一种充放电控制系统和控制方法

技术领域

本发明实施例涉及电池储能技术领域，尤其涉及一种充放电控制系统和控制方法。

背景技术

目前，广泛使用的是铅酸电池为(Uninterruptible Power Supply，UPS)不间断功率模块提供电能。因UPS功率模块在全寿命使用过程中需要确保直流电源不间断供应，所以铅酸电池会一直处于浮充状态。铅酸电池系统没有自我管理系统，只能监控总电压而无法监控每节电池的电压状态。铅酸电池中的每节电池处于长期的浮充状态会导致电池寿命极大的缩短，绝大部分在3年左右就会损坏，造成极大的经济损失。铅酸电池在放电时也是监控电池系统总电压的下限值，同样对于系统内的单体电压没有进行监控，在放电过程中部分单体会过放电，长期的过放电将直接导致电池硫化，会使电池的使用寿命缩短。因为没有实时的监控铅酸电池，如果长期失水，容易导致铅酸电池引发热失控，从而烧毁其他设备。

目前行业中使用锂电池代替铅酸电池为UPS功率模块供电，对于锂电池的控制策略依旧沿用以前铅酸电池的方式进行控制，存在由于过充或过放电会对锂电池造成损坏，锂电池循环使用寿命缩短的问题。

发明内容

本发明提供一种充放电控制系统和控制方法，可以减少过充或过放损害电池，延长电池循环使用寿命，确保系统的安全运行。

根据本发明的一方面，提供了一种充放电控制系统，充放电控制系统包括：多个电池箱串联构成的电池模组、UPS功率模块和高压回路模块，所述高压回路模块连接于所述UPS功率模块与所述电池模组之间；

所述UPS功率模块用于发送充电指令和放电指令给所述高压回路模块，所述高压回路模块用于根据接收到的所述充电指令和所述放电指令控制所述电池模组与所述UPS功率模块之间的充电和放电；

所述高压回路模块包括第一断路器、第一预充单元、第二预充单元、第一二极管单元、第二二极管单元、第三接触器和第四接触器；

所述第一断路器连接于所述UPS功率模块和所述电池模组之间，所述第一断路器包括第一接线端、第二接线端、第三接线端，所述第一接线端与所述电池模组的正极连接，所述第二接线端连接于相邻所述电池箱的正负极之间，所述第三接线端与所述电池模组的负极连接；

所述第三接触器连接于所述第一接线端和所述电池模组的正极之间，所述第一预充单元和所述第一二极管单元分别与所述第三接触器并联，所述第四接触器连接于所述第三接线端和所述电池模组的负极之间，所述第二预充单元和所述第二二极管单元分别与第四接触器并联。

可选地，所述第一预充单元包括第一预充接触器和第一预充电阻，所述第二预充单元包括第二预充接触器和第二预充电阻，所述第一二极管单元包括第一二极管和第一接触器，所述第二二极管单元包括第二二极管和第二接触器。

可选地，充放电控制系统还包括通讯模块，所述通讯模块用于所述电池模组、所述UPS功率模块和所述高压回路模块之间的通信，所述通讯模块用于采集所述电池箱的电量参数数据并发送给所述UPS功率模块，所述UPS功率模块对所述电量参数数据进行计算分析并发送充电指令和放电指令给所述高压回路模块。

可选地，所述第一二极管和所述第一接触器串联后与所述第三接触器并联，所述第二二极管和所述第二接触器串联后与所述第四接触器并联；

所述第一预充接触器和所述第一预充电阻串联后与所述第三接触器并联，所述第二预充接触器和所述第二预充电阻串联后与所述第四接触器并联。

可选地，所述通讯模块包括总控制器单元、电池组端控制和管理单元和多个单体电池管理单元；所述单体电池管理单元的第一端分别与对应所述电池箱连接，所述单体电池管理单元的第二端均与所述电池组端控制和管理单元连接，所述电池组端控制和管理单元与所述总控制器单元连接，所述总控制器单元与所述UPS功率模块连接。

可选地，所述高压回路模块还包括第一熔断器和第二熔断器，所述第一熔断器的第一端与所述第三接触器连接，所述第一熔断器的第二端与所述电池模组的正极连接；所述第二熔断器的第一端与所述第四接触器连接，所述第二熔断器的第二端与所述电池模组的负极连接。

可选地，所述高压回路模块还包括霍尔传感器，所述霍尔传感器的第一端与所述第三接触器连接，所述霍尔传感器的第二端与所述第一熔断器连接。

可选地，所述高压回路模块还包括分流器，所述分流器的第一端与所述第四接触器连接，所述分流器的第二端与所述第二熔断器连接。

可选地，充放电控制系统还包括第二断路器，所述第二断路器的第一端与所述UPS功率模块连接，所述第二断路器的第二端与所述第一断路器连接。

可选地，所述单体电池管理单元与所述电池组端控制和管理单元之间通过CAN进行通信，所述电池组端控制和管理单元与所述总控制器单元之间通过CAN进行通信，所述总控制器单元与所述UPS功率模块之间通过RS485进行通信。

根据本发明的另一方面，提供了一种充放电控制方法，应用于充放电控制系统，所述充放电控制系统包括：多个电池箱串联构成的电池模组、UPS功率模块、高压回路模块和通讯模块，所述高压回路模块连接于所述UPS功率模块与所述电池模组之间，所述通讯模块用于所述电池模组、所述UPS功率模块和所述高压回路模块之间的通信；其中，所述高压回路模块包括第一断路器、第一预充单元、第二预充单元、第一二极管单元、第二二极管单元、第三接触器和第四接触器；

所述控制方法包括：

在所述通讯模块接收到UPS功率模块发出的充电指令后，闭合第一断路器、第一预充单元和第二预充单元，间隔时间大于第一预设时间后闭合所述第三接触器和所述第四接触器，间隔时间大于第二预设时间后断开所述第一预充单元和所述第二预充单元，在所述通讯模块采集到所述电池模组的充电电压达到保护值时，闭合第一二极管单元和第二二极管单元，断开第三接触器和第四接触器；

在所述通讯模块接收到所述UPS功率模块发出的放电指令后，闭合第三接触器和第四接触器，间隔时间大于第三预设时间后断开第二二极管单元，在所述通讯模块采集到所述电池模组的放电电压达到保护值且间隔时间大于第四预设时间后断开所述第一断路器，间隔时间大于第五预设时间后断开所述第三接触器和所述第四接触器。

本发明实施例的技术方案，通过设置第一预充单元和第二预充单元，在上电瞬间，第一预充单元和第二预充单元都起到限流的作用，避免电池模组在充电过程中因瞬时电流过大导致充电回路中的直流接触器等开关器件的损坏；通过设置第一二极管单元和第二二极管单元，无论是充电状态还是放电状态，第一二极管单元和第二二极管单元都起到了电流隔离的作用，同时也起到了稳定电压的作用，还能承受比较高的反向电压。无论是充电状态还是放电状态，整个控制系统设计了自主控制闭合和断开电池模组充放电回路的充放电保护电路以及上述两重保护策略，避免出现过度放电和过度充电的情况。将电池模组的充电电压和放电电压控制在适宜的工作范围内，延长了电池模组的使用寿命。综上所述，本发明实施例解决了现有技术缺少对电池模组实时监控和保护的功能，存在由于过充或过放电造成电池模组的损坏，电池模组循环使用寿命缩短的问题。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例提供的一种充放电控制系统的原理图；

图2是根据本发明实施例提供的又一种充放电控制系统的原理图；

图3是根据本发明实施例提供的又一种充放电控制系统的原理图；

图4是根据本发明实施例提供的又一种充放电控制系统的原理图；

图5是根据本发明实施例提供的一种充放电控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1是根据本发明实施例提供的一种充放电控制系统的原理图，参考图1，本发明实施例提供了一种充放电控制系统，充放电控制系统包括：多个电池箱串联构成的电池模组10，UPS功率模块40和高压回路模块30，高压回路模块30连接于UPS功率模块40与电池模组10之间；UPS功率模块40用于发送充电指令和放电指令给高压回路模块30，高压回路模块30用于根据接收到的充电指令和放电指令控制电池模组10与UPS功率模块40之间的充电和放电；高压回路模块30包括第一断路器QF-A、第一预充单元301、第二预充单元302、第一二极管单元303、第二二极管单元304、第三接触器KM3和第四接触器KM6；第一断路器QF-A连接于UPS功率模块40和电池模组10之间，第一断路器QF-A包括第一接线端+、第二接线端N、第三接线端—，第一接线端+与电池模组10的正极连接，第二节接线端N连接于相邻电池箱的正负极之间，第三接线端—与电池模组10的负极连接；第三接触器KM3连接于第一接线端+和电池模组10的正极之间，第一预充单元301和第一二极管单元303分别与第三接触器KM3并联，第四接触器KM6连接于第三接线端—和电池模组10的负极之间，第二预充单元302和第二二极管单元304分别与第四接触器KM6并联。

具体的，电池模组10可以为锂电池模组，当接收到UPS功率模块40发出的充电指令后，先闭合第二断路器QF1B和第一断路器QF-A，再闭合高压回路模块30中的第一预充单元301和第二预充单元302，间隔时间大于22秒后闭合高压回路模块30中的第三接触器KM3和第四接触器KM6，间隔时间大于2秒后断开第一预充单元301和第二预充单元302。

由于电池模组10充电过程中电池前端都有较大的电容，若无预充电，主继电器直接与电容接通，此时电池电压较高，而电容上的电压接近为0，此时相当于瞬间短路，负载电阻为导线和继电器触点电阻，电阻值很小，根据欧姆定律可知，电压大，电阻小，显然瞬间电流可达上万安培，此时主继电器肯定会损坏。完成上述两个动作后，电池模组10开始进入充电状态。通过设置第一预充单元301和第二预充单元302，可以避免电池模组10在充电过程瞬时电流过大，导致回路中的接触器等开关器件的损坏。

电池模组10的电压达到设定的充电一级保护值后，UPS功率模块40将停止充电，如果UPS功率模块40充电回路发生故障继续给电池模组10进行充电，电池模组10的充电电压达到二级保护值，高压回路模块30闭合第一二极管单元303和第二二极管单元304，断开高压回路模块30中的第三接触器KM3和第四接触器KM6，此时，完成充电过程的保护动作。当电池模组10需要重新充电时，需要检测第一断路器QF-A得到正常反馈后，重新循环上述步骤。

当接收到UPS功率模块40发出的放电指令后，发出控制信号闭合高压回路模块30中的第三接触器KM3和第四接触器KM6，间隔时间大于3秒后断开第二二极管单元304，电池模组10开始进入放电状态。

当采集到电池模组10的电压达到设定的放电一级保护值后，UPS功率模块40将停止放电，如果UPS功率模块40放电回路发生故障继续给电池模组10放电，电池模组10的放电电压达到二级保护值，间隔时间大于2秒后，断开主回路上的第一断路器QF-A，间隔2秒后再断开第三接触器KM3和第四接触器KM6。

高压回路模块30内部分为正极和负极和中性线三条主回路，分别与第一断路器QF-A的第一接线端+、第三接线端—、第二接线端N相对应。当系统出现短路，直流接触器故障或者其它极端情况时会触发第一断路器QF-A跳闸。

本发明实施例的技术方案，通过设置第一预充单元和第二预充单元，在上电瞬间，第一预充单元和第二预充单元都起到限流的作用，避免电池模组在充电过程中因瞬时电流过大导致充电回路中的直流接触器等开关器件损坏；通过设置第一二极管单元和第二二极管单元，无论是充电状态还是放电状态，第一二极管单元和第二二极管单元都起到了电流隔离的作用，同时也起到了稳定电压的作用，还能承受比较高的反向电压。无论是充电状态还是放电状态，整个控制系统设计了自主控制闭合和断开电池模组充放电回路的充放电保护电路以及上述两重保护策略，避免出现过度放电和过度充电的情况。将电池模组的充电电压和放电电压控制在适宜的工作范围内，延长了电池模组的使用寿命。综上所述，本发明实施例解决了现有技术缺少对电池模组实时监控和保护的功能，存在由于过充或过放电造成电池模组的损坏，电池模组循环使用寿命缩短的问题。

图2是根据本发明实施例提供的又一种充放电控制系统的原理图，参考图2，可选地，第一预充单元301包括第一预充接触器KM1和第一预充电阻R1，第二预充单元302包括第二预充接触器KM4和第二预充电阻R2，第一二极管单303元包括第一二极管D1和第一接触器KM2，第二二极管单元304包括第二二极管D2和第二接触器KM5。

继续参考图2，可选地，第一二极管D1和第一接触器KM2串联后与第三接触器KM3并联，第二二极管D2和第二接触器KM5串联后与第四接触器KM6并联；第一预充接触器KM1和第一预充电阻R1串联后与第三接触器KM3并联，第二预充接触器KM4和第二预充电阻R2串联后与第四接触器KM6并联。

具体的，第一预充接触器KM1、第二预充接触器KM4、第一接触器KM2和第三接触器KM3均为直流接触器。第一二极管D1的正极和第三接触器KM3的第一端连接，第一二极管D1的负极和第一接触器KM2的第一端连接，第一接触器KM2的第二端与第三接触器KM3的第二端连接；第二二极管D2的正极和第二接触器KM5连接的第一端，第一二极管D2的负极和第四接触器KM6的第一端连接，第四接触器KM6的第二端与第二接触器KM5连接的第二端连接。可以看出第一二极管D1与第二二极管D2的导通方向相反，设置第一二极管D1与第二二极管D2在充电状态和放电状态都起到电流隔离的作用。同时也起到了稳定电压的作用，能够承受比较高的反向电压，提高了电池模组10充放电的安全性。第一预充电阻R1和第二预充电阻R2起到限流的作用，避免电池模组在充电过程中因瞬时电流过大导致充电回路中的直流接触器等开关器件的损坏。

继续参考图2，可选地，充放电控制系统还包括通讯模块20，通讯模块20用于电池模组10、UPS功率模块40和高压回路模块30之间的通信，通讯模块20用于采集电池箱的电量参数数据并发送给UPS功率模块40，UPS功率模块40对电量参数数据进行计算分析并发送充电指令和放电指令给高压回路模块30。

具体的，电量参数数据包括电压、电流和温度。通讯模块20分别与电池模组10中的多个电池箱连接，通讯模块20采集电池箱的电量参数数据并发送给UPS功率模块40，UPS功率模块40经过数据计算分析再将充放电指令信号发送到高压回路模块30进行逻辑动作的实施，从而实现电池模组10与UPS功率模块40之间的充电和放电。通讯模块20实时监控电池箱的电压、电流和温度状态，并与外部的UPS功率模块40进行通信。本发明实施例通过设置通讯模块，能够实时监控电池模组的电压，电流和温度状态，减少由于过充或过放损坏电池模组，增加了电池模组循环使用寿命，对电池模组充放电过程进行实时监控和保护，使系统能够安全可靠运行。

图3是根据本发明实施例提供的又一种充放电控制系统的原理图，参考图3，可选地，通讯模块20包括总控制器单元203、电池组端控制和管理单元202和多个单体电池管理单元201；单体电池管理单元201的第一端分别与对应电池箱连接，单体电池管理单元201的第二端均与电池组端控制和管理单元202连接，电池组端控制和管理单元202与总控制器单元203连接，总控制器单元203与UPS功率模块40连接。

具体的，通讯模块20由总控制器单元(BAMS)203、电池组端控制和管理单元(BCMU)202、多个单体电池管理单元(BMU)201组成；多个单体电池管理单元201分别用于采集各自对应的电池箱的电压、电流和温度并发送给电池组端控制和管理单元202，电池组端控制和管理单元202对多个电池箱的电压、电流和温度汇总后通过总控制器单元203发送给UPS功率模块40。UPS功率模块40对接收到的数据进行计算分析并发送充电指令和放电指令给高压回路模块30，从而实现电池模组10与UPS功率模块40之间的充电和放电。设置总控制器单元203、电池组端控制和管理单元202和多个单体电池管理单元201可以对电池模组10中电池箱的状态进行实时监控，协同配合保障电池模组10充放电过程的安全可靠运行。

图4是根据本发明实施例提供的又一种充放电控制系统的原理图，参考图4，可选地，高压回路模块30还包括第一熔断器FU1和第二熔断器FU2，第一熔断器FU1的第一端与第三接触器KM3连接，第一熔断器FU1的第二端与电池模组10的正极连接；第二熔断器FU2的第一端与第四接触器KM6连接，第二熔断器FU2的第二端与电池模组10的负极连接。

具体的，高压回路模块30设置第一熔断器FU1和第二熔断器FU2用于短路和过电流保护。第一熔断器FU1和第二熔断器FU2流过电流超过规定值一段时间后，自身产生的热量使熔体熔化，从而使高压回路模块30的正极接线端与电池模组10正极之间、高压回路模块30的负极接线端与电池模组10负极之间电路断开，有效防止了电池模组10出现过度放电和过度充电的情况，极大的延长了电池模组10的使用寿命。

继续参考图4，可选地，高压回路模块30还包括霍尔传感器H，霍尔传感器H的第一端与第三接触器KM3连接，霍尔传感器H的第二端与第一熔断器FU1连接。

具体的，高压回路模块30设置有电流检测器件，该器件可以为霍尔传感器H，霍尔传感器H用于测量高压回路模块30的正极接线端与电池模组10正极之间主回路电流值。

继续参考图4，可选地，高压回路模块30还包括分流器FL1，分流器FL1的第一端与第四接触器KM6连接，分流器FL1的第二端与第二熔断器FU2连接。

具体的，高压回路模块30设置分流器FL1主要用于测量直流电流、限流，均流取样检测。

继续参考图4，可选地，充放电控制系统还包括第二断路器QF1B，第二断路器QF1B的第一端与UPS功率模块40连接，第二断路器QF1B的第二端与第一断路器QF-A连接。

具体的，高压回路模块30通过第二断路器QF1B与UPS功率模块40连接，通过高压导线与电池模组10串联。第二断路器QF1B具有多种的保护作用，可以有效的将短路以及欠电压进行协调保护。当UPS功率模块40与电池模组10之间电路中电流超过额定电流，第二断路器QF1B就会自动断开，减少由于过充或过放损坏电池，增加了电池模组的循环使用寿命。

继续参考图4，可选地，单体电池管理单元201与电池组端控制和管理单元202之间通过CAN进行通信，电池组端控制和管理单元202与总控制器单元203之间通过CAN进行通信，总控制器单元203与UPS功率模块40之间通过RS485进行通信。

具体的，总控制器单元203通过UPS功率模块40的干接点(禁充、禁放)进行信号输出。

图5是根据本发明实施例提供的一种充放电控制方法的流程图，参考图5和图4，本发明实施例还提供了一种充放电控制方法，应用于充放电控制系统，充放电控制系统包括：多个电池箱串联构成的电池模组10，UPS功率模块40、高压回路模块30和通讯模块20，高压回路模块30连接于UPS功率模块40与电池模组10之间，通讯模块20用于电池模组10、UPS功率模块40和高压回路模块30之间的通信；UPS功率模块40用于发送充电指令和放电指令给高压回路模块30，高压回路模块30用于根据接收到的充电指令和放电指令控制电池模组10与UPS功率模块40之间的充电和放电；

控制方法具体包括如下步骤：

S110、在通讯模块接收到UPS功率模块发出的充电指令后，闭合第一断路器、第一预充单元和第二预充单元，间隔时间大于第一预设时间后闭合第三接触器和第四接触器，间隔时间大于第二预设时间后断开第一预充单元和第二预充单元，在通讯模块采集到电池模组的充电电压达到保护值时，闭合第一二极管单元和第二二极管单元，断开第三接触器和第四接触器。

结合图4，具体的，第一预充单元301包括第一预充单元KM1和第一预充电阻R1，第二预充单元302包括第二预充单元KM4和第二预充电阻R2，第一二极管单303元包括第一二极管D1和第一单元KM2，第二二极管单元304包括第二二极管D2和第二单元KM5。

当通讯模块20接收到UPS功率模块40发出的充电指令后，先闭合第二断路器QF1B和第一断路器QF-A，再闭合高压回路模块30中的第一预充接触器KM1和第二预充接触器KM4，间隔时间大于22秒后闭合高压回路模块30中的第三接触器KM3和第四接触器KM6，间隔时间大于2秒后断开第一预充接触器KM1和第二预充接触器KM4。其中，第一预设时间可以为22秒，第二预设时间可以为2秒。

由于电池模组10充电过程中电池前端都有较大的电容，若无预充电，主继电器直接与电容接通，此时电池电压较高，而电容上电压接近为0，此时相当于瞬间短路，负载电阻为导线和继电器触点电阻，电阻值很小，根据欧姆定律可知，电压大，电阻小，显然瞬间电流可达上万安培，此时主继电器肯定会损坏。完成上述两个动作后，电池模组10开始进入充电状态。

当通讯模块20采集到电池模组10的电压达到设定的充电一级保护值后，UPS功率模块40将停止充电，如果UPS功率模块40充电回路发生故障继续给电池模组10进行充电，通讯模块20采集到电池模组10的充电电压达到二级保护值，控制高压回路模块30闭合第一二极管单元303中的第一接触器KM2和第二二极管单元304中的第二接触器KM5，断开高压回路模块30中的第三接触器KM3和第四接触器KM6，此时，完成充电过程的保护动作。当电池模组10需要重新充电时，需要检测第一断路器QF-A得到正常反馈后，重新循环上述步骤。

S120、在通讯模块接收到UPS功率模块发出的放电指令后，闭合第三接触器和第四接触器，间隔时间大于第三预设时间后断开第二二极管单元，在通讯模块采集到电池模组的放电电压达到保护值且间隔时间大于第四预设时间后断开第一断路器，间隔时间大于第五预设时间后断开第三接触器和第四接触器。

结合图4，具体的，当通讯模块20接收到UPS功率模块40发出的放电指令后，通讯模块20发出控制信号闭合高压回路模块30中的第三接触器KM3和第四接触器KM6，间隔时间大于3秒后断开第二二极管单元304中的第二接触器KM5，电池模组10开始进入放电状态。

当通讯模块20采集到电池模组10的电压达到设定的放电一级保护值后，UPS功率模块40将停止放电，如果UPS功率模块40放电回路发生故障继续给电池模组10放电，通讯模块20采集到电池模组10的放电电压达到二级保护值，间隔时间大于2秒后，断开主回路上的第一断路器QF-A，间隔2秒后再断开第三接触器KM3和第四接触器KM6。其中，第三预设时间可以为3秒，可以为2秒，可以为2秒。

本发明实施例提供的充放电控制方法用于控制本发明任意实施例提供的充放电控制系统，因此，本发明实施例提供的充放电控制方法也具备上述实施例中所描述的有益效果，此处不再赘述。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。