CN213782969U - 一种使用锂电池的不间断电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种使用锂电池的不间断电源系统。包括电池控制单元、电池监测单元、高压单元和远程终端单元，通过电池监测单元对电池组的开路电压、温度等参数进行实时的监测，经过BMU中MCU转换后，通过CAN总线实时发送给电池控制单元。高压单元测量总电压、电流、绝缘电阻状态并发送至电池控制单元。电池控制单元估算出电池组各电池单体的SOC、SOH等状态信息，并控制电池监测单元对各电池单体的剩余电量进行均衡，同时通过干接点与UPS机柜连接，控制整流器和逆变器以不同的模式分别与电网和负载相连，完成系统充放电工作。本实用新型不但提高储能系统的工作性能、降低成本，同时便于管理人员实时了解掌握电池系统状态，在未来为系统维护、功能扩展提供便利。

Description

一种使用锂电池的不间断电源系统

技术领域

本实用新型属于锂电池技术领域，具体涉及一种使用锂电池的不间断电源（UPS）系统。

背景技术

随着科技的快速发展，人工智能、5G、物联网、节能环保和新能源汽车等战略性新兴产业规模快速扩大，其核心设备向智能化、集成化方向发展。这些关键设备的安全问题、能耗问题也在逐步凸显，供电系统的稳定性直接影响设备的稳定运行。大型的研发和制造工厂需要高质量的可靠电源，失电、甚至微小的电源质量下降都可能导致生产出废品，甚至使得某些机器出现重新启动或部件损坏的现象，造成巨大的经济损失。

为了有效减少电网故障及其影响，主要的技术路线包括：从产生原因出发降低故障次数、从过程出发缩短故障清除时间、优化供电方式、提高设备耐量及加装辅助设备。辅助设备中技术比较成熟、应用较广的就是不间断电源UPS系统。在供电系统中配置合适的UPS，可以保证在公网有电压波动、甚至停电时重要负载的电源供应。以防止关键设备出现故障，避免造成损失。其优势明显，具有高效率、高可靠性。且有多方面因素可以提高UPS自身能效，优化负载效率曲线，降低输出电流谐波，提高功率因数。且目前多数大功率段的UPS均已经具备冗余并机功能，UPS内部多模块冗余并联运行、甚至多台UPS组成的系统冗余运行技术，在并联运行中，当单一模块或单机发生故障时，其功能则自动转由冗余单元承担，这使得UPS供电系统的可靠性优势是其他方式不能比拟的。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种使用锂电池的不间断电源（UPS）系统，本实用新型的目的是建立功能模块化的UPS架构，在电池管理端应用“一主多从”的电池管理模式，而主控模块不但控制各电池包的状态估算、均衡操作，还控制UPS机柜中整流、逆变模块、显示屏及冷却系统。系统整体有电源电池状态监测、电池状态估算、充放电模式切换、均衡控制策略、系统热管理、绝缘监测、历史数据存储、人机交互和数据通信等功能。

本实用新型提出的一种使用锂电池的不间断电源系统，由UPS机柜、电池组、电池控制单元BCU(Battery Controller Unit)、电池监测单元BMU(Battery Monitor Unit)、高压单元HVU（High Voltage Unit）、远程终端单元RTU ( Remote Terminal Unit)和人机交互界面（HMI）组成，其中：

所述UPS机柜包括整流器、逆变器、市电旁路开关、继电器和指示灯，市电接入UPS机柜后分为两路，一路连接整流器的输入端，另一路连接市电旁路开关的输入端，整流器的输出端分为两路，一路连接逆变器的输入端，另一路输出端通过电力线缆连接电池组内的电池，电力线缆终端连接UPS机柜内的继电器的输入端，继电器的输出端连接逆变器的输入端；逆变器的输出端和市电旁路开关的输出端分别连接负载的输入端；

电池控制单元有多个输出端，分别连接UPS机柜的市电旁路开关、整流器、逆变器、继电器和指示灯的信号输入端；电池控制单元发送指令控制整流器、逆变器和继电器，以切换电池充放电状态及UPS系统的工作模式；并控制指示灯显示，以表明UPS系统的实时工作状态；

人机交互界面分别与电池控制单元和远程终端单元进行双向连接；

电池控制单元、电池监测单元和远程终端单元分别作为CAN节点挂接在CAN总线上；

电池组有若干个，每个电池组内设有一个电池监测单元，每个电池组内设有若干电池，相邻的电池单体两端连接并成簇，与电池监测单元的数据采集端口进行相连；

整流器的一路输出端通过电力线缆连接电池组内的电池，将市电的220V交流电转化为稳定的直流电对电池组进行充电；电力线缆终端连接UPS机柜内的继电器的输入端；高压单元并联接入到整流器与电池组之间的电力线缆上，测量电池组的总电压、电流和绝缘电阻，高压单元通过CAN总线与电池控制单元连接，与电池控制单元通信。

本实用新型中，远程终端单元通过网络通信连接PC机，远程终端单元将CAN总线上的信息发送到PC机上。

本实用新型中，UPS机柜上设有LED显示屏。

本实用新型中，指示灯分为市电指示灯、电池指示灯、逆变器指示灯等，清晰明了地显示当前机柜工作状态。

本实用新型中，所述电池控制单元BCU根据CAN BUS上接收到的各项状态数据估算各电池单体的SOC、SOH状态，并发送均衡命令给各BMU，进而对电量不同的电池单体进行均衡操作；同时通过干接点与UPS机柜连接，控制整流器和逆变器以不同的模式分别与电网和负载相连，以完成系统充放电的工作；所述电池组为多电池电池组；所述高压单元HVU对电池包的电池总电压、电流、绝缘电阻等状态进行监测，通过CAN BUS与BCU通信；所述电池监测单元BMU测量电池组内各电池单体的电压和温度，通过CAN总线与BCU通信；远程终端单元RTU模块具有远程数据采集、控制和通信功能，与PC机连接起来；所述PC机用于人机交互、数据存储、烧写程序、测试通讯系统及分析电池数据。

本实用新型中，所述UPS机柜通过干接点连接电池控制单元BCU，接收BCU的指令控制整流器、逆变器、继电器，以切换电池充放电状态及UPS系统的工作模式；通过显示屏和指示灯将系统参数、状态信息显示出来，便于工作人员掌握信息。

本实用新型中，所述电池控制单元BCU包括系统自检功能、报警功能、估算电池组的SOC及SOH、数据存储及分析、干接点输出/输入及控制等功能。它可以在整个电池管理系统运行之前，对系统初始化设置，读取历史数据并进行系统自检操作；自检无误后发送控制信号，转换到逆变器输出模式，由设定的模式（在线模式或离线模式）控制通过旁路或整流器向负载供电；同时开始从电池组监测模块BMU获得每个电池组中任意电池在充放电时的实时数据，如电压、电流、温度、电量等；再利用HVU、BMU传来的数据计算各电池单体的实时电量及健康状态，再根据状态信息控制电池组监测模块对每个电池组进行均衡控制；当各个电池组均达到均衡状态时，电池控制单元通过干接点开关向UPS机柜发出控制信息，控制UPS机柜整流器将市电接入，完成电池组的充电。在市电断电时，BCU监测到并及时做出反应，切换到锂电池对负载进行供电。

本实用新型中，所述电池监测单元BMU安装在电池组中，兼具数据采集与均衡执行功能，通过采集电池电压、电池温度来监测每个电池的状态，并通过CAN BUS与BCU通信；当被监测电池个数超过一个电池监测单元可监测的数量时，电池监测单元BMU之间通过总线型连接方式进行逐级扩展，从而满足不同规模电池储能系统的管理控制需求。电池监测单元主要包含数据转换芯片和多电池监测与均衡芯片，每个多电池监测与均衡芯片包括电压信号采集处理电路、温度信号采集处理电路、电池均衡控制电路，与同一个电池组里的每一个电池相连。数据转换芯片通过板内通讯协议接收多电池监测与均衡芯片监测到的电池组的各种实时数据，主要包括组内各电池开路电压及多个测量点的温度信息，并将这些数据转换成CAN报文格式，再通过CAN总线传到电池控制单元，进行后续计算、控制与操作。

本实用新型中，指示灯分为市电指示灯、电池指示灯、逆变器指示灯等，清晰明了地显示当前机柜工作状态。

本实用新型中，所述高压单元HVU负责对电池包的电池总压、电流、绝缘电阻等状态进行监测，电流可由霍尔传感器或分流器进行采集。而后HVU将所测数据通过CAN总线发送至BCU进行下一步的计算。

本实用新型中，所述远程终端单元RTU ( Remote Terminal Unit)，是一种针对通信距离较长和现场环境恶劣而设计的具有模块化结构的、特殊的测控单元，它将CAN总线上的数据发送到远端的PC机上，具有远程数据采集、控制和通信功能，负责传输BMU、BCU中存储的历史数据及PC机的操作指令。

本实用新型中，所述电池组作为被控对象。其中，一个电池组可以只含有一个单体，也可包括多个单体。在大型储能系统中，由于单体电池的容量、电压、电流较小，需要几十甚至上百节单体通过串并联组合才能达到所要求的电压与容量等级，从而实现市电断供时对负载进行平稳供电。最理想的管理模式是能够对每一个电池单体进行监测和控制。为了提高系统工作效率和硬件的经济性，电池监测单元BMU和电池采用“一对多”的监管模式，即一个电池监测单元同时对电池组内的多个电池单体进行状态参数监测和电量均衡控制，组内各单体间通过串联连接。

本实用新型的有益效果在于：

１、便于管理人员实时了解掌握电池系统状态。管理人员通过PC机连接RTU接收CAN总线上各电池的状态参数（电压、电流、电量、温度）并进行系统维护，如可以及时发现并替换处于异常状态或老化严重的电池。在未来应用中，管理人员还可以读取BMS系统中存储的历史数据，可以进行大数据分析、进而进行进一步的算法、模型优化。通过查看UPS机柜显示灯，可以实时掌握系统工作状态，对电网或UPS内存在的问题即时进行处理。

2、集成化程度高，核心控制模块BCU不但监控电池组，同时对UPS机柜的工作状态进行控制，可以设定不同工作方式，以应对不同种工况需求。

3、提高储能系统的工作性能、整体效率、安全性、可靠性。电池管理系统通过实时监测每一个电池单体的电池状态、均衡电量以及控制工作过程，避免过度充放电导致的电池损伤和功能故障，有效提高储能系统的使用效率，避免造成能源二次损失。并且在原芯片被动均衡功能的基础上，可以扩展实现主动均衡功能，可以更大程度地提升效率。延长电池报废周期，大大降低了成本。

附图说明

图1是UPS整体结构框架图；

图中标号：1为UPS机柜，2为电池控制单元，3为电池监测单元，4为高压单元，5为远程终端单元，6为电池组，7为人机交互界面HMI。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本实用新型进行进一步说明，本文所描述的实施例仅是一部分，本领域普通技术人员基于本实用新型的、没有创造性劳动的其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：如图1所示，电池管理系统由UPS机柜1、电池控制单元2、电池监测单元3、高压单元4、远程终端单元5、电池组6和人机交互界面HMI7组成。其中UPS机柜1包括整流器及功率校正、市电旁路开关、逆变器、继电器和指示灯。

具体如下：

1、UPS机柜1接通市电后，市电指示灯亮，开始通过整流器对电池组充电。按开机键开机，开机时电池控制单元2进行自检操作，同时启动市电旁路开关对负载进行供电，经自检无误后关闭市电旁路开关、开启逆变器、断开继电器，转换到逆变器输出，UPS已处于市电-整流器-逆变器输出模式，此时逆变输出指示灯亮，电池指示灯不亮；若开机时无市电输入，电池控制单元2先进行自检，然后开启逆变器、闭合继电器，转换到电池-逆变器输出模式，此时市电指示灯不亮，电池指示灯与逆变输出指示灯亮。

2、在电池组6进行充放电工作时，电池控制单元2和多个电池监测单元3通过CAN总线的方式连接，电池监测单元3兼具数据采集和均衡执行功能，其中的电压信号采集处理电路、温度信号采集电路负责对电池组6中的各个电池单体进行实时监测，采集相关数据，并转换为CAN报文发送到CAN总线上。同时高压单元4测量整个系统的总电压、电流、绝缘电阻等信息，并发送到CAN总线上。随后，电池控制单元2接收各电池监测单元3和高压单元4的数据，并进行各电池单体的SOC、SOH估算。同时远程终端模块RTU将CAN总线上的实时数据发送给PC机，并将其显示在可视化界面之上。在充电状态下，电池控制单元2依据SOC、SOH估算结果向电池监测单元3下达均衡控制指令，电池监测单元3中的电池均衡控制电路接通，使各电池单体之间的剩余电量趋于平衡，以此可增加电池的使用寿命和系统的效率及稳定性。

3、电池控制单元2除负责控制电池管理部分外，还需向机柜中整流器、逆变器、市电旁路开关发送控制信号，控制电池系统的充放电动作和模式切换。进行开关机自检操作时，打开市电旁路开关，由市电直接向负载供电；正常进行在线模式供电时关闭旁路开关，开启逆变器、断开继电器，主要由整流器-逆变器线路向负载提供纯净、稳定的正弦波形电能。此时电池组6以浮充的方式工作，电池组6与整流器-逆变器线路并联连接到负载电路上，它的电压大体上是恒定的，仅略高于电池组6的端电压，由整流器提供的少量电流来补偿电池组6局部作用的损耗，以使其能经常保持在充电满足状态而不致过充电；在市电发生故障断供时，在8-10ms内闭合继电器，切换至电池组-逆变器模式，由储备电池通过逆变器向负载放电。

4、持续按关机键数秒后可以在市电状态下进行关机，即关闭逆变器。关机时电池控制单元2进行自检，逆变指示灯熄灭，此时UPS无输出电压，但市电仍继续对电池组充电。

以上所述为本实用新型的工作流程，对于本技术领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种使用锂电池的不间断电源系统，由UPS机柜、电池组、电池控制单元、电池监测单元、高压单元、远程终端单元和人机交互界面组成，其特征在于：

所述UPS机柜包括整流器、逆变器、市电旁路开关、继电器和指示灯，市电接入UPS机柜后分为两路，一路连接整流器的输入端，另一路连接市电旁路开关的输入端，整流器的输出端分为两路，一路连接逆变器的输入端，另一路输出端通过电力线缆连接电池组内的电池，电力线缆终端连接UPS机柜内的继电器的输入端，继电器的输出端连接逆变器的输入端；逆变器的输出端和市电旁路开关的输出端分别连接负载的输入端；

电池控制单元有多个输出端，分别连接UPS机柜的市电旁路开关、整流器、逆变器、继电器和指示灯的信号输入端；电池控制单元发送指令控制整流器、逆变器和继电器，以切换电池充放电状态及UPS系统的工作模式；并控制指示灯显示，以表明UPS系统的实时工作状态；

人机交互界面分别与电池控制单元和远程终端单元进行双向连接；

电池控制单元、电池监测单元和远程终端单元分别作为CAN节点挂接在CAN总线上；

电池组有若干个，每个电池组内设有一个电池监测单元，每个电池组内设有若干电池，相邻的电池单体两端连接并成簇，与电池监测单元的数据采集端口进行相连；

整流器的一路输出端通过电力线缆连接电池组内的电池，将市电的220V交流电转化为稳定的直流电对电池组进行充电；电力线缆终端连接UPS机柜内的继电器的输入端；高压单元并联接入到整流器与电池组之间的电力线缆上，测量电池组的总电压、电流和绝缘电阻，高压单元通过CAN总线与电池控制单元连接，与电池控制单元通信。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：远程终端单元通过CAN总线连接PC机，远程终端单元将CAN总线上的信息发送到PC机上。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：UPS机柜上设有LED显示屏。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：指示灯分为市电指示灯、电池指示灯、逆变器指示灯，清晰明了地显示当前机柜工作状态。

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