直流电源系统及其控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种直流电源系统及其控制方法。

背景技术：

目前通信设备主要采用DC48V、DC240V及DC336V电源系统供电，这些电源系统应用场合非常重要，为确保供电的连续性，这些通信直流电源系统在设计上会采用蓄电池作为备份应急电源。

传统的通信直流电源系统中蓄电池一般都采用铅酸电池，图1是现有的带有铅酸电池的直流电源系统示意图，目前通信直流电源系统的供电特点如下：交流电网通过交流配电单元1给整流单元2供电，监控单元4对交流配电单元1进行检测，对整流单元2和直流配电单元3进行监控，整流单元2通过直流配电单元3给用户负载6供电，为预防交流电网突然停电且不中断给用户负载供电，内部为铅酸电池的电池组需要一直连接直流配电单元3上；交流电网正常时整流单元2通过直流配电单元3在给用户负载6供电的同时一直给电池单元充电，充放电识别的电流测量装置31检测充电电流以防过充。锂电池由于具有优异的充放电特性、比能量大、寿命长、环保等优点，正逐步取代传统的铅酸电池应用在通信直流电源系统中，与铅酸电池充电特性的一个关键区别是：充满后需要停止充电。

图2是现有的带有锂电池的直流电源系统示意图，如图2所示，在目前配套锂电池的通信直流电源系统中，为确保锂电池组51的充电要求，锂电池单元5都会集成锂电池管理系统52来管理充电，以确保充满后停充。锂电池管理系统52除了监测内部锂电池组51的信息外，还具备充电过流、充满停充等保护。锂电池管理系统52在执行这些保护时，会断开锂电池组51与用户负载6的连接。在通信直流电源系统中，电池“脱离”直流母线，非常危险，一旦交流电网停电，锂电池管理系统52响应不及时就会导致锂电池组51不能及时闭合供电回路，导致供电“零”中断的风险。

因此，需要设计一种应用于锂电池组、可同时实现充满电停充和“零”中断放电的直流电源系统及其控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种直流电源系统及其控制方法，以解决现有的应用于锂电池组的直流电源系统不能同时实现充满电停充和“零”中断放电的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种直流电源系统，所述直流电源系统为用户负载供电，所述直流电源系统包括交流配电单元、整流单元、直流配电单元、锂电池单元和监控单元，其中：

所述交流配电单元连接所述整流单元，所述整流单元连接所述直流配电单元，所述直流配电单元连接所述锂电池单元，所述监控单元监测所述交流配电单元和锂电池单元并监控整流单元和所述直流配电单元；

在整流单元的输出电压高于锂电池组的电压时，所述整流单元通过所述直流配电单元为所述用户负载供电；

在整流单元的输出电压低于锂电池组的电压时，所述锂电池单元通过所述直流配电单元为所述用户负载供电；

所述直流配电单元包括充放电回路、备用放电回路和直流母线负极，其中：所述充放电回路和所述备用放电回路并联，并连接在所述锂电池单元与直流母线负极之间；

所述锂电池单元通过所述充放电回路连接所述直流母线负极并由所述整流单元充电，所述锂电池单元通过所述备用放电回路和所述充放电回路向所述用户负载供电。

可选的，在所述的直流电源系统中，所述备用放电回路包括一单向导电性的半导体器件。

可选的，在所述的直流电源系统中，所述单向导电性的半导体器件为二极管，所述二极管的阳极连接所述直流母线负极，所述二极管的阴极连接锂电池单元的负极。

可选的，在所述的直流电源系统中，所述锂电池单元包括锂电池组和锂电池管理系统，所述锂电池管理系统对所述锂电池组进行监控。

可选的，在所述的直流电源系统中，所述直流配电单元还包括充放电识别的电流测量装置，所述充放电识别的电流测量装置与充放电回路及备用放电回路的并联回路串接在直流母线负极和锂电池单元之间，所述充放电识别的电流测量装置用于监控电流方向和电流幅值。

可选的，在所述的直流电源系统中，所述监控单元监测所述锂电池管理系统和所述充放电识别的电流测量装置，所述充电电流幅值超过预设值时，监控单元根据充电电流幅值实时调整所述整流单元的输出，当锂电池组充满电时，监控单元断开充放电回路。

可选的，在所述的直流电源系统中，所述充放电回路包括一可遥控开合类开关，所述可遥控开合类开关由所述监控单元控制。

本发明还提供一种直流电源系统的控制方法，所述直流单元系统的控制方法包括：

所述监控单元监测所述交流配电单元和锂电池单元并监控整流单元和直流配电单元；

在整流单元的输出电压高于锂电池组的电压时，所述整流单元通过所述直流配电单元为所述用户负载供电，所述锂电池单元需要充电时通过所述充放电回路连接所述整流单元进行充电，在充满电时所述充放电回路与所述整流单元断开；

在整流单元的输出电压低于锂电池组的电压时，所述锂电池单元先后通过所述备用放电回路和所述充放电回路对用户负载供电。

可选的，在所述的直流电源系统的控制方法中，所述直流电源系统的控制方法还包括：在整流单元的输出电压低于锂电池组的电压时，所述锂电池单元先通过所述备用放电回路对用户负载供电，等待充放电回路闭合后，锂电池单元通过备用放电回路和充放电回路对所述用户负载供电。

可选的，在所述的直流电源系统的控制方法中，所述备用放电回路仅在整流单元输出电压低于锂电池单元电压时导通。

可选的，在所述的直流电源系统的控制方法中，所述直流电源系统的控制方法还包括：在所述锂电池单元中，锂电池管理系统对所述锂电池组进行监控。

可选的，在所述的直流电源系统的控制方法中，所述直流电源系统的控制方法还包括：所述充放电识别的电流测量装置监控电流方向和电流幅值。

可选的，在所述的直流电源系统的控制方法中，所述直流电源系统的控制方法还包括：所述监控单元监测所述锂电池管理系统和所述充放电识别的电流测量装置，所述充电电流幅值超过预设值时，监控单元并根据充电电流幅值实时调整所述整流单元的输出，当锂电池组充满电时，监控单元断开充放电回路。

可选的，在所述的直流电源系统的控制方法中，所述直流电源系统的控制方法还包括：当监控单元监测到锂电池组充满电时，监控单元断开可遥控开合类开关。

在本发明提供的直流电源系统及其控制方法中，通过同时设置备用放电回路和充放电回路，所述锂电池单元需要充电时通过所述充放电回路连接所述整流单元进行充电，在充满电时通过断开充放电回路与所述整流单元断开；所述锂电池单元也可以通过备用放电回路向用户负载供电，实现了在整流单元的输出电压低于锂电池组的电压时，所述锂电池单元先通过所述备用放电回路对所述用户负载供电，后续再通过充放电回路一并向用户负载供电，解决了目前通信行业中带有锂电池组的直流电源系统不能同时实现充满电停充和“零”中断的问题，为通信行业中锂电池替换铅酸电池得到广泛应用提供可靠保证。

进一步的，备用放电回路通过一单向导电性的半导体器件，实现了一旦交流电网停电及整流单元的输出电压低于锂电池组的电压，备用放电回路能“零中断”立即接通用户负载。本发明仅在现有的通信电源供电结构基础上增加了二极管和可遥控开合类开关，无需复杂的硬件电路和软件控制，就可以实现锂电池的过流控制及充满停充的控制，且解决了以往锂电池放电时可能发生的“零”中断问题，从而可以替代锂电池管理系统中的过流及停充控制，简化电池管理系统的设计。

另外，由于锂电池单元在放电时，二极管在承担整个负载电流，因自身会产生压降影响供电效率及会产生较大的发热量。本发明通过监控单元检测到交流中断后会可再次控制可遥控开合类开关闭合，以旁路流经二极管的负载电流，提高了系统供电效率及二极管的寿命。

附图说明

图1是现有的带有铅酸电池的直流电源系统示意图；

图2是现有的带有锂电池的直流电源系统示意图；

图3～4是本发明直流电源系统示意图；

图5是本发明直流电源系统在正常供电情况下锂电池充电示意图；

图6是本发明直流电源系统在正常供电情况下锂电池停充电示意图；

图7是本发明直流电源系统在故障情况下锂电池瞬间放电示意图；

图8是本发明直流电源系统在故障情况下锂电池长时间放电示意图；

图中所示：1-交流配电单元；2-整流单元；3-直流配电单元；31-充放电识别的电流测量装置；32-备用放电回路；33-充放电回路；34-二极管；35-可遥控开合类开关；4-监控单元；5-锂电池单元；51-锂电池组；52-锂电池管理系统；6-用户负载。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的直流电源系统及其控制方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种直流电源系统及其控制方法，以解决现有的应用于锂电池组的直流电源系统不能同时实现充满电停充和“零”中断放电的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种直流电源系统及其控制方法，所述直流电源系统为用户负载供电，所述直流电源系统包括交流配电单元、整流单元、直流配电单元、锂电池单元和监控单元，其中：所述监控单元监测所述交流配电单元和锂电池单元并监控整流单元和所述直流配电单元；在整流单元的输出电压高于锂电池组的电压时，所述整流单元通过所述直流配电单元为所述用户负载供电；在整流单元的输出电压低于锂电池组的电压时，所述锂电池单元通过所述直流配电单元为所述用户负载供电；所述锂电池单元通过所述充放电回路连接所述直流配电单元并由所述整流单元充电，所述锂电池单元通过所述备用放电回路和所述充放电回路向所述用户负载供电。

<实施例一>

图3～4是本发明直流电源系统示意图；如图3所示，所述直流电源系统为用户负载供电，所述直流电源系统包括交流配电单元1、整流单元2、直流配电单元3、锂电池单元5和监控单元4，其中：所述交流配电单元1连接所述整流单元2，所述整流单元2连接所述直流配电单元3，所述直流配电单元3连接所述锂电池单元5和所述用户负载6，所述监控单元4监测所述交流配电单元1和锂电池单元5并监控整流单元2和所述直流配电单元3；在整流单元的输出电压高于锂电池组的电压时，所述整流单元2通过所述直流配电单元3为所述用户负载6供电；在整流单元的输出电压低于锂电池组的电压时，所述锂电池单元5通过所述直流配电单元3为所述用户负载6供电；所述直流配电单元3包括充放电回路33和备用放电回路32和直流母线负极，其中：所述充放电回路33和所述备用放电回路32并联，并连接在所述锂电池单元5与所述直流母线负极6之间；所述锂电池单元5通过所述充放电回路32连接所述直流母线负极并由所述整流单元2充电，所述锂电池单元5通过所述备用放电回路32和所述充放电回路33向所述用户负载6供电。

进一步的，所述备用放电回路32包括一单向导电性的半导体器件。图4是本发明直流电源系统示意图，即具体部分电路图，如图4所示，所述单向导电性的半导体器件为二极管34，所述二极管的阳极连接所述直流母线负极，所述二极管的阴极连接锂电池单元5的负极。备用放电回路32需要在锂电池单元5充电时断开与直流电源系统3中的直流母线负极的连接，所述备用放电回路32仅在整流单元的输出电压低于锂电池组的电压时导通。只要交流电网停电及整流单元2的输出电压低于锂电池组51的电压，备用放电回路32能“零中断”立即接通直流母线负极并为用户负载6供电。以上正是单向导电的特性，可利用具备单向导电性的半导体材料如二极管来解决。

更进一步的，所述锂电池单元5包括锂电池组51和锂电池管理系统52，所述锂电池管理系统52对所述锂电池组51进行监控。所述直流配电单元3还包括充放电识别的电流测量装置31，所述充放电识别的电流测量装置31与充放电回路33及备用放电回路32的并联回路串接在直流母线负极和锂电池单元5之间，所述充放电识别的电流测量装置31用于监控电流方向和电流幅值。所述监控单元4监测所述锂电池管理系统52和所述充放电识别的电流测量装置31，所述充电电流幅值超过预设值时，监控单元4根据充电电流幅值实时调整所述整流单元2的输出，当锂电池组51充满电时，监控单元4断开充放电回路33。所述充放电回路33包括一可遥控开合类35，所述可遥控开合类开关35由监控单元4控制。锂电池组51放电后，需要及时充电。充放电回路33需要在锂电池单元5充电时接通整流单元2；锂电池组51充满电时，能断开与整流单元2的连接；放电时，备用放电回路32中采用半导体材料在承担整个负载电流，因自身会产生压降影响供电效率及会产生较大的发热量，为提高直流电源系统的供电效率及备用放电回路32中半导体材料的寿命，充放电回路33在放电时可接通与用户负载6的连接，以旁路流经备用放电回路32中半导体材料的工作电流。

根据以上工作特性，充放电回路33采用能够被遥控开合类的开关，如接触器或继电器。当需要充电时，监控单元4控制此开关闭合，接通锂电池组51的充放电回路33；充满电时，监控单元4控制此开关断开锂电池组51的充放电回路33；需要放电时，监控单元4再次控制此开关闭合，接通锂电池组51与用户负载6的连接。可遥控开合类开关35为直流接触器或继电器。

具体的，所述直流配电单元3还包括充放电识别的电流测量装置31，所述充放电识别的电流测量装置31连接在所述用户负载6与所述充放电回路33之间，所述充放电识别的电流测量装置31用于监控电流方向和电流幅值。

本实施例在现有的通信直流电源结构基础上解决两个问题：锂电池的备用放电回路要始终与通信直流电源的直流母线联通；锂电池的充放电回路可根据需求控制与通信直流电源的直流母线联通。为此，本实施例采用的方案是将现有的充、备用放电回路由共用同一回路修改为充电和放电两个不同的回路。本发明涉及对锂电池的充满电停充和“零”中断放电的电路设计和控制逻辑。用于通信用直流电源系统等需要配套锂电池作为后备电源的场合中。

<实施例二>

本实施例提供了一种直流电源系统的控制方法，所述直流单元系统的控制方法包括：所述监控单元监测所述交流配电单元和锂电池单元并监控整流单元和所述直流配电单元；在整流单元的输出电压高于锂电池组的电压时，所述整流单元通过所述直流配电单元为所述用户负载供电；所述锂电池单元需要充电时通过所述充放电回路连接所述整流单元进行充电，在充满电时所述充放电回路与所述整流单元和用户负载断开；在整流单元的输出电压低于锂电池组的电压时，所述锂电池单元通过所述直流配电单元为所述用户负载供电；所述锂电池单元通过所述充放电回路连接所述直流配电单元并由所述整流单元充电，所述锂电池单元通过所述备用放电回路和所述充放电回路向所述用户负载供电。

进一步的，在整流单元的输出电压低于锂电池组的电压时，所述锂电池单元先通过所述备用放电回路对用户负载供电，等待充放电回路闭合后，锂电池单元通过备用放电回路和充放电回路对所述用户负载供电。所述备用放电回路仅在整流单元的输出电压低于锂电池组的电压时导通。在所述锂电池单元中，锂电池管理系统对所述锂电池组进行监控。所述充放电识别的电流测量装置监控电流方向和电流幅值。：所述监控单元监测所述锂电池管理系统和所述充放电识别的电流测量装置，所述充电电流幅值超过预设值时，监控单元并根据充电电流幅值实时调整所述整流单元的输出，当锂电池组充满电时，监控单元断开充放电回路。所述监控单元检测到所述锂电池单元充满电，断开所述可遥控开合类开关。

如图4所示，因二极管34的单向导电性由材料自身确定的，无需外加控制逻辑即可实现整流单元2的输出电压高于锂电池单元5时，锂电池单元5不会被充电；在整流单元输出电压低于锂电池单元电压时，锂电池单元5可以立即直接给用户负载6供电，仅需要对可遥控开合类开关35实施必要的控制逻辑即可。

图5是本发明直流电源系统在正常供电情况下锂电池充电示意图，如图5所示，在整流单元输出电压高于锂电池单元电压时，如锂电池组51需要充电，监控单元4会控制可遥控开合类开关35闭合，接通与整流单元2的连接，锂电池组51就可以被充电。同时监控单元4会根据充放电识别的电流测量装置31的测量值来实时控制整流单元2的输出，限制充电电流的大小，确保锂电池组51不会被过充。

图6是本发明直流电源系统在正常供电情况下锂电池停充电示意图，如图6所示，在整流单元输出电压高于锂电池单元电压时，如锂电池组51已经充满电，监控单元4会控制可遥控开合类开关35断开与整流单元2的连接，直流配电单元3的充放电回路33断开，确保锂电池单元5中的锂电池组51立即停充。

图7是本发明直流电源系统在故障情况下锂电池瞬间放电示意图，如图7所示，当交流电网突然停电的瞬间，无论锂电池管理系统52有没有能检测到，因为有二极管34的存在，会立即形成锂电池组51放电给用户负载6的备用放电回路32，因此，即使交流电瞬断，负载供电也不会出现“零”中断。

图8是本发明直流电源系统在故障情况下锂电池长时间放电示意图，如图8所示，锂电池单元5在放电时，二极管34在承担整个负载电流时，因自身会产生压降影响供电效率及会产生较大的发热量。当监控单元4检测到交流中断后会可再次控制可遥控开合类开关35闭合，以旁路流经二极管34的负载电流，提高系统供电效率及二极管34的寿命。

根据以上说明可见，本发明只是在现有的通信电源供电结构基础上增加了二极管34和可遥控开合类开关35，就可以实现锂电池的过流控制及充满停充的控制，且解决了以往锂电池放电时可能发生的“零”中断问题，从而可以替代锂电池管理系统中的过流及停充控制，简化电池管理系统的设计。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。