CN103887834B - 一种蓄电池组柔性均衡充放电管理整流模块、装置及系统 - Google Patents

一种蓄电池组柔性均衡充放电管理整流模块、装置及系统 Download PDF

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本发明公开了一种蓄电池组柔性均衡充放电管理整流模块、装置及系统,该柔性均衡充放电管理整流模块包括根据直流电压大小逐级连接、且呈树形分布的多级直流电源;在所述多级直流电源中,同级直流电源中相邻两组蓄电池之间的充电端和放电端对应连接,能够使相邻两组蓄电池之间实现动态柔性均衡充放电。采用本发明的技术方案,能够使各铅酸/锂电电池的电压恢复一致提高蓄电池组性能的一致性,延长蓄电池使用寿命。

Description

一种蓄电池组柔性均衡充放电管理整流模块、装置及系统
技术领域
本发明涉及通信电源技术领域,尤其涉及一种蓄电池组柔性均衡充放电管理整流模块、装置及系统。
背景技术
在我国,信息技术(Information Technology,简称IT)设备一直采用不间断电源(uninterrupted power supply,简称UPS)电源系统供电方式。但近年来,随着计算机网络的迅速普及和数据业务的快速发展,特别是互联网数据中心(Internet Data Center,简称IDC)业务的快速发展,传统的UPS供电模式的可靠性、安全性及高耗能等方面凸现的问题越来越多。
采用高压直流供电系统向IT设备供电,以低投资、高可靠性、低运营成本的优势成为IDC机房一种新的供电模式。
下面分别从传统机房的供电现状、高压直流供电方案的可行性和实际应用案例这三个方面对通信电源的现有技术进行说明。
一、传统机房的供电现状
1、传统的UPS供电方案
在传统的IDC机房中,服务器设备一般采用交流电源输入,电压为220V,50Hz或者110V,50HZ的单相交流电源,因此IDC机房一般采用交流UPS供电方案。UPS供电系统由整流器、逆变器、蓄电池和静态开关等组成。
在市电正常时,市电交流电源经整流器变换为直流电供给逆变器,同时给蓄电池充电,逆变器将直流电变换为50Hz交流电供给负载。在停电时,蓄电池放出电能,通过逆变器变换为交流电,供给负载。UPS供电系统的基本结构如图1所示。
在图1中,UPS供电系统包括依次连接在交流电源输入端与负载之间的整流器、逆变器和静态开关K2,连接在交流电源输入端与负载之间的UPS旁路开关K1,以及连接至整流器与逆变器的公共端的电池E(如蓄电池)。
为了提高设备供电的可靠性,通常采取多台UPS冗余并机的方式,即N+1系统,N为自然数。对于一些重要的双电源负载,采用两套(N+1)UPS系统并联组成双系统双总线冗余供电方案,这种供电方案安全可靠性相当高。
2、UPS供电系统的缺点
⑴负载率低,设备利用率不高。
为了提高可靠性,多机并联,负载率低,使得设备的实际使用率低下,例如1+1冗余的UPS最大负载率也不过是50%,同时低负载率也带来了低效率。
⑵系统存在单点故障瓶颈。
从图1可直观的看出,电池、逆变器、负载为串联关系,任意一点的单点故障都会带来系统断电的风险设备维护时间长;由于不是模块化组装,维护还处于电路板、元器件的水平,造成维护时间长。
⑶电池管理能力差,后备电池寿命短。
UPS的核心部分是逆变器,其充电器是辅助部分,因此在充电管理上不如专门设计高频开关电源功能强大,标准化难度大。
特别是大功率的UPS,生产基本还是手工组装,使得每一台设备的离散性大,现场的每一条设备都要单独调试。
二、高压直流供电方案的可行性
现在IT设备内部一般使用高频开关电源,把外部输入的交流电转化为内部电子电路所用的直流电。最终变换出12V、5V、3。3V的低压直流给IT设备供电,对于前段是否交流供电并无直接关系。
交流型IT设备的开关电源在交流供电和直流供电状态下的基本工作原理如图2a-图2c所示。
1、直流输入的可行性
IT设备的开关电源前级为整流桥,并为后级提供一个脉动的高压直流,整流桥后的高压直流范围为:DC154~336V(交流输入为:AC110~240/335V)。对于直流输入而言,整流桥可视为直连。只要在交流输入端使用合适电压范围的高压直流,IT设备的开关电源是可以正常工作。
2、直流输入对整流桥发热的影响及风险分析
在交流输入时,整流桥的四只二极管可以在一个周期内轮流导通一次,而在直流输入时,只有两只二极管长期导通。
由于整流桥的四只二极管是封装在一起的,可以认为在交流电流有效值与直流电流值相同的情况下,整个整流桥的发热量是相同的。
经测试,IT设备的开关电源可等效为恒功率设备。用直流270V供电,电压比交流供电时提高了,也就是说,此时的输入电流下降了。因通过整流管的工作电流下降,整流桥产生的热量也比交流供电时减少。
器件的损坏主要有发热引起,而器件的发热由器件本身的特性决定。图3是二极管的V/A特性曲线图。
从图3中可以看出,二极管有截止区、线性区、饱和区,而发热区主要在线性区(有电压有电流),在每个周期里,有两次经过线性区,即有两次集中发热的时间,改为高压直流供电,器件在瞬间到达饱和区,减少了发热时间。
直流输入本身不需要进行二极管整流变换,从图3可以看出,即使二极管击穿,此时可视为导线直通,不影响后级DC-DC变换,不会造成设备停机。
如果二极管断开,此时无论前段输入是交流还是直流,设备都将因断电了停机。
3、高压直流供电的优势
可靠性提高,整流器和电池并联为后端负载供电降低电流谐波对电网的干扰;系统效率提高,符合节能减排;模块化配置,便于扩容和维护;直流输出,对后端设备无谐波和零地电压问题;前后级完全隔离,免受不明干扰。
三、实际应用案例
1、项目背景
随着移动通信的不断发展,上海移动10086客服中心业务量不断增加,原有的机房设备已经不能满足新增业务的需求,于是对原有机房进行扩建,新增设备主要为服务器、PC机、J交换机等,设备放置与3楼和8楼,电源引自一楼电力室。
客户主要设备:
服务器:HP DL380G6、金铃铛;
交换机:华为3500、D-LINGK;
台式机:DELL330。
每个高压直流电源系统满足近期50KW,远期100KW负载要求,电力室新增2套240/335V/600A高压直流电源系统。主要电源设备配置表如下:
2、方案规划
2.1规划原则:
现代IDC机房随着经济的不断发展,规模变得越来越庞大,消耗的功率越来越大,从分散风险的角度考虑,要求动力保障系统分散供电,然而,由于交流电存在电压、频率、相位三要素的约束,使得UPS并机的难度大,为了克服这个缺点,减少UPS的并机数量,UPS的单机功率变得越来越庞大,供电方式越来越趋向集中,大量这种UPS系统的在线运行,使得数据机面临的风险随时间的增加不断的积累,而高压直流供电系统的可扩容性、维护方便性、割接风险小的特点恰好克服了UPS所存在的一些问题点。因此此次供电方案采用高压直流电源系统对机房分区域供电方式,3楼和8楼各有一套独立的高压直流电源系统供电,以降低大面积断电的风险。
2.1.1机房供电方式:机房供电采用分散供电模式,其优点如下:
安全可靠,分散供电,降低风险。
区域划分,便于电源管理。
适应性强,电源化整为零,容易实现最佳配置。
2.1.2高压直流电源系统组成:交流屏+整流屏+整流屏+直流屏+列头柜+配电箱,其中:
交流屏:交流屏中配电采用交流塑壳空开,是否需要双路输入可根据客户要求定制。
整流屏:①主监控模块,包括显示屏、检测单元等,监控整个电源系统的运行状况;②每套系统整流屏两个,每个模块前端加装保护空开。
直流屏:对整个电源系统输出进行分配,输出分路采用高压直流专用器件。
列头柜:列头柜放置于网络机柜前端,对每个网络机柜的用电进行分配,输出分路采用2P直流专用空开。
配电箱:主要用于对坐席设备进行供电,主要是台式电脑。
2.2高压直流系统配置方案建议
每层楼近期负载按照50KW计算,远期按照100KW计算
当前模块容量按照近期负载50KW配置,后续通过增加模块扩容满足要求:
电池配置按远期100KW后备1小时计算,2V单体电池放电终止电压1.75V,数量:120只,终止电压210V;具体试验情况可参见下表:
根据以下公式:
I=P/U ①
Q≥KIT/H〔1+A(t-25)〕 ②
在公式①中,U为直流母线电压临界值,P为电池需要提供功率,电池终止电压1.75V,1小时放电率为0.55。在公式②中,Q为电池组容量;K为电池保险系数,取1.25;I为电池组电流,T为电池后备时间,H为电池放电系数;A为电池温度系数,当放电率≤1小时,取0.01。
在高压直流供电系统中,电池不经过逆变环节,根据客户机房负载设备提供的数据带入公式①可得电池放电电流:
I=100000/210=476(A);
把根据公式①得到的电池放电电流,带入公式②得:
Q≥1.25×476×1/0.55〔1+0.01(15-25)〕=1200AH;故选择600AH2组。
负载电流计算:浮充状态下负载电流为I=50×1000/240/335=208A;
总电流为I=208+1200/10=328A;
模块总数为M=328÷20=16.4个;
设置模块冗余规则:每10个模块冗余一个;则模块需要18.4个,取整数M=19个。
具备上述参数的高压直流电源系统可参见下表:
可见,上述现有技术,至少存在以下缺点:
1、高压直流供电系统长期存在蓄电池组中单体电池之间不均衡问题。
目前高压直流供电系统蓄电池组往往有数量很多的单体电池组成(如190只、120只、108只、35只等),在实际运行中存在单体电池之间充电电压、或内阻等差异较大的情况,特别是在浮充下,这种不均衡现象显得非常严重。
出现单体电池不均衡是一方面由于蓄电池在出厂配组中,没有进行一致性能的严格考核,在许多运行场合,新电池采购后,对于蓄电池的检验,用户又缺乏严格的检测手段进行蓄电池的初检,因此蓄电池在运行前就带着问题投入运行。另一方面目前蓄电池的恒压浮充充电机制不但无法消除单体电池的一致性问题,并且会加剧单体电池的不均衡。因为出现个别落后电池充电不完全,如果及时发现、处理,可以减少这种落后的差异,但实际中往往不能及时发现处理,因此不均衡就会累计、加剧。如此反复,致使落后电池失效,从而引起整组蓄电池的容量过早丧失。
当前高压直流供电系统蓄电池运行中存在的隐患,作为后备电源的蓄电池组由于自身使用的特点(长期处于浮充状态下),加之目前充电技术的不完善,使得蓄电池组在实际运行中存在诸多问题。蓄电池大多数都处于长期的浮充电状态下,只充电,不放电,这种工作状态极不合理。大量运行统计资料表明,这样会造成蓄电池的阳极极板钝化,使蓄电池内阻急剧增大,使蓄电池的实际容量(Ah)远远低于其标准容量,从而导致蓄电池所能提供的实际后备供电时间大大缩短,减少其使用寿命。
电池是个单个的“原电池”组成,每一个原电池电压大约2伏,原电池串联起来就形成了电压较高的电池,一个12伏的电池由6个原电池组成,24伏的电池由12个原电池组成等等。高压直流系统的电池充电时,每个串联起来的原电池都被充电。原电池性能稍微不同就会导致有些原电池充电电压比别的原电池高,这部分电池就会提前老化。只要串联起来的某一个原电池性能下降,则整个电池的性能就将同样下降。试验证明电池寿命和串联的原电池数量有关,电池电压越高,老化的就越快。
一段时间的运行,蓄电池组就会出现个别电池落后、劣化,造成一致性差异。当新投运的蓄电池组运行一段时间后,通过内阻、容量等监测或检测手段,就会发现出现个别电池落后、劣化等问题。这在实际运行中经常出现,甚至当新电池运行初期,这种落后就存在。这是当用户采购规定配置的蓄电池组后,蓄电池厂家就应根据用户选定的容量、电压,对组成蓄电池组的各个单电池,进行一定程度的筛选,将其中性能差异较大的单电池(即性能太高、太低的电池)剔除,采用一致性较好的电池配组。但由于蓄电池组在配组过程中对于一致性的要求较低,致使投运的电池组中已经存有一致性问题。在一段时间的使用后,该差异由于充电机无法区别对待各个电池,造成一致性差异较大电池开始出现落后、劣化。
2、高压直流供电系统长期存在蓄电池个别蓄电池出现漏液问题。
当蓄电池运行一段时间后,经常会出现个别电池自安全阀处出现白色结晶物,这是由于电池中电解液出现外溢,究其原因:是由于充电时安全阀开启频繁,或安全阀动作压力阈值较低,造成电解液外漏。电池出现落后,造成整组蓄电池性能下降的恶性循环。当电池组中蓄电池出现落后电池时,由于恒压浮充充放电机制无法对其进行区别对待,如:高压直流供电系统输出依然按照最初设定电压值进行浮充,但各个电池接受能力不一致,致使个别落后电池造成恶性循环,并加剧一致性差异,因而造成整组蓄电池性能下降的加剧,严重影响蓄电池使用年限。
3、蓄电池实际运行使用寿命无法达到设计年限。根据实际运行情况,目前几乎没有蓄电池组可以达到厂商承诺的使用年限,出现这个问题有几个方面的技术原因:
其一,蓄电池厂家在配组中一致性指标控制不力,目前国内大多蓄电池厂家仅仅以蓄电池静止电压、动态电压差异,作为一致性判断标准,缺乏内阻等指标的衡量;
其二,目前蓄电池的工作方式大都以后备电源使用,而目前的高压直流供电系统核心就是高频开关电源,其充电机理方式无外乎均充、浮充等方式,没有针对蓄电池运行的后备特点,做出相应的调整。
4、高压直流供电系统采用的是对地悬浮技术这对日常蓄电池组维护带来一定的困难问题。
高压直流系统目前配电存在以下问题;
系统安全防护问题;高压对操作和维护人身的安全存在非常大的隐患。所以对系统配电中所有带电部分均要求防护,防止操作人员和维护人员无意识触碰。
由于高压直流电源系统不接地,当高压直流供电系统的负载出现故障时,对高压直流供电系统本身的保护及维护人员的保护就显得非常重要了。
假如系统负载甲发生设备正极碰地故障,负载乙发生设备负极碰地故障,此时通过两个故障设备就构成了电源系统的短路故障。
更严重情况是,在日常蓄电池组维护过程中如果仅在一极发生绝缘度降低或碰地,由于没有短路电流流过,断路器不会断开,系统仍能继续运行,若此时有人触摸了另一极或者电池端子,那将造成电击事故,有可能造成严重的人身伤亡事故、系统维护问题与扩容割接问题。由于系统为高压,无法与低压48V系统的并机相比较。所以在系统的配电设计中需要充分考虑系统扩容并机问题。由于48V电压比较低,灭弧相对容易。但是对于240/335V的直流系统而言,其电压高,灭弧会困难很多,相比48V系统,带负载分断负载时,危险性大为增加,所以在日常蓄电池维护中存在一定的分险。
综上,电源是整个通信系统的“心脏”,是网络安全、可靠、畅通的唯一保障,一旦供电系统发生故障,将会造成整个网络的瘫痪,由其导致的故障损失及社会影响是难以估量的,为此,历史上直流供电障碍的指标要求一直为“零次零分”。而现有的直流供电方式、技术及维护手段很难避免这类故障的发生,高压直流电源系统实际运行中,发生蓄电池运行故障或问题,是正常的,至少在当前和未来一段时间内,在蓄电池技术没有取得较大突破情况下。如何提高蓄电池运行效率,减少以上问题的发生,鉴于高压直流电源的特点由于后备蓄电池组是长期处于该浮充状态下,以补充蓄电池组自放电带来的电量损失,即蓄电池组在线运行99%的时间是处于后备浮充状态下。虽然目前使用的恒压浮充充电方式可以保证蓄电池正常的工作状态,在实际使用中,这种充电方式,无法有效抑制蓄电池的劣化,同时由于在浮充中没有对蓄电池组各劣化电池进行分别对待,反而容易引起蓄电池组一致性差异,造成蓄电池劣化的加剧,造成蓄电池组使用寿命的提前终止。
发明内容
为了解决现有技术中整组电池均充不能提高落后电池性能、且易导致整组电池因过充而损坏的技术问题,本发明提出一种蓄电池组柔性均衡充放电管理整流模块、装置及系统,能够使各铅酸锂电电池的电压恢复一致提高蓄电池组性能的一致性,延长蓄电池使用寿命。
本发明的一方面公开了一种柔性均衡充放电管理整流模块,包括根据直流电压大小逐级连接、且呈树形分布的多级直流电源;在所述多级直流电源中,同级直流电源中相邻两组蓄电池之间的充电端和放电端对应连接,能够使相邻两组蓄电池之间实现动态柔性均衡充放电。
本发明的另一方面公开了基于以上所述的柔性均衡充放电管理整流模块的高压直流供电电源均衡充放电管理装置,包括与多路交流输入电源连接的交流供电支路,与所述交流供电支路连接、且包括柔性均衡充放电管理整流模块的直流供电支路,以及用于监控所述交流供电支路和直流供电支路的监控单元;
所述交流供电支路和支路供电支路,分别通过数据总线和/或网络,连接至监控单元。
本发明还公开了一种基于以上所述的柔性均衡充放电管理整流模块的高压直流供电电源均衡充放电管理装置,包括依次连接的高压开关电源系统和监控单元,并行设置、且分别与所述监控单元连接的多路直流电源柔均衡充放电监控支路,以及分别与所述多路直流电源柔均衡充放电监控支路连接的柔性均衡充放电管理整流模块。
本发明还公开了一种基于以上所述的柔性均衡充放电管理整流模块的高压直流供电电源均衡充放电管理系统,包括相互连接、且分别与交流输入电源连接的智能充放电控制部分和高压开关电源系统监控部分,依次与所述智能充放电控制部分连接的柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块和温度检测电路;所述智能充放电控制部分,还分别与温度检测电路和高压开关电源系统监控部分连接。
本发明的技术方案由于采用与传统高压开关电源蓄电池组恒压均充充电方式配套的柔性正负均流充电方式,通过在高压开关电源各电压的均充模块启动后保持恒定的充电电流,并将不同阶段电压过充的电池或电池单组会将多余的电量转移到没有充满的电池或电池单组中,实现动态均衡;这样,以各组蓄电池的电压参数为均衡对象,使各组蓄电池的电压恢复一致,提高整个蓄电池组性能的一致性,延长蓄电池使用寿命。
附图说明
图1是传统UPS供电系统的基本结构示意图。
图2a-图2c是交流型IT设备的开关电源(即服务器电源)在交流供电和直流供电状态下的基本工作原理示意图。
图3是二极管的V/A特性曲线图。
图4是本发明实施例中的蓄电池组柔性均衡充放电管理整流模块的结构示意图。
图5是本发明实施例中的蓄电池组柔性均衡充放电管理整流模块的蓄电池柔性充电与柔性均衡充电流程示意图。
图6是本发明实施例中的利用单片高精度数字温度传感器LM92设计温度检测电路的电气原理示意图。
图7是本发明实施例中的放电控制单元平衡放电电路的电气原理示意图。
图8是本发明实施例中的蓄电池组过度放电保护电路的电气原理示意图。
图9是本发明实施例中的柔性均衡充放电电路的电气原理示意图。
图10是本发明实施例中的蓄电池组柔性均衡充放电管理整流系统的工作原理示意图。
图11是本发明实施例中的蓄电池组柔性均衡充放电管理整流装置的结构示意图。
图12是本发明实施例中的蓄电池组柔性均衡充放电管理整流装置的另一结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
图11是本发明实施例中的蓄电池组柔性均衡充放电管理整流装置的结构示意图。如图4所示,该蓄电池组柔性均衡充放电管理整流装置为交流配电—>高压开关电源—>高压直流配电—>测量蓄电池单体电压的柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块—>蓄电池柔性均衡充放电管理整流模块—>铅酸/磷酸铁锂电池组->高压直流列头柜->直流配电监控绝缘监测仪->用电设备组成。
该蓄电池组柔性均衡充放电管理整流装置是在现有高压开关电源系统中新增加铅酸/锂电蓄电池柔性均衡充放电管理整流模块和柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块并通过现有高压开关电源监控单元相互配合控制来实现铅酸/锂电蓄电池柔性正负均流充电技术。
图12是本发明实施例中的蓄电池组柔性均衡充放电管理整流装置的另一结构示意图。该蓄电池组柔性均衡充放电管理整流装置主要设备由柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块、柔性均衡充放电管理整流模块、监控单元三部分组成。
该蓄电池组柔性均衡充放电管理整流装置是由两个可独立运行又能协同工作的模块组成。铅酸/锂电蓄电池柔性均衡充放电管理整流模块。柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块与多路巡检切换装置组成的。其中,柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块是针对单体单组电池设计的,它是一个由微处理器控制的蓄电池充电电源输出和蓄电池放电电能吸收以及对上述过程进行检测记录的装置,用于完成单体电池的测量、修复,是一个可以程序控制的、可以产生多种激励信号和对信号进行反馈检测并支持复杂运算分析的多功能仪器,是整个系统的核心。多路巡检切换装置实现两个功能:
a.快速巡检蓄电池组中的电池端电压、各个电池温度等数据;
b.管理和辅助智能充放电仪器工作。
智能充放电检测仪(即柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块)和多路巡检切换装置都可以单独运行,但在一个完整的蓄电池组在线维护设备中,它们的工作是协同的。智能充放电检测仪和多路巡检切换装置被安装在同一个机柜中,共用外部接线端子,并在数据、操作时序上相互配合。
为减少设备内部走线量和复杂程度,该蓄电池组柔性均衡充放电管理整流装置在设计时,将所有大电流线路均安置到端子上,使用汇流排作为母线,以高压开关电源系统监控单元来实现进行多路巡检切换和实现电池温度的远端采样。在巡检切换装置的组织结构上,采用集中式与分布式混合的控制方案,其中,充放电电压、电流输出和端电压巡检采用集中式控制,温度采样采用分布式控制。集中控制的主要特点是将组成设备的所有部件集中于一个机柜中,输人输出统一管理,对外通过多根导线直接与电池连接。分布式控制是将受控直流电源、输出控制和操作界面作为一个独立主控器单元,再为每个单体电池配备一个独立监控单元,就近完成端电压检测、充放电控制等功能。所有单元之间通过现场总线以数字通讯形成网络,并统一从主控器单元接受供电。
图10是本发明实施例中的蓄电池组柔性均衡充放电管理整流系统的工作原理示意图。该蓄电池组柔性均衡充放电管理整流系统,主要以型号为MC68HC908SR12的单片机为控制核心,采用FPGA辅助控制设计。主要包括电源电路、高压开关电源模流模块控制单元、24-120V电子负载平衡放电控制单元、高压开关电源系统监控中央控制单元、FPGA辅助控制单元、温度检测电路。
设备主要针对通信应用中一些不断电设备耗能较大,特别适用移动核心数据机房并基于高压直流电源的特点由于后备蓄电池组是长期处于该浮充状态下,以补充蓄电池组自放电带来的电量损失,即蓄电池组在线运行99%的时间是处于后备浮充状态下并普遍采用蓄电池串联供电的情况设计的。在设计过程中着重考虑蓄电池的平衡特性,以提高串联蓄电池供电组的工作效率、延长其使用寿命。
该蓄电池组柔性均衡充放电管理整流系统,使用高压开关电源作为蓄电池组充电设备。开关电源集成化程度较高,具有调压、限流、过热保护等功能。与线性电源相比其输入电压范围宽(通常可达交流85~265V)、体积小、重量轻、效率高。同时,其易于FPGA辅助控制单元对其进行控制。
放电控制单元主要有2部分组成,一是返驰式平衡放电电路,可以实现电池组的平衡放电。平衡放电是本充放电综合控制设备的一个重要特点。在放电的过程中,由于电池的个体差异,如果不采取措施,电池组内电池个体的差异将越来越明显,这样会使电池组工作效率降低,使用寿命减少。放电控制单元采用的返弛式放电电路设计,参见图7(图7是放电控制单元平衡放电电路的电气原理示意图),该电路本身具有的电感端电压互相牵制特性(也称电路的返弛性)可以实现蓄电池组放电电池个体的平衡放电。这样有利于恢复蓄电池内的受损单元,提高蓄电池的工作效率和使用寿命。二是过度放电保护电路,该电路可以实现对电池组的过度放电保护。参见图8(图8是蓄电池组过度放电保护电路的电气原理示意图),当端电压检测电路检测到的电压低于设定的安全放电电压时,该保护电路可以把放电电路切断,实现对蓄电池的保护。
温度检测电路在充电过程中,电池的温度会随着充电容量的增加而上升,尤其在接近充电终止时,温度变化率△T/△t最大,该特性是判断电池是否充满的主要条件之一。因此,采用美国国家半导体公司出品的单片高精度数字温度传感器LM92设计温度检测电路,参见图6(图6是利用单片高精度数字温度传感器LM92设计温度检测电路的电气原理示意图)。
该蓄电池组柔性均衡充放电管理整流系统,的柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块,采用蓄电池单体柔性均衡电路与传统的电池巡检仪相结合的全新电路,就是在完成常规的电池巡检的基础上,同时完成对单体电池动态均衡管理功能的实现。
柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块,具有实时监测电池的运行参数(电压、电流、温度)、定时自动测试静态放电测量电池容量、综合测量判断电池性能,并依据其变化趋势对各单体电池的电压参数为均衡对象,使各电池的电压恢复一致均衡充电和显示报警功能,并具有测量和显示整组蓄电池的容量以及进行数据智能分析功能。系统还可实现网络化、智能管理如图5(图5是蓄电池组柔性均衡充放电管理整流模块的蓄电池柔性充电与柔性均衡充电流程示意图)所示。
柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块的容量监测,它是在电池放电和充电状态时测量电池电流及端电压的变化,并利用这些数据绘制曲线来分析电池的特性;通过端电压在充放电时产生的变化来分析电池容量,当蓄电池组在放电时其端电压越低,而充电时其端电压越高,找出特性最差的电池,并描绘出电池组中哪些电池容量最小,利用特性曲线计算出电池组的容量。
柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块,主要是能够发现蓄电池短路、断路和电池异常等状况,但对蓄电池容量下降很难发现,即时能够监测容量,与真实容量有很大的差距。
在图5中,第一阶段充电开始时,应先检测待充电电池的电压,如果蓄电池电压低于铅酸216V锂电池电压187V,首要先进行大电流快速充电模式。启动外部高压直流240/335V整流模块。铅酸均充电压282V锂电池均充电压270V。充电电流0.15-0.17c10,充放电管理充电树启动,并由上而下逐级分解确定柔性均衡充放电不同电压等级蓄电池组数量,并用特定的逻辑符号表示出来,并记动态均衡第一阶段,充电电压达到。24V第一阶段动态均衡起始点1/2电压蓄电池铅酸238vV锂电池213V,高压直流240/335V整流模块关闭充放电管理充电树。自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化;24V,x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9、x10进行自动动态柔性均衡充放电30分钟。
第二阶段充放电管理充电树自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化.调整高压直流240/335V整流模块的充电电压和充电电流值。电池的电压值及其变化大于或等于蓄电池铅酸270vV锂电池260V的10%。铅酸蓄电池充电电压设定265V锂电池255V电流小于1/10,锂电池选用0.05C左动态均衡第二阶段充电电压达到第二阶段动态均衡起始点3/4电压蓄电池铅酸250vV锂电池239V高压直流240/335V整流模块关闭.充放电管理充电树。自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化48V、T1、T2、T3、T4、T5。进行自动动态柔性均衡充放电60分钟。
第三阶段充放电管理充电树自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化.调整高压直流240/335V整流模块的充电电压和充电电流值。电池的电压值及其变化大于或等于蓄电池铅酸282vV锂电池270V。铅酸蓄电池充电电压设定282V锂电池260V电流0.15c,锂电池选用0.13c左右。进行充电动态均衡。
第三阶段充电电压达到第二阶段动态均衡起始点5/6电压蓄电池铅酸270VV锂电池260V高压直流240/335V整流模块关闭.充放电管理充电树。自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化120V、T5、T6,进行自动动态柔性均衡充放电60。
第四阶段充放电管理充电树自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化,调整高压直流240/335V整流模块的充电电压和充电电流值。电池的电压值及其变化大于或等于蓄电池铅酸282vV锂电池270V,铅酸蓄电池充电电压设定282V锂电池260V电流0.15c,锂电池选用0.13c左右进行充电,铅酸电池进入3-5小时的稳流均充,铁锂电池停止充电至充电完成。
关于蓄电池柔性充电与柔性均衡充电方式的具体说明如下:
1.1铅酸/锂电蓄电池柔性充放电管理充电模式工作流程与步骤
本发明特别设计了与传统高压开关电源蓄电池组恒压均充充电系统配套柔性均衡均充电路。来实现多组不同电压充放电方案.该方案可以很好的满足铅酸与锂电的充电和日常维护要求.真正实现了智能化.
高压开关电源各电压的均充模块启动后,保持恒定的充电电流.不同阶段电压过充的电池或电池单组会将多余的电量转移到没有充满的电池或电池单组中,实现动态均衡。其效率高损失少,所有的电池电压都由不同电压均充模块全程监控完成。
当铁锂与铅酸电池组由多个单体电池串联组合使用时,即使单节电池的性能再优良、质量再好,若配组使用的各单体电池特性不一致,都会导致电池组内部各单体电池过充和过放情况的严重不一致,就内部单个电池而言,组合使用比单个使用更容易发生过充和过放现象,且不易发现。任意一个电池的特性加剧恶化时,将导致电池组内其它电池发生多米诺骨牌效应的连锁性、加剧性损坏。铁锂与铅酸电池组的品质由其中质量最差的一只电池决定,一只电池质量差不仅影响了整个电池组的性能,还会引起恶性的连锁反应,使其容量差的更差,好的也会迅速变差。一只电池不好,会使整个电池组损坏,其损失可想而知。
其恒压值为:(2.35/4.2*N)+损耗电压;N:电池节数;
限流值为:(0.5~1)*C;C:电池容量,如C=10Ah,0.5C充电率即充电电流为5A。
在实行充电前必须先进行系统的初始化后才按铁锂与铅酸电池充电特性进行新型恒压充电四个阶段自动动态柔性均衡充放电。
步骤一:第一阶段充电开始时,应先检测待充电电池的电压,如果蓄电池电压低于铅酸216V锂电池电压187V。
执行步骤一:首要先进行大电流快速充电模式,启动外部高压直流240/335V整流模块.铅酸均充电压282V锂电池均充电压270V,充电电流0.15-0.17c10。
执行步骤二:充放电管理充电树启动.并由上而下逐级分解确定柔性均衡充放电不同电压等级蓄电池组数量.并用特定的逻辑符号表示出来,并记录至数据库。
步骤二:动态均衡第一阶段,充电电压达到24V第一阶段动态均衡起始点1/2电压蓄电池铅酸238VV锂电池213V。
执行步骤一:高压直流240/335V整流模块关闭.充放电管理充电树自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化。
执行步骤二:24V,x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9、x10进行自动动态柔性均衡充放电30分钟。
步骤三:第二阶段充放电管理充电树自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化。
执行步骤一:调整高压直流240/335/335V整流模块的充电电压和充电电流值。
执行步骤二:电池的电压值及其变化大于或等于蓄电池铅酸270VV锂电池260V的10%铅酸蓄电池充电电压设定265V锂电池255V电流小于1/10,锂电池选用0.05C左右进行充电。
步骤四:动态均衡第二阶段充电电压达到第二阶段动态均衡起始点3/4电压蓄电池铅酸250VV锂电池239V。
执行步骤一:高压直流240/335V整流模块关闭。
执行步骤二:充放电管理充电树自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化值。
执行步骤三:48V、T1、T2、T3、T4、T5,进行自动动态柔性均衡充放电60分钟。
步骤五:第三阶段充放电管理充电树自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化。
执行步骤一:调整高压直流240/335V整流模块的充电电压和充电电流值。
执行步骤二:电池的电压值及其变化大于或等于蓄电池铅酸282VV锂电池270V。
执行步骤三:铅酸蓄电池充电电压设定282V锂电池260V电流0.15c,锂电池选用0.13c左右进行充电。
步骤六:动态均衡第三阶段充电电压达到第二阶段动态均衡起始点5/6电压蓄电池铅酸270vV锂电池260V。
执行步骤一:高压直流240/335V整流模块关闭。
执行步骤二:充放电管理充电树自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化。
执行步骤三:120V、T5、T6,进行自动动态柔性均衡充放电60分钟。
步骤七:第四阶段充放电管理充电树自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化。
执行步骤一:调整高压直流240/335V整流模块的充电电压和充电电流值。
执行步骤二:电池的电压值及其变化大于或等于蓄电池铅酸282vV锂电池270V。
执行步骤三:铅酸蓄电池充电电压设定282V锂电池260V电流0.15c,锂电池选用0.13c左右进行充电.
执行步骤四:铅酸电池进入3-5小时的稳流均充至充电完成,铁锂电池停止充电。
1.2动态柔性均衡充放电的充电原理说明如下:
本发明分析了传统高压直流蓄电池充电技术存在的问题,经过长时间的思考与实验,提出了“蓄电池动态柔性均衡充电法”的新模式,该充电法的充电过程参见图4。
图4中有(T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10)17个电源(ET1、ET2、ET3、ET4、ET5、ET6、ET7与EX1、EX2、EX3、EX4、EX5、EX6、EX7、EX8、EX9、EX10)当电源(ET1、ET2、ET3、ET4、ET5、ET6、ET7)与电源(EX1、EX2、EX3、EX4、EX5、EX6、EX7、EX8、EX9、EX10EB)处在同一环境温度下,正极和正极相连,负极和负极相连,它们所形成的闭合回路中,当外部高压直流240/335V整流充电模块完成充电。停止充电后,不同组电源各存在如下的关系,例如EX1、EX2、EX3电源如果高出电源EX7、EX8、EX9,EX1/2/3电源将向EX7/8/9电源提供EA-EB=ΔE的电压,将按ΔE的大小,提供一Δi电流,使电源EB上升到完全等于电源EA的电压时,(在蓄电池中表现为,蓄电池端电压的上升和电荷存储量的增加)。电源EX1/2/3将停止向电源EX7/8/9提供电流,也就是EX1/2/3=EX7/8/9,ΔE=0,Δi=0。
在上面描述中,我们把电源EX7/8/9换成被充电的蓄电池,寻找出在不同放电深度与环境温度下,蓄电池对应的电压。将电源电压EX1/2/3,精心设计成在不同环境温度下,能按蓄电池充电平衡需要,自动调节输出不同组电压和电流的电源,与之对应连接,完全理想化的情况下,电源EX1/2/3能根据蓄电池在任一环境温度下,能够接受的安全电流,对电池进行充电,电池充足电后,ΔE=0、Δi=0,EX1/2/3电源将不消耗功率,此后,电源EX1/2/3,只随环境温度的变化,对被充蓄电池提供跟踪平衡补偿,蓄电池充电的整个过程,完全是自动完成的,所以,我们称之为动态柔性均衡充放电。
本发明完全理想化的情况是,蓄电池充足电后,电源EX1/2/3无功率供给蓄电池EX7/8/9。实际的情况经实验证实,与上面提出的理想情况稍有差别,即电源在蓄电池充满后,由于蓄电池存在着漏电,和内部氧循环的需要,还维持着很小的但对蓄电池组的均衡很有用的电流,对于高压直流供电系统蓄电池组在线运行99%的时间是处于后备浮充状态下由于这一特性的存在,几乎使这一充电技术更加接近完美。由于整个充电过程电池温升很小,所以,不需要进行任何的人为干预。
1.3动态柔性均衡充放电的充电硬件电路说明如下:
120/48/24VN节电池串联组成的电池组,主回路电流是Ich。各串联单体组电池都接有一个均衡旁路,如图9(图9是柔性均衡充放电电路的电气原理示意图)所示。图9中BTi是单体电池,Si是MOSFET,电感Li是储能元件。Si、Li、Di构成一个分流模块Mi。
在一个充电周期中,电路工作过程分为两个阶段:电压检测阶段(时间为TV)和均充阶段(时间为Tc)。在电压检测阶段,均衡旁路电路不工作,主电源对电池组充电,同时检测电池组中的单体电池电压,并根据控制算法计算MOSFET的占空比。在均充阶段,旁路中被触发的MOSFET由计算所得的占空比来控制开关状态,对相应的电池进行均充处理。在这个阶段中,流经各单体电池的电流是不断变化的,也是各不相同的。
柔性均衡充放电电路,除去连接在B1两端的M1,所有的旁路分流模块组成都是一样的。在均充旁路中,由于二极管Di的单向导通作用,所有的分流模块都会将多余的电量从相应的电池转移到上游电池中,而M1则把多余的电量转移到下游的电池中。
开关管占空比的计算充电时电池的荷电状态SOC(state of charge)可由下面的经验公式来得出,其中V是电池的端电压。
SOC=-0.24V2+7.218V-53.088 (1)
SOC是电池当前容量与额定容量之比,SOC=Q/Q TOTAL×100%。通过把电压检测阶段末期检测到的电池电压转化为荷电状态,而单节电池的储存容量Qest,n与SOC存在相应的关系,Qest,n可以被估算出来。
在充电平衡阶段,从主充器充入单节电池的电量是IchTcep。其中,Tcep为一个充电周期内均充阶段的时间。为使在均充阶段达到单节电池储存容量的平衡,均充的目标Qtar应为;
Q tar = I ch T cep + 1 N Σ n = 1 N Q est , n - - - ( 2 )
但是,在被激发的旁路和其他电池之间的充电转换是相互影响的,单体电池经旁路输出给其他电池的电流和接收的充电电流很难用一个简单的公式进行计算。不过,Gauss-Seidel迭代法可以解决这个问题。期望的储存容量Qn可以用下式来计算:
Qn=Qest,n+(Iobt,n-Idis,n+Ich)Tcep (3)
其中,Idis,n是一个开关周期中的平均电流,Iobt,n是从其他被触发的旁路中获得的电流。Qtar是理想状态下电池经充电周期Ts达到均充时的电荷量,Qn是期望的储存容量,取Qtar=Qn,即(2)、(3)相等。通过相应换算,得到占空比D的计算公式:
D n = f n ( D 1 , D n + 1 , . . . . . . , D N ) = [ D 1 2 N - 1 + Σ i = n + 1 N D i i - 1 + 2 L ( Q est , n - Q tar + I ch T cep ) V B T S T cep ] 1 / 2 , n ≠ 1 D n = f n ( D 2 , D 3 , . . . . . . , D N ) = [ Σ i = 2 N D i i - 1 + 2 L ( Q est , n - Q tar + I ch T cep ) V B T S T cep ] 1 / 2 , n = 1
这里的函数fN只是一个示意函数,表示Dn和D2...D3存在一定关系。
铅酸/锂电蓄电池柔性充放电管理充电模式工作流程与步骤
动态柔性均衡充放电的充电原理说明如下:
本发明特别设计了与传统高压开关电源蓄电池组恒压均充充电系统配套柔性均衡均充电路。来实现多组不同电压充放电方案,该方案可以很好的满足铅酸与锂电的充电和日常维护要求,真正实现了智能化。
高压开关电源各电压的均充模块启动后,保持恒定的充电电流.不同阶段电压过充的电池或电池单组会将多余的电量转移到没有充满的电池或电池单组中,实现动态均衡。其效率高损失少,所有的电池电压都由不同电压均充模块全程监控完成。
本发明采用铅酸/锂电蓄电池组柔性均衡充放电管理整流方式,来解决蓄电池运行故障或问题即通过电流、电压的变化,做到间歇式柔性充放电;同时利用新增铅酸/锂电蓄电池柔性均衡充放电管理整流模块每单组采用浮充与静止交替的方法对于每三个月或一定时间,将每一组铅酸/锂电蓄电池自动投运到负载上,使其产生放电动作,放电深度可以控制在10-30%左右,然后使其充满。这样并同时解决了日常蓄电池组维护困难问题.并实现了不停电直流操作与维护。
如当找到铅酸/锂电一组电池中的落后电池后,传统处理方法是将整组电池进行均充,但实际情况证明,这种做法不仅对提高该落后电池的性能没有效果,而且容易造成正常情况下锂电电池因过度充电而损坏。铅酸因过度充电而失水的问题。
为此,本方案在铅酸/锂电蓄电池柔性均衡充放电管理整流模块,采用独创的柔性正负均流充电技术,通过电源循环技术以各铅酸/锂电电池的电压参数为均衡对象,使各铅酸/锂电电池的电压恢复一致提高蓄电池组性能的一致性,延长蓄电池使用寿命。
本发明的技术方案解决了现有整组蓄电池均充方式无法解决蓄电池组运行故障或问题的不足,解决了以各组蓄电池的电压参数为均衡对象使各组蓄电池的电压恢复一致的问题,实现整个蓄电池组性能的一致性提高以致延长蓄电池使用寿命。
应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明而非限制,本发明也并不仅限于上述举例,一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进,其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (7)

1.一种高压直流供电电源均衡充放电管理系统,其特征在于,包括相互连接、且分别与交流输入电源连接的智能充放电控制部分和高压开关电源系统监控部分,依次与所述智能充放电控制部分连接的柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块和温度检测电路;所述智能充放电控制部分,还分别与温度检测电路和高压开关电源系统监控部分连接;
所述高压直流供电电源均衡充放电管理系统基于一种柔性均衡充放电管理整流模块,所述柔性均衡充放电管理整流模块包括根据直流电压大小逐级连接、且呈树形分布的多级直流电源;在所述多级直流电源中,同级直流电源中相邻两组蓄电池之间的充电端和放电端对应连接,能够使相邻两组蓄电池之间实现动态柔性均衡充放电。
2.根据权利要求1所述的高压直流供电电源均衡充放电管理系统,其特征在于,还包括选择开关;所述选择开关的控制端与所述智能充放电控制部分连接,第一固定端与温度检测电路连接,第二固定端和高压开关电源系统监控部分连接。
3.根据权利要求1或2所述的高压直流供电电源均衡充放电管理系统,其特征在于,所述智能充放电控制部分,包括依次与交流输入电源连接的单片机、光电隔离模块、用于控制多级直流电源的智能充放电控制单元和与多级直流电源相匹配的电子负载,连接在所述智能充放电控制单元和柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块之间的数控电偶模块,依次与所述单片机连接的高压开关电源整流模块和功率因数校正模块;
所述功率因数校正模块,还分别与交流输入电源和高压开关电源系统监控部分连接;所述电子负载和数控电偶模块,分别与柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块连接。
4.根据权利要求3所述的高压直流供电电源均衡充放电管理系统,其特征在于,所述高压开关电源系统监控部分,包括依次连接在所述功率因数校正模块与柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块之间的与多级直流电源相匹配的高压开关电源整流模块和限流模块;
所述高压开关电源系统监控部分还包括:ADC板和隔离模块、以及多路巡检切换控制端口模块,以及一端与交流输入电源连接、另一端与多路巡检切换控制端口模块连接的高压开关电源系统监控单元接口;所述ADC板和隔离模块连接在所述高压开关电源整流模块和所述柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块之间;所述多路巡检切换控制端口模块连接在所述高压开关电源整流模块和所述柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块之间;
所述多路巡检切换控制端口模块,与选择开关的第二固定端连接;所述ADC板和隔离模块,分别与多路巡检切换控制端口模块连接。
5.根据权利要求4所述的高压直流供电电源均衡充放电管理系统,其特征在于,所述柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块,包括并行设置、且均与电子负载、数控电偶模块、限流模块、隔离模块、多路巡检切换控制端口模块和温度检测电路连接的多个柔性均衡充放电多路巡检切换端子板。
6.根据权利要求5所述的高压直流供电电源均衡充放电管理系统,其特征在于,所述温度检测电路,包括并行设置、且均与选择开关的第一固定端和相应柔性均衡充放电多路巡检切换端子板连接的多个柔性均衡充放电电路。
7.根据权利要求6所述的高压直流供电电源均衡充放电管理系统,其特征在于,每个柔性均衡充放电电路,包括由串联设置的多个蓄电池组构成的高压直流供电电源,以及并行设置在所述高压直流供电电源中每个蓄电池组两端的均衡旁路电路。
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