張傳遠(yuǎn)，薛 莉，王光磊，王丹丹，張國一

（北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京）

引言

蓄電池組作為電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中的直流系統(tǒng)向外供電的唯一設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行的重要物理基礎(chǔ)[1-2]，因此蓄電池組自身的運(yùn)行安全性、可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的安全可靠性[3-5]。目前備用電池管理系統(tǒng)，水平參差不齊，存在單個裝置功能單一、整體系統(tǒng)設(shè)備繁瑣、接線復(fù)雜和缺乏有效的自動化遠(yuǎn)程監(jiān)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(shù)的電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能通過基于唯一編碼技術(shù)、互斥互鎖技術(shù)及狀態(tài)反饋技術(shù)、電池矩陣網(wǎng)絡(luò)動態(tài)重構(gòu)技術(shù)的單體管控模塊實(shí)現(xiàn)電池的狀態(tài)監(jiān)測、主動均衡、動態(tài)維護(hù)，又可以通過在線巡檢與運(yùn)維云平臺軟件實(shí)現(xiàn)蓄電池在線信息展示及監(jiān)測、自動運(yùn)維、遠(yuǎn)程調(diào)度等功能，從而實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的智能化及網(wǎng)絡(luò)化管控。

1 單體電池智能化技術(shù)

單體電池智能化技術(shù)，通過連接在電池正負(fù)極端可監(jiān)測單體電池、可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的單體管控模塊，將傳統(tǒng)電池單體與柔性管控系統(tǒng)“智能化、一體化”，實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的智能化。

1.1 互斥互鎖技術(shù)及狀態(tài)反饋技術(shù)

單體管控模塊中的控制管理單元用于實(shí)現(xiàn)控制單節(jié)電池的投入和退出、通斷和隔離，分別對應(yīng)設(shè)計(jì)了級聯(lián)開關(guān)和旁路開關(guān)兩個高通流能力電子式開關(guān)。

（1）互斥互鎖技術(shù)

由于在邏輯上單節(jié)電池只能處于投入狀態(tài)和退出狀態(tài)其中一種狀態(tài)，因此在硬件上設(shè)計(jì)級聯(lián)開關(guān)和旁路開關(guān)為互斥互鎖關(guān)系。級聯(lián)開關(guān)合同時旁路開關(guān)開，實(shí)現(xiàn)單節(jié)電池的投入，旁路開關(guān)合同時級聯(lián)開關(guān)開實(shí)現(xiàn)單節(jié)電池的退出。

如圖1 所示，級聯(lián)開關(guān)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(dāng)使能SW_JL_EN 為高電平信號時，才能輸出SW_JL_OUT，旁路開關(guān)同理。

圖1 互斥互鎖技術(shù)原理

級聯(lián)開關(guān)通道的輸入SW_JL_IN 與旁路開關(guān)通道的使能SW_PL_EN 相互關(guān)聯(lián)，當(dāng)控制級聯(lián)開關(guān)通道的輸入SW_JL_IN 時，旁路開關(guān)通道的使能SW_PL_EN為低電平，導(dǎo)致旁路開關(guān)通道被鎖住不工作，旁路開關(guān)同理。因此，對于級聯(lián)開關(guān)通道和旁路開關(guān)通道，當(dāng)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(dá)到互斥互鎖的目的。

（2）狀態(tài)反饋技術(shù)

為保證開關(guān)的安全性和可靠性，在硬件上設(shè)計(jì)雙開關(guān)狀態(tài)反饋信號，確保級聯(lián)開關(guān)和旁路開關(guān)的開合狀態(tài)。

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

圖2 狀態(tài)反饋技術(shù)原理

這三個信號的控制關(guān)系為：MCU 輸出的控制信號為SW_JL_OUT 能夠驅(qū)動級聯(lián)開關(guān)的動作信號SW_JL_CTRL，從而使級聯(lián)開關(guān)開合，級聯(lián)開關(guān)的動作信號SW_JL_CTRL 能夠產(chǎn)生一個級聯(lián)開關(guān)的狀態(tài)反饋信號SW_JL_STA，從而告知管控模塊MCU 級聯(lián)開關(guān)的實(shí)時狀態(tài)。通過兩級聯(lián)動操控，不僅達(dá)到了通過V1 電平值來動作開關(guān)的目的，而且還同時反饋了V2電平值的狀態(tài)信號，“一控一應(yīng)”，確保了開關(guān)的安全性和可靠性。

1.2 電池矩陣網(wǎng)絡(luò)動態(tài)重構(gòu)技術(shù)

單體管控模塊組成的電池動態(tài)重構(gòu)開關(guān)矩陣是電池矩陣網(wǎng)絡(luò)動態(tài)重構(gòu)技術(shù)的核心。利用電池矩陣網(wǎng)絡(luò)動態(tài)重構(gòu)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)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(wǎng)絡(luò)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(lián)開關(guān)和旁路開關(guān)也一一對應(yīng)編號。電池系統(tǒng)正常工作時，級聯(lián)開關(guān)全部閉合，旁路開關(guān)全部打開。當(dāng)監(jiān)測到B02 單體電池出現(xiàn)故障時，打開B02_JL 級聯(lián)開關(guān)，同時閉合B02_PL 旁路開關(guān)，實(shí)現(xiàn)故障電池B02 單體電池的退出隔離，蓄電池組矩陣網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)如圖3，B02 單體電池被隔離，整個電池系統(tǒng)得到保護(hù)。

圖3 單體電池隔離時，矩陣網(wǎng)絡(luò)動態(tài)重構(gòu)

當(dāng)需要對B02 電池主動均衡時，閉合B02_JL 級聯(lián)開關(guān)，同時打開B02_PL 旁路開關(guān)，與B02 電池串聯(lián)的其余電池B01、B03～B12 的級聯(lián)開關(guān)打開，旁路開關(guān)閉合，與B02 電池并聯(lián)的電池系統(tǒng)的其余電池的級聯(lián)開關(guān)和旁路開關(guān)全部打開，這樣充電電壓和電流就單獨(dú)引入到B02 電池上去了，如圖4 中箭頭所示，整體能量補(bǔ)充到單體最低電池上去，達(dá)到對單體蓄電池的單獨(dú)補(bǔ)電的效果，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)始終甄別電壓偏差最大的單體蓄電池進(jìn)行操作，以此類推，最終達(dá)到整組蓄電池各單體的均衡。

圖4 單體電池均衡時，矩陣網(wǎng)絡(luò)動態(tài)重構(gòu)

2 在線巡檢與運(yùn)維云平臺軟件

2.1 總體架構(gòu)

后臺系統(tǒng)客戶端采用移動互聯(lián)設(shè)計(jì)思想，將大數(shù)據(jù)、通信網(wǎng)絡(luò)、移動互聯(lián)、移動客戶等功能進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，可通過電腦Web 瀏覽器直接瀏覽，呈現(xiàn)“大數(shù)據(jù)+移動互聯(lián)”為一體的新模式，劃分為展示層、業(yè)務(wù)邏輯層、系統(tǒng)支撐層、數(shù)據(jù)存儲層、接入層五部分。

2.2 軟件功能

（1）自動維護(hù)功能

自動巡檢各單體電池電壓，針對低于設(shè)定浮充電壓的電池進(jìn)行階段性補(bǔ)充充電，并對過充電池進(jìn)行單體放電以解除過充狀態(tài)，對已經(jīng)硫化的電池進(jìn)行小電流脈沖除硫活化。

（2）異常告警功能

發(fā)現(xiàn)蓄電池組總電壓、單體電壓、環(huán)境溫度、電流等參數(shù)異常時，可及時發(fā)送隔離故障電池指令并且將電池故障信息及時傳遞至運(yùn)維人員。

（3）放電監(jiān)測功能

可設(shè)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(dá)任意一個設(shè)定條件時，系統(tǒng)會終止電池組放電。

（4）數(shù)據(jù)分析功能

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)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(zhǔn)確甄別落后電池。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

將電池管理系統(tǒng)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(tǒng)裝置設(shè)備，在通信機(jī)房安裝主站系統(tǒng)。通過主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對多個分站的綜合監(jiān)控、統(tǒng)一管理。

每個分站系統(tǒng)可同時監(jiān)測9 組蓄電池的實(shí)時運(yùn)行工況，同時控制9 組蓄電池組的核對性放電，還可對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、觀察、處理、分析，為用戶提供電池系統(tǒng)運(yùn)營的優(yōu)化策略，極大地提高了對蓄電池進(jìn)行維護(hù)的工作效率，實(shí)現(xiàn)多所變電站蓄電池組的7*24 h遠(yuǎn)程在線監(jiān)測、電池容量預(yù)測、電池劣化評估、預(yù)警異常蓄電池、對蓄電池的全生命周期的性能變化趨勢進(jìn)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(tǒng)給出分析建議，對落后蓄電池及早進(jìn)行針對性的維護(hù)或更換等策略。如圖5 顯示了單體電池日運(yùn)行曲線。

圖5 單體電池日運(yùn)行曲線

4 結(jié)論

通過給電池配置相應(yīng)單體管控模塊實(shí)現(xiàn)電池單體層面的充放電智能化控制、監(jiān)測保護(hù)和電池均衡管理，配套的在線巡檢與運(yùn)維云平臺軟件，將電池系統(tǒng)運(yùn)行基本信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)皆贫诉\(yùn)維監(jiān)控中心，構(gòu)建基于互聯(lián)網(wǎng)的智能化通信備用電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對試點(diǎn)應(yīng)用中每座分布式基站儲能系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)了變電站通信鉛酸蓄電池狀態(tài)實(shí)時有效監(jiān)測，提高了直流電源系統(tǒng)的安全可靠性，顯著提升了直流電源系統(tǒng)的維護(hù)水平，為智能電網(wǎng)直流電源系統(tǒng)的智能化、高效化、無人化提供有力的技術(shù)和方案支撐。