电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理系统及方法与流程

1.本发明属于电力系统直流电源系统领域，具体地说是一种电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理系统及方法。


背景技术：

2.电力系统的变电站，大量采用铅酸蓄电池作为通信后备电源、操作电源后备电源，这些蓄电池，经过一定时间的使用，都会逐步失效。
3.电力系统使用110v、220v的操作电源，都需要采用铅酸蓄电池作为交流停电时的电源备份。变电站的铅酸蓄电池，一般从3年到8年不等，就会被更换。这些蓄电池一般具备几百次以上的循环寿命，而在实际使用中，这个循环寿命基本没有使用。由于铅酸蓄电池固有的一系列特征，导致退役铅酸蓄电池的再利用缺乏可行的技术手段。
4.铅酸蓄电池，作为蓄电池组使用时，需要进行非常严格的配组使用，严格执行同品牌、同型号、同批次等原则。电力系统退役的蓄电池，性能已经劣化，它基本不能满足传统方式的蓄电池组使用要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理系统及方法，支持不同电池型号、厂家、批次的电池串联成组，降低梯次电池对性能一致性高的要求，解决退役铅酸蓄电池高效再利用成组难的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理系统，其包括单体充电模块、单体放电模块、能量交换矩阵模块、 cpu模块和电压电流采集模块；其中，
7.所述的单体充电模块用于任意单体的充电控制；
8.所述的单体放电模块用于任意单体的放电控制；
9.所述的能量交换矩阵模块用于电池单体与单体充、放电模块的回路控制；
10.所述的cpu模块用于电池梯次管理算法的运算、下发各个模块的控制指令及采集各电池单体参数信息；
11.所述的电压电流采集模块用于各单体电压和电流参数信息的实时采集及上传。
12.进一步地，所述的单体充电模块为dc/dc降压电路，用于对任一单体电池单独充电。
13.进一步地，所述的单体放电模块为dc/dc升压电路，用于对任一单体电池单独放电。
14.进一步地，所述的能量交换矩阵模块包括若干个电子功率开关器件或者机械开关器件、若干个光继电器、光继电器驱动扩展板及驱动电源；其中，
15.开关器件用于选择电池导通回路，光继电器用于输出开关器件的控制信号，光继电器驱动扩展板用于将所述cpu模块的驱动指令转化成光继电器的驱动信号，驱动电源为
开关器件提供电源。
16.本发明采用的另一种技术方案为：电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理方法，其利用上述系统进行管理，包括如下步骤：
17.a、所述电压电流采集模块通过电压/温度采集线与各个电池单体连接，实时采集各个单体c1、c2…ci
…cn
的电压/温度信息，i为电池单体编号，n为电池组单体电池数量；通过与电流传感器与各个电池单体连接，采集电流信息；
18.b、所述电压电流采集模块与所述cpu模块连接，并按照协议上报电池的电压v1、v2…vi
…vn
、温度t1、t2…
ti…
tn和总电流ia；
19.c、以总电流ia作为电池组充放电状态的参数，以电压作为cpu模块输出能量交换矩阵模块控制指令的依据。
20.上述的电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理方法，还包括如下步骤：
21.d、在蓄电池组充电状态时，cpu模块输出控制指令至能量交换矩阵模块，导通ci至单体充电模块的回路，v
imin
＝min(v1、v2…vi
…vn
)；
22.e、在蓄电池组放电状态时，cpu模块输出控制指令至能量交换矩阵模块，导通ci至单体放电模块的回路，v
imax
＝max(v1、v2…vi
…vn
)；
23.f、在蓄电池组非充放电状态时，cpu模块输出控制指令至能量交换矩阵模块，依次导通各电池单体至单体、充电模块的回路，对各电池单体进行补充电。
24.进一步地，根据需要设定每个蓄电池单体充、放电电压电流。
25.与传统的蓄电池组配组技术相比，本发明具有以下有益效果：
26.(1)支持同组蓄电池组内采用不同型号、厂家、批次的蓄电池单体成组使用，比传统要求同型号批次厂家的要求，更有利于梯次利用电池的应用推广。
27.(2)对蓄电池组内的蓄电池单体的容量、电压、内阻的一致性没有要求，与传统技术相比，退役电池的使用寿命更长。
28.(3)本发明的推广应用，能够让电力系统退役蓄电池资产得到盘活，充分响应国家关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰、碳中和工作的意见。
29.(4)本发明清晰展示蓄电池组的蓄电池单体的充放电性能，能自动甄别蓄电池组及其各单体电池的性能。
附图说明
30.图1是本发明电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理系统的结构框图；
31.图2是本发明能量交换矩阵模块的原理框图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.实施例1
34.本实施例以电力系统退役一组220v操作电源和一组110v操作电源的电池梯次利
用于一套功率为5kw，蓄电池组电压等级为220vups系统为例，铅酸蓄电池为例。其中ups蓄电池组由18块12v/100ah串联成组，组电压范围为190v-240v， 220v操作电源电池为104-108个2v/300ah的双登品牌蓄电池组串联成组，110v 操作电源电池为54个2v/400ah的南都品牌蓄电池组串联成组。选取无物理损坏的铅酸蓄电池单体，其中80个2v/300ah的双登品牌蓄电池，和28个2v/400ah 南都品牌蓄电池，串联108个单体组成的220v退役蓄电池组。
35.本实施例为一种电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理系统，包括单体充电模块、单体放电模块、能量交换矩阵模块、cpu模块、电压电流采集模块；其中单体充电模块用于任意单体的充电控制；单体放电模块用于任意单体的放电控制；能量交换矩阵模块用于电池单体与充放电模块的回路控制；cpu模块用于电池梯次管理算法的运算、下发各个模块的控制指令及采集各电池单体参数信息；电压电流采集模块用于各单体电压和电流参数信息的实时采集及上传。
36.在具体实施中，单体充电模块采用3.3v，300w的dc/dc开关电源来实现，通过通信线接收cpu模块的控制指令，程控其输出电压范围为1.5v-3.3v连续可调，额定输出电流100a，充电电流范围0-100a连续可调。
37.在具体实施中，单体充电模块的额定输出的电流为100a，由于电路板、交换矩阵、连接线的阻抗等因素的作用，最终输出至单体电池的最大电流为80a，按照蓄电池0.1c充电的要求，可以支持容量不超过800ah铅酸蓄电池的使用，满足设计需要。
38.在具体实施中，单体放电模块采用mos管结合放电电阻实现，mos管接受cpu模块的pwm输出控制，放电电阻采用5mω的金属电阻，在风扇散热情况下，实现2v蓄电池单体100a的恒流放电，满足1000ah蓄电池单体0.1c恒流放电的要求，满足设计要求。
39.在具体实施中，能量交换矩阵模块的原理图见图2，由若108*4个mos管作为电子功率开关器件，108*4个光继电器、光继电器驱动扩展板及驱动电源组成，其中mos管用于选择电池导通回路，光继电器用于输出mos管的控制信号，光继电器驱动扩展板用于将所述cpu的驱动指令转化成光继电器的驱动信号，驱动电源用于为开关器件提供电源。能量交换矩阵模块实现的目的是为了将任何一个蓄电池的正负极连接到充放电总线上，通过总线上的充电模块给蓄电池充电，或者通过总线上的放电模块给蓄电池放电。
40.在具体实施中，mos管采用背对背的方式连接，避免mos管的内置二极管为蓄电池单体形成充放电的通道。由于某节蓄电池的正极是与其临近蓄电池的负极相连，因此，在每个相邻电池正负极连接点接入2路背对背连接的mos管，1 路用于电池正极通道，一路用于相邻电池的负极通道。
41.在具体实施中，能量交换矩阵模块的通道导通选择，都需要满足mos管正常开关的12v电压的需要，需要12v驱动电源为多路mos管提供12v工作电压，采用12v总线方式，分配给需要切换mos开关的器件使用。出于产品体积、pcb 排版、整体功耗等需要，选择固定的12v驱动电源，这个驱动电源通过小型的光继电器，切换到需要的mos管的控制引脚上。小型的光继电器的驱动，则采用普通的ttl电平就可以实现。
42.在具体实施中，由于108个蓄电池均需要实现单独的充电、放电控制，也就是需要大量的i/o口来实现这些光继电器的控制，采用74hc164这个串并转换的ic，实现光继电器的i/o的启动。
43.实施例2
44.本实施例提供一种电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理方法，其采用实施例1所述的电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理系统，包括如下步骤：
45.a、电压电流采集模块通过电压/温度采集线与各个电池单体(c1、c2…ci
…c108
， i为电池单体编号)连接，实时采集各个单体的电压/温度信息，通过与电流传感器连接采集电流信息；
46.b、电压电流采集模块与cpu模块连接，并按照协议上报电池的电压(v1、 v2…vi
…v108
)、温度(t1、t2…
ti…
t
108
)、总电流ia参数；
47.c、以ia作为电池组充放电状态的参数，以电压(v1、v2…vi
…v108
)作为cpu 模块输出所述能量交换矩阵模块控制指令的依据。
48.具体实施中，一种电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理方法，还包括如下步骤：
49.d、在蓄电池组充电状态时，cpu模块输出控制指令至能量交换矩阵模块，导通ci至单体充电模块的回路，v
imin
＝min(v1、v2…vi
…v108
)；
50.e、在蓄电池组放电状态时，cpu模块输出控制指令至能量交换矩阵模块，导通ci至单体放电模块的回路，v
imax
＝max(v1、v2…vi
…v108
)；
51.f、在蓄电池组非充放电状态时，cpu模块输出控制指令至能量交换矩阵模块，依次导通各电池单体至单体充电模块的回路，对各电池单体进行补充电。
52.具体实施中，2v/300ah的双登电池充放电电流参数设置为30a，2v/400ah 南都电池充放电电流参数设置为40a。
53.本实施例中每个铅酸蓄电池均实现了单独充电，满足每个蓄电池单体满充电的要求，避免了因为蓄电池组单体一致性差而带来的蓄电池极化、蓄电池单体电压差异过大等系列问题，让退役铅酸蓄电池组可以得到发挥剩余价值，满足ups蓄电池停电时作为后备电源而工作的需要。
54.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理系统，其特征在于，包括单体充电模块、单体放电模块、能量交换矩阵模块、cpu模块和电压电流采集模块；其中，所述的单体充电模块用于任意单体的充电控制；所述的单体放电模块用于任意单体的放电控制；所述的能量交换矩阵模块用于电池单体与单体充、放电模块的回路控制；所述的cpu模块用于电池梯次管理算法的运算、下发各个模块的控制指令及采集各电池单体参数信息；所述的电压电流采集模块用于各单体电压和电流参数信息的实时采集及上传。2.根据权利要求1所述的电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理系统，其特征在于，所述的单体充电模块为dc/dc降压电路，用于对任一单体电池单独充电。3.根据权利要求1所述的电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理系统，其特征在于，所述的单体放电模块为dc/dc升压电路，用于对任一单体电池单独放电。4.根据权利要求1所述的电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理系统，其特征在于，所述的能量交换矩阵模块包括若干个电子功率开关器件或者机械开关器件、若干个光继电器、光继电器驱动扩展板及驱动电源；其中，开关器件用于选择电池导通回路，光继电器用于输出开关器件的控制信号，光继电器驱动扩展板用于将所述cpu模块的驱动指令转化成光继电器的驱动信号，驱动电源为开关器件提供电源。5.电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理方法，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述系统进行管理，包括如下步骤：a、所述电压电流采集模块通过电压/温度采集线与各个电池单体连接，实时采集各个单体c1、c2…
c
i
…
c
n
的电压/温度信息，i为电池单体编号，n为电池组单体电池数量；通过与电流传感器与各个电池单体连接，采集电流信息；b、所述电压电流采集模块与所述cpu模块连接，并按照协议上报电池的电压v1、v2…vi
…vn
、温度t1、t2…
t
i
…
t
n
和总电流ia；c、以总电流ia作为电池组充放电状态的参数，以电压作为cpu模块输出能量交换矩阵模块控制指令的依据。6.根据权利要求5所述的电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理方法，其特征在于，还包括如下步骤：d、在蓄电池组充电状态时，cpu模块输出控制指令至能量交换矩阵模块，导通c
i
至单体充电模块的回路，v
imin
＝min(v1、v2…vi
…vn
)；e、在蓄电池组放电状态时，cpu模块输出控制指令至能量交换矩阵模块，导通c
i
至单体放电模块的回路，v
imax
＝max(v1、v2…vi
…vn
)；f、在蓄电池组非充放电状态时，cpu模块输出控制指令至能量交换矩阵模块，依次导通各电池单体至单体、充电模块的回路，对各电池单体进行补充电。7.根据权利要求5所述的电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理，其特征在于，根据需要设定每个蓄电池单体充、放电电压电流。

技术总结
本发明公开了一种电力系统退役铅酸蓄电池梯次利用管理系统及方法。本发明的管理系统包括单体充电模块、单体放电模块、能量交换矩阵模块、CPU模块和电压电流采集模块；其中，所述的单体充电模块用于任意单体的充电控制；所述的单体放电模块用于任意单体的放电控制；所述的能量交换矩阵模块用于电池单体与单体充、放电模块的回路控制；所述的CPU模块用于电池梯次管理算法的运算、下发各个模块的控制指令及采集各电池单体参数信息；所述的电压电流采集模块用于各单体电压参数信息的实时采集及上传。本发明支持不同电池型号、厂家、批次的电池串联成组，降低梯次电池对性能一致性高的要求，可以高效再利用退役铅酸蓄电池。可以高效再利用退役铅酸蓄电池。可以高效再利用退役铅酸蓄电池。


技术研发人员：刘敏 黄尚南 陈凌宇 孙桐 钱洲亥 李治国 周珊
受保护的技术使用者：广州泓淮能源科技有限公司
技术研发日：2022.04.15
技术公布日：2022/5/25