CN104134825B - 一种总线光伏集成式蓄电池维护系统及其维护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了蓄电池维护领域内的一种总线光伏集成式蓄电池维护系统及其维护方法，维护系统包括主电路；主电路包括电池充放电电路、光伏电源电路以及直流电源电路。电池充放电电路包括总线电路和若干个结构相同的充放电子电路，光伏电源电路和直流电源电路为总线电路供电；每个充放电子电路均配合一个控制电路，控制电路包括数字信号处理器，数字信号处理器的信号输入端连接有总线电压测量电路、充放电子电路电感电流测量电路、待维护电池电压测量电路及电池充放电电流测量电路，数字信号处理器的信号输出端连接有功率管驱动电路；本发明使用的单总线电池充放电技术，有效利用待测电池放电时的能量，减少了能源的浪费，可用于蓄电池维护中。

Description

一种总线光伏集成式蓄电池维护系统及其维护方法
技术领域
本发明涉及一种蓄电池维护装置，特别涉及一种光伏集成式蓄电池维护系统。
背景技术
化成工艺是蓄电池生产中的一道关键工序。这一工序中，每节电池需要经过三次充电两次放电。目前，我国的电池化成设备因为技术和成本因素多数采用电阻方式大电流放电，造成了极大的能源浪费。降低放电能量的耗费并对其进行再利用成为电池生产厂商迫切需要解决的问题之一。
现有技术中公开了一种“新型的能量均衡型蓄电池化成技术”；《仪表技术》，2010年第2期，第19-24页；杨墨，邵定国，许路，董大为。此技术使用了能量池的概念，用大容量电池（即能量池）暂时存放蓄电池放电电荷，待充电蓄电池连接后将能量池冲的电荷放出充电。每个电池的充电模块为双向直流-直流变换器。
本技术不同点在于：1.蓄电池维护用的功率模块拓扑结构不同，本发明中的电路拓扑可以进行宽电压范围的蓄电池维护；2.中间储能电池无需一级功率变换，增加系统的可靠性，节约了装置的投资成本与维护成本；3.可以集成光伏电池，有效利用新能源节电。
发明内容
本发明的目的是提供一种总线光伏集成式蓄电池维护系统及其维护方法，解决电池维护时电池反复充放电过程中电能浪费问题，降低成本，节约能源，且可维护不同电压等级的电池，适用范围更广。
本发明的目的是这样实现的：一种总线光伏集成式蓄电池维护系统及其维护方法，所述维护系统包括主电路和控制电路；
所述主电路包括电池充放电电路、光伏电源电路以及直流电源电路。所述电池充放电电路包括总线电路和若干个结构相同的充放电子电路，所述光伏电源电路和直流电源电路为总线电路供电；
所述总线电路包括设置在母线上的储能电池VB0、电容C0、应急放电电阻RD、第一断路器K1、第一关联开关K11及第二关联开关K12，电容C0接在母线的正负极之间，储能电池VB0与第一关联开关K11串联后接在母线的正负极之间，应急放电电阻RD与第一断路器K1串联后接在母线的正负极之间；
第一充放电子电路包括第一电容C1、第一电感L1、第一电池端口、第一功率管S1以及第二功率管S2，所述第一电容C1的负极连接在母线的正极，第一电容C1的正极与第二功率管S2的漏极相连，第二功率管S2的源极与第一功率管S1的漏极相连，第一功率管S1的源极接母线的负极，第一电感L1接在第一电容C1的负极和第一功率管S1的源极之间，所述第一电池端口并接在第一电容C1的两端，其它子电路连接方式相同；
所述光伏电源电路包括DC-DC直流电路和太阳能电池板，所述DC-DC直流电路的输入连接于太阳能电池板，所述DC-DC直流电路的输出连接在母线上；
所述普通直流电源电路包括AC-DC电路以及三相交流电源，所述AC-DC电路的输入端连接三相交流电源，所述AC-DC电路的输出端正极经第二关联开关K12与母线正极相连，AC-DC电路的输出端负极与母线负极相连；
每个所述充放电子电路均配合一个控制电路，所述控制电路包括数字信号处理器，所述数字信号处理器的信号输入端连接有总线电压测量电路、充放电子电路电感电流测量电路、待维护电池电压测量电路及电池充放电电流测量电路，所述数字信号处理器的信号输出端连接有功率管驱动电路；
所述维护方法包括以下步骤，步骤1）系统开机，闭合第一关联开关K11，光伏电源电路自动对储能电池VB0充电；系统检测充放电子电路中是否有电池接入，通过电池端电压判断各待化成电池的充放电模式，电池处于充电模式时，充电电荷来自于总线电路，当电池处于放电模式时，电池上的放电电荷输入总线电路，充放电电流不同时，则缺少的电荷由储能电池VB0提供，冗余的电荷由储能电池VB0吸收；步骤2）达到预设充放电次数后，取出已完成电池，重新放入下一组待化成电池，在系统运行过程中，光伏电源始终以最大功率向储能电池VB0输出，光伏电池补充系统运行过程中的损耗能量；步骤3）当储能电池VB0发生故障时，第一关联开关K11断开，第二关联开关K12闭合，切除储能电池VB0，接入直流电源，当放电功率和光伏电源输出功率之和大于充电功率之和时，总线电压会上升，如总线电压上升至危险等级，则闭合第一断路器K1接入应急放电电阻直至电压降至安全等级为止。
作为本装置的进一步限定，所述总线电压测量电路包括由第十一电阻R11、第十九电阻R19、第二十六电阻R26组成的分压电路、滤波电容C26以及由第十二电阻R12、第十九电容C19组成的相位超前电路，总线电压测量电路的输入端E为母线的负极，总线电压测量电路的输出端VE-GND连接在数字信号处理器上，所述待维护电池电压测量电路与总线电压测量电路原理相同。
作为本装置的进一步限定，所述充放电子电路电感电流测量电路由霍尔传感器ACS714-30A、第七电阻Rf7、第八电阻Rf8、第十电容C10、第十二电容C12、滤波电容Cf4组成，待测电感L电流通入霍尔传感器ACS714-30A的1、2脚，流出3、4脚，在7脚输出增量成比例的电压经过第七电阻Rf7、第八电阻Rf8、滤波电容Cf4构成的分压滤波电路送至数字信号处理器的模数转换端口；所述电池充放电电流测量电路与充放电子电路电感电流测量电路原理相同。
作为本装置的进一步限定，所述功率管驱动电路由驱动芯片、输入限流电阻R22、输入限流电阻R23、MOSFET门极输入电阻R32、MOSFET门极输入电阻R33、泵升电容C22、泵升二极管D3、去耦电容C21以及去耦电容C23构成，所述第三功率管驱动电路的两路信号输入端与数字信号处理器相连。
作为本方法的进一步限定，蓄电池维护时，一个充放电子电路中的蓄电池充电配合另一个充放电子电路中的蓄电池放电。
作为本方法的进一步限定，判断电池端口是否有电池接入的方法为：以第一电池端口为例：令S1累计50kHz的频率50%的占空比工作1ms，禁止其它所有开关，期间利用数字信号控制器采集P1与A之间电压差，如电压有明显上升，并能持续保持1s不降至零，则判断B1之间无待维护电池连接，反之则判断有待测电池B1接入。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明使用的单总线电池充放电技术，有效利用待测电池放电时的能量，减少了能源的浪费；本发明中各电池充放电子电路相互独立，一旦某个电池充放电子电路出现问题，则把该电池充放电子电路切断，系统将不受影响；本发明中当储能电池电路出现故障时，可由直流电源代替，化成过程不受影响。选定储能电池B0电压等级后，可以维护不同电压等级的电池，本发明集成了光伏电池，同时最优化分配可再生能源与电网能量的使用，避免能量的浪费；本发明可进行热插拔式操作，可以流水化蓄电池维护，提高效率。本发明可用于蓄电池维护中。
附图说明
图1为本发明主电路原理示意图。
图2为本发明控制电路原理框图。
图3为本发明中总线电压测量电路原理图。
图4为本发明中待维护电池电压测量电路原理图。
图5为本发明中充放电子电路电感电流测量电路原理图。
图6为本发明中电池充放电电流测量电路原理图。
图7为本发明中功率管驱动电路原理图。
图8为本发明控制原理框图。
具体实施方式
一种总线光伏集成式蓄电池维护系统及其维护方法，所述维护系统包括主电路和控制电路；
如图1所示，所述主电路包括电池充放电电路、光伏电源电路以及直流电源电路。所述电池充放电电路包括总线电路和N个结构相同的充放电子电路，所述光伏电源电路和直流电源电路为总线电路供电；
所述总线电路包括设置在母线上的储能电池VB0、电容C0、应急放电电阻RD、第一断路器K1、第一关联开关K11及第二关联开关K12，电容C0接在母线的正负极之间，储能电池VB0与第一关联开关K11串联后接在母线的正负极之间，应急放电电阻RD与第一断路器K1串联后接在母线的正负极之间；
由于所有充放电子电路的结构相同，这里以第一充放电子电路为例，第一充放电子电路包括第一电容C1、第一电感L1、第一电池端口、第一功率管S1以及第二功率管S2，所述第一电容C1的负极连接在母线的正极，第一电容C1的正极与第二功率管S2的漏极相连，第二功率管S2的源极与第一功率管S1的漏极相连，第一功率管S1的源极接母线的负极，第一电感L1接在第一电容C1的负极和第一功率管S1的源极之间，所述第一电池端口并接在第一电容C1的两端，其它子电路连接方式相同；
所述光伏电源电路包括DC-DC直流电路和太阳能电池板，所述DC-DC直流电路的输入连接于太阳能电池板，所述DC-DC直流电路的输出连接在母线上；
所述普通直流电源电路包括AC-DC电路以及三相交流电源，所述AC-DC电路的输入端连接三相交流电源，所述AC-DC电路的输出端正极经第二关联开关K12与母线正极相连，AC-DC电路的输出端负极与母线负极相连；
每个所述充放电子电路均配合一个控制电路，如图2所示，所述控制电路包括数字信号处理器，所述数字信号处理器的信号输入端连接有总线电压测量电路、充放电子电路电感电流测量电路、待维护电池电压测量电路及电池充放电电流测量电路，所述数字信号处理器的信号输出端连接有功率管驱动电路。
如图3-4所示，所述总线电压测量电路包括由第十一电阻R11、第十九电阻R19、第二十六电阻R26组成的分压电路、滤波电容C26以及由第十二电阻R12、第十九电容C19组成的相位超前电路，总线电压测量电路的输入端E为母线的负极，总线电压测量电路的输出端VE-GND连接在数字信号处理器上，所述待维护电池电压测量电路与总线电压测量电路原理相同。
如图5-6所示，所述充放电子电路电感电流测量电路由霍尔传感器ACS714-30A、第七电阻Rf7、第八电阻Rf8、第十电容C10、第十二电容C12、滤波电容Cf4组成，待测电感L电流通入霍尔传感器ACS714-30A的1、2脚，流出3、4脚，在7脚输出增量成比例的电压经过第七电阻Rf7、第八电阻Rf8、滤波电容Cf4构成的分压滤波电路送至数字信号处理器的模数转换端口；所述电池充放电电流测量电路与充放电子电路电感电流测量电路原理相同。
如图7所示，所述功率管驱动电路由驱动芯片、输入限流电阻R22、输入限流电阻R23、MOSFET门极输入电阻R32、MOSFET门极输入电阻R33、泵升电容C22、泵升二极管D3、去耦电容C21以及去耦电容C23构成，所述第三功率管驱动电路的两路信号输入端与数字信号处理器相连。
下面结合具体实施例对本发明的维护方法作出进一步说明。
本发明中，有若干个本发明中的充放电装置输入端并联后连接母线的正负极之间，母线接入储能电池以及光伏电源，光伏电源采用开关式直流-直流变换器，每一化成装置对应连接有一个待化成电池端口。
本发明工作时，由于本发明的适用对象为待化成电池，故假定接入的电池分为第一组和第二组，两组电池数量相等，其中第一组处于低电荷状态，第二组处于高电荷状态；且任一组电池化成完成后可随即取走，并接入新待化成电池组。
系统开机，先检测是否有半数电池接入，判断电池端口是否有电池接入的方法为：以第一电池端口为例：令S1累计50kHz的频率50%的占空比工作1ms，禁止其它所有开关，期间利用数字信号控制器采集P1与A之间电压差，如电压有明显上升，并能持续保持1s不降至零，则判断B1之间无待维护电池连接，反之则判断有待测电池B1接入；电池数量通过充放电子电路经通信口传至上位机，上位机收到电池数量信息后发出是否充电指令，然后通过端电压判断储能电池VB0是否状态正常，如正常，则闭合开关K11，否则闭合K12网侧直流电源给电路充电，当第一组电池电满时，接入第二组，此时，上位机通过控制功率管控制第一组电池进入放电模式，同时通过控制功率管控制第二组电池进入充电模式，第一组电池所在电路电感电流流入总线，并通过各自的电池充放电子电路将电荷输入总线，第二组电池所在电路电感电流流出总线，并通过各自的电池充放电子电路为第二组电池充电，充电电荷来自于公共母线，如果系统中待维护电池充放电电荷不均衡，缺少或冗余的电荷均由储能电池VB0提供或吸收。
在此过程中，如任意一块电池完成充电或放电，且充电或放电次数未达到要求，则通过各充放电子电路切换对应电池充放电模式，期间如果系统中待维护电池充放电电荷不均衡，缺少或冗余的电荷均由储能电池B0提供或吸收。
达到预设充放电次数后，可以取出已完成电池，重新放入下一组待化成电池，在系统运行过程中，光伏电源始终以最大功率向储能电池B0输出，光伏电池补充系统运行过程中的损耗能量。
当储能电池VB0发生故障时，第一关联开关K11断开，第二关联开关K12闭合，切除储能电池VB0，接入直流电源，当放电功率和光伏电源输出功率之和大于充电功率之和时，总线电压会上升，如总线电压上升至危险等级，则闭合第一断路器K1接入应急放电电阻直至电压降至安全等级为止。
如图8所示，控制框图包括电流内环和电压外环，本发明中所有充放电子电路的控制框图相同，适用于不用电压等级、不同电荷容量的电池时，所取电压参考值V ref * 以及电压控制器输出限幅（即I B * 最大值）根据实际维护需要自行设定，针对本电池维护模块，该控制系统可以进行分阶段恒流充电与恒压维护的功能，操作时，只需要改变电压参考值，设置合理的充放电电流最大值就可以自动进行充放电。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种总线光伏集成式蓄电池维护系统，其特征在于，包括主电路和控制电路；
所述主电路包括电池充放电电路、光伏电源电路以及直流电源电路；
所述电池充放电电路包括总线电路和若干个结构相同的充放电子电路，所述光伏电源电路和直流电源电路为总线电路供电；
所述总线电路包括设置在母线上的储能电池VB0、电容C0、应急放电电阻RD、第一断路器K1、第一关联开关K11及第二关联开关K12，电容C0接在母线的正负极之间，储能电池VB0与第一关联开关K11串联后接在母线的正负极之间，应急放电电阻RD与第一断路器K1串联后接在母线的正负极之间；
第一充放电子电路包括第一电容C1、第一电感L1、第一电池端口、第一功率管S1以及第二功率管S2，所述第一电容C1的负极连接在母线的正极，第一电容C1的正极与第二功率管S2的漏极相连，第二功率管S2的源极与第一功率管S1的漏极相连，第一功率管S1的源极接母线的负极，第一电感L1接在第一电容C1的负极和第一功率管S1的源极之间，所述第一电池端口并接在第一电容C1的两端，其它子电路连接方式相同；
所述光伏电源电路包括DC-DC直流电路和太阳能电池板，所述DC-DC直流电路的输入连接于太阳能电池板，所述DC-DC直流电路的输出连接在母线上；
所述直流电源电路包括AC-DC电路以及三相交流电源，所述AC-DC电路的输入端连接三相交流电源，所述AC-DC电路的输出端正极经第二关联开关K12与母线正极相连，AC-DC电路的输出端负极与母线负极相连；
每个所述充放电子电路均配合一个控制电路，所述控制电路包括数字信号处理器，所述数字信号处理器的信号输入端连接有总线电压测量电路、充放电子电路电感电流测量电路、待维护电池电压测量电路及电池充放电电流测量电路，所述数字信号处理器的信号输出端连接有功率管驱动电路。
2.根据权利要求1所述的一种总线光伏集成式蓄电池维护系统，其特征在于，所述总线电压测量电路包括由第十一电阻R11、第十九电阻R19、第二十六电阻R26组成的分压电路、滤波电容C26以及由第十二电阻R12、第十九电容C19组成的相位超前电路，总线电压测量电路的输入端E为母线的负极，总线电压测量电路的输出端VE-GND连接在数字信号处理器上，所述待维护电池电压测量电路与总线电压测量电路原理相同。
3.根据权利要求1所述的一种总线光伏集成式蓄电池维护系统，其特征在于，所述充放电子电路电感电流测量电路由霍尔传感器ACS714-30A、第七电阻Rf7、第八电阻Rf8、第十电容C10、第十二电容C12、滤波电容Cf4组成，待测电感L电流通入霍尔传感器ACS714-30A的1、2脚，流出3、4脚，在7脚输出增量成比例的电压经过第七电阻Rf7、第八电阻Rf8、滤波电容Cf4构成的分压滤波电路送至数字信号处理器的模数转换端口；所述电池充放电电流测量电路与充放电子电路电感电流测量电路原理相同。
4.根据权利要求1所述的一种总线光伏集成式蓄电池维护系统，其特征在于，所述功率管驱动电路由驱动芯片、输入限流电阻R22、输入限流电阻R23、MOSFET门极输入电阻R32、MOSFET门极输入电阻R33、泵升电容C22、泵升二极管D3、去耦电容C21以及去耦电容C23构成，所述功率管驱动电路的两路信号输入端与数字信号处理器相连。
5.一种使用权利要求1所述系统维护蓄电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）系统开机，闭合第一关联开关K11，光伏电源电路自动对储能电池VB0充电；系统检测充放电子电路中是否有电池接入，通过电池端电压判断各待化成电池的充放电模式，电池处于充电模式时，充电电荷来自于总线电路，当电池处于放电模式时，电池上的放电电荷输入总线电路，充放电电流不同时，则缺少的电荷由储能电池VB0提供，冗余的电荷由储能电池VB0吸收；
步骤2）达到预设充放电次数后，取出已完成电池，重新放入下一组待化成电池，在系统运行过程中，光伏电源始终以最大功率向储能电池VB0输出，光伏电池补充系统运行过程中的损耗能量；
步骤3）当储能电池VB0发生故障时，第一关联开关K11断开，第二关联开关K12闭合，切除储能电池VB0，接入直流电源，当放电功率和光伏电源输出功率之和大于充电功率之和时，总线电压会上升，如总线电压上升至危险等级，则闭合第一断路器K1接入应急放电电阻直至电压降至安全等级为止。
6.根据权利要求5所述的一种维护蓄电池的方法，其特征在于，蓄电池维护时，一个充放电子电路中的蓄电池充电配合另一个充放电子电路中的蓄电池放电。
7.根据权利要求5所述的一种维护蓄电池的方法，其特征在于，判断电池端口是否有电池接入的方法为：以第一电池端口为例：令S1累计50kHz的频率50%的占空比工作1ms，禁止其它所有开关，期间利用数字信号控制器采集P1与A之间电压差，如电压有明显上升，并能持续保持1s不降至零，则判断B1之间无待维护电池连接，反之则判断有待测电池B1接入。
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