CN102027628B - 电池组及包含该电池组的主动型单电池平衡电池管理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电池组及应用该电池组的电池管理装置，所述电池组可应用于电动汽车、不间断电源(UPS；Uninterrupted power supply)、智能电网(Smart grid)用电源装置等，易于制造及维修，提高生产效率。本发明的电池组包含：壳体，具有收容空间；多个电池模块，通过连接件可拆卸且相互间留有预定间隔地结合到所述壳体。所述电池模块包括托盘；多个单电池，分别配置在托盘上；单电池充电器，配置在托盘上，用于充电单电池；单电池控制器，配置在托盘上，用于控制单电池充电器；加热垫，与单电池结合；温度传感器，配置在托盘上，用于感测单电池的温度。

Description

电池组及包含该电池组的主动型单电池平衡电池管理装置
技术领域：
本发明涉及一种电池组及包含该电池组的电池管理装置，特别涉及适用于电动汽车、不间断电源(UPS；Uninterrupted power supply)、智能电网(Smart grid)用电源装置等上，且易于制造及维修，可提高生产效率和延长电池组寿命及性能的电池组及包含该电池组的电池管理装置。
背景技术：
通常，可再充电电池(Battery)可用作电动汽车(Electric Vehicle)的动力源，也可以用作不间断电源，来克服常用电源中可能产生的电源障碍，提供稳定的电力。此外，电池也可以用作智能电网用的电源装置。
这种电池根据容量，将多个单电池(Battery cell)连成一体后形成电池组(Battery pack)。
现有电池组在充电时将多个构成电池核心的单电池串联或并联后由一个充电器进行充电，并用被动方式管理单电池之间的偏差，而由于单电池之间的偏差，会导致电池组寿命缩短的问题。
而且，由于现有电池组被构成为无法分离单只电池的组件形态，只要其中一个单电池不良，就无法使用整个电池组，由此导致使用寿命缩短，加大资源浪费的问题。
技术内容：
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的是通过把多个充电器分别连接到每一只单电池，对每一只单电池分别管理充电，从而主动管理单电池之间的偏差，以防止电池组的性能下降及使用寿命缩短的问题。
而且，本发明的目的在于提供一种电池组及包含该电池组的电池管理装置，其中构成该电池组的单电池被制成可替换的电池，从而便于维修且延长电池寿命。
本发明的另一目的在于提供一种电池组及包含该电池组的电池管理装置，其可在单电池的制造工艺中省略单电池的评级(Cell grading)工序，由此缩短电池组的制造工序，节俭制造成本。
本发明的又一目的在于提供一种电池组及包含该电池组的电池管理装置，其提供能够分别充电单电池的结构，避免现有的串联充电方式或被动式电池平衡方法中可能会产生的单电池的充电不均衡的问题，从而延长电池组寿命，且最大限度地加大电池组的容量。
为了达到上述目的，本发明的电池组包括：
壳体，具有收容空间；
多个托盘，结合到所述壳体，所述多个托盘间具有预定间隔；
多个单电池，分别配置在所述多个托盘上；
多个单电池充电器，分别配置在所述多个托盘上，用于充电所述多个单电池；
多个单电池控制器，分别配置在所述多个托盘上，用于控制所述多个单电池充电器；
多个加热垫，分别结合到所述多个单电池；
多个温度传感器，分别配置在多个所述托盘上，用于感测所述多个单电池的温度。
所述壳体上优选设置有以预定间隔相互面对成双，并供所述多个托盘插接的多个导槽，所述多个托盘的两边上分别设置有延伸部，所述延伸部分别插接于所述导槽。
所述多个托盘优选通过连接件固定在所述壳体上。
所述多个单电池控制器优选配置有通信连接器，所述通信连接器连接到主控制器，用于进行数据传送及接收。
另一方面，本发明的电池管理装置包含电池组及主控制器，其中所述电池组包含：
壳体，具有收容空间；
多个托盘，结合在所述壳体内，所述多个托盘间具有预定间隔；
多个单电池，分别配置在所述多个托盘上；
多个单电池充电器，分别配置在所述多个托盘上，用于充电所述多个单电池；
多个单电池控制器，分别配置在所述多个托盘上，用于控制所述多个单电池充电器；
多个加热垫，分别结合到所述多个单电池；
多个温度传感器，分别配置在多个所述托盘上，用于感测所述多个单电池的温度，
所述主控制器包括充电控制模块，所述充电控制模块从所述多个单电池控制器接收所述多个单电池的充电状态相关信息后，分别控制所述多个单电池充电器。
所述主控制器优选具有温度控制模块，用于从所述多个温度传感器接收所检测温度值信号后，控制用于调节所述多个单电池温度的加热垫或冷却扇。
所述主控制器优选包括单电池保护控制模块，所述单电池保护控制模块连接到用来感测所述多个单电池电流的电流传感器、用来阻断所述多个单电池电流的电流阻断开关，并根据所述电流传感器的输入信号控制所述电流阻断开关。
所述主控制器优选包括单电池评级控制模块，所述单电池评级控制模块根据所述多个单电池控制器传来的信号计算所述多个单电池的充电状态(SOC，State ofcharge)及健康状态(SOC，State ofcharge)后，判定不适合的单电池，以进行单电池的评级工作。
所述单电池评级控制模块最好进一步根据所述多个单电池控制器传来的信号，计算所述多个单电池的充电状态(SOC，State ofcharge)、健康状态(SOH，State ofhealth)等，判断其残余寿命。
所述主控制器优选包括通信控制模块，所述通信控制模块将从所述多个控制器传来的与所述多个单电池相关的数据及与此相关经过处理的数据传送到外存储器，或者与外部计算机进行通信。
所述主控制器优选包括控制CAN(控制器局域网，Controller AreaNetwork)通信接口、TCP/IP(网络通讯协议)通信接口及USB(通用串行总线)通信接口。
所述多个单电池控制器优选地分别连接有内存储器，所述主控制器包括电池履历管理控制模块，所述电池履历管理控制模块用于在所述多个内存储器中记录每只单电池的履历，并进行管理。
本发明的结构可易于替换电池组中包含寿命已到或者有问题的单电池(Battery cell)的电池模块(Battery module)，因此有利于维修且能延长电池组的整体寿命。
而且，本发明经过检测构成电池组的单电池的容量(Capacity)及内电阻等后计算单电池的充电状态(SOC，State ofcharge)、健康状态(SOH，State of health)等，并进行单电池评级(Battery cell grading)操作后替换包含不适合单电池的电池模块，由此省略单电池的制造工艺中进行的评级操作。因此可以简化单电池的制造工艺，提高生产效率。
而且，本发明可根据每个单电池的特性分别对其进行充电，因此可以防止多个单电池之间充电不均衡的现象，从而延长电池组的寿命，且最大限度地增大电池组的可用容量。
本发明采用了主动型电池平衡方式，因此不会导致以往的被动型电池平衡方式下电池管理装置所具有的问题，即由于单电池的充电不均衡而整体充电不均衡的问题。
而且，本发明无需改变电池器具，而根据所需容量，采用容量大或小的单电池简便地改变电池组的容量，由此可以提供易于适应使用环境的电池组。
附图说明：
图1是本发明的实施例中多个电池模块(Battery module)相结合而成的电池组(Battery pack)的立体图。
图2是本发明的实施例中包含单电池(Battery cell)的电池模块(Battery module)的立体图。
图3是本发明的实施例中电池模块(Battery module)的结构图。
图4是本发明的实施例中电池模块的方框图。
图5是表示本发明的实施例中多个电池模块(Battery module)与电池管理系统(BMS；Battery management system)之间连接关系的结构图。
图6是表示本发明的实施例中电池管理系统(BMS；Battery managementsystem)所包含程序控制模块的结构图。
图7是应用本发明实施例的电池管理装置的示例性结构图。
具体实施方式：
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
图1是用来说明本发明实施例的立体图，表示电池组(1，Battery pack)。图2是构成电池组的多个电池模块(2，Battery module)中任何一个的示意图。
在本发明实施例的说明中，将构成可提供电源的基本单位的称为电池模块(Battery module，如图2所示)2，而这些电池模块2相互间隔开预定间隔且以可拆卸或组装的方式结合到壳体3(如图1所示)的状态则被称为电池组(Battery pack)1。
另一方面，电池模块2优选包括托盘5、单电池7、单电池充电器9、单电池控制器11、加热垫13及温度传感器15作为一组。
此外，本发明的实施例优选被构成为通过螺丝等连接件16(如图1所示)易于将电池模块2组装到壳体3，并根据需要容易从壳体3交替电池模块2的结构。下面更加详细地说明本发明的实施例。
所述壳体3内形成有可收容电池模块2的收容空间。而且所述壳体3具有一面呈开放状的开口部3a，并且相互面对的两面(以图2中正面为准时在壳体的两侧)上设置有多个导槽3b。
设置在所述壳体3内两侧上相互面对的位置上的多个导槽3b用来以预定间隔插入多个托盘5。所述多个导槽3b间具有相同的间隔，并以一定的方向布置。插接于这些导槽3b中的多个托盘5沿着一定的方向布置成多个层叠状结构。
所述多个托盘5上设置有用来插接于壳体两侧上所述导槽3b中的延伸部5a。即延伸部5a是用来插接于所述壳体3上导槽3b中的结构。此外，托盘5可通过额外的螺丝等连接件16牢固地固定在所述壳体3上。
之所以用螺丝等连接件16将托盘5结合于所述壳体3上，是为了当所述电池模块2不良或寿命到限时，通过拆卸螺丝等连接件16来易于从所述壳体3分离托盘5，并重新把新的电池模块2结合到壳体3。
如此通过螺丝等连接件16结合托盘5和壳体3，可便于进行所述电池组1的维修，并延长电池组1的寿命。
所述多个托盘5上分别设置有单电池7。所述单电池7是经过充电可向外部提供电源的结构。多个所述单电池7分别结合到所述多个托盘5上，并具有连接到阴极和阳极的端子7a、7b。这些端子7a、7b可用来向外输出电源或者对单电池7充电。
如图3及图4所示，所述单电池充电器(Cell Charger)9和单电池控制器(Cell controller)11结合到印刷电路板(PCB)或以芯片形式提供。所述单电池充电器9用来充电单电池7。所述单电池充电器9优选对应于一个单电池7。
此外，所述单电池控制器11可控制对应的单电池充电器9。而且，所述单电池控制器11上电连接有所述加热垫13和温度传感器15。
即，所述单电池控制器11可接收所述温度传感器15所检测温度值，并控制所述加热垫13。设置有所述单电池控制器11的印刷电路板(PCB)具有连接器11a(如图2所示)，而通过该连接器11a，所述印刷电路板可与所述温度传感器15电连接。
这种单电池控制器11最好与所述电池模块2一对一地配置。而且，设置有所述单电池控制器11的印刷电路板(PCB)上设置有通信连接器11b，所述通信连接器11b连接到将在后面说明的电池管理系统(BMS；Batterymanagement system)即主控制器17(如图5至图7所示)。因此，所述单电池控制器11可通过通信连接器11b，与所述主制器17进行数据交流。
所述温度传感器15可用来检测所述单电池7的温度后将其数据传送到所述单电池控制器11或所述主控制器17。
当所述单电池7的温度低时，所述加热垫13可在所述单电池控制器11的控制下驱动而提高单电池7的温度。如图1及图2所示，这种加热垫13优选包覆所述单电池7或设置在单电池7的一面。
另外，电池模块2可接收用来驱动内部元件的电源。
图6是为了说明本发明实施例而提供的电池管理装置主要部分的方框图。如图6所示，本发明的多个电池模块2相互电连接，且被连接成分别受到主控制17的控制。
所述主控制器17上电性连接有用来检测从所述电池组1流出的电流的电流传感器19及用来阻断从电池组1流出的电流的电流阻断开关21。
所述电流阻断开关21优选使用可适于控制功率的元件，例如将多个可进行大功率控制的绝缘栅双极晶体管(IGBT；Insulated gate bipolartransistor)或者多个功率场效应晶体管(FET，field effect transistor)并联连接使用等的元件。
如图6所示，所述主控制器17包括充电控制模块23，所述充电控制模块23从所述多个单电池控制器11接收关于所述多个单电池7充电状态的信息，并据此控制每一个单电池充电器9。
所述充电控制模块23是用来控制所述单电池充电器9的控制程序。这种充电控制模块23从所述多个单电池控制器11接收所述多个单电池7的电压、充电电流等数据后对其进行分析，并在单电池7需要充电时，向单电池充电器9发出充电命令。
而且，所述主控制器17包括温度控制模块27，其用于接收所述多个温度传感器15所检测温度值信号后，控制所述用来调节单电池7温度的加热垫13或冷却扇25。所述冷却扇25设置在所述壳体3上，用来降低所述电池组1的整体温度。
这种温度控制模块27是用来使所述单电池7保持适当温度的控制程序。
所述主控制器17包括单电池保护控制模块29，其根据所述电流传感器19的输入信号控制所述电流阻断开关21。所述单电池保护控制模块29也是用于在过电流或过充电下保护所述单电池的控制程序。
所述主控制器17包括单电池评级控制模块31，所述单电池评级控制模块31根据所述多个单电池控制器11传送的信号，确认所述多个单电池7的容量后判断不适合的单电池7，并以此而进行单电池评级(Cell grading)操作。
这种单电池评级控制模块31是用于执行所述多个单电池7的评级(Cellgrading)操作的控制程序。
所述单电池评级控制模块31可根据所述多个单电池控制器11传送的信号计算多个单电池7的寿命并判断其残余寿命。如果某个单电池7被单电池评级控制模块31判定为不适合或者寿命到限的电池，可拆除或者交替包含该单电池7的电池模块2，以延长电池组1的寿命。
为了方便说明，本说明在评级操作中引入了计算单电池的充电状态(SOC，State ofcharge)、健康状态(SOH，State ofhealth)等的功能。
所述主控制器17包含通信控制模块33，所述通信控制模块33可将所述多个单电池控制器11传送的与单电池7相关的数据及与此相关经过处理的数据传送到外存储器，或者与外部计算机进行通信。
所述通信控制模块33是和计算机等外部装置进行数据传送及接收的控制程序。此外，所述主控制器17如图5所示，包含CAN通信接口41、TCP/IP通信接口43及USB通信接口45等多个通信接口47。这些通信接口47通过所述通信控制模块33用不同的方式与外部计算机等装置进行数据交换。
此外，所述多个单电池控制器11上分别连接有内存储器35(如图6所示)。所述主控制器17还包括履历管理控制模块37，其分别向所述多个内存储器35存储及管理各个单电池7的履历。
所述履历管理控制模块37用来管理每一个单电池7过去的履历等数据，起到以最优状态管理电池组1的作用。
下面对由上述结构构成的本发明实施例的操作过程及作用进行详细的说明。
首先，操作人员将包含所述单电池7的多个电池模块2插入壳体3上的多个导槽3b内，并用螺丝等连接件16将电池模块2结合到所述壳体3。
即，操作人员向导槽3b内插入构成电池模块2的托盘5两端的延伸部5a。之后操作人员用螺丝等连接件16将托盘5结合到壳体3上。如此，将电池模块2依次插接于壳体3中，并用连接件16固定而形成组件形式的电池组1。
这种电池组1在制造时，可根据所需要的电源容量，连接不同数量的电池模块2而适当地调节电池组1的容量，以配合不同的需要。
下面说明根据本发明实施例中主控制器17进行控制的过程。
所述单电池控制器11确认所述单电池7的电压、充电电流等项目。之后，所述温度传感器15检测所述单电池7的温度后将其结果传送到所述单电池控制器11。接着，所述单电池控制器11将有关所述单电池7的信息存储到内存储器35的同时又传送到主控制器17。
而且，所述电流传感器19感测电池组1的电流后将其结果传送到主控制器17。
所述主控制器17通过所述通信控制模块33将所述单电池7的信息输入外存储器39中。此外，所述主控制器17可加载存储在所述外存储器39中的有关所述单电池7的信息。
所述主控制器17根据所述单电池7的相关信息及从电流传感器19接收到的数据认为需要充电所述单电池7，就把该信号传送到所述单电池控制器11。所述单电池控制器11接到信号后控制所述单电池充电器9对所述单电池7进行充电。
当所述单电池7的温度降低到预定值以下时，所述主控制器17的温度控制模块27向所述单电池控制器11传送控制信号。那么，所述单电池控制器11驱动所述加热垫13提升所述单电池7的温度。
而且，当所述主控制器17的温度控制模块27判断所述多个单电池7的温度整体上提升到预定值以上时，控制驱动所述冷却扇25。因此通过所述冷却扇25的驱动，所述多个单电池7的温度整体上下降。
当所述主控制器17的单电池保护控制模块29通过从所述单电池控制器11接到的数据判断单电池出现过放电、过充电及温度异常等现象时，操作所述电流阻断开关21保护所述电池组1。
另一方面，所述主控制器17的单电池评级控制模块31可通过确认所述单电池控制器11传送的单电池7的容量(Capacity)信息，鉴别出不适合的电池模块2。因此，操作人员可从所述壳体3中拆除不适合的电池模块2后把合适的电池模块2设置到壳体3，由此可在电池组1的制造过程中进行单电池的评级操作，以制造质量好的电池组1。
而且，单电池评级控制模块31可使用由所述单电池控制器11接收的资料计算单电池7的寿命。因此，可替换含有寿命到限的单电池7的电池模块2，延长电池组1的整体寿命。
传送到所述主控制器17的信号可通过通信控制模块33存储到外存储器39中。
尤其是，所述主控制器17的履历管理控制模块37构建电池模块2的履历数据库，来存储及管理履历数据。
如上所述的本发明的实施例无需通过额外的工序来进行单电池的平衡操作，因此可以缩短电池组的制造工序，节俭制造成本。

Claims (12)

1.一种电池组，包含：
壳体，具有收容空间；
多个电池模块，相互间隔开预定间隔且以可拆卸或组装的方式结合到所述壳体；每个电池模块包括：
托盘，结合在所述壳体内，各个电池模块的所述托盘间具有预定间隔；
单电池，配置在所述托盘上；
单电池充电器，配置在所述托盘上，用于充电所述单电池；
单电池控制器，配置在所述托盘上，用于控制所述单电池充电器；
加热垫，结合在所述单电池；
温度传感器，配置在所述托盘上，用于感测所述单电池的温度；
所述加热垫和所述温度传感器电连接在所述单电池控制器上，所述单电池控制器能接收所述温度传感器所检测温度值，并控制所述加热垫。
2.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于：
所述壳体上设置有以预定间隔相互面对成双，并供所述托盘插接的导槽，
所述托盘的两边上分别设置有延伸部，所述延伸部用于插接于所述导槽。
3.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于：所述托盘通过连接件固定到所述壳体。
4.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于：所述单电池控制器设置有通信连接器，用于连接到主控制器，进行数据传送及接收。
5.一种电池管理装置，其特征在于，包含电池组及主控制器，
其中所述电池组包含：
壳体，具有收容空间；
多个电池模块，相互间隔开预定间隔且以可拆卸或组装的方式结合到所述壳体；每个电池模块包括：
托盘，结合在所述壳体内，各个电池模块的所述托盘问具有预定间隔；
单电池，配置在所述托盘上；
单电池充电器，配置在所述托盘上，用于充电所述单电池；
单电池控制器，配置在所述托盘上，用于控制所述单电池充电器；
加热垫，结合到所述单电池；
温度传感器，配置在所述托盘上，用于感测所述单电池的温度，
所述主控制器包括充电控制模块，所述充电控制模块从所述单电池控制器接收所述单电池的充电状态相关信息后，分别控制各个电池模块的所述单电池充电器。
6.根据权利要求5所述的电池管理装置，其特征在于：
所述主控制器具有温度控制模块，用于从所述温度传感器接收所检测温度值信号后，控制用于调节所述单电池温度的加热垫或冷却扇。
7.根据权利要求5所述的电池管理装置，其特征在于：所述主控制器包括单电池保护控制模块，所述单电池保护控制模块连接到用来感测所述单电池电流的电流传感器、用来阻断所述单电池电流的电流阻断开关，并根据所述电流传感器的输入信号控制所述电流阻断开关。
8.根据权利要求5所述的电池管理装置，其特征在于：所述主控制器包括单电池评级控制模块，所述单电池评级控制模块根据所述单电池控制器传来的信号计算所述单电池的充电状态及健康状态后，判定不适合的单电池，以进行单电池的评级操作。
9.根据权利要求8所述的电池管理装置，其特征在于：所述单电池评级控制模块进一步根据所述单电池控制器传来的信号，计算所述单电池的寿命，判断其残余寿命。
10.根据权利要求5所述的电池管理装置，其特征在于：所述主控制器包括通信控制模块，所述通信控制模块用于将从所述控制器传来的与所述单电池相关的数据及与此相关经过处理的数据传送到外存储器，或者与外部计算机进行通信。
11.根据权利要求5所述的电池管理装置，其特征在于：所述主控制器包括控制器局域网通信接口、网络通讯协议通信接口及通用串行总线通信接口。
12.根据权利要求5所述的电池管理装置，其特征在于：各个电池模块的所述单电池控制器分别连接有内存储器，
所述主控制器包括单电池履历管理控制模块，所述单电池履历管理控制模块用于在所述内存储器中分别记录每只单电池的履历，并进行管理。
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