电拖起动储能系统的制作方法

[0001]
本发明涉及动力电源技术领域，尤其涉及电拖起动储能系统。


背景技术：

[0002]
超级电容器储能：用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量，与利用化学反应的蓄电池不同，超级电容器的充放电过程始终是物理过程，充点时间短，使用寿命长，温度特性好，节约能源和绿色环保。缺点：能量密度低，自放电率高。
[0003]
铅酸电池储能：是一种电极由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池，循环寿命在1000次左右，效率在80％～90％，性价比高。缺点：a)深度、快速大功率放电时，可用容量下降；b)能量密度低，寿命短；c)体积较大。
[0004]
锂离子电池醋能：是一类有锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解液质溶液的电池，效率可达95％以上，循环寿命可达5000次或更多，能量密度高。缺点：a)价格昂贵；b)过程导致发热、燃烧等安全问题，电池对环境温度要求高。


技术实现要素：

[0005]
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了电拖起动储能系统。
[0006]
本发明提出的电拖起动储能系统，包括电池柜，所述电池柜装配有七个电池箱和一个高压保护箱，所述电池箱由20个超级电容电池单体并联后48组串联组成，所述高压保护箱由熔断器、接触器、电流传感器、bms控制单元电气件组成，所述电池箱连接有电池采集单元，电池采集单元通过can通信连接有电池管理单元，所述电池管理单元连接有高压保护单元，所述高压保护单元连接有直流负载充电设备，所述电池柜中设置有自检模块，电池柜中设置有电池管理控制逻辑模块，所述电池管理控制逻辑模块报警有负极控制单元、预充继电器控制单元、充电控制单元、放电控制单元、声光报警控制单元和风扇控制单元，所述电池柜的顶部两端均通过螺栓固定安装一个声光报警灯。
[0007]
优选的，所述电池管理单元通过can总线从各个bmu单元读取每节电池的电压、电池箱体的温度、硬件报警信号，同时采集储能系统充放电总电流、总电压，通过can通信接口进行数据交换、实现bms数据的监控、分析和处理，并根据电池组的运行状况，进行储能系统的报警和充放控制。
[0008]
优选的，所述电池采集单元主要是采集每节电池的电压、电池箱体的温度、产生硬件报警信号，同时通过can通信将其采集到的所有信息上报给上级系统。
[0009]
优选的，所述自检模块的工作流程：上电，bcmu发送自检命令，各簇进行内部自检，检查自检是否通过，自检未通过则报警，故障定位及排除，自检通过，则bcmu发送簇输出指令，各簇依次上电，系统正常运行，然后判断是否有故障，没有故障系统正常运行，有故障则切断回路并报警。
[0010]
优选的，所述bms控制单元采用rs485通讯接口同外部设备进行通信，采用can通讯接口接口同后台监控进行通信，提供储能系统状态、报警信息、环境监测信息。
[0011]
优选的，所述负极控制单元：在系统启动bms后，系统自检正常，开启负极继电器，当系统故障时，先断开负极继电器工作，所述预充继电器控制单元：系统每次启动运行正常开启负极继电器后，先开启预充电回路，控制输入输出冲击电流保护主回路安全，所述充电控制单元：每次关机启动系统时，先开启预充回路，预充完毕后，开启充电继电器，可进行充电工作，直至充满电后断开继电器；在放电至充电恢复设定值后，再开启充电继电器，可进行充电工作，直至充满电后断开继电器，依次循环；当充电继电器故障，bms检测判断继电器通或断状态。
[0012]
优选的，所述放电控制单元：每次关机启动系统时，先开启预充回路，预充完毕后，开启放电继电器，可进行放电工作，直至过放保护后断开继电器；在充电至放电恢复设定值后，再开启放电继电器，可进行放电工作，直至过放保护后断开继电器，依次循环；当放电继电器故障，bms检测判断继电器通或断状态。
[0013]
优选的，所述声光报警控制单元：在系统正常运行状态下，声光报警器继电器控制为断开，当系统故障后声光报警器继电器闭合声光报警器报警，所述风扇控制：高压保护箱和电池箱温度高于65℃时，开启风扇散热，低于25℃时关闭风扇。
[0014]
本发明中，所述电拖起动储能系统，系统每充满一次电后可提供瞬间20c大电流进行充放电,工作时间≥55s，按负载每次启动时间5s计算，可启动55
÷
5＝11次之多；传统电池充放电倍率有限，至体积较大，本储能系统选用特种电芯，充放电倍率可达20c,和传统系统相等功率工作状态，设计的体积≤传统系统的五分之一；特种电池标准充放电循环寿命超过50000次，按每天工作8小时，每小时一次充放电循环计算，约可用17年；适应工况范围广，兼顾后续启动系统容量的扩容；相比传统系统，从体积，材料数量等降低了产品的放置空间，采购等成本；
[0015]
本发明满足发动机起动、制动回馈或做设备辅助电源的大功率的充放电，满足超宽环境温度的充放电工况，系统的体积轻量化。
附图说明
[0016]
图1为本发明提出的电拖起动储能系统的工作原理图；
[0017]
图2为本发明提出的电拖起动储能系统的系统控制流程图；
[0018]
图3为本发明提出的电拖起动储能系统的储能系统结构布局示意图；
[0019]
图4为本发明提出的电拖起动储能系统的电池柜结构示意图。
具体实施方式
[0020]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0021]
参照图1-4，电拖起动储能系统，包括电池柜，所述电池柜装配有七个电池箱和一个高压保护箱，所述电池箱由20个超级电容电池单体并联后48组串联组成，所述高压保护箱由熔断器、接触器、电流传感器、bms控制单元电气件组成，所述电池箱连接有电池采集单元，电池采集单元通过can通信连接有电池管理单元，所述电池管理单元连接有高压保护单元，所述高压保护单元连接有直流负载充电设备，所述电池柜中设置有自检模块，电池柜中设置有电池管理控制逻辑模块，所述电池管理控制逻辑模块报警有负极控制单元、预充继
电器控制单元、充电控制单元、放电控制单元、声光报警控制单元和风扇控制单元，所述电池柜的顶部两端均通过螺栓固定安装一个声光报警灯。
[0022]
本发明中，所述电池管理单元通过can总线从各个bmu单元读取每节电池的电压、电池箱体的温度、硬件报警信号，同时采集储能系统充放电总电流、总电压，通过can通信接口进行数据交换、实现bms数据的监控、分析和处理，并根据电池组的运行状况，进行储能系统的报警和充放控制。
[0023]
本发明中，所述电池采集单元主要是采集每节电池的电压、电池箱体的温度、产生硬件报警信号，同时通过can通信将其采集到的所有信息上报给上级系统。
[0024]
本发明中，所述自检模块的工作流程：上电，bcmu发送自检命令，各簇进行内部自检，检查自检是否通过，自检未通过则报警，故障定位及排除，自检通过，则bcmu发送簇输出指令，各簇依次上电，系统正常运行，然后判断是否有故障，没有故障系统正常运行，有故障则切断回路并报警。
[0025]
本发明中，所述bms控制单元采用rs485通讯接口同外部设备进行通信，采用can通讯接口接口同后台监控进行通信，提供储能系统状态、报警信息、环境监测信息。
[0026]
本发明中，所述负极控制单元：在系统启动bms后，系统自检正常，开启负极继电器，当系统故障时，先断开负极继电器工作，所述预充继电器控制单元：系统每次启动运行正常开启负极继电器后，先开启预充电回路，控制输入输出冲击电流保护主回路安全，所述充电控制单元：每次关机启动系统时，先开启预充回路，预充完毕后，开启充电继电器，可进行充电工作，直至充满电后断开继电器；在放电至充电恢复设定值后，再开启充电继电器，可进行充电工作，直至充满电后断开继电器，依次循环；当充电继电器故障，bms检测判断继电器通或断状态。
[0027]
本发明中，所述放电控制单元：每次关机启动系统时，先开启预充回路，预充完毕后，开启放电继电器，可进行放电工作，直至过放保护后断开继电器；在充电至放电恢复设定值后，再开启放电继电器，可进行放电工作，直至过放保护后断开继电器，依次循环；当放电继电器故障，bms检测判断继电器通或断状态。
[0028]
本发明中，所述声光报警控制单元：在系统正常运行状态下，声光报警器继电器控制为断开，当系统故障后声光报警器继电器闭合声光报警器报警，所述风扇控制：高压保护箱和电池箱温度高于65℃时，开启风扇散热，低于25℃时关闭风扇。
[0029]
本发明：电池管理单元(bcu)是整个储能系统的核心单元，它主要是通过can总线从各个bmu单元读取每节电池的电压、电池箱体的温度、硬件报警信号，同时采集储能系统充放电总电流、总电压，通过can通信接口进行数据交换、实现bms数据的监控、分析和处理，并根据电池组的运行状况(如平均电压、单节最高电压、单节最低电压、最高温度和最低温度等)，进行储能系统的报警和充放控制；电池采集单元(bmu)主要是采集每节电池的电压、电池箱体的温度、产生硬件报警信号，同时通过can通信将其采集到的所有信息上报给上级系统；由于储能系统工作电压高，电流大，系统开始上电后必须进行内部自检，自检通过后方可依次有序上电，以保证系统稳定运行及人生安全，具体流程：上电，bcmu发送自检命令，各簇进行内部自检，检查自检是否通过，自检未通过则报警，故障定位及排除，自检通过，则bcmu发送簇输出指令，各簇依次上电，系统正常运行，然后判断是否有故障，没有故障系统正常运行，有故障则切断回路并报警；
[0030]
储能系统内部自身设备采用双重供电模式，一种为交流供电模式，输入ac220v交流；另一种为直流独立供电模式，为储能系统环境支持设备和通讯监控设备提供可靠的电力保障。正常情况下储能系统电源供应取自外部的交流电源，当外部电源供应发生故障时，自动切换至直流独立供电模式，从储能系统获取供电电源；储能系统提供电压为537.6vdc～907.2vdc的直流电源输入输出接口，电池管理系统bms采用rs485通讯接口同外部设备进行通信，采用can通讯接口接口同后台监控进行通信，提供储能系统状态、报警信息、环境监测信息；高压及监控通信电缆的进出线方式均为下进下出。rs485与can使用线缆为标准的带屏蔽层的双绞线。
[0031]
放电功率：按照储能系统允许最大工作倍率(20c)放电，在最低放电工作电压537.6vdc(单电芯放电截止电压1.6vdc*336串)时,系统最大放电功率为：
[0032]
537.6vdc
×
26ah
×
20c＝279.552kw
[0033]
在最高放电工作电压823.2vdc(单体电芯充电设置电压2.45vdc*336串)时,计算系统最大放电功率为：823.2vdc
×
26ah
×
20c＝428.064kw
[0034]
储能系统最高放电电压为823.2vdc，最低工作电压为537.6vdc，有效储能量为：
[0035]
(823.2vdc-537.6vdc)
×
26ah≈7.4256kwh。
[0036]
放电时间：20c加速放电最大功率428.064kw工作时间＝7.4256kw
÷
428.064kw
×
3600s≈55s。
[0037]
20c加速放电最小功率279.552kw工作时间＝7.4256kw
÷
279.552kw
×
3600s≈95s。
[0038]
充电功率：储能系统充电额定充电电压823.2vdc(单体电芯充电设置电压2.45vdc*336串)，容量26hh,以20c倍率充电时，最大脉冲充电功率：823.2vdc
×
26ah
×
20c＝428.064kw。
[0039]
充电时间：20c快速充电最大功率428.064kw工作时间＝7.4256kw
÷
428.064kw
×
3600s≈55s。
[0040]
制动回馈电流：储能系统最高制动回馈电压907.2.2vdc(单体电芯充电设置截止电压2.7vdc*336串)，容量26hh,以20c倍率放电时，最大制动回馈功率：823.2vdc
×
26ah
÷
907.2≈23.6a。
[0041]
储能系统额定容量为26ah,以最高放电工作电压823.2vdc(单体电芯充电设置电压2.45vdc*336串)，20c倍率放电计算制动回馈吸收能量：23.6a
×
20c≤26a
×
20c；
[0042]
储能系统散热计算：储能系统按照336s20p串并联组合，电容电池单体内阻11mω，储能系统(336s20p)内阻为184.8mω，储能系统最大功率持续工作时间55s，储能系统发热量计算如下：q1＝i2rt＝(428064kw
÷
823.2)2
×
0.1848ω
×
55s＝2748345.6(焦耳)；
[0043]
电池单体体积是π*9*9*65≈16540mm3，电池箱所有超级电容电池体积：16532*6720＝111095040mm3≈0.1111m3，储能系统柜外部体积(48串20并7组串联)：1.2
×
0.8
×
0.2
×
7＝1.344m3，根据储能系统柜内部串并联组合，内部储能系统超级电容电池体积排列按照1m3来计算；
[0044]
设储能系统初始温度为25度，工作完成后温度为70度，则温度升高了45度，那么1立方米(m3)储能系统柜共吸收了45000000卡的热量(参考1立方米水由25度升温到100度需要吸收75000000卡的热量计算方法)。
[0045]
1卡＝4.18焦耳，1焦耳＝1瓦/秒。
[0046]
则45000000
×
4.18焦耳＝188100000焦耳(共吸收热量188100000焦耳)；188100000焦耳
÷
428064瓦(最大输出功率:336
×
2.45vdc
×
26ah)≈439(秒)，即7.3分。这样428064瓦的储能系统柜1立方米(m3)从25度升温到70度需要7分钟时间；
[0047]
如按照系统工作55s来计算，能系统柜发热温度如下：
[0048]
428064w
×
55s＝23543520焦耳，23543520
÷
4.18＝5632421卡热量，远远小于45000000卡的热量(温升45度)，换算温度基本温升1.17％。且储能系统柜设置温度监控和散热系统，确保整个工作时间内温度可控；
[0049]
储能系统柜架内部环境温湿度对设备正常运行有重要影响。因此在储能系统柜的两头位置，分别安装一个温湿度报警器，实时监测储能系统柜架内的温度和湿度值，当温湿度超过设定的最高报警值时，且时间超过10分钟，则启动报警器。并向后台监控传送过温及湿度过高报警信息。
[0050]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。