Гибридный накопитель энергии для зарядных станций электротранспорта

Полезная модель относится к области энергообеспечения, точнее к системам накопления и хранения электроэнергии для использования в электрических системах и сетях в составе зарядных станций электромобилей.
Из уровня техники известна станция зарядки электромобилей (RU 119694 U1, 27.08.2012), содержащая накопитель электроэнергии, устройство для соединения накопителя с электромобилем, устройство для учета выданной мощности. Станция зарядки электромобилей может аккумулировать энергию в форме кинетической энергии вращающихся масс маховичного накопителя энергии и использовать накопленную энергию для быстрой зарядки электротранспорта. Однако такой накопитель энергии является экономически менее эффективным, усложнен в эксплуатации и обслуживании.
Из уровня техники известна зарядная система для электрических транспортных средств (RU 2520616 С1, 27.07.2014), содержащая множество зарядных портов, каждый из которых имеет интерфейс для обмена энергией с электрическим транспортным средством, множество силовых преобразователей энергии для преобразования энергии, поступающей от источника энергии, такого как электрическая сеть, в подходящий формат для зарядки транспортного средства, переключаемую соединительную матрицу для присоединения силового преобразователя к зарядному порту, контроллер для управления силовыми преобразователями или для управления операциями переключения соединительной матрицы и силового преобразователя, средства связи для обмена параметрами с электрическим транспортным средством. Зарядная система может содержать дополнительно систему аккумулирования энергии, такую как батарейная установка, система емкостного накопления энергии, или маховик, однако изобретение не предусматривает совмещение нескольких систем накопления энергии различных типов со взаимодополняющими характеристиками, что сокращает ресурс системы накопления энергии и тем самым повышает эксплуатационную стоимость системы, снижая ее эффективность и надежность.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является станция быстрого заряда для электрических транспортных средств в районах с ограниченной доступной мощностью (US 2013/0221918 А1, 29.08.2013), где раскрыта стационарная система хранения энергии электрически соединенная с интерфейсом быстрой зарядки, медленное зарядное устройство, электрически связанное с внешним источником энергии и стационарной системой накопления энергии. Указанное медленное зарядное устройство находится в отдельном корпусе от накопителя энергии, что уменьшает надежность системы из-за возможности повреждения электрических соединений между модулями. Кроме того, снижена надежность электроснабжения за счет отсутствия возможности обеспечения местных потребителей электроэнергией.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на разработку устройства накопления энергии на базе аккумуляторов и суперконденсаторов для зарядных станций электрического транспорта, обладающей увеличенным ресурсом и надежностью работы.
Технический результат заключается в достижении безотказности гибридного накопителя энергии (далее ГНЭ) за счет охлаждения модуля АКБ и модуля СК входящими в конструкцию ГНЭ.
Технический результат достигается тем, что Гибридный накопитель энергии для зарядных станций электротранспорта, содержащий отсек аккумуляторных батарей, отсек суперконденсаторов и силовой электроники, причем вышеуказанные отсеки содержат вентиляторы охлаждения, закрепленные на корпусе, и контуры жидкостного охлаждения, закрепленные на корпусе, причем отсек аккумуляторных батарей и отсек суперконденсаторов и силовой электроники, снабженный подводами для подключения контуров жидкостного охлаждения к охлаждающим плитам, являются частями одного корпуса, причем отсек аккумуляторных батарей имеет два вентилятора охлаждения, каждый из которых закреплен на верхней стенке корпуса, так же, как и вентилятор отсека суперконденсаторов и силовой электроники.
На представленных чертежах: на фиг. 1 показан общий вид гибридного накопителя энергии. на фиг. 2 показан общий вид гибридного накопителя энергии с элементами устройства.
На фиг. 3 показана схема гибридного накопителя энергии.
1 - Модуль аккумуляторов
2 - Модуль суперконденсаторов
3 - Коммутационный блок
4 - Блок управления ГНЭ
5 - Преобразователь напряжения модуля аккумуляторов
6 - Преобразователь напряжения модуля суперконденсаторов
7 - Инвертор
8 - Блок контроля и управления зарядом аккумуляторов
9 - Охлаждающий вентилятор отсека аккумуляторных батарей
10 - Охлаждающий вентилятор отсека суперконденсаторов и силовой электроники
11 - Отсек аккумуляторных батарей
12 - Отсек суперконденсаторов и силовой электроники
13 - Линия электропередачи
14 - Локальная подстанция
15 - Трехфазная нагрузка (Оборудование АЗС)
16 - Посты зарядки электротранспорта
17 - Контур жидкостного охлаждения
18 - Охлаждающая плита
19 - Монтажные опоры
Предлагаемый гибридный накопитель энергии для станций быстрой зарядки состоит из отсека аккумуляторных батарей (11), внутри которого располагаются восемь модулей аккумуляторов (1), и два вентилятора охлаждения (9), и отсека суперконденсаторов и силовой электроники (12), включающего один коммутационный блок (3), один двунаправленный сетевой инвертор (7), один модуль суперконденсаторов (2), один преобразователь напряжения модулей аккумуляторов (5), один преобразователь напряжения модулей суперконденсаторов (6), блок управления (4), блок контроля и управления зарядом аккумуляторов (8) и один вентилятор охлаждения (10).
Вентиляторы охлаждения (9) закреплены на верхней стенке корпуса гибридного накопителя энергии.
Преобразователь напряжения (5) модулей аккумуляторов, преобразователь напряжения (6) модулей суперконденсаторов, блок управления (4) гибридным накопителем энергии, блок контроля и управления зарядом аккумуляторов (8) установлены на монтажных опорах корпуса гибридного накопителя энергии.
Полупроводниковые ключи (на чертеже не показаны) закреплены на охлаждающих плитах (18), которые подключены к контуру жидкостного охлаждения (17). Охлаждающие плиты (18) закреплены на монтажных опорах (19).
Преобразователи напряжения (5, 6) предназначены для обеспечения необходимых уровней постоянных токов и напряжений для подключения модулей аккумуляторов и модулей суперконденсаторов.
Отсек аккумуляторных батарей 11 и отсек суперконденсаторов и силовой электроники 12 соединены механически и представляют собой единую конструкцию. Каждый модуль аккумуляторов 1 включает восемнадцать ячеек литиевых аккумуляторов, электрически соединенных последовательно. На контактах каждой ячейки установлены балансировочные устройства, предназначенные для контроля и ограничения заряда ячейки. Крайние модули аккумуляторов подключены к коммутационному блоку и могут через него быть скоммутированы на вход преобразователя напряжения модуля аккумуляторов 5. Балансировочные устройства соединяются по информационному каналу с блоком контроля и управления зарядом аккумуляторов 8, имеющим информационную связь с преобразователем напряжения модуля аккумуляторов 5. Модуль суперконденсаторов 2 подключен к коммутационному блоку 3 и может через него быть скоммутирован на вход преобразователя напряжения 6. Выходы преобразователя напряжения 5 и преобразователя напряжения 6 подключены ко входу двунаправленного инвертора 7. Выход двунаправленного инвертора 7 подключен к коммутационному блоку 4 и через него может быть скоммутирован на трехфазную электрическую сеть в точке подключения к локальной подстанции 14, получающей питание от линии электропередачи 13, а также к локальной трехфазной нагрузке 15, представляющей, например, электрооборудование автозаправочной станции (АЗС). Блок управления ГНЭ 4 установлен на коммутационном блоке 3 и имеет информационную связь с коммутационным блоком 3, преобразователем напряжения модуля аккумуляторов 5, преобразователем напряжения модуля суперконденсаторов 6 и двунаправленным инвертором 7. Преобразователь напряжения 5, преобразователь напряжения 6 и двунаправленный инвертор 7 могут через коммутационный блок 3 быть подключены к постам зарядки электротранспорта 16.
Блок управления ГНЭ 4 осуществляет контроль и управление работой гибридного накопителя энергии. На блок управления ГНЭ с коммутационного блока поступают значения параметров электрической сети, параметров трехфазной нагрузки и электрических параметров питания постов зарядки электротранспорта. На основании данных о режиме работы ГНЭ блок управления ГНЭ рассчитывает и передает команды управления посредством информационной связи двунаправленному инвертору, преобразователю напряжения модуля аккумуляторов, преобразователю напряжения модуля суперконденсаторов и команды на замыкание/размыкание контакторных устройств блока коммутации. Блок управления ГНЭ осуществляет управление распределением потоков энергии между модулем аккумуляторов и модулем суперконденсаторов.
Модуль суперконденсаторов служит для компенсации быстрых изменений нагрузки. Благодаря тому, что суперконденсаторы допускают токи, многократно превышающие номинальный ток, они способны обеспечить в случае резкого сброса или наброса нагрузки оптимальную для литиевых аккумуляторов траекторию заряда и разряда, что позволяет увеличить ресурс литиевых аккумуляторов и снизить эксплуатационную стоимость гибридного накопителя энергии.
Блок контроля и управления зарядом аккумуляторов принимает информацию о состоянии заряда каждой аккумуляторной ячейки и может осуществлять управление балансировочными устройствами для коммутации аккумуляторной ячейки на нагрузочные сопротивления балансировочного устройства для снижения заряда аккумуляторной ячейки. В случае превышения максимально и минимально допустимого уровня заряда хотя бы на одной аккумуляторной ячейке блок контроля и управления зарядом аккумуляторов может передать запрещающий сигнал преобразователю напряжения модуля аккумуляторов для прекращения работы.
Преобразователь напряжения модуля аккумуляторов получает сигналы управления от блока управления ГНЭ и формирует управляющую последовательность импульсов для полупроводниковых ключей преобразователя, а также передает блоку управления ГНЭ информацию об уровне заряда аккумуляторов, напряжении, токе, температуре аккумуляторов и полупроводниковых ключей.
Преобразователь напряжения модуля суперконденсаторов получает сигналы управления от блока управления ГНЭ и формирует управляющую последовательность импульсов для полупроводниковых ключей преобразователя, а также передает блоку управления ГНЭ информацию об уровне заряда суперконденсаторов, напряжении, токе и температуре полупроводниковых ключей.
Двунаправленный инвертор получает сигналы управления от блока управления ГНЭ и формирует управляющую последовательность импульсов для полупроводниковых ключей инвертора, а также передает блоку управления ГНЭ информацию о напряжениях, токах и температуре полупроводниковых ключей.
Коммутационный блок обеспечивает подключение модулей, входящих в состав ГНЭ и коммутацию ГНЭ к сети или нагрузке и к постам зарядки электротранспорта по команде от блока управления ГНЭ.
Наибольшая часть тепловых потерь выделяется в полупроводниковых ключах двунаправленного инвертора, преобразователя напряжения аккумуляторов и преобразователя напряжения суперконденсаторов, поэтому для их эффективного охлаждения используется жидкостное охлаждение. Для этого полупроводниковые ключи закреплены на охлаждающих плитах, которые подключены к контуру жидкостного охлаждения. Охлаждающие плиты закреплены на монтажных порах. Жидкостное охлаждение позволяет отводить тепло наиболее эффективно и таким образом позволяет увеличить выходную мощность гибридного накопителя энергии и обеспечить оптимальные условия эксплуатации полупроводниковых ключей. Кроме того, при таком способе охлаждения не происходит нагрева аккумуляторных батарей и суперконденсаторов тепловыми потоками от двунаправленного инвертора, преобразователя напряжения модуля аккумуляторов и преобразователя напряжения модуля суперконденсаторов.
Вентиляторы отсека аккумуляторных батарей служат для организации принудительной циркуляции воздуха для отвода тепла из отсека аккумуляторных батарей, выделяющего при работе ГНЭ в аккумуляторных батареях, соединяющих их электрических шинах и проводах, и балансировочных устройствах, позволяя обеспечить допустимую температуру аккумуляторов и длительный срок их эксплуатации.
Вентилятор отсека суперконденсаторов и силовой электроники для организации принудительной циркуляции воздуха для отвода тепла из отсека суперконденсаторов и силовой электроники, выделяющегося при работе ГНЭ в суперконденсаторах, компонентах блока управления, блока коммутации и соединяющих их шинах и проводах, а также иных частях устройств, расположенных внутри отсека суперконденсаторов и силовой электроники, не включенных в контур жидкостного охлаждения.
Работа гибридного накопителя энергии может осуществляться в трех режимах: зарядка гибридного накопителя энергии из сети через двунаправленный инвертор, осуществление зарядки одного и более транспортных средств посредством передачи накопленной в гибридном накопителе энергии с помощью преобразователей напряжения и передачи энергии из сети с помощью двунаправленного инвертора постам зарядки электротранспорта, и режим обеспечения бесперебойного электроснабжение местных потребителей электроэнергии, при котором энергия, накопленная в гибридном накопителе энергии посредством двунаправленного инвертора передается в трехфазную нагрузку.
Кроме того, за счет конструкции гибридного накопителя энергии повышается удобство его обслуживание, ремонтопригодность, ресурс АКБ и безопасность эксплуатации.