CN109037800A - 一种基于plc的实验室用动力蓄电池组参数转换控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于实验室多能源一体化微网中储能应用技术领域，为基于PLC的实验室用动力蓄电池组参数转换控制器。包括约束条件设置模块，数据库输入模块，PLC控制模块，PLC控制模块根据输入的市场实际运行的电动汽车车型，查询动力蓄电池参数表，得出电压、容量参数，结合单元电池组的串并联规则进行运算，并根据约束条件设置模块设置的电压、电流、容量、温度极限阀值进行校验，得出电压容量转换模块中转换继电器的分层组合开断控制信号；通过功率放大模块对PLC控制模块的控制信号进行放大隔离处理；通过电压容量转换模块将功率放大模块处理后的信号控制多组电动汽车动力蓄电池组实现电压、容量的多档位控制。
Description
技术领域
本发明属于实验室多能源一体化微网中储能应用技术领域，用于满足多能源微网中电动汽车动力蓄电池组的模拟和电压、容量参数的转换的基于PLC的实验室用动力蓄电池组参数转换控制器。
背景技术
能源危机，环境污染问题的日益严峻，以可再生能源为主要能源的新型能源结构体系的构建以成为当今社会发展的必然趋势。能源互联网等新形势下提出的新概念指明未来的能源***将会是多种能源形式高度耦合，多种设备紧密联系的联合***。作为能源互联网的重要组成部分，新能源动力汽车的研究不断收到广泛的重视，另一方面，随着能源互联网及一体化微电网领域研究的不断深入，其关键技术诸如储能技术、多目标控制技术等已逐渐成熟，为新能源汽车的发展和应用提供了技术上的支持，目前已有多所高校建立包含新能源汽车的多能源微电网实验室。
相较于实际生产运行，实验室研究更侧重于研究电动汽车的接入对多能源微网***的影响，需要对多种类型动力电池进行广泛的研究。当今市场上不同型号汽车的动力蓄电池组，其电压、容量等参数各异且差异较大(如比亚迪96V20kWh、特斯拉400V 70kWh)，如分别定制将进一步占用宝贵的科研资源。另一方面，实验室用动力蓄电池组，相比于常规的充放电行为而言充放电次数低且需多次进行参数整定重复利用。因此，需要开发一种能够在满足实验室需求，模拟多种型号的电动汽车动力电池组，进而提高科研资源的利用率。
目前，电池参数整定技术可分为两类，一类为基于电池管理***(BMS)的蓄电池组控制技术，另一类是通过构建组合开关控制多个蓄电池组的启停。
其中，第一类技术由于其较高的准确性与鲁棒性而受到了广泛的应用，美国的三大汽车公司也组建了先进的电池联盟(USABC)，致力于最快速的、最先进的研究电动能源***。在欧洲，德国和丹麦等国家也推出了优秀的产品。在亚洲，日本的电装和名古屋大学进行合作，推出的电池管理***在丰田以及本田车上得到应用。通用汽车公司的推出的EVI电池管理***适用于小型汽车和混合动力汽车，其中主要的四个模块包含管理***软件模块、电池组模块、电池组热管理模块和电池组高压断电保护模块。可以提供的动能有电压、电流、温度采集信息，剩余电量估计，过放报警和上位机显示等。该方法能够对于电池荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)进行实时监测，进而对蓄电池组进行准确地控制，但是由于其属于固定容量控制，以此无法对多种型号蓄电池组进行模拟。
第二类技术大多采用开关电容、旁路电阻、变换电路等单一方式直接对动力电池组中单体电池进行均衡控制，这些方式虽具有结构简单、成本低廉等优点，但由于动力电池组是由大量单体电池经过串、并联方式组合而成，其内部电气特性极其复杂，导致均衡过程具有时变性、非线性及不确定性等特点，因此上述方法存在着明显的缺陷，即不能对动力电池组进行精确的均衡控制，也不能进行均衡算法的进一步优化。此外，由于组合开关控制多属于手动控制模式具有一定的滞后时间，对于电池容量的计算较为复杂难以对蓄电池组进行精确地控制，而且电池参数变化有限难以满足对多种蓄电池组进行模拟的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于PLC的实验室用动力蓄电池组参数转换控制器，
本发明是这样实现的，一种基于PLC的实验室用动力蓄电池组参数转换控制器，该控制器包括：约束条件设置模块、数据库输入模块、PLC控制模块、功率放大模块以及电压容量转换模块；其中：
约束条件设置模块，用于设置电压、电流、容量、温度极限阀值；
数据库输入模块，用于输入市场实际运行的电动汽车动力蓄电池组参数表及车型数据；
PLC控制模块，根据输入的市场实际运行的电动汽车车型，查询动力蓄电池参数表，得出电压、容量参数，结合单元电池组的串并联规则进行运算，并根据约束条件设置模块设置的电压、电流、容量、温度极限阀值进行校验，得出电压容量转换模块中转换继电器的分层组合开断控制信号；
功率放大模块，对PLC控制模块的控制信号进行放大隔离处理；
电压容量转换模块，将功率放大模块处理后的信号控制多组电动汽车动力蓄电池组实现电压、容量的多档位控制。
进一步地，所述控制器包括初始化模块对PLC控制模块进行初始化处理。
进一步地，还包括有测量模块用于采集电压容量转换模块的参数，并反馈至PLC控制模块。
进一步地，所述PLC控制模块运行运算处理的过程包括；
初始化；
根据数据库输入模块输入的数据建立数据库表单；
检查是否有输入车型；
若有输入车型查数据库表单确定该车型的电压、容量参数；
查是否有约束条件；
如有约束条件，按照设置的约束条件，如没有约束条件按照默认的约束条件；确定约束条件后，根据电压、容量参数，结合单元电池组的串并联规则进行运算，根据约束条件值进行校验，得出转换继电器的分层组合开断控制信号，确定分层继电器组合控制方案，并给出分层继电器逻辑控制表；
输入I/O控制信号，对继电器进行逻辑控制；
检测电压容量转换模块的电压、电流，进行反馈，检查是否达到标准；
若达到标准，则进行逻辑互锁；
打开输出端子。
进一步地，运算过程中出现超过约束条件值设置的极限阀值的数值，作为无效计算。
进一步地，所述电压容量转换模块包括，采用四层逻辑控制层控制9个单元电池组的输出端子，其中第一层控制层为单元电池组基础输出端子，两个输出端子连接一个单元电池组，所述第二层控制层包括四个转换继电器，每个转换继电器形成四个输出端子，两两一组分别与连接一个单元电池组的输出基础输出端子连接；所述第三层控制层包括两个转换继电器，每个转换继电器形成四个输出端子分别与第二层控制层的转换继电器的输入端连接；所述第四层控制层包括一个转换继电器，形成四个输出端子与所述第三层控制层的转换继电器的输入端连接。
进一步地，所述转换继电器包括一个常闭触点和两个常开触点。
进一步地，还包括有继电保护模块，继电保护模块设置在每层转换继电器器的常开常闭触点两侧，防止因蓄电池放电不彻底的情况下，误操作带电切换功率继电器开断状态引起电弧，进而损坏继电器。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明采用PLC控制模块根据用户输入的车型，得出电压、容量标准，运算得出分层继电器的组合控制方案，并输出I/O控制信号，并进行逻辑互锁，输出端子选择，最总完成动力蓄电池组电压、容量的转换控制。实现了电压、容量的可靠灵活切换。
附图说明
图1为本发明实施例提供的控制器原理框图；
图2为本发明实施例提供的电压容量转换控制策略的流程图；
图3为本发明实施例提供的电压容量转换模块分层控制电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1所示，一种基于PLC的实验室用动力蓄电池组参数转换控制器，该控制器分为包括人机交互界面、控制核心、电压容量转换硬件电路以及电池组，人机交互界面包括数据库输出模块用于输入市场实际运行的电动汽车动力蓄电池组参数表及车型数据；约束条件设置模块，用于设置电压、电流、容量、温度极限阀值；以及初始化模块；控制核心为PLC控制模块，根据输入的市场实际运行的电动汽车车型，查询动力蓄电池参数表，得出电压、容量参数，结合单元电池组的串并联规则进行运算，并根据约束条件设置模块设置的电压、电流、容量、温度极限阀值进行校验，得出电压容量转换模块中转换继电器的分层组合开断控制信号；运算主要是根据数据输入模块的原始数据进行计算，用约束条件进行校验，即运算过程中不能出现超过极限阀值的数值，否则作为无效计算。
电压容量转换硬件电路包括功率放大模块，对PLC控制模块的控制信号进行放大隔离处理；电压容量转换模块，将功率放大模块处理后的信号控制多组电动汽车动力蓄电池组实现电压、容量的多档位控制。继电保护模块，继电保护模块设置在每层功率继电器的常开常闭触点两侧，防止因蓄电池放电不彻底的情况下，误操作带电切换功率继电器开断状态引起电弧，进而损坏继电器，测量模块与用于采集电压容量转换模块的参数，并反馈至PLC控制模块。电池组包括多组分别与电压容量转换模块连接通过电压容量转换模块控制是否接入电能。
参见图2所示，电压容量转换模块采用四层逻辑控制层控制9个单元电池组的输出端子，其中第一层控制层为单元电池组基础输出端子，两个输出端子连接一个单元电池组，所述第二层控制层包括四个转换继电器，每个转换继电器形成四个输出端子，两两一组分别与连接一个单元电池组的输出基础输出端子连接；所述第三层控制层包括两个转换继电器，每个转换继电器形成四个输出端子分别与第二层控制层的转换继电器的输入端连接；所述第四层控制层包括一个转换继电器，形成四个输出端子与所述第三层控制层的转换继电器的输入端连接。所有转换继电器均包括有一个常闭触点和两个常开触点。
具体地，第四层控制层的转换继电器表示为第7转换继电器JD，第7转换继电器JD包括一个第7常闭触点I71，第7常开触点II72和第7常开触点III73，第7常闭触点I71与第7常开触点III73的一端连接形成端子D22-1，第7常闭触点I71的另一端与第7常开触点II72的一端连接形成端子D22-2，第7常开触点II72的另一端连接输出端D31；第7常开触点III73的另一端连接输出端D22；第三层控制器中，包括第5转换继电器JD1234和第6转换继电器JD5678其中第5转换继电器JD1234的第5常开触点III53的一端连接端子D22-1，第5常开触点II52与第5常闭触点I51的连接端形成端子D12-2，第5常闭触点I51与第5常开触点III53的连接端形成端子D12-1，第5常开触点II52的另一端形成端子D11，同理，第6转换继电器JD5678的第6常开触点II62与端子D22-2连接，第6转换继电器JD5678的第6常开触点I61以及第6常开触点III63连接结构与第5转换继电器的连接结构为镜像关系，此处不再展开。
第二层控制层包括第1转换继电器JA12、第2转换继电器JA34，第3转换继电器JA56、第1转换继电器JA78，由于第3转换继电器JA56、第1转换继电器JA78与第1转换继电器JA12、第2转换继电器JA34为对称关系，此处只对第1转换继电器JA12、第2转换继电器JA34与第三层控制层和第一层控制层的关系所处说明。
第1转换继电器JA12的第1常开触点III13的一端连接端子D12-1后连接第2电池组的负极，第1常开触点II与第1常闭触点I的连接端形成端子与一组第2单元电池组I的正极输出端连接，第1常闭触点I11与第1常开触点III13的连接端形成端子与另一组第1单元电池组的正极连接，第1常开触点II12与端子D11连接后连接入第1单元电池组的正极；同样，第2转换继电器JA34的第2常开触点II22的一端连接端子D12-2后连接第3电池组的正极，第2常开触点II22的一端端子与第2常闭触点I21连接后与第4单元电池组的正极连接，第2常闭触点I21与第2常开触点III23的连接端形成端子与第3单元电池组的负极连接，第2常开触点III23与端子D22-1连接后连接入第4单元电池组的负极。
上述的结构通过控制转换继电器的三个触点的开合达到控制多个单元电池组的多个组合的输出。从而达到不同的电能的输出满足不同车型的要求。
本实施例中，还可以包括一个第0单元电池组，两个输出端不受控制转换继电器的控制。满足有部分车型电动汽车需要这个电压、容量等级的动力蓄电池。
参见图2所示，PLC控制模块运行运算处理的过程包括；
初始化；
根据数据库输入模块输入的数据建立数据库表单；
检查是否有输入车型；
若有输入车型查数据库表单确定该车型的电压、容量参数；
查是否有约束条件；
如有约束条件，按照设置的约束条件，如没有约束条件按照默认的约束条件。确定约束条件后，根据电压、容量参数，结合单元蓄电池组的串并联规则进行运算，根据约束条件值进行校验，得出功率继电器的分层组合开断控制信号，确定分层继电器组合控制方案，并给出分层继电器逻辑控制表；
输入I/O控制信号，对继电器进行逻辑控制；
检测电压容量转换模块的电压、电流，进行反馈，检查是否达到标准；
若达到标准，则进行逻辑互锁；
打开输出端子。
通过PLC控制模块的控制形成不同的继电器逻辑控制表，从而达到控制单元电池组的不同组合输出的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于PLC的实验室用动力蓄电池组参数转换控制器，其特征在于，该控制器包括：约束条件设置模块、数据库输入模块、PLC控制模块、功率放大模块以及电压容量转换模块；其中：
约束条件设置模块，用于设置电压、电流、容量、温度极限阀值；
数据库输入模块，用于输入市场实际运行的电动汽车动力蓄电池组参数表及车型数据；
PLC控制模块，根据输入的市场实际运行的电动汽车车型，查询动力蓄电池参数表，得出电压、容量参数，结合单元电池组的串并联规则进行运算，并根据约束条件设置模块设置的电压、电流、容量、温度极限阀值进行校验，得出电压容量转换模块中转换继电器的分层组合开断控制信号；
功率放大模块，对PLC控制模块的控制信号进行放大隔离处理；
电压容量转换模块，将功率放大模块处理后的信号控制多组电动汽车动力蓄电池组实现电压、容量的多档位控制。
2.照权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制器包括初始化模块对PLC控制模块进行初始化处理。
3.照权利要求1所述的控制器，其特征在于，还包括有测量模块用于采集电压容量转换模块的参数，并反馈至PLC控制模块。
4.按照权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述PLC控制模块运行运算处理的过程包括；
初始化；
根据数据库输入模块输入的数据建立数据库表单；
检查是否有输入车型；
若有输入车型查数据库表单确定该车型的电压、容量参数；
查是否有约束条件；
如有约束条件，按照设置的约束条件，如没有约束条件按照默认的约束条件；确定约束条件后，根据电压、容量参数，结合单元电池组的串并联规则进行运算，根据约束条件值进行校验，得出转换继电器的分层组合开断控制信号，确定分层继电器组合控制方案，并给出分层继电器逻辑控制表；
输入I/O控制信号，对继电器进行逻辑控制；
检测电压容量转换模块的电压、电流，进行反馈，检查是否达到标准；
若达到标准，则进行逻辑互锁；
打开输出端子。
5.按照权利要求4所述的控制器，其特征在于，运算过程中出现超过约束条件值设置的极限阀值的数值，作为无效计算。
6.按照权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述电压容量转换模块包括，采用四层逻辑控制层控制9个单元电池组的输出端子，其中第一层控制层为单元电池组基础输出端子，两个输出端子连接一个单元电池组，所述第二层控制层包括四个转换继电器，每个转换继电器形成四个输出端子，两两一组分别与连接一个单元电池组的输出基础输出端子连接；所述第三层控制层包括两个转换继电器，每个转换继电器形成四个输出端子分别与第二层控制层的转换继电器的输入端连接；所述第四层控制层包括一个转换继电器，形成四个输出端子与所述第三层控制层的转换继电器的输入端连接。
7.按照权利要求6所述的控制器，其特征在于，所述转换继电器包括一个常闭触点和两个常开触点。
8.按照权利要求6所述的控制器，其特征在于，还包括有继电保护模块，继电保护模块设置在每层转换继电器器的常开常闭触点两侧，防止因蓄电池放电不彻底的情况下，误操作带电切换功率继电器开断状态引起电弧，进而损坏继电器。
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