电池功率管理系统的制作方法

本申请涉及供电的电路装置领域，尤其涉及电池功率管理系统。

背景技术：

通信机房的直流供电系统由交流配电屏、整流器、蓄电池组、直流配电屏、直流-直流变换设备组成。直流系统的电压等级有48V、24V、240V等，以48V电压等级为主。蓄电池组在直流供电系统中承担后备电源功能，在交流市电或整流器故障时，为通信设备提供直流电源。蓄电池组目前主要使用铅酸电池。

由于大容量锂离子电池与铅酸电池相比，具有高能量密度、大放电电流能力、低自放电率、长寿命等优点，随着其价格的下降，在通信机房的48V直流供电系统中使用锂离子电池，已经成为发展趋势。

但锂离子电池在状态监测、充放电管理等方面有较高的要求，类似铅酸电池的粗放式使用方式不利于发挥锂离子电池的优点。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型要解决的技术问题是提供一种电池功率管理系统，其适用于锂离子电池组的供电管理，提高锂离子电池的应用安全性和智能化程度，延长电池使用寿命。

为解决上述技术问题，本实用新型电池功率管理系统，包括：电池状态监测模块、功率变换模块、控制模块、保护模块、显示模块和通信模块，所述控制模块分别与所述电池状态监测模块、所述功率变换模块、所述显示模块和所述通信模块连接，所述保护模块连接在所述功率变换模块和供电母线之间并用于对所述功率变换模块进行过流和过压保护；其中，

所述电池状态监测模块用于至少监测蓄电池组的每一单体的电压并传给所述控制模块；

所述功率变换模块用于至少监测蓄电池组的电压并传给所述控制模块，及所述功率变换模块的输出用于连接到供电母线；

所述控制模块根据所述电池状态监测模块采集的电池数据及所述功率变换模块采集的蓄电池组数据和供电母线状态，控制所述功率变换模块处于放电、充电和待机热备模式工作之一；

所述显示模块用于显示所述蓄电池组和/或所述电池功率管理系统的状态信息；及

所述通信模块用于将所述蓄电池组和/或所述电池功率管理系统的状态信息传送到远程管理中心。

作为本实用新型所述系统的改进，所述控制模块控制所述功率变换模块在所述供电母线连接的直流供电系统发生故障时控制所述蓄电池组经所述功率变换模块向所述供电母线放电，或者在所述直流供电系统正常且所述蓄电池组处于非满电状态时控制所述供电母线经所述功率变换模块向所述蓄电池组充电，或者在所述直流供电系统正常且所述蓄电池组处于满电状态时使得所述功率变换模块处于待机热备状态。

作为本实用新型所述系统的另一种改进，所述功率变换模块包括：用于与所述蓄电池组并联的第一电容，第一电容与所述蓄电池组的负极之间接有电流传感器，第一功率开关和第二功率开关串联后与第一电容并联，与供电母线并联的第二电容，第三功率开关和第四功率开关串联后与第二电容并联，第一功率开关和第二功率开关之间的中点与第三功率开关和第四功率开关之间的中点之间接一电感器，第二电容并联有一电压传感器；及包括功率开关驱动电路，用于接收来自控制模块的控制信号驱动第一、第二、第三和/或第四功率开关的工作状态。

作为本实用新型所述系统的进一步的改进，第一、第二、第三和第四功率开关中的每一个包括MOSFET晶体管及与其反向并联的二极管。

作为本实用新型所述系统的又一种改进，充电电流和/或放电电流由所述控制模块根据电网的峰-平-谷电价和分布时段及备用容量需求进行控制。

作为本实用新型所述系统的进一步改进，所述充电电流为蓄电池组总容量与备用容量的差除以谷段时长与蓄电池组总电压的积，所述放电电流为蓄电池组总容量与备用容量的差除以峰段时长与蓄电池组总电压的积。

作为本实用新型所述系统的再一种改进，控制所述蓄电池组经所述功率变换模块向所述供电母线放电通过设置低于供电母线额定电压的参考电压进行控制，在确定供电母线的电压低于所述参考电压时，控制所述蓄电池组放电；及在确定供电母线的电压高于所述参考电压时，控制所述蓄电池组停止放电。

本实用新型充分考虑多种锂离子电池串联方案，通过统一的电池功率管理系统，适应不同锂离子电池组电压，在交流市电或整流器故障时，为直流供电系统提供稳定的直流输出，并在故障恢复后，根据锂离子电池状态进行充电电流管理，确保锂离子电池组的安全。

本实用新型可以极大地提高锂离子电池在通信机房直流供电系统中应用的安全性和智能化程度，延长电池使用寿命，为通信设备提供高质量的后备电源。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其它特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1为根据本实用新型的系统的一实施例的结构示意图。

图2为根据本实用新型的功率变换模块的一实施例的电路示意图。

图3为根据本实用新型的系统的应用场景示意图。

为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本实用新型所必要的细节，而省略其他细节。

具体实施方式

下面参照附图对本实用新型的实施方式和实施例进行详细说明。

通过下面给出的详细描述，本实用新型的适用范围将显而易见。然而，应当理解，在详细描述和具体例子表明本实用新型优选实施例的同时，它们仅为说明目的给出。

下面的实施例均以用于通信机房的48V直流供电为例，本实用新型的技术方案可类似地适用于其它电压等级的直流供电。同样，本说明书中以锂离子电池组为例进行说明，本实用新型的技术方案可类似地应用于其它可再充电的蓄电池组，并具有同样的优点。

图1示出了根据本实用新型一实施例的电池功率管理系统100的结构示意图。该实施例的系统包括：电池状态监测模块1、DCDC功率变换模块2、控制模块3、保护模块4、显示模块5和通信模块6，所述控制模块3分别与所述电池状态监测模块1、所述DCDC功率变换模块2、所述显示模块5和所述通信模块6连接，保护模块4连接在DCDC功率变换模块2与电池功率管理系统的输出之间。在使用时，电池状态监测模块1分别与串联连接的锂离子电池组C(由锂离子电池C1、C2……Cn串联而成)的每一单体电池连接，DCDC功率变换模块2与整个锂离子电池组C并联，电池功率管理系统的输出即为48V直流供电母线。锂离子电池组C经本实用新型的电池功率管理系统与通信机房的48V直流供电系统连接，如图3所示。

电池状态监测模块1可使用电池电压测量芯片(AD转换芯片)如LTC6802型芯片对锂离子电池组中的每一个电池单体进行电压检测，控制模块3可以通过串行数据总线(SPI总线)从所述电池电压测量芯片读取检测结果。电压状态监测也可使用本领域已知的任何其它适当的方式进行。在实施例中，电池状态监测模块1还可对蓄电池组温度、蓄电池组充放电电流进行实时检测，并将检测数据送至控制模块3。

DCDC功率变换模块2用于至少监测蓄电池组的电压及48V直流供电母线的状态数据并传给所述控制模块3。

控制模块3根据所述电池状态监测模块1采集的电池数据及所述DCDC功率变换模块2采集的蓄电池组数据和供电母线状态，控制所述DCDC功率变换模块2的工作模式，可以处于待机热备、48V直流供电母线向蓄电池组充电、蓄电池组向48V直流供电母线放电三种工作模式之一。

显示模块5用于输入基本设置参数、查询锂离子电池组和本实用新型系统的运行状态信息。通信模块6用于将所述蓄电池组及本实用新型系统的运行状态信息传送到远程管理中心，可以为锂离子电池系统的运行维护提供数据支持，为运行维护人员提供故障预警、故障定位等信息。显示模块和通信模块的具体实施可以本领域已知的任何适当的方式进行。

保护模块4用于为DCDC功率变换模块2提供过流、过压保护功能。保护模块4例如可以为连接在线路中的熔断器。

如图3中所示，锂离子电池组通过本实用新型的电池功率管理系统与通信机房的48V直流供电系统连接。当交流市电和整流器正常工作时，电池功率管理系统控制锂离子电池组的充电电流，使其处于充满电的状态，并实时监测锂离子电池组中各单体电池的状态。当交流市电或整流器发生故障时，电池功率管理系统控制锂离子电池组的放电电流，将直流母线维持在稳压状态，为通信设备提供供电电源。

根据本实用新型系统的一种实施方式，在所述供电母线连接的直流供电系统(如图3中所示，交流市电或整流器)发生故障时，控制模块3控制所述蓄电池组C经所述DCDC功率变换模块2向所述供电母线放电(放电模式)；或者，在所述直流供电系统正常且所述蓄电池组处于非满电状态时，控制模块3控制所述供电母线经所述DCDC功率变换模块2向所述蓄电池组C充电(充电模式)；或者，在所述直流供电系统正常且所述蓄电池组C处于满电状态时，使得所述DCDC功率变换模块2处于待机热备状态(待机热备模式)。

根据本实用新型系统的另一种实施方式，如图2中所示，DCDC功率变换模块2包括：用于与所述蓄电池组C并联的第一电容25，第一电容25与所述蓄电池组C的负极之间接有电流传感器26，第一功率开关21和第二功率开关22串联后与第一电容25并联，与供电母线并联的第二电容27，第三功率开关23和第四功率开关24串联后与第二电容27并联，第一功率开关21和第二功率开关22之间的中点与第三功率开关23和第四功率开关24之间的中点之间接一电感器28，第二电容27并联有一电压传感器29；及包括功率开关驱动电路30，用于接收来自控制模块3的控制信号驱动第一、第二、第三和/或第四功率开关的工作状态。在实施例中，第一、第二、第三和第四功率开关中的每一个包括MOSFET晶体管及与其反向并联的二极管。

在工作时，DCDC功率变换模块2中的功率开关驱动电路30接收来自于控制模块3的驱动脉冲信号，经过隔离和放大后驱动功率开关21～24(由MOSFET和反向并联二极管组成)。当锂离子电池组给直流供电母线供电时，功率开关21和24中的MOSFET工作在脉冲宽度调制(PWM)的状态，其反并联的二极管保持关断状态，而功率开关22和23中的MOSFET保持关断状态，其反并联二极管参与工作。当直流供电母线给蓄电池组充电时，功率开关22和23中的MOSFET工作在脉冲宽度调制(PWM)的状态，其反并联的二极管保持关断状态，而功率开关21和24中的MOSFET保持关断状态，其反并联二极管参与工作。

当处于对角线的功率开关(21和24，或22和23)工作在PWM状态时，电路等效为一个双开关Buck-Boost电路，其输入输出电压的关系为：

其中，D表示功率开关的导通占空比，取值在0～1之间。因此，无论锂离子电池组电压和直流供电母线电压的大小关系，通过DCDC功率变换模块2的变换，在任何情况下都能实现二者之间的匹配，并根据供电或充电的需求，实现功率流向的控制。根据本实用新型系统的另一种实施方式，蓄电池组C的充电电流和/或放电电流由所述控制模块3根据电网的峰-平-谷电价和分布时段及通信设备的备用容量需求，计算得出锂离子电池组在谷段(电价最低)的充电电流并控制DCDC功率变换模块2对锂离子电池组C进行充电，计算得出锂离子电池组C在峰段(电价最高)的放电电流并控制DCDC功率变换模块2对锂离子电池组C进行放电，从而达到移峰填谷储能的效果，达到节约电费的目的。具体地，充电电流可以为蓄电池组总容量与备用容量的差除以谷段时长与蓄电池组总电压的积，放电电流可以为蓄电池组总容量与备用容量的差除以峰段时长与蓄电池组总电压的积。

根据本实用新型系统的又一种实施方式，控制所述蓄电池组C经所述功率变换模块2向所述供电母线放电通过设置低于供电母线额定电压的参考电压进行控制。锂离子电池组放电时的功率控制算法公式为：

V_o＝V_ref-k_n*I_o (2)

其中，V_o表示锂离子电池组向48V直流供电母线实际输出的电压；I_o表示锂离子电池组向48V直流供电母线实际输出的电流；k_n表示锂离子电池组的放电功率控制系数；V_ref表示期望输出的参考电压值，在本处设定为47V，略低于直流供电母线实际需要的额定电压48V。

当整流器正常工作时，直流供电母线电压由整流器的输出值决定，为48V，则此时根据公式(2)计算锂离子电池组的输出电流为I_o＝-1/k_n<0，即表示锂离子电池组不需要向直流供电母线输出电流。当发生故障，整流器停止输出时，直流供电母线电压会下降，当下降至低于47V时，根据公式(2)计算，有I_o＝(V_ref-V_o)/k_n>0，即锂离子电池组需向直流供电母线输出电流，以维持直流供电母线电压的稳定。依靠DCDC功率变换模块2中的负反馈自动控制的调节作用，当锂离子电池组输出电流与通信设备输入电流相等时，直流供电母线电压将维持在47V。当整流器恢复输出时，使得注入到直流供电母线上的电流总和超过通信设备所需电流，则母线电压必然升高，根据公式(2)计算锂离子电池组的输出电流I_o<0，则锂离子电池组将停止输出电流。从而实现锂离子电池组的自动启用和停用，提高了锂离子电池组的应用智能化程度。

在此所述的多个不同实施例或者其特定特征、结构或特性可在本实用新型的一个或多个实施方式中适当组合。另外，本实用新型的多个不同方面可使用软件、硬件、固件或者其组合和/或执行所述功能的其它计算机实施的模块或装置进行实施。本实用新型的软件实施可包括保存在计算机可读介质中并由一个或多个处理器执行的可执行代码。计算机可读介质可包括计算机硬盘驱动器、ROM、RAM、闪存、便携计算机存储介质如CD-ROM、DVD-ROM、闪盘驱动器和/或例如具有通用串行总线(USB)接口的其它装置，和/或任何其它适当的有形或非短暂计算机可读介质或可执行代码可保存于其上并由处理器执行的计算机存储器。

除非明确指出，在此所用的单数形式“一”、“该”均包括复数含义(即具有“至少一”的意思)。应当进一步理解，说明书中使用的术语“具有”、“包括”和/或“包含”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个列举的相关项目的任何及所有组合。

前面说明了本实用新型的一些优选实施例，但是应当强调的是，本实用新型不局限于这些实施例，而是可以本实用新型主题范围内的其它方式实现。本领域技术人员可以在本实用新型技术构思的启发和不脱离本实用新型内容的基础上对本实用新型作出各种变形和修改，这些变形或修改仍落入本实用新型的保护范围之内。