CN105471054A - 一种蓄电池安全保护装置以及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池安全保护装置以及实现方法，所述蓄电池安全保护装置安装在直流电路与蓄电池之间，该装置包括PWM模块、CPU模块、温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块以及接口模块，所述PWM模块、温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块以及接口模块均与CPU模块连接；本发明把外部直流电路对蓄电池施加的电压、电流由CPU根据蓄电池组的单体容量、数量、电压、工作环境温度、蓄电池温度等数据进行智能调节，从而达到保护蓄电池、整流器以及系统安全的目的。

Description

一种蓄电池安全保护装置以及实现方法

技术领域

本发明涉及蓄电池的研究领域，特别涉及一种蓄电池安全保护装置以及实现方法。

背景技术

直流系统广泛应用于通信、信息处理的各个领域。传统的直流系统主要由直流屏(整流器)和蓄电池组成，在实际使用中，蓄电池组作为后备电源，充当极为重要的角色，是整个直流系统的心脏。目前，直流系统主要采用阀控式铅酸蓄电池作为后备电源，阀控式铅酸蓄电池的使用寿命和工作环境、浮充电压大小、放电维护周期有非常大的关系。

很多场合下，直流屏需要对负载供电，对负载供电的电压一般都是设定为蓄电池组的浮充电压。当蓄电池组放电结束后，蓄电池组的电压较低，此时，如果把蓄电池组直接接入直流屏，会产生很大的瞬间电流，出现多种意外情况：

①直流屏具备过流保护功能，瞬间大电流导致直流屏保护、关断，在直流线上产生极大的电压波动，影响负载工作状态；

②瞬间大电流冲击，有可能损坏直流屏；

③不加限制的大电流，很可能损坏蓄电池；

④没有限制的大电流，甚至损坏线路上的熔断器等等；

为了避免以上情况发生，当蓄电池组放电结束后，通常采用降低整流器的输出电压的方式给蓄电池组充电。这个方式，需要人为的逐步提升整流器的输出电压，整个充电过程需要浪费大量的时间，严重影响工作效率。

考虑上述安全因素，直流系统中的蓄电池组进行放电维护，直流屏和蓄电池组要从系统中退出，放电，然后再接入，该过程涉及整个直流系统中控制母线，合闸母线，直流母线，直流屏，蓄电池组等多个部件的开关合闸，过程繁琐。

另外，当变电站或其他直流系统应用环境的空调故障，蓄电池组工作环境温度较高时，蓄电池组处于浮充状态，容易发生鼓胀、热失控的现象，导致蓄电池组报废。

再者，阀控式铅酸蓄电池组在使用过程中，经常会出现某个或者某几个的落后单体膨胀、漏液、容量急剧下降等劣化现象，当劣势单体个数只有一两个时，目前有一些做法是把劣势单体剔除，继续使用，由于单体个数发生改变，这时需要调整直流屏的输出电压，避免浮充电压过高导致蓄电池组被“充坏”，而直流屏输出电压的更改一方面改变了原有的直流系统的电压输出，另一方面很多直流屏输出电压的更改需要厂家派专人到现场更改，同时当整组蓄电池进行更换时，直流系统输出电压还要更改一次，带来一定的工作不便。当蓄电池组中劣势单体较多，比如四五个时，考虑到阀控铅酸蓄电池组较高的一致性要求，通常的做法是把整组蓄电池报废。这种整组电池报废的现象有两个弊端：1、除了某几个落后单体之外，其他的蓄电池单体性能仍然较好，满足继续服役的要求，出于阀控式铅酸蓄电池组一致性考虑，整组报废，造成了极大的浪费；2、目前很多供用户推行零库存原则，如果蓄电池组突然报废，可能缺乏应急更换的蓄电池组，同时重新采购蓄电池组的周期长达1-2年，这样将造成一定的工作不便和安全隐患。

传统的直流系统连接模式，都是把蓄电池直接挂接在整流器的输出上，整流器平时承担对负载的供电以及给蓄电池充电的任务。当蓄电池充电完成后，蓄电池一直处于浮充状态；这个传统的直流系统组成模式，对蓄电池的寿命产生极大的破坏性。本发明颠覆传统的蓄电池充电模式，在保证直流系统安全供电的前提下，让蓄电池大部分时间处于静置状态，保证了蓄电池的安全，从而，延长了直流系统的寿命。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种蓄电池安全保护装置以及实现方法，把外部直流电路对蓄电池施加的电压、电流由CPU根据蓄电池组的单体容量、数量、电压、工作环境温度、蓄电池温度等数据进行智能调节，从而达到保护蓄电池、整流器以及系统安全的目的。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种蓄电池安全保护装置，所述蓄电池安全保护装置安装在直流电路与蓄电池之间，包括PWM模块、CPU模块、温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块以及接口模块，所述PWM模块、温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块以及接口模块均与CPU模块连接；

所述PWM模块，用于对蓄电池充电的电压、电流的控制；

所述CPU模块用于采集电流检测模块、电压检测模块和温度检测模块的信号，并控制PWM模块，实现对蓄电池充电电压和电流的精确控制；

所述温度检测模块，用于检测蓄电池工作环境温度以及蓄电池单体温度；

所述电压检测模块，用于检测蓄电池充电电压、蓄电池电压

所述电流检测模块，用于检测蓄电池的充放电电流；

所述接口模块，用于信息显示和信息输入、输出，可输入蓄电池单体个数、单体标称容量、单体标称电压的基本信息，还可输出蓄电池充放电电容量、充电状态、放电状态的信息。

作为优选的技术方案，所述PWM模块包括MOS功率器件、二极管以及MOS驱动电路，所述二极管与MOS功率器件并联，所述MOS功率器件与MOS驱动电路连接；当该装置有不同功率要求或者需加强PWM模块可靠性时，可采用多个MOS功率器件与多个二极管并联的方式。

作为优选的技术方案，所述CPU模块采用具备PWM输出的芯片，所述具备PWM输出的芯片为PIC、ARM或STC单片机。

作为优选的技术方案，所述温度检测模块为满足温度测试范围的温度电阻，或者为直接输出温度数据的温度传感器；

所述电压检测模块为采用电阻分压处理，对CPU模块进行A/D转换获得电压数据，或者述电压检测模块采用直接输出电压数据的电压传感器；

所述电流检测模块采用电流互感线圈，配合外围电路给CPU对电流进行检测，或者采用直接输出电流数据的电流传感器。

作为优选的技术方案，所述接口模块包括显示模块、输入模块和通信模块，所述显示模块、输入模块和通信模块均与CPU模块连接，所述显示模块采用发光二极管或者液晶显示器；所述输入模块采用按键、有线或者无线输入方式；所述通信模块用于对外进行数据交换，采用有线或者无线的数据通信方式。

本发明还提供了一种蓄电池安全保护装置的实现方法，该方法包括下述步骤：

S1、利用电压检测模块、电流检测模块分别检测外部直流电路和蓄电池的电压、电流，同时利用温度检测模块检测蓄电池工作环境温度、蓄电池单体温度；

S2、通过接口模块输入蓄电池组单体的容量、数量和单体标称电压规格；

S3、CPU模块智能判断对蓄电池组的安全浮充电压、均充电压值；

S4、利用CPU模块控制PWM模块调节外部直流电路对蓄电池组施加的电压,使蓄电池组处于安全充电电压状态。

作为优选的技术方案，所述CPU模块根据输入的蓄电池单体的标称容量，判断对蓄电池组施加的安全电流范围，当电流检测模块检测外接电流输出电流过大时，CPU模块控制PWM模块调节输出充电电流至安全范围。

作为优选的技术方案，当外部直流电路电压发生变化时，电压检测模块检测到电压变化后，CPU模块根据其变化值判断对蓄电池组的充电状态是浮充、均充，并相应的调节对蓄电池组的输出电压。

作为优选的技术方案，当工作环境温度及蓄电池单体温度较高时，CPU模块根据温度检测模块的数据控制PWM模块降低对蓄电池的充电电压输出，避免高温环境下长时间对蓄电池组浮充造成的损害；当环境温度恢复到正常值时，CPU模块控制PWM模块提升对蓄电池的充电电压，恢复对蓄电池的浮充。

作为优选的技术方案，所述CPU模块根据蓄电池充电的电压、电流以及充电时间，确定蓄电池的充电完成状态，当蓄电池充电完成后，关断对蓄电池的浮充，让蓄电池处于静置状态；当蓄电池处于静置状态时，蓄电池本身的自放电会导致蓄电池的容量缓慢下降，CPU则采取定时补充电的方式，给蓄电池充电，让蓄电池处于满容量状态。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明把外部直流电路对蓄电池施加的电压、电流由CPU根据蓄电池组的单体容量、数量、电压、工作环境温度、蓄电池温度等数据进行智能调节，从而达到保护蓄电池、整流器以及系统安全的目的。

2、简化直流系统蓄电池放电维护的工作程序，减少蓄电池组因个别蓄电池单体劣化而导致整组报废造成的浪费以及蓄电池报废带来的环境污染。

3、本发明颠覆传统直流系统中，蓄电池长期处于浮充状态而导致的蓄电池寿命缩短的缺陷；本发明让蓄电池脱离长期浮充的模式，让蓄电池各个单体不会因为浮充电压过高而出现电解水反应，减少蓄电池缺液现象；另外，由于长时间处于静置状态，避免蓄电池过充电而导致蓄电池发热，杜绝蓄电池因过充电而膨胀；蓄电池虽然长期处于静置状态，却不会降低对外放电的能力，大大延长了整个直流系统的寿命。

附图说明

图1是本发明在直流系统应用示意图；

图2是本发明装置的结构示意图；

图3是本发明实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1-图3所示，本发明的蓄电池安全保护装置，安装在直流电路与蓄电池之间，其特征在于，包括PWM模块、CPU模块、温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块以及接口模块，所述PWM模块、温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块以及接口模块均与CPU模块连接；

所述PWM模块用于对蓄电池充电的电压、电流的控制；

所述CPU模块用于采集电流检测模块、电压检测模块和温度检测模块的信号，并控制PWM模块，实现对蓄电池充电电压和电流的精确控制；

所述温度检测模块，用于检测蓄电池工作环境温度以及蓄电池单体温度；

所述电压检测模块，用于检测蓄电池充电电压、蓄电池电压

所述电流检测模块，用于检测蓄电池的充放电电流；

所述接口模块，用于信息显示和信息输入、输出，可输入蓄电池单体个数、单体标称容量、单体标称电压的基本信息，还可输出蓄电池充放电电容量、充电状态、放电状态的信息。

所述PWM模块包括MOS功率器件、二极管以及MOS驱动电路，所述二极管与MOS功率器件并联，所述MOS功率器件与MOS驱动电路连接；当该装置有不同功率要求或者需加强PWM模块可靠性时，可采用多个MOS功率器件与多个二极管并联的方式。

所述CPU模块采用具备PWM输出的芯片，所述具备PWM输出的芯片为PIC、ARM或STC单片机。

所述温度检测模块为满足温度测试范围的温度电阻，或者为直接输出温度数据的温度传感器；

所述电压检测模块为采用电阻分压处理，对CPU模块进行A/D转换获得电压数据，或者述电压检测模块采用直接输出电压数据的电压传感器；

所述电流检测模块采用电流互感线圈，配合外围电路给CPU对电流进行检测，或者采用直接输出电流数据的电流传感器。

所述接口模块包括显示模块、输入模块和通信模块，所述显示模块、输入模块和通信模块均与CPU模块连接，所述显示模块采用发光二极管或者液晶显示器；所述输入模块采用按键、有线或者无线输入方式；所述通信模块用于对外进行数据交换，采用有线或者无线的数据通信方式。

本实施例以变电站中220V蓄电池组为例，通常是两台直流屏带两组蓄电池，当蓄电池组1#需要进行周期放电维护时，正常流程是③开关闭合，直流屏2#和蓄电池组2#接入电路，确保系统有一组蓄电池2#作为后备电源，然后断开①、②开关，直流屏1#、蓄电池组1#退出，蓄电池组1#进行放电核容工作，放电结束后，如果立刻把①、②开关闭合，由于两组蓄电池间的电压差较大，会导致蓄电池1#充电电流过大，对蓄电池组产生巨大的损伤。另外，放电结束后的蓄电池组也不能直接与直流屏连接，如果直接连接，会产生很大的瞬间电流对蓄电池组充电，出现多种意外情况：

①整流器具备过流保护功能，瞬间大电流导致整流器保护、关断，在直流母线上产生极大的电压波动，影响负载工作状态；

②瞬间大电流冲击，有可能损坏整流器；

③不加限制的大电流，甚至损坏蓄电池；

④没有限制的大电流，甚至损坏线路上的熔断器等等；

为了避免上述意外，当前通常的做法是，采用降低整流器的输出电压给蓄电池组充电。这个方式，需要逐步提升整流器的输出电压，整个充电过程需要浪费大量的时间，严重影响工作效率。

现采用本发明的蓄电池安全保护装置，安装在蓄电池组和直流屏电路之间，在本发明装置的显示屏中输入连接的蓄电池组的单体个数，单体标称电压等级，单体标称容量信息，本装置的CPU模块可以对蓄电池组可施加的安全充电电压范围、安全电流范围进行明确的判断。以一组108个单体标称电压为2V，标称容量为500AH的蓄电池组为例，通过输入这些信息，本发明装置的CPU立刻可以判定本蓄电池组的安全浮充电压为240V，均充电压为254V，安全充电电流为50A(10小时率计算)。蓄电池组1#需要退出放电时，只需要让母线开关③合闸，②开关无需断开，直流屏1#无需退出，直接控制1#蓄电池上的蓄电池安全保护装置软开关，即可让1#蓄电池进入放电核对容量状态。当蓄电池组放电结束后，直接控制1#蓄电池上的蓄电池安全保护装置软开关，即可进入蓄电池安全充电状态。虽然1#蓄电池直接接入母线时，1#蓄电池的电压比较低，但是，由于本发明具备抑制瞬间大电流的能力以及PWM控制，CPU模块根据电流检测模块的数据控制PWM模块调节，控制直流母线的输出电流，对蓄电池组进行0.1C的恒流充电，等蓄电池组充电达80％后在转为恒压充电，最后进入涓流充电状态，避免上述提及的意外发生，简化了传统的蓄电池组放电后充电的流程。

采用本发明的蓄电池安全保护装置后，当蓄电池已经在满电状态时，CPU模块控制PWM模块停止对蓄电池进行充电，让蓄电池处于静置状态，避免了蓄电池长期处于浮充状态对蓄电池造成的破坏。蓄电池处于长期静置状态时，蓄电池本身的自放电会导致蓄电池容量逐步降低，CPU模块可以定时对蓄电池进行补充电，让蓄电池长期处于满电状态。虽然蓄电池处于静置状态，但是，由于蓄电池具备单向完全放电的能力，当外部直流电源出现异常时，蓄电池可以给负载供电，确保整个直流系统的安全。

实施例2

本实施例以变电站中常见的108个2V单体的220V蓄电池组为例，如果有8个单体劣势无法使用，可以把8个劣势单体退出，剩下100个单体继续使用，以往的做法是，改变直流屏对蓄电池组的浮充电压，由原来的240V更改为223V，这样一来改变了直流系统中直流屏原有的输出电压，另一方面直流屏输出电压的更改，很多时候需要厂家派专人进行更改，操作比较繁琐。使用本发明的蓄电池保护装置，在显示模块中输入当前蓄电池组的单体标称电压和单体个数，CPU模块将对PWM模块发送指令，把当前直流屏输出的240V浮充电压，通过PWM模块调节为223V输出，达到在不需要对直流屏参数设置有任何改动的情况下，根据当前蓄电池组的个数，快速简单地调节蓄电池组浮充电压的目的。

当直流屏从浮充状态转变为均充状态，输出电压从240V提升为254V，本发明的蓄电池保护装置电压检测模块检测到外电路电压的变化，并根据之前输入的蓄电池组信息结合电压增量，可以判断直流屏对蓄电池组充电状态的改变，本发明的保护装置CPU模块同步控制PWM模块，相应提升输出电压，从浮充的223V提升至235V，使蓄电池组进入对应的均充状态，反之亦然。

实施例3

当机房空调失灵或空调功率不够或根本没有安装空调时，例如夏天等炎热季节，机房的室内温度较高，不适宜对蓄电池充电时，本发明的蓄电池保护装置的温度检测模块采集当前工作环境温度较高，比如大于35℃，CPU模块判定当前温度为危险的蓄电池组充电温度，控制PWM模块降低输出电压至与蓄电池组电压持平，实现在高温状态下停止对蓄电池组充电，以免造成蓄电池组膨胀或热失控，同时，电流检测模块检测蓄电池组端的电流，当检测电流值为负值，表明由于保护装置端的输出电压比蓄电池组端电压低，导致蓄电池组处于放电状态，此时，CPU模块控制PWM模块提升输出电压，直到电流检测模块检测不到放电电流为止，防止输出电压过低导致蓄电池放电的现象。当温度恢复正常范围，如低于30℃时，重新恢复对蓄电池组的浮充电压输出。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蓄电池安全保护装置，所述蓄电池安全保护装置安装在直流电路与蓄电池之间，其特征在于，包括PWM模块、CPU模块、温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块以及接口模块，所述PWM模块、温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块以及接口模块均与CPU模块连接；

所述PWM模块，用于对蓄电池充电的电压、电流的控制；

所述CPU模块用于采集电流检测模块、电压检测模块和温度检测模块的信号，并控制PWM模块，实现对蓄电池充电电压和电流的精确控制；

所述温度检测模块，用于检测蓄电池工作环境温度以及蓄电池单体温度；

所述电压检测模块，用于检测蓄电池充电电压、蓄电池电压

所述电流检测模块，用于检测蓄电池的充放电电流；

所述接口模块，用于信息显示和信息输入、输出，可输入蓄电池单体个数、单体标称容量、单体标称电压的基本信息，还可输出蓄电池充放电电容量、充电状态、放电状态的信息。

2.根据权利要求1所述的蓄电池安全保护装置，其特征在于，所述PWM模块包括MOS功率器件、二极管以及MOS驱动电路，所述二极管与MOS功率器件并联，所述MOS功率器件与MOS驱动电路连接；当该装置有不同功率要求或者需加强PWM模块可靠性时，可采用多个MOS功率器件与多个二极管并联的方式。

3.根据权利要求1所述的蓄电池安全保护装置，其特征在于，所述CPU模块采用具备PWM输出的芯片，所述具备PWM输出的芯片为PIC、ARM或STC单片机。

4.根据权利要求1所述的蓄电池安全保护装置，其特征在于，所述温度检测模块为满足温度测试范围的温度电阻，或者为直接输出温度数据的温度传感器；

所述电压检测模块为采用电阻分压处理，对CPU模块进行A/D转换获得电压数据，或者述电压检测模块采用直接输出电压数据的电压传感器；

所述电流检测模块采用电流互感线圈，配合外围电路给CPU对电流进行检测，或者采用直接输出电流数据的电流传感器。

5.根据权利要求1所述的蓄电池安全保护装置，其特征在于，所述接口模块包括显示模块、输入模块和通信模块，所述显示模块、输入模块和通信模块均与CPU模块连接，所述显示模块采用发光二极管或者液晶显示器；所述输入模块采用按键、有线或者无线输入方式；所述通信模块用于对外进行数据交换，采用有线或者无线的数据通信方式。

6.根据权利要求1-6中任一项所述的蓄电池安全保护装置的实现方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

S1、利用电压检测模块、电流检测模块分别检测外部直流电路和蓄电池的电压、电流，同时利用温度检测模块检测蓄电池工作环境温度、蓄电池单体温度；

S2、通过接口模块输入蓄电池组单体的容量、数量和单体标称电压规格；

S3、CPU模块智能判断对蓄电池组的安全浮充电压、均充电压值；

S4、利用CPU模块控制PWM模块调节外部直流电路对蓄电池组施加的电压,使蓄电池组处于安全充电电压状态。

7.根据权利要求6所述的蓄电池安全保护装置的实现方法，其特征在于，所述CPU模块根据输入的蓄电池单体的标称容量，判断对蓄电池组施加的安全电流范围，当电流检测模块检测外接电流输出电流过大时，CPU模块控制PWM模块调节输出充电电流至安全范围。

8.根据权利要求6所述的蓄电池安全保护装置的实现方法，其特征在于，当外部直流电路电压发生变化时，电压检测模块检测到电压变化后，CPU模块根据其变化值判断对蓄电池组的充电状态是浮充、均充，并相应的调节对蓄电池组的输出电压。

9.根据权利要求6所述的蓄电池安全保护装置的实现方法，其特征在于，当工作环境温度及蓄电池单体温度较高时，CPU模块根据温度检测模块的数据控制PWM模块降低对蓄电池的充电电压输出，避免高温环境下长时间对蓄电池组浮充造成的损害；当环境温度恢复到正常值时，CPU模块控制PWM模块提升对蓄电池的充电电压，恢复对蓄电池的浮充。

10.根据权利要求6所述的蓄电池安全保护装置的实现方法，其特征在于，所述CPU模块根据蓄电池充电的电压、电流以及充电时间，确定蓄电池的充电完成状态，当蓄电池充电完成后，关断对蓄电池的浮充，让蓄电池处于静置状态；当蓄电池处于静置状态时，蓄电池本身的自放电会导致蓄电池的容量缓慢下降，CPU则采取定时补充电的方式，给蓄电池充电，让蓄电池处于满容量状态。