一種基于脈沖寬度調制技術的遠程無線電池管理系統及方法與流程

本發明涉及電池領域，尤其是一種基于脈沖寬度調制技術的遠程無線電池管理系統及方法。

背景技術：

隨著鋰離子電池的廣泛應用，其安全性問題越來越受重視。對鋰離子電池的參數進行實時檢測可以有效避免電池的不安全使用，并且可以盡量發揮電池的性能。有些應用領域由于條件限制，難于鋪設線路，需要對電池進行遠距離的監測，比如路燈蓄電池管理；或者由于大量使用，逐個連接監測線路比較麻煩如基站電源管理中電池的狀態監測或者大量在通信電臺集中的場合等，可通過無線網絡對采集的數據進行傳輸管理。

同時，電力機車用蓄電池承擔著機車升弓前為輔助系統供電的任務，蓄電池的質量顯得至關重要。目前電力機車用蓄電池充放電裝置大多使用傳統的相控整流充電技術，雖然技術成熟、價格低廉，但調節周期長、動態響應慢、功率因數低，諧波污染也比較大，易造成對電網的污染。為保證質量，電力機車用蓄電池在出廠前需要進行老化試驗。目前的出廠測試老化試驗大多使用水泥電阻等能耗型負載充當被試電源產品的負載。能耗型負載雖然成本低廉，但能量被白白消耗掉，會造成電能的大量浪費。

技術實現要素：

本發明的發明目的在于：針對上述存在的問題，提供一種基于脈沖寬度調制技術的遠程無線電池管理系統及方法及方法，它具有能耗低，功率因數大，能實現恒流或恒壓充放電以及實現負載大小靈活調節，并能將試驗過程中的能量反饋回電網，實現了能源的再利用，同時無線監測系統可以實現對多個獨立電源的在線監測，對其狀態參數信號進行穩定的收發，給監測終端提供及時有效的電池組狀態信息。

本發明采用的技術方案如下：

一種基于脈沖寬度調制技術的遠程無線電池管理系統及方法，其特征在于，所述系統包括：用于對本地的電池進行充放電管理和檢測的充放電管理系統和位于遠程用于監控充放電管理系統運行狀態的遠程監控系統；所述充放電管理系統包括：蓄電池直流電源，所述蓄電池直流電源信號連接于DC/DC變換器；所述DC/DC變換器信號連接于脈沖整流器；所述脈沖整流器信號連接于隔離變換器；所述隔離變換器接入電網；同時充放電管理系統還包括一個控制系統；所述控制系統分別信號連接于DC/DC變換器、脈沖整流器、遠程監控系統和一個傳感器。

進一步的，所述控制系統包括：數模轉換裝置、微控制單元和發射芯片；所述微控制單元分別信號連接于數模轉換裝置和發射芯片。

進一步的，所述遠程監控系統包括：接收芯片、微控制單元和數據傳輸接口；

所述接受芯片信號連接于微控制單元；所述微控制單元通過數據傳輸接口能夠和上位機進行數據通信。

進一步的，所述DC/DC變換器為頻率雙重化DC/DC變換器，其開關頻率能夠達到40kHz；不但能夠對直流輸入電壓進行變換處理，而且還可以對直流輸入電流進行調節和控制，在DC／DC階段實現能量調控。

進一步的，所述傳感器包括：電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器；所述電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器分別信號連接于數模轉換裝置。

進一步的，所述脈沖整流器為三相脈沖整流器；所述三相脈沖整流器的作用是將DC／DC變換器輸出的穩定直流電壓逆變為三相交流電壓，通過調節脈沖整流器三相輸出電壓的大小以及控制與電網電壓之間的相位差，脈沖整流器不但能夠將DC／DC變換器送過來的能量饋入三相交流電網，而且還能夠有效調控蓄電池充放電裝置交流側的功率因數。

進一步的，所述三相脈沖整流器的參數計算方法包括以下步驟：

步驟1：建立三相脈沖整流器的開關函數模型為：

；

其中 ;

步驟2：根據建立的開關函數模型得到主電路的數學模型為：

；

通過上述公式可以實時獲取系統中三相脈沖整流器各個數據信息，根據數據信息得到三相脈沖整流器的所有參數。

進一步的，所述遠程監控系統在監測過程中設定的電池組工作狀態參數正常范圍為：工作電壓為3.4V～4.1V，工作電流<2.5A，工作溫度為-10℃～60℃，內阻值為初始值的2倍以內；當電池處于正常工作范圍時，監測系統每隔60s對電壓、電流、溫度采樣一次，采樣10次以后，對10次采樣值取算術平均值然后發送。正常情況下電池組每循環10次啟動內阻采樣電路進行采樣；

若電池狀態參數超出正常工作范圍，采樣電路進入快速采樣階段，每隔10s對電壓、電流和溫度采樣一次，對10次采樣值取算術平均值，同時啟動電池組內阻采樣電路對內組進行采樣并發送采樣數據。

綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是：基于脈沖寬度調制整流的雙向蓄電池充放電裝置解決了傳統裝置的電能浪費問題，把90％的試驗能耗回饋電網，實現了能量雙向流動，采用SPWM調制方式可使網側電流正弦化，功率因數高，能夠實現充放電功率的靈活調節。放電功率的可控性簡化了操作人員的工作，同時也提高了數據的可靠性與設備的安全性。遠程無線數據傳輸系統,以簡潔的硬件電路實現電池參數信號的采集與存儲,通過監控系統的設計減小了系統對電能的消耗以及傳輸誤差。無線監測系統可以實現對多個獨立電源的在線監測，對其狀態參數信號進行穩定的收發，給監測終端提供及時有效的電池組狀態信息。

附圖說明

本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1是本發明的一種基于脈沖寬度調制技術的遠程無線電池管理系統及方法的系統結構示意圖。

圖2是本發明的一種基于脈沖寬度調制技術的遠程無線電池管理系統及方法的功率控制電路結構示意圖。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書（包括任何附加權利要求、摘要）中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。

本發明實施例1中提供了一種基于脈沖寬度調制技術的遠程無線電池管理系統及方法，系統結構如圖1所示，矯正電路結構示意圖如圖2所示：

一種基于脈沖寬度調制技術的遠程無線電池管理系統及方法，其特征在于，所述系統包括：用于對本地的電池進行充放電管理和檢測的充放電管理系統和位于遠程用于監控充放電管理系統運行狀態的遠程監控系統；所述充放電管理系統包括：蓄電池直流電源，所述蓄電池直流電源信號連接于DC/DC變換器；所述DC/DC變換器信號連接于脈沖整流器；所述脈沖整流器信號連接于隔離變換器；所述隔離變換器接入電網；同時充放電管理系統還包括一個控制系統；所述控制系統分別信號連接于DC/DC變換器、脈沖整流器、遠程監控系統和一個傳感器。

進一步的，所述控制系統包括：數模轉換裝置、微控制單元和發射芯片；所述微控制單元分別信號連接于數模轉換裝置和發射芯片。

進一步的，所述遠程監控系統包括：接收芯片、微控制單元和數據傳輸接口；

所述接受芯片信號連接于微控制單元；所述微控制單元通過數據傳輸接口能夠和上位機進行數據通信。

進一步的，所述DC/DC變換器為頻率雙重化DC/DC變換器，其開關頻率能夠達到40kHz；不但能夠對直流輸入電壓進行變換處理，而且還可以對直流輸入電流進行調節和控制，在DC／DC階段實現能量調控。

進一步的，所述傳感器包括：電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器；所述電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器分別信號連接于數模轉換裝置。

進一步的，所述脈沖整流器為三相脈沖整流器；所述三相脈沖整流器的作用是將DC／DC變換器輸出的穩定直流電壓逆變為三相交流電壓，通過調節脈沖整流器三相輸出電壓的大小以及控制與電網電壓之間的相位差，脈沖整流器不但能夠將DC／DC變換器送過來的能量饋入三相交流電網，而且還能夠有效調控蓄電池充放電裝置交流側的功率因數。

本發明實施例2中提供了一種基于脈沖寬度調制技術的遠程無線電池管理系統及方法，系統結構如圖1所示，功率控制電路結構示意圖如圖2所示：

一種基于脈沖寬度調制技術的遠程無線電池管理系統及方法，其特征在于，所述系統包括：用于對本地的電池進行充放電管理和檢測的充放電管理系統和位于遠程用于監控充放電管理系統運行狀態的遠程監控系統；所述充放電管理系統包括：蓄電池直流電源，所述蓄電池直流電源信號連接于DC/DC變換器；所述DC/DC變換器信號連接于脈沖整流器；所述脈沖整流器信號連接于隔離變換器；所述隔離變換器接入電網；同時充放電管理系統還包括一個控制系統；所述控制系統分別信號連接于DC/DC變換器、脈沖整流器、遠程監控系統和一個傳感器。

進一步的，所述控制系統包括：數模轉換裝置、微控制單元和發射芯片；所述微控制單元分別信號連接于數模轉換裝置和發射芯片。

進一步的，所述遠程監控系統包括：接收芯片、微控制單元和數據傳輸接口；

所述接受芯片信號連接于微控制單元；所述微控制單元通過數據傳輸接口能夠和上位機進行數據通信。

進一步的，所述DC/DC變換器為頻率雙重化DC/DC變換器，其開關頻率能夠達到40kHz；不但能夠對直流輸入電壓進行變換處理，而且還可以對直流輸入電流進行調節和控制，在DC／DC階段實現能量調控。

進一步的，所述傳感器包括：電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器；所述電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器分別信號連接于數模轉換裝置。

進一步的，所述脈沖整流器為三相脈沖整流器；所述三相脈沖整流器的作用是將DC／DC變換器輸出的穩定直流電壓逆變為三相交流電壓，通過調節脈沖整流器三相輸出電壓的大小以及控制與電網電壓之間的相位差，脈沖整流器不但能夠將DC／DC變換器送過來的能量饋入三相交流電網，而且還能夠有效調控蓄電池充放電裝置交流側的功率因數。

進一步的，所述三相脈沖整流器的參數計算方法包括以下步驟：

步驟1：建立三相脈沖整流器的開關函數模型為：

；

其中 ;

步驟2：根據建立的開關函數模型得到主電路的數學模型為：

；

通過上述公式可以實時獲取系統中三相脈沖整流器各個數據信息，根據數據信息得到三相脈沖整流器的所有參數。

進一步的，所述遠程監控系統在監測過程中設定的電池組工作狀態參數正常范圍為：工作電壓為3.4V～4.1V，工作電流<2.5A，工作溫度為-10℃～60℃，內阻值為初始值的2倍以內；當電池處于正常工作范圍時，監測系統每隔60s對電壓、電流、溫度采樣一次，采樣10次以后，對10次采樣值取算術平均值然后發送。正常情況下電池組每循環10次啟動內阻采樣電路進行采樣；

若電池狀態參數超出正常工作范圍，采樣電路進入快速采樣階段，每隔10s對電壓、電流和溫度采樣一次，對10次采樣值取算術平均值，同時啟動電池組內阻采樣電路對內組進行采樣并發送采樣數據。

本發明實施例3中提供了一種基于脈沖寬度調制技術的遠程無線電池管理系統及方法，系統結構如圖1所示，功率控制電路結構示意圖如圖2所示：

一種基于脈沖寬度調制技術的遠程無線電池管理系統及方法，其特征在于，所述系統包括：用于對本地的電池進行充放電管理和檢測的充放電管理系統和位于遠程用于監控充放電管理系統運行狀態的遠程監控系統；所述充放電管理系統包括：蓄電池直流電源，所述蓄電池直流電源信號連接于DC/DC變換器；所述DC/DC變換器信號連接于脈沖整流器；所述脈沖整流器信號連接于隔離變換器；所述隔離變換器接入電網；同時充放電管理系統還包括一個控制系統；所述控制系統分別信號連接于DC/DC變換器、脈沖整流器、遠程監控系統和一個傳感器。

進一步的，所述控制系統包括：數模轉換裝置、微控制單元和發射芯片；所述微控制單元分別信號連接于數模轉換裝置和發射芯片。

進一步的，所述遠程監控系統包括：接收芯片、微控制單元和數據傳輸接口；

所述接受芯片信號連接于微控制單元；所述微控制單元通過數據傳輸接口能夠和上位機進行數據通信。

進一步的，所述DC/DC變換器為頻率雙重化DC/DC變換器，其開關頻率能夠達到40kHz；不但能夠對直流輸入電壓進行變換處理，而且還可以對直流輸入電流進行調節和控制，在DC／DC階段實現能量調控。

進一步的，所述傳感器包括：電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器；所述電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器分別信號連接于數模轉換裝置。

進一步的，所述脈沖整流器為三相脈沖整流器；所述三相脈沖整流器的作用是將DC／DC變換器輸出的穩定直流電壓逆變為三相交流電壓，通過調節脈沖整流器三相輸出電壓的大小以及控制與電網電壓之間的相位差，脈沖整流器不但能夠將DC／DC變換器送過來的能量饋入三相交流電網，而且還能夠有效調控蓄電池充放電裝置交流側的功率因數。

進一步的，所述三相脈沖整流器的參數計算方法包括以下步驟：

步驟1：建立三相脈沖整流器的開關函數模型為：

；

其中 ;

步驟2：根據建立的開關函數模型得到主電路的數學模型為：

；

通過上述公式可以實時獲取系統中三相脈沖整流器各個數據信息，根據數據信息得到三相脈沖整流器的所有參數。

進一步的，所述遠程監控系統在監測過程中設定的電池組工作狀態參數正常范圍為：工作電壓為3.4V～4.1V，工作電流<2.5A，工作溫度為-10℃～60℃，內阻值為初始值的2倍以內；當電池處于正常工作范圍時，監測系統每隔60s對電壓、電流、溫度采樣一次，采樣10次以后，對10次采樣值取算術平均值然后發送。正常情況下電池組每循環10次啟動內阻采樣電路進行采樣；

若電池狀態參數超出正常工作范圍，采樣電路進入快速采樣階段，每隔10s對電壓、電流和溫度采樣一次，對10次采樣值取算術平均值，同時啟動電池組內阻采樣電路對內組進行采樣并發送采樣數據。

功率控制電路中，充電時，S1閉合，邏輯控制電路輸出的UL1為高電平，UL2為低電平，與門D1輸出驅動脈沖，D2無驅動脈沖。改變PWM整流器載波信號uc的大小，PWM電路的占空比將會隨之變化，從而達到改變功率的目的。當uc增加，占空比a1增加，Uo增加，由式(1)可知，充電電流Io增加，充電功率增加。

放電時，S2閉合，邏輯控制電路輸出UL1為低電平，UL2為高電平，與門D2輸出驅動脈沖，當uc增加，占空比a2增加，Uo增加，由式(4)可知，放電電流Io增加，放電功率增大，從而實現由占空比控制放電功率的目的。

在充電切換到放電過程中，當S1斷開，S2閉合時，為防止T1，T4均導通，使電源E經T2，T4而直通短路，在D1與D2的輸出脈沖之間必須設置一定的死區時間，封鎖D1且延時一定時間后，再開放D2的輸出脈沖。

本發明并不局限于前述的具體實施方式。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。