CN103457328B - 蓄电池组电压均衡系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及供电设备技术领域，公开了一种蓄电池组电压均衡系统及方法。该系统包括：开关电源、蓄电池组、单体电压检测器、电流传感器和控制单元；其中，开关电源与蓄电池组形成回路为蓄电池组提供充电电压；电流传感器串联在所述回路中检测所述回路中的电流强度；单体电压检测器与蓄电池组中每个单体电池两端相耦接测量单体电池端电压的均衡度；控制单元与单体电压检测器、电流传感器及开关电源相耦接，在所述端电压的均衡度超出阈值时控制所述充电电压以保持所述电流强度为零。本发明不切断电路不形成放电回路，等效实现了蓄电池组的静置，从而使单体电池的电压达到均衡，有效提升了系统安全性能，降低了故障率，减少了运营维护时间和工作量。

Description

蓄电池组电压均衡系统及方法
技术领域
本发明涉及供电设备技术领域，特别涉及一种蓄电池组电压均衡系统及方法。
背景技术
对于重要的核心用电设备，后备电源是保证设备安全稳定运行的重要组件。比如在核心的通信网络节点，为了保证整个通信网络的安全和稳定性，需要在断电等突发情况发生时接通后备供电模组，以保证通信系统能持续正常运行直到恢复正常供电。通常情况下，核心用电设备主要通过市电供电获取电力，在市电断电时采用蓄电池组作为后备电源进行供电。作为后备电源的蓄电池组一般并联浮充接入供电回路中，由于电池的个体差异，在现有的蓄电池组（比如磷酸铁锂电池）使用过程中，经常出现蓄电池组内某些单体蓄电池电压不均衡的现象。考虑到蓄电池组是多个单体电池的串联结构，任一单体电池受损都会导致整个蓄电池组失效，为避免电压严重失衡对电池造成损害，必须对电池电压进行均衡以确保蓄电池组的使用寿命。
目前，对蓄电池组进行电压均衡的方式主要有：在蓄电池组内每个单体电池的两端安装一个平衡器（如MOS管），当某个单体电池电压较高时，给MOS管一个控制信号，MOS管给该电池形成一个放电回路，通过蓄电池放电，形成电压下降，从而达到整组电池端电压平衡。由于平衡器的加入，蓄电池储存容量有所减少，供电系统的安全系数有所下降；此外平衡器不仅增加了系统成本，还增加了运行时的故障率，导致维护工作量大增。
另一种现有方式是在蓄电池与母线连接之间安装机械开关或电子开关，当发现整组电池中单体端电压不平衡超出安全范围时，断开机械开关或电子开关，让蓄电池静置一段时间，直到整组电池中单体端电压趋于平衡，再合上机械开关或电子开关。但该方法同样增加了供电系统的单点故障点（一旦开关故障整个系统均无法使用），系统安全系数进一步下降。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何安全快捷地均衡蓄电池组电压。
为解决上述问题，一方面，本发明提供了一种蓄电池组电压均衡系统，所述系统包括：开关电源、蓄电池组、单体电压检测器、电流传感器和控制单元；其中，
所述开关电源与所述蓄电池组形成回路为所述蓄电池组提供充电电压；
所述电流传感器串联在所述回路中检测所述回路中的电流强度；
所述单体电压检测器与所述蓄电池组中每个单体电池两端相耦接测量单体电池端电压的均衡度；
所述控制单元与所述单体电压检测器、所述电流传感器及所述开关电源相耦接，在所述端电压的均衡度超出阈值时控制所述充电电压以保持所述电流强度为零。
优选地，所述开关电源包括多个整流模块，每个整流模块的输出电压和电流大小由所述控制单元独立控制。
优选地，所述开关电源为高频开关电源。
优选地，所述系统中包括两个不同量程的电流传感器。
优选地，所述电流传感器为霍尔电流传感器。
优选地，所述系统还包括：与所述控制单元相耦接的启动单元，在所述端电压均衡时向所述控制单元发出继续充电的信号。
优选地，所述启动单元为计时器或脉冲信号发生器。
优选地，所述蓄电池组为磷酸铁锂蓄电池组。
另一方面，本发明还同时提供一种蓄电池组电压均衡方法，所述方法包括步骤：
以浮充方式对蓄电池组充电；
在检测到单体电池的电压不平衡度大于预先设定的阈值时触发警示；
根据所述警示调整开关电源的电压并实时跟踪蓄电池组回路的电流强度，使蓄电池组充放电电流为零；
当单体电池的电压不平衡度小于预先设定的阈值或经过一段时间后，再次启动充电过程。
优选地，所述方法在蓄电池组充放电过程中循环进行。
与现有技术相比，本发明的技术方案不切断电路不形成放电回路，而是自动跟踪蓄电池组的充放电电流，等效实现了蓄电池组的静置，从而使蓄电池组内每个单体电池的电压达到均衡，比采用传统的平衡器或开关方式提升了系统安全性能，降低了故障率，减少了运营维护时间和工作量，节省了成本。
附图说明
图1为本发明一个实施例中蓄电池组电压均衡系统的电路结构示意图；
图2为本发明一个实施例中系统中蓄电池电压变化示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例为实施本发明的较佳实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术的缺陷，本发明中提供了一种新型电路，通过跟踪充放电电流，不依靠平衡器、机械开关或电子开关即可实现蓄电池组的静置，在提升安全性能的基础上，使电路尽可能简单，从而进一步提高供电系统的可靠性，减少维护量和制造成本。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，蓄电池组电压均衡系统包括：开关电源、蓄电池组、单体电压检测器、电流传感器和控制单元；其中，开关电源与蓄电池组形成回路为蓄电池组提供充电电压；电流传感器串联在所述回路中检测所述回路中的电流强度；单体电压检测器与蓄电池组中每个单体电池两端相耦接测量单体电池端电压的均衡度；控制单元与单体电压检测器、电流传感器及开关电源相耦接，在所述端电压的均衡度超出阈值时控制所述充电电压以保持所述电流强度为零。
通过上述方式，本发明使蓄电池组自然进入静置状态，依靠单体电池之间自身的端电压差在蓄电池组内部进行充放电，以使全部单体电池的端电压形成一种均衡。由于本发明中并不设置开关或平衡器，不会切断电路的回路或让电池放电，避免了系统因开关故障而整体失效的问题，也不会对电池容量造成影响，有效保证了整个供电系统的安全性和可靠性。
优选地，开关电源为高频开关电源。此外，开关电源可由多个整流模块组成，每个整流模块的输出电压和电流大小可由控制单元独立控制。
优选地，电流传感器为霍尔电流传感器。此外，所述系统中可以包括两个不同量程的电流传感器。采用量程大小不同的两个传感器来分别检测不同程度的电流强度，可以进一步保证静置时的稳定性，从而保证电压均衡的可靠性和安全性。
在本发明的一个优选实施例中，所述系统还包括与控制单元相耦接的启动单元，在所述端电压均衡时向所述控制单元发出继续充电的信号。优选地，启动单元为计时器或脉冲信号发生器。当采用计时器时，对蓄电池组的静置时间进行计时，在静置一定时间后给出信号以再次启动充电过程；当采用脉冲信号发生器时，与单体电压检测器相耦接，在检测到全部单体电池的端电压达到均衡时给出再次启动充电过程的脉冲信号。
系统正常状态下以浮充方式运行。运行过程中，若单体电池间浮充电压不平衡度大于预先设定的阈值时（可以是多个端电压间差值过大，也可以是某个单体电池端电压过高），根据单体电压检测器的警示触发控制单元，控制单元调整开关电源的电压并实时跟踪蓄电池组回路的电流强度，使蓄电池组充放电电流为零，即蓄电池组相当于静置状态。随着静置时间的延长，蓄电池单体电压渐渐区于平衡；当单体电池电压不平衡度小于预先设定的阈值或经过一段时间后，系统再次启动充电过程，提高浮充的充电电压，以补充蓄电池自放电损失的容量。同理，随着浮充时间的不断延长，单体电池电压不平衡度逐渐增大，一旦大于预先设定的阈值时，控制单元再次调整系统工作状态，进入下一轮蓄电池静置状态循环，始终保持蓄电池组工作在安全状态。
下面通过一个更具体的应用场景来说明本发明的实现。假设某通信接入网机房配置有直流48V供电系统，负载电流45～50A，拟采用磷酸铁锂蓄电池组和高频开关电源组成供电系统。则磷酸铁锂蓄电池组采用16节串联组成，单体电池浮充平均电压3.75V，浮充总电压54V，放电终了取48V；蓄电池组容量按放电8小时计算，选用200AH两组，系统蓄电池组总容量400AH。
高频开关电源总容量按0.25C充电电流（即电流的安培数值等于蓄电池组容量安时数值的0.25，比如400AH的蓄电池组充电电流为100A）加负载电流计算，整流模块配置采用N+1配置，共配置48V/30A整流模块6只。系统配置蓄电池组单体电压检测器两只，测量单体电池的端电压；系统配置控制单元一只，采用RS485总线分别与蓄电池组和高频开关电源的整流模块连接,完成模块均流、充电限流、定时充放电和静置、故障告警等功能；采用RS232接口，与维护监控中心连接。
本发明的系统工作过程中，蓄电池组的电压如图2所示。系统正常状态下以浮充方式运行，电压为54V，即为图2AB段。当单体电压检测器检测到单体电池端电压不衡度大于设定阀值（如0.5V）时触发警示，控制单元调整系统工作状态，使蓄电池组工作在静置状态，随着静置时间的延长，单体电池端电压逐渐趋于平衡，即为图2BC段。当单体电压检测器检测到单体电压不平衡度小于预先设定的阀值时，可认为蓄电池组通过静置恢复到均衡状态，即为图2CD段。此时控制单元调整系统工作状态，再次启动充电过程恢复正常的浮充电压运行，以补充蓄电池自放电损失的容量，即为图2DE段。随后图2中的D至G段就表示系统进入下一轮循环。
与现有技术相比，本发明的技术方案不切断电路不形成放电回路，而是自动跟踪蓄电池组的充放电电流，等效实现了蓄电池组的静置，从而使蓄电池组内每个单体电池的电压达到均衡，比采用传统的平衡器或开关方式提升了系统安全性能，降低了故障率，减少了运营维护时间和工作量，节省了成本。
虽然以上结合优选实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应该理解，本发明所述的方法和系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，在不背离由所附权利要求书限定的本发明精神和范围的情况下，可对本发明作出各种修改、增加、以及替换。

Claims (10)

1.一种蓄电池组电压均衡系统，其特征在于，所述系统包括：开关电源、蓄电池组、单体电压检测器、电流传感器和控制单元；其中，
所述开关电源与所述蓄电池组形成回路为所述蓄电池组提供充电电压；
所述电流传感器串联在所述回路中检测所述回路中的电流强度；
所述单体电压检测器与所述蓄电池组中每个单体电池两端相耦接测量单体电池端电压的均衡度；
所述控制单元与所述单体电压检测器、所述电流传感器及所述开关电源相耦接，在所述端电压的均衡度超出阈值时控制所述充电电压以保持所述电流强度为零。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开关电源包括多个整流模块，每个整流模块的输出电压和电流大小由所述控制单元独立控制。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述开关电源为高频开关电源。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统中包括两个不同量程的电流传感器。
5.根据权利要求1或4所述的系统，其特征在于，所述电流传感器为霍尔电流传感器。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：与所述控制单元相耦接的启动单元，在所述端电压均衡时向所述控制单元发出继续充电的信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述启动单元为计时器或脉冲信号发生器。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述蓄电池组为磷酸铁锂蓄电池组。
9.一种蓄电池组电压均衡方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
以浮充方式对蓄电池组充电；
在检测到单体电池的电压不平衡度大于预先设定的阈值时触发警示；
根据所述警示调整开关电源的电压并实时跟踪蓄电池组回路的电流强度，使蓄电池组充放电电流为零；
当单体电池的电压不平衡度小于预先设定的阈值或经过一段时间后，再次启动充电过程。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法在蓄电池组充放电过程中循环进行。
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