变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡系统、方法及设备与流程

1.本发明涉及直流电源领域，并且更具体地，涉及变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡系统、方法及设备。


背景技术：

2.磷酸铁锂电池以其自放电率低、电压平台稳定、无记忆性等综合优势，在目前工业应用的主流锂电池中，最适宜作为直流电源用蓄电池在变电站中推广应用。由于功率和电压的限制，磷酸铁锂电池在变电站场景下需要多只电芯串联使用，然而锂电池在容量、内阻、自放电率上的不同很容易造成电池容量的差异，因为“木桶效应”的存在，整个电池组的有效容量就会取决于最小容量的单体电池。
3.对于铅酸蓄电池型直流电源，考虑到铅酸电池本身的充放电特性、安全性、技术经济性以及运维方法，在变电站应用过程中没有相应的均衡器件或系统，这也就导致锂电替代铅酸的过程引入了新的问题；无法采用锂电池直接替换变电站直流电源中的铅酸蓄电池。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡系统、方法及设备，以解决由于串联锂电池组的物理特性不一致而引起的充电不平衡问题。本发明能够对串联锂电池组工作状态进行监视，在出现不正常状态时及时切断主回路，并发出提示信息，从而避免安全事故的发生，提高系统整体的可靠性。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.第一方面，本发明提供一种变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡充电方法，包括：
7.采集串联磷酸铁锂电池组中单节锂电池的端电压和温度；
8.判断所述单节锂电池的端电压是否超过保护阈值，以及所述单节锂电池的温度是否超出预设电池温度阈值区间；如果有一个单节锂电池的端电压超过保护阈值，或者有一个单节锂电池的温度超出预设电池温度阈值区间，切断充电回路；
9.判断所有单节锂电池的端电压与预设电池电压阈值，当串联磷酸铁锂电池组中单节锂电池b
i
的端电压达到均衡阈值时，控制单节锂电池b
i
多余的电能以欧姆热形式释放，实现变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡充电。
10.本发明进一步的改进在于：所述判断所有单节锂电池的端电压是否超过保护阈值，判断所有单节锂电池的温度是否超出预设电池温度阈值区间的步骤中，所述保护阈值为3.7v；预设电池温度阈值区间为
‑
10～55℃。
11.本发明进一步的改进在于：所述判断所有单节锂电池的端电压与预设电池电压阈值的步骤，具体包括：
12.当串联磷酸铁锂电池组中端电压最小的单节锂电池对应的端电压低于第一阈值时，执行预充电指令，充电控制回路控制电池以小电流充电来修复深度放电的电池；
13.当串联磷酸铁锂电池组中端电压最小的单节锂电池对应的端电压等于或者高于第一阈值但低于第二阈值时，充电控制回路控制电池以设定的电流值执行恒流充电；
14.当串联磷酸铁锂电池组中端电压最大的单节锂电池对应的端电压达到第二阈值时，充电控制回路控制电池以涓流充电。
15.本发明进一步的改进在于：所述判断所有单节锂电池的端电压与预设电池电压阈值，控制电池充电模式的步骤中，所述第一阈值为2.7v，所述第二阈值为3.6v。
16.本发明进一步的改进在于：所述判断所有单节锂电池的端电压与预设电池电压阈值，控制电池充电模式的步骤中，所述均衡阈值为3.65v。
17.本发明进一步的改进在于：所述控制单节锂电池b
i
多余的电能以欧姆热形式释放的步骤中，具体通过控制单节锂电池b
i
对应的均衡放电回路h
i
的控制开关闭合，单节锂电池b
i
多余的电能以欧姆热形式释放。
18.第二方面，本发明提供一种变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡系统，包括：
19.采集模块，用于采集串联磷酸铁锂电池组中单节锂电池的端电压和温度；
20.判断模块，用于判断所述单节锂电池的端电压是否超过保护阈值，以及所述单节锂电池的温度是否超出预设电池温度阈值区间；如果有一个单节锂电池的端电压超过保护阈值，或者有一个单节锂电池的温度超出预设电池温度阈值区间，切断充电回路；
21.均衡模块，用于判断所有单节锂电池的端电压与预设电池电压阈值，控制电池充电模式：当串联磷酸铁锂电池组中单节锂电池b
i
的端电压达到均衡阈值时，控制单节锂电池b
i
多余的电能以欧姆热形式释放，实现变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡充电。
22.本发明进一步的改进在于：所述保护阈值为3.7v；预设电池温度阈值区间为
‑
10～55℃；所述均衡阈值为3.65v。
23.本发明进一步的改进在于：所述均衡模块，判断所有单节锂电池的端电压与预设电池电压阈值时，具体包括：
24.当串联磷酸铁锂电池组中端电压最小的单节锂电池对应的端电压低于第一阈值时，执行预充电指令，充电控制回路控制电池以小电流充电来修复深度放电的电池；
25.当串联磷酸铁锂电池组中端电压最小的单节锂电池对应的端电压等于或者高于第一阈值但低于第二阈值时，充电控制回路控制电池以设定的电流值执行恒流充电；
26.当串联磷酸铁锂电池组中端电压最大的单节锂电池对应的端电压达到第二阈值时，充电控制回路控制电池以涓流充电。
27.第三方面，本发明提供一种变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡系统，包括：
28.主控单元，用于采集单节锂电池电压、温度；
29.充电控制单元，用于充电过程中充电电压和充电电流的控制；充电控制单元包括充电控制回路、电池电压监测模块以及温度监测模块；
30.充电控制回路的输入端连接三相电源，输出端连接直流母线，用于将三相电源进行ac/dc转换后供给支路母线为串联磷酸铁锂电池组充电；
31.温度监测模块，用于将从主控单元获得的单节锂电池b
i
的温度与预设电池温度阈值区间进行比对，当充电时，某一单节锂电池b
i
的温度超出预设电池温度阈值区间时，控制充电控制回路暂停向串联磷酸铁锂电池组充电；当所有单节锂电池的温度回到预设电池温度阈值区间时，控制充电控制回路开启充电；
32.电池电压监测模块，用于将主控单元获得的单节锂电池b
i
的端电压与预设电池电压阈值进行比对：当串联磷酸铁锂电池组中端电压最小的单节锂电池对应的端电压低于第一阈值时，执行预充电指令，充电控制回路控制电池以小电流充电来修复深度放电的电池；当串联磷酸铁锂电池组中端电压最小的单节锂电池对应的端电压等于或者高于第一阈值但低于第二阈值时，充电控制回路控制电池以设定的电流值执行恒流充电；当串联磷酸铁锂电池组中端电压最大的单节锂电池对应的端电压达到第二阈值时，充电控制回路控制电池以涓流充电；当监测到任一单节锂电池b
i
的端电压达到保护阈值时，控制充电控制回路关闭，停止向串联磷酸铁锂电池组充电；
33.均衡放电单元，用于在单节锂电池电压达到均衡阈值时提供一条能量释放通道，确保电池不超过其极限电压。
34.第四方面，本发明提供一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序，以实现所述的变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡充电方法的方法步骤。
35.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
36.本发明技术方案提供的一种变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡系统及其充电方法，实时监控串联磷酸铁锂电池组中所有单节锂电池的端电压和温度；并且能够对其工作状态进行监视，判断所有单节锂电池的端电压是否超过保护阈值，判断所有单节锂电池的温度是否超出预设电池温度阈值区间，如有一个超过，判断出现不正常状态，及时切断主回路，并发出提示信息，从而避免安全事故的发生，以确保磷酸铁锂电池组在变电站场景下高效、安全的使用。监控单节锂电池的端电压，当单节锂电池的端电压达到均衡阈值时，控制单节锂电池多余的电能以欧姆热形式释放，实现变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡充电；有效解决了由于串联锂电池组的物理特性不一致而引起的充电不平衡问题。
附图说明
37.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
38.图1为根据本发明优选实施方式的变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡系统的结构示意图；
39.图2为均衡放电单元的结构示意图；
40.图3为根据本发明优选实施方式的变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡方法流程图；
41.图4为根据本发明优选实施方式的变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡系统的结构框图；
42.图5为根据本发明优选实施方式的电子设备的结构框图。
具体实施方式
43.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
44.以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另
有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
45.实施例1
46.请参阅图1所示，本发明提供一种变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡系统，包括：主控单元、电池电压采样单元10、充电控制单元20和均衡放电单元30。
47.主控单元主要负责单节锂电池电压、负载电流、单节锂电池温度的采集和显示，以及其他异常状态的处理。
48.电池电压采样单元10，用于采集串联磷酸铁锂电池组300中单节锂电池b
i
端电压，并将采集的模拟信号转换为数字信号输出给微处理器；串联磷酸铁锂电池组中包括n个单节锂电池b
i
；1≤i≤n；
49.充电控制单元20，用于充电过程中充电电压和充电电流的控制；
50.均衡放电单元30，用于在电池电压达到放电阈值时提供一条能量释放通道，确保电池不超过其极限电压。
51.主控单元包括微处理器41以及连接微处理器41输入端的温度测量电路42、电流取样电路43以及信息显示单元44。
52.优选地，温度测量电路42采用单线数字式集成温度传感器，用于采集每节单节锂电池b
i
的温度，并输出给微处理器。
53.优选地，电流取样电路43采用串联电流采样电阻方式，串联在直流母线200上，利用差分放大器提取采样电阻两端电压，通过计算得到锂电池组的负载电流，输出给微处理器。电流取样电路43串联在直流母线上，用来监控负载的电流大小，判断当前负载运行状态(正常/欠流/短路)。当负载处于欠流或短路时(即超出阈值)，切断主回路并发出报警，提示运维人员进行检修。
54.优选地，信息显示单元44选用工业串口触屏液晶屏，硬件连接简单、控制方便、显示效果丰富。
55.充电控制单元20包括充电控制回路、电池电压监测模块以及温度监测模块。
56.其中，充电控制回路的输入端连接三相电源，输出端连接直流母线200，用于将三相电源进行ac/dc转换后供给支路母线200为串联磷酸铁锂电池组300充电。
57.温度监测模块，用于将从微处理器获得的单节锂电池b
i
的温度与预设电池温度阈值区间进行比对，当充电时，某一单节锂电池b
i
的温度超出预设电池温度阈值区间时，控制充电控制回路暂停向串联磷酸铁锂电池组充电并发出报警指令；当所有单节锂电池的温度回到预设电池温度阈值区间时，控制充电控制回路开启充电。
58.优选地，预设电池温度阈值区间为
‑
10～55℃。
59.电池电压监测模块，用于将从微处理器获得的单节锂电池b
i
的端电压与预设电池电压阈值进行比对，确定充电策略；预设电池电压阈值包括第一阈值和第二阈值；其中第一阈值小于第二阈值。当串联磷酸铁锂电池组中端电压最小的单节锂电池对应的端电压低于第一阈值时，执行预充电指令，充电控制回路控制电池以小电流充电来修复深度放电的电池；当串联磷酸铁锂电池组中端电压最小的单节锂电池对应的端电压等于或者高于第一阈值但低于第二阈值时，充电控制回路控制电池以设定的电流值执行恒流充电；当串联磷酸
铁锂电池组中端电压最大的单节锂电池对应的端电压达到第二阈值时，充电控制回路控制电池以涓流充电。优选地，第一阈值为2.7v，第二阈值为3.6v，保护阈值为3.7v。电池电压监测模块监测到任一单节锂电池b
i
的端电压达到保护阈值时，控制充电控制回路关闭，停止向串联磷酸铁锂电池组充电。
60.请参阅图2所示，均衡放电单元30包括n个均衡放电回路，每个均衡放电回路h
i
与对应的单节锂电池b
i
并联。均衡放电回路h
i
包括电阻r
i
、mos管mos
i
和电阻rmos
i
；电阻电阻r
i
一端连接单节锂电池b
i
的正极，另一端连接mos管mos
i
的s极；mos管mos
i
的d极连接单节锂电池b
i
的负极；电阻rmos
i
一端连接mos
i
的g极，另一端连接电池电压监测模块。充电控制单元20中电池电压监测模块监测到单节锂电池b
i
的端电压达到均衡阈值时，控制对应的均衡放电回路h
i
的mos管mos
i
导通，电阻r
i
和mos管mos
i
串联沟通导通旁路，单节锂电池b
i
多余的电能流过电阻r
i
以欧姆热形式释放。优选地，均衡阈值为3.65v。
61.本发明提供一种变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡系统，主要解决了由于串联锂电池组的物理特性不一致而引起的充电不平衡问题，并且能够对其工作状态进行监视，在出现不正常状态时及时切断主回路，并发出提示信息，从而避免安全事故的发生，以确保磷酸铁锂电池组在变电站场景下高效、安全的使用。
62.实施例2
63.请参阅图3所示，本发明还提供一种变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡充电方法，包括以下步骤：
64.s1、采集单节锂电池b
i
的端电压和温度；
65.s2、判断单节锂电池b
i
的端电压与温度是否超出阈值；具体的，判断单节锂电池b
i
的端电压是否超过保护阈值，同时判断单节锂电池b
i
的温度是否超出预设电池温度阈值区间；如果有一个超过，跳转至步骤s4；否则，跳转至s3；优选地，保护阈值为3.7v；预设电池温度阈值区间为
‑
10～55℃；
66.s3、判断单节锂电池b
i
的端电压与预设电池电压阈值，控制电池充电模式：
67.当串联磷酸铁锂电池组中端电压最小的单节锂电池对应的端电压低于第一阈值时，执行预充电指令，充电控制回路控制电池以小电流充电来修复深度放电的电池；
68.当串联磷酸铁锂电池组中端电压最小的单节锂电池对应的端电压等于或者高于第一阈值但低于第二阈值时，充电控制回路控制电池以设定的电流值执行恒流充电；
69.当串联磷酸铁锂电池组中端电压最大的单节锂电池对应的端电压达到第二阈值时，充电控制回路控制电池以涓流充电；
70.当串联磷酸铁锂电池组中单节锂电池b
i
的端电压达到均衡阈值时，控制对应的均衡放电回路h
i
的控制开关闭合，单节锂电池b
i
多余的电能以欧姆热形式释放；
71.s4、切断充电回路，并发出报警信息，并按照设定采样周期进行下一采样数据的继续比对。
72.优选地，第一阈值为2.7v，第二阈值为3.6v；均衡阈值为3.65v。
73.实施例3
74.请参阅图4所示，本发明还提供一种变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡系统，包括：
75.采集模块，用于采集串联磷酸铁锂电池组中所有单节锂电池的端电压和温度；
76.判断模块，用于判断所有单节锂电池的端电压是否超过保护阈值，判断所有单节锂电池的温度是否超出预设电池温度阈值区间；如果有一个单节锂电池的端电压超过保护阈值，或者有一个单节锂电池的温度超出预设电池温度阈值区间，切断充电回路，并发出报警信息；
77.均衡模块，用于判断所有单节锂电池的端电压与预设电池电压阈值，控制电池充电模式：当串联磷酸铁锂电池组中单节锂电池b
i
的端电压达到均衡阈值时，控制单节锂电池b
i
多余的电能以欧姆热形式释放，实现变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡充电。
78.实施例4
79.请参阅图5所示，本发明还提供一种变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡充电方法的电子设备100；所述电子设备100包括存储器101、至少一个处理器102、存储在所述存储器101中并可在所述至少一个处理器102上运行的计算机程序103及至少一条通讯总线104。
80.存储器101可用于存储所述计算机程序103，所述处理器102通过运行或执行存储在所述存储器101内的计算机程序，以及调用存储在存储器101内的数据，实现实施例2中所述的变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡充电方法的方法步骤。所述存储器101可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据电子设备100的使用所创建的数据(比如音频数据)等。此外，存储器101可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smart media card，smc)，安全数字(secure digital，sd)卡，闪存卡(flash card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。
81.所述至少一个处理器102可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field
‑
programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。处理器102可以是微处理器或者该处理器102也可以是任何常规的处理器等，所述处理器102是所述电子设备100的控制中心，利用各种接口和线路连接整个电子设备100的各个部分。
82.所述电子设备100中的所述存储器101存储多个指令以实现一种变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡充电方法，所述处理器102可执行所述多个指令从而实现：
83.采集串联磷酸铁锂电池组中所有单节锂电池的端电压和温度；
84.判断所有单节锂电池的端电压是否超过保护阈值，判断所有单节锂电池的温度是否超出预设电池温度阈值区间；如果有一个单节锂电池的端电压超过保护阈值，或者有一个单节锂电池的温度超出预设电池温度阈值区间，切断充电回路，并发出报警信息；
85.判断所有单节锂电池的端电压与预设电池电压阈值，控制电池充电模式：当串联磷酸铁锂电池组中单节锂电池b
i
的端电压达到均衡阈值时，控制单节锂电池b
i
多余的电能以欧姆热形式释放，实现变电站用磷酸铁锂电池直流电源均衡充电。
86.具体地，所述处理器102对上述指令的具体实现方法可参考实施例2中相关步骤的描述，在此不赘述。
87.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实
施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
88.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
89.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
90.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
91.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。