基于單體電池智能化技術的電源管理系統設計和應用

張傳遠，薛 莉，王光磊，王丹丹，張國一

（北京國電通網絡技術有限公司，北京）

引言

蓄電池組作為電力系統和通信系統中的直流系統向外供電的唯一設備，是實現電網平穩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、可靠性和穩定性直接關系到電力系統和通信系統的安全可靠性[3-5]。目前備用電池管理系統，水平參差不齊，存在單個裝置功能單一、整體系統設備繁瑣、接線復雜和缺乏有效的自動化遠程監測管理工具的不足[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，該系統既能通過基于唯一編碼技術、互斥互鎖技術及狀態反饋技術、電池矩陣網絡動態重構技術的單體管控模塊實現電池的狀態監測、主動均衡、動態維護，又可以通過在線巡檢與運維云平臺軟件實現蓄電池在線信息展示及監測、自動運維、遠程調度等功能，從而實現電池系統的智能化及網絡化管控。

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測單體電池、可重構電池網絡的單體管控模塊，將傳統電池單體與柔性管控系統“智能化、一體化”，實現電池系統的智能化。

1.1 互斥互鎖技術及狀態反饋技術

單體管控模塊中的控制管理單元用于實現控制單節電池的投入和退出、通斷和隔離，分別對應設計了級聯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

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

如圖1 所示，級聯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，當控制級聯開關通道的輸入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反饋信號，確保級聯開關和旁路開關的開合狀態。

如圖2 所示，級聯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）。級聯開關的動作信號為SW_JL_CTRL，電平值為V1（12V 或者24V）。級聯開關的狀態反饋信號為SW_JL_STA，電平值為V2（一般為3.3V）。

圖2 狀態反饋技術原理

這三個信號的控制關系為：MCU 輸出的控制信號為SW_JL_OUT 能夠驅動級聯開關的動作信號SW_JL_CTRL，從而使級聯開關開合，級聯開關的動作信號SW_JL_CTRL 能夠產生一個級聯開關的狀態反饋信號SW_JL_STA，從而告知管控模塊MCU 級聯開關的實時狀態。通過兩級聯動操控，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 電池矩陣網絡動態重構技術

單體管控模塊組成的電池動態重構開關矩陣是電池矩陣網絡動態重構技術的核心。利用電池矩陣網絡動態重構技術可以實現動態隔離故障單體電池、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開關和旁路開關也一一對應編號。電池系統正常工作時，級聯開關全部閉合，旁路開關全部打開。當監測到B02 單體電池出現故障時，打開B02_JL 級聯開關，同時閉合B02_PL 旁路開關，實現故障電池B02 單體電池的退出隔離，蓄電池組矩陣網絡重構如圖3，B02 單體電池被隔離，整個電池系統得到保護。

圖3 單體電池隔離時，矩陣網絡動態重構

當需要對B02 電池主動均衡時，閉合B02_JL 級聯開關，同時打開B02_PL 旁路開關，與B02 電池串聯的其余電池B01、B03～B12 的級聯開關打開，旁路開關閉合，與B02 電池并聯的電池系統的其余電池的級聯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，矩陣網絡動態重構

2 在線巡檢與運維云平臺軟件

2.1 總體架構

后臺系統客戶端采用移動互聯設計思想，將大數據、通信網絡、移動互聯、移動客戶等功能進行系統化設計，可通過電腦Web 瀏覽器直接瀏覽，呈現“大數據+移動互聯”為一體的新模式，劃分為展示層、業務邏輯層、系統支撐層、數據存儲層、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，對已經硫化的電池進行小電流脈沖除硫活化。

（2）異常告警功能

發現蓄電池組總電壓、單體電壓、環境溫度、電流等參數異常時，可及時發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，系統會終止電池組放電。

（4）數據分析功能

通過對監測數據進行系統分析，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 系統應用

將電池管理系統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裝置設備，在通信機房安裝主站系統。通過主站系統實現對多個分站的綜合監控、統一管理。

每個分站系統可同時監測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，還可對數據進行存儲、觀察、處理、分析，為用戶提供電池系統運營的優化策略，極大地提高了對蓄電池進行維護的工作效率，實現多所變電站蓄電池組的7*24 h遠程在線監測、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電池單體層面的充放電智能化控制、監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，將電池系統運行基本信息遠程傳輸到云端運維監控中心，構建基于互聯網的智能化通信備用電源系統。該系統實現對試點應用中每座分布式基站儲能系統的監控和管理，實現了變電站通信鉛酸蓄電池狀態實時有效監測，提高了直流電源系統的安全可靠性，顯著提升了直流電源系統的維護水平，為智能電網直流電源系統的智能化、高效化、無人化提供有力的技術和方案支撐。