一种基于脉冲宽度调制技术的远程无线电池管理系统及方法与流程

本发明涉及电池领域，尤其是一种基于脉冲宽度调制技术的远程无线电池管理系统及方法。

背景技术：

随着锂离子电池的广泛应用，其安全性问题越来越受重视。对锂离子电池的参数进行实时检测可以有效避免电池的不安全使用，并且可以尽量发挥电池的性能。有些应用领域由于条件限制，难于铺设线路，需要对电池进行远距离的监测，比如路灯蓄电池管理；或者由于大量使用，逐个连接监测线路比较麻烦如基站电源管理中电池的状态监测或者大量在通信电台集中的场合等，可通过无线网络对采集的数据进行传输管理。

同时，电力机车用蓄电池承担着机车升弓前为辅助系统供电的任务，蓄电池的质量显得至关重要。目前电力机车用蓄电池充放电装置大多使用传统的相控整流充电技术，虽然技术成熟、价格低廉，但调节周期长、动态响应慢、功率因数低，谐波污染也比较大，易造成对电网的污染。为保证质量，电力机车用蓄电池在出厂前需要进行老化试验。目前的出厂测试老化试验大多使用水泥电阻等能耗型负载充当被试电源产品的负载。能耗型负载虽然成本低廉，但能量被白白消耗掉，会造成电能的大量浪费。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于脉冲宽度调制技术的远程无线电池管理系统及方法及方法，它具有能耗低，功率因数大，能实现恒流或恒压充放电以及实现负载大小灵活调节，并能将试验过程中的能量反馈回电网，实现了能源的再利用，同时无线监测系统可以实现对多个独立电源的在线监测，对其状态参数信号进行稳定的收发，给监测终端提供及时有效的电池组状态信息。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于脉冲宽度调制技术的远程无线电池管理系统及方法，其特征在于，所述系统包括：用于对本地的电池进行充放电管理和检测的充放电管理系统和位于远程用于监控充放电管理系统运行状态的远程监控系统；所述充放电管理系统包括：蓄电池直流电源，所述蓄电池直流电源信号连接于DC/DC变换器；所述DC/DC变换器信号连接于脉冲整流器；所述脉冲整流器信号连接于隔离变换器；所述隔离变换器接入电网；同时充放电管理系统还包括一个控制系统；所述控制系统分别信号连接于DC/DC变换器、脉冲整流器、远程监控系统和一个传感器。

进一步的，所述控制系统包括：数模转换装置、微控制单元和发射芯片；所述微控制单元分别信号连接于数模转换装置和发射芯片。

进一步的，所述远程监控系统包括：接收芯片、微控制单元和数据传输接口；

所述接受芯片信号连接于微控制单元；所述微控制单元通过数据传输接口能够和上位机进行数据通信。

进一步的，所述DC/DC变换器为频率双重化DC/DC变换器，其开关频率能够达到40kHz；不但能够对直流输入电压进行变换处理，而且还可以对直流输入电流进行调节和控制，在DC／DC阶段实现能量调控。

进一步的，所述传感器包括：电压传感器、电流传感器和温度传感器；所述电压传感器、电流传感器和温度传感器分别信号连接于数模转换装置。

进一步的，所述脉冲整流器为三相脉冲整流器；所述三相脉冲整流器的作用是将DC／DC变换器输出的稳定直流电压逆变为三相交流电压，通过调节脉冲整流器三相输出电压的大小以及控制与电网电压之间的相位差，脉冲整流器不但能够将DC／DC变换器送过来的能量馈入三相交流电网，而且还能够有效调控蓄电池充放电装置交流侧的功率因数。

进一步的，所述三相脉冲整流器的参数计算方法包括以下步骤：

步骤1：建立三相脉冲整流器的开关函数模型为：

；

其中 ;

步骤2：根据建立的开关函数模型得到主电路的数学模型为：

；

通过上述公式可以实时获取系统中三相脉冲整流器各个数据信息，根据数据信息得到三相脉冲整流器的所有参数。

进一步的，所述远程监控系统在监测过程中设定的电池组工作状态参数正常范围为：工作电压为3.4V～4.1V，工作电流<2.5A，工作温度为-10℃～60℃，内阻值为初始值的2倍以内；当电池处于正常工作范围时，监测系统每隔60s对电压、电流、温度采样一次，采样10次以后，对10次采样值取算术平均值然后发送。正常情况下电池组每循环10次启动内阻采样电路进行采样；

若电池状态参数超出正常工作范围，采样电路进入快速采样阶段，每隔10s对电压、电流和温度采样一次，对10次采样值取算术平均值，同时启动电池组内阻采样电路对内组进行采样并发送采样数据。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：基于脉冲宽度调制整流的双向蓄电池充放电装置解决了传统装置的电能浪费问题，把90％的试验能耗回馈电网，实现了能量双向流动，采用SPWM调制方式可使网侧电流正弦化，功率因数高，能够实现充放电功率的灵活调节。放电功率的可控性简化了操作人员的工作，同时也提高了数据的可靠性与设备的安全性。远程无线数据传输系统,以简洁的硬件电路实现电池参数信号的采集与存储,通过监控系统的设计减小了系统对电能的消耗以及传输误差。无线监测系统可以实现对多个独立电源的在线监测，对其状态参数信号进行稳定的收发，给监测终端提供及时有效的电池组状态信息。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的一种基于脉冲宽度调制技术的远程无线电池管理系统及方法的系统结构示意图。

图2是本发明的一种基于脉冲宽度调制技术的远程无线电池管理系统及方法的功率控制电路结构示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明实施例1中提供了一种基于脉冲宽度调制技术的远程无线电池管理系统及方法，系统结构如图1所示，矫正电路结构示意图如图2所示：

一种基于脉冲宽度调制技术的远程无线电池管理系统及方法，其特征在于，所述系统包括：用于对本地的电池进行充放电管理和检测的充放电管理系统和位于远程用于监控充放电管理系统运行状态的远程监控系统；所述充放电管理系统包括：蓄电池直流电源，所述蓄电池直流电源信号连接于DC/DC变换器；所述DC/DC变换器信号连接于脉冲整流器；所述脉冲整流器信号连接于隔离变换器；所述隔离变换器接入电网；同时充放电管理系统还包括一个控制系统；所述控制系统分别信号连接于DC/DC变换器、脉冲整流器、远程监控系统和一个传感器。

进一步的，所述控制系统包括：数模转换装置、微控制单元和发射芯片；所述微控制单元分别信号连接于数模转换装置和发射芯片。

进一步的，所述远程监控系统包括：接收芯片、微控制单元和数据传输接口；

所述接受芯片信号连接于微控制单元；所述微控制单元通过数据传输接口能够和上位机进行数据通信。

进一步的，所述DC/DC变换器为频率双重化DC/DC变换器，其开关频率能够达到40kHz；不但能够对直流输入电压进行变换处理，而且还可以对直流输入电流进行调节和控制，在DC／DC阶段实现能量调控。

进一步的，所述传感器包括：电压传感器、电流传感器和温度传感器；所述电压传感器、电流传感器和温度传感器分别信号连接于数模转换装置。

进一步的，所述脉冲整流器为三相脉冲整流器；所述三相脉冲整流器的作用是将DC／DC变换器输出的稳定直流电压逆变为三相交流电压，通过调节脉冲整流器三相输出电压的大小以及控制与电网电压之间的相位差，脉冲整流器不但能够将DC／DC变换器送过来的能量馈入三相交流电网，而且还能够有效调控蓄电池充放电装置交流侧的功率因数。

本发明实施例2中提供了一种基于脉冲宽度调制技术的远程无线电池管理系统及方法，系统结构如图1所示，功率控制电路结构示意图如图2所示：

一种基于脉冲宽度调制技术的远程无线电池管理系统及方法，其特征在于，所述系统包括：用于对本地的电池进行充放电管理和检测的充放电管理系统和位于远程用于监控充放电管理系统运行状态的远程监控系统；所述充放电管理系统包括：蓄电池直流电源，所述蓄电池直流电源信号连接于DC/DC变换器；所述DC/DC变换器信号连接于脉冲整流器；所述脉冲整流器信号连接于隔离变换器；所述隔离变换器接入电网；同时充放电管理系统还包括一个控制系统；所述控制系统分别信号连接于DC/DC变换器、脉冲整流器、远程监控系统和一个传感器。

进一步的，所述控制系统包括：数模转换装置、微控制单元和发射芯片；所述微控制单元分别信号连接于数模转换装置和发射芯片。

进一步的，所述远程监控系统包括：接收芯片、微控制单元和数据传输接口；

所述接受芯片信号连接于微控制单元；所述微控制单元通过数据传输接口能够和上位机进行数据通信。

进一步的，所述DC/DC变换器为频率双重化DC/DC变换器，其开关频率能够达到40kHz；不但能够对直流输入电压进行变换处理，而且还可以对直流输入电流进行调节和控制，在DC／DC阶段实现能量调控。

进一步的，所述传感器包括：电压传感器、电流传感器和温度传感器；所述电压传感器、电流传感器和温度传感器分别信号连接于数模转换装置。

进一步的，所述脉冲整流器为三相脉冲整流器；所述三相脉冲整流器的作用是将DC／DC变换器输出的稳定直流电压逆变为三相交流电压，通过调节脉冲整流器三相输出电压的大小以及控制与电网电压之间的相位差，脉冲整流器不但能够将DC／DC变换器送过来的能量馈入三相交流电网，而且还能够有效调控蓄电池充放电装置交流侧的功率因数。

进一步的，所述三相脉冲整流器的参数计算方法包括以下步骤：

步骤1：建立三相脉冲整流器的开关函数模型为：

；

其中 ;

步骤2：根据建立的开关函数模型得到主电路的数学模型为：

；

通过上述公式可以实时获取系统中三相脉冲整流器各个数据信息，根据数据信息得到三相脉冲整流器的所有参数。

进一步的，所述远程监控系统在监测过程中设定的电池组工作状态参数正常范围为：工作电压为3.4V～4.1V，工作电流<2.5A，工作温度为-10℃～60℃，内阻值为初始值的2倍以内；当电池处于正常工作范围时，监测系统每隔60s对电压、电流、温度采样一次，采样10次以后，对10次采样值取算术平均值然后发送。正常情况下电池组每循环10次启动内阻采样电路进行采样；

若电池状态参数超出正常工作范围，采样电路进入快速采样阶段，每隔10s对电压、电流和温度采样一次，对10次采样值取算术平均值，同时启动电池组内阻采样电路对内组进行采样并发送采样数据。

本发明实施例3中提供了一种基于脉冲宽度调制技术的远程无线电池管理系统及方法，系统结构如图1所示，功率控制电路结构示意图如图2所示：

一种基于脉冲宽度调制技术的远程无线电池管理系统及方法，其特征在于，所述系统包括：用于对本地的电池进行充放电管理和检测的充放电管理系统和位于远程用于监控充放电管理系统运行状态的远程监控系统；所述充放电管理系统包括：蓄电池直流电源，所述蓄电池直流电源信号连接于DC/DC变换器；所述DC/DC变换器信号连接于脉冲整流器；所述脉冲整流器信号连接于隔离变换器；所述隔离变换器接入电网；同时充放电管理系统还包括一个控制系统；所述控制系统分别信号连接于DC/DC变换器、脉冲整流器、远程监控系统和一个传感器。

进一步的，所述控制系统包括：数模转换装置、微控制单元和发射芯片；所述微控制单元分别信号连接于数模转换装置和发射芯片。

进一步的，所述远程监控系统包括：接收芯片、微控制单元和数据传输接口；

所述接受芯片信号连接于微控制单元；所述微控制单元通过数据传输接口能够和上位机进行数据通信。

进一步的，所述DC/DC变换器为频率双重化DC/DC变换器，其开关频率能够达到40kHz；不但能够对直流输入电压进行变换处理，而且还可以对直流输入电流进行调节和控制，在DC／DC阶段实现能量调控。

进一步的，所述传感器包括：电压传感器、电流传感器和温度传感器；所述电压传感器、电流传感器和温度传感器分别信号连接于数模转换装置。

进一步的，所述脉冲整流器为三相脉冲整流器；所述三相脉冲整流器的作用是将DC／DC变换器输出的稳定直流电压逆变为三相交流电压，通过调节脉冲整流器三相输出电压的大小以及控制与电网电压之间的相位差，脉冲整流器不但能够将DC／DC变换器送过来的能量馈入三相交流电网，而且还能够有效调控蓄电池充放电装置交流侧的功率因数。

进一步的，所述三相脉冲整流器的参数计算方法包括以下步骤：

步骤1：建立三相脉冲整流器的开关函数模型为：

；

其中 ;

步骤2：根据建立的开关函数模型得到主电路的数学模型为：

；

通过上述公式可以实时获取系统中三相脉冲整流器各个数据信息，根据数据信息得到三相脉冲整流器的所有参数。

进一步的，所述远程监控系统在监测过程中设定的电池组工作状态参数正常范围为：工作电压为3.4V～4.1V，工作电流<2.5A，工作温度为-10℃～60℃，内阻值为初始值的2倍以内；当电池处于正常工作范围时，监测系统每隔60s对电压、电流、温度采样一次，采样10次以后，对10次采样值取算术平均值然后发送。正常情况下电池组每循环10次启动内阻采样电路进行采样；

若电池状态参数超出正常工作范围，采样电路进入快速采样阶段，每隔10s对电压、电流和温度采样一次，对10次采样值取算术平均值，同时启动电池组内阻采样电路对内组进行采样并发送采样数据。

功率控制电路中，充电时，S1闭合，逻辑控制电路输出的UL1为高电平，UL2为低电平，与门D1输出驱动脉冲，D2无驱动脉冲。改变PWM整流器载波信号uc的大小，PWM电路的占空比将会随之变化，从而达到改变功率的目的。当uc增加，占空比a1增加，Uo增加，由式(1)可知，充电电流Io增加，充电功率增加。

放电时，S2闭合，逻辑控制电路输出UL1为低电平，UL2为高电平，与门D2输出驱动脉冲，当uc增加，占空比a2增加，Uo增加，由式(4)可知，放电电流Io增加，放电功率增大，从而实现由占空比控制放电功率的目的。

在充电切换到放电过程中，当S1断开，S2闭合时，为防止T1，T4均导通，使电源E经T2，T4而直通短路，在D1与D2的输出脉冲之间必须设置一定的死区时间，封锁D1且延时一定时间后，再开放D2的输出脉冲。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。