CN108448713A - 一种智能化储能式应急电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能化储能式应急电源系统，由充电模块、电池管理子系统、逆变器和智能双电源快速切换模块组成，在正常情况下，由220V AC交流市电直接给负载供电；当交流市电异常时，系统快速切换到电池管理子系统端给负载不间断供电。所述逆变器采用正弦波逆变器，其交流输出采用纯正弦波方式，相对于方波或修正正弦波(阶梯波)具有更强的带负载效果和带负载能力。设备可带感性负载和其它任何类型的通用交流负载。该应急电源系统不仅具备紧急电源的功能，而且具有不间断电源的功能，能够在市电故障时，不间断地输出稳定的电能，高质量地满足对时间切换要求高的重要设备。而且具有过欠压、过欠温，过流等电池系统保护功能，有效延长电池的使用寿命。

Description

一种智能化储能式应急电源系统

技术领域

本发明涉及应急电源的技术领域，具体的涉及一种多功能储能式应急电源系统。

背景技术

随着国民经济的飞速发展，社会、军队对电力的需求及依赖程度越来越高，特别是对重要部门、关键岗位的电力负荷，一旦中断供电，往往会导致非常严重的后果。尤其是在执行局部突发性军事任务，担负抗震救灾、抗洪抢险、抵抗雪灾等临时性多样化野外救援时，野外无市电或发电机被迫临时中断时，直接导致的结果是：重要装备因无电力供应而无法操控；茫茫黑夜中的野外救援工作因无电灯照明而无法展开；先进的通信设备无电源供给而无法传输重要情报成为摆设；用于急救的医疗设备因为无电源而延误抢救时机等等。

现有技术中，公开号为CN104993568A的发明专利公开了一种应急电源，包括透明壳体、应急电源本体，所述本体的底边中部设有底灯，所述本体的侧边中部设有侧灯，所述本体底边与侧边之间设有斜侧灯，所述电源本体底部设有三角形支撑架。但是其仅仅能够满足紧急照明的需要，远不能满足实际生活中遇到断电时其他用电设备的需求。

现有技术中公开号为CN201533193U的实用新型专利公开了一种EPS应急电源，其通过一切换装置并联于市电与负载之间，包括一充电器与市电相连；一蓄电池组，与该充电器相连；一逆变器，其通过一开关连接到该蓄电池组，并与该切换装置相连；一控制器，分别与该充电器、该蓄电池组、该逆变器及该切换装置相连，用于实现对整个EPS应急电源的监测与控制。但是其切换速度远远不能满足对时间切换要求高的重要设备的需求，而且其缺乏对蓄电池组的有效保护，严重影响其使用寿命。

因此，需要研究设计一种高效、节能、实用、多功能野外便携式应急电源，并且具备紧急电源(emergent power system，EPS)的某些功能。既能在野外无市电的情况下，安全可靠地供负载正常使用；又可以在电源充足的地方进行储存电能，具有不间断电源(uninterrupted power system，UPS)功能，不间断地输出稳定的电能，高质量地满足对时间切换要求高的重要设备。

发明内容

本发明提供一种智能化储能式应急电源系统，由充电模块、电池管理子系统、逆变器和智能双电源快速切换模块组成，其特征在于：当交流市电正常时，所述应急电源系统由交流市电直接给负载供电，同时所述应急电源系统通过充电模块将交流市电整流成直流电，对电池管理子系统中的电池组进行充电，并对逆变器供电；当交流市电异常时，应急电源系统通过智能双电源快速切换模块快速切换到电池管理子系统，逆变器将电池组的直流电逆变成交流市电实现给负载不间断供电。不仅具备紧急电源的功能，而且具有不间断电源的功能，能够在市电故障时，不间断地输出稳定的电能，高质量地满足对时间切换要求高的重要设备。

优选地，所述电池管理子系统由主控CPU模块、电池组、电池保护模块、电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、均衡控制模块、数据存储模块、 LCD显示模块组成。

优选地，所述电池管理子系统通过电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块实时检测所述电池组中每节电池的电压、温度以及整体所述电池组充放电回路电流。

优选地，所述电池保护模块实现对电池的过充保护、过放保护、放电过流保护。

优选地，所述均衡控制模块包括开关网络、DC/DC双向恒流模块以及直流母线，主控CPU模块检测到任一节电池电压值与电池组电压平均值的差值超过设定值，则通过均衡控制模块开始对电池组进行均衡控制，闭合所述开关网络中对应电池的开关，通过DC/DC双向恒流模块和直流母线实现对该节电池降压或升压操作。

优选地，所述智能双电源快速切换模块包括主电源监测单元、副电源监测单元、智能控制单元和切换开关单元。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果如下：

1)具有过欠压、过欠温，过流等电池系统保护功能；电池保护模块对电池的充放电严格控制，避免了电池在应用过程中出现异常时导致电池内部的物质发生不可逆的化学反应，从而使电池温度上升，损坏其性能，有效延长电池的使用寿命。

2)在电池串联成组使用时，由于各节电池的参数、特性不一致，导致电池组在充放电过程中各节电池电压不一致在电池组充电过程中，整个电池组会受到电池电压上升最快的那节电池的限制；在电池组放电过程中，整个电池组会受到电池电皮下降最快的那节电池的限制。均衡控制模块对电池充放电过程进行均衡处理，有效避免了上述问题，更好的发挥电池组的特性。

3)离网带载实现不间断供电，储能电源可将电池直流电逆变为交流电，作为应急电源。在市电出现故障时，智能双电源快速切换模块实现快速切换，总切换时间不超过5ms，这样可有效保证重要负荷的持续供电。当遇地震等自然灾害断电时，可以有效为救灾提供临时应急电力；当家庭停电或开车户外活动时，可以提供微波炉、灯泡等家用电器的正常用电。

4)所述逆变器采用正弦波逆变器，其交流输出采用纯正弦波方式，相对于方波或修正正弦波(阶梯波)具有更强的带负载效果和带负载能力。设备可带感性负载和其它任何类型的通用交流负载，带冰箱、电视机和收音机等设备无干扰和噪音，且不会影响负载设备的性能和寿命。当汽车在路上电瓶故障或是没电，可用该产品启动汽车。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但不应构成对本发明的限制。

图1为智能化储能式应急电源系统总体结构框图；

图2为电池管理子系统的结构框图；

图3为电池管理子系统的工作流程图；

图4为基于芯片控制的锂电池保护电路原理；

图5为均衡控制模块的结构框图；

图6为均衡控制模块的电气拓扑结构图；

图7为均衡控制流程图；

图8为双电源切换开关模块结构框图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

本发明的智能化储能式应急电源系统具有以下功能：在正常情况下，由220 V AC交流市电直接给负载供电；当交流市电异常时，系统快速切换到电池管理子系统端给负载不间断供电。应急电源系统的总体架构如图1所示，系统主要由充电模块、电池管理子系统、逆变器和智能双电源快速切换模块等组成。

应急电源系统通过充电模块将220V AC交流电整流成直流电，对电池管理子系统中的电池组进行充电，并对逆变器供电。当交流市电异常时，逆变器将电池组的直流电逆变成220V AC交流电给负载不间断供电。所述逆变器采用正弦波逆变器，其交流输出采用纯正弦波方式，以提高带负载能力。

1、电池管理子系统的总体设计

应急电源系统的核心是电池管理子系统，电池管理子系统具有电池过充电、过放电保护功能，电池端电压、电流和温度等参数检测功能，以及能够根据电池组内部异常状态与单节电池间压差状态，进行能量转移式无损均衡充电。

电池管理子系统结构框图如图2所示，电池管理子系统由主控CPU模块、电池组、电池保护模块、电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、均衡控制模块、数据存储模块、LCD显示模块组成。其中电池组由多节单体磷酸铁锂电池级联而成，具体由多节单体电池串联为一组，然后多组并联，组成所述的电池组。

电池管理子系统通过电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块实时检测电池组中每节电池的电压、温度以及整个电池组充放电回路电流；根据所检测的电池电压来控制均衡控制模块是否启动以及对哪两节电池进行均衡；通过智能双电源快速切换模块对市电电压进行检测，来控制双电源切换开关的切换模式，并对充放电控制开关进行控制；将各种信息通过LCD显示。

电池管理子系统的主控CPU模块采用微处理器作为控制核心，实现数据采集、电池均衡控制、电池保护控制以及电池荷电状态(SOC)估算等功能。电流采集模块采用霍尔传感器对电流进行检测，通过微处理器内部ADC模块转换电流值，并通过CAN通信上传给主控CPU模块。采用集成芯片构成的电压采集模块对电池组各个单体电压进行采样，通过SPI总线传输给主控CPU模块。

温度采集模块选用数字温度传感器，通过配置微处理器的GPIO引脚功能来实现对电池组和环境温度的采集。电池管理子系统的工作流程如图3所示，根据采集到的电池电压和电流数据，估算SOC值，判断是否要进行电池均衡和保护控制。当出现电池组内单体电池电量不一致时，开启均衡模块进行均衡处理。电池如果出现过充电或过放电，电池保护模块将断开充放电主回路中的开关管，停止电池组的充放电。微处理器单元将采集到的电压、电流等数据以及估算出的 SOC值显示在LCD上。每次充放电结束后微处理器会将一些重要数据存储到 FLASH中，以便于下次充放电时SOC的估计和电池健康状态(SOH)的判断。

2、电池保护模块设计

电池在应用过程中出现异常时，如过充电、过放电、电路短路等，电池内部的物质会发生不可逆的化学反应，从而使电池温度上升，损坏其性能，最终可能导致电池寿命缩短，因此，需要对电池的充放电严格控制。在电池串联成组使用时，由于各节电池的参数、特性不一致，会导致电池组在充放电过程中各节电池电压不一致在电池组充电过程中，整个电池组会受到电池电压上升最快的那节电池的限制；在电池组放电过程中，整个电池组会受到电池电皮下降最快的那节电池的限制。为了更好的发挥电池组的特性，需要对电池进行均衡处理。

对于多节串联锂电池组，主要保护其充电和放电过程处于正常工作状态。从内部来看，每个单体电池都需要保护，需要采用电池保护芯片以及对应的电压、电流采集电路。从外部来看，必须要有一个控制电路，由其配置的MOS管来控制电池外部充放电回路的导通或关闭，从而起到有效的保护作用。基于芯片控制的锂电池保护电路如图4所示，它主要针对电池组的三个工作状态进行保护。

1)过充保护

当电池充电电压超过过充电检测电压且持续时间超过过充检测延迟时间时，控制芯片模块的OC端输出信号来关闭充电控制用MOSFET，停止充电，此状态称为“过充保护”。

2)过放保护

放电过程中，当电池电压低于过放电检测电压且持续时间超过过放检测延迟时间时，控制芯片模块的OD端输出信号来关闭放电控制用MOSFET，停止放电，此状态称为“过放保护”。

3)放电过流保护

正常情况下，控制芯片模块通过检测CS端子电压来持续侦测放电电流。一旦CS端子电压超过放电过流检测电压且持续时间超过放电过流检测延迟时间时，OD端就输出信号来关闭放电控制用MOSFET，停止放电，此状态称为“放电过流保护”。

3、均衡控制模块设计

均衡控制模块的结构如图5所示，均衡控制模块包括开关网络、DC/DC双向恒流模块以及直流母线。主要通过主控CPU模块、开关网络、DC/DC双向恒流模块、电池组以及直流母线实现均衡控制。主控CPU模块根据所获取的各单体电池电压值判断其在电池组中所处的状态，若出现异常，即当某单体电池电压高于或低于电池组平均单体电压一定幅度时，主控CPU模块就会进行均衡控制，闭合开关网络中对应某节电池的开关，经过DC/DC恒流模块抽取高电压态单体电池的电流，降低其电压值，对电压低的单体电池灌电流，使其电压升高。

均衡控制模块的电气拓扑结构如图6所示。开关K1-K7、单刀双掷开关K8 和K9均采用继电器实现开关的开合，由主控CPU模块控制，执行开关网络的通断。系统采用分时均衡策略，即在均衡时先关断电池组充电电流，通过导通相应开关，实现对该节电池降压或升压操作。若要对电池减压操作，先合上K1与K2，将K8与K9打到上端子，断开K3-K7，主控CPU模块将DC/DC双向恒流模块置于向直流母线灌电流模式，这样电池就会以恒定电流向直流母线放电；若要对电池升压操作，上述开关设置不变，主控CPU模块将DC/DC双向恒流模块置于向电池灌电流模式，这样DC/DC双向恒流模块从直流母线取能量向电池恒流充电。其他电池均衡操作与此类似。

均衡操作之前，要实时采集和储存电池组中每节电池的电压值，据此判断所采集的电池电压值与充放电截止电压值的差值是否在设定范围内，若在则结束充放电过程；否则，就判断电池组中是否有某一节电池电压与电池组电压平均值的差值不在所设定的范围内，若是则开始对电池组进行均衡控制，直到充放电过程结束。均衡充放电过程中对电池单体进行升压或降压的控制流程图7所示。

4、智能双电源快速切换模块设计

智能双电源快速切换模块主要包括主电源监测单元、副电源监测单元、智能控制单元、切换开关单元，其结构框图如图8所示。

智能双电源快速切换模块的基本工作过程如下：正常情况下切换开关单元的输出由主电源(市电)提供；若监测到主电源的电压、频率异常且副电源(电池管理子系统)的电压、频率正常，则智能控制单元输出控制信号，使切换开关单元的输出由副电源提供。

电源监测与控制方法如下：由智能控制单元和主、副电源监测单元分别对主、副电源电压采样，若智能控制单元选用高速器件，则其AD的采样速率可达200 ksps，即每次采样转换时间最短为5μs。工频每周期采样128点，即采样点的间隔为156.25μs，将当前时刻采样点记为Ut，则对应前一周波的采样点为 Ut-128，连续判断10个采样点，比较当前周期采样点与前一周期对应采样点电压值的大小，若发生突变，其变化阈值大于掉电阈值且趋势为减小，则认为电源消失，立即切换电源；若其变化阈值大于欠压阈值且趋势为减小，则认为电源欠压；若其变化阈值大于过压阈值且趋势为增大，则认为电源过压。另外，通过电源监测单元进行波形的零点检测可得到输入电源频率，若频率与工频50Hz之差大于频率异常阈值，则认为电源频率异常。利用采样点突变原理，检测判断时间仅为1.56ms；切换开关采用响应时间小于2ms的高速双向可控硅器件，总切换时间不超过5ms，这样可有效保证重要负荷的持续供电。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种智能化储能式应急电源系统，由充电模块、电池管理子系统、逆变器和智能双电源快速切换模块组成，其特征在于：当交流市电正常时，所述应急电源系统由交流市电直接给负载供电，同时所述应急电源系统通过充电模块将交流市电整流成直流电，对电池管理子系统中的电池组进行充电，并对逆变器供电；当交流市电异常时，应急电源系统通过智能双电源快速切换模块快速切换到电池管理子系统，逆变器将电池组的直流电逆变成交流市电实现给负载不间断供电。

2.如权利要求1所述的智能化储能式应急电源系统，其特征在于：所述电池管理子系统由主控CPU模块、电池组、电池保护模块、电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、均衡控制模块、数据存储模块、LCD显示模块组成。

3.如权利要求2所述的智能化储能式应急电源系统，其特征在于：所述电池管理子系统通过电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块实时检测所述电池组中每节电池的电压、温度以及整体所述电池组充放电回路电流。

4.如权利要求2所述的智能化储能式应急电源系统，其特征在于：所述电池保护模块实现对电池的过充保护、过放保护、放电过流保护。

5.如权利要求2所述的智能化储能式应急电源系统，其特征在于：所述均衡控制模块包括开关网络、DC/DC双向恒流模块以及直流母线，主控CPU模块检测到任一节电池电压值与电池组电压平均值的差值超过设定值，则通过均衡控制模块开始对电池组进行均衡控制，闭合所述开关网络中对应电池的开关，通过DC/DC双向恒流模块和直流母线实现对该节电池降压或升压操作。

6.如权利要求1所述的智能化储能式应急电源系统，其特征在于：所述智能双电源快速切换模块包括主电源监测单元、副电源监测单元、智能控制单元和切换开关单元。