专利名称：一种直流电源装置及其充放电监控方法
技术领域：
本发明涉及电源系统领域，尤其涉及一种直流电源装置及其充放电监控 方法。
背景技术：
目前，国内外的直流电源系统基本由电池组(至少两只电池串联)、充电器、电池测量装置、电池放电装置组成。其中，充电器采用1-4台充电模块 对传统的直流电源的电池组进行并联充电，电池测量装置采用单独的电池巡 检仪实现对电池的检测。但是，由于蓄电池在生产过程的控制精度，加工工艺等因素的影响，各 电池之间不可避免存在电池内阻差异，所以在电池使用过程中，各单体电池 的电化学参数存在一定差异，从而造成充、放电电压的不一致。若长期运行 会导致单节蓄电池性能恶化，因此，需要经常做深度放电和充电维护，否 则，当存在某节电池的电特性差异较大时，会导致充电时部分电池"过 充"，放电时部分电池"过放"的问题。从而，也会造成蓄电池不可逆转的 损坏，缩短电池的使用寿命，严重时可能造成电池组开路，给生产安全造成 巨大损失。此外，传统的直流电源系统采用单独的电池巡^r仪实现对电池的 检测，采用集中测量，N节电池需要N+1根线，成本高，测量精度低，不安 全，而且也增加了直流电源系统的体积。发明内容本发明提供了 一种直流电源装置及其充放电监控方法，通过该方法保证了在给直流电源装置进行充电时，每单个单体电池不会因为内阻的大小不同 而出现的电池充电不足、过充、过^L以及电池开路等问题，同时也提高了电 池的使用寿命。本发明是通过以下技术方案实现的一种直流电源装置，包括充电模块组和电池组，所述的电池组至少包 括两个单体电池，所述的充电模块组至少包括两个充电模块，且所述的每单 个充电模块输出端的正极连接对应的每单个单体电池的正极，每单个充电模 块输出端的负极连接对应的每单个单体电池的负极，实现每单个充电模块对 其对应的每单个单体电池进行充放电。所述装置还包括电源监控装置，所述电源监控装置通过与所述的充电模 块组进行串联隔离通信，实现对所述的充电才莫块组的充放电进行监控管理。所述电源监控装置包括参数信息接收单元和操作信息发送单元，其中，参数信息接收单元，用于接收所述充电模块发送的参数信息； 操作信息发送单元根据所接收的参数信息进行处理，并将处理结果的操作信息反馈给所述充电模块，或者主动发起操作信息给所述充电模块，所述的操作信息包括指示充电模块进行相应操作的内容。所述的充电模块包括中央控制单元和参数信息检测单元，其中，中央控制单元，采集所述参数信息检测单元检测的充电模块的参数信息，处理并发送所述参数信息给电源监控装置，与电源监控装置进行串联隔离通信，并根据电源监控装置返回的操作信息，指示参数信息检测单元进行相应的操作；参数信息检测单元，用于检测充电模块的参数信息并发送给中央控制单 元，并根据中央控制单元的指示进行相应的操作。所述的中央控制单元包括参数信息处理单元、参数信息发送单元和操作信息接收单元，其中，参数信息处理单元，用以采集所述充电模块的参数信息，并将参数信息 进行相应处理，使得参数信息转换为电源监控装置可以识别的信号；参数信息发送单元，将经过转换的参数信息发送给电源监控装置；或通 过其他充电模块转发给电源监控装置；操作信息接收单元，接收电源监控装置发送的操作信息，并根据操作信 息指示的内容指示所述充电模块的参数信息检测单元进^f亍相应的操作。所述的参数信息检测单元包括交流输入电源检测单元、功率器件控制 单元、模块温度检测单元、电池温度检测单元和电压电流反馈负载单元，其 中，交流输入电源4企测单元，用于检测交流l命入电源质量并将纟企测结果发送 中央控制单元；功率器件控制单元，检测充放电功率器件的状态参数，同时用于把交流 电转换为可调直流电压、电流给电池充电或停止工作达到电池放电的功能；模块温度检测单元，用于对充电模块的壳体温度进行检测，并将检测的 结果发送中央控制单元，以便于调节输出功率或温度过热保护，从而保护充 电模块；电池温度4企测单元，用于对电池温度进行检测控制，并将检测的结果发 送中央控制单元，以便于调整输出电压；电压电流反馈负载单元，用于根据电池的容量，对充电电压、充电电流 和负载进行检测控制，并将检测的结果发送中央控制单元。一种实现对直流电源充放电监控的方法，包括将充电模块组的每单个充电模块输出端的正极连接电池组的每单个单体 电池的正极，将每单个充电模块输出端的负极连接电池组的每单个单体电池 的负极，实现每单个充电模块对其对应的每单个单体电池进行充放电；充电模块组与电源监控装置进行串联隔离通信，实现对充电模块组的充 放电进行监控管理。所述的每单个充电模块对每单个单体电池进行充放电的处理过程包括根据所述单体电池容量或端电压，判断是否对该单体电池进行充放电， 若确认该单体电池容量已不足，则启动所述单体电池并联的充电模块对所述单体电池进行充电；若确认该单体电池容量已饱和，则进入浮充状态，若需 要对该单体电池活化，则停止所述单体电池并联的充电^t块对所述单体电池进行充电，利用电池组的》文电电流;改电。所述的充电模块与电源监控装置进行串联隔离通信包括将充电模块的参数信息检测单元检测的参数信息经过所述充电模块的中 央控制单元处理后发送电源监控装置，电源监控装置将收到的参数信息进行 处理，并将处理结果的操作信息反馈回中央控制单元，或电源监控装置主动 发送操作信息给充电模块的中央控制单元，所述操作信息包括指示充电模块 进行相应操作的内容。所述的参数信息包括交流输入电源质量参数、充放电功率器件状态参 数、充电模块的壳体温度参数、电池温度参数和电压电流反馈负载参数。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明采用每单个单体电池配 用一个充电模块的方式实现对直流电源的充放电。因此，本发明的实现可以充，放电时个别电池过放，从而延长电池寿命，开^各的电池可以被所并联的 充电模块旁路。
图1为本发明提供的直流电源装置示意图；图2为本发明提供的实现对直流电源充放电功能的充电模块结构示意图；图3为本发明提供的实现对直流电源充放电监控的系统示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种直流电源装置，如图1所示，具体包括电池组和充 电模块组，所述的电池组至少包括两个单体电池，充电才莫块组至少包括两个 充电模块，且所述的单体电池数量与所述的充电模块数量相等，每单个单体 电池与每单个充电模块并联连接，即每单个充电模块输出端的正极连接每单 个单体电池的正极，每单个充电模块输出端的负极连接每单个单体电池的负 极，分别用以对每单个单体电池进行充放电。所述的装置还包括电源监控装置，参考图1所示，用以与所述的充电模 块组进行光电隔离通信，实现对所述的充电^^莫块组的充;^丈电进行监控管理， 具体结构包括参数信息接收单元，用于接收经过所述充电模块处理后的充电模块的参 数信息；操作信息发送单元根据所接收的充电模块的参数信息进行处理，并将 处理结果的操作信息反馈给所述充电模块，或者主动发起操作信息给所述充 电模块，所述的操作信息包括指示充电模块进行相应操作的内容。其中，所述的充电模块的具体结构如图2所示，包括中央控制单元和 参数信息检测单元，其中，(1) 中央控制单元，釆集所述充电模块的参数信息;险测单元检测的参数 信息，并将采集的参数信息进行相应处理，使得参数信息转换为接收方可以 识别的信号，并将经过转换的参数信息发送给接收端，用以跟电源监控装置 进行隔离通信，并根据电源监控装置返回的信息，指示充电模块进行相应的 操作，从而实现对电池的充放电进行监控管理；(2) 参数信息检测单元，连接所述充电模块的中央控制单元，用于检测充电模块的参数信息，并将参数信息发送给中央控制单元，并根据中央控制 单元的指示进行相应的操作；
所述的中央控制单元包括参数信息处理单元、参数信息发送单元和操
作信息接收单元，其中，
参数信息处理单元，采集所述参数信息检测单元检测的充电模块的参数
信息，并将参数信息转换为电源监控装置可以识別的参数信号；
参数信息发送单元，将经过转换的参数信号发送给电源监控装置，或通
过其他充电模块转发给电源监控装置；
操作信息接收单元，接收电源监控装置操作信息并根据操作信息指示的
内容指示充电^^莫块进行相应的操作。
所述的参数信息检测单元包括交流输入电源检测单元、功率器件控制
单元、才莫块温度才企测单元、电池温度4企测单元和电压电流反馈负载单元，其
中，
交流输入电源检测单元，连接中央控制单元，用于4企测交流输入电源质 量状况，将检测结果发送中央控制单元，在交流输入电压过高或过低做出相 应的保护。
功率器件控制单元，连接中央控制单元，可以检测充放电功率器件的状 态参数，同时用于4巴交流电转换为直流可调的电压或电流给电池充电或停止 工作达到电池放电的功能，另外电源输出部分的功率器件在与之并联的电池 开路时可以起到旁路作用。
模块温度检测单元，连接中央控制单元，用于检测充电模块的壳体温 度，并将^^测的结果发送中央控制单元，用于充电模块调整输出功率或温度 过热保护，从而保护充电模块。
电池温度检测单元，连接中央控制单元，用于检测电池温度，并将检测 的结果发送中央控制单元，用于充电模块调整充电输出电压。电压电流反馈负载单元，连接中央控制单元，用于根据电池容量，对充 电电压、充电电流和负载进行检测控制，并将检测的结果发送中央控制单 元，用于中央控制单元与电源监控装置进行隔离通信，及时对电池的充电电 压、充电电流和负载进行监控管理。
本发明还提供了 一种实现对直流电源充放电监控的方法，所述的方法包
括两个步骤
(一) 所述的每单个充电模块对每单个单体电池的充放电的处理方法 通过采用每单个单体电池配用 一个充电模块，将所述的充电模块输出端
的正极连接所述的单体电池的正极，充电模块输出端的负极连接单体电池的 负极，并将各单个单体电池串联连接，将各单个充电模块串联连接，实现对 电池的充放电处理，其具体处理过程包括
根据所述单体电池容量检测状态，判断是否对该单体电池进行充放电， 所述的单体电池容量状态可以通过充电模块子单元(电压电流反馈负载单 元)检测提供的该单体电池的充电电压参数信息获得，若确认所述单体电池 容量降低或端电压降低，则启动所述单体电池相对应的并联充电模块对所述 单体电池进行充电处理；
若确认所述单体电池容量已饱和，则停止所述单体电池并联的充电模块 对所述单体电池进行充电，并利用电池组的放电电流对所述电池进行的放电 处理。
(二) 所述的电源监控装置对充电模块充放电进行监控的方法 将所述的充电模块与电源监控装置进行光电隔离通信，通过通信处理实
现对充电模块充放电进行监控，其具体处理过程包括
将所述充电模块的交流输入电源检测单元检测釆集的交流电源质量参数 信息、功率器件控制单元检测采集的功率器件状态参数信息和参数信息检测 单元检测采集的充电模块的参数信息，发送给所述充电模块的中央控制单元，经中央控制单元处理后远传给电源监控装置，其中，所述的充电模块的 参数信息包括充电模块的壳体温度参数、电池温度参数和电压电流反馈负载
参数；
电源监控装置将收到的参数信息进行处理后反馈回操作信息，或者电源 监控装置主动发送操作信息给所述充电模块的中央控制单元，所述操作信息 包括指示充电模块进行相应操作的内容。
为了便于理解本发明实施例的技术方案，现结合附图3对本发明的实施例 进行详细的"i兌明。
本发明实施例提供的实现对直流电源充放电监控的系统包括直流电源 和电源监控模块，其中，
所述的直流电源包括充电4莫块组和电池组，电池组中的每个单体电池串 联连接，充电模块组中的每个充电模块也串联连接，并将每单个单体电池与 对应的每单个充电模块并联连接，即将每单个充电模块输出端的正极连接每 单个单体电池的正极，每单个充电模块输出端的负极连接每单个单体电池的
负极，所述的每单个充电模块对与其并联连接的对应的单体电池进行充放 电；
所述电源监控模块为电源监控装置，通过与直流电源中的充电模块进行 光电隔离通信后，用于对直流电源的充^:电进行监控管理。
现将本发明实施例提供的系统对直流电源充放电监控的处理过程进行详 细的描述。
(一)所述的系统对直流电源的充放电控制包括
当电池组中的某个单体电池容量降低或端电压降低时，由于每个单体电 池并联连接一个充电模块，该单体电池对应的充电模块中的中央控制单元根 据电压电流反馈负载单元采集的电池电压信息，判断该单体电池容量降低或 端电压降低时，则发送指示信息给功率器件控制单元，所述的指示信息包括启动交流电转换为直流电的过程，启动对该单体电池进行充电的功能；
当某个单体电池容量已饱和，说明对该单体电池已完全充电，该单体电
池对应的充电模块中的中央控制单元根据电压电流反馈负载单元采集的电池 电压信息，判断对该单体电池已充电完毕，则发送指示信息给功率器件控制 单元，所述的指示信息包括停止启动交流电转换为直流电的过程，即停止对 该电池进行充电的功能，同时利用电池组的放电电流实现对该节电池的放电 功能；
当电池组中的某个单体电池开路时，由于每个单体电池并联连接一个充 电模块，当该充电模块工作时利用该充电模块的电流实现对该单体电池的旁 路功能，或当该充电模块停止工作时，利用充电模块的功率器件自动续流实 现对该电池的旁路功能，从而不影响电源的正常工作。
(二)所述的系统对直流电源充放电的远程监控包括 由于充电模块包括中央控制单元和参数信息检测单元；而所述的参数信 息检测单元包括交流输入电源检测单元、功率器件控制单元、模块温度检测 单元、电池温度^r测单元、电压电流反馈负载单元，其中，交流输入单元可 以检测采集包括交流输入电源的电流质量参数信息，功率器件控制单元可以 检测釆集包括充电模块的功率器件状态参数信息，模块温度检测单元可以检 测采集包括模块壳体温度参数信息，电池温度检测单元可以采集包括电池的 温度参数信息，电压电流反馈负载单元可以检测采集包括电池电压、电流和 负载参数信息。
当所述充电模块的中央控制单元采集并处理包括交流输入电源的电流质 量参数信息、充电模块的功率器件状态参数信息、模块壳体温度参数信息、 电池的温度参数信息和电池电压、电流和负载参数信息等参数信息后，根据 隔离通信原理，将各参数信息远传给电游、监控模块；
电源监控模块根据中央控制单元远传的参数信息，进行参数信息处理，可以包括显示、报警、储存或远传等处理，若需要充电模块做出相应操作 时，反馈操作信息给所述充电模块的中央控制单元，中央控制单元接收电源 监控模块反馈回的操作信息后，根据信息指示内容指示充电模块的各子单元
进行相应的操作，从而实现对直流电源充放电的监控管理；
或者电源监控模块主动发出操作信息指示给所述充电模块的中央控制单 元，所述操作信息指示充电模块进行相应的操作，包括指示充电模块的子单 元检测采集充电模块的参数信息等操作内容。
例如，当充电模块的壳体温度超出预警线，则模块温度检测单元将检测 的壳体温度发送给中央控制单元，中央控制单元将接收的温度信息经过处理 后，远传给电源监控模块，电源监控模块将接收的温度信息进行远程报警处 理，如需要了解交流电源输入的质量情况，则发送信息远传回中央控制单 元，中央控制单元根据电源监控模块返回的处理信息，发送相应的指示信息 给交流输入电源检测单元，指示其上报交流输入电源的质量情况信息，并返 回给电源监控模块，如电源监控模块确认交流输电源有问题，将发出告警， 中央控制单元根据电源监控模块的信息指示停止对功率器件的交流电转换为 直流电的过程，达到保护充电模块的目的。
当电源监控模块检测到充电电池的温度时，电池温度检测模块将检测的 温度信息发送给中央控制单元，经过中央控制单元与电源监控模块远程隔离 通信后，根据电源监控模块的反馈信息和电池厂家提供的参数进行相应的电 池温度补偿操作。
由此可见，本发明实施例的技术方案采用每个单体电池配用一个充电模 块的方式，即充电模块输出端的正极接单体电池的正极，充电模块输出端的 负极接单体电池的负极。由于每个充电模块只对单一的电池充电，避免了在
传统充电过程中所有电池都只有一个充电模块充电的情况下，由于电池的内 阻不同而出现的过充、过放或不能充分激活的现象，从而延长了电池寿命。同时，当某个单体电池出现损坏或开路的情况时，由于充电模块的旁路作 用，不影响直流电源供电回路的正常运行。此外，还解决了传统的直流系统 存在的新旧电池不能混用的问题，降低了直流电源成本。此外，本发明实施例采用充电模块与电源监控模块进行隔离通信，通过 中央控制单元对电池的充放电进行控制，而且充电模块都具有监测电池电 压、电流、电池容量、温度等功能，可以省掉电池巡监仪器，降低了直流电 源的成本。同时，通过电源监控模块与中央控制单元之间的隔离通讯，实现 了充电模块中各子单元的数据共享，便于对各子单元的数据进行显示，报 警，储存，远传等等，实现对直流电源充放电的遥传、遥测、遥控、遥调的 四遥控制功能，真正实现无人职守的目的。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1. 一种直流电源装置，其特征在于，包括充电模块组和电池组，所述的电池组至少包括两个单体电池，所述的充电模块组至少包括两个充电模块，且所述的每单个充电模块输出端的正极连接对应的每单个单体电池的正极，每单个充电模块输出端的负极连接对应的每单个单体电池的负极，实现每单个充电模块对其对应的每单个单体电池进行充放电。
2、 根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述装置还包括电 源监控装置，所述电源监控装置通过与所述的充电模块组进行串联隔离通 信，实现对所述的充电模块组的充放电进行监控管理。
3、 根据权利要求2所述的电源装置，其特征在于，所述电源监控装置 包括参数信息接收单元和操作信息发送单元，其中，参数信息接收单元，用于接收所述充电^t块发送的参数信息； 操作信息发送单元根据所接收的参数信息进行处理，并将处理结果的操作信息反馈给所述充电模块，或者主动发起操作信息给所述充电模块，所述的操作信息包括指示充电模块进行相应操作的内容。
4、 根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，所述的充电模 块包括中央控制单元和参数信息检测单元，其中，中央控制单元，采集所述参数信息检测单元检测的充电模块的参数信 息，处理并发送所述参数信息给电源监控装置，与电源监控装置进行串联隔 离通信，并根据电源监控装置返回的操作信息，指示参数信息检测单元进行 相应的操作；参数信息检测单元，用于检测充电模块的参数信息并发送给中央控制单 元，并根据中央控制单元的指示进行相应的操作。
5、 根据权利要求4所述的电源装置，其特征在于，所述的中央控制单元包括参数信息处理单元、参数信息发送单元和操作信息接收单元，其 中，参数信息处理单元，用以采集所述充电模块的参数信息，并将参数信息 进行相应处理，使得参数信息转换为电源监控装置可以识别的信号；参数信息发送单元，将经过转换的参数信息发送给电源监控装置；或通 过其他充电模块转发给电源监控装置；操作信息接收单元，接收电源监控装置发送的操作信息，并根据操作信 息指示的内容指示所述充电模块的参数信息检测单元进行相应的操作。
6、 根据权利要求4所述的电源装置，其特征在于，所述的参数信息检 测单元包括交流输入电源检测单元、功率器件控制单元、模块温度检测单 元、电池温度检测单元和电压电流反馈负载单元，其中，交流输入电源检测单元，用于检测交流输入电源质量并将检测结果发送 中央控制单元；功率器件控制单元，检测充放电功率器件的状态参数，同时用于把交流 电转换为可调直流电压、电流给电池充电或停止工作达到电池放电的功能；模块温度检测单元，用于对充电模块的壳体温度进行检测，并将检测的 结果发送中央控制单元，以便于调节输出功率或温度过热保护，从而保护充 电模块；电池温度检测单元，用于对电池温度进行检测控制，并将检测的结果发 送中央控制单元，以便于调整输出电压；电压电流反馈负载单元，用于根据电池的容量，对充电电压、充电电流 和负载进行检测控制，并将片企测的结果发送中央控制单元。
7、 一种实现对直流电源充放电监控的方法，其特征在于，包括 将充电模块组的每单个充电模块输出端的正极连接电池组的每单个单体电池的正极，将每单个充电模块输出端的负极连接电池组的每单个单体电池的负极，实现每单个充电模块对其对应的每单个单体电池进行充放电；充电模块组与电源监控装置进行串联隔离通信，实现对充电模块组的充 放电进行监控管理。
8、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的每单个充电模块 对每单个单体电池进行充放电的处理过程包括根据所述单体电池的容量或端电压，判断是否对该单体电池进行充放 电，若确认该单体电池容量已不足，则启动所述单体电池并联的充电模块对 所述单体电池进行充电；若确认该单体电池容量已饱和，则进入浮充状态， 若需要对该单体电池活化，则停止所述单体电池并联的充电模块对所述单体 电池进4于充电，利用电池《且的》文电电流;故电。
9、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的充电模块与电源 监控装置进行串联隔离通信包括将充电模块的参数信息检测单元检测的参数信息经过所述充电模块的中 央控制单元处理后发送电源监控装置，电源监控装置将收到的参数信息进行 处理，并将处理结果的操作信息反馈回中央控制单元，或电源监控装置主动 发送操作信息给充电模块的中央控制单元，所述操作信息包括指示充电模块 进行相应操作的内容。
10、 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的参数信息包括 交流输入电源质量参数、充放电功率器件状态参数、充电模块的壳体温度参 数、电池温度参数和电压电流反馈负载参数。
全文摘要
本发明涉及一种直流电源装置及其充放电监控方法，所述的电源装置包括电池组和充电模块组，其中，所述的电池组中每单个单体电池分别并联连接对应充电模块组中每单个充电模块，实现每单个充电模块对其对应的每单个单体电池进行充放电；因此，本发明的实现可以保证每个单体电池不会因为内阻不同而出现充电时个别电池充电不足或过充，放电时个别电池过放，从而延长电池寿命。
文档编号H02J7/04GK101247050SQ20071006543
公开日2008年8月20日 申请日期2007年4月13日 优先权日2007年4月13日
发明者张忠建 申请人:北京木牛电气技术有限责任公司