CN111864889B - 铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统及供电方法 - Google Patents

铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统及供电方法 Download PDF

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Abstract

一种铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统及供电方法。目前，当交流(市)电断电后，由铅酸蓄电池组给负载供电，在备电铅酸蓄电池组放电过程中某一单只铅酸蓄电池出现开路故障，导致整组蓄电池开路无法使用。一种铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，其组成包括：铅酸蓄电池组（1）、电池采集单元（2）、AC/DC单元（3）、负载（4）、铁锂电池组（5）、系统控制单元（6）、铅酸蓄电池模组分控单元（7）和DC/DC电源（8），铅酸蓄电池组分别与AC/DC单元、负载、电池采集单元和铅酸蓄电池组分控单元连接，铅酸蓄电池分控单元分别与系统控制单元和DC/DC电源连接，系统控制单元分别与AC/DC单元、电池采集单元、DC/DC电源和铁锂电池组连接。

Description

铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统及供电方法
技术领域：
本发明涉及一种铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统及供电方法。
背景技术：
现在的电厂和变电站所使用的备用蓄电池一般都是220V或110V的铅酸蓄电池组，通讯基站或机房使用的大多是48V铅酸蓄电池组，而UPS大都采用48V—540V的铅酸蓄电池组。在上述应用中，如果系统中只有一组铅酸蓄电池作为备电使用，当交流(市)电断电后，由铅酸蓄电池组给负载供电，在备电铅酸蓄电池组放电过程中某一单只铅酸蓄电池出现开路故障，导致整组蓄电池开路无法使用，从而使负载断电，造成严重的后果。
为了能解决蓄电池组开路故障，业内一直寄希望于蓄电池组在线监测系统，对蓄电池的单体电压、组压、单体内阻、电池内部温度等重要参数实施在线监测，一旦发现某个参数有异常或其变化趋势有异常时立即告警，及时进行处理。武汉理工大学以蓄电池运行参数在线监测实际系统研究为背景，对影响蓄电池工作状态的技术参数和阀控式铅酸蓄电池在线监测方法等进行了深入的分析和研究，对阀控式铅酸蓄电池监测系统的实现进行了硬件电路和软件程序设计和在线巡检仪的研制。上海交通大学对阀控式铅酸电池从机理上分析了影响其寿命的主要因素和不一致性的成因进行深入的研究，对比了各种常用均衡充电方法，提出了一种基于电量动态转移的无损均衡充电方法，均充单元由多个均充旁路组成，每个均充旁路由MOSFET管、电感及二极管组成，以电感作为储能元件，由MOSFET管控制，使电量在各单体电池间转移。浙江大学提出了一种基于AH定律、Peukert方程、温度修正及老化因素的阀控式铅酸蓄电池容量预测，以及一种可以实现在线测量的新型放电周期法来测量阀控式铅酸蓄电池的老化程度SOH。
上述研究都只是在充电管理以及维护上延迟蓄电池的失效，可是仍然不能避免蓄电池组开路故障发生，究其原因是因为铅酸蓄电池在正常浮充运行时，腐蚀造成的汇流条或极耳开裂、熔脱等缺陷被隐藏，只有在较大电流放电时缺陷非常快速的变为故障，所以仅靠蓄电池组在线监测系统是没有办法避免蓄电池组开路故障。
发明内容：
本发明的目的是提供一种铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统及供电方法，解决了传统铅酸蓄电池备电系统的安全隐患，是一种全新的备电方案。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，其组成包括：铅酸蓄电池组、电池采集单元、AC/DC单元、负载、铁锂电池组、系统控制单元、铅酸蓄电池模组分控单元和DC/DC电源，其特征是：所述的铅酸蓄电池组分别与AC/DC单元、负载、电池采集单元和铅酸蓄电池组分控单元连接，所述的铅酸蓄电池分控单元分别与系统控制单元和DC/DC电源连接，所述的系统控制单元分别与AC/DC单元、电池采集单元、DC/DC电源和铁锂电池组连接，所述的DC/DC电源和所述的铁锂电池组分别与AC/DC单元和负载连接，所述的AC/DC单元分别与电池采集单元和负载连接，所述的铅酸蓄电池组、所述的电池采集单元、所述的AC/DC单元、所述的铁锂电池组和所述的DC/DC电源输出电压等级一般为220V或110V或48V或系统定义的大于48V其它电压。
所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，所述的铅酸蓄电池组在市电正常状态下由AC/DC单元给负载供电同时给其充电或浮充电，在市电断电的状态下给负载供电。
所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，所述的电池采集单元对铅酸蓄电池组进行单体电压、温度等数据进行采集，并具有多种通信接口，将采集数据实时上传给上位机和系统控制单元。
所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，所述的AC/DC单元给负载供电、给所述的铅酸蓄电池组充电或浮充电和所述的小容量铁锂电池组充电。
所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，所述的负载为用电设备，所述的用电设备为电力上的用电设备。
所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，所述的铁锂电池组为一个或多个与铅酸蓄电池组电压等级相当的锂电池组组成，所述的铁锂电池组模块本身具有独立的管理控制单元，由系统控制单元通过CAN通信、RS485通信方式与其通信控制，或者没有独立的控制单元，由系统控制单元完成对其进行功能控制。
所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，所述的系统控制单元包括对铅酸蓄电池电压、温度的监测，对铅酸蓄电池模组分控单元的控制，对电流数据监测，同时按需求向上位机提供CAN、WIFI、网口、RS232、RS485接口，还开对小容量锂电池组进行控制。
所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，所述的铅酸蓄电池模组分控单元对对铅酸蓄电池组均分成N个模组，分组抽头成独立的模组各输出线进行充放电控制，在市电断电的状态下其中由于某一单体蓄电池出现开路，系统监控单元将监测到的包含开路蓄电池的模组隔离，其余N-1个无开路蓄电池的模组逐一输出给DC/DC电源进行电能变换持续给负载供电。
所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，所述的铅酸蓄电池组、所述的AC/DC单元、所述的铁锂电池组、所述的DC/DC电源的输出电压和所述的负载的输入电压平台，不限于特定的电压，可以为220V，也可以为110V,480V等电压等级，且只表示电压等级，而不是只具体实际电压值。
所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统的供电方法，该方法包括如下步骤：
有市电供电的情况下，系统通过AC/DC单元给负载供电,同时为铅酸蓄电池组充电或浮充电以及为小容量锂电池组充电；
在市电断电的情况下，由铅酸蓄电池组为负载供电，此时小容量锂电池组可以为负载供电，也可以不为负载供电，这个可以通过系统控制器B02进行控制或者根据策略要求设定工作条件；
在市电断电情况下，铅酸蓄电池组中的单只蓄电池出现开路故障时，系统中的在线热备份小容量铁锂电池组在保证不间断给负载稳定供电的同时，系统控制单元通过电池采集电源，检测出铅酸蓄电池组中的开路蓄电池单体和其所在的模组，再通过启动铅酸蓄电池模组分控单元将没有开路的铅酸蓄电池模组逐一通过DC/DC电源进行电能变换输出、保证给负载持续供电，同时控制铁锂电池组转入在线热备份状态。
本发明的有益效果：
1.本发明解决上述问题所采用的核心技术方案是：一是如果有单只铅酸蓄电池组出现开路故障，系统启动在线的热备份小容量高放电倍率铁锂电池组供电，铁锂电池组在线零延时自动接入；二是对开路铅酸蓄电池组进行检测、启动蓄电池模组分组、隔离含开路蓄电池模组、将无开路的蓄电池模组逐一进行能量转换输出供电，确保负载供电不间断、持续可靠。
本发明的（1）铅酸蓄电池组功能：作为传统系统中唯一一组备用蓄电池组。
（2）电池采集单元功能：是对铅酸蓄电池组进行单体电压、温度等数据进行采集，并具有多种通信接口，将采集数据实时上传给上位机和监控单元。
（3）AC/DC单元功能：一是给负载供电，二是给唯一一组铅酸蓄电池组充电，三是给本方案中的小容量铁锂电池组充电。
（4）负载A04功能：在电力厂站低压辅助系统用备用电源系统和通信备用电源系统中为直流用电设备，在UPS备用电源系统中为逆变器和交流用电设备。
（5）小容量铁锂电池组B01功能：具有独立的有通信功能的电池管理系统和充放电及在线热备份控制回路，在AC/DC单元供电或失电而由铅酸蓄电池组供电时，在系统中在线热备份；在由铅酸蓄电池组供电时由于某一只铅酸蓄电池开路导致整组铅酸蓄电池断电时，在系统中由在线热备份自动投切供电。
（6）系统监控单元功能：具有多种通信接口，能与本系统中所有具有通信功能的单元进行通信，能通过电池采集单元对铅酸蓄电池组电压、温度等数据进行监测；当铅酸蓄电池组某一只蓄电池开路，控制铅酸蓄电池模组分控单元将没有开路的铅酸蓄电池模组逐一通过DC/DC电源进行电能变换输出、持续供电，控制铁锂电池组转入在线热备份状态。
（7）铅酸蓄电池模组分控单元功能：将铅酸蓄电池组均分成N个模组，分组抽头成独立的模组，这其中由于某一单体蓄电池出现开路，系统监控单元将监测到的包含开路蓄电池的模组隔离，其余N-1个无开路蓄电池的模组逐一输出给DC/DC电源B04进行电能变换持续给负载供电。
（8）DC/DC电源B04功能：将铅酸蓄电池模组分控单元中N-1个无开路蓄电池的模组输出的电能通过DC/DC变换输出给负载。
本发明提高了备电系统的可靠性和安全性，会在以后的实际应用中得到推广，这个方案在电力、通信和UPS行业还没有先例，这个的控制理论也是全新的策略方案。
附图说明：
附图1本发明使用铅酸蓄电池组为备用电源系统示意图。
附图2是传统使用铅酸蓄电池组为备用电源系统示意图。
附图3是传统方案市电供电工作模式示意图。
附图4是传统方案铅酸蓄电池供电工作模式示意图。
附图5是传统方案铅酸蓄电池开路负载断电工作模式示意图。
附图6是本发明铅酸蓄电池开路、小容量铁锂电池不间断供电工作模式示意图。
附图7本发明铅酸蓄电池开路后、无开路铅酸蓄电池模组供电工作模式示意图。
图中：1、包括铅酸蓄电池组，2、电池采集单元，3、AC/DC单元，4、负载，5、铁锂电池组，6、系统控制单元，7、铅酸蓄电池模组分控单元，8、DC/DC电源。
具体实施方式：
实施例1：
一种用于电力厂站低压辅助系统用备用电源系统、通信备用电源系统和UPS备用电源系统，称为蓄电池组开路保护不间断应急供电技术方案和系统，包括铅酸蓄电池组1、电池采集单元2、AC/DC单元3、负载4、小容量高倍率放电铁锂电池组5、系统控制单元6、铅酸蓄电池模组分控单元7、DC/DC电源8等组成。
实施例2：
根据实施例1所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，铅酸蓄电池组在市电正常状态下由给负载供电同时给其充电或浮充电，在市电断电的状态下给负载供电。
实施例3：
根据实施例1或2所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，所述的电池采集单元，对铅酸蓄电池组A01进行单体电压、温度等数据进行采集，并具有多种通信接口，将采集数据实时上传给上位机和监控单元B02。
实施例4：
根据实施例1或2或3所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，所述的AC/DC单元，一是给负载供电，二是给铅酸蓄电池组充电或浮充电，三是给小容量铁锂电池组充电。
实施例5：
根据实施例1或2或3或4所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，所述的负载即指用电设备，可以是电力上的用电设备，也可以是其他的用电设备。
实施例6：
根据实施例1或2或3或4或5所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，所述的小容量锂电池组为一个或多个与铅酸蓄电池组电压等级相当的锂电池组组成。所述的小容量锂电池组模块本身具有独立的管理控制单元，由系统控制器通过CAN通信、RS485等通信方式与其通信控制；或者没有独立的控制单元，由系统控制器完成对其进行功能控制。
实施例7：
根据实施例1或2或3或4或5或6所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，所述的系统控制器，功能包括包括对铅酸蓄电池电压、温度的监测，对铅酸蓄电池模组分控单元的控制，对电流数据监测，同时按需求向上位机提供CAN、WIFI、网口、RS232、RS485等接口，还开对小容量锂电池组进行控制，对整个系统的运行进行总的控制功能。同时其可以具备对设备的开路故障、故障信息通过短信或者无线网络、有线网络等方式上报给上级设备或发送数据给设备维护人员的功能。
实施例8：
根据实施例1或2或3或4或5或6或7所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，所述的开路电池隔离分切供电装置，对铅酸蓄电池组均分成N个模组，分组抽头成独立的模组各输出线进行充放电控制。在市电断电的状态下其中由于某一单体蓄电池出现开路，系统监控单元将监测到的包含开路蓄电池的模组隔离，其余N-1个无开路蓄电池的模组逐一输出给DC/DC电源B04进行电能变换持续给负载供电。
实施例9：
传统使用铅酸蓄电池组为备用电源系统方案如图2，本发明使用铅酸蓄电池组为备用电源系统方案如图1，以下部分对具体实施方式进行详细说明。
在有市电供电的状态下参见图3：AC/DC单元给负载供电，给铅酸蓄电池组充电(浮充电)，上述传统方案于本发明工作状态相同，差别在于此状态下本发明同时可给小容量锂电池组充电。
在市电断电的情况下参见图4，AC/DC单元无输出，由铅酸蓄电池组给负载供电，此时传统方案与本发明供电路径完全相同，唯一差别在于本发明多了一个小容量铁锂电池组在线热备份。此时，铅酸蓄电池组给负载供电，同时小容量锂电池组也可以给负载供电。在这种情况下，通过铅酸蓄电池组和小容量铁锂电池组输出电压设定及小容量铁锂电池组的剩余容量情况，由系统控制器控制两组电池的输出情况。也可以不通过系统控制器控制，也作为本专利的重要实施方式之一。
在市电断电AC/DC单元无输出、铅酸蓄电池组开路的情况下，传统方案中将导致系统负载断电参见图5。而此时本发明在上述情况下由在线热备份小容量铁锂电池组自动切入给负载B04供电，保证负载不间断供电参见图6，此点是本发明的重要实施方式之一。
在市电断电AC/DC单元无输出、铅酸蓄电池组开路，由本发明系统中的在线热备份小容量铁锂电池组在保证不间断给负载稳定供电的同时，本发明系统中的系统控制单元通过电池采集电源，检测出铅酸蓄电池组中的开路蓄电池单体和其所在的模组并隔离，再通过启动铅酸蓄电池模组分控单元将没有开路的铅酸蓄电池模组逐一通过DC/DC电源进行电能变换输出、保证给负载持续供电，同时控制铁锂电池组转入在线热备份状态参见图7，此点是本发明的重要实施方式之一。
本发明中的系统控制单元在铅酸蓄电池组中有单体电池出现开路故障时，会向上位机发出故障报警，并将具体的故障内容(报告检测到开路电池故障位置信息)上报，在设备维护人员排除故障前，完成应急处理保证供电。

Claims (8)

1.一种铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，其组成包括：铅酸蓄电池组、电池采集单元、AC/DC单元、负载、铁锂电池组、系统控制单元、铅酸蓄电池组分控单元和DC/DC电源，其特征是：所述的铅酸蓄电池组分别与AC/DC单元、负载、电池采集单元和铅酸蓄电池组分控单元连接，所述的铅酸蓄电池组分控单元分别与系统控制单元和DC/DC电源连接，所述的系统控制单元分别与AC/DC单元、电池采集单元、DC/DC电源和铁锂电池组连接，所述的DC/DC电源和所述的铁锂电池组分别与AC/DC单元和负载连接，所述的AC/DC单元分别与电池采集单元和负载连接，所述的铅酸蓄电池组、所述的电池采集单元、所述的AC/DC单元、所述的铁锂电池组和所述的DC/DC电源输出电压等级为220V或110V或48V或系统定义的大于48V其它电压；
所述的铅酸蓄电池组分控单元对铅酸蓄电池组均分成N个模组，分组抽头成独立的模组各输出线进行充放电控制，在市电断电的状态下其中由于某一单体蓄电池出现开路，系统监控单元将监测到的包含开路蓄电池的模组隔离，其余N-1个无开路蓄电池的模组逐一输出给DC/DC电源进行电能变换持续给负载供电；
铅酸蓄电池组分控单元将没有开路的铅酸蓄电池模组逐一通过DC/DC电源进行电能变换输出。
2.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，其特征是：所述的铅酸蓄电池组在市电正常状态下由AC/DC单元给负载供电同时给其充电或浮充电，在市电断电的状态下给负载供电。
3.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，其特征是：所述的电池采集单元对铅酸蓄电池组进行单体电压、温度数据进行采集，并具有多种通信接口，将采集数据实时上传给上位机和系统控制单元。
4.根据权利要求2所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，其特征是：所述的AC/DC单元给负载供电、给所述的铅酸蓄电池组充电或浮充电和所述的铁锂电池组充电。
5.根据权利要求4所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，其特征是：所述的负载为用电设备，所述的用电设备为电力上的用电设备。
6.根据权利要求4所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，其特征是：所述的铁锂电池组为一个或多个与铅酸蓄电池组电压等级相当的锂电池组组成，所述的铁锂电池组本身具有独立的管理控制单元，由系统控制单元通过CAN通信、RS485通信方式与其通信控制，或者没有独立的控制单元，由系统控制单元完成对其进行功能控制。
7.根据权利要求6所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统，其特征是：所述的系统控制单元包括对铅酸蓄电池电压、温度的监测，对铅酸蓄电池组分控单元的控制，对电流数据监测，同时按需求向上位机提供CAN、WIFI、网口、RS232、RS485接口，还对铁锂电池组进行控制。
8.一种权利要求1—7之一所述的铅酸蓄电池组开路保护不间断应急供电系统的供电方法，其特征是：该方法包括如下步骤：
有市电供电的情况下，系统通过AC/DC单元给负载供电 ,同时为铅酸蓄电池组充电或浮充电以及为铁锂电池组充电；
在市电断电的情况下，由铅酸蓄电池组为负载供电，通过系统控制器B02进行控制或者根据策略要求设定工作条件，使铁锂电池组为负载供电或不为负载供电；
在市电断电情况下，铅酸蓄电池组中的单只蓄电池出现开路故障时，系统中的在线热
备份铁锂电池组在保证不间断给负载稳定供电的同时，系统控制单元通过电池采集电源，检测出铅酸蓄电池组中的开路蓄电池单体和其所在的模组，再通过启动铅酸蓄电池组分控单元将没有开路的铅酸蓄电池模组逐一通过DC/DC电源进行电能变换输出、保证给负载持续供电，同时控制铁锂电池组转入在线热备份状态。
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