CN103887862B - 一种柔性充放电管理整流模块、管理树装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性充放电管理整流模块、管理树装置及系统，该柔性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，以及分别与所述多级直流电源中相应级直流电源的直流电压大小相匹配、且逐级连接的多级充放电整流模块；每级充放电整流模块与相应级直流电源连接。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

一种柔性充放电管理整流模块、管理树装置及系统

技术领域

本发明涉及通信电源技术领域，尤其涉及一种柔性充放电管理整流模块、管理树装置及系统。

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

(1)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。

(2)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。

(3)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_总＝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蓄电池组自放电和恒压浮充充电方式无法有效抑制蓄电池组劣化的技术问题，本发明提出一种柔性充放电管理整流模块、管理树装置及系统，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，以及分别与所述多级直流电源中相应级直流电源的直流电压大小相匹配、且逐级连接的多级充放电整流模块；每级充放电整流模块与相应级直流电源连接。

本发明的另一方面公开了基于以上所述的柔性充放电管理整流模块的高压直流供电电源充放电管理树装置，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充放电管理整流模块的高压直流供电电源充放电管理树装置，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充放电管理整流模块的高压直流供电电源充放电管理树系统，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充放电管理整流模块。

本发明的技术方案由于将整个蓄电池组设置为且呈树形分布的多组蓄电池，按预设时长对每组蓄电池进行浮充与静止交替的间歇式柔性充放电方式，通过电源循环技术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柔性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高压直流供电电源充放电管理树装置的结构示意图。

图6是本发明实施例中的高压直流供电电源充放电管理树系统的结构示意图。

图7是本发明实施例中的柔性充放电管理整流模块的具体应用数据直方图。

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4是本发明实施例中的柔性充放电管理整流模块的结构示意图。如图4所示，该柔性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，以及分别与多级直流电源中相应级直流电源的直流电压大小相匹配、且逐级连接的多级充放电整流模块；每级充放电整流模块与相应级直流电源连接。

在多级充放电整流模块中，与任意两级充放电整流模块对应的直流电压之间的倍数为整数。在多级直流电源中，与任意两级直流电源对应的直流电压之间的倍数为整数；在相邻级直流电源中，上级直流电源的直流电压大小总和等于下级直流电源的直流电压大小总和；同级直流电源中多个直流电源并行设置、且直流电压大小相同，同级直流电源中的多个直流电源均与相应级充放电整流模块连接。

图4所示的柔性充放电管理整流模块中呈树形分布的多级直流电源的管理树建立的工作原理如下：

该柔性充放电管理整流模块针对高压直流供电蓄电池组运行及使用特点，特别设计了蓄电池柔性充放电管理充电树的模式，即将高压直流蓄电池组以每24V/48V/120V为一个单元(即一个呈树形分布的三级直流电源)进行的单独的充放电管理。整组高压直流蓄电池由n个24V/48V/120V组成。

例如，240/335V高压直流供电系统由10个24V、5个48V和2个120V蓄电池组成的方案，可以很好的解决蓄电池组长期浮充带来的单体不均衡容量下降问题。可以采用柔性均衡充放电电池巡检仪(如图5和图6中的柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块)定期检查各单元电池的端电压与容量。例如，对240/335V单元电池来说，在检查中如果发现各24V单元电池间的端电压差超过0.4-1.5V以上时，48V单元电池间的端电压差超过1-1.5V以上时，蓄电池柔性充放电管理充电树的模式(即柔性充放电管理整流模块)采用不同的电压对各24V/48V单元电池进行均衡充电，以恢复电池的容量和消除各单元电池之间的端电压不平衡。均衡充电时充电电压24V、取23.5～23，48V取54～56.4V即可。

又如，若可以采用型号为MC68HC908SR12的单片机内置的充电树定性分析模块，找出导致高压直流240/335V蓄电池容量下降事件发生的原因和原因组合，识别导致高压直流240/335V蓄电池容量下降事件发生的所有不同电压分组蓄电池故障模式，还可以用于指导不同电压段蓄电池充放电时的故障诊断和充放电维修方案。

下面对该柔性充放电管理整流模块的工作过程进行详细说明。

(1)主要功能定性分析→求高压直流240/335V充放电过程的最小割集电池组

对充电树进行定性分析的主要任务是确定高压直流240/335V充电树的最小割集电池组，最小割集电池组是底事件发生的最小组合，只要这个组合中的底事件发生则导致顶事件发生。

可以按照依据布尔运算法则可求出最小割集T为：

T1＝X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10；

从上面的布尔表达式可知，充电树共10个影响整组240/335V蓄电池容量下降最小割集，且全部为单事件割集，任一个底事件的发生就能导致整组240/335V蓄电池容量下降事件的发生，所以，它们都是最重要的割集。其中，发生概率最大的则为最危险的割集。

(2)主要功能定量分析→求高压直流240/335V充放电过程底事件的概率重要度：

求出了充电树的最小割集后，只要知道各底事件发生的故障概率，就可以进行定量分析。定量分析的内容很多，这里就底事件的概率重要度进行分析。底事件概率重要度可定量反映底事件发生概率的变化对顶事件发生概率的影响。按照概率重要度系数的大小可以排出各底事件概率重要度的顺序。例如，根据日常维护人员的调查统计资料显示：充电树中的X1和X10这两项在实际运行中，即发生蓄电池容量下降故障的概率最大。又由于上述10个割集都为单事件割集，所以，底事件X1、X10对顶事件的发生贡献最大，即它们的影响最为显著，因此在蓄电池的使用过程中尤其要加以重视，及时进行补充放电管理。

在充电树应用中，对于所研究系统的各种不同电压状态蓄电池组容量不正常情况皆称为充电维护事件，充电树最终所关心的结果事件称为顶事件，它是充电树运行最后目标。

充电树分析方法技术核心为是一种将高压直流240/335V蓄电池组系统故障形成的原因按不同的组成电压方式由总体电压至部分电压按树枝状逐级细化的图形演绎，它通过对可能造成高压直流240/335V蓄电池组容量下降故障进行分析后，画出充放电树，并依据该充放电树由总体至部分按树枝状逐级细化地进行充放电维护的一种全新方法。

这种方法是把所研究系统的最不希望发生的蓄电池容量下降故障状态作为故障分析和维护的目标，然后寻找和直接维护直接导致这一故障发生的底层蓄电池组。

图5是本发明实施例中的高压直流供电电源充放电管理树装置的结构示意图，在图5中，蓄电池组的两路接口分别为：直流配电空开输出接口和降压核对性放电接口。如图5所示，该高压直流供电电源充放电管理树装置，包括与多路交流输入电源连接的交流供电支路，与交流供电支路连接、且包括柔性充放电管理整流模块的直流供电支路，用于监控交流供电支路和直流供电支路的监控单元，以及用于对监控单元的动力环境进行监控的动力环境集中监控模块；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；监控单元连接至动力环境集中监控模块。

该交流供电支路，包括与多路交流输入电源连接的交流配电模块，与交流配电模块连接、且连接至监控单元的交流配电监控模块。

该直流供电支路，包括依次与交流配电模块连接的整流模块、直流配电模块和列头柜，与整流模块和直流配电模块的公共端连接的蓄电池组，与蓄电池组连接的柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块，与直流配电模块连接的直流配电监控及绝缘监测模块，以及连接在整流模块和直流配电模块的公共端与蓄电池组之间的熔断器；柔性充放电管理整流模块连接在蓄电池组与监控单元之间，整流模块和柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块分别连接至监控单元。

该整流模块，包括并行设置在交流配电模块与直流配电模块之间的多个整流子模块；直流配电模块，包括与多个整流子模块匹配设置的多个直流配电开关。

该高压直流供电电源充放电管理树装置，主要由供电系统为交流配电->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。

该高压直流供电电源充放电管理树装置，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。

该高压直流供电电源充放电管理树装置的工作流程及步骤如下：

该高压直流供电电源充放电管理树装置的高压直流工作场景：交流停电或高压直流240/335V蓄电池组进行日常维护操作：

步骤一：高压直流交流停电后蓄电池组放电完成后开始充电，高压直流监控单元系统控制多路巡检切换控制端口模块自动关闭24/48/120V充放电整流模块充放电回路并脱离系统；

步骤二：高压直流监控单元系统控制柔性均衡充放电多路巡检切换为蓄电池组240/335V充电模式；

步骤三：柔性均衡充放电多路巡检系统启动，监测240/335V充电时单体及组电池的电压电流以及温度变化情况并上报高压直流监控单元系统；

步骤四：高压直流监控单元系统内置的蓄电池柔性充放电管理充电树启动；

步骤五：柔性充放电管理充电树依据标准规范：浮充时全组各电池端电压的最大差值不大于90MV(2V)、240/335MV(6V)、480MV(12V)的要求，将蓄电池充电前240/335V蓄电池组浮充电压的压差值提交至监控单元的数据库。

实际应用数据说明可参见图7和下表：

电池品牌	使用年限	实际容量	电压差	落后电池数	落后电池容量
						中达电通	3年	95％～96％	6mV～300mV	1	40％
中达电通	3年	98％～98％	117mV～120mV	0	0
						中达电通	3年	96％～97％	129mV～150mV	1	4％
日本汤浅	6年	93％～99％	80mV～201mV	0	0
						吉天利	4年	94％～97％	116mV～127mV	0	0
中达电通	3年	86％～95％	111mV～137mV	0	0
						中达电通	2年	90％～98％	120mV～132mV	18	4％～66％
江苏双登	1年	92％～98％	488mV～659mV	0	0

在上表中，蓄电池组的单体电池容量决定了整组的容量。如一只单体电池的容量下降40％，那么整组蓄电池的容量下降40％。

执行步骤1：柔性充放电管理充电树(即柔性充放电管理整流模块)依据原有的数据、并根据柔性均衡充放电多路巡检模块，在充电过程实时提交数据找出整组蓄电池组容量下降、与不同电压段蓄电组组容量下降的之间的逻辑关系。

执行步骤2：充放电管理充电树(即柔性充放电管理整流模块)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。

例如，可以设柔性充放电管理充电树中有24V蓄电池组，有n个底事件X1、X2…Xn，C＝{X1…Xn}为240/335V蓄电池组容量下降底事件的集合，当其中某些底事件都发生时，顶事件必然发生，则称C为240/335V蓄电池组充电树的割集。

执行步骤3：充电树确定X1、X2…Xn，C＝{X1…Xn}底事件的集合，发现割集c的最薄弱环节。

步骤六：由于蓄电池容量下降在不同的运行环境条件及不同的充放电条件下，蓄电池容量下降有很大的不确定性。为了得到准确的蓄电池容量下降数据，并为以后的调查分析与维护、预测和预防提供可靠的依据。所以本方案采用以下方法进行实施判断。

执行步骤1：240/335V蓄电池组求最小割集方法，根据高压直流240/335V柔性充放电管理充电树的实际结构，从240/335V蓄电池组放电完成后开始充电顶事件开始，逐渐向下查寻，找出割集。从而确定下步的柔性充放电的规则和维护手段。

执行步骤2：24V/48V/120V蓄电池容量最小割集的方法。可以采用求最小割集的思路是：连续采集3-5次充放电数据，其标准，在充放电时如蓄电池端电压电压差值超过标准值的数据将自动记录至数据库。数据记录与采集只就上下相邻两级来看，与门只增加割集阶数(割集所含底事件数目)，不增加割集个数；或门只增加割集个数，不增加割集阶数。在从顶事件下行的过程中，顺次将逻辑门的输出事件置换成输人事件，遇到“与”门就将其输入事件排在同一行，遇到“或”门就将其输人事件各自排成一行，这样直到全部换成底事件为止，即可求得全部割集。得到全部割集后，再应用集合运算规则将全部割集加以简化、吸收，去掉那些非最小割集部分，剩下的即为故障树的全部最小割集。24V/48V/120V蓄电池容量最小割集求解过程如下表(即求割集和最小割集的过程表)所示。

根据上表，可以得全部最小割集为：{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}。

步骤七：240/335V蓄电池组放电完成开始充电3小时后。充电树检测出在充放电过程中T1中的X2、T4中的X7容量下降过快。其中X2、X7实际容量与端电电压差值分别为60％、50％、100mV、110mV。

执行步1：充电树停止使用240/335V对蓄电池组充电。

执行步骤2：高压直流监控单元系统控制多路巡检切换控制端口模块自动关闭240/335V充放电整流模块充放电回路并脱离系统。

执行步骤3：高压直流监控单元系统控制多路巡检切换控制端口模块自动开启24V充放电整流模块充放电回路并入系统。

执行步骤4：高压直流监控单元系统控制柔性均衡充放电多路巡检切换为蓄电池组24V充电模式。

执行步骤5：启动24V充放整流模块对T1中的X2、T4中的X7进行单独柔性充电与柔性均衡充电。

执行步骤6：对T1中的X2、T4中的X7进行单独柔性充电与柔性均衡充电完成后。

执行步骤7：24V充放整流模块对{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}进行柔性充电与柔性均衡充电。

执行步骤8：高压直流监控单元系统控制多路巡检切换控制端口模块自动开启48V充放电整流模块充放电回路并入系统.

执行步骤9：48V充放整流模块对{T1}、{T2}、{T3}、{T4}、{T5}进行柔性充电与柔性均衡充电。

执行步骤10：高压直流监控单元系统控制多路巡检切换控制端口模块自动开启120V充放电整流模块充放电回路并入系统。

执行步骤11：120V充放整流模块对{T6}、{T7}进行柔性充电与柔性均衡充电。蓄电池组240/335V充电完成。

步骤八：交流停电或高压直流240/335V蓄电池组进行日常维护操作充电完成。

图6是本发明实施例中的高压直流供电电源充放电管理树系统的结构示意图。如图6所示，该高压直流供电电源充放电管理树系统，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，以及分别与多路直流电源柔均衡充放电监控支路连接的柔性充放电管理整流模块。

每路直流电源柔均衡充放电监控支路，包括并行设置、且分别与监控单元连接的多个柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块，由多个蓄电池组(如铅酸蓄电池组或锂电蓄电池组)串联而成、且每个蓄电池组与相应柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块对应连接的蓄电池组模块，以及连接在蓄电池组模块与柔性充放电管理整流模块之间的控制开关；蓄电池组模块的直流配电空开输出接口和降压核对性放电接口，分别与柔性充放电管理整流模块的对应接口连接。

该高压直流供电电源充放电管理树系统的核心主要设备由柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块、柔性充放电管理整流模块、监控单元三部分组成。

该高压直流供电电源充放电管理树系统的高压直流工作场景如：

现有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。

该高压直流供电电源充放电管理树系统，针对以上存在的问题，采用以下解决方案与步骤：

步骤一：高压直流蓄电池组三个月或半年长期浮充电.进行日常的充放电维护操作

步骤二：高压直流监控单元系统控制多路巡检切换控制端口模块，自动关闭二组蓄电池组的其中一组并脱离系统。

步骤三：高压直流监控单元系统控制柔性均衡充放电多路巡检接管脱离系统一组240/335V蓄电池组。

步骤四：高压直流监控单元系统控制多路巡检切换控制端口模块自动关闭24/48V充放电整流模块充放电回路并脱离系统。

步骤五：高压直流监控单元系统控制多路巡检切换控制端口模块启动120V充放电整流模块并接入系统。

步骤六：高压直流监控单元系统控制多路巡检切换控制端口模块启动120V充放电整流模块开始进行十小时率对单组蓄电池组放电.

步骤七：举例说明，120V蓄电池组放电4-5小时后。充电树检测出在放电过程中T6下的T1中的X1、T7下的T3中的X5容量下降过快。其中X1、X5实际容量与端电电压差值分别为60％、50％、120mV、150mV。

步骤八：120V充放电整流模块停止放电。

步骤九：高压直流监控单元系统控制多路巡检切换控制端口模块启动24/48V充放电整流模块并接入系统。

步骤九：多路巡检切换控制端口模块控制24V柔性均衡充放电路进行无源单组均衡充电.

执行步骤1：24V柔性均衡充放电路的分流模块T1的X2自动将多余的电量从X2的电池转移到X1电池，来实现24V无源均衡。

执行步骤2：24V柔性均衡充放电路的分流模块T3的X6自动将多余的电量从X6的电池转移到X5电池，来实现24V无源均衡。

步骤十：多路巡检切换控制端口模块控制48V柔性均衡充放电路进行无源单组均衡充电.

执行步骤1：48V柔性均衡充放电路的分流模块T2自动将多余的电量从T2的电池转移到T1电池，来实现48V无源均衡。

执行步骤2：48V柔性均衡充放电路的分流模块T4/T5自动将多余的电量从T4/T5的电池转移到T3电池，来实现48V无源均衡。

步骤十一：多路巡检切换控制端口模块控制120V柔性均衡充放电路进行无源单组均衡充电.

执行步骤1：120V柔性均衡充放电路的分流模块T7自动将多余的电量从T72的电池转移到T6电池，来实现120V无源均衡.

步骤十二：高压直流监控单元系统控制启动240/335V蓄电池柔性充电与柔性均衡充电方式.对放电后的蓄电池进行维护后的补充电.

步骤十三：高压直流监控单元系统控制柔性均衡充放电多路巡检切换为蓄电池组240/335V充电模式。

步骤十四：柔性均衡充放电多路巡检系统启动.监测240/335V充电时单体及组电池的电压电流以及温度变化情况并上报高压直流监控单元系统。

步骤十五：高压直流监控单元系统内置的蓄电池柔性充放电管理充电树启动进行管理。

步骤十六：柔性充放电管理充电树依据标准规范：浮充时全组各电池端电压的最大差值不大于90MV(2V)、240/335MV(6V)、480MV(12V)的要求，将蓄电池充电前240/335V蓄电池组浮充电压的压差值提交至监控单元的数据库。

上述柔性充放电管理整流模块、管理树装置及系统，针对高压直流供电蓄电池组运行及使用特点.特别设计了蓄电池柔性充放电管理充电树的模式.即将高压直流蓄电池组以每24V/48V/120V为一个单元进行的单独的充放电管理.整组高压直流蓄电池由n个24V/48V/120V组成.例如.240/335V高压直流供电系统由10个24V5个48V2个120V蓄电池组成.方案可以很好的解决蓄电池组长期浮充带来的单体不均衡容量下降问题.柔性均衡充放电电池巡检仪定期检查各单元电池的端电压与容量。

在上述柔性充放电管理整流模块、管理树装置及系统中，充电树分析方法技术核心为是一种将高压直流240/335V蓄电池组系统故障形成的原因按不同的组成电压方式由总体电压至部分电压按树枝状逐级细化的图形演绎，它通过对可能造成高压直流240/335V蓄电池组容量下降故障进行分析后，画出充放电树，并依据该充放电树由总体至部分按树枝状逐级细化地进行充放电维护的一种全新方法。这种方法是把所研究系统的最不希望发生的蓄电池容量下降故障状态作为故障分析和维护的目标，然后寻找和直接维护直接导致这一故障发生的底层蓄电池组。

上述柔性充放电管理整流模块、管理树装置及系统，采用铅酸/锂电蓄电池柔性充放电管理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，上述柔性充放电管理整流模块、管理树装置及系统，在铅酸/锂电蓄电池柔性充放电管理整流模块，采用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蓄电池组自放电和恒压浮充充电方式无法有效抑制蓄电池组劣化的不足，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 (11)

1.一种柔性充放电管理整流模块，其特征在于，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，以及分别与所述多级直流电源中相应级直流电源的直流电压大小相匹配、且逐级连接的多级充放电整流模块；每级充放电整流模块与相应级直流电源连接；

在所述多级直流电源中，与任意两级直流电源对应的直流电压之间的倍数为整数；

在相邻级直流电源中，上级直流电源的直流电压大小总和等于下级直流电源的直流电压大小总和；

同级直流电源中多个直流电源并行设置、且直流电压大小相同，同级直流电源中的多个直流电源均与相应级充放电整流模块连接。

2.根据权利要求1所述的柔性充放电管理整流模块，其特征在于，在所述多级充放电整流模块中，与任意两级充放电整流模块对应的直流电压之间的倍数为整数。

3.一种基于权利要求1所述的柔性充放电管理整流模块的高压直流供电电源充放电管理树装置，其特征在于，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；

所述交流供电支路，包括与多路交流输入电源连接的交流配电模块，与所述交流配电模块连接、且连接至监控单元的交流配电监控模块。

4.根据权利要求3所述的高压直流供电电源充放电管理树装置，其特征在于，还包括用于对所述监控单元的动力环境进行监控的动力环境集中监控模块，所述监控单元连接至动力环境集中监控模块。

5.根据权利要求3所述的高压直流供电电源充放电管理树装置，其特征在于，所述直流供电支路，包括依次与所述交流配电模块连接的整流模块、直流配电模块和列头柜，与所述整流模块和直流配电模块的公共端连接的蓄电池组，以及与所述蓄电池组连接的柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块；

所述柔性充放电管理整流模块连接在蓄电池组与监控单元之间，所述整流模块和柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块分别连接至监控单元。

6.根据权利要求5所述的高压直流供电电源充放电管理树装置，其特征在于，所述直流供电支路，还包括与所述直流配电模块连接的直流配电监控及绝缘监测模块。

7.根据权利要求5所述的高压直流供电电源充放电管理树装置，其特征在于，所述直流供电支路，还包括连接在所述整流模块和直流配电模块的公共端与蓄电池组之间的熔断器。

8.根据权利要求5所述的高压直流供电电源充放电管理树装置，其特征在于，所述整流模块，包括并行设置在交流配电模块与直流配电模块之间的多个整流子模块；

所述直流配电模块，包括与所述多个整流子模块匹配设置的多个直流配电开关。

9.一种基于权利要求1所述的柔性充放电管理整流模块的高压直流供电电源充放电管理树系统，其特征在于，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充放电管理整流模块；

每路直流电源柔均衡充放电监控支路，包括并行设置、且分别与所述监控单元连接的多个柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块，以及由多个蓄电池组串联而成、且每个蓄电池组与相应柔性均衡充放电电池巡检仪采集模块对应连接的蓄电池组模块；

所述蓄电池组模块的直流配电空开输出接口和降压核对性放电接口，分别与柔性充放电管理整流模块的对应接口连接。

10.根据权利要求9所述的高压直流供电电源充放电管理树系统，其特征在于，每路直流电源柔均衡充放电监控支路，还包括连接在所述蓄电池组模块与柔性充放电管理整流模块之间的控制开关。

11.根据权利要求9所述的高压直流供电电源充放电管理树系统，其特征在于，所述蓄电池组模块中的蓄电池组，包括铅酸蓄电池组或锂电蓄电池组。