一種通信基站中的磷酸鐵鋰電池組的在線監控維護充電開關裝置的製作方法

2023-12-04 21:06:11

專利名稱：一種通信基站中的磷酸鐵鋰電池組的在線監控維護充電開關裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電池充電保護裝置，特別是用於通信基站中的磷酸鐵鋰電池組的在線監控維護充電開關裝置。
背景技術：
目前，通信基站廣泛採用的鉛酸蓄電池組作為蓄能元件，正在被磷酸鐵鋰電池取代，磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池在使用上存在一定的差異，雖然單體磷酸鐵鋰電池壽命目前超過2000次，但因為磷酸鋰電池組充放電是按照單節電池電壓進行保護的，所以電池組的壽命就與單體電池的一致性密切相關。只有在電池性能高度一致時，使用壽命才能接近單體電池的水平。而在現有的技術條件下，生產出來的單體電池一致性很難保證這一點，因此需要採取有效的電池均衡技術以提高電池組的使用壽命。請參考圖2，原採用鉛酸電池作為後備電源的基站，市電有電時直流母線給電池充電，市電掉電後電池放電通過直流母線為負載提供直流電。直到電池組電壓低於44V欠壓時，斷開系統直流接觸器。對該鉛酸電池單節沒有保護，如果仍採用原有模式連接磷酸鐵鋰電池組，則容易造成磷酸鐵鋰電池單節電池損害嚴重。專利CN 201750183描述了 「一種通信基站用磷酸鐵鋰電池充電保護裝置」，該專利所提供的是一種電控的機械開關。但是該模式未能考慮單節磷酸鐵鋰電池的過欠壓情況，以及該電池組的均衡問題。同樣有可能造成磷酸鐵鋰電池單節電池損害。
發明內容本實用新型為要解決上述提出的容易造成磷酸鐵鋰電池單節電池損害嚴重的繁雜情況，而產生的技術問題，提出一種通信基站中的磷酸鐵鋰電池組的在線監控維護充電開關裝置，將磷酸鐵鋰電池組的均衡，該電池細的整體過欠壓，以及該電池組中的各單節電池的過欠壓情況，進行綜合分析處理，採用無損均衡技術和電子開關方式，解決了磷酸鐵鋰電池組在通信基站中的單節電池損害問題。本實用新型提供的技術方案是—種通信基站中的磷酸鐵鋰電池組的在線監控維護充電開關裝置，該系統包括磷酸鐵鋰電池組，通信基站負載，直流繼電器，所述系統還包括在線檢測均衡板、在線開關控制板和上級監控系統，所述在線檢測均衡板的檢測接口與磷酸鐵鋰電池組中的單體磷酸鐵鋰電池的正負極連接，可以對磷酸鐵鋰電池組中的各個單體磷酸鐵鋰電池進行電壓檢測， 並生成檢測數據包，在線檢測均衡板的數據傳送接口與所述的上級監控系統的數據接口連接，上級監控系統通過數據接口將上述檢測數據包讀入並進行分析，所述的在線開關控制板的電流輸出接口與所述的直流繼電器的輸入端連接，直流繼電器的輸出端經直流母線與所述的通信基站負載連接，在線開關控制板的電流輸入接口與磷酸鐵鋰電池組的正極連接，在線開關控制板的控制端與上級監控系統的控制接口連接，在線開關控制板在磷酸鐵鋰電池組與通信基站直流母線之間起到了控制連接通斷的作用；所述的在線檢測均衡板，用於實時檢測磷酸鐵鋰電池組的各個單體磷酸鐵鋰電池狀態並對其進行合理均衡，其在對各個單體磷酸鐵鋰電池，均衡的同時也對各個單體磷酸鐵鋰電池均衡結果，進行實時跟蹤並紀錄相關的電壓等數據，同時將檢測結果經數據傳送接口傳送到上級監控系統，上級監控系統根據在線檢測均衡板所述的檢測結果進行分析後，通過控制接口對在線開關控制板發送相應的系統開關信號。所述的在線檢測均衡板包括至少2對以上的檢測接口，每一對在線檢測接口與磷酸鐵鋰電池組中的一個單體磷酸鐵鋰電池的正負極連接，在線檢測均衡板實時將磷酸鐵鋰電池組中的各單體磷酸鐵鋰電池的檢測結果匯總後經數據傳送接口傳送到上級監控系統。所述的在線開關控制板包括N溝道MOSFET管組、軟體保護控制埠、硬體保護電路、光耦和電源，其中硬體保護電路中的電池分壓電路與磷酸鐵鋰電池組的正極和電源地連接，可以對磷酸鐵鋰電池組的電壓進行採樣，所述MOSFET管組的S極與磷酸鐵鋰電池組的正極連接，該MOSFET管組的D極與所述的直流繼電器通路連接，該MOSFET管組的G極與光耦的第3腳連接，光耦的第2腳與硬體保護電路連接，光耦的第1腳與軟體保護控制埠連接，光耦的第4腳與電源連接；所述的N溝道MOSFET管組連接在所述的磷酸鐵鋰電池組經直流母線與所述的通信基站負載之間，在此N溝道MOSFET管組起到開關的作用，其中，硬體保護電路貫通光耦的第2腳，起到磷酸鐵鋰電池組的過欠壓的保護作用，由上級監控系統發送到軟體保護控制埠的控制信號，貫通光耦的第1腳起到的是各個單體磷酸鐵鋰電池的過欠壓的保護作用，在磷酸鐵鋰電池組或任一單體磷酸鐵鋰電池出現過欠壓的情況都會使得光耦不導通， 從而N溝道MOSFET管組的G極不被高壓驅動，N溝道MOSFET管組不導通；由此磷酸鐵鋰電池組可以受到硬體及軟體的雙重保護，即第一級保護是由軟體控制實現，第二級是由硬體保護實現。所述的光耦為一可驅動MOSFET管的耐大電流的光耦，所述的N溝道MOSFET管組為至少兩隻以上的N溝道MOSFET管並聯而成，通過光耦電路可驅動多隻N溝道MOSFET管構成大電流直流電子開關。由於單只Mosfet管通過電流能力有限，故採用多隻Mosfet管並聯工作構成直流電子開關。同時利用Mosfet管的自體二極體形成自由放電通路，保證放電通路不受充電開關其關斷電流的影響，同時由於Mosfet管在並聯應用時有自動均流的工作特性，因此在並聯使用中無需採取均流措施，根據所用電池組的額定電壓和額定最大充/放電電流，通過對N溝道Mosfet管導通電阻的集合Σ Rds(qn) = 1/N*RDS((M)計算，可以得出選用N只的N溝道MOSFET管就可構成大電流直流電子開關。本實用新型所實現的功能如下本實用新型一種通信基站中的磷酸鐵鋰電池組的在線監控維護充電開關裝置，通過在線檢測均衡板對磷酸鐵鋰電池組中的所有單體磷酸鐵鋰電池實時在線均衡的同時，將檢測到的各單體磷酸鐵鋰電池的電壓等信息數據打包發送到上級監控系統上，當上級監控系統通過對該被打包的信息數據實時分析，判斷磷酸鐵鋰電池組中各單體磷酸鐵鋰電池是否有欠過壓情況，在線開關控制板中的硬體保護電路實時檢測磷酸鐵鋰電池組的整體欠過壓情況，當磷酸鐵鋰電池組或任一單體磷酸鐵鋰電池出現過欠壓的情況都會使得光耦不CN 導通，並控制N溝道MOSFET管組斷路，從而關閉電池電路，保證了磷酸鐵鋰電池組安全性和可靠性，從而提高了磷酸鐵鋰電池組的在線維護監控便利性。

圖1為本實用新型中在線監控維護充電開關裝置中N溝道MOSFET管組元件當市電有電給電池充電時的連接示意簡圖；圖2為原採用鉛酸電池作為後備電源的基站系統連接示意圖；圖3為本實用新型一種通信基站中的磷酸鐵鋰電池組的在線監控維護充電開關裝置連接示意圖；圖4為本實用新型中在線開關控制板連接示意圖；圖5為本實用新型中在線監控維護充電開關裝置中N溝道MOSFET管組元件當市電掉電電池放電給連接負載時的連接示意簡圖；圖6為本實用新型中在線監控維護充電開關裝置中N溝道MOSFET管組元件當有電池過壓時關斷充電示意具體實施方式
下面結合參考圖更詳細地解釋本實用新型。請參見圖3，一種通信基站中的磷酸鐵鋰電池組的在線監控維護充電開關裝置， 該裝置包括磷酸鐵鋰電池組G01)，通信基站負載003)，所述裝置還包括在線檢測均衡板 (100)、在線開關控制板(200)和上級監控系統(300)，所述在線檢測均衡板(100)的檢測接口與磷酸鐵鋰電池組G01)中的單體磷酸鐵鋰電池的正負極連接，為滿足通信基站直流 48V需求，通常選用15節單體磷酸鐵鋰電池串聯而成，在線檢測均衡板(100)可以對磷酸鐵鋰電池組G01)中的各個單體磷酸鐵鋰電池進行電壓檢測，並生成檢測數據包，在線檢測均衡板(100)的數據傳送接口與所述的上級監控系統(300)的數據接口連接，級監控系統(300)通過數據接口將上述檢測數據包讀入並進行分析，請參見圖4，所述的在線開關控制板O00)的電流輸入接口與磷酸鐵鋰電池組G01)的正極連接，在線開關控制板(200) 的電流輸出接口與所述的直流繼電器(J)的輸入端連接，在線開關控制板(200)的控制端與上級監控系統(300)的控制接口連接，直流繼電器(J)的輸出端經直流母線與所述的通信基站負載(403)連接，在線開關控制板(200)經直流母線在磷酸鐵鋰電池組G01)與通信基站負載(403)之間起到了控制連接通斷的作用，當市電有電時，市電經直流母線通過直流繼電器(J)再由在線開關控制板(200)上的N溝道MOSFET管組(V)導通給電池充電， 當市電掉電時，由在線開關控制板(200)上的N溝道MOSFET管組(V)導通對電池放電，經直流繼電器(J)經直流母線向通信基站負載(40 供電。直到電池組電壓低於44V欠壓時， 斷開系統直流接觸器。對磷酸鐵鋰電池組(401)進行保護；所述的在線檢測均衡板(100)，用於實時檢測磷酸鐵鋰電池組001)的各個單體磷酸鐵鋰電池狀態並對其進行合理均衡，其在對各個單體磷酸鐵鋰電池，均衡的同時也對各個單體磷酸鐵鋰電池均衡結果，進行實時跟蹤並紀錄相關的電壓等數據，同時將檢測結果經數據傳送接口傳送到上級監控系統(300)，上級監控系統(300)根據在線檢測均衡板 (100)所述的檢測結果進行分析後，通過控制接口對在線開關控制板(200)發送相應的系
5統開關信號。所述的在線檢測均衡板(100)至少2對以上的檢測接口，根據通常選用15節單體磷酸鐵鋰電池特例，採用大於15對的檢測接口，每一對在線檢測接口與磷酸鐵鋰電池組G01)中的一個單體磷酸鐵鋰電池的正負極連接，在線檢測均衡板(100)實時將磷酸鐵鋰電池組G01)中的各單體磷酸鐵鋰電池的檢測結果匯總後經數據傳送接口傳送到上級監控系統(300)，上級監控系統(300)可以根據上述檢測結果，及時發現磷酸鐵鋰電池組 (401)的變化狀態，以及各單體磷酸鐵鋰電池的電壓、溫度等狀態，為維護電池系統提供了第一手信息。請參見圖4，所述的在線開關控制板(200)包括N溝道MOSFET管組(V)、軟體保護控制O01)埠、硬體保護電路003)、光耦(202)和電源004)，其中硬體保護電路Q03) 中的電池分壓電路與磷酸鐵鋰電池組G01)的正極和電源地連接，可以對磷酸鐵鋰電池組 (401)的電壓進行採樣，所述MOSFET管組(V)的S極與磷酸鐵鋰電池組001)的正極連接， 該MOSFET管組(V)的D極與所述的直流繼電器(J)通路連接，該MOSFET管組(V)的G極與光耦Q02)的第3腳連接，光耦Q02)的第2腳與硬體保護電路(20 連接，光耦O02) 的第1腳與軟體保護控制(201)埠連接，光耦(202)的第4腳與電源(204)連接；所述的N溝道MOSFET管組(V)連接在所述的磷酸鐵鋰電池組(401)經直流母線與所述的通信基站負載(40 之間，在此N溝道MOSFET管組(V)起到開關的作用，其中， 硬體保護電路(203)貫通光耦Q02)的第2腳，起到磷酸鐵鋰電池組001)的過欠壓的保護作用，當磷酸鐵鋰電池組G01)電壓超過59V或電壓低於38V時，硬體保護電路(203)切斷貫通光耦O02)的第2腳的電流，從而光耦(202)不導通N溝道MOSFET管組(V)使得電子開關關閉，由上級監控系統(300)發送到軟體保護控制(201)埠的控制信號，貫通光耦 (202)的第1腳起到的是各個單體磷酸鐵鋰電池的過欠壓的保護作用，其中單節磷酸鐵鋰電池過壓保護為3. 85V，單節磷酸鐵鋰電池軟體欠壓保護為2. 6V，當上級監控系統(300)監測到任一單體磷酸鐵鋰電池出現過欠壓的情況時，發送到軟體保護控制O01)埠的控制信號，使得貫通光耦O02)的第1腳的電流切斷，從而光耦(202)不導通N溝道MOSFET管組(V)使得電子開關關閉，在磷酸鐵鋰電池組G01)或任一單體磷酸鐵鋰電池出現過欠壓的情況都會使得光耦(202)不導通，從而N溝道MOSFET管組(V)的G極不被高壓驅動，N溝道MOSFET管組(V)不導通，從而起到了保護磷酸鐵鋰電池組G01)的作用；由此磷酸鐵鋰電池組可以受到硬體及軟體的雙重保護，即第一級保護是由軟體控制實現，第二級是由硬體保護實現。請參見圖1，考慮到通信基站的供電特殊性。在市電正常時由市電向直流母線及通信基站負載(40 供電，如磷酸鐵鋰電池組G01)的電池電壓沒有過壓時，通過在線開關控制板(200)發出高信號，把在線開關控制板(200)的N溝道MOSFET管組(V)打開給磷酸鐵鋰電池組(401)充電，圖1中的箭頭表明市電，流向磷酸鐵鋰電池組001)。請參見圖5，在磷酸鐵鋰電池組(401)沒有充滿時，充電開關N溝道MOSFET管組 (V)處於打開狀態，電流可通過N溝道MOSFET管組(V)內部通道雙方向流動，如市電掉電， 此時由磷酸鐵鋰電池組(401)通過N溝道MOSFET管組(V)繼續為通信基站負載(403)提供電流。直至電池電壓下降至44V，欠壓保護動作斷開系統直流接觸器(J)，圖5中的箭頭表明磷酸鐵鋰電池組(401)直流電，流向通信基站負載003)。[0032]當磷酸鐵鋰電池組001)的電池充滿電時，在線開關控制板O00)發出低信號N 溝道MOSFET管組(V)關斷充電，開始做酸鐵鋰電池組G01)充滿的放電均衡，直到所有單體磷酸鐵鋰電池都充滿電。以保證每節電池容量一致。如在此期間發生市電掉電，由於基站設備電源不能間斷，直流母線會要求電池立即提供能量。請參見圖6，此時由於磷酸鐵鋰電池組001)處在電池電壓過高充電狀態，N溝道 MOSFET管組(V)還處於關斷狀態，會暫時由N溝道MOSFET管組(V)的內部二極體提供電流，以保證通信基站的連續工作。圖6中的箭頭表明磷酸鐵鋰電池組(401)直流電，通過二極體流向通信基站負載(40 ，由於二極體存在0. 7V壓降功耗會比較大不能長時間運行。請參見圖6中D和S之間二極體為N溝道MOSFET管組(V)內部寄生二極體，由於二極體的單向特性在N溝道MOSFET管組(V)關斷後電池電流還能經過N溝道MOSFET管組 (V)內部寄生二極體向外輸出。在市電掉電後，在線開關控制板(200)會很快檢測到電池放電，馬上發出高信號使充電開關N溝道MOSFET管組(V)處於打開狀態，如圖5箭頭所示，磷酸鐵鋰電池組(401)直流電，經N溝道MOSFET管組(V)流向通信基站負載(403)繼續為該負載供電。此時的N溝道MOSFET管組(V)在導通狀態，電流不再流經N溝道MOSFET管組 (V)內部寄生二極體，此時的功耗很小可長時間連續工作，從而實現採用N溝道MOSFET管組 (V)作為電子開關的作用。所述的光耦為一可驅動MOSFET管的耐大電流的光耦，該光耦選用為TLP250，其可提供最大1. 5A的電流流通，所述的N溝道MOSFET管組為至少兩隻以上的N溝道MOSFET 管並聯而成，N溝道MOSFET管可選擇IRF4310作為開關元件，通過光耦電路可驅動多隻 IRF43ION溝道MOSFET管構成大電流直流電子開關。由於單只Mosfet管通過電流能力有限，故採用多隻Mosfet管並聯工作構成直流電子開關。同時利用Mosfet管的自體二極體形成自由放電通路，保證放電通路不受充電開關其關斷電流的影響，同時由於Mosfet管在並聯應用時有自動均流的工作特性，因此在並聯使用中無需採取均流措施，通信基站所用電池組的額定電壓為48V，額定最大充、放電電流為200A，通過對IRF4310N溝道Mosfet管導通電阻的集合Σ RDS(0N) = 1/N · RDS_及各參數計算，可以得出選用20隻IRF4310N溝道MOSFET管就可構成通信基站所用電池組的大電流直流電子開關。以上僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改、變化和省略。例如，採用P溝道Mosfet管並聯的形式也可為實現本實用新型所闡述的目的，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種通信基站中的磷酸鐵鋰電池組的在線監控維護充電開關裝置，該裝置包括磷酸鐵鋰電池組G01)，通信基站負載003)，直流繼電器(J)，其特徵在於所述裝置還包括在線檢測均衡板(100)、在線開關控制板(200)和上級監控系統(300)，所述在線檢測均衡板 (100)的檢測接口與磷酸鐵鋰電池組G01)中的單體磷酸鐵鋰電池的正負極連接，在線檢測均衡板(100)的數據傳送接口與所述的上級監控系統(300)的數據接口連接，所述的在線開關控制板O00)的電流輸入接口與磷酸鐵鋰電池組G01)的正極連接，在線開關控制板O00)的電流輸出接口與所述的直流繼電器(J)的輸入端連接，直流繼電器(J)的輸出端經直流母線與所述的通信基站負載(40 連接，在線開關控制板O00)的控制端與上級監控系統(300)的控制接口連接；所述的在線檢測均衡板(100)，用於實時檢測磷酸鐵鋰電池組001)的各個單體電池狀態並對其進行合理均衡，同時將檢測結果經數據傳送接口傳送到上級監控系統(300)，上級監控系統(300)根據在線檢測均衡板(100)所述的檢測結果通過控制接口對在線開關控制板(200)發送相應的系統開關信號。
2.根據權利要求1所述的一種通信基站中的磷酸鐵鋰電池組的在線監控維護充電開關裝置，其特徵在於所述的在線檢測均衡板(100)包括至少2對以上的檢測接口，每一對在線檢測接口與磷酸鐵鋰電池組G01)中的一個單體磷酸鐵鋰電池的正負極連接，在線檢測均衡板(100)實時將磷酸鐵鋰電池組G01)中的各單體磷酸鐵鋰電池的檢測結果匯總後經數據傳送接口傳送到上級監控系統(300)。
3.根據權利要求1所述的一種通信基站中的磷酸鐵鋰電池組的在線監控維護充電開關裝置，其特徵在於所述的在線開關控制板(200)包括N溝道MOSFET管組(V)、軟體保護控制(201)埠、硬體保護電路003)、光耦(202)和電源004)，其中硬體保護電路Q03) 中的電池分壓電路與磷酸鐵鋰電池組G01)的正極和電源地連接，所述MOSFET管組(V)的 S極與磷酸鐵鋰電池組G01)的正極連接，該MOSFET管組(V)的D極與所述的直流繼電器(J)通路連接，該MOSFET管組(V)的G極與光耦Q02)的第3腳連接，光耦Q02)的第 2腳與硬體保護電路(20 連接，光耦O02)的第1腳與軟體保護控制(201)埠連接，光耦(202)的第4腳與電源(204)連接；所述的N溝道MOSFET管組(V)連接在所述的磷酸鐵鋰電池組G01)經直流母線與所述的通信基站負載(40 之間。
4.根據權利要求3所述一種通信基站中的磷酸鐵鋰電池組的在線監控維護充電開關裝置，其特徵在於所述的光耦(202)為一可驅動MOSFET管的耐大電流的光耦，所述的N溝道MOSFET管組(V)為至少兩隻以上的N溝道MOSFET管並聯而成。
專利摘要本實用新型一種通信基站中的磷酸鐵鋰電池組的在線監控維護充電開關裝置，該裝置包括磷酸鐵鋰電池組，通信基站負載，直流繼電器，所述裝置還包括在線檢測均衡板、在線開關控制板和上級監控系統。將磷酸鐵鋰電池組的均衡，該電池組的整體過欠壓，以及該電池組中的各單節電池的過欠壓情況，進行綜合分析處理，採用無損均衡技術和電子開關方式進行電池維護和充電控制。其中，採用了多隻N溝道MOSFET管構成大電流直流電子開關的技術，實現了當市電有電時，電流經直流母線通過直流繼電器和在線開關控制板給電池組充電，當市電掉電時電池組向通信基站負載供電的功能，同時在電池充滿電時切斷充電迴路，採用硬體及軟體的雙重保護方式，解決了磷酸鐵鋰電池組在通信基站中的單節電池損害問題。
文檔編號H02J7/00GK202260412SQ20112028226
公開日2012年5月30日 申請日期2011年8月5日 優先權日2011年8月5日
發明者楊家, 郭衡, 齊勝利 申請人:北京嘉捷恆信能源技術有限責任公司