CN102810698B - 蓄电池组、蓄电池组充放电管理的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包含多个蓄电池单元的蓄电池组，其包含：多个初级蓄电池子组，每个所述初级蓄电池子组包含两个以上串联的蓄电池单元，其中当每个所述多个初级蓄电池子组的端电压不低于第一阈值电压时，该蓄电池组处于第一工作模式，此时所述初级蓄电池子组串联连接以对负载供电；以及其中当至少一个所述多个初级蓄电池子组的端电压低于所述第一阈值电压时，该蓄电池组处于第二工作模式，此时端电压低于第一阈值电压的初级蓄电池子组充电至该初级蓄电池子组的饱和电压。本发明还公开了一种蓄电池组充放电管理的方法和系统。

Description

蓄电池组、蓄电池组充放电管理的方法和系统

技术领域

本发明涉及移动通信电源技术领域，并且具体而言涉及一种蓄电池组、蓄电池组充放电管理的方法、以及蓄电池组充放电管理的系统。

背景技术

军用野战移动式多功能电源系统中直流输出中有24V、12-30V、36V、48V等一系列输出。由于军事应用中一些不断电设备耗能较大，因而普遍采用串联蓄电池组的模式避免过高的电流。然而，在传统的串联蓄电池组中，蓄电池组内的不同蓄电池单元存在个体差异，如果这种个体差异不被重视，就会造成蓄电池组使用效率降低，减少蓄电池的使用寿命。鉴于军用设备的应用环境的特殊要求，目前市场上还没有一种可以满足这些需求的蓄电池组、蓄电池组充放电管理的方法和系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种蓄电池组、蓄电池组充放电管理的方法、以及蓄电池组充放电管理的系统，从而减轻或解决前文所述的问题。

根据本发明的一个方面，一种包含多个蓄电池单元的蓄电池组，该蓄电池组可包含：多个初级蓄电池子组，每个所述初级蓄电池子组包含两个以上串联的蓄电池单元，其中当每个所述多个初级蓄电池子组的端电压不低于第一阈值电压时，该蓄电池组处于第一工作模式，此时所述初级蓄电池子组串联连接以对负载供电；以及其中当至少一个所述多个初级蓄电池子组的端电压低于所述第一阈值电压时，该蓄电池组处于第二工作模式，此时端电压低于第一阈值电压的初级蓄电池子组充电至该初级蓄电池子组的饱和电压。

优选地，两个以上所述初级蓄电池子组串联连接形成次级蓄电池子组。

优选地，在所述第一工作模式下，根据负载的电压和/或功率需求，由初级蓄电池子组或次级蓄电池子组对负载直流供电。

优选地，在所述第二工作模式下，在初级蓄电池子组充电至所述初级蓄电池子组的饱和电压之后，将次级蓄电池子组充电至所述次级蓄电池子组的饱和电压。

优选地，所述初级蓄电池子组和次级蓄电池子组分别由与其标称电压相对应的充放电模块来充电。

优选地，在所述第二工作模式下，端电压低于第一阈值电压的初级蓄电池子组可以以第一充电速率充电至第二阈值电压，接着可以以第二充电速率充电至该初级蓄电池子组的饱和电压。

优选地，在所述第二工作模式下，所述第一充电速率可为C/15-C/10，以及所述第二充电速率可以为2C-10C。

优选地，所述第一阈值电压可以为标称电压的60-90%，所述第二阈值电压可以为标称电压的85-95%，以及所述饱和电压可以比标称电压高5-25%。

优选地，所述蓄电池单元的数目可以为24，以及每个所述初级蓄电池子组可包含2、4、6、8或12个蓄电池单元。

优选地，所述蓄电池单元可以为酸性蓄电池，例如铅酸蓄电池等。可选地，所述蓄电池单元可以为碱性蓄电池，例如铁镍蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锌银蓄电池、镉银蓄电池、锌镍蓄电池等。

根据本发明的另一方面，提出了一种对包含多个蓄电池单元的蓄电池组充放电管理的方法，该蓄电池组包含多个初级蓄电池子组，每个所述初级蓄电池子组包含两个以上串联的蓄电池单元，所述方法可包含：当每个所述多个初级蓄电池子组的端电压不低于第一阈值电压时，使所述蓄电池组处于第一工作模式，此时将所述初级蓄电池子组串联连接用于对负载供电；以及当至少一个所述多个初级蓄电池子组的端电压低于所述第一阈值电压时，使所述蓄电池组处于第二工作模式，此时将端电压低于第一阈值电压的初级蓄电池子组进行充电至该初级蓄电池子组的饱和电压。

根据本发明的又一方面，提出了一种对包含多个蓄电池单元的蓄电池组充放电管理的系统，该蓄电池组包含多个初级蓄电池子组，每个所述初级蓄电池子组包含两个以上串联的蓄电池单元，所述系统包含可操作以执行下述步骤的充放电控制器：当每个所述多个初级蓄电池子组的端电压不低于第一阈值电压时，使所述蓄电池组处于第一工作模式，此时将所述初级蓄电池子组串联连接用于对负载供电；以及当至少一个所述多个初级蓄电池子组的端电压低于所述第一阈值电压时，使所述蓄电池组处于第二工作模式，此时将端电压低于第一阈值电压的初级蓄电池子组进行充电至该初级蓄电池子组的饱和电压。

此处所使用的术语“均衡充电”是指为确保蓄电池组中的所有单体蓄电池完全充电的一种延续充电。

此处所使用的术语“标称电压”是指用来鉴别蓄电池类型的适当的电压近似值。

此处所使用的术语“饱和电压”是指蓄电池允许的最高电压。

此处所使用的术语“充电速率”是指用来表示电池充电时电流的大小数值。在本申请中，充电速率是以蓄电池额定容量（C）为单位的。例如，10C的充电速率表示需要0.1小时将蓄电池充电至其额定容量。

此处所使用的术语“涓流充电”是指为补偿自放电，使蓄电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电。

此处所使用的术语“急充电”是指以高充电速率短时间的一种部分充电。

附图说明

在下文中，结合附图参照实施例通过实例的方式对本发明进行详细的解释说明，在附图中：

图1为本发明实施例的蓄电池组充放电管理系统的结构框图；以及

图2为本发明实施例的充放电管理方法的流程图。

具体实施方式

参考图1，该图示出了本发明实施例的蓄电池组充放电电路系统的结构框图。本发明的蓄电池充放电电路系统10包含电源100、充放电模块200、蓄电池组300、负载400和充放电控制器500。电源100用于对蓄电池组300进行充电。

注意，根据本发明的蓄电池组充放电电路系统10还可包含本领域技术人员所知晓的其它功能部件。例如，可选地，该蓄电池组充放电电路系统10还可包含电流电压采样电路，其用于采集蓄电池组和负载的电流和/或电压，并将所述电流和/或电压作为控制信号提供给充放电控制器500。

此外，可选地，该蓄电池组充放电电路系统10还可包含温度检测电路，其用于检测蓄电池组中蓄电池单元的温度以及蓄电池组的环境的温度，并将所检测的温度提供给充放电控制器500。当所检测的温度过低或过高时，均不能够对蓄电池组进行充电，否则将损伤蓄电池。适宜的充电温度范围在0℃～50℃之间，优选地在2.5℃～40℃之间。

为了避免不必要地模糊对本发明的描述，此处对这些功能部件不进行详细描述。

本发明的蓄电池组可包含不同数目的蓄电池单元。在示例性实施例中，蓄电池组300可包含24个蓄电池单元。

蓄电池组300包含初级蓄电池子组300(1)，300(2)，…300(n)，各个初级蓄电池子组用于对负载400直接直流供电。每个初级蓄电池子组300(1)，300(2)，…300(n)可包含两个以上串联的蓄电池单元。

每个初级蓄电池子组可包含相同数量的蓄电池单元或者不同数量的蓄电池单元。例如，每个初级蓄电池子组可包含2、3、4、6、8或12个蓄电池单元。在示例性实施例中，每个初级蓄电池子组可分别包含例如6个蓄电池单元。因此，本发明的蓄电池组容易进行规模扩充，易于实现模块化系统集成。

在示例性实施例中，蓄电池单元是标称电压为2V的铅酸蓄电池。每个初级蓄电池子组300(1)，300(2)，…300(n)包含6个这样的铅酸蓄电池。即，每个初级蓄电池子组提供12V的标称电压。

n是大于或等于2的正整数，其与蓄电池组包含的蓄电池单元的数目和每个初级蓄电池子组包含的蓄电池单元的数目有关。对于蓄电池组包含24个蓄电池单元的情形，当每个初级蓄电池子组包含例如4个蓄电池单元时，n等于6。在示例性实施例中，当每个初级蓄电池子组分别包含例如6个蓄电池单元时，n等于4，即存在4个初级蓄电池子组300(1)，300(2)，300(3)和300(4)。

在示例性实施例中，初级蓄电池子组300(1)，300(2)，…300(4)之间可通过双向直流接触器和二次均压线进行连接。此外，每个所述初级蓄电池子组可进一步串联连接以形成次级蓄电池子组。

针对由于军事应用中一些不断电设备耗能较大，本发明通过双向直流接触器和一/二次均压线将蓄电池单元灵活地串并联接，从而实现不同电压下不同电压蓄电池组的大电流输出问题。

充放电模块200用于对初级蓄电池子组300(1)，300(2)，…300(n)充电，并且包含充放电子模块200(1)，200(2)，…200(m)。每个充放电子模块的充电电压不同。当每个初级蓄电池子组分别包含6个蓄电池单元时，所述初级蓄电池子组可提供12V的标称电压且次级蓄电池子组可提供24V、36V和48V的标称电压。相应地，所述充放电模块200可包含12V、24V、36V、48V双向DC-DC整流充放电模块，即，4个（m＝4）充放电子模块，从而用于对相应标称电压的所述初级和次级蓄电池子组进行充电。

在传统的串联蓄电池组中，蓄电池组内的不同蓄电池单元存在个体差异，如果这种个体差异不被重视，就会造成蓄电池组使用效率降低，减少蓄电池的使用寿命。具体而言，每个蓄电池单元由于蓄电池的质量不相同，容量小、质量差的蓄电池端电压在充入相同电量后会出现电压增长比另一个蓄电池多的情况，如果不采取措施，它们的电压差将会增大，以至其中一个蓄电池很快达到规定的安全电压，充电过程也将被迫停止。此时应该停充电压高的蓄电池，即停止均衡充电。这样有利于恢复蓄电池内受损的蓄电池单元，使充电过程能顺利地进行。根据本发明的充放电管理的方法，可以解决这些技术问题。

下面结合图2详细描述根据本发明的充放电管理的方法。

在第一步骤中，将蓄电池单元串联连接形成初级/次级蓄电池子组。将24个蓄电池单元分成4个初级蓄电池子组，每个初级蓄电池子组包含6个蓄电池单元且因此提供12V的标称电压。此外，将所述初级蓄电池子组串联连接，从而得到分别提供24V、36V和48V的标称电压的次级蓄电池子组。

在第二步骤中，通过电流电压采样电路来检测初级蓄电池子组300(1)，300(2)，…300(n)的端电压。将检测的端电压同理论值比较，判断蓄电池的类别以及是否连接正确。接着检测各个初级蓄电池子组的端电压，若初级蓄电池子组的端电压不低于所述初级蓄电池子组的标称电压的60-90%，例如不低于9.5V，则12V双向DC-DC整流充放电模块不工作。

若初级蓄电池子组的端电压大于5V而小于9.5V，则说明蓄电池曾经过度放电，对于端电压在此范围内的初级蓄电池子组，12V双向DC-DC整流充放电模块启动。为了避免对蓄电池充电电流过大，造成热失控，通过监测初级蓄电池子组的端电压，单独对该初级蓄电池子组实行稳定的涓流充电，从而激活蓄电池。在涓流充电时，可以使用例如C/15-C/10的充电速率，优选地该涓流充电的充电速率为C/12。在该涓流充电阶段，初级蓄电池子组的端电压开始上升。

在第三步骤中，当该初级蓄电池子组端电压上升到能接受急充电充电的阈值时，停止对该初级蓄电池子组的单独充电。在示例性实施例中，该阈值例如为初级蓄电池子组的标称电压的85-95%，优选地为11V。对于端电压不在初级蓄电池子组的标称电压的85-95%范围内的初级蓄电池子组，系统自动启动12V双向DC-DC整流充放电模块并调整一/二次均压线和双向直接触器，从而将相应初级蓄电池子组进行分布循环式充电，使得各个初级蓄电池子组的端电压上升到能接受急充电充电的阈值。

在第四步骤中，当初级蓄电池子组的端电压达到能接受急充电充电的阈值时，例如达到11V时，将该初级蓄电池子组急充电至该初级蓄电池子组的饱和电压。可选地，在所有4个初级蓄电池子组的端电压都达到能接受急充电充电的阈值时，进行上述急充电。可替换地，可以在各个初级蓄电池子组的端电压达到能接受急充电充电的阈值时，立即进行上述急充电。

在示例性实施例中，所述急充电的充电速率为2C-10C，优选地为5C。所述饱和电压比该初级蓄电池子组的标称电压高5-25%，优选地为13V。

在上述急充电时，必须不断检测以下关键技术指标：电路是否出现断路、电池是否出现不均衡现象、电池是否达到规定的安全电压、电池是否温度过高、电池是否满足-△V或△T/△t条件。然而，这些技术指标及其监测方法为本领域技术人员所熟知，因此在此不进行详细描述。

在第五步骤中，当标称电压为12V的所述初级蓄电池子组都被充电到其饱和电压时，24V双向DC-DC整流充放电模块启动，从而对标称电压为24V的次级蓄电池子组进行充电。

按照与标称电压为12V的初级蓄电池子组相似的方式，判断该次级蓄电池子组是否曾过度放电，并且在曾过度放电的情况下将该次级蓄电池子组涓流充电到能接受急充电的阈值电压，接着将该次级蓄电池子组急充电到饱和电压。与前述步骤类似，涓流充电的充电速率可以为C/15-C/10，优选地为C/12；急充电的充电速率可以为2C-10C，优选地为5C；能接受急充电的阈值电压例如为次级蓄电池子组的标称电压的85-95%，优选地为22V；以及该饱和电压比该次级蓄电池子组的标称电压高5-25%，优选地为26V。

在第六步骤中，当标称电压为24V的所述次级蓄电池子组都被充电到其饱和电压时，36V双向DC-DC整流充放电模块启动，从而对标称电压为36V的次级蓄电池子组进行充电。

按照与标称电压为12V、24V的初级/次级蓄电池子组相似的方式，判断该次级蓄电池子组是否曾过度放电，并且在曾过度放电的情况下将该次级蓄电池子组涓流充电到能接受急充电的阈值电压，接着将该次级蓄电池子组急充电到饱和电压。与前述步骤类似，涓流充电的充电速率可以为C/15-C/10，优选地为C/12；急充电的充电速率可以为2C-10C，优选地为5C；能接受急充电的阈值电压例如为次级蓄电池子组的标称电压的85-95%，优选地为33V；以及该饱和电压比该次级蓄电池子组的标称电压高5-25%，优选地为36.7V。

在第七步骤中，当标称电压为36V的所述次级蓄电池子组都被充电到其饱和电压时，48V双向DC-DC整流充放电模块启动，从而对标称电压为48V的次级蓄电池子组进行充电。

按照与标称电压为12V、24V的初级/次级蓄电池子组相似的方式，判断该次级蓄电池子组是否曾过度放电，并且在曾过度放电的情况下将该次级蓄电池子组涓流充电到能接受急充电的阈值电压，接着将该次级蓄电池子组急充电到饱和电压。与前述步骤类似，涓流充电的充电速率可以为C/15-C/10，优选地为C/12；急充电的充电速率可以为2C-10C，优选地为5C；能接受急充电的阈值电压例如为次级蓄电池子组的标称电压的85-95%，优选地为44V；以及该饱和电压比该次级蓄电池子组的标称电压高5-25%，优选地为56.4V。

至此，蓄电池组300的整个充电过程结束。

根据上述优选实施例，本发明按照12V初级蓄电池子组、24V次级蓄电池子组、36V次级蓄电池子组和48V次级蓄电池子组逐级分步充电，从而解决了单体蓄电池充电不足的问题，防止部分蓄电池单元过充电，而部分蓄电池单元充电不足，进而实现了蓄电池组整体均衡性一致。

在放电时，根据负载400的实时的电压和/或功率需求，充放电控制器500动态地匹配充放电的蓄电池容量（蓄电池个数），也就是动态地变换本发明的充放电电路系统的结构，选择相应的初级蓄电池子组或次级蓄电池子组对负载400直接直流供电，从而实现最佳放电。

根据本发明的蓄电池组在设计时充分考虑了串联蓄电池组充放电时的平衡效应，可以很好地应用于串联蓄电池组的充放电控制，能够提高串联蓄电池组的工作效率、延长其使用寿命；同时还考虑到该蓄电池组主要配合军用不断电设备使用，在其设计时也充分考虑了军事应用环境的复杂性和特殊性，因而本发明的蓄电池组在军民两用方面具有广泛的应用前景。

本发明的实施例还公开了一种对蓄电池组充放电管理的系统，所述系统包含可操作以执行上述充放电管理的方法步骤的充放电控制器。所述充放电管理的方法步骤及其技术效果已经在上述实施例中予以详细描述，在此不再赘述。

此处公开了本发明的详细实施例，但是应当理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例性实施例，且可以按照多种形式来具体实现本发明。因此，此处公开的具体结构和功能细节不应解读为对本发明进行限制。因此，在所附权利要求书的范围内进行诸多调整或改进都是可能，且所述调整或改进落在由所附权利要求书限定的本发明的范围内。

Claims (19)

1.一种包含多个蓄电池单元的蓄电池组，包含：多个初级蓄电池子组，每个所述初级蓄电池子组包含两个以上串联的蓄电池单元，

其中当每个所述多个初级蓄电池子组的端电压不低于第一阈值电压时，该蓄电池组处于第一工作模式，此时所述初级蓄电池子组对负载供电；以及

其中当至少一个所述多个初级蓄电池子组的端电压低于所述第一阈值电压时，该蓄电池组处于第二工作模式，此时端电压低于第一阈值电压的初级蓄电池子组充电至该初级蓄电池子组的饱和电压，

其中在所述第一工作模式下，根据负载的电压和/或功率需求，由初级蓄电池子组或次级蓄电池子组对负载直流供电，

其中在所述第二工作模式下，在初级蓄电池子组充电至所述初级蓄电池子组的饱和电压之后，将次级蓄电池子组充电至所述次级蓄电池子组的饱和电压，以及

其中所述第一阈值电压为标称电压的60-90%，所述饱和电压比标称电压高5-25%。

2.如权利要求1所述的蓄电池组，其中两个以上所述初级蓄电池子组串联连接形成次级蓄电池子组。

3.如权利要求1所述的蓄电池组，其中所述初级蓄电池子组和次级蓄电池子组分别由与其标称电压相对应的充放电模块来充电。

4.如权利要求1所述的蓄电池组，其中在所述第二工作模式下，端电压低于第一阈值电压的初级蓄电池子组以第一充电速率充电至第二阈值电压，接着以第二充电速率充电至该初级蓄电池子组的饱和电压。

5.如权利要求4所述的蓄电池组，其中在所述第二工作模式下，所述第一充电速率为C/15-C/10，以及所述第二充电速率为2C-10C。

6.如权利要求4所述的蓄电池组，其中所述第二阈值电压为标称电压的85-95%。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的蓄电池组，其中所述蓄电池单元的数目为24，以及其中每个所述初级蓄电池子组包含2、3、4、6、8或12个蓄电池单元。

8.如权利要求3所述的蓄电池组，其中每个所述初级蓄电池子组包含6个蓄电池单元，以及其中所述充放电模块包含12V、24V、36V、48V四个充放电子模块。

9.如权利要求1-6中任意一项所述的蓄电池组，其中所述蓄电池单元为铅酸蓄电池。

10.一种对包含多个蓄电池单元的蓄电池组充放电管理的方法，该蓄电池组包含多个初级蓄电池子组，每个所述初级蓄电池子组包含两个以上串联的蓄电池单元，所述方法包含：

当每个所述多个初级蓄电池子组的端电压不低于第一阈值电压时，使所述蓄电池组处于第一工作模式，此时将所述初级蓄电池子组用于对负载供电；以及

当至少一个所述多个初级蓄电池子组的端电压低于所述第一阈值电压时，使所述蓄电池组处于第二工作模式，此时将端电压低于第一阈值电压的初级蓄电池子组进行充电至该初级蓄电池子组的饱和电压，

其中在所述第一工作模式下，根据负载的电压和/或功率需求，由初级蓄电池子组或次级蓄电池子组对负载直流供电，

其中在所述第二工作模式下，在初级蓄电池子组充电至所述初级蓄电池子组的饱和电压之后，将次级蓄电池子组充电至所述次级蓄电池子组的饱和电压，以及

其中所述第一阈值电压为标称电压的60-90%，所述饱和电压比标称电压高5-25%。

11.如权利要求10所述的方法，其中两个以上所述初级蓄电池子组串联连接形成次级蓄电池子组。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述初级蓄电池子组和次级蓄电池子组分别由与其标称电压相对应的充放电模块来充电。

13.如权利要求10所述的方法，其中在所述第二工作模式下，使端电压低于第一阈值电压的初级蓄电池子组以第一充电速率充电至第二阈值电压，接着以第二充电速率充电至该初级蓄电池子组的饱和电压。

14.如权利要求13所述的方法，其中在所述第二工作模式下，使用C/15-C/10的第一充电速率以及2C-10C的第二充电速率。

15.如权利要求13所述的方法，其中所述第二阈值电压为标称电压的85-95%。

16.如权利要求10-15中任意一项所述的方法，其中所述蓄电池单元的数目为24，以及其中每个所述初级蓄电池子组包含2、3、4、6、8或12个蓄电池单元。

17.如权利要求12所述的方法，其中每个所述初级蓄电池子组包含6个蓄电池单元，以及其中所述充放电模块包含12V、24V、36V、48V四个充放电子模块。

18.如权利要求10-15中任意一项所述的方法，其中所述蓄电池单元为铅酸蓄电池。

19.一种对包含多个蓄电池单元的蓄电池组充放电管理的系统，该蓄电池组包含多个初级蓄电池子组，每个所述初级蓄电池子组包含两个以上串联的蓄电池单元，所述系统包含可操作以执行下述步骤的充放电控制器：

当每个所述多个初级蓄电池子组的端电压不低于第一阈值电压时，使所述蓄电池组处于第一工作模式，此时将所述初级蓄电池子组用于对负载供电；以及

当至少一个所述多个初级蓄电池子组的端电压低于所述第一阈值电压时，使所述蓄电池组处于第二工作模式，此时将端电压低于第一阈值电压的初级蓄电池子组进行充电至该初级蓄电池子组的饱和电压，

其中在所述第一工作模式下，根据负载的电压和/或功率需求，由初级蓄电池子组或次级蓄电池子组对负载直流供电，

其中在所述第二工作模式下，在初级蓄电池子组充电至所述初级蓄电池子组的饱和电压之后，将次级蓄电池子组充电至所述次级蓄电池子组的饱和电压，以及

其中所述第一阈值电压为标称电压的60-90%，以及所述饱和电压比标称电压高5-25%。