CN105576776A - 锂离子蓄电池电力及通信用直流电源系统 - Google Patents

锂离子蓄电池电力及通信用直流电源系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及采用锂离子蓄电池作为储能单元的电力及通信用直流电源系统。通过交流输入电路，将交流电源接入到整流模块的输入端，交流电源通过整流模块转换为所需要的直流电源，再通过输出母线及馈出回路，为外部负载提供持续的直流电源；隔离二极管的负极连接输出母线的正极，正极连接至充电母线的正极；隔离二极管用于当整流模块正常工作时，利用反向截止防止整流模块的输出电流串入到充电单元；当整流模块非正常工作，输出电压下降或停止输出时，锂离子蓄电池的电流能通过隔离二极管的正向，无间断的输入到输出母线。本发明为蓄电池进行充电的同时，还提供稳定、可靠、持续不断的直流电源。

Description

锂离子蓄电池电力及通信用直流电源系统
技术领域
本发明涉及电学领域，特别涉及一种采用锂离子蓄电池作为后备电源的电力及通信用直流电源系统。
背景技术
当前广泛应用在电力和通信系统的直流电源设备，其储能单元绝大多数为铅酸蓄电池，没有采用既环保又安全的锂离子蓄电池作为储能单元。此外，采用铅酸蓄电池的直流电源系统，只有充电单元(模块)，没有另外独立的整流单元。充电模块在给铅酸蓄电池充电的同时，还可以向外部负载提供持续的直流电源。为负载持续提供可靠的直流电源，是电力及通信用直流系统的关键。
由于锂离子蓄电池的充电特性有别于铅酸蓄电池，上述架构不适合运用在采用锂离子蓄电池的电力及通信用直流电源系统。
由于锂离子蓄电池的充电特性所定，当前锂离子蓄电池管理系统在控制充电模块给锂离子蓄电池充电的同时，不能向外部负载提供持续可靠的直流电源，只能在锂离子蓄电池完成充电后，通过锂离子蓄电池释放电能向才可向外部负载提供直流电源。
鉴于此，这种运行或使用方式，不能应用于需要持续不间断直流电源的电力和通信行业。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种锂离子蓄电池电力及通信用直流电源系统。该系统实现了在给锂离子蓄电池充电同时，还可以为外部负载提供持续的直流电源。
本发明提供的锂离子蓄电池直流电源，包括：一种直流电源系统，包括：整流单元和充电单元两大功能部分，其中，所述整流单元包括交流输入电路、直流监控装置、开关量监测及绝缘监测装置、一个以上的整流模块、输出母线、馈出回路和隔离二极管；充电单元包括锂离子蓄电池管理系统、锂离子蓄电池、充电模块、充电母线、防倒灌二极管和保护元件。其中：通过交流输入电路，将交流电源接入到整流模块的输入端，交流电源通过整流模块转换为所需要的直流电源，再通过输出母线及馈出回路，为外部负载提供持续的直流电源；充电模块的交流输入电路与整流模块同源，充电模块用于给锂离子蓄电池充电，其额定输出功率由锂离子蓄电池的容量确定；锂离子蓄电池管理单元用于控制充电模块的充电方式、输出电压和电流的大小；防倒灌二极管的正极连接在充电模块输出端的正极，负极连接至充电母线的正极；防倒灌二极管的用于防止蓄电池的电流反向输入到充电模块内部；隔离二极管的负极连接输出母线的正极，正极连接至充电母线的正极；隔离二极管用于当整流模块正常工作时，利用反向截止防止整流模块的输出电流串入到充电单元；当整流模块非正常工作，输出电压下降或停止输出时，锂离子蓄电池的电流能通过隔离二极管的正向，无间断的输入到输出母线；当外部负载需要提供高于阈值的直流电流输出时，锂离子蓄电池通过隔离二极管的正向，释放所述高于阈值的直流电流经输出母线、馈出回路至外部负载。
进一步地，所述充电单元还包括：蓄电池保护电路，用于蓄电池过充、过流和短路故障保护；
进一步地，所述充电单元还包括：锂离子蓄电池管理系统、蓄电池保护电路、控制电路、蓄电池电压监测装置、蓄电池温度监测装置、蓄电池充放电控制开关和蓄电池保护熔断器，其中，所述蓄电池电压监测装置用于监测蓄电池工作时的电压参数，蓄电池温度监测装置用于监测蓄电池工作时的工作温度；所述蓄电池充放电控制开关用于控制蓄电池组的接通或断开；蓄电池保护熔断器为蓄电池的第二级过流和短路保护元件，可在蓄电池保护电路失效时起到保护作用。
本发明至少具有以下优点：
本发明将原有采用铅酸蓄电池的直流系统中整流和充电功能合一的架构，分解成整流单元和充电单元两个相互独立又相互融合的全新架构，很好地实现了在给锂离子蓄电池充电的同时，还可以为外部负载提供持续的直流电源。当整流模块停止输出直流电源时，通过锂离子蓄电池的放电，为负载提供无间断直流电源。
另外，锂离子蓄电池与传统的铅酸蓄电池相比有着如下优点：
1)锂离子蓄电池使用中不会释放氢气，不会因为氢气浓度超标而发生爆炸，使用安全性高；
2)锂离子蓄电池使用寿命较铅酸蓄电池长。锂离子蓄电池充放电循环次数大于1200次，使用寿命可达十年以上。而铅酸蓄电池充放电循环次数只有500次左右，实际使用寿命只有3-5年左右；
3)铅酸蓄电池应用在电力及通信直流电源系统时，绝大多数时间蓄电池处于浮充电状态，蓄电池内部的铅板宜在其表面形成硫化层，严重影响铅酸蓄电池的充放电特性和使用寿命，所以铅酸蓄电池需要定期进行充放电维护。而锂离子蓄电池内部没有硫酸，不存在极板硫化，在使用寿命年限内，无需进行多次充放电来激活蓄电池。
4)锂离子蓄电池具有很好的防爆性和安全性，可以用于石化及煤矿等多易燃易爆气体环境中，适合煤矿井下等具有防爆要求场所；
5)锂离子蓄电池生产过程中不会像铅酸蓄电池一样带来严重环保问题，发展前景广阔。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如下。
附图说明
图1为本发明提出的锂离子蓄电池电力及通信用直流电源系统的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，一种锂离子蓄电池电力及通信用直流电源系统，包括：整流单元和充电单元。其中，整流单元包括交流输入电路、直流监控装置(PM，带LCD显示器)、开关量监测装置(FC)及绝缘监测装置(JY)、一个或多个整流模块(如：图1的FMK1、FMK2和FMK3)、输出母线(+ZM、-ZM)、馈出回路和隔离二极管(D2)。其中，整流模块输入端接交流输入电路，整流模块输出端接直流输出母线。整流模块、开关量监测和绝缘监测装置通过通信线与直流监控装置通信，开关量监测和绝缘监测装置上传所采集的实时数据。直流监控装置则依据上传来的数据管理直流电源系统的运行。直流监控装置可以包含LCD显示器，LCD显示器用于系统运行的数据显示、信息查询和系统设置和调试。
整流模块可以是单台或多台并联冗余使用。整流模块在交流输入电源正常时，给外部负载提供持续不间断的直流电源。整流模块通过通信线与直流监控装置连接，上传运行数据、接受控制命令；
输出母线的正极(+ZM)和充电母线的+CM(也即蓄电池组正极)通过隔离二极管(D2)连接，输出母线负极(-ZM)与充电母线的-CM(也即蓄电池组负极)则直接连接在一起。
1)当整流模块正常工作时，依靠隔离二极管的反向截止作用，防止整流模块的输出电流串入到充电单元，搅乱充电单元的工作程序；
2)当整流模块不能正常工作，输出电压下降或停止输出时，锂离子蓄电池的电流能通过隔离二极管的正向，无间断的输入到输出母线；
3)当需要较大直流电流(也就是说，直流电流高于某个阈值)输出时，如发电厂直流电机(油泵)的启用，锂离子蓄电池可以通过隔离二极管的正向，快速释放大电流至输出母线。
依据直流电流由高电位流向低电位的原理，整流模块输出电压设置得比充电模块输出电压高1-2V,因此，在整流模块输出电压正常时，充电模块和锂离子蓄电池的电流不能输出到整流单元的输出母线上，不会造成锂离子蓄电池的充电程序紊乱。
充电单元可以包括：锂离子蓄电池(BT)、充电模块(BMK)、充电母线(+CM、-CM)、锂离子蓄电池管理系统(BMS)、蓄电池保护电路(BMS-B)、控制电路(BMS-K)、蓄电池电压监测装置(BMS-V)、蓄电池温度监测装置(BMS-T)、蓄电池充放电控制开关(KM1、KM2)、蓄电池保护熔断器(FUB)及防倒灌二极管(D1)。其中，充电模块输入端与交流电输入电路连接，充电模块输出端的正极(“+”)通过防倒灌二极管和充电母线的+CM相连接。
锂离子蓄电池管理系统通过通信线与充电模块相连接，并通过蓄电池电压监测装置、蓄电池温度监测装置采集到的蓄电池运行数据，控制充电模块的工作。
整流模块和充电模块两者之间既相互独立又紧密联系。整流单元和充电单元可以配置独立的LCD显示器，分别显示各自的运行数据。充电单元的所有数据也可以通过数据线传递到整流单元的直流监控装置(PM)，通过该直流监控装置的LCD显示器显示充电单元的运行数据。
本发明的工作原理，具体包括：
通过交流输入电路，将交流电源接入到整流模块的输入端。通常整流模块的交流额定输入电压为三相AC380V，如果交流进线电压为其他电压等级，需要通过变压器变换至三相AC380V。交流电源经过整流模块整流为所需的直流电源(通常为直流电压DC48V、DC110V或DC220V)，再通过输出母线(+ZM、-ZM)及馈出回路向外部负载提供持续的直流电源。整流模块的功率大小依据直流系统长期负载需要选取，一般采取N+1冗余备用方式。
整流单元的直流监控装置(PM)通过通信线与开关量监测装置(FC)及绝缘监测装置(JY)通信，将开关量监测装置和绝缘监测装置采集上传的数据进行分析并通过LCD显示器显示。开关量监测装置通过开关等元器件的辅助触点来监测其故障信号和状态信息，如可监测交流输入开关故障信号、直流馈出回路开关故障信号、熔断器故障信号等；绝缘监测装置负责采集直流系统输出母线正负极对接地点间的电压值和电阻值，并通过每路馈出回路的漏电流信号，实现对直流系统绝缘状态及某馈出支路出现接地故障时的选择判定功能；
充电模块的交流输入与整流模块同源。充电模块的功率按照锂离子蓄电池的容量选取，一般为0.1C10-0.2C10，C10为蓄电池容量(Ah)。充电模块的工作方式、充电电压、充电电流的大小，通过锂离子蓄电池管理系统(BMS)控制，可以实现恒电流或恒电压充电。在充电的前期，蓄电池容量低时，锂离子蓄电池管理系统依据蓄电池电压监测装置和蓄电池温度监测装置采集的数据，依靠其内置程序，控制充电模块进行恒电流充电；随着蓄电池充电时间的增加，蓄电池容量逐渐至满容量(标称容量)，蓄电池管理系统转而控制充电模块进行恒电压充电，维持蓄电池容量。当锂离子蓄电池电压和容量不均衡时，锂离子蓄电池管理系统还可以控制充电模块对锂离子蓄电池进行均衡充电，保持每块蓄电池的均衡性。
蓄电池保护电路(BMS-B)具有蓄电池过充、充放电过流和短路保护功能。蓄电池保护电路(BMS-B)上设计有高精度直流电流采集器件，可以实时采集充放电电压和电流数据并传送至锂离子蓄电池管理系统。同时，蓄电池保护电路(BMS-B)还设计有电子开关，在出现过充、过流、短路故障时能在毫秒级(小于100毫秒)时间以内切断电路，避免锂离子蓄电池损坏。
蓄电池电压监测装置(BMS-V)、蓄电池温度监测装置(BMS-T)分别监测锂离子蓄电池工作时的电压参数和工作温度；蓄电池充放电控制开关(KM1、KM2)的作用是控制蓄电池组的接入和退出，方便检修维护；蓄电池保护熔断器(FUB)为锂离子蓄电池的第二级过流和短路保护元件，在蓄电池保护电路(BMS-B)的放电过流和短路保护功能失效时，起到对蓄电池的保护作用。
防倒灌二极管(D1)的作用：依据二极管的单向导通性，电流只能由防倒灌二极管的正极(“+”)流向负极(“-”)，因此，防倒灌二极管的“+”接在充电模块的输出正极端，防倒灌二极管的“-”极接至充电母线的+CM，蓄电池的电流不会经过防倒灌二极管，反向输入至充电模块内部，损坏充电模块；
隔离二极管(D2)的作用：依据二极管的单向导通性，电流只能由隔离二极管的“+”极流向“-”极，因此，隔离二极管的“+”接在充电母线的+CM，隔离二极管的“-”极接至输出母线的+ZM，整流模块的电流不会经过隔离二极管，反向输入至充电单元，避免蓄电池管理系统充电程序的紊乱。
整流模块正常工作时，其电流不能通过隔离二极管的反向输入到充电单元。当整流模块停止输出时，蓄电池的电流则通过隔离二极管的正向无间断(零秒)输入到输出母线+ZM。
为了避免整流模块正常工作时，充电模块和锂离子蓄电池的电流通过隔离二极管的正向流入到整流单元，依据直流电路中电流只能从高电位流向低电位的原理，设置整流模块的输出电压值时，应比充电模块的输出电压值高1-2V。
在交流电源正常，整流模块的输出电流由于隔离二极管的阻断，其输出电流只能向负载提供。不会串入到充电单元，搅乱锂离子蓄电池管理系统的正常工作。在交流电源停电时，整流模块停止输出，锂离子蓄电池的电流经过隔离二极管的正向无间断(零秒)输入到输出母线的+ZM,保证重要用电负载不失电；
在实际使用中，为防止锂离子蓄电池在充电的过程中，充电电流会通过隔离二极管的正向流入输出母线的+ZM，整流模块的输出电压应比充电模块充电电压高1-2V。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。如，其采用电子开关、快速继电器或固态继电器等代替隔离二极管(D2)的替代方案。

Claims (3)

1.一种锂离子蓄电池电力及通信用直流电源系统，其特征在于，包括：整流单元和充电单元，其中，所述整流单元包括交流输入电路、直流监控装置、开关量监测装置、绝缘监测装置、一个以上的整流模块、输出母线、馈出回路和隔离二极管；充电单元包括锂离子蓄电池、锂离子蓄电池管理系统、充电模块、充电母线、保护元件及防倒灌二极管，其中：
通过交流输入电路，将交流电源接入到整流模块的输入端，交流电源通过整流模块转换为所需要的直流电源，再通过输出母线及馈出回路，为外部负载提供持续的直流电源；
充电模块的交流输入电路与整流模块同源，充电模块用于给锂离子蓄电池充电，其额定输出功率由锂离子蓄电池的容量确定；
锂离子蓄电池管理单元用于控制充电模块的充电方式、输出电压和电流的大小；
防倒灌二极管的正极连接在充电模块输出端的正极，负极连接至充电母线的正极；防倒灌二极管的用于防止蓄电池的电流反向输入到充电模块内部；
隔离二极管的负极连接输出母线的正极，正极连接至充电母线的正极；隔离二极管用于当整流模块正常工作时，利用反向截止防止整流模块的输出电流串入到充电单元；当整流模块非正常工作，输出电压下降或停止输出时，锂离子蓄电池的电流能通过隔离二极管的正向，无间断的输入到输出母线；当外部负载需要提供高于阈值的直流电流输出时，锂离子蓄电池通过隔离二极管的正向，释放所述高于阈值的直流电流经输出母线、馈出回路至外部负载。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电单元还包括：蓄电池保护电路，用于锂离子蓄电池的过充、过流和短路故障时的保护。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电单元还包括：蓄电池管理系统、蓄电池保护电路、控制电路、蓄电池电压监测装置、蓄电池温度监测装置、蓄电池充放电控制开关和蓄电池保护熔断器。其中，所述蓄电池电压监测装置用于监测蓄电池工作时的电压参数，蓄电池温度监测装置用于监测蓄电池的工作温度；所述蓄电池充放电控制开关用于控制蓄电池组的接通和断开；蓄电池保护熔断器为蓄电池的第二级过流和短路保护元件，用于蓄电池保护电路失效时对蓄电池的保护。
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