CN102214945B - 一种基于蓄电池并联的直流电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于蓄电池并联的直流电源系统，包括交流配电单元，交流配电单元连接多个变换器，每个变换器上均连接有蓄电池；多个变换器经系统直流母线连接到直流配电单元，直流配电单元输出端连接负载；还包括检测交流配电单元的运行状况、并根据运行状况控制变换器、以及向上位机报告所述运行状况的监控单元；变换器将交流配电单元输出的交流电变为高压直流电，并在交流配电单元正常运行时，给蓄电池充电、经直流配电单元给负载供电，或者在交流配电单元异常时，利用蓄电池存储的能量给负载供电。本发明利用高频变换器技术将单体低压蓄电池转换为所需直流电压输出，系统中所有蓄电池互相隔离，从而实现蓄电池的无限制并联扩大系统容量。

Description

一种基于蓄电池并联的直流电源系统

技术领域

本发明涉及电池技术领域，更具体地说，涉及一种基于蓄电池并联的直流电源系统。

背景技术

由于蓄电池固有特性和现有技术的限制，单节蓄电池的输出电压都较低，而且每个蓄电池都存在特性的微小差异，如果将蓄电池直接并联使用，即使极小的参数差异也会对蓄电池带来致命的影响，因此不能将蓄电池直接并联使用来增加蓄电池的容量。

在需要高压大容量蓄电池作为储能单元或后备电源时，现在的办法是将低压大容量的蓄电池多个串联起来使用，但蓄电池串联使用不仅不能无限的扩大容量，且带来如下一系列无法克服的问题：

1、蓄电池组充电和放电时容易出现单节电池过充或过放的问题，而且在某节蓄电池出现过充和过放情况后，其性能会急剧劣化，寿命和容量很快下降，而蓄电池组中最差的电池的寿命和容量决定了整个电池组的寿命和容量，因此串联使用的蓄电池组寿命往往远低于蓄电池设计寿命；

2、串联使用时蓄电池组中任何一个电池或连接线故障即导致整个蓄电池组故障，系统可靠性很低；

3、为保证蓄电池系统的可靠性，需要大量人工定期检测，一旦发现问题往往需要整组更换蓄电池，维护难度和工作量很大，维护成本很高；

4、在系统备份时，需要同等容量和数量的系统进行备份，备份成本很高，且体积、占地面积大；

5、由于蓄电池使用寿命远低于设计寿命，会形成更多的废旧蓄电池，而废旧蓄电池的处理会带来严重的环境问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于蓄电池并联的直流电源系统，以解决蓄电池不能直接并联使用，以及在串联使用时单体电池和电池间连接线容易损坏、蓄电池系统可靠性和使用寿命降低、维护难度大、成本高、系统浪费严重、环境污染严重的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

构造一种基于蓄电池并联的直流电源系统，其中，包括交流配电单元，所述交流配电单元的输出端连接到多个变换器的输入端，每个所述变换器上均连接有蓄电池；多个所述变换器经系统直流母线连接到直流配电单元，所述直流配电单元输出端用于连接负载；

所述直流电源系统还包括用于检测所述交流配电单元的运行状况、并根据所述运行状况控制所述变换器、以及向上位机报告所述运行状况的监控单元；

所述变换器，用于将所述交流配电单元输出的交流电变为高压直流电，并在所述交流配电单元正常运行时，将所述高压直流电转换为需要的低压直流电后给所述蓄电池充电、以及经所述直流配电单元给所述负载供电，或者在所述交流配电单元异常时，利用所述蓄电池存储的能量经所述直流配电单元给所述负载供电。

本发明所述的直流电源系统，其中，所述变换器包括升压电路、控制电路、第一直流变换电路和第二直流变换电路，所述升压电路输入端连接所述交流配电单元，所述升压电路输出端连接所述第一直流变换电路和所述第二直流变换电路的输入端，所述第一直流变换电路的输出端连接所述蓄电池，所述第二直流变换电路的输出端连接所述系统直流母线，所述控制电路连接所述监控单元、升压电路、第一直流变换电路和第二直流变换电路；其中，

所述升压电路，用于将所述交流配电单元输出的交流电变为高压直流电；

所述第一直流变换电路，由一个或多个DC/DC变换器组成，用于在所述交流配电单元正常时、将所述升压电路输出的高压直流电转换为低压直流给所述蓄电池充电，或者在所述交流配电单元异常时、将所述蓄电池存储的电能转化为高压直流电输出至所述第二直流变换电路；

所述第二直流变换电路，用于在所述交流配电单元正常时、将所述升压电路输出的高压直流电转换为需要的电压经所述直流配电单元给所述负载供电，或在所述交流配电单元异常时、将所述第一直流变换电路输出的高压直流电转换为需要的电压经所述直流配电单元给所述负载供电；

所述控制电路，用于根据自身检测到的变换器输入输出状态和所述监控单元发送的交流配电单元运行状况控制所述升压电路、第一直流变换电路和第二直流变换电路工作。

本发明所述的直流电源系统，其中，所述升压电路包括串联连接的去干扰电路、整流电路和功率因素校正电路，所述去干扰电路输入端连接所述交流配电单元的输出端，所述功率因素校正电路的输出端连接所述第一直流变换电路和所述第二直流变换电路。

本发明所述的直流电源系统，其中，所述监控单元包括交流信号检测子单元，用于监测所述交流配电单元运行状况，并将监测结果发送到所述变换器的控制电路和上位机。

本发明所述的直流电源系统，其中，所述监控单元还包括连接所述直流配电单元的负载状态检测子单元、负载管理子单元；

所述负载检测子单元，用于检测连接所述直流配电单元的负载运行状况；

所述负载管理子单元，用于接收所述负载运行状况，并在有运行异常的负载时，向所述直流配电单元发送指令，以切断运行异常的负载；或者在被切断的负载恢复正常时，将恢复正常的负载重新接入所述直流配电单元。

本发明所述的直流电源系统，其中，所述监控单元还包括电压参数设置子单元，用于获取外部输入信息设置所述第一直流变换电路所转换得到的低压直流的电压值、电流值、充放电时间，以及设置所述第二直流变换电路转换得到的用于给所述负载供电的电压值。

本发明所述的直流电源系统，其中，所述交流配电单元包括至少两路交流输入端，还包括连接所述监控单元、用于在其中一个交流输入端出现故障时切换至另一路交流输入端的切换电路。

本发明所述的直流电源系统，其中，所述监控单元还包括上位机通信子单元，用于读取各变换器工作状态、蓄电池工作状态，并将所述变换器工作状态、蓄电池工作状态信息上报到上位机。

本发明的直流电源系统利用变换器将单体低压蓄电池转换为高压输出，系统中所有蓄电池互相隔离，变换器可对单节蓄电池进行精确充放电管理和实时在线检测，完全避免蓄电池串联使用时因蓄电池间的参数差异引起的过充、过放等情况对蓄电池寿命的损害，使蓄电池实际使用寿命相对串联使用时大大提高，节约系统投资和维护成本。

且本发明中每个变换器蓄电池组互为备份，系统备份数量远多于传统串联使用方式，单一变换器蓄电池组出现故障时不会对系统产生很严重的影响，系统可靠性较传统系统大为提高；蓄电池只需进行N+1备份，而传统串联使用需要同等数量蓄电池进行备份，蓄电池的数量、体积、成本等都将大大下降。蓄电池使用寿命的增加和使用数量的减少，使蓄电池对环境的污染大大降低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明较佳实施例的基于蓄电池并联的直流电源系统框图；

图2是本发明较佳实施例的变换器原理框图；

图3是本发明较佳实施例的监控单元与直流配电单元、交流配电单元连接原理图。

具体实施方式

本发明较佳实施例的基于蓄电池并联的直流电源系统原理如图1所示，包括交流配电单元10、多个变换器30和直流配电单元20，每个变换器30上均连接有蓄电池40。附图1中，多个变换器30分别用序号标识，即“变换器1”、“变换器2”……“变换器N”，同样多个蓄电池40也用序号来标识，即“蓄电池1”、“蓄电池2”……“蓄电池N”。交流配电单元10的输出端连接到每个变换器30的输入端。每个变换器30的输出端经系统直流母线连接到直流配电单元20的输入端，直流配电单元20输出端可连接多个负载。该直流电源系统还包括监控单元50，监控单元50检测交流配电单元10的运行状况，并根据运行状况控制变换器30工作，以及向上位机报告运行状况。变换器30将交流配电单元10输出的交流电变为高压直流电，并在交流配电单元10正常运行时，将高压直流电转换为需要的低压直流电后给蓄电池40充电，以及经直流配电单元20给负载供电；或者在交流配电单元10异常时，利用蓄电池40存储的能量经直流配电单元20给负载供电。

本实施例中，如图2所示，变换器30具有交流接口、蓄电池接口和直流输出接口，每个变换器30接单独的单体低压蓄电池40，系统中所有蓄电池40互相隔离，蓄电池40只与相应的变换器30连接。变换器30优选采用高频变换器，高频变换器实现在交流输入正常时为蓄电池40进行充电，同时提供系统高压直流输出；交流配电单元10异常时，变换器30将蓄电池40低压直流电转换为负载所需的高压直流电输出。各变换器30的输出端并联，经直流配电单元20后提供给负载。各变换器30单独对所接的蓄电池40进行充放电管理、检测蓄电池40运行状态、预测蓄电池40寿命、进行必要的保护并将相关信息通过通讯电路上告到系统监控单元50或远端上位机，且可通过上位机或监控单元50对蓄电池40进行各种遥控操作和维护测试。系统监控单元50检测和接收系统中各单元的信息，监测系统运行状态并记录运行数据。

本实施例中，通过利用变换器30将单体低压蓄电池40转换为高压输出，系统中所有蓄电池40互相隔离，变换器30可对单节蓄电池进行精确充放电管理和实时在线检测，完全避免蓄电池40串联使用时因蓄电池40间的参数差异引起的过充、过放等情况对蓄电池40寿命的损害，使蓄电池40实际使用寿命相对串联使用时大大提高。本发明不仅能方便的实现蓄电池40无限制并联扩大系统容量，而且能很好的解决蓄电池40串联使用时所产生的问题，大大提高蓄电池40寿命，节约系统投资和维护成本，降低系统对环境的污染。

在进一步的实施例中，如图2所示，变换器30包括升压电路31、控制电路32、第一直流变换电路33和第二直流变换电路34，升压电路31输入端连接交流配电单元10，升压电路31输出端连接第一直流变换电路33和第二直流变换电路34的输入端，第一直流变换电路33的输出端连接蓄电池40，第二直流变换电路34的输出端连接系统直流母线，控制电路32连接监控单元50、升压电路31、第一直流变换电路33和第二直流变换电路34。

升压电路31用于将交流配电单元10输出的交流电变为高压直流电。如图2所示，在更加具体的实施例中，升压电路31包括串联连接的去干扰电路311、整流电路312和功率因素校正电路313，去干扰电路311输入端连接交流配电单元10的输出端，功率因素校正电路313的输出端连接第一直流变换电路33和第二直流变换电路34。

第一直流变换电路33由一个或多个DC/DC变换器组成，用于在交流配电单元10正常时，将升压电路31输出的高压直流电转换为低压直流给蓄电池40充电，或者在交流配电单元10异常时，将蓄电池40存储的电能转化为高压直流电输出至第二直流变换电路34。第二直流变换电路33也由一个或多个DC/DC变换器组成，在交流配电单元10正常时，将升压电路31输出的高压直流电转换为需要的电压经直流配电单元20给负载供电，或在交流配电单元10异常时，将第一直流变换电路33输出的高压直流电转换为需要的电压经直流配电单元34给负载供电。控制电路32根据自身检测到的变换器输入输出状态和监控单元50发送的交流配电单元10运行状况控制升压电路、第一直流变换电路33和第二直流变换电路34工作。

具体工作流程如下：输入交流电经去干扰电路311后依次送入整流电路312、功率因素校正电路313，将交流电变换成高压直流输出，功率因素校正电路313输出同时连接蓄电池40充放电第一直流变换电路33和能量输出的第二直流变换电路34；在交流输入正常时，第一直流变换电路33将功率因素校正电路313输出的高压直流电按控制要求转换为低压直流电给蓄电池40充电，将电能存储在蓄电池40中，在交流异常时，第一直流变换电路33将蓄电池40存储的能量转换为高压直流电输出；功率因素校正电路313同时为第二直流变换电路34提供输入，在交流正常时第二直流变换电路34直接将功率因素校正电路313输出的能量转换为需要的电压等级为负载提供能量；在交流异常时，功率因素校正电路313产生保护而停止工作，第二直流变换电路34将经第一直流变换电路33输出的蓄电池40能量转换为需要的电压等级为负载提供能量；第二直流变换电路34的输出接系统直流母线。变换器30控制电路32检测各单元电路运行状态、各输入输出电量、对蓄电池40进行在线管理、和系统监控通讯并控制各单元电路工作。

直流电源系统中所有变换器30的输出都接到系统直流母线，实现变换器30和蓄电池40的并联运行。系统直流母线连接到系统直流配电单元20，经直流配电单元20后分为多路输出送到不同的负载。系统中的监控单元50接收系统中各单元的上报内容、显示系统各参数和运行状态并对各单元的工作进行必要的控制。

在进一步的实施例中，如图3所示，监控单元50包括交流信号检测子单元51，用于监测交流配电单元10运行状况，并将监测结果发送到变换器30的控制电路32，以控制变换器30内各部分协调工作。

在更进一步的实施例中，如图3所示，监控单元50还包括连接直流配电单元20的负载状态检测子单元53、负载管理子单元54。其中，负载检测子单元53用于检测连接直流配电单元20的负载运行状况。负载管理子单元54用于接收负载运行状况，并在有运行异常的负载时，向直流配电单元20发送指令，以切断运行异常的负载，保护直流电源系统；或者在被切断的负载恢复正常时，将恢复正常的负载重新接入直流配电单元。

在更进一步的实施例中，如图3所示，监控单元50还包括电压参数设置子单元52，用于获取外部输入信息设置第一直流变换电路33所转换得到的低压直流的电压值、电流值、充放电时间等蓄电池管理参数，以及设置第二直流变换电路34转换得到的用于给负载供电的电压值。外部输入信息可以是来自上位机的输入信息，用户可以根据需要灵活设置每个变换器输出的电压值。

在更进一步的实施例中，如图3所示，监控单元50还包括与上位机和变换器30及蓄电池40连接的上位机通信子单元55，用于读取各变换器30的工作状态、蓄电池40的工作状态，并将所各变换器30的工作状态和蓄电池40的工作状态信息上报到上位机。通过上位机根据各状态信息对直流电源系统整体进行统一控制。

上述各实施例中，如图1所示，交流配电单元10包括至少两路交流输入端，还包括连接监控单元50、用于在其中一个交流输入端出现故障时切换至另一路交流输入端的切换电路。变换器30的控制电路32用于在两路交流输入端均异常时，控制第一直流变换电路33将蓄电池40存储的能量转换为高压直流电输出，同时第二直流变换电路34将经第一直流变换电路33输出的蓄电池40能量转换为需要的电压等级为负载提供能量。

本发明的直流电源系统利用变换器30将单体低压蓄电池40转换为高压输出，系统中所有蓄电池40互相隔离，变换器30可对单节蓄电池40进行精确充放电管理和实时在线检测，完全避免蓄电池40串联使用时因蓄电池间的参数差异引起的过充、过放等情况对蓄电池寿命的损害，使蓄电池实际使用寿命相对串联使用时大大提高，节约系统投资和维护成本。

且本发明中每个变换器蓄电池组互为备份，系统备份数量远多于传统串联使用方式，单一变换器蓄电池组出现故障时不会对系统产生很严重的影响，系统可靠性较传统系统大为提高；蓄电池只需进行N+1备份，而传统串联使用需要同等数量蓄电池进行备份，蓄电池的数量、体积、成本等都将大大下降。蓄电池使用寿命的增加和使用数量的减少，使蓄电池对环境的污染大大降低。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于蓄电池并联的直流电源系统，其特征在于，包括交流配电单元，所述交流配电单元的输出端连接到多个变换器的输入端，每个所述变换器上均连接有蓄电池；多个所述变换器经系统直流母线连接到直流配电单元，所述直流配电单元输出端用于连接负载；

所述直流电源系统还包括用于检测所述交流配电单元的运行状况、并根据所述运行状况控制所述变换器、以及向上位机报告所述运行状况的监控单元；

所述变换器，用于将所述交流配电单元输出的交流电变为高压直流电，并在所述交流配电单元正常运行时，将所述高压直流电转换为需要的低压直流电后给所述蓄电池充电、以及经所述直流配电单元给所述负载供电，或者在所述交流配电单元异常时，利用所述蓄电池存储的能量经所述直流配电单元给所述负载供电；

所述直流电源系统中的蓄电池相互隔离；

所述变换器单独对所接的蓄电池进行管理检测；

所述变换器包括升压电路、控制电路、第一直流变换电路和第二直流变换电路，所述升压电路输入端连接所述交流配电单元，所述升压电路输出端连接所述第一直流变换电路和所述第二直流变换电路的输入端，所述第一直流变换电路的输出端连接所述蓄电池，所述第二直流变换电路的输出端连接所述系统直流母线，所述控制电路连接所述监控单元、升压电路、第一直流变换电路和第二直流变换电路；其中，

所述升压电路，用于将所述交流配电单元输出的交流电变为高压直流电；

所述第一直流变换电路，由一个或多个DC/DC变换器组成，用于在所述交流配电单元正常时,将所述升压电路输出的高压直流电转换为低压直流给所述蓄电池充电，或者在所述交流配电单元异常时,将所述蓄电池存储的电能转化为高压直流电输出至所述第二直流变换电路；

所述第二直流变换电路，用于在所述交流配电单元正常时，将所述升压电路输出的高压直流电转换为需要的电压经所述直流配电单元给所述负载供电，或在所述交流配电单元异常时，将所述第一直流变换电路输出的高压直流电转换为需要的电压经所述直流配电单元给所述负载供电；

所述控制电路，用于根据自身检测到的变换器输入输出状态和所述监控单元发送的交流配电单元运行状况控制所述升压电路、第一直流变换电路和第二直流变换电路工作；

所述监控单元包括连接所述直流配电单元的负载状态检测子单元、负载管理子单元；

所述负载检测子单元，用于检测连接所述直流配电单元的负载运行状况；

所述负载管理子单元，用于接收所述负载运行状况，并在有运行异常的负载时，向所述直流配电单元发送指令，以切断运行异常的负载；或者在被切断的负载恢复正常时，将恢复正常的负载重新接入所述直流配电单元；

所述监控单元还包括电压参数设置子单元，用于获取外部输入信息设置所述第一直流变换电路所转换得到的低压直流的电压值、电流值、充放电时间，以及设置所述第二直流变换电路转换得到的用于给所述负载供电的电压值。

2.根据权利要求1所述的直流电源系统，其特征在于，所述升压电路包括串联连接的去干扰电路、整流电路和功率因素校正电路，所述去干扰电路输入端连接所述交流配电单元的输出端，所述功率因素校正电路的输出端连接所述第一直流变换电路和所述第二直流变换电路。

3.根据权利要求1所述的直流电源系统，其特征在于，所述监控单元包括交流信号检测子单元，用于监测所述交流配电单元运行状况，并将监测结果发送到所述变换器的控制电路和上位机。

4.根据权利要求3所述的直流电源系统，其特征在于，所述交流配电单元包括至少两路交流输入端，还包括连接所述监控单元、用于在其中一个交流输入端出现故障时切换至另一路交流输入端的切换电路。

5.根据权利要求3所述的直流电源系统，其特征在于，所述监控单元还包括上位机通信子单元，用于读取各变换器工作状态、蓄电池工作状态，并将所述变换器工作状态、蓄电池工作状态信息上报到上位机。

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