CN111261961A - 一种基站退役电池智能管理系统 - Google Patents

Abstract

一种基站退役电池智能管理系统，包括主机板、与在役电池串联的若干退役电池、电源开关，每节在役电池和退役电池均分别并联有旁路，旁路上均安装有单体管理单元，用于对电池进行充放电控制，单体管理单元包括电连接的电池驱动板和电池控制板；在役电池和退役电池的正负极电连接至对应的电池驱动板，所有的电池控制板电连接至主机板。通过单节电池充放电电路旁路管控，实现电池组中单节电池的个性化、定制化、高复杂度的智能化管理，从而达到电池单体性能不变而电池组性能大幅度提高的特点。

Description

一种基站退役电池智能管理系统

技术领域

本发明涉及退役电池梯次利用技术领域，具体涉及一种基站退役电池智能管理系统。

背景技术

电池管理系统俗称电池保姆或电池管家，主要是为了智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。退役电池再利用管理系统采用电力电子和微机智能化测控技术,通过对蓄电池组及电池单体充电、放电过程的控制，实现蓄电池组及电池单体的智能化养护和高效充放电管控。在电源平台的智能化管理下，可以最大化地使蓄电池有效储能、抑制铅酸蓄电池硫化，保障常年处于备用状态的电池可以随时进行有效放电的能力。

如图1所示，铁塔基站目前使用24节电池（每节电池电压为2V）直接串联为一个电池组，并没有采用单节电池控制，该电池组输出48V电压为铁塔设备供电。由于单节电池存在个体差异，会出现某一节或者几节电池过充或者过放情况，使得电池组容量下降，进而导致输出48V时长缩短，不能满足铁塔停电时备电时长需求。现有的电池管理系统通常对电池分组进行控制，不能实现单节电池的控制，当出现该分组电池内单节电池容量降低时，同样会影响整个电池组的备电时长。目前铁塔基站所采用的电池管理系统不具有主动均衡功能，而是所有的电池均匀地充放电。现有的电池管理系统均衡充电方式是对电池进行过充，避免单节电池欠充，进而实现电池充满，这种方式会带来长期过充电池损坏，欠充电池盐化失效等问题，影响电池组备电时长和寿命。

现有的电池管理系统，不论是在役电池管控，还是退役电池再利用，都是将电池分组进行控制，而不能针对每个电池单体更精确独立的控制，因此，容易造成同组中某些电池单体过充或欠充；而且退役电池再利用不充分，管理系统的适用范围也有限。

另外，在电池长时间的使用中，往往会产生大量的热量，因此在使用的过程中需要对电池的热量进行实时监测，传统的监测方法是通过人工进行监测，此方法监测不具有实时性，增加了工作人员的监测难度。

发明内容

针对上述技术缺陷，本发明提供一种基站退役电池智能管理系统，通过单节电池充放电电路旁路管控，实现电池组中单节电池的个性化、定制化、高复杂度的智能化管理，从而达到电池单体性能不变而电池组性能大幅度提高的特点。

本发明采用了以下方案：

一种基站退役电池智能管理系统，包括主机板、与在役电池串联的若干退役电池、电源开关，每节所述在役电池和退役电池均分别并联有旁路，旁路上均安装有单体管理单元，用于对电池进行充放电控制，所述单体管理单元包括电连接的电池驱动板和电池控制板；

所述在役电池和退役电池的正负极电连接至对应的所述电池驱动板，所有的所述电池控制板电连接至所述主机板。

具体地，电池驱动板，用于响应电池控制板输送的控制信号驱动与其连接的在役电池或退役电池进行断开或接入、并采集与其连接的电池的电流电压值；

电池控制板，用于接收电池驱动板采集的电流电压值，并根据电流电压值估算电池容量，并将电池容量估算值和电压值反馈于主机板；并用于将主机板输出的控制信号输送于电池驱动板；

主机板，用于将电池容量估算值和电压值与预定值进行比较，判断是否生成控制信号，并将生成的控制信号分别输出于对应的电池控制板。

进一步地，电池控制板，包括DSP控制器，用于向电池驱动板输出两路互补信号；

电池驱动板，包括连接两路互补信号中其中一路的串联MOSFET，以及连接两路互补信号中其中另一路的旁路MOSFET，与电池驱动板连接的在役电池或退役电池连接于串联MOSFET和旁路MOSFET之间。

进一步地，电池控制板，还包括，与DSP控制器连接的光耦隔离电路，DSP控制器输出的两路互补信号经过光耦隔离电路后输送于电池驱动板。

进一步地，所述在役电池和退役电池均设置有电压检测传感器和电流检测传感器，所述电压检测传感器和电流检测传感器电连接至所述电池驱动板，所述电池驱动板通过电压检测传感器和电流检测传感器采集对应电池的电压和电流。

进一步地，所述在役电池和退役电池外壁嵌设有温度传感器，所述温度传感器电连接至所述电池驱动板，所述电池驱动板用于通过温度传感器采集对应电池的温度数值，并反馈于所述电池控制板。

进一步地，所述在役电池和退役电池与电源开关之间的电路上安装有保险开关、主控设备，所述主机板安装于所述主控设备内，所述主机板具有远程通讯模块。

进一步地，各所述单体管理单元分别安装于控制箱内，所述控制箱嵌设有电动风扇、触摸屏、急停按钮，所述触摸屏和急停按钮连接至所述主机板，所述触摸屏用于设置系统参数和电池参数，以及显示并存储运行信息和操作记录；所述电池控制板接收温度信息并与预设的安全温度值进行对比，根据温度信息启停电动风扇。

进一步地，所述主机板和各电池控制板之间采用RS485总线连接，所述主机板包括DSP控制器。

本发明具有的有益效果：

1、对每节电池增设单体管理单元，通过充放电电路旁路管控，实现电池组中单节电池的个性化、定制化、高复杂度的智能化管理，从而达到电池单体性能不变而电池组性能大幅度提高的特点；通过电池单体独立控制，保护单体电池，避免单体电池充放电过压、欠压，抑制单体劣化电池对整组电池的影响，延长电池组使用寿命，电池组稳定性较高，并可实现退役电池的再次利用。

2、通过设置温度传感器，实时感应退役电池的温度值，并将温度信息值发送给电池控制板进行处理，电池控制板将异常温度信息与预存温度数值进行对比，并对电动风扇进行启停操作，避免电池过热损坏。

3、本系统可以采用N+X电池串联冗余方式，在一组24节电池的基础上允许最多串联4节电池，即使4节电池失效情况下，仍旧具备两组48节电池的备用能力；也可以采用两组电池（每组24+4）并联冗余方式，允许6节电池失效情况下仍保持原有备用能力，并且全部54节电池允许新旧电池混用，大幅度降低电池使用成本。

4、本系统具备电源变换功能，放电过程中即使电池单体异常退出整组运行后，仍可保持输出电压不变，保障用电设备电源正常运行；充电过程中自动调整充电电压、电流而保持其余电池正常充电，因此，当电池组中存在劣化电池或故障电池时，系统可以实现正常充放电功能，保证系统供电不因个别电池异常而失去备用功能。传统动环系统中检测到电池出现异常，需要应急响应，立刻处理更换电池，而在本系统中，由于个别电池异常时对备电影响有限，因此无需立刻处理，可以定期集中处理，极大的降低系统维护成本。

5、本系统可以实现电池组自主管理，充分利用退役电池，为在役电池提供必要的支持，该系统可以允许电池组中单体电池特性存在一定的差异，支持新旧电池混用，以及不同型号不同种类的电池混用，一方面提高了在役电池的使用寿命，另一方面合理节约了资源，实现了退役电池再利用，整体降低了基站电池的运维成本。

6、本系统具备远程监控功能，所有设备均可以进行远程联网，实现远程集中管理和设备维护，通过远程主控设备，可以使用多种媒介在不同权限下查询、操作任意一台在线设备和全部电池的运行状态和参数，可实现人机交互，基站退役电池无人值守智能管理。

附图说明

图1为在役电池管理系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的系统结构示意图。

图3为本发明单体电池的管控电路示意图。

图4为本发明实施例电池驱动板的电路示意图。

图5为本发明实施例电池控制板的电路示意图。

附图标记：1-在役电池，10-退役电池，2-市电，3-电源开关，4-保险开关， 5-通信设备，6-主控设备，7-单体管理单元，8-远程通讯模块。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图2～图5所示，本实施例提供一种基站退役电池智能管理系统，包括主机板、与在役电池1串联的若干退役电池10、电源开关3，每节在役电池1和退役电池10均分别并联有旁路，旁路上均安装有单体管理单元7，用于对电池进行充放电控制，单体管理单元7包括电连接的电池驱动板和电池控制板；

在役电池1和退役电池10的正负极电连接至对应的电池驱动板，所有的电池控制板电连接至主机板。

具体地，电池驱动板，用于响应电池控制板输送的控制信号驱动与其连接的在役电池1或退役电池10进行断开或接入、并采集与其连接的电池的电流电压值；

电池控制板，用于接收电池驱动板采集的电流电压值，并根据电流电压值估算电池容量，并将电池容量估算值和电压值反馈于主机板；并用于将主机板输出的控制信号输送于电池驱动板；

主机板，用于将电池容量估算值和电压值与预定值进行比较，判断是否生成控制信号，并将生成的控制信号分别输出于对应的电池控制板。

进一步地，电池控制板包括DSP控制器，用于向电池驱动板输出两路互补信号；电池驱动板，包括连接两路互补信号中其中一路的串联MOSFET，以及连接两路互补信号中另一路的旁路MOSFET，与电池驱动板连接的在役电池1或退役电池10连接于串联MOSFET和旁路MOSFET之间。具体地，如图4所示，两路互补信号中其中一路连接串联MOSFET的G极，两路互补信号中其中另一路连接旁路MOSFET的G极；退役电池10或在役电池1的正极连接串联MOSFET的S极，退役电池1或在役电池10的负极连接旁路MOSFET的S极；串联MOSFET的D极连接至旁路MOSFET的D极。

进一步地，电池控制板，还包括，与DSP控制器连接的光耦隔离电路，DSP控制器输出的两路互补信号经过光耦隔离电路后输送于电池驱动板。通过光耦隔离电路可隔离两路互补信号，防止因有电的连接而引起信号干扰。

本系统工作原理：如图5所示，电池驱动板采集电池的电压信号、电流信号后发送给电池控制板，电池控制板根据接收的电压信号、电流信号，采用安时积分法进行电池容量估算，然后将电池容量估算值和电压信号发送给主机板；主机板根据电池容量估算值和电池电压信号，判断电池是否需要投切控制，并将投切信号传输给电池控制板；电池控制板进行单体电池投切控制，通过电池驱动板驱动某些退役电池10串联投入在役电池1电路，或从在役电池1电路切断。具体地，如图4所示，当串联MOSFET断开，旁路MOSFET闭合时，对应单节电池处于断路状态，切出电池组。否则，当串联MOSFET闭合，旁路MOSFET断开时，该节电池接入电池组，用于串联输出电压。

如图2所示，电路中有24节在役电池1，另增加8节退役电池10串联入两条电池组电路。通过每节电池的单体管理单元7可对24+8节单体电池进行独立地投切驱动，电池驱动板采集电池电压值、电流值等电池信息发送给电池控制板，电池控制板根据电池信息进行电池容量估算，并与主机板配合实现单体电池投切控制。主机板和控制板可对电池组进行自动智能控制，对电池组进行热管理，实现电池智能控制、电池容量估算、电池活化功能和远程监控。充电时输入电压53V，充电电流根据电池电压自动调整。放电时稳压48V，放电电流最大支持60A和120A。

具体的投切控制过程：

单节电池容量直接反应为电池电压，当电池电压低于放电最低阈值电压（1.4V）时，电池容量已经较低，不适宜继续放电。当电池电压高于阈值电压（2V）时，电池容量已经充满，不适宜大电流充电，可以进行小电流浮充。在此阈值范围内，单节电池容量适宜，可以进行正常充放电操作。在正常阈值范围内，单节电池均投入正常充放电状态。充电过程中，当单节电池电压高于阈值电压（2V）时，该单节电池旁路电路闭合，该单节电池短路不进行充电操作。放电过程中，当在役电池1电压低于阈值电压（1.4V）时，该在役电池1旁路电路闭合，该在役电池1短路不进行放电操作，为保证电池包输出48V，可将冗余的退役电池10投入电池组进行放电，并将电池组输出电压经过稳压模块，从而输出稳定48V电压至铁塔基站用电设备。当退役电池10电压在阈值电压1.4V至2V之间时，退役电池10投入正常使用。在役电池1的独立控制满足退役电池总共投入24V，使得电池组输出电压48V或者接近48V，并将该电压输出稳压模块，稳压模块输出稳定48V电压至铁塔基站设备。

本系统所提供的智能控制方法支持新电池和旧电池混用、不同品牌电池混用。本系统对单节电池进行独立充放电控制，区别于现有的电池组冗余备份系统，可以避免单节电池过充或者过放，进而实现电池组备电时长，且延长电池组寿命。

本系统的主要技术特点如下：

（1）虚拟电池：在24节单体的电池组正常放电情况下，通过内部电能变换控制，最多支持50%的电池单体退出放电过程，使其处于不在线状态进行维护，实现电池组的虚拟化管理。在常规放电过程中，蓄电池组中的单体电池由于个体自然非均衡的特点和差异的原因如单体容量偏差、单体损坏等原因，传统电池管理方式下，电池组中只要任一节电池电能耗尽或损害，电池组即失去放电能力。采用本系统后，在系统运行中根据运行情况，系统支持最多50%的电池可以退出放电过程。为保证用户对电池的使用需求，系统通过内部电能变换控制，可以实现在最多50%电池不在线工作时，对外仍保持24节电池单体的电池组特性，外部用户可以仍旧按正常24节单体的电池组使用即可。

（2）智能充电：在充电过程中，对电池组中电池单体进行智能化在线管理，从根本上解决电池单体的过充损坏和欠充盐化问题。传统充电方式下，电池组中出现个别电池欠充或过充时，为保证电池组全部电池的容量有效利用，均采用个别电池过充的方式来满足其余电池的充满，即所谓均衡充电方式，长此以往，过充电池极易出现早期损坏，继而欠充电池出现盐化失效问题。

采用本系统后，在充电过程中，通过智能化电池单体控制，电池组的充电无需进行均衡充电控制。对电池组中单体电池进行智能化投切，可以将充电合格的电池提前从电池组切除，其余电池继续充电直至最后一节电池，从而保证电池组全部电池单体充电合格，电池组彻底摒弃欠充或过充危害。电池组单元的过充损坏和欠充盐化问题被从根本上解决。

本系统具备电池组自管理功能，在正常运行状态中，利用运行负载实现定时、定量自动放电、充电过程，在保证电池运行可靠性的基础上，自动实现定期核容功能，实现电池组及其单体实时有效监测。现有大部分电池管理系统只能预估电池容量和寿命，一旦出现估算失误极易导致备用电池系统在实际需要使用时，才发现电池异常而不能满足使用条件。

（3）N+X冗备一体：即在原有N节电池单体的电池组基础上，多配置串联X只电池，由于虚拟电池和灵活充电技术的使用，可以保证原有充电设备和负载不变的前提下，实现N+X只电池单体电池组的正常充放电功能，同时当电池组中最多出现X只电池损坏的情况下仍可以实现备用电池组的正常备用能力。具体地，可以采用24+X单组电池串联冗余方式，在一组24节电池的基础上允许最多串联4节电池，即使4节电池失效情况下，仍旧具备两组48节电池的备用能力。也可以采用两组电池（每组24+4）并联冗余方式，允许6节电池失效情况下仍保持原有备用能力，并且全部54节电池允许新旧电池混用，大幅度降低电池使用成本。

采用本系统后，可以用单节电池的冗余成本替代电池组冗余成本来实现相同的备用冗余效果，同时可以实现在低冗余成本的条件下相同的备用冗余能力，也可以在相同的冗余成本下实现更高的备用冗余能力。传统备用电池系统中，为保证电池组自身的冗余可靠性，多采用1+1备用模式，即在正常使用的电池组之外，在备用一组电池；在本系统中，可以采用24+X方式，即在正常一组电池24节的基础上，允许最多增加X节电池，就可以实现本组电池最多X节电池失效情况下，仍旧具备正常24节电池的备用能力。

实施例2

进一步地，本实施例提供一种远程监控电池信息的具体方式，在役电池1和退役电池10均设置有电压检测传感器和电流检测传感器，电压检测传感器和电流检测传感器电连接至电池驱动板，电池驱动板通过电压检测传感器和电流检测传感器采集对应电池的电压和电流；在役电池1和退役电池10外壁嵌设有温度传感器，温度传感器电连接至电池驱动板，电池驱动板用于通过温度传感器采集对应电池的温度数值，并反馈于电池控制板。具体地，温度传感器型号为PT-100，通过设置温度传感器，对单体电池的温度进行实时监测，可对-50度到100度的温度进行监测。

图2视出了本系统的整体结构，在役电池1和退役电池10与电源开关3之间的电路上安装有保险开关4、主控设备6，主机板、电池控制板安装于主控设备6内，主机板具有远程通讯模块8。主机板设置有4G远程无线通信模块，通过无线通信终端与主机板实现数据传输，进而实现退役电池智能管理系统监控。

实施例3

进一步地，在上述实施例的基础上，本实施例提供一种单体管理单元7的安装方式。各单体管理单元7分别安装于一控制箱内，控制箱嵌设有电动风扇、触摸屏、急停按钮，触摸屏和急停按钮连接至主机板，触摸屏用于设置管理系统参数、设置电池参数、故障信息、软件版本信息和操作记录，触摸屏型号为昆仑通态TPC。急停按钮用于异常情况紧急断电保护，当出现异常情况时，操作人员拍下急停按钮停止单体管理单元7工作。控制箱内的主机板具有输出电压稳压功能，将稳定电压通过线缆连接至基站用电设备，为基站用电设备提供稳定48V直流电压，输出电流能力60A和120A可选。具体地，控制箱前面板嵌设有触摸屏和急停按钮，侧面板嵌设有电动风扇，上下顶部均开设有接线端子用于连接单体电池正负极和基站用电设备。控制箱可以通过螺栓牢固固定于电池安装架，主机板连接触摸屏，可实现人机信息机旁交互，基站退役电池无人值守智能管理。

进一步地，电池控制板接收温度信息并与预设的安全温度值进行对比，根据温度信息启停电动风扇。通过温度传感器实时感应电池的温度值，并发送给电池控制板进行处理，电池控制板将异常温度信息与预存安全工作温度数值进行对比，并通过输出控制单元对电动风扇进行启停操作，以便对电池进行降温。

进一步地，主机板和各电池控制板之间采用RS485总线连接，电池控制板内置有DSP，电池控制板内置DSP型号为TMS320F28035。

工作过程：电池驱动板对单体电池进行投切驱动，并采集电池电压值、电流值和温度值等电池信息，并传输给电池控制板。电池控制板接收电池信息后进行电池容量估算并进行单体电池投切控制，根据温度信息启停电动风扇。主机板连接各电池单体的电池控制板和触摸屏，采用RS485总线接收各电池控制板信息并传输电池投切信号。主机板将各电池控制板信息传输至触摸屏分屏显示，并接收触摸屏参数设置信息，主机板将电池管理系统信息传输至无线通信终端。

本申请文件中各个电器元件的电路连接属于本领域技术人员的公开常识，所以本申请不再详细解释控制方式和电路连接。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基站退役电池智能管理系统，其特征在于，包括主机板、与在役电池（1）串联的若干退役电池（10）、电源开关（3），每节所述在役电池（1）和退役电池（10）均分别并联有旁路，旁路上均安装有单体管理单元（7），用于对电池进行充放电控制，所述单体管理单元（7）包括电连接的电池驱动板和电池控制板；

所述在役电池（1）和退役电池（10）的正负极电连接至对应的所述电池驱动板，所有的所述电池控制板电连接至所述主机板。

2.根据权利要求1所述的基站退役电池智能管理系统，其特征在于，

电池驱动板，用于响应电池控制板输送的控制信号驱动与其连接的在役电池（1）或退役电池（10）进行断开或接入、并采集与其连接的电池的电流电压值；

电池控制板，用于接收电池驱动板采集的电流电压值，并根据电流电压值估算电池容量，并将电池容量估算值和电压值反馈于主机板；并用于将主机板输出的控制信号输送于电池驱动板；

主机板，用于将电池容量估算值和电压值与预定值进行比较，判断是否生成控制信号，并将生成的控制信号分别输出于对应的电池控制板。

3.根据权利要求2所述的基站退役电池智能管理系统，其特征在于，

电池控制板，包括DSP控制器，用于向电池驱动板输出两路互补信号；

电池驱动板，包括连接两路互补信号中其中一路的串联MOSFET，以及连接两路互补信号中其中另一路的旁路MOSFET，与电池驱动板连接的在役电池（1）或退役电池（10）连接于串联MOSFET和旁路MOSFET之间。

4.根据权利要求3所述的基站退役电池智能管理系统，其特征在于，电池控制板，还包括，与DSP控制器连接的光耦隔离电路，DSP控制器输出的两路互补信号经过光耦隔离电路后输送于电池驱动板。

5.根据权利要求2所述的基站退役电池智能管理系统，其特征在于，所述在役电池（1）和退役电池（10）均设置有电压检测传感器和电流检测传感器，所述电压检测传感器和电流检测传感器电连接至所述电池驱动板，所述电池驱动板通过电压检测传感器和电流检测传感器采集对应电池的电压和电流。

6.根据权利要求5所述的基站退役电池智能管理系统，其特征在于，所述在役电池（1）和退役电池（10）外壁嵌设有温度传感器，所述温度传感器电连接至所述电池驱动板，所述电池驱动板用于通过温度传感器采集对应电池的温度数值，并反馈于所述电池控制板。

7.根据权利要求1所述的基站退役电池智能管理系统，其特征在于，所述在役电池（1）和退役电池（10）与电源开关（3）之间的电路上安装有保险开关（4）、主控设备（6），所述主机板安装于所述主控设备（6）内，所述主机板具有远程通讯模块（8）。

8.根据权利要求1所述的基站退役电池智能管理系统，其特征在于，各所述单体管理单元（7）分别安装于一控制箱内，所述控制箱嵌设有电动风扇、触摸屏、急停按钮，所述触摸屏和急停按钮连接至所述主机板，所述触摸屏用于设置系统参数和电池参数，以及显示并存储运行信息和操作记录；所述电池控制板，用于接收温度信息并与预设的安全温度值进行对比，根据温度信息启停电动风扇。

9.根据权利要求1所述的基站退役电池智能管理系统，其特征在于，所述主机板和各电池控制板之间采用RS485总线连接；所述主机板包括DSP控制器。

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