴油发电机油电混合系统。

背景技术

柴油发电机通过消耗柴油带动发电机组旋转产生电能为负载供电，而柴油发电机的功率取决于配置时固有参数，不能依据负载情况进行动态调整。比如： 100KVA的柴发耗油量就是按照100KVA的机组来设计的，运行过程中不管负载是 90KW还是10KW耗油量都是相同的。

当负载功率较低时，发电机发电量过剩，则会因无法提供给负载而导致发电效率低。对发电机的运行产生负面影响，不利于发电机散热，同时会消耗大量柴油。目前柴油发电机组的运行状态均为机械式，长时间运行散热不良对机器的磨损较大。常规处理办法都是运行发电机8-10小时，需要间歇1-2小时，这样既影响负载正常运行也不利于保障供电的持续性需求。

发明内容

本实用新型就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种柴油发电机油电混合系统。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案，包括柴油发电机；其特征在于，还包括锂离子电池模组、BCU模块、(LCD)显示控制模块、双向换流器 PCS模块。

每个锂离子电池模组对应一BMU模块，锂离子电池模组内部各单体电池分别与BMU模块链接，电池模组与BCU模块(主控制器)通过CAN总线链接，BCU 模块通过RS485与双向换流器PCS相连；双向换流器PCS与采油发电机的输出端交流侧并联，(PCS具备检同期和锁相环控制，)负载输入端并联于交流母线。

多个BMU模块间通过SPI总线(通信)相连，所述BMU模块与BCU模块间通过CAD总线(通信)相连，BCU模块与(LCD)显示控制模块通过RS485总线相连。

进一步地，所述负载与柴油发电机的连接线路上安装有用于采集电流的霍尔传感器一，该霍尔传感器一与BCU模块相连，(BCU还具备电压信号差分检测功能)。

进一步地，所述双向换流器PCS模块与负载的连接线路上设置有用于采样电流的霍尔传感器二，该霍尔传感器二与BCU模块相连。

进一步地，所述锂离子电池模组由多支锂离子电池串联而成，多个锂离子电池模组间相串联。

进一步地，所述双向换流器PCS模块包括交流三相输入(A/B/C)，交流三相输入(A/B/C)与交流EMC滤波器相连，且在三相输入与交流EMC滤波器相连的线路上设置有交流断路器；所述交流EMC滤波器经桥式电路进行整流变换后再经滤波回路滤波，后与功率变换单元相连，经功率变换单元进行恒压或恒流控制后，再将直流EMC滤波器滤波后与电池模组相连。

更进一步地，所述交流三相输入与负载和柴油发电机的输出相连。

进一步地，所述BMU模块模拟前端芯片ADBMS1818；所述BCU模块包括 LTC6820 SPI信号接收芯片；锂离子电池模组最多支持18节电池串联，1-18支电池的负极对应链接ADBMS1818的C0-C18管脚，1-18支电池的正极对应链接 ADBMS1818的S0-S18管脚。

芯片ADBMS1818的IPA脚与IMA脚接入第一高频隔离变压器的初级，芯片ADBMS1818的IPB脚与IMB脚接入第二高频变压器的初级。

当BMU模块为相互级联的多个BMU模块中的首位BMU模块或末位BMU模块时，其中，首位BMU模块对应一芯片LTC6820末位；该第一高频隔离变压器的次级通过第三高频隔离变压器接入芯片LTC6820，芯片LTC6820与微处理器MPU 相连；该第二高频隔离变压器的次级接入相邻BMU模块的第一高频隔离变压器或第二高频隔离变压器，形成级联。

更进一步地，所述微处理器BCU分别与霍尔传感器一、霍尔传感器二及LCD 显示控制模块相连。

与现有技术相比本实用新型有益效果。

本实用新型柴油发电机油电混合系统：其为一种柴油发电机组与新型储能系统相结合的柴发储能系统，当负载功率波动时，其将存在的过剩电能完全转换成直流电储到储能系统中。解决了负载功率较低时，发电机发电量过剩，能源浪费的问题，直接的提高柴油发电机的工作效率，同时规避了散热不良的问题。

发电量与负载需量差值被存储到储能系统中，储能蓄满电后控制发电机待机由储能逆变输出带载，可主动的间歇发电机延长发电机使用寿命。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。本实用新型保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是柴油发电机油电混合系统的系统框图。

图2是双向换流器PCS电气原理图。

图3是BMS从控电路(BMU部分)原理图。

图4是从控级联SPI菊花链链接图。

图5是图4的局部示意图一(也即ADBMS1818连接示意图)。

图6是图4的局部示意图二。

具体实施方式

具体实施例：如图1-6所示，包括柴油发电机；还包括锂离子电池模组、 BMU模块、BCU模块、显示控制模块(显示控制模块可以采用LCD显示控制模块，也即BAU)、双向换流器PCS模块。

其中，锂离子电池模组、BCU模块、LCD显示控制模块、双向换流器PCS 模块构成了储能系统。BMS为电池管理系统的缩写，本实用新型涉及到电池管理部分的设计拓扑采用三级结构即：BMU、BCU、BAU。

BMU为三级架构的最底层其采用固定IC ADBM1818模拟前端与STM32F单片机(也即MPU)相结合方式，具备最多18路电池电压及温度采集功能采样精度误差5mV，温度精度+/-1℃，通过SPI菊花链总线将采集信号数据传递给第二级BCU。

BCU作为数据处理和计算的核心控制单元，并集成继电开关和手动断路器做为电池簇的主控制系统，BCU通过CAN总线将电池簇的状态信息汇报给BAU。

由BAU做图形和数据显示以及与外部设备进行通信和联动控制。以此来实现电池组系统的精确管理和安全运行保护。

如图1所示，本实用新型中的BMU为多个单体电芯的串联模组管理单元，通过功率硬链接，通信SPI总价方式进行物理层和数据层的链接通信，通过CAN 总价将数据汇报给BCU，BCU通过RS485将信息传达给BAU即显控界面，显控界面为人机交互界面支持触摸屏设计，用户可使用显控进行系统运行配置以及支持与PCS、EMS、柴油发电机等的外部通信。

柴油发电机在运行过程中一方面给负载提供电能，一方面将富余的电能储到电池组中，当电池组充满电后下发关机指令给柴油发电机，柴油发电机进入待机状态，由储能系统为负载供电，当电池内电能消耗殆尽再给柴油发电机下发运行指令，柴油发电机再次启动重新给负载供电给储能系统充电，周而复始循环运行。

优选地，所述负载与柴油发电机的连接线路上安装有用于采集电流的霍尔传感器一，该霍尔传感器一与BCU模块相连。

优选地，所述双向换流器PCS模块与负载的连接线路上设置有用于采样电流的霍尔传感器二，该霍尔传感器二与BCU模块相连。

优选地，所述锂离子电池模组由多支锂离子电池串联而成，多个锂离子电池模组间相串联。锂离子电池多支串联组成叠加电压达到600V以上，高压直流可通过降压拓扑逆变输出AC380V～400V。储能系统的电池组通过硬性连接将多支锂离子电池串联组成电池PACK，原则上采用磷酸铁锂电池最佳因为电池的安全性、长效性更有优势，但是在一些体积重量因素突出的系统中采用三元锂电池也是不错的选择。

优选地，所述双向换流器PCS模块包括交流三相输入(A/B/C)，交流三相输入(A/B/C)与交流EMC滤波器相连，且在三相输入与交流EMC滤波器相连的线路上设置有交流断路器；所述交流EMC滤波器经桥式电路进行整流变换后再经滤波回路滤波，后与功率变换单元相连，经功率变换单元进行恒压或恒流控制后，再将直流EMC滤波器滤波后与电池模组相连。所述交流三相输入与负载相连。可做到充放电无缝切换。

如图2所示，首先当PCS(双向换流器)给储能电池组进行充电时，输入端为A/B/C三相经过手动断路器开关后输入给EMC滤波电路降低传导干扰，再经过软控的接触器受控分合闸输入给整流滤波电路，经过项桥式电路进行整流变换，由AC380V转换成DC600V左右(只做降压型变换不做BOOST变换，输入电压变高输出直流即对应变高，输出只能在高于AC电压乘以根号3以上的电压范围内进行降压型稳压变换)经过滤波和恒压或恒流控制后输送给电池组进行充电。充电恒流值以及截止电压限值由储能电池组的具体需求进行配置。

当逆变输出时，输入端为电池主的直流母线电压，先经过三相桥式斩波后形成交变的具备过零点的交变方波，通过电感和电容组成的LC滤波后消掉方波尖角形成纯正弦波，正弦波频率受控于SPWM波的驱动信号频率。经过逆变后的电流经过输出EMC安规电路和输出合闸接触器和手动短路器后对外部负载供电，当需要与现有柴油发电输出并联输出时，由于控制系统内部具备锁相环控制PID调节进行跟随主波形输出功能，保证输出的交流波形与柴油发电机的交流波形同频同相位。

实施例1：储能电池的级联电压取决于发电机组的发电输出电压，AC220V 发电机组配置储能电池级联电压应达到400V以上；AC380V柴油发电机组配置的储能电池级联电压应达到600V以上；如此配置电压是希望储能逆变器在逆变输出时不做升压变换，在整流充电时也不做升压变换，整个电力变换过程都只有一级降压结构平稳输出额定的电压、电力、功率，这样可以降低电路成本和复杂程度也可较大提高电能转换效率，让能源在适配变换过程中更多的转换成有用功。磷酸铁锂电池的充电截止电压为3.65V放电截止电压为2.5V根据不同厂家的电池型号会略有偏差，作为与柴油发电机配合使用的需求并不需要将电池的SOC释放或充电到极限值一般经验考虑将SOC充电到90％，放电到20％为佳，对应电池单体电压管控为充满3.5V，放空2.8V，这样浅充浅放有利于延长电池使用寿命。

优选地，如图3-4所示，所述BMU模块模拟前端芯片ADBMS1818；所述 BCU模块包括LTC6820 SPI信号接收芯片；锂离子电池模组最多支持18节电池串联，1-18支电池的负极对应链接ADBMS1818的C0-C18管脚，1-18支电池的正极对应链接ADBMS1818的S0-S18管脚。

芯片ADBMS1818的IPA脚与IMA脚接入第一高频隔离变压器的初级，芯片ADBMS1818的IPB脚与IMB脚接入第二高频隔离变压器的初级。

当BMU模块为相互级联的多个BMU模块中的首位BMU模块或末位BMU 模块时，其中，首位BMU模块对应一芯片LTC6820末位；该第一高频隔离变压器的次级通过第三高频隔离变压器接入芯片LTC6820，芯片LTC6820与微处理器 MPU相连；该第二高频隔离变压器的次级接入相邻BMU模块的第一高频隔离变压器或第二高频隔离变压器，形成级联。

图3中，模拟前端即是专门对电池单体进行电压和温度检查的专业芯片，通过与电池正/负极之间的信号线链接进行差分电压采集，并经过一定频率的滤波处理，可通过芯片配置的多路温度检查IO口外部配置NTC采样电阻的方式来实现温度的采集。芯片内部做模数转换后通过SPI总线对单片机(即MPU微处理器)进行汇报。

本实用新型柴油发电机油电混合系统，其中：

柴油发电机通过消耗柴油带动发电机旋转产生电能为负载供电，当负载功率波动时存在过剩电能需要储到储能系统中。

储能系统会根据负载情况协调自身充电功率，当负载较大时停止充电，当负载小于发电机组输出最大功率时按照比例进行充电。

储能系统电池充满后可调配发电机待机休息，由储能系统为负载提供输出或调整发电机组的输出功率配置与其共同为负载提供电能，当容量小于设定放电截止值时再次调度柴油发电机恢复额定功率供电。

储能系统可以独立支撑最大功率负载的供电，当发电机待机时可以由储能系统对负载放电维持负载正常运行。且储能系统的功率满足负载最大需求的同时也可以将输出电能质量提高，远比柴油发电机所发的电能质量高的多，储能系统的电气变换采用双向换流技术交流母线既可以作为蓄电池组的充电输入端也可以作为输出端，在输出电能的逆变变换过程中以标准的纯正弦波输出使频率和伏值都可控，从而确定输出频温度输出波形畸变量可控，为负载提供稳定能源保障负载设备的运行安全。

本实用新型通过为柴油发电机增配储能单元可以更好的节省油耗，减少柴油发电机持续运行时间，可将柴油发电机的有功提高30％以上。

本实用新型对于一些特殊负载如强感性负载或强容性负载平稳运行时功率不大在柴油发电机额定功率以内，在冷启动瞬态下冲击功率非常大时，超过柴油发电机暂态最大输出能力时储能系统可快速接入工作补助柴油发电机，由双电源共同提供负载电流和功率的阶跃冲击，提高系统的整体抗冲击能力。

可以理解的是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柴油发电机油电混合系统，包括柴油发电机；其特征在于：还包括锂离子电池模组、BCU模块、显示控制模块、双向换流器PCS模块；

每个锂离子电池模组对应一BMU模块，锂离子电池模组内部各单体电池分别与BMU模块链接，电池模组与BCU模块通过CAN总线链接，BCU模块通过RS485与双向换流器PCS相连；双向换流器PCS与采油发电机的输出端交流侧并联，负载输入端并联于交流母线；

多个BMU模块间通过SPI总线相连，所述BMU模块与BCU模块间通过CAD总线相连，BCU模块与显示控制模块通过RS485总线相连。

2.根据权利要求1所述的一种柴油发电机油电混合系统，其特征在于：所述负载与柴油发电机的连接线路上安装有用于采集电流的霍尔传感器一，该霍尔传感器一与BCU模块相连。

3.根据权利要求1所述的一种柴油发电机油电混合系统，其特征在于：所述双向换流器PCS模块与负载的连接线路上设置有用于采样电流的霍尔传感器二，该霍尔传感器二与BCU模块相连。

4.根据权利要求1所述的一种柴油发电机油电混合系统，其特征在于：所述锂离子电池模组由多支锂离子电池串联而成，多个锂离子电池模组间相串联。

5.根据权利要求1所述的一种柴油发电机油电混合系统，其特征在于：所述双向换流器PCS模块包括交流三相输入，交流三相输入与交流EMC滤波器相连，且在三相输入与交流EMC滤波器相连的线路上设置有交流断路器；所述交流EMC滤波器经桥式电路进行整流变换后再经滤波回路滤波，后与功率变换单元相连，经功率变换单元进行恒压或恒流控制后，再将直流EMC滤波器滤波后与电池模组相连。

6.根据权利要求5所述的一种柴油发电机油电混合系统，其特征在于：所述交流三相输入与负载和柴油发电机的输出相连。

7.根据权利要求1所述的一种柴油发电机油电混合系统，其特征在于：所述BMU模块模拟前端芯片ADBMS1818；所述BCU模块包括LTC6820 SPI信号接收芯片；锂离子电池模组最多支持18节电池串联，1-18支电池的负极对应链接ADBMS1818的C0-C18管脚，1-18支电池的正极对应链接ADBMS1818的S0-S18管脚；

芯片ADBMS1818的IPA脚与IMA脚接入第一高频隔离变压器的初级，芯片ADBMS1818的IPB脚与IMB脚接入第二高频隔离变压器的初级；

当BMU模块为相互级联的多个BMU模块中的首位BMU模块或末位BMU模块时，其中，首位BMU模块对应一芯片LTC6820末位；该第一高频隔离变压器的次级通过第三高频隔离变压器接入芯片LTC6820，芯片LTC6820与微处理器MPU相连；该第二高频隔离变压器的次级接入相邻BMU模块的第一高频隔离变压器或第二高频隔离变压器，形成级联。

8.根据权利要求7所述的一种柴油发电机油电混合系统，其特征在于：所述微处理器BCU分别与霍尔传感器一、霍尔传感器二及LCD显示控制模块相连。

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