專利名稱：一種電網優化直流充電系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及電網技術領域，特別涉及一種電網優化直流充電系統。
背景技術：
1.電池技術近年來鋰離子電池電極材料的能量密度和循環壽命比過去有顯著改善。預計到 2015年，電芯能量密度可超過200wh/kg。室溫循環壽命在70%放電深度時可大于5000次， 在60%放電深度時可大于12000次。我們預期在最大用量的情況下(每天充電5次)，電芯的設計容量(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)，電芯的設計容量可保持33年。如果在低于設計容量(起始容量的80-40% )的情況下繼續使用電芯，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壽命在理論上已可以滿足電網應用的要求， 在實際應用中它仍然無法大量推廣。其主要原因是目前的技術水平仍然無法解決大量的電芯連接的可靠性問題，以及荷電狀態估算精度和電芯動態平衡的問題。2.電池技術在智能電網中的應用目前在歐美的智能電網技術的開發已漸成熟，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提供負荷平衡和頻率調節等服務。這一功能可使智能電網通過調整發電、用電設備功率優化負荷平衡的智能技術系統來控制中心與電網設備之間的信息交互，從而達到電網運行的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全的目標。由于近年來數字化變電站的加速建設，以及數字化控制并使用IEC61850標準的數據通訊等許多新技術，使得大型電池組和電網的整和成為可能。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配和頻率調節的服務的可行性，以及使用電池來存儲可再生能源的可能性。盡管該技術由于成本和電池管理系統技術的限制仍處于試驗階段，功能不強，電池壽命短。3.直流充電技術近來國際上對電動車的開發也已進入實用階段。隨著電動車的逐漸應用，對充電站的需求也日益頻繁。目前國內外的交流和直流充電站均采用直接從電網變電的方式獲取電能。但是，鑒于當前的電網負荷的設計能力，預計電動汽車快速充電站所需的大量能源將給現有電網結構造成重大壓力，并可能會降低電網的整體效率。所以盡管目前直流充電站所需的硬件及軟件技術已成熟，直流充電站與智能電網的整合仍是需要解決的問題。另外一個挑戰是目前直流充電器與電動車充電接口及指令通訊的標準仍未確定。預計到2012 年，該標準的制訂才可在全球范圍內完成。到目前為止，還沒有發現任何使用大型電池電源來提供直流快速充電的應用，其主要原因是由于電池管理系統的不成熟造成的成本過高。

發明內容
本發明實施例提供了一種電網優化直流充電系統和方法，利用新型電池組對電能的快速存放功能，將智能電網優化技術與電動汽車直流充電技術進行功能整合，可以實現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，還能為電網提供負荷平衡和頻率調節等服務。為達到上述目的，本發明實施例一方面提供一種電網優化直流充電系統，包括電池組矩陣，用于存儲電能，提供直流充電；雙向電力電子設備，用于配合電池控制和管理系統來控制所述電池組矩陣與電網之間的充放電；電池控制和管理系統，用于通過溫度控制、電芯平衡和充電狀態管理來確保所述電池組矩陣正常工作；電動車直流充電設備及端口，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備與電網相連。所述電池控制和管理系統管理充電站與電網間的數據及指令通訊，并操控充電站的安全系統。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。將多個所述模塊串聯形成一個電池箱，再將所述電池箱并聯成一個電池組架，所述電池組矩陣由所述多個電池組架串聯而成。所述模塊的冷卻是風冷或液體冷卻；所述液體冷是在電池箱下建冷卻循環散熱片，所述散熱片整合成為所述電池組架的一部分。每個串聯的所述電池組架是由一個在電池控制和管理系統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多個電池箱。所述電池控制和管理系統包括荷電狀態估算單元，用于將每個模塊的電壓、電流溫度作為輸入數據來估算荷電狀態；功率及荷電狀態值的設定單元，用于根據電池電源運行條件，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，當出現故障時，發出警告信號來提醒問題區域，嚴重故障的情況下，則自動切斷接觸器以便隔離電池組矩陣的故障部分。與現有技術相比，本發明實施例具有以下優點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——根據電網負荷管理策略，于低峰期向電池矩陣充電，然后在高峰期向電網回饋以實現有效的臨界負荷保護及負荷平衡。3.電網系統調節——既可利用電網優化充電系統內的雙向電力電子設備來作為提高電網效率的功率系數校正裝置，也可以根據電網或電池控制和管理系統(C)控制算法的指令來快速充放電，由此改進電網電能質量指標包括電壓偏移、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電設備如風車、太陽能板等產生的電能。5.減少發電廠儲備容量——電池中存儲的電力能源可以迅速部署回電網，從而減少發電廠儲備容量的需求，提高電廠對負荷驟變作出反應的能力。6.加載塑造——根據電網控制裝置提供動作信號，電池充電負載可以根據電網優化的需要進行動態調節。7.不間斷備用電源——當遇到局部電網斷電時，電池中存儲的電力能源可以為醫院，數據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(> 200kff)來促進電動車輛的廣泛應用，它還將使發電廠輔助發電設備得以更有效地運營。由于主發電設備運行在一個不斷優化狀態，因此減少了輔助發電設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。電池矩陣對電網負荷變化的響應時間要比當今電網的響應時間快得多。它的響應時間是以毫秒為單位，而不是傳統電廠以分鐘為單位的響應時間。通過本發明實施例，將智能電網優化技術與電動汽車直流充電技術進行功能整合，從而開創了一個電網優化充電系統的新概念，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，還為電網提供負荷平衡和頻率調節等服務


圖1為本發明實施例電網優化直流充電系統的關系結構示意圖。
具體實施例方式本發明實施例提供了一種電網優化直流充電系統，通過本發明實施例，將智能電網優化技術與電動汽車直流充電技術進行功能整合，從而開創了一個電網優化充電系統的新概念，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，還為電網提供負荷平衡和頻率調節等服務。如圖1所示，為本發明實施例電網優化直流充電系統的結構圖，包括電池組矩陣A，用于存儲電能，提供直流充電；雙向電力電子設備B，用于配合電池控制和管理系統C來控制電池組矩陣A與電網之間的充放電；電池控制和管理系統C，用于通過溫度控制、電芯平衡和充電狀態管理來確保電池組矩陣A正常工作；電動車直流充電設備及端口 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備B與電網相連。根據電網或電池控制和管理系統C控制算法的指令，雙向電力電子設備B可配合電池控制和管理系統C 來控制電池組矩陣A的充放電，以便為電網提供優化服務。存儲在電池組矩陣A中的電能還可以通過直流充電設備及端口 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，這樣的設計可提供最高的可靠性、穩定性和可維護性。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。然后將幾個模塊串聯形成一個電池箱，再將一些電池箱并聯成一個電池組架。整個電池組矩陣A則由多個電池組架串聯而成。模塊的冷卻可以是風冷或液體冷卻。液體冷卻需要在電池箱下建冷卻循環散熱片，這些散熱片將整合成為電池組架的一部分。電池組架的設計將使每個串聯的電池組架都可以由一個在電池控制和管理系統C 控制下的接觸器進行隔離，以便應付緊急情況或進行維修保養服務。每個電池組架還安裝了一個智能短路檢測設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服務——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備。雙向電力電子設備B 所用雙向電力電子設備可選用現有國際先進技術，以標準型號為基礎，針對本電池組矩陣的容量做部分修改，既可聯網。雙向電力電子設備與智能電網的數據及指令通訊亦將遵守IEC61850通信規約的規范，接受智能電網的區域信息處理中心站內值班人員和區域智能層面調度人員的操作指令，并可按指令完成不用人員干預的程序化操作，以達到優化電網的目的。電池控制和管理系統C包括荷電狀態估算單元、功率及荷電狀態值的設定單元、 電池矩陣平衡策略單元和模塊故障自動檢測單元；其中，荷電狀態估算單元可以在任何運行區間準確地預測電池矩陣的荷電狀態(誤差 <3%)0荷電狀態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據來估算荷電狀態。電池荷電狀態的控制是決定電池矩陣壽命的最關鍵因素之一，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。功率及荷電狀態值的設定單元電池矩陣所用電芯是按可承受3c充放電速度來設計的。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。電池管理系統的控制軟件會根據電池電源運行條件，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容量的80%以下。電池矩陣平衡策略單元單個電芯/模塊將采用動態平衡來延長壽命和提高利用效率。為了節約能源并減少生熱，電池將在每次電池充滿電時進行動態電芯平衡。
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，一旦發現問題，電池控制和管理系統C可以發出警告信號來提醒管理員問題區域。嚴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C將會通過溫度控制、電芯平衡，和充電狀態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間的數據及指令通訊，并操控充電站的安全系統。電動車直流充電設備及端口 D 電動車直流充電設備及端口 D采用SAE或IEC充電標準，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控制。充電準備期間兩個設備之間的通信將使用SAE或IEC充電標準規定的通信協議來確認電池容量和安全狀態。通過以上的實施方式的描述，本領域的技術人員可以清楚地了解到本發明可借助軟件加必需的通用硬件平臺的方式來實現，當然也可以通過硬件，但很多情況下前者是更佳的實施方式。基于這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分可以以軟件產品的形式體現出來，該計算機軟件產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述的方法。以上公開的僅為本發明的幾個具體實施例，但是，本發明并非局限于此，任何本領域的技術人員能思之的變化都應落入本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種電網優化直流充電系統，其特征在于，包括電池組矩陣，用于存儲電能，提供直流充電；雙向電力電子設備，用于配合電池控制和管理系統來控制所述電池組矩陣與電網之間的充放電；電池控制和管理系統，用于通過溫度控制、電芯平衡和充電狀態管理來確保所述電池組矩陣正常工作；電動車直流充電設備及端口，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.如權利要求1所述電網優化直流充電系統，其特征在于，所述電池組矩陣通過所述雙向電力電子設備與電網相連。
3.如權利要求2所述電網優化直流充電系統，其特征在于，所述電池控制和管理系統管理充電站與電網間的數據及指令通訊，并操控充電站的安全系統。
4.如權利要求2所述電網優化直流充電系統，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.如權利要求4所述電網優化直流充電系統，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。
6.如權利要求5所述電網優化直流充電系統，其特征在于，將多個所述模塊串聯形成一個電池箱，再將所述電池箱并聯成一個電池組架，所述電池組矩陣由所述多個電池組架串聯而成。
7.如權利要求6所述電網優化直流充電系統，其特征在于，所述模塊的冷卻是風冷或液體冷卻；所述液體冷是在電池箱下建冷卻循環散熱片，所述散熱片整合成為所述電池組架的一部分。
8.如權利要求7所述電網優化直流充電系統，其特征在于，每個串聯的所述電池組架是由一個在電池控制和管理系統控制下的接觸器進行隔離。
9.如權利要求8所述電網優化直流充電系統，其特征在于，每個所述電池組架安裝一個智能短路檢測設備來提供所述電池組架的安全保護。
10.如權利要求9所述電網優化直流充電系統，其特征在于，每個所述電池組架上堆疊并聯多個電池箱。
11.如權利要求1所述電網優化直流充電系統，其特征在于，所述電池控制和管理系統包括荷電狀態估算單元，用于將每個模塊的電壓、電流溫度作為輸入數據來估算荷電狀態；功率及荷電狀態值的設定單元，用于根據電池電源運行條件，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，當出現故障時， 發出警告信號來提醒問題區域，嚴重故障的情況下，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
本發明公開了一種電網優化直流充電系統，包括電池組矩陣，用于存儲電能，提供直流充電；雙向電力電子設備，用于配合電池控制和管理系統來控制所述電池組矩陣與電網之間的充放電；電池控制和管理系統，用于通過溫度控制、電芯平衡和充電狀態管理來確保所述電池組矩陣正常工作；電動車直流充電設備及端口，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。本發明實施例可以實現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，還為電網提供負荷平衡和頻率調節等服務。
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 優先權日2010年11月17日
發明者蔡毅, 蔡英, 蔡逸超 申請人:蔡毅, 蔡英, 蔡逸超