可自动充电激活锂电池包的免维护储能电源及其控制方法与流程

1.本发明涉及一种内置锂电池包的储能电源，尤其涉及一种能够使内置锂电池包因市电长时间断电等原因而导致电池管理单元停止工作，在市电重新接入时能够自行激活而恢复工作的免维护储能电源及其控制方法。


背景技术：

2.电力电子技术、储能材料的快速发展使得储能电源得到推广和应用，储能电源的种类丰富多样，较常见的有不间断电源ups、应急电源eps、各种离网或并网型的光伏储能电源等，已广泛应用于数据处理中心、信号机房、安全警报系统、家庭、户外野营等场合，可以保障在停电的情况下用户仍然能够正常使用交流电。储能电源的主要构成有电池组、电池管理单元、逆变器、交流充电器等，双向变换技术使得逆变和充电的硬件功率模块可以合二为一，大幅降低了物料成本，也使得储能电源系统的集成度更高、体积更小、重量更轻。
3.在储能电源的广泛普及过程中，常常出现储能电池因各种情况发生深度放电，致使在市电停电或故障时，储能电池因馈电欠压不再逆变而无法实现应急用电，因此储能电池作为储能电源内部的关键组成部分，如何对其进行合理的使用及维护成为了储能电源发展中的重要问题。锂电池因重量轻、体积小、功率密度较高，因而广泛用于储能电源中，然而锂电池组需要安全管理，如保证各电芯的容量或电压一致以及需要进行过流保护、过欠压保护、短路保护、过温保护等；当锂电池组严重馈电时，电池组电压有可能较低，导致电池管理单元停止工作，此时通常需要由外接充电器强行对锂电池组的正负极直接补电蓄能激活，使得电池管理单元重新工作，电池包得以正常对外输出，该维护过程较为繁琐，难以实现设备通电后的自检和自恢复。
4.因此需要研究并实施一种简洁可靠的方法以自行对馈电的锂电池组充电激活，该方法充分考虑到无人值守类的设备自检自恢复问题，具有较高的推广应用价值。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种能够在锂电池包因市电断电等情况停止工作后当市电重新接入时可自行激活和恢复锂电池包重新正常工作的免维护储能电源及其控制方法。
6.技术方案：本发明所述的可自动充电激活锂电池包的免维护储能电源包括储能电源主体和储能电源激活控制模块；其中，储能电源主体包括锂电池包、电池软启动板、双向ac/dc变换及交流输出切换单元，所述锂电池包通过电池软启动板连接双向ac/dc变换及交流输出切换单元，用于正向充电和反向逆变的运行模式；所述储能电源激活控制模块用于在锂电池包馈电失效状态下有市电接入后激活锂电池包，包括激活条件判断电路、ac/dc充电板和锂电池包激活端口，所述激活条件判断电路包括一对检测端和输出端，所述检测端分别连接双向ac/dc变换及交流输出切换单元的dc侧正端和锂电池包激活端口的负端，所述输出端连接控制ac/dc充电板的输入端受控开关，所述输入端受控开关串联在ac/dc充电
板和市电输入的火线之间。
7.所述激活条件判断电路包括用于判断锂电池包是否达到激活条件的常闭型光耦继电器和比较器，所述常闭型光耦继电器通过采样的锂电池包输出电压与预设的门限值相比较，当采样电压未超过门限值时，其原边不导通，副边直通；当采样电压超过门限值时，其原边导通，副边关断。
8.所述锂电池包包括锂电池组和电池管理单元，所述电池管理单元经由断路器连接至电池软启动板。
9.所述电池管理单元内设有负端受控开关，所述负端受控开关为一对n沟道mosfet以背靠背形式串联在双向ac/dc变换及交流输出切换单元的负端和锂电池组负端之间。
10.所述电池软启动板内置预充电电路及正端受控开关；所述正端受控开关串联于双向ac/dc变换及交流输出切换单元的dc侧正端和锂电池组的正端之间。
11.所述双向ac/dc变换及交流输出切换单元设有交流输出受控开关和市电输入受控开关，当有市电输入时，交流输出受控开关和市电输入受控开关均导通，当无市电输入时，交流输出受控开关导通，市电输入受控开关断开。
12.所述的锂电池包激活端口内置防反接二极管和保险丝。
13.本发明还公开上述可自动充电激活锂电池包的免维护储能电源的控制方法，所述控制方法按储能电源的市电接入情况和锂电池包是否正常工作有如下步骤：
14.(1)当储能电源有市电输入时，市电输入通过双向ac/dc变换及交流输出切换单元(500)内部的交流输出受控开关和市电输入受控开关旁路输出交流电，同时，市电通过双向ac/dc变换及交流输出切换单元进行正向功率因数校正和隔离直流变换，通过电池软启动板对锂电池包进行先恒流后恒压充电；
15.(2)当储能电源无市电输入时，锂电池包的直流输出经电池软启动板后，由双向ac/dc变换及交流输出切换单元通过反向逆变方式产生交流通过交流输出受控开关(k4)输出；长时间运行以至于双向ac/dc变换及交流输出切换单元的直流侧欠压保护，此时电池管理单元和电池软启板尚正常工作，如市电输入恢复及时，市电仍然通过双向ac/dc变换及交流输出切换单元旁路输出，同时正向变换对锂电池包充电；
16.(3)如步骤(2)中市电输入长时间未恢复，锂电池包持续经逆变放电，至欠压无输出，储能电源整机不再工作；电池管理单元的静态损耗使得锂电池组发展成深度放电即馈电状态，此时电池管理单元失效不工作；
17.(4)当步骤(3)中市电输入再次恢复时，由于电池管理单元内置的负端受控开关无效，无法通过双向ac/dc变换及交流输出切换单元正向充电模式对锂电池包充电；所述的激活条件判断电路检测到锂电池组的实时电压并与基准电压比较，若当前的锂电池组的实时电压小于预设的门限值，则受控开关使能有效，ac/dc充电板得到交流输入，进而通过锂电池包激活端口对锂电池组小电流激活充电；
18.(5)步骤(4)中锂电池包被激活后，电池管理单元重新恢复有效工作，其内置受控开关使能有效，市电输入通过双向ac/dc变换及交流输出切换单元正向充电模式经过电池软启动板对锂电池包充电；更进一步的，当所述的激活条件判断电路一旦检测到锂电池包实时电压超出门限值，受控开关使能无效，ac/dc充电板不再工作，锂电池组将仅由市电通过储能电源主体中的双向ac/dc变换及交流输出切换单元电源变换来储存电量直至充满。
19.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：即使储能电源内置锂电池包在严重馈电而无法正常充电蓄能的情形下，也能够在检测到市电恢复供电时实现锂电池组的自行充电激活，方法简洁可靠，响应速度快，避免了人工维护的不及时、不方便等问题，可实现储能电源的无人值守和免维护。
附图说明
20.图1为本发明的免维护储能电源结构示意图；
21.图2(a)为本发明储能电源主体结构示意图；
22.图2(b)为本发明储能电源主体工作于交流旁路输出模式示意图；
23.图2(c)为本发明储能电源主体工作于逆变输出模式示意图；
24.图3(a)为本发明一实施例中激活条件判断电路的技术方案原理图；
25.图3(b)为本发明一实施例中ac/dc充电板交流输入受控方式的技术方案原理图；
26.图4(a)为本发明一实施例中ac/dc充电板的技术方案原理图；
27.图4(b)为本发明一实施例中ac/dc充电板的控制部分简要框图；
28.图5为本发明锂电池包激活端口的技术方案原理图。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
30.图1为本发明一种可自动充电激活锂电池包的免维护储能电源的结构示意图，包括锂电池包100、电池软启动板400、双向ac/dc变换及交流输出切换单元500、激活条件判断电路600、ac/dc充电板700、锂电池包激活端口800，同时包括锂电池包断路器s1、输入端受控开关k3。
31.锂电池包100包括锂电池组200和电池管理单元300，电池管理单元300对外为同口接口形式，负端受控开关k1集成于电池管理单元300中，在本实施例中，k1为一对背靠背形式n沟道mosfet(金属氧化物半导体场效应管)串联；锂电池包100经由断路器s1连接至电池软启动板400；所述电池软启动板400内置预充电电路及正端受控开关k2；所述电池软启动板400连接至双向ac/dc变换及交流输出切换单元500的dc侧；所述双向ac/dc变换及交流输出切换单元500可分别实现正向充电和反向逆变的运行模式，内置旁路和逆变的输出切换电路。
32.图2(a)为储能电源主体结构示意图，所述锂电池包100、电池软启动板400、双向ac/dc变换及交流输出切换单元500为储能电源主体，根据运行工况、负载大小以及市电有无、电池容量等情况决定工作模式。
33.图2(b)为储能电源主体工作于交流旁路输出模式示意图，当储能电源有市电输入时，市电输入通过双向ac/dc变换及交流输出切换单元500内部设置的交流输出受控开关k4和市电输入受控开关k5，进而旁路输出交流电，与此同时，市电通过双向ac/dc变换及交流输出切换单元500正向功率因数校正(pfc)和隔离直流变换，通过电池软启动板400对锂电池包100进行先恒流后恒压充电；
34.图2(c)为储能电源主体工作于逆变输出模式示意图，当储能电源无市电输入时，系统对外交流输出完全由锂电池包100经过软启动板400连接至双向ac/dc变换及交流输出
切换单元500的dc侧，通过反向逆变变换再经由交流输出受控开关k4得到交流输出。
35.在前述储能电源主体部分的基础上，所述激活条件判断电路600、ac/dc充电板700、锂电池包激活端口800为本发明实现方案的构成部件，以确保锂电池包即使在严重馈电的情形下，一旦检测到有市电输入即能自行激活至正常使用状态。
36.图3(a)为本发明的一个具体实施例中激活条件判断电路的技术方案原理图，激活条件判断电路600检测端分别接入双向ac/dc变换及交流输出切换单元500的dc侧正端和锂电池包激活端口800的负端，也即对应的48vout和out-两个电气节点，通过实时间接地判断锂电池组200的电压大小以决定是否需要自行激活；本实施例中采用tl431、光耦继电器、晶体管等集成电路，其中，u300为1b常闭型光耦继电器；方案通过对锂电池组200的输出电压采样，与tl431的+2.5v的参考基准比较，当采样电压未超过门限值时，u300的原边不导通，其副边直通，晶体管q300导通，iprly1节点输出有效信号；若采样电压超过门限值时，u300光耦继电器的原边导通，使得其副边使能而关断，iprly1节点输出端不再是有效信号。
37.图3(b)为ac/dc充电板交流输入受控方式的技术方案原理图，所述的电气节点iprly1由激活条件判断电路600提供；ac/dc充电板700输入端由受控开关k3连接至市电，在本实施例中，受控开关k3具体采用ry300继电器，只有当激活条件判断电路600输出有效信号时，信号开关管q302才会导通，将op-chrg.relay-l节点信号拉低，促使继电器ry300的线圈得以+12v供电，而后正常导通开始对锂电池组200激活充电。
38.图4(a)为ac/dc充电板的技术方案原理图，交流输入先经过保险丝再emi处理，而后整流，可按照充电功率的大小合理选择用不控整流或功率因数校正pfc电路；整流后开始dc/dc隔离变换(按功率大小可依次选择反激、正激、半桥、全桥等变换形式)，到副边再次整流得到稳定的直流输出。
39.图4(b)为ac/dc充电板的环路控制部分简要框图，采取电压外环、电流内环的双环控制结构方式，电流内环控制了输出电流，使得在一定电压范围内保持恒定；电压外环将使得输出最高电压维持在该指定电压；锂电池组200的自行激活过程主要在电流环，只有到达指定电压即门限值后才会进入电压环；本方案中使用了u401双运放且自带基准的集成芯片ap4310、u400光耦pc817b等器件，电压环和电流环均采用了pi调节器结构；vout+、is分别为采集的电压电流信号，电压环与电流环将通过二极管切换，当输出电压或电流满足对应条件时，相应的环路激活，其内部运放支路有效而进入实际控制；在激活充电的全过程中，ac/dc充电板700可通过锂电池包激活端口800对锂电池组100进行先恒流后恒压充电。
40.图5为锂电池包激活端口的技术方案原理图，所述的锂电池包激活端口800内置防反接肖特基二极管d500和保险丝f500，其中防反接二极管d500避免了因ac/dc充电板700的输出侧端子正负极接反而直接连接到锂电池包100上引起部件损坏，同时防止锂电池组200正负极误触短路；当人为地通过锂电池包激活端口800外接非匹配的充电器并引起充电电流过大时，其内置保险丝f500熔断，可避免锂电池组200损坏。
41.当储能电源有市电输入时，市电输入通过双向ac/dc变换及交流输出切换单元内部的交流输出受控开关和市电输入受控开关旁路输出交流电，同时，市电通过双向ac/dc变换及交流输出切换单元进行正向功率因数校正和隔离直流变换，通过电池软启动板对锂电池包进行先恒流后恒压充电；
42.在储能电源的市电接入断开和再接入的过程中，由激活条件判断电路600、ac/dc
充电板700、锂电池包激活端口800实现锂电池包100的自行激活，其具体步骤如下：
43.a：储能电源无市电接入时，锂电池包100的直流输出经电池软启动板400后，由双向ac/dc变换及交流输出切换单元500通过反向逆变方式产生交流输出，长时间运行以至于双向ac/dc变换及交流输出切换单元500的直流侧欠压保护，此时电池管理单元300和电池软启板400尚正常工作，如市电输入恢复及时，市电将仍然通过双向ac/dc变换及交流输出切换单元500旁路输出，同时正向变换对锂电池包100充电蓄能；
44.b：如市电长期未有效接入，以至于因逆变放电，锂电池包100欠压无输出，储能电源整机掉电不再工作，由于电池管理单元300也存在静态损耗，长此以往，锂电池组200发展成深度放电即馈电状态，此时电池管理单元300失效不工作；
45.c：市电输入再次恢复时，由于电池管理单元300的内置受控开关k1无效，无法通过双向ac/dc变换及交流输出切换单元500正向充电模式对锂电池包100充电；所述的激活条件判断电路600检测到锂电池包200实时电压后，与基准电压比较，当前的锂电池组200电压若小于门限值，则受控开关k3使能有效，ac/dc充电板700得到交流输入，进而通过锂电池包激活端口800对锂电池组800小电流激活充电；
46.d：至锂电池包100被激活后，市电输入通过双向ac/dc变换及交流输出切换单元500正向充电模式经过电池软启动板400对锂电池包100充电；更进一步的，当所述的激活条件判断电路600一旦检测到锂电池包200实时电压超出门限值，受控开关k3使能无效，ac/dc充电板700不再工作，锂电池组200将仅由市电通过储能电源主体中的双向ac/dc变换及交流输出切换单元500电源变换来储存电量直至充满。