一种不间断电源中高压锂电池管理系统的制作方法

本发明涉及电池管理技术领域，具体为一种不间断电源中高压锂电池管理系统。

背景技术：

ups即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，ups将市电稳压后供应给负载使用，此时的ups就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断(事故停电)时，ups立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220v交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。ups设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。但是目前的不间断电源中高压锂电池在使用过程中对电池的管理效果较差，不能很好的对电池起到保护作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种不间断电源中高压锂电池管理系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种不间断电源中高压锂电池管理系统，包括蓄电池、控制器、整流器、电池变换器以及电路系统，所述电路系统由正负母线直流电容c6、c7与电池电感l7、开关管q3、二极管q4所构成，其中当电池电感l7与开关管q3的连接点的的稳态电位高于电池电压ub时，为充电电路；当电池电感l7与开关管q3的连接点的的稳态电位低于电池电压ub时，为放电电路。

优选的，所述控制器设计上采用电压外环电流内环的双闭环结构、电流外环电压内环的双闭环结构中的任意一种。

优选的，所述管理系统还包括调节器，所述调节器与电路系统连接，所述调节器的输入端控制器的输出端电性连接。

优选的，所述的调节器包括一个电压调节器、一个电流调节器。

优选的，所述管理系统还包括散热器，所述散热器的输入端与控制器的输出端电性连接，所述散热器的热时间常数在5～10min，散热器最高温度为85℃。

优选的，还包括常闭触点式的温度继电器，所述的温度继电器串联安装在电路系统中，且所述的温度继电器安装在蓄电池所在的电池安装架的顶部。

优选的，所述控制器的输出端连接有限流模块和限压模块。

优选的，所述蓄电池充电的限流点默认值为0.20c10，设置范围0.1～0.25c10，蓄电池均充电压默认值为2.35v/cell，设置范围2.300～2.450v/cel。

优选的，所述电池变换器在充电电路的数学模型为：电池充电器恒压充电时数学模型。

优选的，所述电池变换器在放电电路的数学模型为：电池放电器恒压放电时数学模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明为充电电路时，整体为充电器，将电压环电流环双环结合起来，充电pwm发波脉宽很稳定，克服了小电流工况下间歇式充电的问题；设计简便，控制器中只有积分控制参数k需要设计。而k一般可设计成两档，稳定时为保证发波脉宽稳定，可设计成较小的值，由于电池充电器对快速性要求不高，小系数控制参数选择范围很宽；当ups由于输出负载突变或者发生短路造成母线电压突然大幅度变动时，可切换到大系数，由于大系数控制参数为极限下选用，最终还会切回到小系数控制参数，所以大系数控制参数选择范围也很宽。对比双闭环调节器而言，控制器设计简便很多，而且对控制对象的变化不敏感，具有很好的鲁棒性。

2、本发明通过设置限流模，通过模块限流控制来保证电池电流小于充电限流点，保护电池和电源不受大电流充电的伤害，通过模块限压控制来保证电池电压小于或等于均充电压，保护电池不受高电压充电的伤害，通过模块限压控制来保证电池电压等于浮充电压，避免长时间均充对电池的伤害，系统异常时对电池进行安全充电，当电源系统实际不可控制(如整流模块通信中断)或不可均充时(如交流停电)，系统转到安全状态，通过在蓄电池架上安装温度继电器，当大于给定的阀值时，温度继电器动作，在异常情况下，保护蓄电池不出现严重过充电。

附图说明

图1为本发明一种不间断电源中高压锂电池管理系统为放电电路的电路结构图；

图2为本发明一种不间断电源中高压锂电池管理系统为放电电路的控制框图；

图3为本发明一种不间断电源中高压锂电池管理系统为充电电路的电路结构图；

图4为本发明一种不间断电源中高压锂电池管理系统为充电电路的控制框图；

图5为本发明一种不间断电源中高压锂电池管理系统电流环控制系统；

图6为本发明一种不间断电源中高压锂电池管理系统电压闭环系统图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种不间断电源中高压锂电池管理系统，包括蓄电池、控制器、整流器、电池变换器以及电路系统，所述电路系统由正负母线直流电容c6、c7与电池电感l7、开关管q3、二极管q4所构成，其中当电池电感l7与开关管q3的连接点的的稳态电位高于电池电压ub时，为充电电路；当电池电感l7与开关管q3的连接点的的稳态电位低于电池电压ub时，为放电电路。

本发明所述控制器设计上采用电压外环电流内环的双闭环结构、电流外环电压内环的双闭环结构中的任意一种。

其中所述管理系统还包括调节器，所述调节器与电路系统连接，所述调节器的输入端控制器的输出端电性连接。

其中，所述的调节器包括一个电压调节器、一个电流调节器。

本发明所述管理系统还包括散热器，所述散热器的输入端与控制器的输出端电性连接，所述散热器的热时间常数在5～10min，散热器最高温度为85℃。

本发明还包括常闭触点式的温度继电器，所述的温度继电器串联安装在电路系统中，且所述的温度继电器安装在蓄电池所在的电池安装架的顶部。

其中，所述控制器的输出端连接有限流模块和限压模块。

本发明所述蓄电池充电的限流点默认值为0.20c10，设置范围0.1～0.25c10，蓄电池均充电压默认值为2.35v/cell，设置范围2.300～2.450v/cel。

本发明所述电池变换器在充电电路的数学模型为：电池充电器恒压充电时数学模型：将电池等效为一个电容来进行模型建立，以负母线为参考电压，则

ux＝ud*son+(1-son-soff)*ub(1)

与式(3-1)不同，其中

son――q3开通占空比；

soff――q4内续流二极管续流时占空比

其中，c2――电池等效电容容值；

把式(1)带入(2)得充电器恒压充电时的数学模型如下所示

作为特例，当放电器工作在电流连续工作状态下时，有

其中，

电池充电器恒流充电时数学模型，充电器恒流放电模式是恒压放电模式的一个简单特例，由式(3)、(4)可以得出，

作为特例，当放电器工作在电流连续工作状态下时，有

本发明所述电池变换器在放电电路的数学模型为：电池放电器恒压放电时数学模型：以负母线为参考电压，则

ux＝ud*soff+(1-son-soff)*ub(1)

其中，ux――桥臂中点电压；

ub――电池端电压电压；

ud――直流母线电压；

son――q4开通占空比；

soff――q3内续流二极管续流时占空比。

其中，c――母线电容容值；

l――电池电感感值。

把式(1)带入(2)得恒压放电时的数学模型如下所示

作为特例，当放电器工作在电流连续工作状态下时，有

其中，

电池放电器恒流放电时数学模型

放电器恒流放电模式是恒压放电模式的一个简单特例，由式(3)、(4)可以得出，

作为特例，当放电器工作在电流连续工作状态下时，有

本发明在对不间断电源中高压锂电池管理的方法：在进行充电时，装置整体为充电器，充电器工作状态如下：在市电正常时，而且负载功率未超出整流器所能提供的最大功率(或最大电流)时，对电池进行充电，充电又分三种情况：当充电电压未达到均充电压，充电电流就大于0.1c时，以0.1c电流进行恒流充电；当充电电压达到均充电压，且充电电流就小于0.1c时，以均充电压进行恒压充电；均充电压恒压充电，充电电流连续15min小于0.05c时，转浮充电压进行恒压充电，其中控制器的输入为恒流充电电流限流值(ib*)、电池电流反馈值(ib)、恒压充电电压限压值(vb*)、电池电压反馈值(vb)，此四个输入首先经过逻辑式乒乓调节器。逻辑式乒乓调节器的输出仅有-1、0、1三种结果：当电流反馈值(ib)大于恒流充电限流值(ib*)或者电压反馈值(vb)大于恒压充电限压值(vb*)时，输出为-1；否则，两者有任一相等时，输出为0；以上条件均不满足则输出为1。积分控制参数选择器(kselector)主要是根据电压电流限流值及其反馈值来选择积分器的控制参数k，一般可以分为两档：稳定工作时，采用小系数，保证充电pwm发波脉宽的稳定性；在电流反馈值与恒流充电限流值的偏差大于某个设定值或者电压反馈值与恒压充电限压值偏差大于某个设定值时，采用大系数以保证控制器的快速性。逻辑式乒乓调节器的输出经过可变系数(系数为k)的积分器，再经pwm发生器生成pwm波形以驱动开关管q1。

在进行放电时，装置整体为放电器，放电器分两种工作模式：恒压放电模式、恒流放电模式(电池自检用)，切换开关根据逻辑需求进行切换。恒压放电模式工作过程：母线电压给定与电压反馈经母线电压调节器后输出为电感电流给定，电感电流给定与电感电流反馈经电流调节器后输出pwm波，驱动开关管q4。恒流放电模式其电感电流给定为固定自检电流值，经电感电流调节器后输出pwm波形，其中电压调节器和电流调节器，均设计成pi调节器形式：即或写成后者中电流环控制系统可写成如图5所示，其中te为采样和发波延时，近似为一个开关周期。控制对象中krl＝1/r；trl＝l/r。

从图5可以看出，电流环调节器可以将设计成典型i型系统。设计准则：

1将开环传函转换为的形式

2同时使kt＝const。const为常数<1，否则不稳定。如要求控制系统无超调，则const＝0.25。本机按惯例设计const＝0.5，此时理论超调4％。

满足如上准则后，整个闭环系统稳定，并近似性能最优，而且ωc＝k。闭环后的系统传递函数为

由准则1：将开环传递函数的主导极点与pi控制器的零点对消，系统可降阶并构成典型i型系统。即令ti＝trl后，系统开环传函化为

由准则2，则令

由以上几个等式，可以求出电流环的pi参数为

注意，由于为数字调节器，其中积分参数与模拟控制器积分参数差开关频率f的倍数。

注意到电流调节器经如上设计后，电流闭环系统可等效成电压闭环系统则如图6所示。

由图6可以看出，类似于直流电机双闭环系统，pwm整流器电压环可以设计成典型ii型系统。其设计准则如下：

1开环传函组合成形式；

2令其中h为中频宽是一个中间参数，一般取3～10。本机按惯例取h＝5。

在满足以上准则后，电压环截止频率为

以下根据如上准则设计电压环调节器。

电压环开环传函为已经符合准则1。由准则2可得

由pi调节器的两种形式的参数等效关系，有

注意，由于为数字调节器，其中积分参数与模拟控制器积分参数差开关频率f的倍数。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。