CN111596218B - 用锂电池组模拟铅酸电池组充放电特性的装置 - Google Patents

用锂电池组模拟铅酸电池组充放电特性的装置 Download PDF

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Abstract

用锂电池组模拟铅酸电池组充放电特性的装置涉及电力电子技术领域。本发明由充放电伏安特性曲线输入器、高压侧电流采集器、电池组SOC计算器、低压侧电流采集器和低压侧给定电压控制模块组成。本发明使用梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集，由高压侧的电流值确定当前SOC值及当前SOC值应用的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线，由低压侧电流值确定当前SOC值应用的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线中对应的低压侧电压值，由DC‑DC变换器根据低压侧电压值调整低压侧的电压，达到使用锂电池组动态模拟铅酸蓄电池特定的目的，做到既符合行业现行标准又可以应用锂电池取代体积大重量大的铅酸蓄电池的目的。本发明提供了一种不同种类蓄电池相互模拟的思路和装置。

Description

用锂电池组模拟铅酸电池组充放电特性的装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域。
背景技术
UPS是“电力保护神”，它能够通过市电整流，然后给蓄电池充电，再通过蓄电池给逆变器供电，以此达到在市电断电之后，能为负载提供洁净、不间断的供电等目的，避免因市电中断、杂讯干扰、谐波干扰、三相不平衡、雷击或突波、电压过高或过低、频率异常而带来的资料流失、设备故障、硬件损毁、系统宕机等安全隐患。因此，UPS的应用越来越广泛，几乎遍布所有的行业，而且因为业务的千差万别，应用场景日趋多样化。
数据中心是互联网的核心。为确保这些信息在100％的时间内可用，数据中心是为最大的可靠性而设计的。数据中心是UPS应用最有代表性的场景，但是不同行业的用户，由于业务性质的不同，对于UPS的应用有着明显的区别。关键数据中心通常会使用在线双转换UPS电源系统。为了进一步提高系统的可靠性，还将包括一个内部自动静态转换开关，以实现到旁路电源的转换。如果在UPS内检测到问题或故障，将自动进行转移。
UPS不间断电源技术在中心机房中发挥的重要的作用，能够提高企业自身的发展能力.我们知道在机房内建有供电系统、空调系统和内部计算机服务器等电子设备，这些设备在工作中会消耗大量的能源。运用UPS技术就是起到降低机房的能源问题，直接减少投资和运营开支。机房改造中，具备高可靠性、高可用性的UPS供电系统是其运营安全稳定的电源保障。
目前用于UPS的后备电池多为铅酸密封蓄电池，并且行业标准也是基于铅酸蓄电池的充放电特性制定的。华为公司作为一线厂商制造了采用锂电池组作为后备电池的UPS设备，但是华为公司生产的锂电池组作为后备电池的UPS设备，其性能指标与行业标准并不一致，处于一个打破既定技术路线的过程之中。但是锂电池组作为后备电池的UPS设备在特定场景下的应用前景已经凸显。
本发明提供用锂电池组模拟铅酸电池组充放电特性的装置，本发明使用充放电伏安特性曲线输入器、高压侧电流采集器、电池组SOC计算器、低压侧电流采集器和低压侧给定电压控制模块组成，由充放电伏安特性曲线输入器按照铅酸电池组充放电特性建立梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集；由低压侧电压采集器负责采集DC-DC变换器连接UPS主机和开关电源的端口的电压；由低压侧电流采集器负责采集DC-DC变换器连接UPS主机和开关电源的端口的电流；由高压侧电流采集器负责采集锂电池组连接DC-DC变换器的端口电流和时刻；由电池组SOC计算器根据锂电池组连接DC-DC变换器的端口电流和时刻采用安时积分法计算锂电池组的SOC；由低压侧给定电压控制模块根据锂电池组的SOC值查询充放电伏安特性曲线输入器中梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集，选择其中与锂电池组的SOC值相同的SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线作为当前应用的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线；由低压侧给定电压控制模块根据低压侧电流采集器的输出值查询当前应用的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线给出低压侧给定电压，由低压侧给定电压控制模块将低压侧给定电压输入DC-DC变换器，DC-DC变换器根据低压侧给定电压调整DC-DC变换器连接UPS主机和开关电源的端口的电压为低压侧给定电压的值；当锂电池组处于充电过程和锂电池组处于放电过程时低压侧给定电压控制模块的工作状态完全一致。本发明不受UPS主机和开关电源必须和锂电池的匹配限制，以锂电池组模拟铅酸电池组的充放电特性满足现行UPS行业标准为技术切入点，本发明的使用将UPS主机、锂电池组、双向DC-DC变换器作为公知技术。
与现有技术比较
现有技术中有电池模拟装置，如CN2019209687830一种模拟电池组，该申请使用限流电阻R与所述升压模块之间设置有高精度基准稳压管模块的方式模拟电池组，CN2019209687830与市场上出现的模拟电池的原理基本一致，都是采用改变电路中内阻的形式模拟电池组的特性，与本发明的技术路线和应用场景均有不同，模拟电池组多用于测试环境需要，使用电路模拟电池组的伏安特性，并且该电路需要接入电源才能实现对电池组的模拟，而本发明是在UPS主机和开关电源的储能端真实加载电池组，鉴于行业标准用铅酸电池组制定，而采用锂电池组模拟铅酸电池的伏安特性而使得在某些应用场景达到用锂电池组取代铅酸电池组的目的。
现有技术中有申请号为201920902993X，发明名称为一种锂电池模拟干电池输出结构的专利申请。一种锂电池模拟干电池输出结构，包括DC-DC转换器，还包括电压采样模块、低通滤波器、线性求和模块、恒压输出器，锂电池的输出端与电压采样模块的输入端电连接，电压采样模块的输入端的输出端与低通滤波器的输入端电连接，低通滤波器的输出端以及恒压输出器的输出端均与线性求和模块的输入端电连接，线性求和模块的输出端与DC-DC转换器的输入端电连接，能够使DC-DC转换器的输出电压随着锂电池的电压变化而变化，并符合干电池输出电压的特点。该专利通过锂电池外接其他电路模仿干电池放电时电压变化的特性，未使用本发明所采用的根据铅酸电池的SOC伏安特性曲线控制锂电池组输出电压的原理，该专利也不能同时满足本发明的对铅酸电池组的充电过程的模拟。
应用的现有技术说明
CN2014103846642一种可控的双向dc-dc变换器及其控制方法，该专利申请阐述了电力电子技术领域通过调整给定电压目标可以调整DC-DC变换器作为稳压源时输出电压的通用性技术。在现有技术中还有申请号为2017216924418，申请名称为一种双向直流-直流变换器的专利，该专利解决了在输入电压V1和输出电压V2相等或者很接近时，不能有效进行电压变换的问题，也间接证明了在DC-DC变换器技术领域，通过调整低压侧给定电压来变换低压侧输出电压的技术是很普遍的公知技术。
SOC即荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0~1，当SOC=0时表示电池放电完全，当SOC=1时表示电池完全充满。 电池SOC不能直接测量，只能通过电池端电压、充放电电流及内阻等参数来估算其大小。SOC算法一直是BMS开发应用的关键技术之一，粗率的说SOC等于剩余容量除以额定容量，常用的SOC估算方法包括开路电压法、安时积分法、卡尔曼滤波法等。它们各有其适用范围和优缺点：开路电压法简单方便，但只能在电池组未带负载时使用，无法适用于充放电过程；安时积分法被广泛采用，但每次电流的采集过程都会引入测量误差，且会随着时间的推移而越来越大，从而造成估算偏差也越来越大；卡尔曼滤波法准确度高，但由于需要事先针对具体的电池产品建立真实的状态模型和测量方程，所以实现的难度大，算法复杂。
梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集，在现有技术中得到梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集的方法具有等效意义，包括：通过测试一组铅酸电池组在充放电过程中的电量和电压及电流得到梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集；通过结合不同品牌铅酸电池组的充放电曲线取均值得到不同品牌铅酸电池综合的梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集。梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集无论用何种方法取得，由于其都具备满足行业标准的特性，因此都可以应用于本发明。如图2给出了一种梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集。
发明内容
鉴于现有技术的不足，实现本发明的用锂电池组模拟铅酸电池组充放电特性的装置由充放电伏安特性曲线输入器、高压侧电流采集器、电池组SOC计算器、低压侧电流采集器和低压侧给定电压控制模块组成；
充放电伏安特性曲线输入器负责按照铅酸电池组充放电特性建立梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集，当SOC值确定时梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集中有且只有一条铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线与确定的SOC值对应；
低压侧电流采集器负责采集DC-DC变换器连接UPS主机和开关电源的端口的电流，生成低压侧电流值并将低压侧电流值传给低压侧给定电压控制模块；
高压侧电流采集器负责采集锂电池组连接DC-DC变换器的端口电流和时刻；
电池组SOC计算器根据锂电池组连接DC-DC变换器的端口电流和时刻采用安时积分法计算锂电池组的SOC值，并将锂电池组的SOC值发送给低压侧给定电压控制模块；
低压侧给定电压控制模块根据锂电池组的SOC值查询充放电伏安特性曲线输入器中梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集，选择其中与锂电池组的SOC值相同的SOC值对应的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线作为当前应用的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线；
低压侧给定电压控制模块根据低压侧电流值查询当前应用的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线中与低压测电流值对应的电压值生成低压侧给定电压值；
低压侧给定电压控制模块将低压侧给定电压值作为DC-DC变换器的控制目标电压输入DC-DC变换器，DC-DC变换器根据低压侧给定电压值调整DC-DC变换器连接UPS主机和开关电源的端口的电压值为低压侧给定电压值。
有益效果
本发明使用梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集，由高压侧的电流值确定当前SOC值及当前SOC值应用的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线，由低压侧电流值确定当前SOC值应用的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线中对应的低压侧电压值，由DC-DC变换器根据低压侧电压值调整低压侧的电压，达到使用锂电池组动态模拟铅酸蓄电池特定的目的，做到既符合行业现行标准又可以应用锂电池取代体积大重量大的铅酸蓄电池的目的。本发明提供了一种不同种类蓄电池相互模拟的思路，不限于锂电池模拟铅酸电池，高压侧的电池组种类A都可以使用本发明的思路模拟成充放电伏安特性曲线输入器中输入梯度SOC值下电池种类B的充放电伏安特性曲线集来完成电池种类A模拟成电池种类B。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集示意图。
图例
A是UPS主机和开关电源；B是锂电池组；C是DC-DC变换器；D是功率流向；1是充放电伏安特性曲线输入器；3是高压侧电流采集器；2是电池组SOC计算器；4是低压侧电流采集器；5是低压侧给定电压控制模块。
具体实施方式
参看图1和图2，实现本发明的用锂电池组模拟铅酸电池组充放电特性的装置由充放电伏安特性曲线输入器1、高压侧电流采集器3、电池组SOC计算器2、低压侧电流采集器4和低压侧给定电压控制模块5组成；
充放电伏安特性曲线输入器1负责按照铅酸电池组充放电特性建立梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集，当SOC值确定时梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集中有且只有一条铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线与确定的SOC值对应；
低压侧电流采集器4负责采集DC-DC变换器C连接UPS主机和开关电源A的端口的电流，生成低压侧电流值并将低压侧电流值传给低压侧给定电压控制模块5；
高压侧电流采集器3负责采集锂电池组B连接DC-DC变换器C的端口电流和时刻；
电池组SOC计算器2根据锂电池组B连接DC-DC变换器C的端口电流和时刻采用安时积分法计算锂电池组的SOC值，并将锂电池组的SOC值发送给低压侧给定电压控制模块5；
低压侧给定电压控制模块5根据锂电池组的SOC值查询充放电伏安特性曲线输入器1中梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集，选择其中与锂电池组的SOC值相同的SOC值对应的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线作为当前应用的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线；
低压侧给定电压控制模块5根据低压侧电流值查询当前应用的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线中与低压测电流值对应的电压值生成低压侧给定电压值；
低压侧给定电压控制模块5将低压侧给定电压值作为DC-DC变换器C的控制目标电压输入DC-DC变换器C，DC-DC变换器C根据低压侧给定电压值调整DC-DC变换器C连接UPS主机和开关电源A的端口的电压值为低压侧给定电压值。

Claims (1)

1.用锂电池组模拟铅酸电池组充放电特性的装置， 由充放电伏安特性曲线输入器、高压侧电流采集器、电池组SOC计算器、低压侧电流采集器和低压侧给定电压控制模块组成；
充放电伏安特性曲线输入器负责按照铅酸电池组充放电特性建立梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集，当SOC值确定时梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集中有且只有一条铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线与确定的SOC值对应；
低压侧电流采集器负责采集DC-DC变换器连接UPS主机和开关电源的端口的电流，生成低压侧电流值并将低压侧电流值传给低压侧给定电压控制模块；
高压侧电流采集器负责采集锂电池组连接DC-DC变换器的端口电流和时刻；
电池组SOC计算器根据锂电池组连接DC-DC变换器的端口电流和时刻采用安时积分法计算锂电池组的SOC值，并将锂电池组的SOC值发送给低压侧给定电压控制模块；
低压侧给定电压控制模块根据锂电池组的SOC值查询充放电伏安特性曲线输入器中梯度SOC值下铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线集，选择其中与锂电池组的SOC值相同的SOC值对应的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线作为当前应用的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线；
低压侧给定电压控制模块根据低压侧电流值查询当前应用的铅酸蓄电池的充放电伏安特性曲线中与低压测电流值对应的电压值生成低压侧给定电压值；
低压侧给定电压控制模块将低压侧给定电压值作为DC-DC变换器的控制目标电压输入DC-DC变换器，DC-DC变换器根据低压侧给定电压值调整DC-DC变换器连接UPS主机和开关电源的端口的电压值为低压侧给定电压值。
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