本发明涉及通信直流电源的电池保护技术， 特别涉及一种直流电源的 电池保护装置和方法。 背景技术

通信直流电源广泛应用于各种交换设备、 微波通信、 移动基站和光纤 传输等通信领域中， 是通信设备的 "心脏"， 在通信网络中具有非常重要的 地位。 一旦电源系统发生故障而导致通信中断， 将会造成巨大的经济损失 和社会影响， 因此电源系统供电可靠性尤为重要， 蓄电池作为后备电源， 在交流电网停电的情况下， 可以继续为通信设备提供不间断供电。 近年来 随着通信行业迅速发展， 相继建立的千线光缆、 微波无人站、 移动基站等 使用了大量蓄电池。 因此在电源系统中， 电池管理是其重要的功能， 电池 维护管理的可靠性和完善性也是设计的重中之 重。

目前在通信行业中使用的蓄电池多为阀控密封 铅酸蓄电池， 为保证蓄 电池不出现过放电的情况， 电源系统都具有欠压保护功能， 即设置电池电 压保护门限， 当蓄电池电压降至保护电压时， 切断电池供电。 一般根据通 信设备的重要性， 电源系统具备两次下电功能， 具体来说， 当交流电中断 时， 由蓄电池继续给负载供电， 当蓄电池放电达到一定程度时， 为了保证 重要负载供电， 则要自动切断非重要负载， 让蓄电池只为重要负载供电， 这是一次下电； 当蓄电池继续放电至保护点时， 将电池对重要负载的供电 回路切断， 这就是二次下电。 二次下电可以有效延长重要负载的供电时间， 同时保护蓄电池不至过放而损坏。 通信直流电源系统二次下电的方式有两 种， 方式一、 一次下电断开次要负载， 二次下电断开重要负载， 这种方式 将负载从供电回路中切除； 方式二、 一次下电断开次要负载， 二次下电断 开电池， 这种方式将蓄电池从供电回路中切除。 相比方式一， 重要负载始 终与供电回路连接， 因此对误下电有一定的抗风险能力。 上述两种方式都 是基于阀控密封铅酸蓄电池以及电池放电管理 的保护理念。 随着科学技术 的发展及电化学材料及工艺技术的进步， 很多新型电池开始进入通信领域， 如磷酸铁锂电池等， 同铅酸蓄电池相比， 这类电池不适宜充满后仍与供电 系统相连长期处于在线浮充状态， 这会使电池的使用寿命衰减， 因此， 新 型电池的保护与铅酸蓄电池有所不同， 目前使用的两种下电方式不能满足 新型电池的保护需求。 发明内容

本发明提供一种直流电源的电池保护装置和方 法， 能够在直流电源异 常时无时延且平稳切换至电池供电， 确保系统给负载不间断供电， 并且能 够兼容多种类型电池的保护需求。

一种直流电源的电池保护装置， 包括监测单元、 直流电源、 可充电的 电池单元和负载单元， 还包括： 第一支路单元和第二支路单元；

所述监测单元与所述直流电源、 所述第一支路单元和第二支路单元分 别连接；

所述第一支路单元与所述第二支路单元并接， 并接一端连接到所述直 流电源， 另一端通过所述电池单元与负载单元串接；

当所述监测单元监测到所述直流电源供电正常 时， 控制所述第一支路 单元导通， 由所述直流电源向所述负载单元供电；

当所述监测单元监测到所述直流电源供电异常 时， 控制所述第二支路 单元导通， 由所述电池单元向所述负载单元供电。

一种电池保护的方法， 包括：

监测单元监测到所述直流电源供电正常时， 控制第一支路单元导通， 由所述直流电源向所述负载单元供电；

监测单元监测到所述直流电源供电异常时， 控制第二支路单元导通， 由所述电池单元向所述负载单元供电。

本发明实施例提供的直流电源的电池保护装置 ， 釆用第一支路单元、 第二支路单元并接， 并且并接的一端通过电池单元连接到负载单元 ， 另一 端连接到直流电源， 当监测单元监测到直流电源供电正常时， 控制第一支 路单元导通， 由直流电源向负载单元供电； 当监测单元监测到直流电源供 电异常时， 控制第二支路单元导通， 由电池单元向负载单元供电。 釆用第 一支路单元和第二支路单元的电池保护装置， 能够应对交流停电突发事件， 无时延且平稳切换至电池供电， 确保系统给负载不间断供电， 有力保障了 系统供电的可靠性和稳定性。 附图说明

图 la为本发明实施例提供的直流电源的电池保护� ��置的结构图； 图 lb为本发明实施例提供的直流电源的电池保护� ��置的具体结构图； 图 2 为本发明实施例提供的 -48V 通信直流电源的电池保护装置示意 图；

图 3为铁锂电池在工作情况一的非在线浮充示意� �；

图 4为一般电池在工作情况一的在线浮充示意图� �

图 5为直流电源停止供电且电池单元供电的示意� �；

图 6为直流电源停止供电且电池处于保护状态的� �意图；

图 7a、 图 7b为直流电源正常供电且电池充电的示意图；

图 8为本发明实施例提供的直流电源的电池保护� �法的流程图； 图 9为通信基站的电池保护装置示意图。 具体实施方式

本发明实施例提供一种通信直流电源的电池保 护装置， 能够通过控制 单元、 隔离单元的合理布局， 实现多种类型蓄电池保护措施的兼容， 满足 了蓄电池放电和充电的保护要求， 有效延长电池使用寿命， 有助于实现系 统整体节能。

本发明实施例提供一种直流电源的电池保护装 置， 如图 l a所示， 包括 监测单元、 直流电源、 可充电的电池单元和负载单元， 还包括： 第一支路 单元和第二支路单元；

监测单元与直流电源、 所述第一支路单元和第二支路单元分别连接； 第一支路单元与第二支路单元并接， 并接一端连接到直流电源， 另一 端通过电池单元与负载单元串接；

当监测单元监测到直流电源供电正常时， 控制第一支路单元导通， 由 直流电源向负载单元供电；

当监测单元监测到直流电源供电异常时， 控制第二支路单元导通， 由 电池单元向负载单元供电。

较佳地， 第一支路单元包括： 串接的控制单元 2和隔离单元 1 , 当直流 电源供电正常时， 且隔离单元 1 为导通状态； 直流电源供电异常时， 隔离 单元 1为非导通状态；

第二支路单元包括： 串接的控制单元 3和隔离单元 2， 当直流电源供电 正常时， 隔离单元 2为非导通状态 （即截止状态）。 直流电源供电异常时， 隔离单元 2为非导通状态；

较佳地， 隔离单元 1、 2为具有正向导通反向截止特性的元器件， 并且 隔离单元 1、 隔离单元 2在直流电源正常供电时的工作状态相反。

较佳地， 隔离单元 1、 2为具有正向导通反向截止特性的二极管类元� � 件， 具体地， 隔离单元 1为第一二极管， 隔离单元 2具体为第二二极管， 并且所述第一二极管和第二二极管在直流电源 正常供电时的导通方向相 反。

较佳地， 当监测单元监测到直流电源供电正常且电池单 元充满时， 且 电池类型为不支持在线浮充的电池类型时，控 制第一支路单元的控制单元 2 断开； 当监测单元监测到直流电源供电正常且电池正 在充电时， 控制第一 支路单元的控制单元 2 闭合， 由直流电源向负载单元供电并向电池单元充 电；

这样可以实现多种类型的电池兼容， 满足了蓄电池放电和充电的保护 要求， 有效延长电池使用寿命， 有助于实现系统整体节能。

较佳地， 负载单元包括重要负载和次要负载， 当所述监测单元监测到 电池单元的电压下降到一次下电电压值时， 控制电池单元只向重要负载供 电。

较佳地， 负载单元包括： 负载单元 1和负载单元 2, 且负载单元 1和控 制单元 1 相连， 当所述监测单元监测到电池单元的电压下降到 一次下电电 压值时， 控制控制单元 1断开。

下面结合具体附图详细说明本发明的装置和方 法。 需要说明的是本发 明实施例中的电池单元均是可充电的电池单元 。

实施例一

本发明实施例提供一种直流电源的电池保护装 置，如图 lb所示， 包括： 控制单元 1~3 , 监测单元， 隔离单元 1、 2, 负载单元 1、 2, 电池单元。 其中：

控制单元 1和负载单元 1组成的串联支路， 一端连接直流电源负极， 一端连接到直流电源正极， 控制单元 1用于控制负载单元 1是否接通直流 电源；

控制单元 2和隔离单元 1组成的串联支路， 一端连接直流电源负极， 一端通过隔离单元 1连接电池单元负极， 控制单元 2用于控制电池单元和 隔离单元 1是否接入直流电源负极；

控制单元 3和隔离单元 2组成的串联支路， 一端连接直流电源负极， 一端通过隔离单元 2连接电池单元负极， 控制单元 3用于控制电池单元和 隔离单元 2是否接入直流电源；

电池单元， 其正极连接到直流电源正极；

负载单元 2， 一端连接到直流电源正极， 一端连接到直流电源负极； 监测单元， 用于监控直流电源以及电池单元的工作状态， 并向控制单 元 1、 控制单元 2、 控制单元 3发出控制指令， 控制控制单元 1、 2、 3的断 开与闭合。

其中， 负载单元 1为次要负载， 负载单元 2为重要负载；

较佳地， 隔离单元 1、 隔离单元 2受电流流动方向控制， 其中： 隔离单 元 1在电流流向为从电池单元负极流向控制单元 2时导通，相反时截止（即 在电流流向为从控制单元 2流向电池单元负极时截止）。 隔离单元 2在电流 流向为从电池单元负极流向控制单元 3 时截止， 相反时导通 （即在电流流 向从控制单元 3流向电池单元负极时导通）。

具体地， 隔离单元 1为二极管 1 , 并且二极管 1的正极端连接电池单元 负极， 负极端连接直流电源负极； 隔离单元 2为二极管 2 , 并且二极管 2的 负极端连接电池单元负极， 正极端连接直流电源负极。

其中， 控制单元可具体为可控开关、 或者单稳态直流接触器、 或者双 稳态直流接触器， 只要是具有断开及闭合功能的器件即可。

下面结合具体的附图， 详细介绍各单元的功能。 以 -48V通信直流电源 为例进行说明。 如图 2所示， 为本发明实施例提供的 -48V通信直流电源的 电池保护装置示意图。

交流单元： 完成交流输入和分配； 整流单元， 连接交流单元， 用于将交流电转换为直流电， 并向通信设 备提供直流电源， 在图 2中直流电源正极为 L+, 直流电源负极为 L-, 当通 信直流电源为 -48V时， 即 L+为 0V, L-为 -48V, 向通信设备提供直流电源； 负载单元 1、 2， 包括单路负载单元或者多路负载单元， 以及负载保护 器件（如微型断路器或者熔断器）； 其中， 负载单元 1为次要负载， 负载单 元 2为重要负载；

电池单元， 由单组电池或者多组电池以及电池保护器件 （如微型断路 器或者熔断器）组成， 电池类型包括阀控密封铅酸蓄电池、 胶体电池、 铁 锂电池等。

控制单元 （ 1、 2、 3 ), 是断开或者接入负载和电池单元的执行机构， 动作指令来自于监测单元。

监测单元， 根据电池类型、 电池电压以及直流电源供电情况综合评价 确定控制单元的动作指令。 因此， 监测单元允许根据实际情况设置电池类 型、 以及电池单元的二级保护 （即一次下电电压值和二次下电电压值）。

监测单元根据直流电源和电池单元的工作状况 ， 控制控制单元 1、 2、 3 的工作状态。 并且控制时， 还参考电池单元的电池类型。

隔离单元， 用于控制电能的流动方向， 确保正方向可以导通， 反方向 截止， 与二极管类似， 图 2中， 隔离单元 1和隔离单元 2的控制方向相反， 隔离单元能够根据电流的流动方向确定电流导 通还是截止的器件。

实施例二

下面结合附图详细说明检测单元如何根据直流 电源和电池单元的工作 状况， 控制控制单元 1、 2、 3的工作状态。

其中， 通信直流电源和电池单元的工作状态具体分为 ：

工作情况一、 直流电源正常供电且电池单元的电池充满；

工作情况二、 直流电源停止供电且电池单元供电； 工作情况三、 直流电源停止供电且电池单元保护；

工作情况四、 直流电源正常供电且电池单元充电。

具体为：

1 ) 当监测单元确定系统当前处于工作情况一时， 即当监测单元确定直 流电源供电正常且电池充满时， 则控制控制单元 1、 控制单元 3闭合， 控制 单元 2断开。

较佳地， 监测单元在控制控制单元 2 的工作状态时， 还可以参考电池 单元的电池类型， 若监测单元确定电池类型为不支持在线浮充的 电池类型 (如铁锂电池） 时， 控制控制单元 2 断开， 若电池类型为支持在线浮充的 电池类型， 可以控制控制单元 2关闭或者断开。

支持在线浮充的电池类型具体为： 当电池充满后仍然与供电电源相连 不会影响电池的使用寿命； 如： 铅酸蓄电池。

不支持在线浮充的电池类型为： 当电池充满后仍然与供电电源相连会 影响电池的使用寿命； 如： 新型铁锂电池。

此时， 负载单元 1、 2由直流电源供电， 并且由于直流电源的电压高于 电池电压， 因此隔离单元 1处于正向导通状态， 隔离单元 2处于反向关断 状态， 因此， 由控制单元 3和隔离单元 2串联的支路处于断开状态；

如图 3所示为铁锂电池在工作情况一的非在线浮充� �意图， 图 4所示 为一般电池在工作情况一的在线浮充示意图。

2 ) 当监测单元确定系统当前处于工作情况二时， 即当监测单元确定直 流电源停止供电且电池单元供电时， 则控制控制单元 1、控制单元 3依然闭 合。 同时控制控制单元 2闭合。 控制单元 2的闭合能够保证交流来电时， 能够迅速启动电池单元充电。

如图 5 所示为直流电源停止供电且电池单元供电的示 意图； 当直流电 源停电时， 即便是铁锂电池非在线浮充状态， 系统也会立即切换至电池单 元给负载供电， 实现不间断负载供电。 此时， 电池单元电压高于系统电压， 隔离单元 2处于正向导通状态， 而隔离单元 1处于反向关断状态， 由控制 单元 2和隔离单元 1 串联的支路处于断开状态。 因此， 不管采用何种类型 电池，电池单元都通过控制单元 3、隔离单元 2串联的支路给负载单元供电。 在此工作情况下， 监测单元 2控制控制单元 2闭合， 是为了保证在直流电 源来电时能够迅速对电池单元充电。

3 ) 当监测单元确定系统当前处于工作情况三时， 即当监测单元确定直 流电源停电电池保护时， 则控制控制单元 1 断开， 控制单元 2 闭合， 同时 根据此时电池单元的电压确定控制单元 3 的状态。 当电池电压在一次下电 电压和二次下点电压之间时， 控制控制单元 3 闭合， 当电池电压跌落到二 次下电电压时， 则控制控制单元 3断开。

如图 6所示为直流电源停止供电且电池处于保护状� �的示意图， 当直 流电源停电一段时间后， 电池单元电压跌落到一次下电电压值时， 检测单 元控制控制单元 1 断开， 此时负载单元 1从供电系统中切除， 控制单元 2 依然闭合， 控制单元 3依然闭合， 此时电池单元只给负载单元 2供电。 当 电池单元电压跌落到二次下电电压值时， 监测单元再控制控制单元 3断开， 而且由控制单元 2和隔离单元 1 串联的支路处于断开状态， 电池停止给重 要负载供电， 以防止电池放亏。

4 ) 当监测单元确定系统当前处于工作情况四时， 即当监测单元确定直 流电源正常且电池充电时， 则控制控制单元 2依然闭合， 并根据此时电池 单元的电压状态， 控制控制单元 1、 控制单元 3的状态。 当电池单元的电压 在二次下电电压值之下时， 控制控制单元 1 断开， 控制单元 3依然断开； 当电池单元的电压在一次下电电压值和二次下 点电压值之间时， 控制控制 单元 1闭合、 控制单元 3断开， 当电池单元充满时， 控制控制单元 3闭合。

当确定直流电源正常供电且电池单元充电时， 并且当电池单元的电压 值小于二次下电电压时， 控制第一控制单元断开， 使得直流电源不为第一 负载单元供电， 并控制第二控制单元闭合， 由直流电源通过第一支路单元 为电池单元充电；

当确定直流电源正常供电且电池单元充电时， 并且电池单元的电压值 在一次下电电压值和二次下电电压值范围内时 ， 控制第一控制单元闭合， 由直流电源为第一负载单元供电， 并控制第二控制单元继续闭合；

当确定直流电源正常供电且电池单元充电时， 并且电池单元的充满时， 控制第一控制单元闭合、 第三控制单元闭合。

图 7a、 图 7b为直流电源正常供电且电池充电的示意图， 其中图 7a中 电池单元的电压小于二次下电电压值， 图 7b中电池单元的电压在一次下电 电压值和二次下电电压值的范围内； 当直流电源恢复正常时， 电池单元需 要重新并入系统。 传统的下电池电路中若电池单元电压与直流电 源电压存 在较大压差， 则电池接入瞬间容易使接入器件出现拉弧打火 的情况， 因此 需要调整直流电源的输出电压与电池单元电压 尽量接近， 然后接入电池。 在本发明中， 若直流电源恢复正常时， 直流电源的输出电压高于电池单元 的电压， 隔离单元 1处于导通状态， 通过控制单元 2、 隔离单元 1 串联的支 路给电池单元充电， 若电池电源的电压处于一次下电电压值之下时 ， 监测 单元控制控制单元 1 断开， 等到电池单元的电压达到一次下电电压值时， 检测单元控制控制单元 1 闭合， 开始给负载单元 1供电。 当电池单元电压 充满时， 则控制控制单元 3闭合， 此时系统恢复到工作情况一。

在实施例二中， 工作情况二直流电源停止供电且电池单元供电 具体指： 直流电源停止供电， 且此时电池单元的电压大于一次下电电压值。 工作情 况三直流电源停止供电且电池单元保护是指： 直流电源停止供电， 且此时 电池单元的电压小于等于一次下电电压值。

需要说明的是， 本发明的电压保护是基于电池放电的欠压保护 ， 针对 新型电池如铁锂电池对于过压和高温比较敏感 的情况， 在交流电正常时， 可以通过控制单元 2将电池与电源系统隔离， 在交流电停电时能够立即通 过控制单元 3、 隔离单元 2串联的支路给系统供电。

实施例三

本发明实施例提供一种直流电源的电池保护方 法， 如图 8所示， 包括：

5201、 监测单元监测到所述直流电源供电正常时， 控制第一支路单元 导通， 由所述直流电源向所述负载单元供电；

较佳地， 监测单元还根据电池类型控制第一支路单元断 开， 当电池类 型为不支持在线浮充的电池类型时， 控制第一支路断开。

当监测单元监测到直流电源供电正常时， 控制控制单元 2、 控制单元 3 闭合， 由于隔离单元 1 处于导通状态， 所以第一支路单元导通， 若此时电 池类型为不支持在线浮充的电池类型时， 通过控制控制单元 2 断开， 使得 第一支路单元断开。 由于隔离单元 2 此时处于非导通状态， 所以此时第二 支路单元是断开的。

5202、 监测单元监测到所述直流电源供电异常时， 控制第二支路单元 导通， 由所述电池单元向所述负载单元供电。

当监测单元监测到直流电源供电异常时， 依然保持控制单元 3 闭合， 则此时隔离单元 2导通， 则电池单元通过第二支路单元为负载单元供电 。

上述方法还包括：

5203、 监测单元监测到电池单元的电压下降到一次下 电电压值时， 控 制电池单元只向重要负载供电。

具体地， 监测单元根据当前直流电源和电池单元的工作 状态控制控制 单元 1、 2、 3 的工作状态的具体的控制方法参见实施例二的 描述， 这里不 再详细赘述。

通过本发明实施例的装置和方法， 具有如下有益效果： 1 )通过控制单元、 隔离单元的合理布局实现了多种类型电池保护 措施 的兼容， 满足了蓄电池放电和充电的保护要求， 有效延长了电池使用寿命， 有助于实现系统整体性能。

2 )在实现电池充电保护同时能够应对交流停电� �发事件， 无时延且平 稳切换至电池供电， 确保系统给负载不间断供电， 有力保障了系统供电的 可靠性和稳定性。

3 ) 目前的电池放电保护即二次下电， 在恢复电池上电时为了避免电池 接入器件由于压差出现打火， 需要长期緩慢的调压逼近后再将电池接入系 统进行充电 , 而本发明所述的保护装置在电池二次下电恢复 时可以通过隔 离单元导通直接将电池接入系统进行充电， 因此不存在电池接入器件损坏 的风险， 同时能够尽早给电池单元进行充电。

实施例四

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案 作进一步的详细描述。 如图 9所示， 为通信基站的电池保护装置示意图， 以某通信基站为例， 该基站通信直流电源的交流输入为 220V, 采用单相 220V整流模块， 直流 输出为 -48V (即直流电源为 -48V )。 负载单元 1为 3路负载， 负载保护器件 为微型断路器 QF101 QF103; 负载单元 2为 2路负载， 负载保护器件为微 型断路器 QF201、 QF202; 电池单元为一组 500Ah的铁锂电池， 电池短路 保护器件为熔丝 FUB ; 控制单元 1、 2、 3 为单稳态常闭直流接触器 KMD1-KMD3 , 监测单元的控制指令通过 SC1~SC3发送给控制单元； 隔离 单元选用耐压等级满足电源单元的二极管 VD1、 VD2。 监测单元设置电池 单元均充电压为 56.4V, 电池单元浮充电压为 53.5V, —次下电电压值为 46V、 二次下电电压值为 45V。

1 ) 交流电正常且电池充满时， 直流接触器 KMD1和 KMD3不动作保 持常闭状态， L101~L103和 L201〜L202由系统正常供电。 系统输出电压略 高于电池电压， VD1 处于正向导通状态而 VD2 处于反方向截止状态， 由 KMD3 和 VD2 串联的支路处于断开状态。 由于使用铁锂电池， 所以控制 KMD2动作， 使电池与系统分离。

2 ) 交流停电初期， 系统切换至电池单元给负载供电。 电池单元电压高 于系统电压， VD2 处于正向导通状态， 而 VD1 处于反方向截止状态， 由 KMD2 和 VD1 串联的支路处于断开状态。 电池单元都通过 KMD3、 VD2 串联的支路给系统供电。 考虑到交流恢复上电后需要对电池进行充电， 此 时 KMD2不动作， 恢复到闭合状态。

3 )交流停电一段时间后，电池电压跌落到 46V时，监测单元控制 KMD1 动作断开， 负载 L101 L103从供电系统中切除， 此时系统只给重要负载供 电。 当电池电压跌落到 45V时， 监测单元控制 KMD3动作断开， 电池停止 给重要负载 L201 -L202供电， 以防止电池放亏。

4 )交流恢复正常后， 电池单元需要重新并入系统。 VD1处于正向导通 状态， 并通过 KMD2、 VD1 串联的支路给电池单元充电， 同时给重要负载 L201、 L202供电。 等待电池电压达到 46V以上时， 监测单元控制 KMD1 不动作恢复闭合状态， 开始给负载 L101〜L103供电。 等待电池单元已充满 时（或者电池电压与系统整流单元输出电压接 近时；)，控制 KMD3恢复闭合 状态。

在上述实施例中， 交流正常均是指直流电源正常供电， 交流停止是指 直流电源停止供电。 并且系统电压即是指直流电源的电压。

显然， 本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动 和变型而不脱离 本发明的精神和范围。 这样， 倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权 利要求及其等同技术的范围之内， 则本发明也意图包含这些改动和变型在 内。 工业实用性 通过本发明， 能够使通信设备应对交流停电突发事件， 无时延且平稳 切换至电池供电， 确保系统给负载不间断供电， 有力保障了系统供电的可 靠性和稳定性。 同时有效延长电池的使用寿命。