具有自檢修功能的智能蓄電池組及其連接電路的製作方法

2023-05-21 07:19:46

專利名稱：具有自檢修功能的智能蓄電池組及其連接電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種蓄電池組，特別涉及一種具有自檢測、自診斷、自修復功能的智能蓄電池組及其連接電路。
背景技術：
目前蓄電池組在實際使用中往往出現失效問題，其表現一般為在蓄電池組的使用中，在蓄電池組劣化前期沒有及時發現落後蓄電池，致使蓄電池組劣化積累、加劇，導致蓄電池過早報廢。而有報導稱蓄電池組供電能力不足時，一般都是蓄電池組中的落後單節蓄電池造成的。
以通信部門下線的蓄電池組為例，在近年來的實際容量復原工作中發現，通常一組蓄電池只有廣2個失效電池。如果不能及時檢測出落後電池，為了保障通信電源的可靠性，就要整組更換蓄電池，這就不但增大了維護工作量，而且會造成大量蓄電池被誤報廢，但事實上現在許多單位就處於這種狀態。目前蓄電池的維護以日常的檢測和預測性維修為主，具體來說是對蓄電池組進行定期的核對性放電測試和容量測試，再根據測試的結果對蓄電池進行更換和維修處理。這些測試都需要檢測人員到場進行耗費大量人力物力。但近來人們已經注意到採用電池管理(BMS)技術對於蓄電池組應用的重要性。理想的BMS技術應具有以下功能
(I)SOC估測準確估測蓄電池組的荷電狀態S0C，即電池剩餘電量，保證SOC維持在合理的範圍內，防止由於過充電或過放電對電池的損傷，從而隨時預報儲能電池還剩餘多少能量或者儲能電池的荷電狀態。(2)動態監測在電池充放電過程中，實時採集蓄電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓，防止電池發生過充電或過放電現象。同時能夠及時給出電池狀況，挑選出有問題的電池，使剩餘電量估計模型的實現成為可能。(3)電池間的均衡即為單體電池均衡充電，使蓄電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態。但是，當前的大多數電池管理技術並不能很好的滿足實際應用的需求，原因在於其一，難以實現將每一個單體電池從蓄電池組電路中隔離出來單獨檢測；其二，當發現問題電池時，不能即時修復。參見圖I所示系關於最近發展出的一種新的電池管理技術，其工作原理大致為 蓄電池組的對外供電為V=K ε伏，ε是單體電池的電動勢，其中使用Ν>Κ個電池連接。
對於第i個電池，當開關Siil閉合同時Si,2打開時，電池i接入電路迴路；當開關Siil打開同時Si,2閉合時，電池i旁出電路迴路。當不失一般性，以N=K+1為例假設正常工作時第N個電池旁路，此時發現第i個電池出現故障(短路或電能即將耗盡)，則修復動作為將電池N接入，將電池i旁出。該技術可以實現即時修復，但是在實際修復動作中開關Siil和Si,2的操作必然會使整個蓄電池組迴路瞬間斷開然後閉合，這其中必然會產生瞬間衝擊電流，從而可能影響用電設備正常工作，甚至損壞用電設備。

發明內容
本發明旨在提供一種具有自檢修功能的智能蓄電池組及其連接電路，其能實現對蓄電池組中每個電池單元的單獨控制，並實現對蓄電池組的實時自動監測、自動故障診斷和自動故障平滑修復，從而克服了現有技術中的不足。為實現上述發明目的，本發明採用了如下技術方案
一種具有自檢修功能的智能蓄電池組連接電路，包括串聯設置的兩個以上電池單元，其中，一電池單元的一極依次經串聯設置的一第三開關和一第一開關與一檢測埠及備用電源的一極電連接，另一極經一第二開關與另一檢測埠及所述備用電源的另一極電連接。 作為較為優選的實施方案之一，該兩個以上電池單元中的第一個電池單元的一極經一第三開關與負載和/或充電電源的一端電連接，最後一個電池單兀的另一極與所述負載和/或充電電源的另一端電連接，而除該第一個電池單元的一極及最後一個電池單元的另一極之外，每一電池單元的一極均經一第三開關與位於該電池單元之前的另一個電池單元的另一極電連接。其中，當該蓄電池組連接電路與負載和充電電源同時連接時，系統工作在浮充狀態。作為較為優選的實施方案之一，所述第一開關、第二開關、第三開關均採用可控開關，所述可控開關至少選自場效應電晶體和繼電器中的任意一種。並且，所述場效應電晶體包括MOSFET場效應電晶體。所述繼電器至少選自固態繼電器、接觸式繼電器和光耦繼電器中的任意一種。作為較為優選的實施方案之一，所述蓄電池組連接電路還與至少用以控制所述第一開關、第二開關和第三開關的控制單元連接。亦即，控制單元可選定所有開關中的一個或多個，使其單獨、同步或按照設定次序閉合或斷開。作為較為優選的實施方案之一，設蓄電池組中所含電池單元為N個，N取大於或等於2的正整數，則所述蓄電池組連接電路至少具有如下工作模式中的任意一種
(O當切斷所述蓄電池組連接電路與備用電源的連接，並將所有第一開關和第二開關均打開，同時將所有第三開關均閉合，則蓄電池組處於正常工作狀態，並連接充電電源和/或負載實現正常充電或者放電；
(2)當切斷所述蓄電池組連接電路與備用電源的連接，並將除了與第i個電池單元配合的第一開關、第二開關和第三開關之外的所有第一開關、第二開關和第三開關全部打開，貝U，第i電池單元被隔離出來，並由檢測埠對該第i電池單元的運行狀態進行實時檢測，i為I N中的任一正整數；
(3)當所述負載和/或充電設備接入所述蓄電池組連接電路時，若第i電池單元出現故障，則
a.若第i電池單元發生短路首先打開與該第i電池單元配合的第三開關，將該第i電池單元旁路，然後閉合與該第i電池單元配合的第一開關和第二開關，接入備用電源修復故障，此時其餘第一開關和第二開關均打開；
b.若需要使第i電池單元停止工作首先閉合與該第i電池單元配合的第一開關和第二開關，使該第i電池單元與接入的備用電池並聯，然後打開與該第i電池單元配合的第三開關，將該第i電池單元旁路，此時故障被修復。進一步的，所述蓄電池組連接電路還具有如下工作模式
(4)備用電源的充電
當將所有第一開關和第二開關均打開，同時將所有第三開關均閉合，並將備用電源接入所述蓄電池組連接電路，閉合與第i電池單元配合的第一開關和第二開關，則備用電源與第i電池單元並聯充電；如此，實現了備用電源分時輪換與各電池單元並聯充電。一種具有自檢修功能的智能蓄電池組，包括如上所述的具有自檢修功能的智能蓄電池組連接電路。進一步的，所述具有自檢修功能的智能蓄電池組還包括 用於採集與蓄電池組中每一電池單元的工作狀態相關數據的監測與檢測單元；
控制單元，包括
至少用於調整蓄電池組連接電路中所有第一開關、第二開關和第三開關的工作狀態的開關驅動電路，以及，
與開關驅動電路及監測與檢測單元連接的控制模塊。所述控制模塊包括計算與控制處理單元，所述計算與控制處理單元還經通信與存儲單元與通信、告警設備連接。與現有技術相比，本發明優點至少在於
(1)在蓄電池組非工作狀態下，實現了對蓄電池組的每一電池單元實施隔離的自動檢測，並將檢測數據自動存儲或者遠程上報；
(2)在蓄電池組工作狀態下，實現了對每一電池單元工作狀態的實時監測、診斷，並能及時發現問題電池；
(3)對於發現的問題電池，可以自動修復，修復後可以告警，使蓄電池組仍然可以正常工作，避免了緊急搶修，節省人力物力。


圖I是現有的一種蓄電池組連接結構示意 圖2是本發明一較佳實施例中蓄電池組連接電路的結構示意 圖3是本發明一較佳實施例中具有自檢修功能的智能蓄電池組的結構框圖。
具體實施例方式以下結合一較佳實施例及附圖對本發明的技術方案作進一步的說明。如前所述，現有電池管理技術存在諸多不足，是以本案發明人提供了一種新型的蓄電池組連接電路，參閱圖2所示，作為該蓄電池組連接電路的一個典型實施例，其包括編號為I至i的多個電池單元(可以為單體電池或者多個單體電池的組合，以下均簡稱為「電池」)，i=l，2，…N，N為大於或等於2的正整數，其中每一電池的規格型號均相同，且其額定充電電壓為ε，則蓄電池組的額定充電電壓為Νε。而同時，該實施例中還包括一系列的開關Si,η，在本實施例中，η選自1、2或3，其可分別定義為第一開關、第二開關和第三開關。又及，該實施例中還包括至少一備用電源，其可以是一個與電池i電壓相同容量相同或不同的電池，也可以是一個專用的直流穩壓電源，輸出電壓與電池單元一致。進一步參閱圖2，該實施例的工作模式如下
I)當開關Siil和Si,2，全部打開，同時Si>3全部閉合，其中i=l，2，…N，蓄電池組處於正常工作狀態，連接充電電源或者負載(用電設備)就和普通蓄電池組一樣實現充電或者放電。2)當備用電源斷開，除Siil, Sij2 Sij3閉合之外，其餘開關全部打開，此時第i個電池被隔離出來，連接到監測單元進行檢測。此功能對於蓄電池組斷開用電設備(負載)後實施自動充放電檢測非常有效。當備用電源斷開，除Siil, Si,2和所有第三開關閉合之外，其餘開關全部打開，此時第i個電池連接到監測單元進行運行狀態實時檢測。3)在蓄電池組外接負載或充電設備時，系統對每一塊電池的電壓、電流和電量進 行監測，一旦發現某一塊電池出現故障，假設為第i塊電池，則
a.如果電池i由於擊穿等情況發生短路首先打開開關Si,3將電池i旁路；然後閉合Sia, Si,2，接入備用電池或電源修復故障，並告警。此狀況不可避免蓄電池組對外供電會有短暫中斷；
b.如果電池i為防止放電過渡需要停止工作，或者內阻過大繼續工作將導致整組電池失效首先閉合SijSii2，將電池i並聯備用電池，然後打開Si,3將電池i旁路，此時故障被修復並告警。在修復工程中蓄電池組對外供電不會中斷，並且最大程度上保證了輸出電壓和電流的穩定。4)備用電池的充電，可以通過以下兩種方式完成
a.開關Siil和Si,2，全部打開，同時Si>3全部閉合，其中i=l，2，"·Ν，；備用電池開關閉合；分時閉合開關Sia和Si,2，與電池i並聯充電；
b.為備用電池提供專門的充電電路與其它電池分別充電；
c.如果備用電源不是蓄電池則無需充電。進一步的，為便於對蓄電池組連接電路的各開關Si,n進行控制，各開關Si,n優選採用可控開關，包括但不僅限於MOSFET場效應電晶體，固態繼電器，接觸式繼電器、光耦繼電器等各種繼電器，並藉由一控制單元實現對這些可控開關的工作狀態進行自動控制。該控制單元可包括一開關驅動電路及一控制模塊，開關驅動電路系與各可控開關配合，並由控制模塊控制。顯然的，該控制模塊可採用業界慣用的計算機系統、單片機、PLC等設備，但不限於此。藉由前述蓄電池組連接電路的設計，至少可以產生如下積極效果
(O由於實現了對蓄電池組中每個電池單元的控制，在實現實時監測並做出自動故障診斷的情況下，能夠自動平滑修復故障，即修復動作儘可能避免了瞬間斷電，保證了蓄電池組輸出的電壓和電流平穩；
(2)能夠把蓄電池組中的任意一個電池單元從蓄電池組電路中隔離出來實施檢測，從而方便遠程或自動實施設備檢測並上報數據。作為該實施例的典型應用方案之一，參閱圖3所示系基於前述蓄電池組連接電路構建的具有自檢修功能的智能蓄電池組，其能實現自檢測、自診斷、自修復。進一步的講，該智能蓄電池組可包括蓄電池組連接電路、開關驅動電路、計算與控制處理單元以及監測與檢測單元。顯然的，前述蓄電池組連接電路是實現蓄電池組中單電池隔離檢測和實時修復的基礎，其中採用了一系列的可控開關，這些開關的通斷可由計算與控制處理單元決策和指令，並經由開關驅動電路實現。而對於蓄電池組中每個電池的工作狀態相關信息(例如電壓、電流、溫度等，)，其可以通過監測與檢測單元進行採集，並上報計算與控制處理單元處理，得出電池的狀態數據(如每個電池的容量和剩餘電量等)，進而由計算與控制處理單元進行決策及發出指令。進一步的，該智能蓄電池組中還可設置通信與存儲單元，藉以實現歷史數據的存儲和遠程的信息上報、告警，遠程控制交互等，其功能可以根據實際使用需要取捨。需要指出的是，以上說明及在圖紙上所示的實施例，不可解析為限定本發明的設 計思想。在本發明的技術領域裡持有相同知識者可以將本發明的技術性思想以多樣的形態改良變更，這樣的改良及變更應理解為屬於本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種具有自檢修功能的智能蓄電池組連接電路，包括串聯設置的兩個以上電池單元，其特徵在於，每一電池單元的一極依次經串聯設置的一第三開關和一第一開關與一檢測埠及所述備用電源的一極電連接，另一極經一第二開關與另一檢測埠及所述備用電源的另一極電連接。
2.根據權利要求I所述的具有自檢修功能的智能蓄電池組連接電路，其特徵在於，該兩個以上電池單元中的第一個電池單元的一極經一第三開關與負載和/或充電電源的一端電連接，最後一個電池單元的另一極與所述負載和/或充電電源的另一端電連接，而除該第一個電池單元的一極及最後一個電池單元的另一極之外，每一電池單元的一極均經一第三開關與位於該電池單元之前的另一個電池單元的另一極電連接。
3.根據權利要求I或2所述的具有自檢修功能的智能蓄電池組連接電路，其特徵在於，所述第一開關、第二開關、第三開關均採用可控開關，所述可控開關至少選自場效應電晶體和繼電器中的任意一種； 其中，所述場效應電晶體包括MOSFET場效應電晶體； 所述繼電器至少選自固態繼電器、接觸式繼電器和光耦繼電器中的任意一種。
4.根據權利要求3所述的具有自檢修功能的智能蓄電池組連接電路，其特徵在於，所述蓄電池組連接電路還與至少用以控制所述第一開關、第二開關和第三開關的控制單元連接。
5.根據權利要求3所述的具有自檢修功能的智能蓄電池組連接電路，其特徵在於，設蓄電池組中所含電池單元為N個，N取大於或等於2的正整數，則所述蓄電池組連接電路至少具有如下工作模式中的任意一種 (O當切斷所述蓄電池組連接電路與備用電源的連接，並將所有第一開關和第二開關均打開，同時將所有第三開關均閉合，則蓄電池組處於正常工作狀態，並連接充電電源和/或負載，實現正常充電或者放電； (2)當切斷所述蓄電池組連接電路與備用電源的連接，並將除了與第i個電池單元配合的第一開關、第二開關和第三開關之外的所有第一開關、第二開關和第三開關全部打開，貝U，第i電池單元被隔離出來，並由檢測埠對該第i電池單元進行運行狀態的實時檢測，i為I N中的任一正整數； (3)當所述負載和/或充電設備接入所述蓄電池組連接電路時，若第i電池單元出現故障，則 a.若第i電池單元發生短路首先打開與該第i電池單元配合的第三開關，將該第i電池單元旁路，然後閉合與該第i電池單元配合的第一開關和第二開關，接入備用電源修復故障，此時其餘第一開關和第二開關均打開； b.若需要使第i電池單元停止工作首先閉合與該第i電池單元配合的第一開關和第二開關，使該第i電池單元與接入的備用電池並聯，然後打開與該第i電池單元配合的第三開關，將該第i電池單元旁路，此時故障被修復。
6.根據權利要求5所述的具有自檢修功能的智能蓄電池組連接電路，其特徵在於，所述蓄電池組連接電路還具有如下工作模式 (4)備用電源的充電 將所有第一開關和第二開關均打開，同時將所有第三開關均閉合，並將備用電源接入所述蓄電池組連接電路，閉合與第i電池單元配合的第一開關和第二開關，則備用電源與第i電池單元並聯充電。
7.一種具有自檢修功能的智能蓄電池組，其特徵在於，它包括如權利要求1-6中任一項所述的具有自檢修功能的智能蓄電池組連接電路。
8.根據權利要求7所述的具有自檢修功能的智能蓄電池組，其特徵在於，它還包括 用於採集與蓄電池組中每一電池單元的工作狀態相關數據的監測與檢測單元； 控制單元，包括 至少用於調整蓄電池組連接電路中所有第一開關、第二開關和第三開關的工作狀態的開關驅動電路，以及， 與開關驅動電路及監測與檢測單元連接的控制模塊。
9.根據權利要求8所述的智能蓄電池組，其特徵在於，所述控制模塊包括計算與控制處理單元。
10.根據權利要求8所述的智能蓄電池組，其特徵在於，它還包括通信與存儲單元，所述計算與控制處理單元經通信與存儲單元與通信、告警設備連接。
全文摘要
本發明公開了一種具有自檢修功能的智能蓄電池組及其連接電路。該連接電路包括串聯設置的兩個以上電池單元，其中，每一電池單元的一極依次經串聯設置的一第三開關和一第一開關與一檢測埠及所述備用電源的一極電連接，另一極經一第二開關與另一檢測埠及所述備用電源的另一極電連接。進一步的，所述第一開關、第二開關、第三開關均採用可控開關，並可有一控制單元控制。該智能蓄電池組包括前述連接電路。本發明能實現對蓄電池組中每個電池單元的單獨控制，並實現對蓄電池組的實時自動監測、自動故障診斷和自動故障平滑修復，可有效延長蓄電池使用壽命，杜絕用電設備受損，且可節省人力物力。
文檔編號H02J7/00GK102969756SQ20121043883
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月6日 優先權日2012年11月6日
發明者何磊 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所