基于电动汽车蓄电阵列和氢燃料电池的供电系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于电动汽车蓄电阵列和氢燃料电池耦合的应急供电系统及方法，属于建筑应急供电领域，尤其是人防工程供电领域。
背景技术
人防工程是为保障战时人员与物资掩蔽、人民防空指挥和医疗救护而单独修建的地下防护建筑，以及结合地面建筑修建的战时可用于防空的地下室。人防工程是防备敌人突然袭击，有效地掩蔽人员和物资，保存战争潜力的重要设施；是坚持城镇战斗，长期支持反侵略战争直至胜利的工程保障。
随着家用汽车的普及，新建的居住、办公和商业建筑大多建有地下车库，平时用于停车，战时作为供人员和物资掩蔽的人防工程，即地下车库一般都兼作人防工程。比如，住宅小区一般均设有地下车库兼人防工程，小区内的居民平时停放私家车的地下车库在战时作为居民家庭成员掩蔽的人防空间。
人防工程内设有排风机、滤毒风机、洗消水泵、照明和疏散指示等多种用电设备和设施，人防供电应保证人防设备和设施的正常运行。如果人防设备和设施遭遇电力中断，会造成如下不利后果：人防工程战时一级用电负荷断电时，将危及人员生命安全，严重影响通信系统和警报系统的正常工作，造成人员秩序严重混乱或恐慌，影响人员生存环境，并严重影响医疗救护工程、防空专业工程、人员掩蔽工程和配套工程的正常工作。
因此，根据相关规范，为防止战时外部电源被破坏而造成供电中断，人防工程战时一级用电负荷应至少由两个独立电源供电，其中一个独立电源是人防工程内部的电源，并且应以内部电源为主。人防工程战时二级用电负荷除引接地面建筑的电力系统电源外，还应引接区域电源，当引接区域电源有困难时，应在人防工程内设置自备电源。
目前，人防工程中一般采用柴油发电机、UPS或EPS动力电池组作为备用电源。但柴油发电机组供电存在以下问题：能效较低，储油量有限，持续运行时间短，且在战时外部电源被破坏时，人防工程供电如仅依赖柴油发电机单个电源，具有较高的断电风险。此外，我国石油对外依存度高，一旦发生战争，军事和民用石油供应会非常紧张，向大量人防工程足量供给优质柴油难度非常大，油罐耗尽后再及时加注难度大，导致柴发供油系统可靠性降低。UPS或EPS动力电池组供电存在以下问题：UPS或EPS动力电池组造价高，蓄电量少；为战时一级、二级用电负荷供电专设的EPS、UPS自备电源设备平时一般不安装，仅留有接线和安装位置，在战时为大量人防工程安装EPS、UPS自备电源设备时间需求长，且易发生供货不足或供货周期长的情况。
鉴于此，有必要开发一种能满足人防工程战时一、二级用电负荷供电需求的供电系统。
发明内容
本发明目的是提供一种基于电动汽车蓄电阵列和氢燃料电池耦合的应急供电系统及方法，以平时停放在地下车库的电动汽车的动力电池为单元组成电动汽车蓄电阵列，以此为基础，结合柴油发电机等其他电源，构成一主多备的应急供电系统，以提高人防工程的供电可靠性。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种基于电动汽车蓄电阵列和氢燃料电池耦合的应急供电系统，包括分布式电动汽车蓄电阵列和氢燃料电池两路电源；其中，所述分布式电动汽车蓄电阵列经由第一逆变器连接至双电源切换装置的输入端，所述氢燃料电池经由第二逆变器连接至所述双电源切换装置的输入端，所述双电源切换装置的输出端连接至多路人防设备配电箱。
进一步地，所述分布式电动汽车蓄电阵列包括置于多辆电动汽车内的多组动力电池，各组所述动力电池通过充受电插座及充电兼受电桩连接至充受电桥架，所述充受电桥架分别连接至电动汽车充电配电柜和所述第一逆变器。
进一步地，所述电动汽车充电配电柜通过远控隔离开关连接至所述充受电桥架；所述双电源切换装置的输入端和输出端之间连接有人防电源监控装置。
进一步地，所述人防电源监控装置分别通过远控隔离开关连接至所述两路电源中的各路；各路所述人防设备配电箱分别通过远控隔离开关连接至所述双电源切换装置的输出端。
进一步地，在所述氢燃料电池的安放室内设有氢气监测器和应急防爆排风机II，当氢燃料电池室内挥发的氢气浓度超过预设的安全范围时，氢气监测器发出报警信号，并连锁启动应急防爆排风机II，将室内气体排出至人防电力用通风竖井内，进而排出室外。
进一步地，所述氢燃料电池连接至液氢储罐，所述液氢储罐内设有液氢余量监测器，所述液氢余量监测器电连接至所述人防电源监控装置。
进一步地，在人防工程内设有温湿度监测器、氧气监测器、有毒有害气体监测器和CO2监测器，当温湿度不符合预设值、氧气浓度低于预设值、有毒有害气体高于预设值和CO2高于预设值时，发出报警信号；人防电源监控装置接收到报警信号后，对人防工程进行强制通风、供暖或降温，直至温湿度监测器、氧气监测器、有毒有害气体监测器和CO2监测器监测到的相应参数回到预设的正常水平。
进一步地，各组所述动力电池的正上方分别设有辐射温度传感器，用于监测动力电池充电时的温度，当该温度超限时自动切断所述动力电池与所述充电兼受电桩的电气连接并发出警报。
第二方面，本发明提供一种基于电动汽车蓄电阵列和氢燃料电池耦合的应急供电方法，采用分布式电动汽车蓄电阵列和氢燃料电池两路电源为人防工程用电设备供电；所述两路电源互为备用，当其中一路电源故障时，自动切换至另一路电源。
进一步地，适于按以下工况运行：
(1)分布式电动汽车蓄电阵列循环供电工况：使用分布式电动汽车蓄电阵列及双电源切换装置为人防供电线路、人防设备供电；
(2)分布式电动汽车蓄电阵列和氢燃料电池联合高效供电工况：先使用剩余电量不低于50％的分布式电动汽车蓄电阵列及五电源切换装置为人防供电线路、人防设备供电；分布式电动汽车蓄电阵列的电量消耗达到50％时，停止分布式电动汽车蓄电阵列供电，启动氢燃料电池为人防设备供电；当人防设备用电功率低于氢燃料电池供电功率时，使用氢燃料电池为分布式电动汽车蓄电阵列中的电动车动力电池充电；当人防设备负荷大于等于氢燃料电池供电功率时或电动车动力电池充满时，充电结束，使用氢燃料电池和分布式电动汽车蓄电阵列为人防设备联合供电；当分布式电动汽车蓄电阵列电量消耗殆尽时，使用氢燃料电池单独供电，此时仅有占用电负荷50％的人防设备正常运行，选择人防通风设备运行，维持最低的照明需求，其他照明或设备停机；循环往复直至当液氢储罐中的液氢消耗到只剩总液氢储量的20％以下且分布式电动汽车蓄电阵列蓄存的电能剩余20％时，停止运行工况(2)；
(3)氢气泄露应急供电工况：当燃料电池室内的氢燃料电池发生氢气泄露时，易燃易爆氢气监测器监测到氢气泄露，发出报警信号，此时氢燃料电池立即停机，开启分布式电动汽车蓄电阵列供电，开启应急防爆排风机II并启动人防应急照明，应急防爆排风机II向室外排出氢气并在应急照明指示下引导人员疏散；待易燃易爆氢气监测器的参数达标后，停止运行工况(3)；
(4)生存环境改善应急供电工况：当人防工程中温湿度不达标、氧气浓度低于预设值或者有毒有害气体监测器超标或者CO2超标时，温湿度监测器、氧气监测器、有毒有害气体监测器及CO2检测器相应发出报警信号；人防电源监控装置接收到报警信号后，对两路电源进行切换控制，按工况(1)—工况(2)的优先级顺序，选择在报警发生时可行的供电工况为人防通风设备供电。
通过上述技术方案，以平时停放在地下车库的电动汽车的动力电池为单元组成分布式电动汽车蓄电阵列，以此为基础，结合氢燃料电池，构成一主一备的多源战时人防工程供电系统，可以大幅提高战时人防工程的供电可靠性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的电气原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的实施方案进行详细说明，以便本领域的技术人员能够实施本发明。
如图1所示，本发明的基于电动汽车蓄电阵列和氢燃料电池耦合的应急供电系统的一个实施例，包括分布式电动汽车蓄电阵列和氢燃料电池两路电源；其中，所述分布式电动汽车蓄电阵列经由第一逆变器连接至双电源切换装置的输入端，所述氢燃料电池经由第二逆变器连接至所述双电源切换装置的输入端，所述双电源切换装置的输出端连接至多路人防设备配电箱。双电源切换装置可以手动或自动在两路电源之间进行切换。
城市建设到哪里，人防工程建设就跟进到哪里。城市重要防护区在哪里，人防工程就优先建到哪里。2012年至2017年这5年，人防战线按照这一思路，快速增加防护工程数量，全国新增工程面积3.5亿平方米，北京、上海、长沙、厦门等87个重点城市的人防工程面积人均超过1平方米，我国人防工程保有量已非常大。
人防工程平时一般是地下车库，里面设有若干停车位。随着电动汽车保有量的不断增长，地下车库中的电动汽车越来越多，理想情况下，每个停车位上均停有电动汽车，且每个停车位都配备有电动汽车充电兼受电桩。战时情况下，为躲避空袭危险，小区居民都集中至兼作人防工程的地下车库中掩蔽，电动汽车一般都闲置在地下车库内。战时，作为市政供电系统的低压配电室人防电源进线容易遭到破坏，必须给人防工程用电设备提供可靠的备用电源，以保证人防工程用电设备的正常运行，使人防工程内掩蔽的人员和物资得到安全保障。将分散在多辆电动汽车内的动力电池在电气上连接起来，形成分布式电动汽车蓄电阵列，具有非常可观的供电容量，可在低压配电室人防电源进线断电时，通过双电源切换装置将供电电源切换至分布式电动汽车蓄电阵列。由于分布式电动汽车蓄电阵列输出的是直流电，需通过第一逆变器将直流电逆变成交流电给人防工程用电设备供电。可实时监测分布式电动汽车蓄电阵列的剩余电量，当其剩余电量低于设定值时，可通过双电源切换装置将供电电源切换至氢燃料电池。其中，氢燃料电池输出的也是直流电，需通过第二逆变器将直流电逆变成交流电给人防工程用电设备供电。两路电源互为备用，极大提高了应急供电的可靠性和持久性。
在本发明的一个实施例中，所述分布式电动汽车蓄电阵列包括置于多辆电动汽车内的多组动力电池，各组所述动力电池通过充受电插座及充电兼受电桩连接至充受电桥架，所述充受电桥架分别连接至电动汽车充电配电柜和所述第一逆变器。
具体地，每辆电动汽车的动力电池对应一个停车位上的充电兼受电桩，各组动力电池通过充受电插座连接至充电兼受电桩，通过充电兼受电桩连接到充受电桥架上。充受电桥架相当于电源母线，一方面，在为动力电池充电时作为供电母线，将来自电动汽车充电配电柜的市政电源输送至充电兼受电桩给电池充电；另一方面，在市政电源断电时充当供电母线，经由第一逆变器将动力电池中存储的电能供给人防工程用电设备。这样，在原有动力电池充电受电设备的基础上，仅需增加逆变器即可实现以分布式电动汽车蓄电阵列为人防工程用电设备供电，线路改造简单，不会破坏原有线路，平战结合，成本低廉。
在本发明的一个实施例中，所述电动汽车充电配电柜通过远控隔离开关连接至所述充受电桥架。这样，在战时市政电源无法正常工作时，可通过远控隔离开关断开电动汽车平时充电用的充电配电柜与充受电桥架的电气连接，从而断开与分布式电动汽车蓄电阵列内的动力电池的电气连接，防止市政电源恢复供电时出现动力电池既充电又供电的情况，提高供电的安全性和稳定性。
在本发明的一个实施例中，所述双电源切换装置的输入端和输出端之间连接有人防电源监控装置。
如图1所示，人防电源监控装置有两路进线一路出线，分别对应连接至双电源切换装置输入端的两路电源和双电源切换装置输出端的人防供电线路。人防电源监控装置可对双电源切换装置进行自动切换，并可对双电源切换装置的断路、短路、过压、欠压、缺相、错相以及过流(过载)等故障信息进行报警和记录。
需要说明的是，双电源切换装置及人防电源监控装置均可采用现有技术，此处对其的工作原理不再作详细说明。
在本发明的一个实施例中，所述人防电源监控装置分别通过远控隔离开关连接至所述两路电源中的各路，各路所述人防设备配电箱分别通过远控隔离开关连接至所述双电源切换装置的输出端。这样，可在人防电源监控装置的控制下远程控制远控隔离开关的启闭，以远程切换各路电源，为有限电力的综合远程调度提供方便。远控隔离开关的远程控制可采用现有技术，此处对其的工作原理不再作详细说明。
在本发明的一个实施例中，所述氢燃料电池连接至液氢储罐，所述液氢储罐内设有液氢余量监测器，所述液氢余量监测器电连接至所述人防电源监控装置。液氢储罐属于危险源，必须远离人员密集的人防工程内部空间，具体外部安放地点应满足安全距离的要求。液氢余量监测器将实时检测数据传送至人防电源监控装置，当液氢余量低于设定值时，通过双电源切换装置切断氢燃料电池供电，并切换至其他供电电源，保证氢燃料电池的安全运行。氢燃料电池单位功率造价较高，其发电量按人防工程用电设备高峰用电量的50％配置。
在本发明的一个实施例中，各组所述动力电池的正上方分别设有辐射温度传感器，用于监测动力电池充电时的温度，当该温度超限时自动切断所述动力电池与所述充电兼受电桩的电气连接并发出警报。充电时动力电池表面温度异常升高将会导致火灾，通过温度监控，可及时切断发生温度异常升高的动力电池的充电回路，不影响其他各组动力动力的正常充电，既杜绝了安全隐患，又能保证分布式电动汽车蓄电阵列正常补充电能，有利于该路电源的安全稳定运行。
在本发明的一个实施例中，在氢燃料电池的安放室内设有氢气监测器和应急防爆排风机II，当氢燃料电池室内挥发的氢气浓度超过安全范围时，氢气监测器发出报警信号，并连锁启动应急防爆排风机II，将室内气体排出至人防电力用通风竖井内，进而排出室外。
在本发明的一个实施例中，在人力发电机的安放室内设有氧气监测器和CO2监测器，可监测人力发电机室内的氧气和CO2浓度，当人力发电机室内的氧气过低或CO2浓度超高时，氧气监测器或CO2监测器发出报警信号，提醒人员撤离休息并进行通风。此时通过双电源切换装置停止人力发电机供电，切换至其他电源供电，并确保影响生存的人防工程用电设备，如通风设备的正常供电。
在本发明的一个实施例中，在人防工程内设有温湿度监测器、氧气监测器、有毒有害气体监测器和CO2监测器，当发生温湿度不达标、氧气浓度过低、有毒有害气体超标和CO2超标等环境恶化而不适宜人类生存时，发出报警信号。人防电源监控装置接收到报警信号后，对人防工程进行强制通风、供暖或降温，直至温湿度监测器、氧气监测器、有毒有害气体监测器和CO2监测器监测到的相应参数回到正常水平。
本发明的基于电动汽车蓄电阵列和氢燃料电池耦合的应急供电系统的上述实施例的具体运行工况可根据实际情况进行灵活调整，以能保证人防工程关键用电设备，如一级用电负荷的持续有效安全供电为原则。下面列举一些主要运行工况，以便进一步对本发明上述实施例的技术方案进行更具体的说明。
准备工况：
当战争警报发出时，人防工程进行战时准备。此时，电动汽车迅速回到停车位，并将充电兼受电桩通过充受电插座与电动汽车内设有电动车动力电池连接。人防设施运维人员为液氢储罐加注满液氢。
运行工况1：分布式电动汽车蓄电阵列循环供电
此工况下部分市政电源被摧毁或受到影响无法供电，导致市政电源处于间歇供电状态。在市政电源停止供电的间歇，使用分布式电动汽车蓄电阵列及双电源切换装置为人防供电线路、人防设备供电。当市政电力恢复供电时，将分布式电动汽车蓄电阵列中的电动车动力电池充满以备下一次使用。在为电动车动力电池充电时，应优先采用低谷电时段，在节约电费同时从国家电网角度提升发电设施发电效率。
运行工况2：分布式电动汽车蓄电阵列和氢燃料电池联合高效供电工况
此工况下市政电源被完全摧毁，导致市政电源完全无法供电。此时先使用剩余电量不低于50％的分布式电动汽车蓄电阵列及双电源切换装置为人防供电线路、人防设备供电，氢燃料电池不工作。当分布式电动汽车蓄电阵列的电量消耗达到50％时，停止分布式电动汽车蓄电阵列供电，启动氢燃料电池为人防设备供电。由于氢燃料电池单位功率造价较高，其发电量相较人防设备高峰用电量有50％不足，因此，同时开启分布式电动汽车蓄电阵列与氢燃料电池联合为人防设备供电。在这个过程中，由于人防设备(灯光、水泵、风机等)均为间歇运行，在夜间当照明和水泵等设备基本关闭、人防设备用电功率低于氢燃料电池供电功率时，使用氢燃料电池为分布式电动汽车蓄电阵列中的电动车动力电池充电。人防设备负荷大于等于氢燃料电池供电功率时或电动车动力电池充满时，充电结束，使用氢燃料电池和分布式电动汽车蓄电阵列为人防设备联合供电。当分布式电动汽车蓄电阵列电量消耗殆尽时，氢燃料电池单独供电，此时仅有占用电负荷50％的人防设备正常运行，应选择人防通风机等影响人员生存的关键设备运行，维持最低的照明需求，其他照明或设备停机。此时，为了应对突发的应急排风需求情况，需留存20％液氢和20％分布式电动汽车蓄电阵列的电量。
运行工况3：氢气泄露应急供电工况
当燃料电池室内的氢燃料电池发生氢气泄露时，易燃易爆氢气监测器监测到氢气泄露，发出报警信号，此时氢燃料电池立即停机，运行工况1，开启应急防爆排风机II并启动现有技术人防应急照明(其他用电设备仅保留影响生存的人防设备和最低限度日常照明继续运行或开启)，应急防爆排风机II向室外排出氢气并在应急照明指示下引导人员疏散。待易燃易爆氢气监测器的参数达标后，停止运行工况3。
运行工况4：生存环境改善应急供电工况
当人防工程中温湿度不适宜、氧气浓度过低或者有毒有害气体监测器超标或者CO2超标时，温湿度监测器、氧气监测器、有毒有害气体监测器、CO2检测器可相应发出报警信号。人防电源监控装置接收报警信号后，可对双电源进行切换控制，按工况1—工况2的优先级顺序，选择在报警发生时可行的供电工况为人防通风设备供电。
本发明具有以下有益效果：
1.设有两种电源供电，显著提高了供电的可靠性，当一路电源出现问题时，仍可正常供电，避免人防设备、设施断电造成严重损失。
2.设有两种电源供电，在人防工程内部设有2种内部电源，在战时不易被破坏，显著提高了供电系统的生存能力。
3.氢燃料电池分别可与分布式电动汽车蓄电阵列联合工作，氢燃料电池工作时多余的电量储存在分布式电动汽车蓄电阵列中，保持氢燃料电池在高效工作输出功率区间运行，能源利用效率高，节能环保。
4.利用民用电动汽车的电动车动力电池组成分布式电动汽车蓄电阵列，不需要增加投资，投入使用快，电池数量多，供电量大，分布式布置，个别动力电池或充电兼受电桩发生故障时不会影响整体供电。并且电动车动力电池、电动汽车、充电兼受电桩都实现了平战结合，节约了资金和资源，并且战时不必消耗时间安装EPS、UPS自备电源设备，也不易发生供货不足或供货周期长导致无法安装的情况。
5.采用分布式电动汽车蓄电阵列、氢燃料电池的方式，形成多能互补系统，显著提高人防工程用电设备的自持时间，进而提高人防工程中人员的生存能力和时间。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明书限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容改动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
