基于單體電池智能化技術的電源管理系統(tǒng)設計和應用

張傳遠，薛 莉，王光磊，王丹丹，張國一

（北京國電通網(wǎng)絡技術有限公司，北京）

引言

蓄電池組作為電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中的直流系統(tǒng)向外供電的唯一設備，是實現(xiàn)電網(wǎng)平穩(wěn)運行的重要物理基礎[1-2]，因此蓄電池組自身的運行安全性、可靠性和穩(wěn)定性直接關系到電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的安全可靠性[3-5]。目前備用電池管理系統(tǒng)，水平參差不齊，存在單個裝置功能單一、整體系統(tǒng)設備繁瑣、接線復雜和缺乏有效的自動化遠程監(jiān)測管理工具的不足[6]。

本文提出了一種基于單體電池智能化技術的電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能通過基于唯一編碼技術、互斥互鎖技術及狀態(tài)反饋技術、電池矩陣網(wǎng)絡動態(tài)重構技術的單體管控模塊實現(xiàn)電池的狀態(tài)監(jiān)測、主動均衡、動態(tài)維護，又可以通過在線巡檢與運維云平臺軟件實現(xiàn)蓄電池在線信息展示及監(jiān)測、自動運維、遠程調度等功能，從而實現(xiàn)電池系統(tǒng)的智能化及網(wǎng)絡化管控。

1 單體電池智能化技術

單體電池智能化技術，通過連接在電池正負極端可監(jiān)測單體電池、可重構電池網(wǎng)絡的單體管控模塊，將傳統(tǒng)電池單體與柔性管控系統(tǒng)“智能化、一體化”，實現(xiàn)電池系統(tǒng)的智能化。

1.1 互斥互鎖技術及狀態(tài)反饋技術

單體管控模塊中的控制管理單元用于實現(xiàn)控制單節(jié)電池的投入和退出、通斷和隔離，分別對應設計了級聯(lián)開關和旁路開關兩個高通流能力電子式開關。

（1）互斥互鎖技術

由于在邏輯上單節(jié)電池只能處于投入狀態(tài)和退出狀態(tài)其中一種狀態(tài)，因此在硬件上設計級聯(lián)開關和旁路開關為互斥互鎖關系。級聯(lián)開關合同時旁路開關開，實現(xiàn)單節(jié)電池的投入，旁路開關合同時級聯(lián)開關開實現(xiàn)單節(jié)電池的退出。

如圖1 所示，級聯(lián)開關通道的輸入信號為SW_JL_IN，使能信號為SW_JL_EN，輸出信號為SW_JL_OUT，只有當使能SW_JL_EN 為高電平信號時，才能輸出SW_JL_OUT，旁路開關同理。

圖1 互斥互鎖技術原理

級聯(lián)開關通道的輸入SW_JL_IN 與旁路開關通道的使能SW_PL_EN 相互關聯(lián)，當控制級聯(lián)開關通道的輸入SW_JL_IN 時，旁路開關通道的使能SW_PL_EN為低電平，導致旁路開關通道被鎖住不工作，旁路開關同理。因此，對于級聯(lián)開關通道和旁路開關通道，當其中一個通道輸出工作時，另一個通道被鎖不工作，兩個通道同時只能有一個輸出工作，達到互斥互鎖的目的。

（2）狀態(tài)反饋技術

為保證開關的安全性和可靠性，在硬件上設計雙開關狀態(tài)反饋信號，確保級聯(lián)開關和旁路開關的開合狀態(tài)。

如圖2 所示，級聯(lián)開關通道從管控模塊MCU 輸出的控制信號為SW_JL_OUT，電平值為V2（一般為3.3V）。級聯(lián)開關的動作信號為SW_JL_CTRL，電平值為V1（12V 或者24V）。級聯(lián)開關的狀態(tài)反饋信號為SW_JL_STA，電平值為V2（一般為3.3V）。

圖2 狀態(tài)反饋技術原理

這三個信號的控制關系為：MCU 輸出的控制信號為SW_JL_OUT 能夠驅動級聯(lián)開關的動作信號SW_JL_CTRL，從而使級聯(lián)開關開合，級聯(lián)開關的動作信號SW_JL_CTRL 能夠產(chǎn)生一個級聯(lián)開關的狀態(tài)反饋信號SW_JL_STA，從而告知管控模塊MCU 級聯(lián)開關的實時狀態(tài)。通過兩級聯(lián)動操控，不僅達到了通過V1 電平值來動作開關的目的，而且還同時反饋了V2電平值的狀態(tài)信號，“一控一應”，確保了開關的安全性和可靠性。

1.2 電池矩陣網(wǎng)絡動態(tài)重構技術

單體管控模塊組成的電池動態(tài)重構開關矩陣是電池矩陣網(wǎng)絡動態(tài)重構技術的核心。利用電池矩陣網(wǎng)絡動態(tài)重構技術可以實現(xiàn)動態(tài)隔離故障單體電池、電池主動均衡、電池定期活化的功能。

以2*12 的2 并12 串的電池矩陣網(wǎng)絡為例說明，每個單體電池具有唯一性編號：A01～A12、B01～B12。單體管控模塊的級聯(lián)開關和旁路開關也一一對應編號。電池系統(tǒng)正常工作時，級聯(lián)開關全部閉合，旁路開關全部打開。當監(jiān)測到B02 單體電池出現(xiàn)故障時，打開B02_JL 級聯(lián)開關，同時閉合B02_PL 旁路開關，實現(xiàn)故障電池B02 單體電池的退出隔離，蓄電池組矩陣網(wǎng)絡重構如圖3，B02 單體電池被隔離，整個電池系統(tǒng)得到保護。

圖3 單體電池隔離時，矩陣網(wǎng)絡動態(tài)重構

當需要對B02 電池主動均衡時，閉合B02_JL 級聯(lián)開關，同時打開B02_PL 旁路開關，與B02 電池串聯(lián)的其余電池B01、B03～B12 的級聯(lián)開關打開，旁路開關閉合，與B02 電池并聯(lián)的電池系統(tǒng)的其余電池的級聯(lián)開關和旁路開關全部打開，這樣充電電壓和電流就單獨引入到B02 電池上去了，如圖4 中箭頭所示，整體能量補充到單體最低電池上去，達到對單體蓄電池的單獨補電的效果，實現(xiàn)整體蓄電池組的能量均衡，同時極大的縮短均衡時間。在均衡過程中，系統(tǒng)始終甄別電壓偏差最大的單體蓄電池進行操作，以此類推，最終達到整組蓄電池各單體的均衡。

圖4 單體電池均衡時，矩陣網(wǎng)絡動態(tài)重構

2 在線巡檢與運維云平臺軟件

2.1 總體架構

后臺系統(tǒng)客戶端采用移動互聯(lián)設計思想，將大數(shù)據(jù)、通信網(wǎng)絡、移動互聯(lián)、移動客戶等功能進行系統(tǒng)化設計，可通過電腦Web 瀏覽器直接瀏覽，呈現(xiàn)“大數(shù)據(jù)+移動互聯(lián)”為一體的新模式，劃分為展示層、業(yè)務邏輯層、系統(tǒng)支撐層、數(shù)據(jù)存儲層、接入層五部分。

2.2 軟件功能

（1）自動維護功能

自動巡檢各單體電池電壓，針對低于設定浮充電壓的電池進行階段性補充充電，并對過充電池進行單體放電以解除過充狀態(tài)，對已經(jīng)硫化的電池進行小電流脈沖除硫活化。

（2）異常告警功能

發(fā)現(xiàn)蓄電池組總電壓、單體電壓、環(huán)境溫度、電流等參數(shù)異常時，可及時發(fā)送隔離故障電池指令并且將電池故障信息及時傳遞至運維人員。

（3）放電監(jiān)測功能

可設定總電壓、單體電壓、放電容量、放電時間這四個放電終止條件，到達任意一個設定條件時，系統(tǒng)會終止電池組放電。

（4）數(shù)據(jù)分析功能

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，繪制總電壓、單體電壓、充放電電流曲線圖、電壓平衡度趨勢圖等，分析蓄電池組健康性能和放電能力，準確甄別落后電池。

3 系統(tǒng)應用

將電池管理系統(tǒng)部署于某電力公司齊村變電站等站。對變電站的DC 48V 蓄電池組安裝電池管理系統(tǒng)裝置設備，在通信機房安裝主站系統(tǒng)。通過主站系統(tǒng)實現(xiàn)對多個分站的綜合監(jiān)控、統(tǒng)一管理。

每個分站系統(tǒng)可同時監(jiān)測9 組蓄電池的實時運行工況，同時控制9 組蓄電池組的核對性放電，還可對數(shù)據(jù)進行存儲、觀察、處理、分析，為用戶提供電池系統(tǒng)運營的優(yōu)化策略，極大地提高了對蓄電池進行維護的工作效率，實現(xiàn)多所變電站蓄電池組的7*24 h遠程在線監(jiān)測、電池容量預測、電池劣化評估、預警異常蓄電池、對蓄電池的全生命周期的性能變化趨勢進行記錄等功能。時間段電壓走勢圖可縱向掌握蓄電池的性能變化趨勢，系統(tǒng)給出分析建議，對落后蓄電池及早進行針對性的維護或更換等策略。如圖5 顯示了單體電池日運行曲線。

圖5 單體電池日運行曲線

4 結論

通過給電池配置相應單體管控模塊實現(xiàn)電池單體層面的充放電智能化控制、監(jiān)測保護和電池均衡管理，配套的在線巡檢與運維云平臺軟件，將電池系統(tǒng)運行基本信息遠程傳輸?shù)皆贫诉\維監(jiān)控中心，構建基于互聯(lián)網(wǎng)的智能化通信備用電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)對試點應用中每座分布式基站儲能系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，實現(xiàn)了變電站通信鉛酸蓄電池狀態(tài)實時有效監(jiān)測，提高了直流電源系統(tǒng)的安全可靠性，顯著提升了直流電源系統(tǒng)的維護水平，為智能電網(wǎng)直流電源系統(tǒng)的智能化、高效化、無人化提供有力的技術和方案支撐。