CN103457339B - 一种多模块备份电池管理系统与直流母线的对接及配置的方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多模块备份电池管理系统与直流母线的对接及配置的方法与系统。直流母线从外部供电设备获得电能，并提供给用电器。多模块备份电池管理系统与直流母线对接配置，实现多模块备份电池或电池组与直流母线的实时充、放电控制，以及检测报警等功能。当直流母线电压降低到阈值时，多模块电池或电池组对直流母线进行放电，使得直流母线恢复正常电压范围；当直流母线恢复到正常电压供电后，直流母线通过充电功能电路，对多模块电池或电池组进行连续或间歇充电，以保证多模块电池或电池组可以维持能随时重新对直流母线进行放电的能力。
Description
技术领域
本发明属于供电或配电的电路装置或系统、以及电能存储系统领域，具体涉及备份电池管理系统与相应直流母线的对接交互技术。
背景技术
目前已有技术中的电池管理系统多采用集中式电池管理系统，其主要包括电池组的总电压、电流和温度等数据的采集电路，电压的隔离电路，高压和风扇的开关控制电路，A/D转换电路,数据存储和传输模块等等。集中式电池管理系统的工作原理是由前端的数据采集模块进行电压、电流和温度的采集,然后对数据进行统一的转换、处理和存储，以及一些必要的控制，最后达到对电池的监控作用，以保证电池工作的安全性。
集中式电池管理系统的不足之处主要有以下几点：
（1）对电池组进行信号采集，不能检测到每个电池单体，精度差，对信号处理要求高；
（2）其可扩展性较弱，应变能力不强，难以适应负载变化；
（3）当电池故障时只能替换整个电池组。
直流母线采用多模块备份电池管理系统是一种先进的直流母线备份应急供电方法。这是在多模块备份电池管理系统出现后才产生的结合方法，可以有效地克服集中式方式的缺陷。
多模块备份电池管理系统是一个由软件和硬件设备组合而成的系统，其基本功能有:1）监测电池组以及单体电池的工作情况,例如单节电池的电压、电池组总电压、工作电流、环境温度等；2）管理电池的工作情况,通过电池的开路电压和充、放电电流计算电池的剩余电量，避免出现过充、过放、过热等情况；3）保护电池,及时报警，避免电池工作在极端的条件下发生电池寿命缩短,损坏,甚至发生爆炸、起火等危害人身安全的事故。
根据多模块备份电池管理系统的管理功能，将之与交流或直流母线对接，以期在交流或直流母线出现供电故障时可以及时有效地实现备份功能，来全部或部分的担负起对用电器的供电职能。多模块备份电池管理系统和交流或直流母线的对接及配置技术是该系统实现母线故障应急供电和备份功能的关键技术。
以分布式供电系统为例，多基于直流母线架构，如图1所示，光伏电池阵列、燃料电池、蓄电池、储能装置、以及其他形式的分布式发电单元等通过DC/DC转换接入直流总线，直流总线再通过DC/DC转换、或者DC/AC等接入电网或连接交/直流负载。现有直流母线架构下的多模块备份电池管理系统与直流母线的对接管理技术是技术难点与热点。基于直流母线方式的分布式能量管理技术重点在于解决供、需、储三者的宏观关系上，目前已有的技术方案缺少宏观管理下的多模块备份电池管理系统与直流母线对接的系统与微观管理技术。
与现有技术相比，本发明采用分布式电池管理系统的优点主要有以下几点：
（1）具有更高的能源利用效率；
（2）其可靠性更高，可用性更好；
（3）其稳定性更高，支持大容量储能，并且可灵活扩容。
发明内容
本发明提出了一种多模块电池或电池组与直流母线对接的系统和方法，用于实现多模块电池或电池组对直流母线的实时放电控制，以及实现对直流母线进行充电以实时备用，可选的超级电容组进行平滑过渡。
参见图2，示出了直流母线和多模块备份电池管理系统的关系示意图。本发明的对接系统包括直流母线、多模块备份电池管理系统等；直流母线连接由AC/DC、DC/DC或其他供电方法提供的直流电能、以及用电设备，具体来说，如图2所示，直流母线12V(或者其它电压值，如48V等)从供电设备（如AC/DC或DC/DC转换器电源或其它供电方法）处获得电流，提供给用电器（如服务器）。多模块备份电池管理系统通过对接和配置的方法和系统挂在直流母线上，实现多模块备份电池或电池组与直流母线的实时充、放电控制，以及检测报警等功能。
根据本发明，本发明一方面涉及一种多模块备份电池管理系统与直流母线的对接及配置的方法，其中，直流母线与外部供电设备以及用电器串联连接，直流母线从外部供电设备获得电能，并提供给用电器；实时监测直流母线电压值，以及实时监测多模块备份电池管理系统工作模式，多模块备份电池管理系统与直流母线对接配置，根据直流母线的电压值对直流母线进行实时充、放电控制，以及检测报警功能。多模块备份电池管理系统包括多模块电池或电池组。
当监测到直流母线电压降低到阈值时，多模块备份电池管理系统工作在供电模式，控制电路发出开关控制信号，接通放电支路，多模块电池或电池组对直流母线进行放电，直到直流母线恢复到正常电压范围后，控制电路发出开关控制信号，断开放电支路。当监测到直流母线恢复到正常电压供电后，多模块备份电池管理系统工作在充电模式，控制电路发出开关控制信号，接通充电支路，直流母线对多模块电池或电池组充电，以保证多模块电池或电池组可以维持能随时重新对直流母线进行放电的能力。当监测到多模块备份电池管理系统工作在充电模式下时，在多模块电池或电池组与直流母线之间通过控制开关连接充电功能电路，通过充电功能电路控制对多模块电池或电池组进行连续或间歇充电。
可选地，在多模块电池或电池组与直流母线之间，设置与上述放电支路和上述充电支路并联的超级电容组支路，协助多模块电池或电池组在对直流母线放电或充电过程的平滑过渡；当直流母线电压降低到阈值时，控制电路发出开关控制信号，将超级电容组接入，协助多模块电池或电池组对直流母线放电；当直流母线恢复到正常电压供电后，直流母线对超级电容组充电，以备随时协助多模块电池或电池组的放电动作。当监测到多模块备份电池管理系统工作在充电模式下时，将充电功能电路通过控制开关连接到超级电容，通过充电功能电路控制对超级电容进行连续或间歇充电。
根据本发明，本发明另一方面涉及一种多模块备份电池管理系统与直流母线的对接及配置的系统，其中，直流母线与外部供电设备以及用电器串联连接，直流母线从外部供电设备获得电能，并提供给用电器；多模块备份电池管理系统，与直流母线对接配置，根据实时监测的直流母线电压值对直流母线进行实时充、放电控制，以及检测报警功能。多模块备份电池管理系统包括多模块电池或电池组。
多模块电池或电池组与直流母线之间连接放电支路，放电支路包括一个或多个控制开关，当监测到直流母线电压降低到阈值时，多模块备份电池管理系统工作在供电模式，控制电路发出开关控制信号，接通放电支路，多模块电池或电池组对直流母线进行放电，直到直流母线恢复到正常电压范围后，控制电路发出开关控制信号，断开放电支路。多模块电池或电池组与直流母线之间连接充电支路，放电支路包括一个或多个控制开关，当监测到直流母线恢复到正常电压供电后，多模块备份电池管理系统工作在充电模式，控制电路发出开关控制信号，接通充电支路，直流母线对多模块电池或电池组充电，以保证多模块电池或电池组可以维持能随时重新对直流母线进行放电的能力。充电支路上还串联连接充电功能电路；当监测到多模块备份电池管理系统工作在充电模式下时，在多模块电池或电池组与直流母线之间通过控制开关连接充电功能电路，通过充电功能电路控制对多模块电池或电池组进行连续或间歇充电。
可选地，在多模块电池或电池组与直流母线之间设置超级电容组支路，其与放电支路和充电支路并联；超级电容组支路协助多模块电池或电池组在对直流母线放电或充电过程的平滑过渡；当直流母线电压降低到阈值时，控制电路发出开关控制信号，将超级电容组接入，协助多模块电池或电池组对直流母线放电；当直流母线恢复到正常电压供电后，直流母线对超级电容组充电，以备随时协助多模块电池或电池组的放电动作。充电功能电路通过控制开关连接到超级电容；当监测到多模块备份电池管理系统工作在充电模式下时，通过充电功能电路控制对超级电容进行连续或间歇充电。
由此可见，本发明将多模块备份电池管理系统与直流母线对接和配置在一起，同时实现多种功能：
1.从直流母线取电对多模块备份电池管理系统中的电池或电池组进行及时充电；
2.对直流母线的供电故障进行实时检测和响应；
3.实现对直流母线或通过直流母线的放电来部分或全部替代直流母线原有用电器负载的供电职能；
4.在放电转换过程中保持直流母线电压和电流的规格满足用电器负载的要求，并实现均流等功能；
5.其他为有效实现对直流母线供电故障进行备份供电的功能，等等。
四、附图说明
图1 是基于直流母线架构下的分布式供电系统；
图2 是直流母线和多模块备份电池管理系统的关系示意图；
图3 是直流母线和多模块备份电池管理系统对接和配置的系统示意图。
五、具体实施方式
如图3所示，为直流母线和多模块备份电池管理系统对接和配置的系统示意图。其中，该系统包括直流母线、多模块电池或电池组、充电功能电路、开关电路及其控制电路、超级电容（可选）等组成；直流母线与多模块电池或电池组通过放电支路或者充电支路实现电连接，开关电路及其控制电路分别设置在放电支路和充电支路上，对该支路进行导通或关断的控制。
图3中所列开关K1至K6均可以采用单向或者双向开关。具体开关类型可以根据实际设计需要选择，本发明的技术方案包括所有可能的开关类型和开关形式。具体地，开关K1和K2在充电路径上实现充电功能的开启和关闭。按照系统的功能和具体实现的要求，开关K1和K2可能只用一个，或者两个都用，或者会与图3中其它开关合并等等，其用于通过开关控制信号完成充电功能的即时实现。开关K3和K4也是由开关控制信号控制，来实现超级电容(组)的放电。开关K3和K4可能只用一个，或者两个都用，或者会与图3中其它开关合并等等，其用于通过开关控制信号完成超级电容(组)放电的即时实现。开关K5用于对超级电容(组)进行充电。开关K6用于控制从多模块电池或电池组对直流母线进行放电，放电电流担负起负载的用电需求，从而部分或全部的替代直流母线原有的供电功能。
图3中所示意的对接系统具体工作原理如下：
实时监测直流母线电压值，当直流母线因为上一级供电设备出现故障或者任何其他原因引起电压降低到阈值时，多模块备份电池管理系统工作在供电模式，控制装置发出开关控制信号，对接装置自动打开开关K6（即开关K6闭合），多模块电池或电池组对直流母线进行放电，以达到直流母线恢复正常电压范围的目的，保证用电器的连续工作。
当直流母线原有的上一级供电设备恢复供电和支持母线电压后，即直流母线恢复到正常电压供电后，开关K6将关断（即开关K6打开），多模块备份电池管理系统工作在充电模式。在不进行辅助供电时，开关K1和K2将由控制信号进行操作，即接通开关K1和K2以在多模块电池或电池组与直流母线之间连通充电功能电路，直流母线通过充电功能电路，控制对多模块电池组进行连续或间歇充电，以保证多模块电池组系统可以维持能随时重新对直流母线进行放电的能力。
可选地，可以在多模块电池或电池组与直流母线之间连接超级电容（组）支路，该支路与放电支路或者充电支路均为并联关系。开关K3和开关K4是控制超级电容组支路的开关，用于将超级电容组接入对直流母线的放电，协助多模块电池组在对直流母线放电或退出放电过程的平滑过渡。开关K5也由控制信号操作，完成对超级电容组的充电功能，以备随时协助多模块电池组的放电或退出放电的动作。充电功能电路通过控制开关连接到超级电容；当监测到多模块备份电池管理系统工作在充电模式下时，通过充电功能电路控制对超级电容进行连续或间歇充电。
本发明中多模块电池系统和直流母线对接的系统的运作，如各开关的协调动作、时间先后、长短等，可以基于不同的算法、根据工程需要加以设置。
由此可见，本发明提出了在多模块电池或电池组与直流母线之间的对接方法，其用于实现放电、充电和其它一些功能。这些功能的路径可以独立分开，也可以组合在一起。本发明所提出的对接和配置的方法仅是一个示例的方法，本发明可以包含其它未示出的类似结构和类似方法。
Claims (8)
1.一种多模块备份电池管理系统与直流母线的对接及配置的方法，包括：直流母线与外部供电设备以及用电器串联连接，直流母线从外部供电设备获得电能，并提供给用电器；其特征在于：多模块备份电池管理系统与直流母线对接，在直流母线出现供电故障时提供备份电力，实现对用电器的供电；实时监测直流母线电压值，以及实时监测多模块备份电池管理系统工作模式， 多模块备份电池管理系统中分别设置独立的充电支路和放电支路，充电支路和放电支路分别设置单向或双向开关，以分别控制充电支路和放电支路的通断，根据直流母线的电压值对直流母线进行实时充、放电控制；多模块备份电池管理系统包括多模块电池或电池组；当监测到直流母线电压降低到阈值时，多模块备份电池管理系统工作在供电模式，控制电路发出开关控制信号，接通放电支路，多模块电池或电池组对直流母线进行放电，直到直流母线恢复到正常电压范围后，控制电路发出开关控制信号，断开放电支路；在多模块电池或电池组与直流母线之间，设置与上述放电支路和上述充电支路并联的超级电容组支路，协助多模块电池或电池组在对直流母线放电或充电过程的平滑过渡；当直流母线电压降低到阈值时，控制电路发出开关控制信号，将超级电容组接入，协助多模块电池或电池组对直流母线放电；当直流母线恢复到正常电压供电后，直流母线对超级电容组充电，以备随时协助多模块电池或电池组的放电动作。
2.一种多模块备份电池管理系统与直流母线的对接及配置的方法，包括：
直流母线与外部供电设备以及用电器串联连接，直流母线从外部供电设备获得电能，并提供给用电器；其特征在于：多模块备份电池管理系统与直流母线对接，在直流母线出现供电故障时提供备份电力，实现对用电器的供电；实时监测直流母线电压值，以及实时监测多模块备份电池管理系统工作模式， 多模块备份电池管理系统中分别设置独立的充电支路和放电支路，充电支路和放电支路分别设置单向或双向开关，以分别控制充电支路和放电支路的通断，根据直流母线的电压值对直流母线进行实时充、放电控制；多模块备份电池管理系统包括多模块电池或电池组；当监测到直流母线恢复到正常电压供电后，多模块备份电池管理系统工作在充电模式，控制电路发出开关控制信号，接通充电支路，直流母线对多模块电池或电池组充电，以保证多模块电池或电池组维持能随时重新对直流母线进行放电的能力；在多模块电池或电池组与直流母线之间，设置与上述放电支路和上述充电支路并联的超级电容组支路，协助多模块电池或电池组在对直流母线放电或充电过程的平滑过渡；当直流母线电压降低到阈值时，控制电路发出开关控制信号，将超级电容组接入，协助多模块电池或电池组对直流母线放电；当直流母线恢复到正常电压供电后，直流母线对超级电容组充电，以备随时协助多模块电池或电池组的放电动作。
3.一种多模块备份电池管理系统与直流母线的对接及配置的方法，包括：
直流母线与外部供电设备以及用电器串联连接，直流母线从外部供电设备获得电能，并提供给用电器；其特征在于：多模块备份电池管理系统与直流母线对接，在直流母线出现供电故障时提供备份电力，实现对用电器的供电；实时监测直流母线电压值，以及实时监测多模块备份电池管理系统工作模式， 多模块备份电池管理系统中分别设置独立的充电支路和放电支路，充电支路和放电支路分别设置单向或双向开关，以分别控制充电支路和放电支路的通断，根据直流母线的电压值对直流母线进行实时充、放电控制；多模块备份电池管理系统包括多模块电池或电池组；当监测到多模块备份电池管理系统工作在充电模式下时，在多模块电池或电池组与直流母线之间通过控制开关连接充电功能电路，通过充电功能电路控制对多模块电池或电池组进行连续或间歇充电；在多模块电池或电池组与直流母线之间，设置与上述放电支路和上述充电支路并联的超级电容组支路，协助多模块电池或电池组在对直流母线放电或充电过程的平滑过渡；当直流母线电压降低到阈值时，控制电路发出开关控制信号，将超级电容组接入，协助多模块电池或电池组对直流母线放电；当直流母线恢复到正常电压供电后，直流母线对超级电容组充电，以备随时协助多模块电池或电池组的放电动作。
4.如权利要求1、或2、或3所述的方法，其特征在于当监测到多模块备份电池管理系统工作在充电模式下时，将充电功能电路通过控制开关连接到超级电容，通过充电功能电路控制对超级电容进行连续或间歇充电。
5.一种多模块备份电池管理系统与直流母线的对接及配置的系统，包括：
直流母线，与外部供电设备以及用电器串联连接，直流母线从外部供电设备获得电能，并提供给用电器；其特征在于：多模块备份电池管理系统与直流母线对接，在直流母线出现供电故障时提供备份电力，实现对用电器的供电；多模块备份电池管理系统中分别设置独立的充电支路和放电支路，充电支路和放电支路分别设置单向或双向开关，以分别控制充电支路和放电支路的通断，根据实时监测的直流母线电压值对直流母线进行实时充、放电控制；多模块备份电池管理系统包括多模块电池或电池组；多模块电池或电池组与直流母线之间连接放电支路，放电支路包括一个或多个控制开关，当监测到直流母线电压降低到阈值时，多模块备份电池管理系统工作在供电模式，控制电路发出开关控制信号，接通放电支路，多模块电池或电池组对直流母线进行放电，直到直流母线恢复到正常电压范围后，控制电路发出开关控制信号，断开放电支路；超级电容组支路，与放电支路和充电支路并联，连接在多模块电池或电池组与直流母线之间；超级电容组支路协助多模块电池或电池组在对直流母线放电或充电过程的平滑过渡；当直流母线电压降低到阈值时，控制电路发出开关控制信号，将超级电容组接入，协助多模块电池或电池组对直流母线放电；当直流母线恢复到正常电压供电后，直流母线对超级电容组充电，以备随时协助多模块电池或电池组的放电动作。
6.一种多模块备份电池管理系统与直流母线的对接及配置的系统，包括：
直流母线，与外部供电设备以及用电器串联连接，直流母线从外部供电设备获得电能，并提供给用电器；其特征在于：多模块备份电池管理系统与直流母线对接，在直流母线出现供电故障时提供备份电力，实现对用电器的供电；多模块备份电池管理系统中分别设置独立的充电支路和放电支路，充电支路和放电支路分别设置单向或双向开关，以分别控制充电支路和放电支路的通断，根据实时监测的直流母线电压值对直流母线进行实时充、放电控制；多模块备份电池管理系统包括多模块电池或电池组；多模块电池或电池组与直流母线之间连接充电支路，充电支路包括一个或多个控制开关，当监测到直流母线恢复到正常电压供电后，多模块备份电池管理系统工作在充电模式，控制电路发出开关控制信号，接通充电支路，直流母线对多模块电池或电池组充电，以保证多模块电池或电池组维持能随时重新对直流母线进行放电的能力；超级电容组支路，与放电支路和充电支路并联，连接在多模块电池或电池组与直流母线之间；超级电容组支路协助多模块电池或电池组在对直流母线放电或充电过程的平滑过渡；当直流母线电压降低到阈值时，控制电路发出开关控制信号，将超级电容组接入，协助多模块电池或电池组对直流母线放电；当直流母线恢复到正常电压供电后，直流母线对超级电容组充电，以备随时协助多模块电池或电池组的放电动作。
7.一种多模块备份电池管理系统与直流母线的对接及配置的系统，包括：
直流母线，与外部供电设备以及用电器串联连接，直流母线从外部供电设备获得电能，并提供给用电器；其特征在于：多模块备份电池管理系统与直流母线对接，在直流母线出现供电故障时提供备份电力，实现对用电器的供电；多模块备份电池管理系统中分别设置独立的充电支路和放电支路，充电支路和放电支路分别设置单向或双向开关，以分别控制充电支路和放电支路的通断，根据实时监测的直流母线电压值对直流母线进行实时充、放电控制；多模块备份电池管理系统包括多模块电池或电池组；充电支路上还串联连接充电功能电路；当监测到多模块备份电池管理系统工作在充电模式下时，在多模块电池或电池组与直流母线之间通过控制开关连接充电功能电路，通过充电功能电路控制对多模块电池或电池组进行连续或间歇充电；超级电容组支路，与放电支路和充电支路并联，连接在多模块电池或电池组与直流母线之间；超级电容组支路协助多模块电池或电池组在对直流母线放电或充电过程的平滑过渡；当直流母线电压降低到阈值时，控制电路发出开关控制信号，将超级电容组接入，协助多模块电池或电池组对直流母线放电；当直流母线恢复到正常电压供电后，直流母线对超级电容组充电，以备随时协助多模块电池或电池组的放电动作。
8.如权利要求5、或6、或7所述的系统，其特征在于充电功能电路通过控制开关连接到超级电容；当监测到多模块备份电池管理系统工作在充电模式下时，通过充电功能电路控制对超级电容进行连续或间歇充电。
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