CN106160084B - 一种模块化锂电池直流电源系统 - Google Patents

Abstract

一种模块化锂电池直流电源系统，包括若干锂电池包，所述锂电池包包括防爆箱，在防爆箱内设有充电模块，充电模块一端通过导线与一锂电池组的输入端相连，锂电池组与设在防爆箱内的电池管理系统相连，电池管理系统通过导线分别与设在防爆箱内的灭火装置、烟雾传感器、加热器、风扇、放电控制单元、均衡模块相连；所述均衡模块通过导线与锂电池组相连，所述放电控制单元与直流输出端通过导线相连。本装置使用寿命长，适用温度范围广泛，对控制方式进行了优化，维护过程中的容量几乎不减少，电池包线上自主均衡，电池包可进行线下自主维护，电池包支持“热插拔”，使用过程无毒、无污染。

Description

一种模块化锂电池直流电源系统

技术领域：

本发明涉及一种模块化锂电池直流电源系统。

背景技术：

电力行业厂站类直流电源系统肩负着为电力系统中的继电保护、自动化设备、通讯设备、事故照明等提供安全、稳定、可靠的电力保障的责任，因此保证直流电源系统的安全、稳定运行具有十分重要的意义。长期以来，电力系统厂站类直流电源系统一直以来都是采用铅酸蓄电池组作为备用电池。但该类电源系统存在许多不足。为了保证电池随时都具有充足的电量，现有厂站直流电源采用的蓄电池需要面对长期浮充电的情况，这种长期浮充会使铅酸电池产生钝化反应，降低电池容量。正因如此，一般的铅酸蓄电池在变电站只有5-6年的使用寿命。同时，铅酸蓄电池对温度十分敏感，且其一致性差，对充电机性能要求高。因为上述原因，在电源系统设计过程中，会采用各种复杂的电气设计方法，为电源系统检修，电池维护工作创造条件；但是这些设计不仅会带来显著的成本增加、维护困难等问题，而且在扩容过程中需要对电池、充电设备、断路器、线路以及通信等各种部件进行改造以满足要求。但是这些改造虽然花费较大，却难以克服铅酸蓄电池的实质缺点。随着近年来电池技术飞速发展，锂电池应用越来越广泛，因锂电池具有容载比高、使用寿命长、对温度敏感性差、维护简单等优点，可以解决电力系统使用铅酸电池带来的技术问题。但是因为锂电池使用过程中安全性、充放电控制等方面存在技术问题，所以电力系统迟迟未大规模的采用锂电池作为备用电源。

发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺点，采用锂电池替代铅酸蓄电池，本发明使用寿命长，适用温度范围广泛，对控制方式进行了优化，维护过程中的容量几乎不减少，电池包线上自主均衡，电池包可进行线下自主维护，电池包支持“热插拔”，使用过程无毒、无污染，解决了现有技术中存在的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种模块化锂电池直流电源系统，包括若干锂电池包，所述锂电池包包括防爆箱，在防爆箱内设有充电模块，充电模块一端通过导线与一锂电池组的输入端相连，锂电池组输出端通过一穿过防爆箱壳体的导线与直流输出端相连，锂电池组与设在防爆箱内的电池管理系统相连，电池管理系统通过导线分别与设在防爆箱内的灭火装置、烟雾传感器、加热器、风扇、放电控制单元、均衡模块相连；所述均衡模块通过导线与锂电池组相连，所述放电控制单元与直流输出端通过导线相连；充电模块通过一穿过防爆箱壳体的导线与交流电源相连，电池管理系统与一监控系统通信相连。

优选的，所述锂电池组由若干串联的锂电池组成，所述若干锂电池包为一个或者多个并联布置。

优选的，所述直流输出端还安装有电压采集器和电流采集器。

优选的，所述电池管理系统用于采集锂电池包各个单体电池的电压及电池内阻，监测控制锂电池包内的充电模块、均衡模块、灭火装置、风扇、加热器、烟雾传感器及放电控制单元，通过连接电压采集器及电流采集器检测整个锂电池包的输出电压及输出电流，电池管理系统通信连接监控系统以实现数据的上传和接收监控系统下发的指令。

优选的，所述监控系统包括绝缘监察装置和监控装置，监控装置与电池管理系统相连，绝缘监察装置分别与锂电池包和监控装置相连。

优选的，所述监控装置与绝缘监察装置通信相连，实时监控锂电池包的绝缘状态；监控装置提供图形化人机界面及语音报警功能，完成系统的数据展现及下发控制命令，实现设备的安全监控、数据信息记录功能，显示锂电池包单体电压曲线、输出电压曲线、输出电流曲线、单体电池内阻曲线、温度曲线数据信息，并提供数据共享的功能，为数据转发提供接口。

优选的，均衡模块用于将单个锂电池的电压进行均衡以保证各个单体锂电池的电压值在一个水平线上。

优选的，充电模块和放电控制单元在监控系统和电池管理系统的调控下对电池组进行活化。

优选的，所述交流电源包括断路器和交流母线；交流母线通过断路器与锂电池包相连。

优选的，所述直流输出端包括直流母线、断路器、馈线和开关，直流母线通过断路器与锂电池包相连。

与现有技术相比，本发明的优点是：1、使用寿命长，本发明采用锂电池作为电能存储介质，通过本发明，电池使用周期约为15-20年，相比铅酸电池5-6年的使用周期，系统寿命的延长将带来可观的使用时间和经济效益；2、适用温度范围广泛，锂电池工作温度范围较大，相比铅酸电池25℃左右的温度范围，锂电池的工作温度范围为-25℃-60℃，可大大增强该类电源的使用领域；3、维护过程中的容量几乎不减少，采用本方法建立的直流电源系统，在进行单电池包维护过程中，电池容量下降10％以下，相比当前系统维护时提供50％的容量来看，大大提高了维护时期电源的可靠性；4、锂电池包线上自主均衡，为了达到串联电池的最好性能，通过自主均衡一方面可以提高电池的使用容量，另一方面也能延长电池的使用寿命，在本发明中，系统在电池包的电池管理系统中设计了自主均衡模块，随时可完成电池均衡；5、锂电池包可进行线下自主维护，锂电池长期处于满电状态下会影响电池的使用寿命，因此在本方法的锂电池包设计中，增加了锂电池自主维护电阻，在电池充满电一段时间后，电池包中的充电模块会降低输出电压，保护电池，在进行活化操作时，电池包会断开输出，以免影响输出电压，进而实现线下的自主维护；6、锂电池包支持“热插拔”，本系统设计的电池包，可随时进行热插拔，每个锂电池包通过与监控系统通信并得到允许后进行充电、活化等操作，即使在电量不足情况下，替换为满电锂电池包亦可使用，这为长时间使用备用电源带来了便利；7、方便扩容，本系统在需要扩容的情况下，增加电池包的“工位”，通过“热插拔”方式即可完成系统扩容；8、降低污染，铅酸电池生产过程中会产生大量铅渣、铅尘、铅水等污染物，而新兴锂电池在生产、使用、回收全生命周期中保持低污染甚至无污染，在使用过程中也能保持无毒、无污染的优势。

附图说明：

图1为本发明的逻辑结构示意图。

图2为锂电池包的电气结构示意图。

图中，1、充电模块，2、锂电池组，3、直流输出端，4、电池管理系统，5、灭火装置，6、烟雾传感器，7、加热器，8、风扇，9、放电控制单元，10、均衡模块，11、交流电源，12、监控装置，13、锂电池，14、锂电池包，15、电压采集器，16、电流采集器，17、绝缘监察装置。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1-2所示，一种模块化锂电池直流电源系统，包括若干锂电池包，所述锂电池包14包括防爆箱，在防爆箱内设有充电模块1，充电模块1一端通过导线与一锂电池组2的输入端相连，锂电池组2输出端通过一穿过防爆箱壳体的导线与直流输出端3相连，锂电池组2与设在防爆箱内的电池管理系统4相连，电池管理系统4通过导线分别与设在防爆箱内的灭火装置5、烟雾传感器6、加热器7、风扇8、放电控制单元9、均衡模块10相连；所述均衡模块10通过导线与锂电池组2相连，所述放电控制单元9与直流输出端3通过导线相连；充电模块1通过一穿过防爆箱壳体的导线与交流电源11相连，电池管理系统4与一监控系统2通信相连。

所述锂电池组2由若干串联的锂电池13组成，所述锂电池包14为一个或者多个并联布置。多个并联布置利于提高工作时的输出和稳定性。

所述直流输出端3用于为外部设备提供稳定的直流电压和直流电流，并安装有电压采集器15和电流采集器16。

所述电池管理系统4用于采集锂电池包14各个单体电池的电压及电池内阻，监测控制锂电池包14内的充电模块1、均衡模块10、灭火装置5、风扇8、加热器7、烟雾传感器5及放电控制单元9，通过连接电压采集器15及电流采集器16检测整个锂电池包14的输出电压及输出电流，电池管理系统4通信连接监控系统以实现数据的上传和接收监控系统下发的指令。

所述监控系统包括绝缘监察装置17和监控装置12，监控装置12与电池管理系统4相连，绝缘监察装置17分别与锂电池包14和监控装置12相连。

所述监控装置12与绝缘监察装置17通信相连，实时监控锂电池包14的绝缘状态；监控装置12提供图形化人机界面及语音报警功能，完成系统的数据展现及下发控制命令，实现设备的安全监控、数据信息记录等功能，显示锂电池包单体电压曲线、输出电压曲线、输出电流曲线、单体电池内阻曲线、温度曲线数据信息，并提供数据共享的功能，为数据转发提供接口。

均衡模块10用于将单个锂电池13的电压进行均衡以保证各个单体锂电池13的电压值在一个水平线上。

充电模块1和放电控制单元9在监控系统和电池管理系统的调控下对电池组进行活化。

所述交流电源11包括断路器和交流母线；交流母线通过断路器与锂电池包14相连。

所述直流输出端3包括直流母线、断路器、馈线和开关，直流母线通过断路器与锂电池包14相连。

防爆箱包括箱体、隔板、内卡接有锂电池包14的锂电池包存放室、内设充电模块1的充电模块存放室、内设电池管理系统4的电池管理系统安装架、交流进线孔、直流输出孔、减震橡胶垫、变形探测器，在防爆箱底部设有万向轮。实现锂电池包的模块化设计。

本发明提供的模块化锂电池直流电源系统包括交流电源11、锂电池包14、直流输出端3、监控系统12；交流电源11为锂电池包14提供电能的输入，交流电源11通过控制开关接入锂电池包14，锂电池包14可以是一个也可以是多个，当有多个锂电池包14互相并联，锂电池包14包括锂电池组2、连接线、电池管理系统4、充电模块1、均衡模块10、放电控制单元9、灭火装置5、风扇8、加热器7、烟雾传感器6构成；电池管理系统4用于采集锂电池包14各个单体电池的电压及电池内阻，检测控制锂电池包14内的充电模块1、均衡模块10、灭火装置5、风扇8、加热器7、烟雾传感器6及放电控制单元9，通过连接电压采集器及电流采集器检测整个锂电池包14的电压及电流；电池管理系统4通过连接监控系统实现数据的上传和接收监控系统的下发指令的功能，通过通信口与充电模块1相连接可获取充电模块1的输出电流和电压，通过连接电压及电流采集器获取锂电池包14的总输出电压及电流，电池管理系统4通过获取的锂电池组2电压及电流数据计算锂电池组2的容量，当锂电池组2的容量低于设置的容量时，电池管理系统4发送指令控制充电模块1的输出电压及输出电流对电池组进行充电，同时均衡模块10对单个电池的电压进行均衡以保证各个单体电池的电压值在一个水平线上，当电池组的单体电压达到设置的最高单体电压时，电池管理系统4命令充电模块1停止输出电流，并阶段性的降低输出电压，以保证锂电池组14不一直处在浮充状态，使电池组保持正常性能和寿命；电池管理系统4实时检测各个单节电池温度，当温度到达设置的上限时，启动风扇进行降温，当温度低于设置的下限时，启动加热器7对锂电池组2进行加热处理；锂电池包14的交流输入电压、交流输入电流、直流输出电压、直流输出电流等测量数据超出设置值的上下限时报警提示用户并上报监控系统；电池管理系统4实时采集烟雾传感器6的状态，当出现电池损坏、产生异味、烟雾、明火时发出告警信息，并上送到监控装置12，当出现火灾情况时可根据火灾源进行灭火，同时隔离火灾源以防止火灾蔓延，同时切断其部分输出以保证其他设备可正常运行；电池管理系统4对锂电池组2进行周期性电池内阻的采集，并保存这些内阻数据，通过对电池内阻数据的采集处理自动判断电池的性能，并上报监控系统通知用户，通过充电模块1和放电控制单元9对电池组进行活化；监控系统由通信线路、绝缘监察设备17、监控装置12组成，实时监控各个电池包的数据，监控装置12通过通信口连接绝缘监察装置17，实时监控直流系统的绝缘状态；监控装置12提供图形化人机界面及语音报警功能，完成系统的数据展现及下发控制命令，实现设备的安全监控、数据信息记录等功能，显示锂电池包14单体电压曲线、输出电压曲线、输出电流曲线、单体电池内阻曲线、温度曲线等数据信息，此外监控装置还提供数据共享的功能，为数据转发提供接口。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种模块化锂电池直流电源系统，其特征在于：包括若干锂电池包，所述锂电池包包括防爆箱，在防爆箱内设有充电模块，充电模块一端通过导线与一锂电池组的输入端相连，锂电池组输出端通过一穿过防爆箱壳体的导线与直流输出端相连，锂电池组与设在防爆箱内的电池管理系统相连，电池管理系统通过导线分别与设在防爆箱内的灭火装置、烟雾传感器、加热器、风扇、放电控制单元、均衡模块相连；所述均衡模块通过导线与锂电池组相连，所述放电控制单元与直流输出端通过导线相连；充电模块通过一穿过防爆箱壳体的导线与交流电源相连，电池管理系统与一监控系统通信相连；所述直流输出端还安装有电压采集器和电流采集器；所述电池管理系统用于采集锂电池包各个单体电池的电压及电池内阻，监测控制锂电池包内的充电模块、均衡模块、灭火装置、风扇、加热器、烟雾传感器及放电控制单元，通过连接电压采集器及电流采集器检测整个锂电池包的输出电压及输出电流，电池管理系统通信连接监控系统以实现数据的上传和接收监控系统下发的指令；所述监控系统包括绝缘监察装置和监控装置，监控装置与电池管理系统相连，绝缘监察装置分别与锂电池包和监控装置相连；所述监控装置与绝缘监察装置通信相连，实时监控锂电池包的绝缘状态；监控装置提供图形化人机界面及语音报警功能，完成系统的数据展现及下发控制命令，实现设备的安全监控、数据信息记录功能，显示锂电池包单体电压曲线、输出电压曲线、输出电流曲线、单体电池内阻曲线、温度曲线数据信息，并提供数据共享的功能，为数据转发提供接口。

2.根据权利要求1所述的一种模块化锂电池直流电源系统，其特征在于：所述锂电池组由若干串联的锂电池组成，所述若干锂电池包为一个或者多个并联布置。

3.根据权利要求1所述的一种模块化锂电池直流电源系统，其特征在于：均衡模块用于将单个锂电池的电压进行均衡以保证各个单体锂电池的电压值在一个水平线上。

4.根据权利要求1所述的一种模块化锂电池直流电源系统，其特征在于：充电模块和放电控制单元在监控系统和电池管理系统的调控下对电池组进行活化。

5.根据权利要求1所述的一种模块化锂电池直流电源系统，其特征在于：所述交流电源包括断路器和交流母线；交流母线通过断路器与锂电池包相连。

6.根据权利要求1所述的一种模块化锂电池直流电源系统，其特征在于：所述直流输出端包括直流母线、断路器、馈线和开关，直流母线通过断路器与锂电池包相连。