电动汽车动力电池用于电网低电压线路调压的方法

摘要

本发明涉及一种电动汽车动力电池用于电网低电压线路调压的方法，电动汽车电池箱作为储能电池，能量转换装置一边通过充放电主回路电气控制元件与电池箱连接，另一边接交流电网，能量转换装置对电网三相交流电进行整流，将交流电转换为电池箱的充电直流电，同时根据要求将电池箱的直流电逆变为交流电并网到交流电网，用于电网低电压线路，解决大城市居民或工业小区供电线路可能出现短时段的低电压现象。将电动汽车电池箱作为能量源接入日用电网，提高闲置能源利用率，不致资源浪费。

权利要求

1.一种电动汽车动力电池用于电网低电压线路调压的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）建立电池储能系统：选用5个电动汽车标准电池箱，5个电池箱各带1个电池管理单元，整个电池组管理系统设1个触摸监控屏、4个电池状态控制器、1个电池状态主控制器、充放电主回路电气控制元件、能量转换装置，4个电池状态控制器的数据与电池状态主控制器进行交换，电池状态主控制器进行成组后电池箱的电流检测，电流检测信号送能量转换装置，能量转换装置一边通过充放电主回路电气控制元件与电池箱连接，另一边接交流电网，能量转换装置对电网三相交流电进行整流，将交流电转换为电池箱的充电直流电，同时根据要求将电池箱的直流电逆变为交流电并网到交流电网；

2）电池箱特性测试：对各个电池箱分别以不同功率放电，得到其电压-时间曲线，根据放电曲线选择放电电压为限，比较电池箱放电时间和电池容量，得出特性曲线；

3）采用隔离变压器和电器负载作为模拟实验，代替交流电网负载，分析接入负载以后A相、B相和C相的电压下降程度，将储能电池组投入运行后，A相、B相和C相的电压提升程度、补偿电流，电池组放电电流，输出功率，得出每个电池箱放电功率；

4）根据地区配电电压使用情况，选定低压上调目标值，将电池储能系统接入地区配电系统，到低压时段，按步骤3）所得储能电池组提升能力，匹配投入。

说明书

电动汽车动力电池用于电网低电压线路调压的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电力储能技术，特别涉及一种电动汽车动力电池作为储能电池用于电网低电压线路调压的方法。

背景技术

[0002] 网线路低电压现象是影响城市用电质量的主要因素之一。由于家用电器集中使用、线路设备陈旧老化、临时租借房屋超负荷用电、居民或工业小区供电半径过长等原因，致使短时段负荷增大，导致电压跌落。线路低电压问题将增大线损、降低送变电设备能力，造成空调、冰箱等电器不能正常运转，严重时还将造成电压崩溃和大面积停电。上海低电压热点地区具有季节性和时段性特点，而且随着城市人口的流动频繁，每年低电压热点地区会有变化。常规解决低电压问题的办法1）通过增加杆上变压器数量来扩大电网容量，每年短时峰值负荷仅出现数天，因此，这种办法大大增加了设备的投资、安装和运行费用；2）采用电容器对低电压线路进行无功补偿，然而，城市电网线路低电压的主要原因是由于短时段负荷增大，导致电压跌落；3）基于电压源换流器的新型无功补偿装置，其直流侧是电容，缺点是只能运行在两个象限内，即发出无功功率和吸收无功功率，而不能与系统交换大量的有功功率。如果在直流侧采用电池储能系统，就可以发送和吸收有功功率，解决短时段负荷增大引起的电压跌落问题。曼彻斯特理工大学的C. Zhan等采用Hawker能源公司的高级铅酸电池研制的动态电压恢复器可有效解决低电压问题。相比铅酸电池的能量密度小，功率密度低，充电时间长，循环寿命短，自放电率高，环境污染性，锂离子电池具有比能量高、循环寿命长、大电流放电能力强、高功率承受力、自放电率低等优点，其比能量达到了铅酸电池的3倍左右，单体电池工作电压为3.7V或3.2V，循环寿命在浅充放模式下可以达到3000～
5000次，储能效率可以达到90%以上。因此，锂离子电池储能系统适于应用于居民或工业小区要求符合占地面积较小、安全性较高的储能技术。

[0003] 随着电动汽车发展步伐的放缓，电动汽车充换电站内储备的大量换电式电动汽车标准电池（锂离子电池）成为闲置。提高闲置能源利用率，不致资源浪费是思考方向。

发明内容

[0004] 本发明是针对电动汽车充换电站内储备的大量换电式电动汽车标准电池闲置、利用率低的问题，提出了一种电动汽车动力电池用于电网低电压线路调压的方法，电动汽车电池作为储能电池，用于电网低电压线路，解决大城市居民或工业小区供电线路可能出现短时段的低电压现象。

[0005] 本发明的技术方案为：一种电动汽车动力电池用于电网低电压线路调压的方法，具体包括如下步骤：1）建立电池储能系统：选用5个电动汽车标准电池箱，5个电池箱各带1个电池管理单元，整个电池组管理系统设1个触摸监控屏、4个电池状态控制器、1个电池状态主控制器、充放电主回路电气控制元件、能量转换装置，4个电池状态控制器的数据与电池状态主控制器进行交换，电池状态主控制器进行成组后电池箱的电流检测，电流检测信号送能量转换装置，能量转换装置一边通过充放电主回路电气控制元件与电池箱连接，另一边接交流电网，能量转换装置对电网三相交流电进行整流，将交流电转换为电池箱的充电直流电，同时根据要求将电池箱的直流电逆变为交流电并网到交流电网；
2）电池箱特性测试：对各个电池箱分别以不同功率放电，得到其电压-时间曲线，根据放电曲线选择放电电压为限，比较电池箱放电时间和电池容量，得出特性曲线；
3）采用隔离变压器和电器负载作为模拟实验，代替交流电网负载，分析接入负载以后A相、B相和C相的电压下降程度，将储能电池组投入运行后，A相、B相和C相的电压提升程度、补偿电流，电池组放电电流，输出功率，得出每个电池箱放电功率；
4）根据地区配电电压使用情况，选定低压上调目标值，将电池储能系统接入地区配电系统，到低压时段，按步骤3）所得储能电池组提升能力，匹配投入。

[0006] 本发明的有益效果在于：本发明电动汽车动力电池用于电网低电压线路调压的方法，解决大城市居民或工业小区供电线路可能出现短时段的低电压现象，在低电压时段通过电池储能系统放电给供电线路，可以有效提升线路电压。采用电池储能系统是解决“低电压”问题的一种有效方法。

附图说明

[0007] 图1为本发明储能电池组管理系统拓扑图；图2为本发明中能量转换装置中三相PWM整流器的结构图；
图3为本发明中能量转换装置中三相PWM整流器的结构R相等效电路图；
图4为本发明中能量转换装置中三相PWM整流器的结构R相相量图；
图5为本发明中充放电主回路电气控制图；
图6为上海市某小区某日配变电压-时间曲线图；
图7为电池箱38A（约3kW）放电时的电压—容量曲线图；
图8为1W电池箱放电时电压--时间的曲线图；
图9为2W电池箱放电时电压--时间的曲线图；
图10为3W电池箱放电时电压--时间的曲线图；
图11为4W电池箱放电时电压--时间的曲线图；
图12为5W电池箱放电时电压--时间的曲线图。

具体实施方式

[0008] 通过实验室模拟研究换电式电动汽车标准电池的放电特性，采用由国家电网充换电站电动汽车电池和自行研制的能量转换装置（PCS）组成的储能系统，通过实验室模拟对“低电压”线路进行调压试验研究。

[0009] 1、测试电池箱特性。

[0010] A:电池储能系统各部件设置、组装。

[0011] 目前的国家电网（换电式）电动汽车标准电池（电池箱）由24只60Ah的磷酸铁锂电池串联组成，额定电压为80V，电池箱容量为4.8kWh。如图1所示储能电池组管理系统拓扑图，5个电池箱各带1个电池管理单元BMU，整个电池组管理系统设1个触摸监控屏（Monitor）、4个电池状态控制器（BSC）、1个电池状态主控制器（BSCM）、充放电主回路电气控制元件、能量转换装置（PCS）。4个电池状态控制器（BSC）和1个电池状态主控制器（BSCM）监测5个电池箱的电性能状态，同时4个电池状态控制器（BSC）的数据与电池状态主控制器（BSCM）进行交换，BSCM实现成组后电池箱的电流检测以及高压电气控制。

[0012] PCS的主要功能是对电网三相交流电进行整流，使之变成可供储能电池充电的直流电，同时还具有将直流电逆变并网到交流电网的功能，此装置采用三相桥式电压型PWM整流结构，使用可控IGBT作为整流开关，具有谐波低、功率因数高、整流电压可控等优点，具体结构见下图2所示三相PWM整流器的结构图。

[0013] 此能量转换装置（PCS）采用了电压的闭环控制和幅相控制相结合的控制方式，以单位功率因数运行且输出电压恒定。

[0014] 以下图3、4为整流器R相等效电路图和相量图, 为输入交流电源R相电压，为整流器输入端电压的基波分量，R为回路的分布电阻，L为进线电感， 为功率因数角，为整流器输入端的电压滞后角。

[0015] 此能量转换装置（PCS）采用优化的SAPWM调制波，当调制度M为1时，R、S、T端的最大线电压峰值可达直流母线电压 值。当输入电源相电压为 时，则整流器输入端相电压：
，此时，可得调制度
，在幅相控制过程中，通过调节 和 的值来调节 和 ，从而调节整
流器的输入电流相位和幅值，使其为单位功率因数。

[0016] 对储能电池而言，需要根据工作状态控制直流电压和直流电流充放电。电池状态主控制器提供电池工作情况，电池箱通过充放电主回路与能量转换装置连接，能量转换装置同时与交流电连接，通过能量转换装置的转换功能，根据需要进行电池充放电。根据以上需求充放电主回路电气控制电路采用软开关双向DC/DC变换器，拓扑结构如图5所示充放电主回路电气控制体，变压器高压侧(图5左边)为全桥结构，低压侧(图5右边)为有源箱位推挽结构，电感L1饱和电感；电感：Lr1，Lr2；电容：Cr1，Cr2，二极管Vdr1～Vdr4组成无源谐振网络，用来实现全桥电路在放电模式时开关管的ZVS控制方式，在轻载时使电路仍满足ZVS条件。为了减小低压侧功率开关管上的电压过冲和振荡，加入有源箱位电路，主管和箱位辅助管都可以工作在ZVS方式。变换器中所有的MOS管均可在反向导通时工作于同步整流方式，从而降低了通态损耗。通过合理设计开关管的驱动信号可以减小变换器中的循环能量，提高效率。该双向DC/DC变换器具有以下特点:应用同步整流技术减小了通态损耗;所有开关管工作于零电压状态;较宽的软开关范围;循环电流被抑制;有较快的动态响应。

[0017] 串联一定数量的电池箱组成储能电池组，确定额定电压和电池组容量在PCS直流侧电压范围内。

[0018] B:电池箱特性测试各个电池箱分别以不同功率放电，观察其电压-时间曲线，选择一定放电电压为限，比较电池箱放电时间和电池容量，得出规律。

[0019] 2、储能调压1）采用隔离变压器和电器负载人为将线路电压降下来。

[0020] 采用Fluke 435电能质量测试仪测量A相、B相和C相的交流电压和交流电流。测试仪三相电压钳接入系统三相电压，测试仪三相电流钳接入系统三相电流，分别测试储能系统投入之前和投入之后的交流电压和交流电流。大致经过储能系统储能----主回路电气控制充放电-----PCS整流或逆变----并网----电能质量测试仪检测线路电压过程。

[0021] 储能调压试验分为三种情况：（1）储能设备不运行、无负载时；（2）储能设备不运行、但有负载时；（3）有负载且储能设备投入时。

[0022] 2）分析得出储能调压试验前后电压和电流测试数据。

[0023] 分析接入负载以后A相、B相和C相的电压下降程度，当储能设备投入运行后，A相、B相和C相的电压提升程度、补偿电流，电池组放电电流，输出功率，得出每个电池箱放电功率。

[0024] “低电压”现象往往出现于个别地区和个别时段，图2为上海市某小区某日配变电压—时间曲线，由图2可见，在用电高峰时段B相电压出现小于210V的“低电压”现象。我们选定将低压上调至210V以上为目标。

[0025] 3、测试电池箱特性。

[0026] 国家电网（换电式）电动汽车标准电池（电池箱）由24只60Ah的磷酸铁锂电池串联组成，额定电压为80V，电池箱容量为4.8kWh。储能电池组由5个电池箱串联组成，额定电压为400V，电池组容量为24kWh。每个电池箱含1个管理器BMU，电池组管理系统设1个触摸监控屏（Monitor）、4个电池状态控制器（BSC）、1个电池状态主控制器（BSCM）以及主回路电气控制元件。BSCM实现成组后电池箱的电流检测以及高压电气控制。能量转换装置（PCS）自行研制，是一个双向逆变装置，可以实行直流储能电池组与交流电网之间双向能量传递，实现对电池组的充放电和网侧电压的控制。

[0027] PCS直流侧电压范围为324V-438V，放电功率不超过20kW。电池组由5个电池箱串联组成，要求平均每个电池箱的电压范围为64.8V-87.6V，放电功率不超过4kW。图6为选用电池箱38A（约3kW）放电时的电压—容量曲线，表明在额定放电容量60Ah区间内，电池箱电压范围为69V-80V，达到使用要求。电池的容量取决于电压下降幅度、低电压持续时间等因素。

[0028] 如图7～12为分别为1kW、2kW、3kW、4kW和5kW电池箱放电时的电压-时间曲线，如果以放电电压不小于64.8V为限，电池箱放电时间分别为290分、145分、93分、57分和42分，则不同放电功率时电池容量分别为4.8kWh、4.8kWh、4.6 kWh、3.8 kWh和3.5 kWh，即放电功率越大，可利用的电池容量越小。

[0029] 采用隔离变压器和电器负载人为将线路电压降下来，采用Fluke 435电能质量测试仪测量A相、B相和C相的交流电压和交流电流。储能调压试验分为三种情况：（1）储能设备不运行、无负载时；（2）储能设备不运行、但有负载时；（3）有负载且储能设备投入时。

[0030] 表1为储能调压试验前后电压和电流测试数据。从表1可以看出，接入负载以后A相、B相和C相的电压分别从213.9V、215.1V和214.3V下降到207.7V、208.6V和209.9V，当储能设备投入运行后，A相、B相和C相的电压分别从207.7V、208.6V和209.9V提升到213.1V、214V和213.4V，A相、B相和C相的补偿电流分别为33A、32A和31A，电池组放电电流为37.65 A，输出功率约为15kW，相当于每个电池箱放电功率为3kW。

[0031] 从结果可以看出，储能设备投入使用后，有负载运行的系统电压被有效提高，能解决低电压问题。

[0032] 表1换电式车用电池除了用作电动汽车动力以外，还可以用于配网侧小容量的电力储能，实现换电式电动汽车电池的高效利用。