基于单体电池智能化技术的电源管理系统设计和应用

张传远，薛 莉，王光磊，王丹丹，张国一

（北京国电通网络技术有限公司，北京）

引言

蓄电池组作为电力系统和通信系统中的直流系统向外供电的唯一设备，是实现电网平稳运行的重要物理基础[1-2]，因此蓄电池组自身的运行安全性、可靠性和稳定性直接关系到电力系统和通信系统的安全可靠性[3-5]。目前备用电池管理系统，水平参差不齐，存在单个装置功能单一、整体系统设备繁琐、接线复杂和缺乏有效的自动化远程监测管理工具的不足[6]。

本文提出了一种基于单体电池智能化技术的电池管理系统，该系统既能通过基于唯一编码技术、互斥互锁技术及状态反馈技术、电池矩阵网络动态重构技术的单体管控模块实现电池的状态监测、主动均衡、动态维护，又可以通过在线巡检与运维云平台软件实现蓄电池在线信息展示及监测、自动运维、远程调度等功能，从而实现电池系统的智能化及网络化管控。

1 单体电池智能化技术

单体电池智能化技术，通过连接在电池正负极端可监测单体电池、可重构电池网络的单体管控模块，将传统电池单体与柔性管控系统“智能化、一体化”，实现电池系统的智能化。

1.1 互斥互锁技术及状态反馈技术

单体管控模块中的控制管理单元用于实现控制单节电池的投入和退出、通断和隔离，分别对应设计了级联开关和旁路开关两个高通流能力电子式开关。

（1）互斥互锁技术

由于在逻辑上单节电池只能处于投入状态和退出状态其中一种状态，因此在硬件上设计级联开关和旁路开关为互斥互锁关系。级联开关合同时旁路开关开，实现单节电池的投入，旁路开关合同时级联开关开实现单节电池的退出。

如图1 所示，级联开关通道的输入信号为SW_JL_IN，使能信号为SW_JL_EN，输出信号为SW_JL_OUT，只有当使能SW_JL_EN 为高电平信号时，才能输出SW_JL_OUT，旁路开关同理。

图1 互斥互锁技术原理

级联开关通道的输入SW_JL_IN 与旁路开关通道的使能SW_PL_EN 相互关联，当控制级联开关通道的输入SW_JL_IN 时，旁路开关通道的使能SW_PL_EN为低电平，导致旁路开关通道被锁住不工作，旁路开关同理。因此，对于级联开关通道和旁路开关通道，当其中一个通道输出工作时，另一个通道被锁不工作，两个通道同时只能有一个输出工作，达到互斥互锁的目的。

（2）状态反馈技术

为保证开关的安全性和可靠性，在硬件上设计双开关状态反馈信号，确保级联开关和旁路开关的开合状态。

如图2 所示，级联开关通道从管控模块MCU 输出的控制信号为SW_JL_OUT，电平值为V2（一般为3.3V）。级联开关的动作信号为SW_JL_CTRL，电平值为V1（12V 或者24V）。级联开关的状态反馈信号为SW_JL_STA，电平值为V2（一般为3.3V）。

图2 状态反馈技术原理

这三个信号的控制关系为：MCU 输出的控制信号为SW_JL_OUT 能够驱动级联开关的动作信号SW_JL_CTRL，从而使级联开关开合，级联开关的动作信号SW_JL_CTRL 能够产生一个级联开关的状态反馈信号SW_JL_STA，从而告知管控模块MCU 级联开关的实时状态。通过两级联动操控，不仅达到了通过V1 电平值来动作开关的目的，而且还同时反馈了V2电平值的状态信号，“一控一应”，确保了开关的安全性和可靠性。

1.2 电池矩阵网络动态重构技术

单体管控模块组成的电池动态重构开关矩阵是电池矩阵网络动态重构技术的核心。利用电池矩阵网络动态重构技术可以实现动态隔离故障单体电池、电池主动均衡、电池定期活化的功能。

以2*12 的2 并12 串的电池矩阵网络为例说明，每个单体电池具有唯一性编号：A01～A12、B01～B12。单体管控模块的级联开关和旁路开关也一一对应编号。电池系统正常工作时，级联开关全部闭合，旁路开关全部打开。当监测到B02 单体电池出现故障时，打开B02_JL 级联开关，同时闭合B02_PL 旁路开关，实现故障电池B02 单体电池的退出隔离，蓄电池组矩阵网络重构如图3，B02 单体电池被隔离，整个电池系统得到保护。

图3 单体电池隔离时，矩阵网络动态重构

当需要对B02 电池主动均衡时，闭合B02_JL 级联开关，同时打开B02_PL 旁路开关，与B02 电池串联的其余电池B01、B03～B12 的级联开关打开，旁路开关闭合，与B02 电池并联的电池系统的其余电池的级联开关和旁路开关全部打开，这样充电电压和电流就单独引入到B02 电池上去了，如图4 中箭头所示，整体能量补充到单体最低电池上去，达到对单体蓄电池的单独补电的效果，实现整体蓄电池组的能量均衡，同时极大的缩短均衡时间。在均衡过程中，系统始终甄别电压偏差最大的单体蓄电池进行操作，以此类推，最终达到整组蓄电池各单体的均衡。

图4 单体电池均衡时，矩阵网络动态重构

2 在线巡检与运维云平台软件

2.1 总体架构

后台系统客户端采用移动互联设计思想，将大数据、通信网络、移动互联、移动客户等功能进行系统化设计，可通过电脑Web 浏览器直接浏览，呈现“大数据+移动互联”为一体的新模式，划分为展示层、业务逻辑层、系统支撑层、数据存储层、接入层五部分。

2.2 软件功能

（1）自动维护功能

自动巡检各单体电池电压，针对低于设定浮充电压的电池进行阶段性补充充电，并对过充电池进行单体放电以解除过充状态，对已经硫化的电池进行小电流脉冲除硫活化。

（2）异常告警功能

发现蓄电池组总电压、单体电压、环境温度、电流等参数异常时，可及时发送隔离故障电池指令并且将电池故障信息及时传递至运维人员。

（3）放电监测功能

可设定总电压、单体电压、放电容量、放电时间这四个放电终止条件，到达任意一个设定条件时，系统会终止电池组放电。

（4）数据分析功能

通过对监测数据进行系统分析，绘制总电压、单体电压、充放电电流曲线图、电压平衡度趋势图等，分析蓄电池组健康性能和放电能力，准确甄别落后电池。

3 系统应用

将电池管理系统部署于某电力公司齐村变电站等站。对变电站的DC 48V 蓄电池组安装电池管理系统装置设备，在通信机房安装主站系统。通过主站系统实现对多个分站的综合监控、统一管理。

每个分站系统可同时监测9 组蓄电池的实时运行工况，同时控制9 组蓄电池组的核对性放电，还可对数据进行存储、观察、处理、分析，为用户提供电池系统运营的优化策略，极大地提高了对蓄电池进行维护的工作效率，实现多所变电站蓄电池组的7*24 h远程在线监测、电池容量预测、电池劣化评估、预警异常蓄电池、对蓄电池的全生命周期的性能变化趋势进行记录等功能。时间段电压走势图可纵向掌握蓄电池的性能变化趋势，系统给出分析建议，对落后蓄电池及早进行针对性的维护或更换等策略。如图5 显示了单体电池日运行曲线。

图5 单体电池日运行曲线

4 结论

通过给电池配置相应单体管控模块实现电池单体层面的充放电智能化控制、监测保护和电池均衡管理，配套的在线巡检与运维云平台软件，将电池系统运行基本信息远程传输到云端运维监控中心，构建基于互联网的智能化通信备用电源系统。该系统实现对试点应用中每座分布式基站储能系统的监控和管理，实现了变电站通信铅酸蓄电池状态实时有效监测，提高了直流电源系统的安全可靠性，显著提升了直流电源系统的维护水平，为智能电网直流电源系统的智能化、高效化、无人化提供有力的技术和方案支撑。