CN110994781B - Ups锂电池一体化电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种UPS锂电池一体化电源系统，包括锂电池组、电池管理系统BMS模块和UPS模块，锂电池组与电池管理系统BMS模块电路连接，所述UPS模块包括UPS‑MCU控制器、充电器、滤波器和整流器，所述滤波器包括电感L1和电感L2，所述整流器包括MOS管K2、MOS管K3、MOS管K4、MOS管K5、二极管D4、二极管D5、电容C1和电容C2，MOS管K2、K3、K4、K5及晶闸管V1、V2、V3通过UPS‑MCU控制器控制，所述UPS‑MCU控制器可与电池管理系统BMS模块之间进行通讯。本发明解决了解决了现有技术中UPS与锂电池组通信不兼容、硬件接口不一致、策略不匹配的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种UPS锂电池一体化电源系统。
背景技术
在银行、医院、军队、电力系统等行业某些关键设备突然断电会造成重大损失，因此确保这些关键设备有可靠稳定的电力供应就显得尤为重要。目前，不间断电源UPS和锂电池的结合为这些关键设备提供了保障；当有市电接入时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，并可同时为锂电池组充电；当市电中断(事故停电)时，UPS可将锂电池的直流电源通过逆变器切换转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。
目前，与锂电池组匹配的UPS大多为独立设备，即锂电池组和UPS设备分属于不同的厂家，当用户或集成商需要购买时，需要从不同的厂家中购买锂电池组和UPS设备回来配套组装，因此很容易存在锂电池与UPS电源不匹配、通信不兼容、硬件接口不一致、策略不匹配等问题，需要专业知悉锂电池或UPS的人员来组合设备，难以让用户简便的使用成套设备。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种UPS锂电池一体化电源系统，解决了现有技术中UPS设备与锂电池组通信不兼容、硬件接口不一致、策略不匹配的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种UPS锂电池一体化电源系统，包括锂电池组、电池管理系统BMS模块和UPS模块，锂电池组与电池管理系统BMS模块电路连接，所述UPS模块包括UPS-MCU控制器、充电器、滤波器、整流器，所述滤波器包括电感L1和电感L2，所述整流器包括MOS管K2、MOS管K3、MOS管K4、MOS管K5、二极管D4、二极管D5、电容C1和电容C2，市电的输入端分别与晶闸管V2的阳极、晶闸管V3的阴极电路连接，晶闸管V2的阴极与电感L1的第一端电路连接，晶闸管V3的阳极与电感L2的第一端电路连接；电感L1的第二端、二极管D4的正极、MOS管K2的漏极汇集于节点A，电感L2的第二端、二极管D5的负极、MOS管K3的源极汇集于节点B；二极管D4的负极、电容C1的第一端、MOS管K4的漏极汇集于节点C，二极管D4的正极、电容C2的第二端、MOS管K5的源极汇集于节点D，MOS管K5的漏极、MOS管K4的源极、电感L3的第一端汇集于节点F，电感L3的第二端与负载输出端电路连接；MOS管K3的漏极、MOS管K2的源极、电容C1的第二端、电容C2的第一端分别接入零线；市电的输入端还分别与充电器的输入端、维修开关K7的第一端、旁路开关K6的第一端电路连接，旁路开关的第二端与静电开关K8串联后接入负载输出端，维修开关的第二端与负载输出端电路连接；充电器的正极输出端P+、负极输出端P-分别与锂电池组、电池管理系统BMS模块电路连接；晶闸管V2的阴极与电感L1的第一端的连接中点与晶闸管V1的阴极电路连接，晶闸管V2的阳极与充电器的正极输出端P+电路连接；晶闸管V3的阳极与电感L2的第一端的连接中点与充电器的正极输出端P-电路连接；MOS管K2、K3、K4、K5及晶闸管V1、V2、V3通过UPS-MCU控制器控制，所述UPS-MCU控制器可与电池管理系统BMS模块之间进行通讯。
优选的，所述电池管理系统BMS模块包括BMS控制器、预充继电器S1、总正继电器S2、充电继电器S3、唤醒按键K1、DC内继电器S4、DC外继电器S5、放电二极管D1、续流二极管D2和续流二极管D3，放电二极管D1的负极、续流二极管D3的正极与充电继电器S3的一端汇集于节点a，节点a与充电器的正极输出端P+电路连接；充电继电器S3的另一端与放电二极管D1的正极汇集于节点b，节点b与总正继电器S2的第一端电路连接；总正继电器S2的第二端与续流二极管D2的正极汇集于节点c，节点c与霍尔传感器串联后与锂电池组的正极电路连接；总正继电器S2的两端并联有一预充支路；续流二极管D2的负极、唤醒按键K1的第一端、DC内继电器S4的第一端汇集于节点d，唤醒按键K1的第二端、DC内继电器S4的第二端、DC外继电器S5的第一端汇集于节点e，节点e与开关电源的第一端电路连接，开关电源的第二端、锂电池组的负极与充电器的负极输出端P-电路连接；DC外继电器S5的第二端与续流二极管D3的负极电路连接；总正继电器S2、充电继电器S3、DC内继电器S4、DC外继电器S5通过BMS控制器控制，所述UPS-MCU控制器与所述BMS控制器通讯连接。
优选的，所述预充支路包括预充继电器S1和预充电阻R1，预充继电器S1和预充电阻R1串联后分别与节点b、节点c电路连接。
优选的，所述节点e与开关电源之间电路连接有空开开关S6。
优选的，所述锂电池组的两端分别连接有熔断器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明将锂电池组、UPS模块、电池管理系统BMS模块集成为一体，通过对UPS的电路结构进行设计及电池管理系统BMS模块的电路结构的设计，使锂电池组与UPS模块电源匹配，使锂电池组信息实时与UPS-MCU控制器交互，解决了现有技术中UPS设备与锂电池组通信不兼容、硬件接口不一致、策略不匹配的问题，让对锂电池组的控制策略更为有效，产品使用更为安全、便捷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明UPS锂电池一体化电源系统一个实施方式的平面结构示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，本发明实施方式提供了一种UPS锂电池一体化电源系统，包括锂电池组、电池管理系统BMS模块和UPS模块，锂电池组与电池管理系统BMS模块电路连接，所述UPS模块包括UPS-MCU控制器、充电器、滤波器、整流器，所述滤波器包括电感L1和电感L2，所述整流器包括MOS管K2、MOS管K3、MOS管K4、MOS管K5、二极管D4、二极管D5、电容C1和电容C2，市电的输入端分别与晶闸管V2的阳极、晶闸管V3的阴极电路连接，晶闸管V2的阴极与电感L1的第一端电路连接，晶闸管V3的阳极与电感L2的第一端电路连接；电感L1的第二端、二极管D4的正极、MOS管K2的漏极汇集于节点A，电感L2的第二端、二极管D5的负极、MOS管K3的源极汇集于节点B；二极管D4的负极、电容C1的第一端、MOS管K4的漏极汇集于节点C，二极管D4的正极、电容C2的第二端、MOS管K5的源极汇集于节点D，MOS管K5的漏极、MOS管K4的源极、电感L3的第一端汇集于节点F，电感L3的第二端与负载输出端电路连接；MOS管K3的漏极、MOS管K2的源极、电容C1的第二端、电容C2的第一端分别接入零线；市电的输入端还分别与充电器的输入端、维修开关K7的第一端、旁路开关K6的第一端电路连接，旁路开关的第二端与静电开关K8串联后接入负载输出端，维修开关的第二端与负载输出端电路连接；充电器的正极输出端P+、负极输出端P-分别与锂电池组、电池管理系统BMS模块电路连接；晶闸管V2的阴极与电感L1的第一端的连接中点与晶闸管V1的阴极电路连接，晶闸管V2的阳极与充电器的正极输出端P+电路连接；晶闸管V3的阳极与电感L2的第一端的连接中点与充电器的正极输出端P-电路连接；MOS管K2、K3、K4、K5及晶闸管V1、V2、V3通过UPS-MCU控制器控制，所述UPS-MCU控制器可与电池管理系统BMS模块之间进行通讯。其中，通过UPS-MCU控制器控制开关K2、K3、K4、K5实现将直流电转成交流电后输出，为负载供电。
具体的，电池管理系统BMS模块包括BMS控制器、预充继电器S1、总正继电器S2、充电继电器S3、唤醒按键K1、DC内继电器S4、DC外继电器S5、放电二极管D1、续流二极管D2和续流二极管D3，放电二极管D1的负极、续流二极管D3的正极与充电继电器S3的一端汇集于节点a，节点a与充电器的正极输出端P+电路连接；充电继电器S3的另一端与放电二极管D1的正极汇集于节点b，节点b与总正继电器S2的第一端电路连接；总正继电器S2的第二端与续流二极管D2的正极汇集于节点c，节点c与霍尔传感器串联后与锂电池组的正极电路连接；总正继电器S2的两端并联有一预充支路；续流二极管D2的负极、唤醒按键K1的第一端、DC内继电器S4的第一端汇集于节点d，唤醒按键K1的第二端、DC内继电器S4的第二端、DC外继电器S5的第一端汇集于节点e，节点e与开关电源的第一端电路连接，开关电源的第二端、锂电池组的负极与充电器的负极输出端P-电路连接；DC外继电器S5的第二端与续流二极管D3的负极电路连接；总正继电器S2、充电继电器S3、DC内继电器S4、DC外继电器S5通过BMS控制器控制，所述UPS-MCU控制器与所述BMS控制器通讯连接。
其中，预充支路包括预充继电器S1和预充电阻R1，预充继电器S1和预充电阻R1串联后分别与节点b、节点c电路连接。
本发明使用时，当市电已经满足负载的工作，则UPS-MCU控制器通过关闭锂电池组的充电通路，仅通过市电进行供电；当市电不满足负载工作时，则UPS-MCU控制器通过控制实现锂电池组及市电同时为负载供电；当市电出现中断，如事故停电，则UPS-MCU控制器开启锂电池组的充电通路，仅通过锂电池组进行供电。本发明在为负载不间断提供电力的过程中，BMS实时监控锂电池的状态，并将所获取的锂电池的电压、电流、温度、故障情况等状态信息反馈到UPS-MCU控制器，当监控到锂电池的电量不足时，UPS-MCU控制器控制市电为锂电池组供电，并且UPS-MCU控制器根据锂电池组的电压、电流、温度、故障情况等状态信息控制锂电池组的充电、放电功率。
本发明UPS锂电池一体化电源系统在负载不间断地提供电力供应时，维修开关K7始终处于关闭状态，只有当UPS锂电池一体化电源系统出现故障时，才手动打开维修开关K7，让市电流经静态开关K8，为负载供电，在保证负载始终处于正常工作状态下，对UPS锂电池一体化电源系统进行维修，排除故障。
当UPS锂电池一体化电源系统处于正常状态时，控制过程具体为：
(1)当只需通过市电为负载供电时，UPS-MCU控制器关闭晶闸管V1，打开晶闸管V2、V3，使晶闸管V1不导通，晶闸管V2、V3导通，让锂电池组停止为负载供电；UPS-MCU控制器控制MOS管K2、MOS管K3、MOS管K4、MOS管K5，输出交流电为负载供电，电流流向为：市电输入火线→晶闸管V2→电感L1→二极管D4→MOS管K4→电感L3→市电输出火线→零线→电容C1与电容C2中间点，电容C1与电容C2中间点→零线→市电输出火线→电感L3→MOS管K5→二极管D5→电感L2→晶闸管V3→市电输入火线，通过UPS-MCU控制器输出交流电。
(2)当无市电输入时，UPS-MCU控制器打开晶闸管V1，关闭晶闸管V2、V3，使晶闸管V1导通，晶闸管V2、V3不导通，锂电池组从节点a(或充电器的P+输出端)依次流经晶闸管V1、电感L1，然后通过由MOS管K2、MOS管K3、MOS管K4、MOS管K5、二极管D4、二极管D5、电容C1和电容C2所构成的整流器进行整流后，直流电转成交流电为负载供电。
(3)当市电及锂电池同时为负载供电时，UPS-MCU控制器打开晶闸管V1、V2、V3，使晶闸管V1、V2、V3导通，让市电及锂电池组同时为负载供电。
而当UPS-MCU控制器检测到输出到负载的电压或电流过大时，UPS-MCU控制器关闭晶闸管V1，以断开锂电池组供电，从而仅通过市电为负载供电，避免负载因过流或过压造成损坏。
其中，当UPS-MCU控制器检测到负载所需电压过高，已经超出由MOS管K2、MOS管K3、MOS管K4、MOS管K5、二极管D4、二极管D5、电容C1和电容C2所构成的整流器的负荷时，UPS-MCU控制器关闭晶闸管V2、晶闸管3，同时打开旁开开关K6、静电开关K8，使市电走这一条支路为负载供电。
(4)本发明在为负载不间断提供电力的过程中，同时实时监控锂电池组的电量情况，当锂电池组的电量不足时，UPS-MCU控制器关闭晶闸管V1，使晶闸管V1不导通，市电通过充电器对锂电池组进行充电。
本发明在为负载不间断提供电路过程中，通过电池管理系统BMS模块实时监控锂电池组的状态信息，将状态信息反馈到UPS-MCU中；当锂电池组中出现温度过高、过压、欠压或过流时，电池管理系统BMS模块可对锂电池组进行充电、放电保护，具体控制过程为：
(a)电池管理系统BMS模块初始状态下，预充继电器S1、总正继电器S2、充电继电器S3、DC内继电器S4、空开开关S6处于断开状态，DC外继电器S5为常闭继电器，处于闭合状态；
(b)电池管理系统BMS模块自检：
手动启动时，闭合DC内继电器S4，然后手动按下唤醒开关S4，开关电源工作给BMS控制器提供12V电源，电池管理系统BMS模块进入自检；若电池管理系统BMS模块自检不成功，则发送故障信息给BMS控制器，若自检成功则进行预充，即充电继电器S3闭合、预充继电器S1闭合，同时检测外总压(即充电器所充入的电压)及内总压(锂电池组电压)，当外总压为内总压的90％时，总继电器S闭2合，预充继电器S1断开；
充电启动时，市电经充电器输入为开关电源提供电源，市电从充电器的正极输出端P+及负极输出端P-分别进入开关电源，为电池管理系统BMS模块提供12V电源，电池管理系统BMS模块进入自检；若电池管理系统BMS模块自检不成功，则发送故障信息给BMS控制器，若自检成功则进行预充，即充电继电器S3闭合、预充继电器S1闭合，同时检测外总压(即充电器所充入的电压)及内总压(锂电池组电压)，当外总压为内总压的90％时，总继电器S闭2合，预充继电器S1断开。
电池管理系统BMS模块自检，即是检测电池管理系统BMS模块中的各个器件是否发生故障。
(c)当电池管理系统BMS模块处于正常工作状态时，BMS控制器通过采集接口采集锂电池组的电压、温度、总压、电流等状态信息，并通过通信线实时与UPS-MCU控制器传输信息，UPS-MCU控制器根据负载和市电状态进行充电、放电，实时调整电池的充电、放电功率。
(d)当市电为锂电池组充电过程中，市电从经充电器输入，分别从从充电器的正极输出端P+及负极输出端P-为锂电池组充电，电流方向为：市电输入→充电器→P+、P-输出端→锂电池组正极、负极。
锂电池组充电过程中，当出现电流过大、温度过高、电压过高等故障情况时，BMS控制器断开DC内继电器S5、充电继电器S3，切断充电回路，直到恢复预设条件后(如延时一分钟后或电流值、电压值、温度值已经下降到预设值以下后)，再闭合DC内继电器S5、放电继电器S3。
(e)当锂电池组为负载提供电力供应过程中，电流方向为：锂电池组正极→充电器P+P-输出端→晶闸管V1→电感L1→二极管D4→MOS管K4→电感L3→市电输出→零线→市电输出→电感L3→MOS管K5→二极管D5→电感L2→电池负极，通过由MOS管K2、MOS管K3、MOS管K4、MOS管K5、二极管D4、二极管D5、电容C1和电容C2形成的整流器将锂电池组输出的直流电转化为交流电，为负载供电。
锂电池组充电过程中，当出现电流过大、温度过高、电压过高等故障情况时，BMS控制器断开总正继电器S2，切断放电回路，直到恢复预设条件后(如延时一分钟后或电流值、电压值、温度值已经下降到预设值以下后)，再闭合总正继电器S2。
其中，节点e与开关电源之间电路连接有空开开关S6，当需要启动锂电池充电或放电才手动打开空开开关S6。
进一步的，所述锂电池组的两端分别连接有熔断器，以便当电池组发生短路时，熔断器可以在短时间内熔断从而断开回路，起到保护作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种UPS锂电池一体化电源系统，其特征在于，包括锂电池组、电池管理系统BMS模块和UPS模块，锂电池组与电池管理系统BMS模块电路连接，所述UPS模块包括UPS-MCU控制器、充电器、滤波器和整流器，所述滤波器包括电感L1和电感L2，所述整流器包括MOS管K2、MOS管K3、MOS管K4、MOS管K5、二极管D4、二极管D5、电容C1和电容C2，市电的输入端分别与晶闸管V2的阳极、晶闸管V3的阴极电路连接，晶闸管V2的阴极与电感L1的第一端电路连接，晶闸管V3的阳极与电感L2的第一端电路连接；电感L1的第二端、二极管D4的正极、MOS管K2的漏极汇集于节点A，电感L2的第二端、二极管D5的负极、MOS管K3的源极汇集于节点B；二极管D4的负极、电容C1的第一端、MOS管K4的漏极汇集于节点C，二极管D4的正极、电容C2的第二端、MOS管K5的源极汇集于节点D，MOS管K5的漏极、MOS管K4的源极、电感L3的第一端汇集于节点F，电感L3的第二端与负载输出端电路连接；MOS管K3的漏极、MOS管K2的源极、电容C1的第二端、电容C2的第一端分别接入零线；市电的输入端还分别与充电器的输入端、维修开关K7的第一端、旁路开关K6的第一端电路连接，旁路开关的第二端与静电开关K8串联后接入负载输出端，维修开关的第二端与负载输出端电路连接；充电器的正极输出端P+、负极输出端P-分别与锂电池组、电池管理系统BMS模块电路连接；晶闸管V2的阴极与电感L1的第一端的连接中点与晶闸管V1的阴极电路连接，晶闸管V2的阳极与充电器的正极输出端P+电路连接；晶闸管V3的阳极与电感L2的第一端的连接中点与充电器的正极输出端P-电路连接；MOS管K2、K3、K4、K5及晶闸管V1、V2、V3通过UPS-MCU控制器控制，所述UPS-MCU控制器可与电池管理系统BMS模块之间进行通讯；
所述电池管理系统BMS模块包括BMS控制器、预充继电器S1、总正继电器S2、充电继电器S3、唤醒按键K1、DC内继电器S4、DC外继电器S5、放电二极管D1、续流二极管D2和续流二极管D3，放电二极管D1的负极、续流二极管D3的正极与充电继电器S3的一端汇集于节点a，节点a与充电器的正极输出端P+电路连接；充电继电器S3的另一端与放电二极管D1的正极汇集于节点b，节点b与总正继电器S2的第一端电路连接；总正继电器S2的第二端与续流二极管D2的正极汇集于节点c，节点c与霍尔传感器串联后与锂电池组的正极电路连接；总正继电器S2的两端并联有一预充支路；续流二极管D2的负极、唤醒按键K1的第一端、DC内继电器S4的第一端汇集于节点d，唤醒按键K1的第二端、DC内继电器S4的第二端、DC外继电器S5的第一端汇集于节点e，节点e与开关电源的第一端电路连接，开关电源的第二端、锂电池组的负极分别与充电器的负极输出端P-电路连接；DC外继电器S5的第二端与续流二极管D3的负极电路连接；总正继电器S2、充电继电器S3、DC内继电器S4、DC外继电器S5通过BMS控制器控制，所述UPS-MCU控制器与所述BMS控制器通讯连接；
所述预充支路包括预充继电器S1和预充电阻R1，预充继电器S1和预充电阻R1串联后分别与节点b、节点c电路连接；
所述节点e与开关电源之间电路连接有空开开关S6。
2.如权利要求1所述的UPS锂电池一体化电源系统，其特征在于，所述锂电池组的两端分别连接有熔断器。
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