CN102842937A

CN102842937A - 串联蓄电池组充放电控制系统及充放电优化方法

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Publication number: CN102842937A
Application number: CN2012103643704A
Authority: CN
Inventors: 张晓俊; 何建龙; 姜杏辉; 倪赛华; 陶智; 顾济华; 许宜申
Original assignee: SUZHOU XIYU PHOTOELECTRIC CO Ltd; Suzhou University
Current assignee: SUZHOU XIYU PHOTOELECTRIC CO Ltd; Suzhou University
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-09-27
Also published as: CN102842937B

Abstract

本发明揭露了一种串联蓄电池组充放电控制系统极其充放电优化方法，包括蓄电池组中央控制模块、并联开关组控制模块、蓄电池组分等级控制模块、分等级异步正负脉冲充电控制模块、蓄电池组均衡放电控制模块、参数检测器、单体电池有损检测控制模块，通过将串联蓄电池组划分等级，并按照等级分配每节单体电池的充放电方案，从而减小充放电过程中整个蓄电池组的性能不一致差异，同时采用脉冲充电方式以减少硫酸盐化现象的发生，使整个系统充放电达到最优化组合模式。

Description

串联蓄电池组充放电控制系统及充放电优化方法

技术领域

本发明涉及铅酸蓄电池充放电技术领域，尤其是解决串联蓄电池组充放电单体电池性能不一致性技术领域。

背景技术

目前，阀控式铅酸蓄电池(VRLA)由于密封性优良，能量密度大，价格低廉而广泛的用于工业储能设备中。在一些小型独立光伏发电系统，对于太阳能的使用效率和整个光伏系统稳定性而言，蓄电池储能系统的性能显得尤为重要。然而由于蓄电池本身的特点以及对于蓄电池充放电管理技术上的局限性，采用传统的充放电方法(诸如恒流，恒压等等)会产生一系列问题：

1.长期处于欠充，过充，过放状态，会导致蓄电池产生严重的硫酸盐化现象，析气率高，使蓄电池的容量降低，使用寿命大大减少。

2.蓄电池在充电过程中，由于内阻会发热，导致内部温度升高。如果不及时的对温度进行检测和控制，及时调整充放电的电参数，会大幅度的减少蓄电池的寿命。

3.在光伏发电系统中，由于蓄电池组是由多节蓄电池串并联而成，因此必须考虑单体电池的性能差异，优化充放电管理策略才能使整个系统发挥最优的组合效果。

随着蓄电池充放电技术的不断完善，为了减少串联蓄电池组发生硫酸盐化的概率以及整体充放电单体电池性能的不一致性差异，并实时进行温度电压的检测，使蓄电池有效充放电次数增加，提高整个系统的有效寿命，为此有必要提出一种用以串联蓄电池组的分等级异步正负脉冲充电及均衡放电控制装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种串联蓄电池组充放电控制系统及充放电优化方法，旨在减小充放电过程中整个蓄电池组的性能不一致差异，同时采用脉冲充电方式以减少硫酸盐化现象的发生，使整个系统充放电达到最优化组合模式。

根据本发明的目的提出的一种串联蓄电池组充放电控制系统，包括蓄电池组中央控制模块、并联开关组控制模块、蓄电池组分等级控制模块、分等级异步正负脉冲充电控制模块、蓄电池组均衡放电控制模块、参数检测器、单体电池有损检测控制模块，其中所述蓄电池组中央控制模块统筹控制整个系统的运行模式；所述并联开关组控制模块两端分别连接蓄电池组中央控制模块和蓄电池组分等级控制模块；所述蓄电池组分等级控制模块另外两个端口分别连接分等级异步正负脉冲充电控制模块和蓄电池组均衡放电控制模块；所述分等级异步正负脉冲充电控制模块和蓄电池组均衡放电控制模块的另一端口都连接到参数检测器和蓄电池组中央控制模块；所述单体电池有损检测控制模块两端分别连接参数检测器和蓄电池组中央控制模块。

优选的，所述并联开关组控制模块控制一并联开关组，所述并联开关组的构造为：在串联蓄电池组的每个单体电池上并联一个单刀单掷开关和一个储能电容。

优选的，所述参数检测器用以检测电池的电压和温度参数。

优选的，所述整个系统的运行模式包括：蓄电池性能分等级模式，异步正负脉冲充电模式，均衡放电模式，以及单体有损电池检测模式。

同时，根据本发明的目的提出的串联蓄电池组充放电方案优化方法，利用上述的串联蓄电池组充放电控制系统进行，包括如下步骤：启动蓄电池性能分等级模式，对所有单体电池划分等级；启动单体电池有损检测模式，将检测出损坏了的单体电池脱离；启动异步正负脉冲充电模式下，按照上述的电池等级划分，对处于不同等级下的电池分配不同的充电方案，同时保持单体电池有损检测模式，对充电过程中的电池状态进行实时检测，一旦有损坏电池出现，立即进行脱离排除；启动均衡放电模式，在对负载的放电过程中，对放电状态较差的电池实施补流，以减小各个单体电池放电的不一致性，同时保持单体电池有损检测模式，对放电过程中的电池状态进行实时检测，一旦有损坏电池出现，立即进行脱离排除。

优选的，所述蓄电池性能分等级模式包括步骤：第一步：通过蓄电池组中央控制模块和并联开关组控制模块将某一节单体电池的开关闭合，使该节单体电池和一参考电池以相同的放电率通过储能电容放电至蓄电池放电终止电压；第二步：以相同的充电率对单体电池和参考电池充电，记录充电过程中的电池端电压值以及达到充电终止电压的时间t；第三步：通过蓄电池组中央控制模块和并联开关组控制模块将该单体电池和参考电池以相同的放电率通过储能电容放电至蓄电池放电终止电压，记录放电过程中的端电压值u，静置一段相同的时间后，记录各个电池的实际容量q，最后依据设立在蓄电池组中央控制模块中的判断法则将串联蓄电池组中的所有单体电池按性能分成良好、一般和较差三个等级。

优选的，所述单体电池有损检测模式包括步骤：第一步：定时接收由参数检测器在线检测的电压和温度参数；第二步：采用有损单体电池判决准则：当定时时间内温度超过正常工作温度的100％时或者充放电达到终止电压后，浮充电压波动超出终止电压的25％时，则由蓄电池组中央控制模块操作进行单体电池的容量检测；第三步：当容量检测结果满足通用的蓄电池报废指标时，则认为该蓄电池为有损电池；第四步：蓄电池组中央控制模块将该有损电池脱离出整个蓄电池组。

优选的，所述异步正负脉冲充电模式具体为：由一外部的异步正负脉冲发生器充当充电源，将一个充电周期划分成三个充电阶段，分时交错给不同等级的电池充电，即状态较差的电池优先充电，状态一般的电池次之，状态良好的电池最后充电，以减少整个串联蓄电池组达到充电平衡时的时间差。

优选的，在分三个阶段充电的同时，根据参数检测器反馈的电压温度参数，适度调整充电电流大小和充电周期，防止出现过充现象的发生；或者在充电过程中加入放电脉冲即正负脉冲充电，防止硫酸盐化现象的发生。

优选的，所述均衡放电模式包括步骤：第一步：设定初始放电电流大小，放电终止电压和放电周期；第二步：定时接收由参数检测器的反馈参数；第三步：计算如果状态一般和较差的电池端电压与状态良好的端电压相比下降幅度较正常情况下出现较大偏差或者温度变化出现异常偏差时，首先判断是否单体电池符合有损电池标准，若是则由中央控制模块控制使之脱离整个系统，反之则采用电容储能对之进行补流。

附图说明

图1为本发明的串联蓄电池组充放电控制系统总体设计框图；

图2给出的是并联开关组控制模块的工作结构图；

图3给出的是蓄电池性能分等级模式的工作原理图；

图4给出的是充放电过程中单体电池有损检测模式的工作原理图；

图5给出的是异步正负脉冲充电模式的工作原理图；

图6给出的串联蓄电池组均衡放电模式的工作原理图。

具体实施方式

请参见图1，图1是本发明的串联蓄电池组充放电控制系统总体设计框图。如图所示，其组成包括蓄电池组中央控制模块10、并联开关组控制模块11、蓄电池组分等级控制模块12、分等级异步正负脉冲充电控制模块13、蓄电池组均衡放电控制模块14、参数检测器15、单体电池有损检测控制模块16。

蓄电池组中央控制模块10统筹控制整个系统的运行模式，这些运行模式包括：蓄电池性能分等级模式，异步正负脉冲充电模式，均衡放电模式，以及单体有损电池检测模式。并联开关组控制模块11两端分别连接蓄电池组中央控制模块10和蓄电池组分等级控制模块12；蓄电池组分等级控制模块12另外两个端口分别连接分等级异步正负脉冲充电控制模块13和蓄电池组均衡放电控制模块14；分等级异步正负脉冲充电控制模块13和蓄电池组均衡放电控制模块14的另一端口都连接到参数检测器15和蓄电池组中央控制模块10；单体电池有损检测控制模块16两端分别连接参数检测器15和蓄电池组中央控制模块10。

图2给出的是并联开关组控制模块的工作结构图，具体描述了如何控制开关的闭合产生不同的运行模式以及辅助其他运行模式。该并联开关组控制模块11用以控制一并联开关组110，该并联开关组110的构造为：在串联蓄电池组17的每个单体电池171上并联一个单刀单掷开关111和一个储能电容112，其中储能电容112的作用有两部分：第一是防止单刀单掷开关111闭合时单体电池171的短路；第二是储存单体电池171的能量。在串联电池组17处于正常运行时，整个并联开关组110是常开的。通过蓄电池组中央控制模块10控制系统的不同运行模式，进而并联开关组控制模块11控制并联开关组110的状态。

图3给出的是蓄电池性能分等级模式的工作原理图，具体描述了蓄电池组分等级控制模块12如何利用中央控制模块10和并联开关组控制模块11控制并联开关组110和一节全新的同型号蓄电池产生不同的温度和容量等性能参数，进而使用判决法则将串联蓄电池组划分成性能良好，一般，较差等级。并联开关组控制模块11定时控制并联开关组110单掷开关的闭合和一节全新的同型号的蓄电池的充放电，该节全新的同型号的蓄电池通过一储能电容实现能量的循环利用。该蓄电池组分等级控制模块12中设有一等级判断法则，该等级判断法则具体为双参数判定法则，这里的双参数分别为：充电终止时间差阈值T和放电终止静置电池容量差Q。具体判断时，利用一节全新的同型号的蓄电池作为参考电池，同时设置一标准蓄电池充放电终止电压。具体流程如下：第一步：通过蓄电池组中央控制模块10和并联开关组控制模块11将某一节单体电池171的开关111闭合，使该节单体电池171和参考电池以相同的放电率通过储能电容放电至蓄电池放电终止电压；第二步：以相同的充电率对单体电池171和参考电池充电，记录充电过程中的电池端电压值以及达到充电终止电压的时间t；第三步：通过蓄电池组中央控制模块10和并联开关组控制模块11将该单体电池171和参考电池以相同的放电率通过储能电容放电至蓄电池放电终止电压，记录放电过程中的端电压值u，静置一段相同的时间后，记录各个电池的实际容量q，最后依据如下的判断法则进行判断。

判断法则：|t₁-t_r|≤T&&|q₁-q_r|≤Q i＝1，2，3... 状态良好

|t_i-t_r|≤T || |q₁-q_r|≤Q i＝1，2，3... 状态一般

|t₁-t_r|≥T || |q₁-q_r|≥Q i＝1，2，3... 状态较差

其中，i代表第i个正在被检测的单体电池，r代表参考电池。

图4给出的是充放电过程中单体电池有损检测模式的工作原理图：具体描述了如何检测串联蓄电池组17中的有损单节电池，并使之脱离整个系统。蓄电池组中央控制模块10定时控制参数检测器15和并联开关组控制模块11检测每一节单体电池171的电压和温度参数，并定时将电压和温度参数反馈给单体电池有损检测控制模块16。具体流程如下：第一步：定时接收由参数检测器15在线检测的电压和温度参数；第二步：采用有损单体电池判决准则：当定时时间内温度超过正常工作温度的100％时或者充放电达到终止电压后，浮充电压波动超出终止电压的25％时，则由蓄电池组中央控制模块10操作进行单体电池171的容量检测；第三步：当容量检测结果满足通用的蓄电池报废指标时，则认为该蓄电池为有损电池；第四步：蓄电池组中央控制模块10将该有损电池脱离出整个蓄电池组17。这样能有效的保障整体性能的一致性和稳定性。

图5给出的是异步正负脉冲充电模式的工作原理图：具体描述了如何对已经划分好等级的串联蓄电池组17充电。由一外部的异步正负脉冲发生器充当充电源，将一个充电周期划分成三个充电阶段，分时交错给不同等级的电池充电，即状态较差的电池优先充电，状态一般的电池次之，状态良好的电池最后充电，以减少整个串联蓄电池组达到充电平衡时的时间差。同时可以根据参数检测器15反馈的电压温度参数，适度调整充电电流大小和充电周期，防止出现过充现象的发生。或者同时在充电过程中加入放电脉冲即正负脉冲充电，有利于防止硫酸盐化现象的发生。或者同时为了实现电能的循环利用在脉冲放电过程中用储能电容将电能收集以进行必要的充电补流。

图6给出的串联蓄电池组均衡放电模式的工作原理图：具体描述了如何在放电过程中减小串联的单体电池间的性能一致性差异，同时加入补流模块防止因单体电池过放而引起的整个蓄电池组性能的下降以及实现电能的循环利用。具体实施如下：第一步：设定初始放电电流大小，放电终止电压和放电周期；第二步：定时接收由参数检测器15的反馈参数；第三步：计算如果状态一般和较差的电池端电压与状态优良端电压相比下降幅度较正常情况下出现较大偏差或者温度变化出现异常偏差时，首先判断是否单体电池符合有损电池标准，若是则由中央控制模块10控制使之脱离整个系统，反之则采用电容储能对之进行补流，这样使电路中放电时各个单体电池的不一致性减小到最小，同时循环利用电能，达到资源的合理化配置。

该串联蓄电池组充放电控制系统对串联蓄电池组的充放电实施优化的方法如下：在蓄电池组等级划分模式下，由蓄电池组中央控制模块组合并联开关组控制模块控制并联在每一节单体电池上的开关闭合或断开，同时启动蓄电池组分等级控制模块对所有单体电池划分等级；在单体电池有损检测模式下，启动参数检测器和单体电池有损检测控制模块，将检测出损坏了的单体电池脱离；在异步正负脉冲充电模式下，由蓄电池组中央控制模块和分等级正负脉冲充电控制模块控制充电方案，按照上述的电池等级划分，对处于不同等级下的电池分配不同的充电方案，同时保持单体电池有损检测模式，对充电过程中的电池状态进行实时检测，一旦有损坏电池出现，立即进行脱离排除；在均衡放电模式下，由蓄电池组中央控制模块和蓄电池组均衡放电控制模块实施对负载的放电，对放电状态较差的电池实施补流，以减小各个单体电池放电的不一致性，同时保持单体电池有损检测模式，对放电过程中的电池状态进行实时检测，一旦有损坏电池出现，立即进行脱离排除；整个系统控制装置可以实现充放电过程中的一致性和稳定性。

由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的权利要求范围加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的权利要求的范围内。

Claims

1.一种串联蓄电池组充放电控制系统，用于优化一串联蓄电池组的充放电方案，该串联蓄电池组包括多节单体电池，其特征在于：包括蓄电池组中央控制模块、并联开关组控制模块、蓄电池组分等级控制模块、分等级异步正负脉冲充电控制模块、蓄电池组均衡放电控制模块、参数检测器、单体电池有损检测控制模块，其中所述蓄电池组中央控制模块统筹控制整个系统的运行模式；所述并联开关组控制模块两端分别连接蓄电池组中央控制模块和蓄电池组分等级控制模块；所述蓄电池组分等级控制模块另外两个端口分别连接分等级异步正负脉冲充电控制模块和蓄电池组均衡放电控制模块；所述分等级异步正负脉冲充电控制模块和蓄电池组均衡放电控制模块的另一端口都连接到参数检测器和蓄电池组中央控制模块；所述单体电池有损检测控制模块两端分别连接参数检测器和蓄电池组中央控制模块。

2.如权利要求1所述的串联电池组充放电控制系统，其特征在于：所述并联开关组控制模块控制一并联开关组，所述并联开关组的构造为：在串联蓄电池组的每个单体电池上并联一个单刀单掷开关和一个储能电容。

3.如权利要求1所述的串联电池组充放电控制系统，其特征在于：所述参数检测器用以检测电池的电压和温度参数。

4.如权利要求1所述的串联电池组充放电控制系统，其特征在于：所述整个系统的运行模式包括：蓄电池性能分等级模式，异步正负脉冲充电模式，均衡放电模式，以及单体有损电池检测模式。

5.一种使用如权利要求1至4任意一项所述的串联电池组充放电控制系统进行的串联蓄电池组充放电方案优化方法，其特征在于，包括如下步骤：启动蓄电池性能分等级模式，对所有单体电池划分等级；启动单体电池有损检测模式，将检测出损坏了的单体电池脱离；启动异步正负脉冲充电模式下，按照上述的电池等级划分，对处于不同等级下的电池分配不同的充电方案，同时保持单体电池有损检测模式，对充电过程中的电池状态进行实时检测，一旦有损坏电池出现，立即进行脱离排除；启动均衡放电模式，在对负载的放电过程中，对放电状态较差的电池实施补流，以减小各个单体电池放电的不一致性，同时保持单体电池有损检测模式，对放电过程中的电池状态进行实时检测，一旦有损坏电池出现，立即进行脱离排除。

6.如权利要求5所述的充放电方案优化方法，其特征在于：所述蓄电池性能分等级模式包括步骤：第一步：通过蓄电池组中央控制模块和并联开关组控制模块将某一节单体电池的开关闭合，使该节单体电池和一参考电池以相同的放电率通过储能电容放电至蓄电池放电终止电压；第二步：以相同的充电率对单体电池和参考电池充电，记录充电过程中的电池端电压值以及达到充电终止电压的时间t；第三步：通过蓄电池组中央控制模块和并联开关组控制模块将该单体电池和参考电池以相同的放电率通过储能电容放电至蓄电池放电终止电压，记录放电过程中的端电压值u，静置一段相同的时间后，记录各个电池的实际容量q，最后依据设立在蓄电池组中央控制模块中的判断法则将串联蓄电池组中的所有单体电池按性能分成良好、一般和较差三个等级。

7.如权利要求5所述的充放电方案优化方法，其特征在于：所述单体电池有损检测模式包括步骤：第一步：定时接收由参数检测器在线检测的电压和温度参数；第二步：采用有损单体电池判决准则：当定时时间内温度超过正常工作温度的100％时或者充放电达到终止电压后，浮充电压波动超出终止电压的25％时，则由蓄电池组中央控制模块操作进行单体电池的容量检测；第三步：当容量检测结果满足通用的蓄电池报废指标时，则认为该蓄电池为有损电池；第四步：蓄电池组中央控制模块将该有损电池脱离出整个蓄电池组。

8.如权利要求5所述的充放电方案优化方法，其特征在于：所述异步正负脉冲充电模式具体为：由一外部的异步正负脉冲发生器充当充电源，将一个充电周期划分成三个充电阶段，分时交错给不同等级的电池充电，即状态较差的电池优先充电，状态一般的电池次之，状态良好的电池最后充电，以减少整个串联蓄电池组达到充电平衡时的时间差。

9.如权利要求8所述的充放电方案优化方法，其特征在于：在分三个阶段充电的同时，根据参数检测器反馈的电压温度参数，适度调整充电电流大小和充电周期，防止出现过充现象的发生；或者在充电过程中加入放电脉冲即正负脉冲充电，防止硫酸盐化现象的发生。

10.如权利要求5所述的充放电方案优化方法，其特征在于：所述均衡放电模式包括步骤：第一步：设定初始放电电流大小，放电终止电压和放电周期；第二步：定时接收由参数检测器的反馈参数；第三步：计算如果状态一般和较差的电池端电压与状态良好的端电压相比下降幅度较正常情况下出现较大偏差或者温度变化出现异常偏差时，首先判断是否单体电池符合有损电池标准，若是则由中央控制模块控制使之脱离整个系统，反之则采用电容储能对之进行补流。