UPS用备源电池智能均衡控制装置及控制方法与流程

ups用备源电池智能均衡控制装置及控制方法
技术领域
1.本发明属于电池控制领域，涉及一种ups用备源电池的智能均衡控制装置和控制方法。


背景技术：

2.传统大型ups设备所配置的备源电池系统，通常会采用两组电压相同的电池单元协同工作，两组电池单元相对中点电压形成正负半周的连线配置模式。随着传统铅酸电池的逐步淘汰，锂电池成为替代产品。多数ups系统通常采用单台ups电源主机结构，由一台ups电源主机同时对两组电池单元进行充电，由于传统铅酸电池的特性，所以这种构造对于电池充电可以胜任，但是替换成锂电池后，单台ups电源主机结构往往会在工作一段时期后，正负半周的两组电池单元会出现电压一致性变化的情况，存在放电安全隐患以及影响电池组的整体寿命。
3.解决此问题的现有方式一般为：一、手动将电池单元从ups设备上离线，通过放电或使用独立ups电源主机的方式为高电压电池单元放电或为低电压电池单元充电，最终实现正负半周电池单元的电压平衡；二、增加一台ups电源主机，对正负半周电池单元分别独立充电。
4.方式一的维护施工操作较为复杂，对于操作人员的技术能力要求较高，需要具备专业操作资质，同时电池单元与ups设备离线后，ups设备处于裸奔状态，没有电池单元作为备源，一旦发生市电中断或ups设备故障等问题出现时，将导致用电设备的大面积掉电无法运行，可能造成用电设备的故障，同时造成大量损失。
5.方式二的改造成本较高，ups设备并不一定具备足够的改造空间可以容纳下第二台ups电源主机，另外线路改造后也会存在一定的安全隐患。同时增加一台ups电源主机后，ups设备的控制单元也需要对应进行升级，开发升级的成本也较高，且ups厂商对该类改造升级的技术支持未必能够满足。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本发明提供一种ups用备源电池智能均衡控制装置及控制方法，通过实时监控ups的运行状态和正负半周两组备源锂电池的充电情况以及锂电池的健康程度，动态的调整充放电控制逻辑，最终解决两组备源电池单元电压不平衡的情况，提高安全性能，减缓电池容量下降的速度，延长电池使用寿命。
7.一种ups用备源电池智能均衡控制装置包括均衡控制主机、can数据监控接口端子、正半周电池均衡接口端子、负半周电池均衡接口端子、电源主机接口端子；所述均衡控制主机由mcu主控制器、存储器、切换控制器、保护器组成；所述切换控制器由一组继电器开关组成；所述保护器由一组熔断器和二极管组成；所述存储器为外部存储器。
8.所述均衡控制主机通过can数据监控接口端子，与外部的ups主机、ups电源主机、备源电池单元bms进行数据通信连接；均衡控制主机负责完成本装置的全部数据采集、逻辑
判断、数据通信、设备连接、功能控制、系统保护等功能。
9.所述正半周电池均衡接口端子，与备源电池的正半周电池单元充放电接口和电池中线相连，由均衡控制主机控制，调整正半周电池单元进行充电或者放电。
10.所述负半周电池均衡接口端子，与备源电池的负半周电池单元充放电接口和电池中线相连，由均衡控制主机控制，调整负半周电池单元进行充电或者放电。
11.所述切换控制器先连接保护器，进而分别连接正半周电池均衡接口端子和负半周电池均衡接口端子；所述切换控制器受mcu主控制器控制，根据mcu的指令进行开合操作，实现对正半周电池单元和负半周电池单元的充放电控制。
12.所述电源主机接口端子外接ups电源主机，内接切换控制器，进而连接保护器、正负半周电池均衡接口端子，实现ups电源主机与正负半周电池单元的充放电接口和中线的连接，为备源电池充放电。
13.所述存储器用于存储运行日志，供维护人员调取查看。存储器采用大于16m的外部存储器，可保存至少一年的运行日志。
14.所述保护器在线缆接反出现反向电流时，或电池单元电压较低时出现的大电流过充时，熔断器熔断，保护均衡控制装置和电池；保护器用于防止出现由于人为的操作失误导致的线缆接反造成的反向电流对设备的损坏，或由于电池单元的电压较低时出现的大电流过充造成的电池损坏。熔断器发生熔断后，由人工进行更换后，重新启动设备即继续使用。
15.所述mcu主控制器通过数据采集、存储、判断，进而控制切换控制器、存储器、保护器，实现均衡控制。mcu主控制器可采用arm架构stm32f407芯片。
16.所述mcu主控制器设置均衡开启条件为：正负半周电池单元的电压差大于3v。
17.所述mcu主控制器设置均衡关闭条件为：正负半周电池单元的电压差小于1v。
18.所述mcu主控制器设置均衡保护条件为：数据通信中断关闭均衡；ups设备故障或者处于非标准运行供电状态关闭均衡；充放电电流大于3a时关闭均衡。
19.本装置可以根据实际需要，在上述设备的基础上增设指示灯、显示屏、蜂鸣器，指示灯指示均衡控制装置的均衡工作状态；显示屏显示均衡控制装置的运行数据；蜂鸣器在均衡控制装置故障时发出声音警示。
20.采用前述ups用备源电池智能均衡装置进行均衡控制方法，其均衡控制步骤为：所述mcu主控制器采集正负半周电池单元的实时电压，判断正负半周电池单元的电压均衡情况；当正负半周电池单元的实时电压差达到3v时，并且监测到ups设备处于标准运行状态，且数据通信正常时，开启均衡；mcu主控制器根据正负半周电池单元的电压值，通过驱动切换控制器开启充电均衡或者开启放电均衡，或者充电均衡和放电均衡同时开启；具体均衡策略为：当高电压的电池单元的电压超过标准充满电压，且低电压的电池单元的电压处于标准充满电压时，通过驱动切换控制器开启高电压的电池单元进行放电均衡；当高电压的电池单元的电压处于标准充满电压，且低电压的电池单元的电压低于标准充满电压时，通过驱动切换控制器开启低电压电池单元的充电均衡；当高电压的电池单元和低电压的电池单元的电压都偏离标准充满电压时，同时开启高电压电池单元的放电均衡和低电压电池单元的充电均衡；
均衡开启后，mcu主控制器持续监控正负半周电池单元的电压及充放电均衡情况，以及ups设备的运行状态、数据通信状态；当正负半周电池单元的电压差小于1v时，mcu主控制器通过驱动切换控制器关闭所有均衡，电池单元进入静置待机状态；当ups设备发生故障或处于非标准运行供电状态时立刻关闭均衡，当出现数据通信中断时立刻关闭均衡，当充电均衡或者放电均衡的电流大于3a时立刻关闭均衡；待故障消除或者ups设备恢复标准运行状态后，重启装置，mcu主控制器重新采集正负半周电池单元的电压数据，判断是否重新开启均衡。
21.本发明的智能均衡控制装置除了可以有效解决两组备源电池单元电压不平衡的问题，提高安全性能，还具有体积较小，容易安装在ups设备主机中的特点，同时本装置连线简单，无需改变原有ups设备整体结构，在保证系统运行稳定的前提下，可以大幅降低用户改造和使用成本。
附图说明
22.图1 均衡控制装置电路结构示意图；图2 均衡控制系统控制步骤示意图；附图标记：1、can数据监控接口端子；2、正半周电池均衡接口端子；3、负半周电池均衡接口端子；4、均衡控制主机；5、mcu主控制器；6、存储器；7、切换控制器；8、保护器；9、电源主机接口端子。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过附图说明和具体实施实例对本发明进行进一步详细说明。
24.图1-2所示的ups用备源电池智能均衡控制装置包括由mcu主控制器5、存储器6、切换控制器7、保护器8构成的均衡控制主机4，以及can数据监控接口端子1、正半周电池均衡接口端子2、负半周电池均衡接口端子3、电源主机接口端子9。所述存储器6为外部存储器，切换控制器7为一组继电器开关，保护器8由一组熔断器和二极管组成。
25.均衡控制主机4通过can数据监控接口端子1，与外部的ups主机、ups电源主机、备源电池单元bms进行数据通信连接，采集数据到mcu主控制器。mcu主控制器5对采集的数据进行存储和计算判断，根据预设的均衡条件和策略，发出开启或关闭均衡的指令，控制切换控制器7、存储器6、保护器8来完成均衡控制。均衡控制主机4中的 mcu主控制器采用arm架构stm32f407芯片。
26.正半周电池均衡接口端子2，与备源电池的正半周电池单元充放电接口和电池中线相连；负半周电池均衡接口端子3，与备源电池的负半周电池单元充放电接口和电池中线相连。
27.所述切换控制器7一方面通过电源主机接口端子9外接ups电源主机，另一方面连接保护器8，进而再分别连接正半周电池均衡接口端子2和负半周电池均衡接口端子3，并通过正负半周电池均衡接口端子实现与备源电池正负半周电池单元的连接，实现对正半周电池单元和负半周电池单元的充放电控制。
28.切换控制器7受mcu主控制器5控制，根据mcu的指令进行开合操作，开启或关闭均衡。可以只开启充电均衡或者只开启放电均衡，或者充电均衡和放电均衡同时开启；可以同时关闭所有均衡，也可以只关闭充电均衡或者只关闭放电均衡。均衡开启条件为：正负半周电池单元的电压差大于3v，均衡关闭条件为：正负半周电池单元的电压差小于1v。
29.所述存储器6用于存储运行日志，供维护人员调取查看。存储器6采用大于16m的外部存储器，可保存至少一年的运行日志。
30.所述保护器8设置在控制器7和正负半周电池均衡接口端子之间，对装置和备源电池实施保护。当出现人为失误将线缆接反，导致的出现反向电流时，或电池单元电压较低时出现的大电流过充时，熔断器熔断，均衡全部停止，从而保护均衡控制装置和电池不会受损。保护器发生熔断器熔断后，由人工进行更换后，重新启动设备再继续使用。
31.为了确保均衡控制安全运行，mcu主控制器5始终监测装置内外部的数据和运行状况，包括正负半周电池单元的电压、充放电均衡情况，以及ups设备的运行状态、数据通信状态；并且设置均衡保护条件为：当数据通信中断时关闭均衡；当ups设备故障或者处于非标准运行供电状态时关闭均衡；当充放电电流大于3a时关闭均衡。
32.采用前述ups用备源电池智能均衡装置进行均衡控制方法，其均衡控制步骤为：所述mcu主控制器采集正负半周电池单元的实时电压，判断正负半周电池单元的电压均衡情况；当正负半周电池单元的实时电压差达到3v时，并且监测到ups设备处于标准运行状态，且数据通信正常时，开启均衡；mcu主控制器根据正负半周电池单元的电压值，通过驱动切换控制器开启充电均衡、放电均衡，或者充电均衡和放电均衡同时开启；具体均衡策略为：当高电压的电池单元的电压超过标准充满电压，且低电压的电池单元的电压处于标准充满电压时，通过驱动切换控制器开启高电压的电池单元进行放电均衡；当高电压的电池单元的电压处于标准充满电压，且低电压的电池单元的电压低于标准充满电压时，通过驱动切换控制器开启低电压电池单元的充电均衡；当高电压的电池单元和低电压的电池单元的电压都偏离标准充满电压时，同时开启高电压电池单元的放电均衡和低电压电池单元的充电均衡；均衡开启后，mcu主控制器持续监控正负半周电池单元的电压、充放电均衡情况，以及ups设备的运行状态、数据通信状态；当正负半周电池单元的电压差小于1v时，mcu主控制器通过驱动切换控制器关闭所有均衡，电池单元进入静置待机状态；当ups设备发生故障或处于非标准运行供电状态时立刻关闭均衡，当出现数据通信中断时立刻关闭均衡，当充电均衡或者放电均衡的电流大于3a时立刻关闭均衡；待故障消除或者ups设备恢复标准运行状态后，再根据正负半周电池单元的电压均衡情况决定是否重新开启均衡。
33.此外，可以根据实际需要，在上述设备的基础上增设指示灯、显示屏、蜂鸣器，指示灯指示均衡控制装置的均衡工作状态；显示屏显示均衡控制装置的运行数据；蜂鸣器在均衡控制装置故障时发出声音警示。
34.最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽
管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。