專利名稱：一種電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1.電池技術(shù)近年來鋰離子電池電極材料的能量密度和循環(huán)壽命比過去有顯著改善。預(yù)計到 2015年，電芯能量密度可超過200wh/kg。室溫循環(huán)壽命在70%放電深度時可大于5000次， 在60%放電深度時可大于12000次。我們預(yù)期在最大用量的情況下(每天充電5次)，電芯的設(shè)計容量(起始容量的100-80% )可保持7年。在最小用量的情況下(每天充電1 次)，電芯的設(shè)計容量可保持33年。如果在低于設(shè)計容量(起始容量的80-40% )的情況下繼續(xù)使用電芯，可以在最大用量的情況下增加另外4-7年的使用期。盡管電池電極材料的能量密度和循環(huán)壽命在理論上已可以滿足電網(wǎng)應(yīng)用的要求， 在實際應(yīng)用中它仍然無法大量推廣。其主要原因是目前的技術(shù)水平仍然無法解決大量的電芯連接的可靠性問題，以及荷電狀態(tài)估算精度和電芯動態(tài)平衡的問題。2.電池技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用目前在歐美的智能電網(wǎng)技術(shù)的開發(fā)已漸成熟，其中一項重要的組成部分是利用新型電池組對電能的快速存放功能來為電網(wǎng)提供負荷平衡和頻率調(diào)節(jié)等服務(wù)。這一功能可使智能電網(wǎng)通過調(diào)整發(fā)電、用電設(shè)備功率優(yōu)化負荷平衡的智能技術(shù)系統(tǒng)來控制中心與電網(wǎng)設(shè)備之間的信息交互，從而達到電網(wǎng)運行的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)。由于近年來數(shù)字化變電站的加速建設(shè)，以及數(shù)字化控制并使用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通訊等許多新技術(shù)，使得大型電池組和電網(wǎng)的整和成為可能。在美國和歐洲已有幾個演示項目來驗證用電池電源提供負載調(diào)配和頻率調(diào)節(jié)的服務(wù)的可行性，以及使用電池來存儲可再生能源的可能性。盡管該技術(shù)由于成本和電池管理系統(tǒng)技術(shù)的限制仍處于試驗階段，功能不強，電池壽命短。3.直流充電技術(shù)近來國際上對電動車的開發(fā)也已進入實用階段。隨著電動車的逐漸應(yīng)用，對充電站的需求也日益頻繁。目前國內(nèi)外的交流和直流充電站均采用直接從電網(wǎng)變電的方式獲取電能。但是，鑒于當(dāng)前的電網(wǎng)負荷的設(shè)計能力，預(yù)計電動汽車快速充電站所需的大量能源將給現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)造成重大壓力，并可能會降低電網(wǎng)的整體效率。所以盡管目前直流充電站所需的硬件及軟件技術(shù)已成熟，直流充電站與智能電網(wǎng)的整合仍是需要解決的問題。另外一個挑戰(zhàn)是目前直流充電器與電動車充電接口及指令通訊的標(biāo)準(zhǔn)仍未確定。預(yù)計到2012 年，該標(biāo)準(zhǔn)的制訂才可在全球范圍內(nèi)完成。到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)任何使用大型電池電源來提供直流快速充電的應(yīng)用，其主要原因是由于電池管理系統(tǒng)的不成熟造成的成本過高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例提供了一種電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)和方法，利用新型電池組對電能的快速存放功能，將智能電網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)與電動汽車直流充電技術(shù)進行功能整合，可以實現(xiàn)在利用存儲在電池存儲能量為電動汽車提供直流快速充電的同時，還能為電網(wǎng)提供負荷平衡和頻率調(diào)節(jié)等服務(wù)。為達到上述目的，本發(fā)明實施例一方面提供一種電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)，包括電池組矩陣，用于存儲電能，提供直流充電；雙向電力電子設(shè)備，用于配合電池控制和管理系統(tǒng)來控制所述電池組矩陣與電網(wǎng)之間的充放電；電池控制和管理系統(tǒng)，用于通過溫度控制、電芯平衡和充電狀態(tài)管理來確保所述電池組矩陣正常工作；電動車直流充電設(shè)備及端口，用于將存儲在所述電池矩陣中的電能通過直流充電端口在同一時間為多個電動車充電。所述電池組矩陣通過所述雙向電力電子設(shè)備與電網(wǎng)相連。所述電池控制和管理系統(tǒng)管理充電站與電網(wǎng)間的數(shù)據(jù)及指令通訊，并操控充電站的安全系統(tǒng)。所述電池組矩陣的分布是將多個電芯按并-串-并-串方式排列而成的。每一組所述電芯并行連接成模塊，每個所述模塊均有測量溫度、電壓和電流的傳感器，所述模塊用于估算荷電狀態(tài)。將多個所述模塊串聯(lián)形成一個電池箱，再將所述電池箱并聯(lián)成一個電池組架，所述電池組矩陣由所述多個電池組架串聯(lián)而成。所述模塊的冷卻是風(fēng)冷或液體冷卻；所述液體冷是在電池箱下建冷卻循環(huán)散熱片，所述散熱片整合成為所述電池組架的一部分。每個串聯(lián)的所述電池組架是由一個在電池控制和管理系統(tǒng)控制下的接觸器進行隔1 °每個所述電池組架安裝一個智能短路檢測設(shè)備來提供所述電池組架的安全保護。每個所述電池組架上堆疊并聯(lián)多個電池箱。所述電池控制和管理系統(tǒng)包括荷電狀態(tài)估算單元，用于將每個模塊的電壓、電流溫度作為輸入數(shù)據(jù)來估算荷電狀態(tài)；功率及荷電狀態(tài)值的設(shè)定單元，用于根據(jù)電池電源運行條件，通過限制放電功率來管理放電速度；電池矩陣平衡策略單元，用于將電池在每次電池充滿電時進行動態(tài)電芯平衡；模塊故障自動檢測單元，用于自動檢測布線或所述電池組矩陣的故障，當(dāng)出現(xiàn)故障時，發(fā)出警告信號來提醒問題區(qū)域，嚴(yán)重故障的情況下，則自動切斷接觸器以便隔離電池組矩陣的故障部分。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實施例具有以下優(yōu)點1.電動汽車充電——作為直流到直流充電站為電動汽車提供電能。2.負荷平衡——根據(jù)電網(wǎng)負荷管理策略，于低峰期向電池矩陣充電，然后在高峰期向電網(wǎng)回饋以實現(xiàn)有效的臨界負荷保護及負荷平衡。3.電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)——既可利用電網(wǎng)優(yōu)化充電系統(tǒng)內(nèi)的雙向電力電子設(shè)備來作為提高電網(wǎng)效率的功率系數(shù)校正裝置，也可以根據(jù)電網(wǎng)或電池控制和管理系統(tǒng)(C)控制算法的指令來快速充放電，由此改進電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)包括電壓偏移、頻率偏移、三相不平衡、 諧波、閃變、電壓驟降和突升等。4.可再生能源的整合——用以存儲可再生能源發(fā)電設(shè)備如風(fēng)車、太陽能板等產(chǎn)生的電能。5.減少發(fā)電廠儲備容量——電池中存儲的電力能源可以迅速部署回電網(wǎng)，從而減少發(fā)電廠儲備容量的需求，提高電廠對負荷驟變作出反應(yīng)的能力。6.加載塑造——根據(jù)電網(wǎng)控制裝置提供動作信號，電池充電負載可以根據(jù)電網(wǎng)優(yōu)化的需要進行動態(tài)調(diào)節(jié)。7.不間斷備用電源——當(dāng)遇到局部電網(wǎng)斷電時，電池中存儲的電力能源可以為醫(yī)院，數(shù)據(jù)中心等重點單位提供短期電源。使用電池組矩陣來作為一個多用途的儲能源，不僅能通過提供快速充電服務(wù)(> 200kff)來促進電動車輛的廣泛應(yīng)用，它還將使發(fā)電廠輔助發(fā)電設(shè)備得以更有效地運營。由于主發(fā)電設(shè)備運行在一個不斷優(yōu)化狀態(tài)，因此減少了輔助發(fā)電設(shè)備的使用進而大幅減少了二氧化碳，氧化氮，和二氧化硫的排放。電池矩陣對電網(wǎng)負荷變化的響應(yīng)時間要比當(dāng)今電網(wǎng)的響應(yīng)時間快得多。它的響應(yīng)時間是以毫秒為單位，而不是傳統(tǒng)電廠以分鐘為單位的響應(yīng)時間。通過本發(fā)明實施例，將智能電網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)與電動汽車直流充電技術(shù)進行功能整合，從而開創(chuàng)了一個電網(wǎng)優(yōu)化充電系統(tǒng)的新概念，其在利用存儲在電池中的能量為電動汽車提供直流快速充電的同時，還為電網(wǎng)提供負荷平衡和頻率調(diào)節(jié)等服務(wù)


圖1為本發(fā)明實施例電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)的關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明實施例提供了一種電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)，通過本發(fā)明實施例，將智能電網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)與電動汽車直流充電技術(shù)進行功能整合，從而開創(chuàng)了一個電網(wǎng)優(yōu)化充電系統(tǒng)的新概念，其在利用存儲在電池中的能量為電動汽車提供直流快速充電的同時，還為電網(wǎng)提供負荷平衡和頻率調(diào)節(jié)等服務(wù)。如圖1所示，為本發(fā)明實施例電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，包括電池組矩陣A，用于存儲電能，提供直流充電；雙向電力電子設(shè)備B，用于配合電池控制和管理系統(tǒng)C來控制電池組矩陣A與電網(wǎng)之間的充放電；電池控制和管理系統(tǒng)C，用于通過溫度控制、電芯平衡和充電狀態(tài)管理來確保電池組矩陣A正常工作；電動車直流充電設(shè)備及端口 D，用于將存儲在電池組矩陣A中的電能通過直流充電端口在同一時間為多個電動車充電。
電池控制和管理系統(tǒng)C還包括控制算法單元和傳感單元。電池組矩陣A在任何時候都通過雙向電力電子設(shè)備B與電網(wǎng)相連。根據(jù)電網(wǎng)或電池控制和管理系統(tǒng)C控制算法的指令，雙向電力電子設(shè)備B可配合電池控制和管理系統(tǒng)C 來控制電池組矩陣A的充放電，以便為電網(wǎng)提供優(yōu)化服務(wù)。存儲在電池組矩陣A中的電能還可以通過直流充電設(shè)備及端口 D在同一時間為多個電動車充電。其中，電池組矩陣A 電池組矩陣A的分布是將許多電芯按并-串-并-串方式排列而成的，這樣的設(shè)計可提供最高的可靠性、穩(wěn)定性和可維護性。每一組電芯并行連接成模塊。每個模塊將有測量溫度、電壓和電流的傳感器，用于估算荷電狀態(tài)。然后將幾個模塊串聯(lián)形成一個電池箱，再將一些電池箱并聯(lián)成一個電池組架。整個電池組矩陣A則由多個電池組架串聯(lián)而成。模塊的冷卻可以是風(fēng)冷或液體冷卻。液體冷卻需要在電池箱下建冷卻循環(huán)散熱片，這些散熱片將整合成為電池組架的一部分。電池組架的設(shè)計將使每個串聯(lián)的電池組架都可以由一個在電池控制和管理系統(tǒng)C 控制下的接觸器進行隔離，以便應(yīng)付緊急情況或進行維修保養(yǎng)服務(wù)。每個電池組架還安裝了一個智能短路檢測設(shè)備來提供電池組架的安全保護。整個矩陣可以在電池箱一級進行維修保養(yǎng)服務(wù)——這意味著在任何情況下都可以在線抽出電池箱進行維護，而不會影響電池組架或矩陣系統(tǒng)的總體功能。它還具有靈活地增加總矩陣容量的能力，只要在每個電池組架上堆疊并聯(lián)更多電池箱，既可在保持同一直流電壓范圍的情況下擴容，而不需要更改電力電子設(shè)備。雙向電力電子設(shè)備B 所用雙向電力電子設(shè)備可選用現(xiàn)有國際先進技術(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)型號為基礎(chǔ)，針對本電池組矩陣的容量做部分修改，既可聯(lián)網(wǎng)。雙向電力電子設(shè)備與智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)及指令通訊亦將遵守IEC61850通信規(guī)約的規(guī)范，接受智能電網(wǎng)的區(qū)域信息處理中心站內(nèi)值班人員和區(qū)域智能層面調(diào)度人員的操作指令，并可按指令完成不用人員干預(yù)的程序化操作，以達到優(yōu)化電網(wǎng)的目的。電池控制和管理系統(tǒng)C包括荷電狀態(tài)估算單元、功率及荷電狀態(tài)值的設(shè)定單元、 電池矩陣平衡策略單元和模塊故障自動檢測單元；其中，荷電狀態(tài)估算單元可以在任何運行區(qū)間準(zhǔn)確地預(yù)測電池矩陣的荷電狀態(tài)(誤差 <3%)0荷電狀態(tài)估計算法考慮到每個模塊的電壓、電流及溫度，并用它們作為輸入數(shù)據(jù)來估算荷電狀態(tài)。電池荷電狀態(tài)的控制是決定電池矩陣壽命的最關(guān)鍵因素之一，它還被用來計算電池矩陣中有多少存儲的能量可被用于充電服務(wù)。功率及荷電狀態(tài)值的設(shè)定單元電池矩陣所用電芯是按可承受3c充放電速度來設(shè)計的。在3c放電率的情況下，完全充滿電的電池矩陣可以為約6000個家庭提供半小時電力。電池管理系統(tǒng)的控制軟件會根據(jù)電池電源運行條件，通過限制放電功率的方法來管理放電速度。它還可以通過控制電池放電(DoD)的深度來最大化的延長電池的壽命。在正常的條件下，放電深度將會維持在總?cè)萘康?0%以下。電池矩陣平衡策略單元單個電芯/模塊將采用動態(tài)平衡來延長壽命和提高利用效率。為了節(jié)約能源并減少生熱，電池將在每次電池充滿電時進行動態(tài)電芯平衡。
模塊故障自動檢測單元我們將有一個特殊方法來自動檢測任何布線或電池矩陣故障，一旦發(fā)現(xiàn)問題，電池控制和管理系統(tǒng)C可以發(fā)出警告信號來提醒管理員問題區(qū)域。嚴(yán)重故障的情況下它還會自動切斷接觸器以便隔離電池組矩陣A的故障部分。電池控制和管理系統(tǒng)C將會通過溫度控制、電芯平衡，和充電狀態(tài)管理來確保電池組矩陣A在最佳條件下工作。它還將管理充電站與電網(wǎng)間的數(shù)據(jù)及指令通訊，并操控充電站的安全系統(tǒng)。電動車直流充電設(shè)備及端口 D 電動車直流充電設(shè)備及端口 D采用SAE或IEC充電標(biāo)準(zhǔn)，具備1，2，3級直流充電的能力。最高電壓可達600V，最大電流400A，充電時間及充電速度將會由汽車電池管理系統(tǒng)控制。充電準(zhǔn)備期間兩個設(shè)備之間的通信將使用SAE或IEC充電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的通信協(xié)議來確認電池容量和安全狀態(tài)。通過以上的實施方式的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本發(fā)明可借助軟件加必需的通用硬件平臺的方式來實現(xiàn)，當(dāng)然也可以通過硬件，但很多情況下前者是更佳的實施方式?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機軟件產(chǎn)品存儲在一個存儲介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺計算機設(shè)備(可以是個人計算機，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例所述的方法。以上公開的僅為本發(fā)明的幾個具體實施例，但是，本發(fā)明并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化都應(yīng)落入本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)，其特征在于，包括電池組矩陣，用于存儲電能，提供直流充電；雙向電力電子設(shè)備，用于配合電池控制和管理系統(tǒng)來控制所述電池組矩陣與電網(wǎng)之間的充放電；電池控制和管理系統(tǒng)，用于通過溫度控制、電芯平衡和充電狀態(tài)管理來確保所述電池組矩陣正常工作；電動車直流充電設(shè)備及端口，用于將存儲在所述電池矩陣中的電能通過直流充電端口在同一時間為多個電動車充電。
2.如權(quán)利要求1所述電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)，其特征在于，所述電池組矩陣通過所述雙向電力電子設(shè)備與電網(wǎng)相連。
3.如權(quán)利要求2所述電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)，其特征在于，所述電池控制和管理系統(tǒng)管理充電站與電網(wǎng)間的數(shù)據(jù)及指令通訊，并操控充電站的安全系統(tǒng)。
4.如權(quán)利要求2所述電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)，其特征在于，所述電池組矩陣的分布是將多個電芯按并-串-并-串方式排列而成的。
5.如權(quán)利要求4所述電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)，其特征在于，每一組所述電芯并行連接成模塊，每個所述模塊均有測量溫度、電壓和電流的傳感器，所述模塊用于估算荷電狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求5所述電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)，其特征在于，將多個所述模塊串聯(lián)形成一個電池箱，再將所述電池箱并聯(lián)成一個電池組架，所述電池組矩陣由所述多個電池組架串聯(lián)而成。
7.如權(quán)利要求6所述電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)，其特征在于，所述模塊的冷卻是風(fēng)冷或液體冷卻；所述液體冷是在電池箱下建冷卻循環(huán)散熱片，所述散熱片整合成為所述電池組架的一部分。
8.如權(quán)利要求7所述電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)，其特征在于，每個串聯(lián)的所述電池組架是由一個在電池控制和管理系統(tǒng)控制下的接觸器進行隔離。
9.如權(quán)利要求8所述電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)，其特征在于，每個所述電池組架安裝一個智能短路檢測設(shè)備來提供所述電池組架的安全保護。
10.如權(quán)利要求9所述電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)，其特征在于，每個所述電池組架上堆疊并聯(lián)多個電池箱。
11.如權(quán)利要求1所述電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)，其特征在于，所述電池控制和管理系統(tǒng)包括荷電狀態(tài)估算單元，用于將每個模塊的電壓、電流溫度作為輸入數(shù)據(jù)來估算荷電狀態(tài)；功率及荷電狀態(tài)值的設(shè)定單元，用于根據(jù)電池電源運行條件，通過限制放電功率來管理放電速度；電池矩陣平衡策略單元，用于將電池在每次電池充滿電時進行動態(tài)電芯平衡；模塊故障自動檢測單元，用于自動檢測布線或所述電池組矩陣的故障，當(dāng)出現(xiàn)故障時， 發(fā)出警告信號來提醒問題區(qū)域，嚴(yán)重故障的情況下，則自動切斷接觸器以便隔離電池組矩陣的故障部分。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電網(wǎng)優(yōu)化直流充電系統(tǒng)，包括電池組矩陣，用于存儲電能，提供直流充電；雙向電力電子設(shè)備，用于配合電池控制和管理系統(tǒng)來控制所述電池組矩陣與電網(wǎng)之間的充放電；電池控制和管理系統(tǒng)，用于通過溫度控制、電芯平衡和充電狀態(tài)管理來確保所述電池組矩陣正常工作；電動車直流充電設(shè)備及端口，用于將存儲在所述電池矩陣中的電能通過直流充電端口在同一時間為多個電動車充電。本發(fā)明實施例可以實現(xiàn)在利用存儲在電池中的能量為電動汽車提供直流快速充電的同時，還為電網(wǎng)提供負荷平衡和頻率調(diào)節(jié)等服務(wù)。
文檔編號H02J7/02GK102468678SQ20101055264
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者蔡毅, 蔡英, 蔡逸超 申請人:蔡毅, 蔡英, 蔡逸超