基于储能的充换电系统及充换电柜的制作方法

1.本实用新型涉及电池技术领域，尤其涉及基于储能的充换电系统及其所应用的充换电柜。


背景技术：

2.近年来，电动助力车充换电柜得到了快速的发展，这种充换电设施为使用电动助力车的普通居民提供了便捷的充电和用电方式，解决居民在室内充电时电池充电的安全隐患。
3.在使用充换电设施后，居民充电不再与以往一样，需要晚上充电白天使用，而是变成了随取随用，不受时间限制。因此，用电的高峰期也就从晚上转移到白天，而白天也正好是电网负荷高峰，同时也是充换电设施用电高峰，这样将对容量有限制电网造成不同程度冲击，使得电网供电不稳定，甚至有可能造成停电事故。同时，电网在晚上时的负荷不足，白白浪费电力，并且夜晚用电峰谷时电价又是最便宜，也白白损失了一部分经济效益。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是如何平衡用电高峰和用电低谷的用电需求。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于储能的充换电系统，包括：储能单元，外连电网且内置有储能电池组；充换电单元，连接所述电网和储能单元，且内置有动力电池组；能源管理单元，连接所述储能单元和充换电单元；所述能源管理单元还连接远程控制单元，以接收远程控制指令并进行能源管理，以使所述储能单元在用电低谷时段从所述电网获取电能后给所述储能电池组充电，和/或在用电高峰时段将所述储能电池组中的电能输出到电网或所述动力电池组。
6.在本实用新型的较佳实施方式中，所述充换电系统还包括光伏发电单元；所述光伏发电单元连接所述储能单元和电网，供所述储能单元从所述光伏发电单元获取电能后给所述储能电池组充电。
7.在本实用新型的另一较佳实施方式中，所述储能单元包括：双向变流器，连接所述电网、储能电池组及能源管理单元，用于将所述电网的交流电整流至直流电后给所述储能电池组充电；多个电池从控模块，与所述储能电池组中的多个电芯一一连接，用于采集各电芯的电芯参数；电池主控模块，连接所述双向变流器、能源管理单元及各个电池从控模块。
8.在本实用新型的另一较佳实施方式中，所述电池主控模块还连接有如下任意一或多种检测设备：电流检测设备，用于检测所述储能电池组的电流；电压检测设备，用于检测所述储能电池组的电压；绝缘阻抗检测设备，用于检测所述储能电池组的绝缘阻抗；泄露电流检测设备，用于检测所述储能电池组的泄露电流。
9.在本实用新型的另一较佳实施方式中，所述充换电单元包括：电池充电模块，连接所述电网和动力电池组，用于将电网的交流电整流为适配于所述动力电池组的直流电；电
池数据采集模块，连接所述动力电池组，用于采集电池数据；电池仓门控制模块，用于驱动电池仓门的开启或关闭；充换电管理模块，连接所述电池数据采集模块、电池充电模块及电池仓门控制模块，用于接收所述电池数据并控制所述电池充电模块对动力电池组进行充电以及控制所述电池仓门控制模块开启或关闭电池仓门。
10.在本实用新型的另一较佳实施方式中，所述电池充电模块包括：ac/dc变换电路，连接所述电网，用以将电网的交流电整流为直流电；dc/dc变换电路，连接所述ac/dc变换电路，用以将整流得到的直流电变换为所述动力电池组所需的电压等级；通信接口，连接所述充换电管理模块。
11.在本实用新型的另一较佳实施方式中，所述电池数据采集模块所采集的数据至少包括充电电压数据、充电电流数据、温度数据及荷电状态数据中的任意一种或多种数据的组合。
12.在本实用新型的另一较佳实施方式中，所述光伏发电单元包括光伏电池阵列和光伏逆变器；所述光伏逆变器连接所述电网和光伏电池阵列，用于将光能转换为电能后给所述光伏电池阵列充电。
13.在本实用新型的另一较佳实施方式中，所述能源管理单元还连接如下任一种或多种模块：电力监测模块，连于所述电网，用于实时监测电网参数；温度控制模块，用于根据预设温度条件对所述储能单元中的储能电池组件进行温度控制；
14.消防模块，用于探测火灾信号、发出火灾报警及执行自动灭火；安防模块，用于存储监控图像并发出安防报警；接地模块，用于将所述充换电系统内所有设备通过接地电缆接地，并对接地情况进行实时检测。
15.为实现上述目的，本实用新型提供了一种充换电柜，包括所述基于储能的充换电系统。
16.本实用新型提供基于储能的充换电系统及其所应用的充换电柜，具有以下技术效果：
17.1、实现居民社区用电谷时的电能存储，在居民用电高峰时实现降峰填谷的效果，改善居民社区用电状况。
18.2、利用光储能补充社区的电力供应，尤其是配电容量不够，但又有很大蓄电量老旧居民区。
19.3、提供居民电动自行车电池的以换代充的服务模式，有效减少居民电动自行车不安全充电行为，为居民社区提供安全可靠便捷的电动自行车用电服务。
20.4、通过使用本实用新型的系统，可采集居民社区的用电负荷数据，供根据居民社区的用电负荷数据，优化居民社区的储能并网策略，减轻配电网压力。
21.5、通过使用本实用新型的系统，建立用户换电而非充电的服务模式，以及基于换电电能的计费方式，可以优化用户使用电动自行车的使用习惯，改善电动自行车电池的使用寿命，同时基于温控系统下的电动自行车通讯智能充电，有效降低电动自行车电池使用过程的风险，提升电动自行车电池在退役后的回收和梯次利用价值，从而也能减少对于自然资源的消耗。
22.以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
附图说明
23.图1a是本实用新型在一实施例中基于储能的充换电系统的结构示意图。
24.图1b是本实用新型在又一实施例中基于储能的充换电系统的结构示意图。
25.图2是本实用新型在一实施例中基于储能的充换电系统的电气结构示意图。
26.图3是本实用新型在一实施例中储能单元的电气结构示意图。
27.图4是本实用新型在一实施例中充换电单元的电气结构示意图。
28.图5是本实用新型在一实施例中能源管理单元的电气结构示意图。
具体实施方式
29.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
30.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
31.为了阐释的目的而描述了本实用新型的一些示例性实施例，需要理解的是，本实用新型可通过附图中没有具体示出的其他方式来实现。
32.鉴于上述背景技术中的问题，本实用新型提出了一种具有储能功能的充换电系统，此系统根据电网用电的峰谷特点，在用电低谷时段将电能储存到储能电池中，在用电高峰时段将储存的电能输出给社区微电网或用来在充换电设施提供电力，不但可以解决居民电动助力车充换电问题，而且还可以减少或改善居民社区的电力需求压力，同时利用峰谷不同时段的电价差来平衡高峰时段用电费用。
33.另外，本实用新型的充换电系统还可增设光伏储能功能，可充分利用设备户外部署占用的场地铺设光伏发电储能，并可根据居民社区微电网的用电峰谷特点，在用电低谷时段将电能储存到储能电池中，这样在用电高峰时段将储存的电能输出给社区微电网或用来在充换电设施提供电力，不但可以解决居民电动助力车充换电问题，而且还可以减少或改善居民社区的电力需求压力。
34.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
35.如图1a所示，展示了本实用新型在一实施例中基于储能的充换电系统的结构示意图。本实施例中基于储能的充换电系统至少包括储能单元11、充换电单元12和能源管理单元13。
36.其中，储能单元11外连电网且内置有储能电池组；充换电单元12连接所述电网和储能单元11，且内置有动力电池组；能源管理单元13连接所述储能单元11和充换电单元12；所述能源管理单元13还连接远程控制单元，以接收远程控制指令并进行能源管理，以使所
述储能单元11在用电低谷时段从所述电网获取电能后给所述储能电池组充电，和/或在用电高峰时段将所述储能电池组中的电能输出到电网或所述充换电单元内的动力电池组。
37.具体而言，所述储能单元11既可从电网获取电能后给储能电池组充电，也可从所述储能电池组获取电能后反向逆变到电网，也可离线(不并网到电网)单独为充换电单元12供电。通常而言，所述储能单元11在用电低谷时段从电网获取电能后给储能电池组充电；在用电高峰时段将所述储能电池组中的电能输出到电网或充换电单元12。
38.充换电单元12既可从电网直接获取电能，也可从所述储能单元11获取电能。通常而言，所述充换电单元12在用电低谷时段直接从电网获取电能后给欠电量或无电量的动力电池组进行充电；在用电高峰时段从储能单元11获取电能后给动力电池组充电；而在储能单元11的电能储备不足的情况下，充换电单元12直接从所述电网获取电能后给动力电池组充电。
39.所述能源管理单元13与所述储能单元11和充换电单元12通信连接，并与远程控制单元(未图示)通信连接，用于接收所述远程控制单元下发的远程控制指令和配置参数，并管理电能分配。
40.如图1b所示，展示了本实用新型在又一实施例中基于储能的充换电系统的结构示意图。本实施例中基于储能的充换电系统至少包括储能单元11、充换电单元12、能源管理单元13，还包括光伏发电单元14。所述光伏发电单元14连接所述储能单元11和电网，利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的技术，主要由太阳能电池组件、控制器和逆变器三大部分组成。因此，所述储能单元11可从电网或从光伏发电单元14获取电能后给储能电池组充电，也可从所述储能电池组持续获取电能后反向逆变到电网，也可离线(不并网到电网)单独为充换电单元12供电。通常而言，有日照的时段(如晴天白天)可通过光伏充电单元14给储能单元11中的储能电池组充电，无日照且用电低谷时段则从电网获取电能后给储能电池组充电；在用电高峰时段将所述储能电池组中的电能输出到电网或充换电单元12。
41.如图2所示，展示了基于储能的充换电系统在一实施例中的电气结构示意图，包括储能单元21、充换电单元22、光伏发电单元23、能源管理单元24。储能单元21、充换电单元22、光伏发电单元23均与能源管理单元24连接，所述能源管理单元24通过移动网络与远程控制单元25建立通信连接。需说明的时，所述远程控制单元25是通过移动互联网或有限网连接的远程服务器及管理系统。
42.为便于理解，基于储能的充换电系统中的各个单元，包括储能单元21、充换电单元22、光伏发电单元23及能源管理单元24，这些单元的电气结构于下文中一一详述。
43.所示光伏发电单元的电气结构附图2所示，包括光伏电池列阵和光伏逆变器；所述光伏逆变器通过ac开关连接电网；光伏逆变器和光伏电池列阵通过dc母线相连，且二者之间设有dc断路器；所述光伏逆变器通过通信接口(如can通信接口或rs485接口等)连接到能源管理单元。应理解，所述光伏逆变器(pv inverter或solor inverter)是将光伏太阳能板产生的可变直流电压转换为市电频率交流电的逆变器，用于将光电能逆变成电网和双向变流器能够接收的ac电压和频率。所述光伏电池列阵用于将光能转换为电能，光伏电池阵列面积在满足储能的前提下可根据需要和场地进行缩减和扩展。
44.如图3所示，展示的是储能单元的电气结构示意图。所述储能单元包括储能电池
组、电池主控模块、多个电池从控模块、双向变流器(pcs)及相关的保护电器和开关。所述储能电池组通过直流母线(dc母线)连接双向变流器(pcs)，两者之间还设有dc开关；所述双向变流器(pcs)通过ac开关连接电网；所述电池从控模块一一连接储能电池组中的各个电芯；所述电池主控模块连接所述双向变流器(pcs)以及各个电池从模块。各模块的具体说明如下：
45.所述储能电池组通常由n块电池单元串并联组成，可根据实际的电压和容量要求进行配置，如可配置成50kwh，100kwh，200kwh不等。
46.所述电池从控模块是指带有电池管理系统的电子装置，电池管理系统用于对蓄电池进行监控和管理，即通过对电压、电流、温度以及soc等参数采集、计算，进而控制电流的充放电过程，实现对电池的保护，提升电池的综合性能管理系统。在本实施例中，每块电池单元连接一个电池从控模块，供采集单个电芯的电压、电流、温度、soc等参数。
47.所述电池主控模块通过通信总线(如rs485或can等通信总线)与各个电池从控模块通信连接。电池主控模块可以是单片机，例如8051单片机、avr单片机、pic单片机、stm8单片机、arm单片机等。
48.双向变流器(power conversion system,pcs)通过通信接口连接到能源管理单元，对储能电池组进行充、放电的管理，具有宽电压输入范围、快速并网切换等特点，满足并网要求。双向变流器应用于并网储能和微网储能等交流耦合储能系统中，连接蓄电池和电网(或负荷)之间，是实现电能双向转换的装置，既可把蓄电池的直流电逆变成交流电，输送给电网或者交流负荷使用；也可把电网的交流电整流为直流电，给蓄电池充电；双向变流器作为微网中一个可控的储能电源，解决了大电网与分布式电源间的矛盾，使微电网既可与大电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行，提高了电力系统的安全性、稳定性、经济性。
49.所述电池主控模块还连接用于检测电池性能的多种检测装置，包括但不限于电流传感器、电压传感器、绝缘阻抗检测仪、泄漏电流测试仪等，分别用于采集储能电池组的电流数据、电压数据、绝缘阻抗数据及泄露电流数据等等。在采集到各项电池性能数据后，所述电池主控模块可结合现有的一些软件或程序做如下判断：将各项电池性能数据与对应的预设阈值做比较，根据比较结果确定储能电池组是否发生异常，一旦检测到异常情况，例如电池电压偏高或偏低、电池电流偏高或偏低、阻抗异常、出现漏电等情况，立即将异常情况上报至能源管理单元。此外，为有效防止安全事故，电池主控模块可根据发生异常的级别程度决定是否直接切断电池回路。
50.如图4所示，展示的是充换电单元的电气结构示意图。所示充换电单元包括电池充电模块、充换电管理模块、电池数据采集模块和电池仓门控制模块。所述电池充电模块连接电网和动力电池组，并连接充换电管理模块；所述充换电管理模块还连接电池数据采集模块、电池仓门控制模块、能源管理单元。
51.具体而言，所述电池充电模块包括ac/dc变换电路、dc/dc变换电路以及与所述充换电管理模块进行通讯的通讯接口。其中，ac/dc变换电路连接电网，用以将电网的交流电整流为直流电；dc/dc变换电路连接所述ac/dc变换电路，用以将直流电变换为动力电池所需的电压等级；所述通讯接口包括但不限于can通信接口或rs485接口等。
52.所述电池数据采集模块采集动力电池的电池数据包括但不限于充电电压数据、充
电电流数据、温度数据、soc数据等，并将采集到的这些数据发送给所述充换电管理模块。应理解的是，soc是state of charge的简称，即荷电状态，用于反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示，例如当soc＝0时表示电池放电完全，而当soc＝1时表示电池完全充满。
53.所述充换电管理模块连接所述电池数据采集模块、电池充电模块及电池仓门控制模块，用于接收所述电池数据并控制所述电池充电模块对动力电池组进行充电以及控制所述电池仓门控制模块开启或关闭电池仓门。具体的，充换电管理模块与电池数据采集模块通过系统总线(如can总线或rs485总线等)建立通信连接，用于收集动力电池的电池参数，以控制所述电池充电模块对所述动力电池进行充电，并对用户放入低/无电量电池和/或取出满电量电池的操作流程进行管理，并可根据充电起始时间到电量充满的时间段进行资费核验等。进一步的，还可根据用户更换电池时电池的实际电能进行计费，例如对于放入无电量电池并取出满电量电池的用户所收取的资费，应高于放入低电量电池并取出满电量电池的用户。所述电池仓门控制模块通过通信接口连接到所述充换电管理模块，用于控制电池仓门自动打开及状态检测。
54.如图5所示，展示的是能源管理单元的电气结构示意图。需说明的是，所述能源管理单元包括计算机设备，用于管理整个微电网的储能和充换电，并与远程管理单元建立通信连接。需说明的是，所述计算机设备可以是台式电脑、笔记本电脑、平板电脑、智能手机、智能手环、智能手表、智能头盔、智能电视、个人数字助理(personal digital assistant，简称pda)等个人电脑；或者也可以是服务器，所述服务器可以根据功能、负载等多种因素布置在一个或多个实体服务器上，也可以由分布的或集中的服务器集群构成。
55.如前文所述的，能源管理单元与储能单元中的双向变流器及电池主控模块相连，与充换电单元中的充换电管理模块相连，与光伏发电单元中的光伏逆变器相连。除此之外，能源管理单元还连接有电力监测模块、温度控制模块、消防模块、安防模块和接地模块中的任意一种或多种的组合。各模块的说明如下：
56.所述电力监测模块可采用功能电力仪表，其接于电网中，用于实时监测电网参数，包括但不限于如电压参数、电流参数、频率参数、功率因数参数、系统消耗电能参数、系统发电电能参数等。
57.所述温度控制模块可采用温控器，如突跳式温控器、液涨式温控器、压力式温控器或者电子式温控器等，用于根据预设温度条件对储能单元中的储能电池组进行降温或加热操作，以确保所述储能电池组在合适的温度条件下工作。
58.所述消防模块包括火灾探测器、火灾报警器和自动灭火器，火灾探测器用于探测火灾信号，火灾报警器用于在探测到火灾信号时发出火灾报警信号，自动灭火器用于自动灭火。
59.所述安防模块包括摄像头、存储器和报警器，摄像头用于拍摄充电区域的状况，存储器用于存储摄像信息，报警器用于在出现安防问题时及时发出报警信号。
60.所述接地模块是指以碳素材料为主体的接地体，由导电性、稳定性较好的非金属矿物质组成，用于将系统内所有设备通过接地电缆接地，并实时对接地情况进行检测，达到防止触电和保护设备安全的作用。
61.综上所述，本实用新型提供基于储能的充换电系统，实现居民社区用电谷时的电
能存储，在居民用电高峰时实现降峰填谷的效果，改善居民社区用电状况；利用光储能补充社区的电力供应，尤其是配电容量不够，但又有很大蓄电量老旧居民区；提供居民电动自行车电池的以换代充的服务模式，有效减少居民电动自行车不安全充电行为，为居民社区提供安全可靠便捷的电动自行车用电服务；通过使用本实用新型的系统，可采集居民社区的用电负荷数据，供根据居民社区的用电负荷数据，优化居民社区的储能并网策略，减轻配电网压力；通过使用本实用新型的系统，建立用户换电而非充电的服务模式，以及基于换电电能的计费方式，可以优化用户使用电动自行车的使用习惯，改善电动自行车电池的使用寿命，同时基于温控系统下的电动自行车通讯智能充电，有效降低电动自行车电池使用过程的风险，提升电动自行车电池在退役后的回收和梯次利用价值，从而也能减少对于自然资源的消耗。
62.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。