一种直流系统保护装置及保护方法
技术领域
本发明涉及直流系统技术领域,具体涉及一种直流系统保护装置及保护方法。
背景技术
直流系统作为通信、信息、控制领域需要提供不间断电源的场合,获得大量的应用。而直流系统,传统的技术都是由整流器输出直接挂接电池构成。这个传统的直流系统存在很多的问题。
当外部停电时,直流系统的整流器没有直流输出,电池作为后备能源向负载放电。当电池对外放电,电池的储能逐步下降,电池电压也逐步下降。而当外部恢复供电时,即使整流器具备软启动功能,当整流器输出到一个恒定的电压时,由于电池具备非常小的内阻,整流器都会给电池非常大的充电电流,这个很大的充电电流,会导致电池损坏,也会导致整流器损坏。
另外,直流系统配置的电池,都对环境温度有比较严格的要求。在没有空调环境的场合,或者有空调的场合,碰到空调损坏时,都会导致直流系统的电池工作在比较宽的温度范围内,这种情况,导致直流系统的电池寿命受到严重影响,间接的也影响了直流系统的安全。
其次,大量的直流系统,外部挂接的电池往往都是由大量单体串联起来的电池组,电池组的任何一个或者部分单体失效,导致整个电池组失效,就需要更换整组电池组,这个传统方式导致大量的浪费。
再者,传统的直流系统,往往需要定期对电池组进行核对容量的放电操作。这个操作需要进行大量的安全性保障措施,而且,还需要比较专业的技能。而且,电池组核对容量的放电过程,往往需要大量的时间,也突现电池组放电需要大量时间的劳动力投入。
特别还需要强调的是,传统的直流系统,电池充电完成后,电池组长期处于浮充状态,电池浮充浪费大量的电能,而且,电池长期浮充,还让电池寿命受到极大的影响。
发明内容
本发明的首要目的是提出一种安全可靠,可延长直流系统的使用寿命的直流系统保护装置。
根据本发明提供的直流系统保护装置,关键在于包括CPU模块、降压升压充电模块、降压升压放电模块、电压电流采集模块、电池工作环境温度采集模块、供电模块、蓄电池单体信息采集模块;所述降压升压充电模块和降压升压放电模块的驱动端与所述CPU模块连接,所述电压电流采集模块、电池工作环境温度采集模块、蓄电池单体信息采集模块的输出均与所述CPU模块连接。
本发明的直流系统保护装置,使用时串联在直流系统的整流器与直流系统蓄电池组之间,由CPU模块按照预设程序,根据电压电流采集模块、电池工作环境温度采集模块、蓄电池单体信息采集模块的信息,在充电时通过降压升压充电模块调整充电的电压电流,既可以防止充电电流过大损坏直流系统蓄电池,也可以在直流系统整流器电压过低时升压充电,防止蓄电池组长时间低于直流系统蓄电池组浮充电压充电而影响蓄电池组寿命;在蓄电池单体信息采集模块检测到直流系统蓄电池组的蓄电池单体温度过高时可停止充电,在电池工作环境温度采集模块检测到直流系统蓄电池组工作环境温度过高而蓄电池单体温度又没有达到限值时,可以减少充电电流,防止直流系统蓄电池组温度过高发生危险事故,保障直流系统安全;在CPU模块检测到直流系统整流器的直流输出的变化符合外部供电中断的判定,则启动降压升压放电模块实现对负载的供电,放电过程中,降压升压放电模块可保证放电过程的安全性和可靠性,更可以在定期对直流系统蓄电池组进行核对容量的放电操作中减少时间和劳动力的投入,提高效率。
进一步的,所述蓄电池单体信息采集模块包括蓄电池单体温度采集模块和蓄电池单体电压电流采集模块。这样蓄电池单体信息采集模块还可以通过蓄电池单体电压电流采集模块随时监控直流系统蓄电池组的蓄电池单体信息,可随时观察到落后的蓄电池单体,方便更换维护。
进一步的,所述蓄电池单体信息采集模块通过无线模块与所述CPU模块通讯连接。这样可以减少连线的使用,减少安全隐患。实际应用中,该无线模块可采用ZB无线通信协议,所接收的数据,直接采用TTL电平连接到CPU模块的TTL串口上,直接进行数据交换。
进一步的,所述CPU模块还包括用于外部通讯的接口模块。这样CPU模块可以把采集到的直流系统参数通过接口模块传输到外部监控系统,方便现场监控或远程监控。
具体的说,所述降压升压充电模块包括BUCK电路和BOOST电路。本发明的降压升压充电模块,可以采用常见的BUCK电路用于降低充电电压,BOOST电路用于提升充电电压。
具体的说,所述降压升压放电模块通过单向导通元件放电。这里所述的单向导通元件,可以是IGBT管内部的二极管,由于一般二极管存在0.2—0.7V的压降,就可以达到降压放电的目的。
进一步的,本发明的直流系统保护装置还包括并联设置的异常开关,所述异常开关的控制端与所述CPU模块连接。正常情况下,CPU模块发出命令定期防止异常开关启动,当存在异常情况,如部件损坏、器件损坏、控制失效、CPU板失效等,CPU停止发出防止异常开关启动命令,则异常开关启动并闭合,使电流直接从异常开关的一路通过,从而使本发明的直流系统保护装置停止作用,防止对直流系统破坏。
具体的说,所述供电模块为可与直流系统的蓄电池组连接的自供电模块。这里本发明的直流系统保护装置采用蓄电池组供电而不是整流器变压供电,可以减少对直流系统整流器的影响。
本发明的另一个目的是提供应用上述直流系统保护装置的保护方法。
根据本发明提出的直流系统保护装置的保护方法,应用上述直流系统保护装置,包括以下步骤:
A、将所述直流系统保护装置串联在直流系统的直流母线与电池母线之间,开始直流系统蓄电池组的充电,CPU模块根据电压电流采集模块、电池工作环境温度采集模块以及蓄电池单体信息采集模块的信息,控制降压升压充电模块的充电电压电流;
B、当充电完成后,CPU模块关断直流系统蓄电池组的充电,经过预设的T时间后,再开启对直流系统蓄电池组的充电;
C、当CPU模块检测到直流系统整流器的直流输出的变化符合外部供电中断的判定,则启动降压升压放电模块,启动降压升压放电模块的初始时通过单向导通元件降压放电,然后当CPU模块检测到放电电压小于所述直流系统的负载需要的工作电压时,启动降压升压放电模块的升压电路,直到放电电压满足负载需要的工作电压;
D、当CPU模块检测到直流系统整流器的直流输出的变化符合外部供电恢复的判定,则返回进行A步骤和B步骤。
本发明的直流系统保护装置的保护方法,具有以下优点:
1、充电电压电流可控,一方面可以避免充电电流过大,损坏直流系统蓄电池组与整流器,另一方面可以在直流系统整流器电压相对蓄电池组浮充电压过低时可以提高充电电压,防止蓄电池长时间低于直流系统蓄电池组浮充电压充电而影响蓄电池组寿命;
2、可以根据电池工作环境温度采集模块以及蓄电池单体信息采集模块采集到的蓄电池组工作环境温度和蓄电池单体温度,设定程序,当蓄电池单体温度过高时停止充电,在蓄电池组工作环境温度而蓄电池单体温度又没有达到停止充电要求时减少充电,以保护直流系统蓄电池组,延长其使用寿命。
3、CPU模块判定充电完成时关断蓄电池组的充电,让蓄电池组处于休眠状态,避免蓄电池组长期处于浮充状态,浪费大量电能,并影响蓄电池组使用寿命;
4、CPU模块检测到直流系统整流器的直流输出的变化符合外部供电中断的判定,则启动降压升压放电模块实现对负载的供电,放电过程中,降压升压放电模块可保证放电过程的安全性和可靠性,更可以在定期对直流系统蓄电池组进行核对容量的放电操作中减少时间和劳动力的投入,提高效率。
具体的说,所述A步骤中,当所述蓄电池单体信息采集模块检测到直流系统蓄电池组的蓄电池单体温度大于预设值时,则CPU模块关断直流系统蓄电池组的充电;当所述电池工作环境温度采集模块检测到直流系统蓄电池组的工作环境温度大于预设值而蓄电池单体温度小于预设值时,则CPU模块控制所述降压升压充电模块降低充电电流。
附图说明
图1为本发明的系统组成结构示意图。图2为本发明应用实例的结构示意图。
具体实施方式
下面对照附图,通过对实施实例的描述,对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明。
如图1,图中的虚线框内即为本发明的直流系统保护装置,包括CPU模块、降压升压充电模块、降压升压放电模块、电压电流采集模块、电池工作环境温度采集模块、供电模块、蓄电池单体信息采集模块;所述降压升压充电模块和降压升压放电模块的驱动端与所述CPU模块连接,所述电压电流采集模块、电池工作环境温度采集模块、蓄电池单体信息采集模块的输出均与所述CPU模块连接。
其中,所述蓄电池单体信息采集模块包括蓄电池单体温度采集模块和蓄电池单体电压电流采集模块。蓄电池单体信息采集模块通过无线模块与所述CPU模块通讯连接。CPU模块还包括用于外部通讯的接口模块。降压升压充电模块包括BUCK电路和BOOST电路。降压升压放电模块通过单向导通元件放电。作为优选的实施方式,本发明的直流系统保护装置还包括并联设置的异常开关,所述异常开关的控制端与所述CPU模块连接。
本发明还提供一种应用上述直流系统保护装置的保护方法,包括以下步骤:
A、将所述直流系统保护装置串联在直流系统的直流母线与电池母线之间,开始直流系统蓄电池组的充电,CPU模块根据电压电流采集模块、电池工作环境温度采集模块以及蓄电池单体信息采集模块的信息,控制降压升压充电模块的充电电压电流;
B、当充电完成后,CPU模块关断直流系统蓄电池组的充电,经过预设的T时间后,再开启对直流系统蓄电池组的充电;
C、当CPU模块检测到直流系统整流器的直流输出的变化符合外部供电中断的判定,则启动降压升压放电模块,启动降压升压放电模块的初始时通过单向导通元件降压放电,然后当CPU模块检测到放电电压小于所述直流系统的负载需要的工作电压时,启动降压升压放电模块的升压电路,直到放电电压满足负载需要的工作电压;
D、当CPU模块检测到直流系统整流器的直流输出的变化符合外部供电恢复的判定,则返回进行A步骤和B步骤。
应用实例:
由于直流系统电压跨度很大,从12V到380V、600V甚至更高的电压等级都有,而功率等级差别也很大。直流系统的电池从几十AH到几千AH都有。在此,以48V,500AH电池组,负载电流50A的直流系统进行描述。如图2所示。
本发明是串联在直流母线与蓄电池组之间的,通过控制蓄电池组的充放电实现对直流系统的保护。
在这个应用实例介绍中,直流系统浮充状态的母线电压为53.5V,均充电压为56.4V。
蓄电池组为24个500AH的铅酸阀控蓄电池单体串联组成,设定安全充电电流为50A。蓄电池单体温度也就是蓄电池单体极柱温度上限设置为50℃,电池工作环境温度检测范围为-15℃—+100℃。
电压电流采集模块均采用不共地的隔离采集方式,电压采集范围0-60V,电流采集范围0-100A。电压电流采集模块内置在保护器内部,模块输出的模拟信号直接连接到CPU模块的A/D输入通道。
蓄电池单体信息采集模块采用蓄电池单体自供电,每个模块单独采集蓄电池单体电压、温度。24个蓄电池单体,采用24个单体信息采集模块。采用ZB无线通信协议,在保护器装置安装1个无线数据接收模块,完成24个蓄电池单体电压、温度的采集。无线接收模块接收的数据,直接采用TTL电平连接到CPU模块的TTL串口上,直接进行数据交换。
在这个实际案例中,由于53.5V的直流母线浮充电压已经完全可以满足24个铅酸阀控蓄电池单体组成的电池充电需求,这里只采用BUCK电路对电池组充电控制。电池的最大充电电流设定为50A,考虑到安全性的需要,可采用2个耐压120V,最大工作电流120A的IGBT管并联工作。CPU模块输出的PWM信号,经过隔离驱动后,直接控制IGBT器件的导通占空比,实现对蓄电池组充电的有效控制。
在实际案例中,当外部交流电缺失,整流器没有输出,蓄电池组通过IGBT管内部的二极管对外部负载放电。在实际应用中,还单独增加了2个100A,耐压100V的单向二极管,保证蓄电池组给负载放电的安全性。在这个电路中,采用了BOOST升压电路,当CPU检测到直流目前电压出现下跌时,启动BOOST电路,输出正常的负载工作电压。这个BOOST电路,接受CPU模块输出的PWM信号的控制。这个BOOST电路的驱动器件,也可采用2个120V耐压,最大工作电流120A的IGBT器件并联。
CPU模块的CPU芯片,采用选择具备多路A/D输入通道,多路PWM输出的PIC公司产品,特别是选择PWM具备相位关联输出的型号。
工作流程:
1、环境温度正常,蓄电池单体电压正常,蓄电池单体极柱温度正常时,对蓄电池组进行充电操作。CPU控制PWM输出,保证电池组充电电流≦50A。
2、当蓄电池充电电流≦5A,CPU控制PWM模块输出100%占空比,让蓄电池充电12个小时。然后,关闭CPU模块关闭PWM输出,蓄电池组进入休眠状态。
3、蓄电池组休眠7天后,CPU开启PWM输出,直到蓄电池组充电电流小于1A或者PWM完全开启5个小时,PWM关闭,蓄电池进入休眠状态并一直循环这个步骤。
4、蓄电池充电过程中,蓄电池单体极柱温度高于50℃,停止充电。当蓄电池极柱温度低于45℃,蓄电池充电,一直循环。当蓄电池充电电流≦5A,而且,极柱温度低于45℃,CPU控制PWM模块完全打开,回到流程步骤2并重复。
5、CPU模块实时检测直流母线的输出,当直流母线电压从53.5V下降到53V,CPU模块控制放电模块的BOOST电路,控制BOOST电路输出52.5V的工作电压。当外部电压恢复时,关闭BOOST升压输出。
6、检测到电池组出现过放电输出,在外部整流器恢复时,对电池组进行充电,并回到步骤2,循环进行。