一种港口轮胎吊电池动力系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种港口轮胎吊电池动力系统，该动力系统包括若干组电池动力模块，这些电池动力模块并列运行在变频器母线和发电机之间，每组电池动力模块包括动力电池、能量双向传输DC/DC变换器、动力电池充电控制器，所述动力电池通过能量双向传输DC/DC变换器连接变频器母线，并通过动力电池充电控制器连接发电机。根据上述方案形成的港口轮胎吊电池动力系统，其结构简单、易于实现，且性能稳定可靠，具有良好的推广前景。
【专利说明】一种港口轮胎吊电池动力系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及港口轮胎吊控制技术，具体涉及港口轮胎吊的动力系统。
【背景技术】
[0002]在国家大力提倡节能减排的大背景下，随着电池技术，电力电子技术和微控制器的应用取的突破进展的前提下，港口轮胎吊电池动力系统应运而生。针对电池的应用技术，高功率高电压电池快速充电技术，电池和轮胎吊之间能量双向传输技术，能量瞬间积聚回收再利用技术等前沿技术进行创新应用，掌握其中关键技术，为电池动力系统在港机上的应用打下基础。
[0003]现有的港口轮胎吊电池动力系统在实际的使用过程中存在结构复杂、稳定可靠性差等冋题。
[0004]由此可见提供一种结构简单、稳定可靠的港口轮胎吊电池动力系统是本领域亟需要解决的技术问题。
实用新型内容
[0005]针对现有港口轮胎吊电池动力系统所存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种简单简单、易于实现且性能稳定可靠的港口轮胎吊电池动力系统。
[0006]为了达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案:
[0007]一种港口轮胎吊电池动力系统，所述动力系统包括若干组电池动力模块，所述若干组电池动力模块并列运行在变频器母线和发电机之间，每组电池动力模块包括动力电池、能量双向传输0(:/0(:变换器、动力电池充电控制器，所述动力电池通过能量双向传输0(:/0(:变换器连接变频器母线，并通过动力电池充电控制器连接发电机。
[0008]在该动力系统的优选方案中，所述动力电池为锂离子电池。
[0009]进一步的，所述动力系统中包括至少五组电池动力模块。
[0010]进一步的，所述能量双向传输0(:/0(:变换器由第一电容、两开关管以及IX滤波电路组成，所述两开关管串接，通过第一电容连接变频器母线，并通过IX滤波电路连接动力电池。
[0011]进一步的，所述动力电池充电控制器包括电池监理单元和充电控制回路单元，所述电池监理单元控制连接动力电池，所述充电控制回路单元连接动力电池和发电机。
[0012]再进一步的，所述电池监理单元包括微处理器以及电池容量检测电路，所述电池容量检测电路连接动力电池，所述微处理器控制连接电池容量检测电路，并通过总线连接动力电池上的电池管理单元。
[0013]再进一步的，所述充电控制回路单元由不可控整流桥、滤波电容、开关管、二极管、电抗器依次连接组成。
[0014]根据上述方案形成的港口轮胎吊电池动力系统，其结构简单、易于实现，且性能稳定可靠，具有良好的推广前景。
[0015]同时，本系统在实际应用中还具有能量利用率高，对电网无污染，碳排放量低，环境友好等特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]以下结合附图和【具体实施方式】来进一步说明本实用新型。
[0017]图1为本方案中港口轮胎吊电池动力系统的示意图；
[0018]图2为本港口轮胎吊电池动力系统中000(:变换器拓扑结构图；
[0019]图3为图2所示000(:变换器处于降压电路拓扑结构的示意图；
[0020]图4为图2所示000(:变换器处于升压电路拓扑结构的示意图；
[0021]图5为本方案中动力电池充电控制器中电池监理单元的原理图；
[0022]图6为本方案中动力电池充电控制器中充电控制回路单元的原理图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。
[0024]本实用新型提供的港口轮胎吊电池动力系统总图如图1所示，整个系统采用模块化结构，高功率高电压动力电池充电控制器100和大功率能量双向传输0(:/0(:变换器300及动力电池200组成基本的电池动力模块，且动力电池200通过能量双向传输0(:/0(:变换器300连接变频器母线，并通过动力电池充电控制器100连接发电机。其中的动力电池200采用锂离子电池，并配置有相应的电池管理电路201 (如图5所示)。
[0025]整个系统中共有5路该模块组，且这5路电池动力模块并列运行在变频器母线和发电机之间。
[0026]本系统采用模块化设置，便于扩容降额，满足不同功率要求。当个别模块出现故障可退出工作，系统可降额使用，避免停机无法作业的情况。可靠性高，每个模块独立工作，相互之间无影响，同时每个模块可以把功率做低，极大地提高了安全性。生产组装维护节省人力物力等优点。
[0027]本系统正常工作时，由动力电池通过大功率能量双向传输0(:/0(:变换器为变频器母线及辅助用电设备提供电能，当变换器检测到母线电压跌落，其会增加向母线提供电流，当检测到母线电压泵升后，变换器会吸收母线电流，向动力电池充电。充电控制器实时监测动力电池的电压，当动力电池电压低于正常电压后，发电机通过充电控制器以满功率为电池充电，直至监测到动力电池电压达到最大值，发电机停止工作。动力电池可工作于同时充电和放电的状态。
[0028]本系统中的能量双向传输0(:/0(:变换器300为沟通变频器母线与动力电池的桥梁，就动力电池而言，该组件控制动力电池对变频器母线的放电和变频器母线对动力电池的充电，以使得动力系统工作于动力电池的安全供放电的范围内，就变频器母线而言，该组件要快速的响应母线电压的变化，以提供或者吸收变频器的母线电能，以使变频器工作在正常供电状态。
[0029]本系统中的高功率高电压动力电池充电控制器100包含两个环节，交流转化为直流，直流转化为直流。发电机发电为交流三相38(^50?电压，经过整流转化为5407直流电。因为该电压与动力电池直接连接会造成冲击电流，严重的会造成短路，毁坏电池，为此，本实例还在中间加基于电压控制技术的电流控制转换器，以保证动力电池的可靠充电和运行。
[0030]本方案中的大功率能量双向传输0(:/0(:变换器的采用非隔离性变换器设计方案。因为1X14电路和13000电路都只能使能量单向流动，因此本方案中吸收了两种电路的优点，采用全新的000(:拓扑结构，即可实现能量的高压到低压侧，亦可实现能量的低压到高压侧，其拓扑结构见图2。
[0031]由图可知，本方案中的大功率能量双向传输0(:/0(:变换器300主要包括电容301、两开关管(1(^1)3023035电感304以及电容305，其中开关管302、303串接，并通过电容301连接到连接变频器母线(冊3+,冊3-)，电感304与电容305构成IX滤波电路，串接的开关管302、303通过该IX滤波电路连接至动力电池(841+, 8^1-)。
[0032]基于该结构的大功率能量双向传输0(:/0(:变换器300，当电机处于发电状态时，能量由变频器母线(冊向电池(8八1+,8八1-)流动，即给电池充电。充电示意图如图3所不，1681的下桥始终处于关断状态，该电路具有的优点。通过控制开关管的占空比，即可以控制控制器母线到电池的充电电流。占空比越高，充电电流越大，母线电压经斩波后，在经过IX滤波，消除高次成分，完成高压到低压的转换。
[0033]当电机处于电动状态时，电池中能量需向直流母线供电，给母线补充能量，同时，电池放电，以备电池再次储能。此时，放电回路拓扑结构如图4所示，1681上桥始终处于关断状态。该电路具有13000电路的优点。开关管开通时，电池向电感充电，电感中电流增大，开关管关断时，电感中能量向控制器母线转移，电流开始衰减。通过这种方法完成能量由电池的低压侧向控制器母线高压侧的传输。
[0034]由此，本方案中的双向000(:变换器能够完成电机发电状态下能量的吸收，此状态下，控制器母线会产生泵升电压，泵升电压的多少与电机当前发电能量的多少息息相关，当能量多时，泵升电压亦高，当能量低时，泵升电压亦低，当没有能量时，泵升电压为零。因此本双向000(:变换器可根据泵升电压的大小来控制电池充电电流的大小，实现电压由母线高压侧到电池低压侧的变换。当电池向变频器提供电能时，因为电池电压低于母线电压，因此双向000(:控制器要把低压侧的电池电压升压，控制电流流向高压侧，实现电池低压侧电压向母线高压侧电压变换。因此在本系统的设计中，采用了控制器母线电压闭环为外环，以电池的充电电流闭环为内环的双闭环结构，作为双向000(:变换器的充电控制结构。
[0035]由于大容量电池组具有电压高，充电电流大，所串联和并联的电池单体多达上百个甚至上千个，因此对充电控制器的要求极高。动力电池的寿命最主要受到电池内单体的一致性影响，其次即为充电控制器的充电性能。常用的小功率电池，因为串联单体较少，一致性容易保持，且充电电流较小，因此大多采用恒压限流法，即普通的电压源，直接连接到电池正负极间，因为存在压差，冲击电流不可避免，当电流过大时，电源会切断输出，充电电流是不可控的，但这种方法控制简单，成本低廉，可以满足电池充电需求，由于存在冲击电流，长期使用，影响电池使用寿命。在本动力系统中，动力电池容量较大，价格高昂，充电控制器电流较大，因此无论从动力电池的使用寿命角度还是从充电控制器的安全可靠角度考虑，都不允许存在冲击电流反复充电的情况。
[0036]为此，本方案中的高功率高电压动力电池充电控制器100主要由电池监理单元101和充电控制回路单元102配合组成。
[0037]电池监理单元101用于对动力电池的基本状态的检测。参见图5，其所示为本方案中电池监理单元的原理图，该电池监理单元101主要包括微处理器10匕、电池容量检测电路1016两部分。
[0038]其中的电池容量检测电路1016直接连接动力电池，而微处理器1013控制连接电池容量检测电路101匕
[0039]通过电池容量检测电路1016可以完成对电池模块的监控，但无法深入到电池模块内部对每个电池单体进行监测。针对这个不足，本方案在在控制器中增加了总线协议接口，该接口目的是连接动力电池专用的电池管理单元，以充电控制器对电池的监测范围。由此，微处理器10匕还通过0^总线连接动力电池200上的电池管理单元201。
[0040]动力电池充电控制器100中的充电控制回路单元102，用于连接动力电池和发电机，完成能量传递。本方案中的动力电池充电控制器100采用冊(?电路拓扑结构，该结构具有效率高，技术成熟，安全可靠等特点。其结构如图6所示，其主要由不可控整流桥1023，滤波电容1026，开关管1020，二极管102山电抗器1026依次连接组成。
[0041]基于该充电控制回路，发电机发出的电为三相3807交流电，经过通过该充电控制回路单元102的整流和滤波后，转化为约5407的直流电，该电压和负载电流皆是不可控制，为了提高充电机的性能，增加一极直流转直流的变换器，该变换器通过开关管有规律的开通和关段来控制充电电流的大小，电抗器起到平滑充电电流的作用。
[0042]基于上述方案形成的港口轮胎吊电池动力系统，其以电池作为港机的主要电源的供电系统。该动力系统检测变频器母线电压，当电机工作于电动状态时，母线电压产生跌落，动力系统控制电池向变频器母线提供能量，当电机处于发电状态时，母线电压开始泵升，动力系统回收这部分能量，存入电池中，达到能量回收再利用的目的。当电池电压处于亏电状态时，由发电机发电，动力系统控制电池的充电。该发电机相较于传统发电机组，能耗仅为其约三分之一。同时由动力系统向辅助用电提供交流电源。
[0043]本动力系统的主要性能指标如下
[0044]1、输出待机电压:5607(即母线电压
[0045]2、平均输出电流及功率:40012241(1(即母线电流)。
[0046]3、输出峰值电流及功率:60013361(1(即母线电流)。
[0047]4、辅助供电额定电压及功率:38(^,30.八。
[0048]5、整机效率:? =90 %。
[0049]6、动力电池:4507，250八!I。
[0050]7、辅助供电逆变单元501(^，线电压3807，50！！2。
[0051]8、本动力系统具有容错机制，内部部分单元产生故障，设备可继续运行。
[0052]9、具有过压欠压故障，过流故障，短路故障，过热故障等保护功能。
[0053]10、具有尺3485通讯，符合100冊3协议。
[0054]以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种港口轮胎吊电池动力系统，其特征在于，所述动力系统包括若干组电池动力模块，所述若干组电池动力模块并列运行在变频器母线和发电机之间，每组电池动力模块包括动力电池、能量双向传输DC/DC变换器、动力电池充电控制器，所述动力电池通过能量双向传输DC/DC变换器连接变频器母线，并通过动力电池充电控制器连接发电机。
2.根据权利要求1所述的一种港口轮胎吊电池动力系统，其特征在于，所述动力电池为锂离子电池。
3.根据权利要求1所述的一种港口轮胎吊电池动力系统，其特征在于，所述动力系统中包括至少五组电池动力模块。
4.根据权利要求1所述的一种港口轮胎吊电池动力系统，其特征在于，所述能量双向传输DC/DC变换器由第一电容、两开关管以及LC滤波电路组成，所述两开关管串接，通过第一电容连接变频器母线，并通过LC滤波电路连接动力电池。
5.根据权利要求1所述的一种港口轮胎吊电池动力系统，其特征在于，所述动力电池充电控制器包括电池监理单元和充电控制回路单元，所述电池监理单元控制连接动力电池，所述充电控制回路单元连接动力电池和发电机。
6.根据权利要求5所述的一种港口轮胎吊电池动力系统，其特征在于，所述电池监理单元包括微处理器以及电池容量检测电路，所述电池容量检测电路连接动力电池，所述微处理器控制连接电池容量检测电路，并通过CAN总线连接动力电池上的电池管理单元。
7.根据权利要求5所述的一种港口轮胎吊电池动力系统，其特征在于，所述充电控制回路单元由不可控整流桥、滤波电容、开关管、二极管、电抗器依次连接组成。
【文档编号】H02J7/14GK204243818SQ201420692819
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】孔令臣, 黄再先, 罗志坚 申请人:上海一电集团有限公司