独立电源及其运行方法

技术领域

本发明涉及动力电池终端应用领域，更为具体地，涉及一种独立电源及其运行方法。

背景技术

目前，直流电机、低压光伏基站、低压信号器等器件均需要24V不间断独立电源供电，由于器件工作条件范围比较窄，又需要间歇式静默，静默期间保持低功耗状态，在特定时刻又需要满足大功率输出，还能满足无人操作的需求，这就要求不间断独立电源不仅要安全性高、适应高低温环境，还能自动启动和长时间稳定可靠运行。

现在用做独立电源的有镍镉电池、铅酸电池、锂离子电池和镍氢电池，镍镉电池存在镉电极污染受到应用限制，铅酸电池寿命较短，需要1年更换一次，锂离子电池存在安全问题，且都存在不耐低温的问题。以稀土元素作为电池电极材料主要成分的镍氢电池耐高低温，安全性高，比较适合做独立电源，但长时间使用存在单体电池压差偏大的问题。因此，业内亟待提供一种长时间高可靠工作的运行方法，使镍氢电池发挥出应有的作用。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种独立电源及其运行方法，以稀土新电源作为独立电源，通过并联式充电器和电池管理系统双重保护结合，实现稀土新电源不定时统一充电和放电保护的两者的集成，解决了稀土新电源过充过放和单体电池压差扩大的问题，可以满足-55℃～80℃环境温度内的连续5年工作需要。

根据本发明的一个方面，提供了一种独立电源，包括：一种独立电源，包括：稀土新电源、并联式充电器、电池管理系统、放电接触器、充电接触器；所述稀土新电源包括若干串联的单体电池，所述稀土新电源的放电端设置有放电接触器；所述并联式充电器包括总充电器，在所述总充电器上设置有与所述单体电池数量相同的充电接口，所述充电接口对应连接所述单体电池，所述并联式充电器的输入端连接有充电接触器；所述并联式充电器通过通讯线连接所述电池管理系统；所述电池管理系统，连接所述稀土新电源、所述放电接触器和所述充电接触器，用于采集所述稀土新电源的总电压值、电流值、单体电池的电压，计算所述稀土新电源的SOC，根据所述总电压值、所述单体电池的电压或所述SOC值，控制所述充电接触器和所述放电接触器的通断；所述电池管理系统依次通过DC/DC转换器和AC/DC转换器连接外部电源，所述电池管理系统还依次通过所述DC/DC转换器和非自锁开关连接所述稀土新电源的放电端。

进一步，所述并联式充电器具有反馈式充电，所述反馈式充电为当所述并联式充电器停止充电后，在所述稀土新电源放电过程中，所述电池管理系统采集每个单体电池的电压，若有单体电池之间的压差大于设定压差值，所述电池管理系统向所述总充电器发送信息，所述总充电器将电压高的单体电池的电量通过其对应的充电接口放电，在所述总充电器内部将所放电量输送给电压低的单体电池对应的充电接口，为所述电压低的单体电池充电，

直到所述单体电池之间的压差小于设定压差值，所述电池管理系统向所述总充电器发送信息，所述总充电器停止所述单体电池之间的反馈式充电。

所述稀土新电源包括10个单体电池，所述单体电池的额定电压为2.4V，所述10个单体电池串联。

所述独立电源与外部电源之间连接有空气开关。

所述充电接口将对应的单体电池充电到其充电截止电压后停止充电。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述独立电源的运行方法，包括以下步骤：

步骤1：给所述电池管理系统通电，

步骤2：所述电池管理系统控制所述放电接触器和所述充电接触器均连通，所述外部电源供电给所述并联式充电器，所述并联式充电器的每个充电接口给对应的单体电池充电，所述稀土新电源的放电端放电，

步骤3：所述并联式充电器输入的总充电量，通过所述通讯线发送给所述电池管理系统；所述电池管理系统将所述总充电量和所述放电量的差值作为净充电量，从而计算出所述稀土新电源的SOC，

若所述稀土新电源的SOC达到设定第一值，则所述电池管理系统发出指令并断开充电接触器，所述并联式充电器与外部电源断开，停止充电，

在充电过程中，若有单体电池的电压达到其充电截止电压，相应的充电接口停止给所述单体电池充电，

步骤4：所述稀土新电源停止充电后，依然放电，若所述稀土新电源的带电量低于设定第二值，所述电池管理系统发出指令连通所述充电接触器；若外部电源有电，重复步骤3；若外部电源无电，当所述稀土新电源的带电量低于设定下限值，所述电池管理系统发出指令断开放电接触器，所述稀土新电源停止放电；

步骤5：所述稀土新电源停止放电后，若外部电源来电，重复步骤1。

步骤1中给所述电池管理系统通电，包括：接通外部电源，所述外部电源的交流电通过AC/DC转换器转换为直流电，再通过所述DC/DC转换器稳压，供电给所述电池管理系统，若所述外部电源无电，按所述非自锁开关并保持1s-2s，所述稀土新电源的放电端的电压通过所述DC/DC转换器稳压后，供电给所述电池管理系统。

步骤4中，或有单体电池的电压达到设定单体电压下限值，或所述稀土新电源的总电压达到设定总电压下限值，所述电池管理系统发出指令断开所述放电接触器。

进一步，所述并联式充电器停止充电后，在所述稀土新电源放电过程中，所述并联式充电器在单体电池之间进行反馈式充电：所述电池管理系统采集每个单体电池的电压，若有单体电池之间的压差大于设定压差值，所述电池管理系统向所述总充电器发送信息，所述总充电器将电压高的单体电池的电量通过其对应的充电接口放电，在所述总充电器内部将所放电量输送给电压低的单体电池对应的充电接口，为所述电压低的单体电池充电，

直到所述单体电池之间的压差小于设定压差值，所述电池管理系统向所述总充电器发送信息，所述总充电器停止所述单体电池之间的反馈式充电。

利用上述根据本发明的独立电源及其运行方法，能够解决稀土新电源在长期工作中电池不一致导致电池性能加速恶化的的难题，可以满足-55℃～80℃环境温度内的连续5年工作需要，通过并联式充电器和电池管理系统双重保护结合，实现稀土新电源不定时统一充电和放电保护的两者的集成，解决了稀土新电源过充过放和单体压差扩大的问题，可以直接应用于不间断电源、启动电源等领域。本独立电源可以人工通过非自锁开关启动，也可以通过外界输入电自行启动，极大提高本独立电源在全寿命周期、全天候工况下的可靠性。本独立电源的运行方法可以应用于较低电压的基站电源领域，直接代替铅酸电池，不需要进行通讯，简单可靠。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1示出了根据本发明的独立电源的结构示意图；

图2示出了根据本发明的独立电源的运行方法的流程图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出

名词解释：稀土新电源属于镍氢类电池系列，采用水系电解液，自身非常安全，所用KOH作为电解质与纯水组成的电解液，在所有动力蓄电池电解液中具有最高的电导率，因此，稀土新电源还具有超高的功率输出，能满足车辆在任何工况下的功率需求；此外，稀土新电源负极采用分层涂布实现了镍氢电池能量密度和非对称超级电容器功率密度兼具的优势，具有超长的循环寿命和耐极端低温性能，-40℃可以放出80％的电量，-55℃可以放出50％的电量。因此，稀土新电源可以作为低温下的电源，满足负载需求。

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了一种独立电源，使用寿命长。包括稀土新电源、并联式充电器、电池管理系统、放电接触器、充电接触器。

以稀土新电源为独立电源，稀土新电源由若干稀土单体电池串联而成独立电源。本实施例中包括10个单体电池，每个单体电池的额定电压为2.4V，10个单体电池串联为24V的独立电源。通过并联式充电器和电池管理系统双重保护结合，实现稀土新电源的单体电池不定时统一充电和放电保护的两者的集成，解决了稀土新电源过充过放和单体电池之间的压差扩大问题，可以满足-55℃～80℃环境温度内的连续5年工作需要。

具体的，稀土新电源的放电端设置有放电接触器，放电接触器连通稀土新电源的放电端向用电设备放电。并联式充电器包括总充电器，在总充电器上设置有与单体电池数量相同的充电接口，一个充电接口对应连接一个单体电池，为单体电池充电。并联式充电器的输入端与外部电源之间连接有充电接触器，充电接触器连通后并联式充电器的输入端有外部电源供电。并联式充电器通过通讯线连接电池管理系统，将充电量发送给电池管理系统。

电池管理系统，连接稀土新电源、放电接触器和充电接触器，用于采集稀土新电源的总电压值、电流值、单体电池的电压，计算稀土新电源的SOC(剩余电量)，根据总电压值、单体电池的电压值或SOC值，控制充电接触器和放电接触器的通断。充电接触器断开后并联式充电器与外部电源断开，不再给稀土新电源充电。

电池管理系统可以通过外部电源供电也可以通过稀土新电源供电，电池管理系统依次通过DC/DC转换器和AC/DC转换器连接外部电源，电池管理系统还依次通过所述DC/DC转换器和非自锁开关连接稀土新电源的放电端。AC/DC的输出端与DC/DC的输入端串联，这样统一一个输出端给电池管理系统供电，减少二极管数量，电路简化，降低故障点。

DC/DC转换器从稀土新电源取电，AC/DC转换器从并联式充电器输入端取电，AC/DC转换器连接在充电接触器与外部电源之间。在外部电源连接到AC/DC转换器之间还连接有空气开关，即本独立电源与外部电源之间连接有空气开关，空气开关用于人工控制接通整个独立电源，空气开关闭合后首先电池管理系统从外部电源处得电。稀土新电源放电过程中有时电量太低，只依靠稀土新电源的输出端供电电池管理系统会自动断电，但是通过AC/DC转换器在有外部电输入的情况下，实现自行启动运行，减少人工维护。独立电源在电路连接的过程中，需要确保回路是断开的，电路连接完毕后，闭合空气开关。

并联式充电器的充电接口可以给对应的单体电池单独充电，将对应的单体电池充电到充电截止电压后自动停止充电，保证了单体电池不会过充，但别的单体电池还会继续充电到截止电压。

并联式充电器的总充电器内部具有反馈式充电，反馈式充电在所有的单体电池都充满停止充电后，充电接触器断开后，在稀土新电源放电过程中进行。由总充电器内部自行运转。总充电器里面由10个小型智能充电器充电，总充电器和电池管理系统是通讯的。

反馈式充电具体为当并联式充电器停止充电后，在稀土新电源放电过程中，电池管理系统采集每个单体电池的电压，若检测到有单体电池之间的压差大于设定压差值，电池管理系统向总充电器发送信息，总充电器将电压高的单体电池的电量通过其对应的充电接口放电，在总充电器内部将所放电量输送给电压低的单体电池对应的充电接口，为电压低的单体电池充电，直到检测到的单体电池之间的压差小于设定压差值，电池管理系统向总充电器发送信息，总充电器停止检测到的单体电池之间的反馈式充电。设定压差值可为10mV。当有单体电池压差10mV，总充电器接收到电池管理系统信息后，就会通过相应的充电接口把电压高的单体电池通过接口放电，从总充电器内部电路反馈，通过另一个充电接口给电压低的电池充电，从而实现主动均衡，避免充放电效率高的电池在长期充放电过程中积累过多的余量。这个主要是在放电过程中进行，不放电不进行反馈式充电。因为放电的时候，若是电池性能不好或容量少，放电的时候，电压会偏低；而电池性能好或容量高，电池电压在放电的时候会偏高，通过反馈式充电，可以实现均衡，使得单体电池一致性压差在10mV以内。

每一个单体电池内部由两节电池串联而成，如此可以减少成组的一半的连接点，提高成组可靠性。

实施例2

如图2所示，本实施例提出了一种独立电源的运行方法，在实施例1独立电源的基础上，提出了其运行方法。

包括以下步骤：

步骤1：给电池管理系统通电。

闭合空气开关，接通外部电源，外部电源的交流电通过AC/DC转换器转换为直流电，再通过DC/DC转换器稳压，供电给电池管理系统；若外部电源无电，按非自锁开关并保持1s-2s，稀土新电源的放电端的电压通过DC/DC转换器稳压后，供电给电池管理系统。

步骤2：电池管理系统控制放电接触器和充电接触器均连通，外部电源供电给并联式充电器，并联式充电器的每个充电接口给对应的单体电池充电，稀土新电源的放电端放电。

电池管理系统上电后优先默认放电接触器和充电接触器是连通的，若是外部有输入电，并联式充电器给每个单体电池充电，同时本独立电源向外输出24V电压。

步骤3：并联式充电器输入所有单体电池的总充电量，通过通讯线发送电池管理系统；电池管理系统将总充电量和放电量的差值作为净充电量，从而计算出稀土新电源的带电量SOC。放电量的计算方式是电流与额定电压24V积分，电压固定一个数值，只有电流是随时间的变量，计算更为简单可靠，同时消除充放电因为电压不同带来的累积误差，提高SOC准确度，也不用考虑传统的电池健康判断。

在充电过程中，若所述稀土新电源的带电量SOC达到设定第一值，则电池管理系统发出指令并断开充电接触器，并联式充电器与外部电源断开，停止充电。第一设定值可为SOC40％。

在充电过程中，若有单体电池的单体电压达到其充电截止电压，相应的充电接口停止给单体充电器充电。其他充电接口继续充电。

并联式充电器整体停止充电后，就进行内部反馈式充电。进行单体电池之间的电压平衡，独立电源放电过程中，单体电池之间一直在平衡。

步骤4：稀土新电源停止充电后，依然放电，若稀土新电源的带电量SOC低于设定第二值，电池管理系统发出指令连通充电接触器。或单体电压低于设定的单体电压下限值或稀土新电源总电压低于设定总电压下限值，电池管理系统也发出指令连通充电接触器。设定第二值可为SOC10％或20％。

若外部电源有电，并联式充电器又开始充电，重复步骤3；

若外部电源无电，并联式充电器一直没有充电，当稀土新电源的带电量低于设定下限值，电池管理系统发出指令断开放电接触器，稀土新电源停止放电。若或有单体电池的单体电压达到设定单体电压下限值，或稀土新电源的总电压达到设定总电压下限值，电池管理系统也会发出指令断开放电接触器，稀土新电源停止放电。稀土新电源的带电量、总电压或单体电压，有一个达到下限值，电池管理系统就会发出指令断开放电接触器，防止稀土新电源过放。

稀土新电源的带电量的设定下限值可为SOC5％，稀土新电源的总电压为20～24V，设定总电压下限值可为20V。单体电池的单体电压为2.0～2.4V，设定单体电压下限值可为2.0V。下限值根据不同的负载、不同温度而不同。

步骤5：稀土新电源停止放电后，若外部电源来电，重复步骤1。开始新的循环。

外部电源可为燃油发电机，稀土新电源的带电量降低到一定值，再进行充电，不持续的充电，可减少燃油发电机持续工作的强度，同时给燃油发电机冷却休息时间，在某种特定时刻，还能起到静默作用，但又保持用电设备最低用电需求。此外，稀土新电源的带电量低于一定值，及时充电，使得电池在电压平稳区间充放电，使效率最大化的同时，还提高寿命。

本独立电源可以自行开启和关闭，独立电源通过自行开启与关闭实现电源不过充不过放。运行时间超过1个月或者搁置一个月以上不用的电源，单体电池压差会很大，需要均衡，现在使用比较多的是主动均衡和被动均衡，主动均衡是通过外在的多个充电器进行，被动均衡是直接通过电池管理系统进行，但电流很小，被动均衡效果差。本发明将电池管理系统和各充电器集成在一起。

本独立电源在实际应用中的具体实例如下：

实例1

某24V直流电机需要稳定的24V电源，配置一个24V独立电源，按照如下程序运行：

a、安装10节稀土单体电池、带10个充电接口的并联式充电器、电池管理系统、放电接触器、非自锁开关、充电接触器、DC/DC和AC/DC，连接好线路，然后连通输入端的空气开关，按非自锁开关，保持2s，DC/DC连通，电池管理系统上电；

b、电池管理系统上电后优先默认放电接触器和充电接触器是连通的，若是外部电源有输入电，并联式充电器给每个单体电池充电，同时独立电源向外输出24V；

c、并联式充电器输入的总充电量通过通讯发送给电池管理系统，电池管理系统将总充电量和放电量的差值作为净充电量从而计算出稀土新电源带电量，当带电量达到设定第一值时30％，电池管理系统就会发出指令并断开充电接触器，并联式充电器被迫停止充电；并联式充电器在充电过程中，若单体电压到了充电截止电压，相应的充电接口也会自动停止充电；

d、停止充电后，输出一直在进行，当稀土新电源带电量低于5％、单体电压低于2.0V或总电压低于20V中的任意一个值或同时到达时，电池管理系统会发出指令连通充电接触器，并联式充电器又开始充电，回到c；

e、若输出一直在进行，而并联式充电器一直没有充电，当稀土新电源带电量低于设定下限值、单体电压或总电压到了下限值，电池管理系统会发出指令断开放电接触器，输出自动停止；

f、若外部电源有输入电，回到b，开始新的循环。

实施例24V直流电机全天候下均正常运行，独立电源连续运行一年，电池压差小于3mV，充放电效率大于99.5％，带电量SOC精度误差小于0.2％，电池容量衰减小于1％，温度最高35℃，可以满足五年无故障率的质保需求。

实例2

某低压光伏基站配置24V独立电源，采用外部电源采用光伏供电，按照如下程序运行：

a、安装10节稀土单体电池、带10个充电接口的并联式充电器、电池管理系统、放电接触器、非自锁开关、充电接触器、DC/DC和AC/DC，连接好线路，然后连通输入端的空气开关，此时是白天有光照，外部电源光伏有电，DC/DC自动连通，电池管理系统上电；

b、电池管理系统上电后优先默认放电继电器和充电继电器是连通的，若是外部电源有输入电，并联式充电器给每个单体电池充电，同时独立电源向外输出24V；

c、并联式充电器输入的总充电量通过通讯发送给电池管理系统，电池管理系统将总充电量和放电量的差值作为净充电量从而计算出稀土新电源带电量，当带电量达到40％值时，电池管理系统就会发出指令并断开充电接触器，并联式充电器被迫停止充电；并联式充电器在充电过程中，若单体电压到了充电截止电压，相应的充电接口也会自动停止充电；

d、停止充电后，输出一直在进行，当稀土新电源带电量低于一定20％、单体电压低2.4V或总电压低于24V中的任意一个值或同时到达时，电池管理系统会发出指令连通充电接触器，并联式充电器又开始充电，回到c；

e、若输出一直在进行，而并联式充电器一直没有充电，当稀土新电源带电量低于下限值、单体电压或总电压到了下限值，电池管理系统会发出指令断开放电接触器，输出自动停止；

f、若外部电源光伏有输入电，电池管理系统自动上电，回到b，开始新的循环。

实施例24V低压光伏基站全天候下均正常运行，独立电源连续运行三年，电池压差小于5mV，充放电效率大于98％，带电量SOC精度误差小于0.5％，电池容量衰减小于5％，温度最高41℃，可以满足六年无故障率的质保需求。

实例3

某海边低压信号器配置24V独立电源，采用光伏+燃油机供电，按照如下程序运行：

独立电源现场与外界连接，现场安装10节稀土单体电池、带10个充电接口的并联式充电器、电池管理系统、放电接触器、非自锁开关、充电接触器、DC/DC和AC/DC，连接好线路，然后连通输入端的空气开关，此时是若燃油机起动发电或光伏在发电，DC/DC自动连通，电池管理系统上电；若没有，就人工按非自锁开关，保持1s，DC/DC连通，电池管理系统上电；

电池管理系统上电后优先默认放电继电器和充电继电器是连通的，若是外部电源有输入电，并联式充电器给每个单体电池充电，同时独立电源向外输出24V；

c、并联式充电器输入的总充电量通过通讯发送给电池管理系统，电池管理系统将总充电量和放电量的差值作为净充电量从而计算出稀土新电源带电量，当带电量达到35％值时，电池管理系统就会发出指令并断开充电接触器，并联式充电器被迫停止充电；并联式充电器在充电过程中，若单体电压到了充电截止电压，相应的充电接口也会自动停止充电；

d、停止充电后，输出一直在进行，当电池带电量低于一定10％、单体电压低于2.2V或总电压低于22V中的任意一个值或同时到达时，电池管理系统会发出指令连通充电接触器，并联式充电器又开始充电，回到步骤c；

e、若输出一直在进行，而并联式充电器一直没有充电，当稀土新电源带电量低于下限值、单体电压或总电压到了下限值，电池管理系统会发出指令断开放电接触器，输出自动停止；

f、若外部电源光伏有输入电，电池管理系统自动上电，回到b，开始新的循环。

实施例海边24V压信号器全天候下均正常运行，独立电源连续运行两年，电池压差小于3mV，充放电效率大于98.5％，带电量SOC精度误差小于0.5％，电池容量衰减小于2％，温度最高50℃，可以满足五年无故障率的质保需求。