CN111342548A - 一种用于提升蓄电池组可用性的辅助电源装置 - Google Patents

一种用于提升蓄电池组可用性的辅助电源装置 Download PDF

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Abstract

本申请适用于电源技术领域，提供了一种用于提升蓄电池组可用性的辅助电源装置，该蓄电池组包括至少两个串联的单体电池；辅助电源装置包括控制器和至少两个均衡单元；其中，每个均衡单元均包括与所述控制器连接的第一开关模块和升压电路；控制器在检测到有单体电池失效时，通过将失效的单体电池旁路处理，并控制将非失效的单体电池所对应的第一开关模块接通使得非失效的单体电池所对应的升压电路进行升压，以并联的各路升压后的电压作为蓄电池组的输出电压。因此，在失效单体电池未获得及时更换时，采用这种自动容错跨越的方式将失效单体电池采取旁路处理，可以保障整个蓄电池组的组电压不跌落，提升蓄电池组的可用性，也有助于延长整体使用寿命。

Description

一种用于提升蓄电池组可用性的辅助电源装置
技术领域
本申请属于电源技术领域，尤其涉及一种用于提升蓄电池组可用性的辅助电源装置。
背景技术
随着各行业智能化程度提高，对电源及其可靠性的依赖性增强，断电将导致巨大损失。因此，银行、通信、电力、医疗等高可靠用电领域都配备了储能技术或者不间断后备电源***(UPS电源***)以提升供电可靠性。然而，随着蓄电池用量的大幅上升，包括铅酸蓄电池以及锂电池，在很多高可靠要求的领域却事故频发。
另外，电池本身也存在一些固有的缺点：如电池需要串联使用，电池组中的一节电池失效会整组电池失效；电池组在极端情况下会出现快速发热甚至燃烧***的恶性事件。
已有数据表明，UPS电源***失效的事故中有大部分是由于蓄电池故障导致。因此，蓄电池性能已经成为整个电源***的最薄弱环节。也就是说，提高蓄电池的可靠性可以大幅提升电源***的整体可靠性，业界常见的蓄电池监控方法及维护现状有以下几种：
监测单体电池电压------将开路电压低于一定值的电池判定为故障电池。实际上，电压低的电池是已经故障非常明显的电池，但是由于大部分电池在早期失效阶段开路电压几乎和好电池差不多，只有真正进入放电状态时电压才迅速降低，这时才发现电池故障为时已晚，会导致备份电池无法保证供电时间。不过此方式由于成本和技术门槛低，在对电源可靠性要求不高的场合仍有应用。
核对性放电------基于电池在真正放电状态才能暴露出故障电池的情况，也可采用核对性放电测试法评估电池性能。这种方法要求对整组电池进行一次彻底的充电和放电过程，测试出电池的真正容量。这种方法可以得到最权威的测试结论，准确发现故障电池。但是测试时间长、难度大、无法在线测试、测试过程本身缩短电池寿命等因素导致不具有推广性。
测试电池内阻------因为单独监测电压不能有效发现坏电池，但通过核对性放电又不易操作。所以业界普遍采用监测电池内阻来判断电池劣化程度。
基于以上监测以及维护的方法的产品也在逐渐向自动化、智能化的方向发展，有的产品可以做到自动监测，例如提前预防和报警等，但是仍然不能完全解决更高安全性要求场景下的电池供电连续性以及安全保障问题，在电池故障的紧急状况下，仍然需要人为干预才能防止意外发生，比如要求维护人员及时更换报警电池等。对于一些可靠性以及安全性要求更高的应用场景则不能满足要求。
发明内容
鉴于上述原因，本申请实施例所要解决的技术问题是如何对蓄电池组的实际工作状态数据实时监控，并提供必要的功能干预，以此提升蓄电池组的可用性以及可预测性，延长蓄电池组整体可用寿命。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种用于提升蓄电池组可用性的辅助电源装置，所述蓄电池组包括至少两个串联的单体电池；所述辅助电源装置包括控制器和至少两个均衡单元，所述至少两个均衡单元与所述至少两个串联的单体电池一一对应连接；
其中，每个所述均衡单元均包括与所述控制器连接的第一开关模块和升压电路；每个所述升压电路用于在将对应的单体电池的电压升压至N倍，其中，N等于蓄电池组所包含的单体电池的个数；并且，各升压电路之间为并联关系；
所述控制器在检测到有单体电池失效时，通过控制失效的单体电池所对应的第一开关模块断开实现将失效的单体电池旁路处理，并控制将非失效的单体电池所对应的第一开关模块接通使得非失效的单体电池所对应的升压电路进行升压，以并联的各路升压后的电压作为蓄电池组的输出电压。
本申请实施例通过在线检测各单体电池是否失效，检测到有单体电池失效时，控制非失效的单体电池对应的第一开关模块开通，使得非失效的单体电池对应的升压电路进行升压，以并联的各路升压后的电压作为蓄电池组的输出电压。因此，在失效单体电池未获得及时更换的时候，采用这种自动容错跨越的方式，将失效的单体电池采取旁路处理，可以保障整个蓄电池组的组电压不跌落，允许蓄电池组在其中部分电池故障失效的情况下仍然正常工作，提升了蓄电池组的可用性，也有助于延长整体使用寿命。
附图说明
图1是本申请实施例提供的用于提升蓄电池组可用性的辅助电源装置的结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
参照图1，本申请实施例提供的辅助电源装置用于提升蓄电池组的可用性，该蓄电池组包括至少两个串联的单体电池，图1中以电池1、电池2、电池3三个串联的单体电池为例示出，该单体电池可以是铅酸蓄电池或者锂电池。
在实际的使用过程中，需要区分单体电池的电压等级是2V或者12V，根据整个蓄电池组的数量规划电池分组，确定每一个蓄电池组的单体电池的数量，蓄电池组的最小数量为2，最大数量理论上没有限制，但是受限于电池连接线距离、电路效率等影响因素，根据试验数据，蓄电池组的单体电池数量不建议大于12节单体电池。单体电池也可以是由若干节电池组成的电池包，比如使用6节2V电池串联构成一个12V的电池包。
该辅助电源装置包括控制器1、和至少两个均衡单元2，至少两个均衡单元2与至少两个串联的单体电池一一对应连接。
每个均衡单元2均包括一个第一开关模块21和升压电路22，第一开关模块21与控制器1连接，由控制器1控制第一开关模块21的通断。每个升压电路22用于将对应的单体电池的电压升压至N倍，其中，N等于蓄电池组所包含的单体电池的个数，以图1为例的辅助电源装置中，N为3，并且，各升压电路22之间为并联关系。
进一步地，每个均衡单元2还可以包括检测电路23，各检测电路23与控制器1连接。
通过控制器1与检测电路23可以实现一些在线监测功能，主要包括对单体电池的电压检测、对单体电池的内阻检测、对单体电池的温度检测，分述如下：
对单体电池的电压检测-----控制器1用于检测各单体电池的电压，判断是否存在过充或过放的单体电池，具体地，可以在控制器1中内置电池过充电压参考值和电池过放电压参考值，控制器1将检测到的单体电池的电压与这两个参考值相比即可判断是否存在电压过高的情况。
对单体电池的内阻检测-----检测电路23用于检测放电电流，具体可设置周期性检查内阻，当需要检测内阻时，控制器1还用于控制各第一开关模块21在预置的短时长内开通以进行小电流放电，并根据各检测电路23检测到的放电电流以及各单体电池的电压计算各单体电池的内阻。控制器1这种在对某一节单体电池进行小电流放电过程中检测放电电流，通过内阻算法计算单节电池的内阻值的在线监测，有助于发现有裂化倾向的电池单体，例如当发现某一节单体电池的内阻相比基准内阻值的变化率超过50％的时候，就会认为该单体电池有裂化倾向。其中，放电电流可通过霍尔传感器检测，内阻值的计量单位一般为毫欧(mΩ)。
对单体电池的温度检测-----该辅助电源装置还包括至少两个温度传感器，分别贴附在各单体电池的负极，并与控制器1连接。控制器1通过温度检测可以及时发现单体电池安装以及使用过程中的一些不可预见的突发状况或者错误，例如，假设温度告警阈值为3摄氏度，当某一节单体电池的温度相比其他单体电池明显过高或高于3摄氏度时即认为有突发状况，进行告警。
控制器1在检测到有单体电池失效(例如电压异常、内阻异常、温度异常等)时，通过控制失效的单体电池所对应的第一开关模块21断开实现将失效的单体电池旁路处理，并控制将非失效的单体电池所对应的第一开关模块21接通使得非失效的单体电池所对应的升压电路22进行升压，以并联的各路升压后的电压作为蓄电池组的输出电压。
这种功能相当于一种“容错跨接”，即，将失效的单体电池跨过去了。在图1可以看到，每一节单体电池后面都挂有一个升压电路22，升压电路22的作用为将每一节单体电池的电压升压到与蓄电池组电压一致的电压，这样最极端的情况下，所有的单体电池的升压电路22都是并联的关系。即使整个蓄电池组当中只有一节单体电池是良好的，经过该单体电池对应的升压电路22之后，仍然可以保证蓄电池组两端的电压与所有单体电池均正常的时候是一致的。
因此，当对各单体电池在线监测时，如有发现电池组中的某一节或者某一部分电池失效，在失效的单体电池未获得及时更换的时候，装置采用自动容错跨越的方式，将失效的单体电池采取旁路处理，可以保障整个蓄电池组的组电压不跌落。
这种将蓄电池组容错跨越的功能改变了蓄电池组单纯串联连接放电的单一形式，通过串、并联结合的放电形式，实现蓄电池组中的对于故障电池的容错功能，允许电池组在其中部分电池故障失效的情况下仍然正常工作。
进一步地，该辅助电源装置还包括放电负载电路3、第二开关模块4、第三开关模块5、第四开关模块6，放电负载电路3的作用是在需要的时候，单体电池通过放电负载电路2把电路里面多余的电量释放掉，避免对电池产生不良影响。第二开关模块4部署在蓄电池组的充电回路中用于控制蓄电池组充电，第三开关模块5与第四开关模块6部署在连接电池的放电通道内一起用于控制放电负载电路3的开闭，当某单体电池的第一开关模块21、第三开关模块5和第四开关模块6同时接通时，该单体电池的放电通道接通，可以通过放电负载电路3进行放电。
进一步地，该辅助电源模块还具有主动均衡功能，控制器1用于在检测到有单体电池的电压符合预置的均衡条件时，控制第二开关模块4和电压较高的单体电池所对应的第一开关模块21开通，利用电压较高的单体电池所放的电对整个蓄电池组进行充电，直至蓄电池组的各个单体电池的电压一致。
上述预置的均衡条件可以是单体电池的电压过高，也可以是单体电池的电压与蓄电池组内各单体电池的电压均值的差异大于设定的阈值，前者关注的是单体电池本身的电压，后者关注的是各单体电池之间电压的差异程度。
电压主动均衡的原理为：当检测到同一小组电池中的某一节单体电池的电压过高的时候，打开该单体电池所对应的均衡单元2的第一开关模块21，让该节单体电池进行放电。同时所释放出来的电经过升压电路22升压后再用于给蓄电池组进行充电，或者通过放电负载电路3进行释放。在此过程中，同一个蓄电池组的电池中，电压较高的单体电池的电压不断降低，同时蓄电池组内电压较低的电池的电压因为获得额外充电而相对提高，最终实现同一蓄电池组内的各单体电池所表现出来的单体电压趋于一致，这就是蓄电池检测均衡模块的主动均衡功能的实现原理。
结合图1举例说明，当蓄电池组内的电池1电压较高，电池2和电池3电压相对较低时，这时候需要对电池1进行放电，同时对电池2和电池3进行充电，此时控制接通与电池1对应的均衡单元2中的第一开关模块21、第二开关模块4，这样就可以实现电池1的放电，同时，由于第二开关模块4处于接通状态又可以对整组电池进行充电。因此，对于电池1而言同时存在放电和充电过程，因为放电电流大于充电电流，因此整体上处于放电状态，其他电池处于充电状态。
可以看出，通过在线检测，可以及时发现有劣化倾向的或者相对落后的电池，在没有及时更换落后电池的情况下，或者在劣化程度较为轻微的时候，采用主动均衡方式对过压的单体电池放电，同时对落后电池补充充电，确保蓄电池组中各单体电池的电压保持一致，避免串联的蓄电池组中出现有部分电池出现过充或者过放现象。
主动均衡的开启以及结束阈值以及均衡逻辑需要根据电池的充放电特性、以及电池组的状态数据进行实时修正或者调解，以便可以更有效地均衡。
进一步地，该辅助电源装置还包括与所控制器1连接的告警模块7，控制器1在检测到有单体电池的电压异常时控制告警模块7进行告警，控制器1也可以在判断出存在内阻异常的单体电池时控制告警模块7进行告警，或者在检测到有单体电池温度异常时控制告警模块7进行告警。
进一步地，该辅助电源装置还具有放电核容功能。当蓄电池组处于浮充状态时，辅助电源装置可工作在放电核容模式。在此模式下，控制器1用于以低于常规放电倍率的倍率逐个控制各单体电池对应的第一开关模块21开通，实现逐个放电，并在放电过程中计算单体电池的容量。所释放的电量可以通过两种途径处理，其一为整个蓄电池组充电，其二为当蓄电池组其余的单体电池已经充满的时候，打开第四开关模块6利用放电负载电路3进行放电。
以一个相比常规放电倍率较小的放电倍率放电，目的在于通过这种低频小电流放电形式检测各单体电池的可用性，核定真实容量的同时尽量减小对蓄电池组的使用寿命的影响，同时减小对电池的寿命影响，需要的时候可以调整放电倍率以节省核容时间。
进一步地，每个均衡单元2均包括一个保护电路24，用于提供过载、过流、过压保护。
进一步地，控制器1还可以RS485或者TCP/IP协议上传监控数据至服务器，监控数据包括电池检测状态数据、报警数据、功能状态以及设置量等。本装置支持规模部署、智能运行。
本申请提供的辅助电源装置可用于数据中心、移动通讯基站、电力中心、储能电站等需要储存电量的场景，特别是对于电池组放电安全性、可靠性要求较高的场景。使用该辅助电源装置可以规避蓄电池组内少数劣化电池的拖累整组电池的情况，有效延长电池组的使用寿命以及提升使用安全性。
综上所述，本申请通过对电池单体电压、单体内阻、单体负极极柱温度实时检测，按照一定的算法和逻辑智能地启动电池组内的单体电池电压均衡控制，及时发现落后或者败坏的单体电池并发出报警提示，必要时启动容错跨越模式将蓄电池组内某一节或者若干节严重落后、失效的单体电池在放电回路中跨越过去，容错跨越模式下可以保持蓄电池组电压不衰减。同时具备针对单节单体电池采用允许的安全放电倍率在电池组之间放电以核定其真实容量，以便准确反馈蓄电池组内某一节单体电池的真实电容量，使得蓄电池组整体可用性提升，延长蓄电池组整体可用寿命以及可用性。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于提升蓄电池组可用性的辅助电源装置，所述蓄电池组包括至少两个串联的单体电池；其特征在于，所述辅助电源装置包括控制器和至少两个均衡单元，所述至少两个均衡单元与所述至少两个串联的单体电池一一对应连接；
其中，每个所述均衡单元均包括与所述控制器连接的第一开关模块和升压电路；每个所述升压电路用于将对应的单体电池的电压升压至N倍，其中，N等于蓄电池组所包含的单体电池的个数；并且，各升压电路之间为并联关系；
所述控制器在检测到有单体电池失效时，通过控制失效的单体电池所对应的第一开关模块断开实现将失效的单体电池旁路处理，并控制将非失效的单体电池所对应的第一开关模块接通使得非失效的单体电池所对应的升压电路进行升压，以并联的各路升压后的电压作为蓄电池组的输出电压。
2.如权利要求1所述的辅助电源装置，其特征在于，所述辅助电源装置还包括放电负载电路、用于控制蓄电池组充电的第二开关模块；
所述控制器用于在检测到有单体电池的电压符合预置的均衡条件时，控制所述第二开关模块和电压较高的单体电池所对应的第一开关模块开通，利用电压较高的单体电池所放的电对整个蓄电池组进行充电，直至蓄电池组的各个单体电池的电压一致。
3.如权利要求2所述的辅助电源装置，其特征在于，所述预置的均衡条件包括有单体电池的电压过高，或者，包括有单体电池的电压与蓄电池组内各单体电池的电压均值的差异大于设定的阈值。
4.如权利要求2所述的辅助电源装置，其特征在于，所述辅助电源装置还包括与所述控制器连接的告警模块；所述控制器在检测到有单体电池的电压异常时控制所述告警模块进行告警。
5.如权利要求4所述的辅助电源装置，其特征在于，每个所述均衡单元均包括一个用于检测放电电流的检测电路，各检测电路与所述控制器连接；
所述控制器还用于控制各第一开关模块在预置的短时长内开通以进行小电流放电，并根据各单体电池的电压以及各检测电路检测到的放电电流计算各单体电池的内阻，在判断出存在内阻异常的单体电池时，控制所述告警模块进行告警。
6.如权利要求4所述的辅助电源装置，其特征在于，所述辅助电源装置还包括至少两个温度传感器，分别贴附在各单体电池的负极，并与所述控制器连接；所述控制器还用于在检测到有单体电池温度异常时控制所述告警模块进行告警。
7.如权利要求1所述的辅助电源装置，其特征在于，当蓄电池组处于浮充状态时，所述辅助电源装置可工作在放电核容模式；在此模式下，所述控制器用于以低于常规放电倍率的倍率逐个控制各单体电池对应的第一开关模块开通，实现逐个放电，并在放电过程中计算单体电池的容量。
8.如权利要求1所述的辅助电源装置，其特征在于，每个所述均衡单元均包括一个保护电路，用于提供过载、过流、过压保护。
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CN112003347A (zh) * 2020-08-24 2020-11-27 中国工商银行股份有限公司 控制方法、***、电子设备以及介质

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