CN102088120B - 一种锂动力电池集群系统及其管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂动力电池集群系统及其管理方法，用于动力锂电池组的充电及放电控制。所述系统包括一个中央控制器和复数个并联连接的锂电池模块，每个锂电池模块包括复数个串联的单体锂电池，每个单体锂电池配置一个可使单体锂电池接入串联回路的继电器，每个继电器的输入控制端与模块处理器连接。每个单体锂电池通过模块处理器采集到的状态数据以及中央控制器的指令，选择最适合的时机接入电路，通过双向电流通道实现锂电池组向外输出的放电过程和吸收外电路能量的充电过程，从而达到单体电池的最佳工作状态，延长电池寿命到接近单体电池的工作寿命。

Description

一种锂动力电池集群系统及其管理方法

技术领域

本发明涉及一种锂动力电池集群系统及其管理方法。

背景技术

锂电池相对于传统电池，具有容量体积比大，循环充放电次数多，固态无须考虑放置方向等优点，目前逐步成为需要强电动力系统中的电池首选。锂电由于其自身的结构特点，很难做到单体大电压、大电流输出。也就是说，单个体的锂电池无法输出大的功率，目前单体锂电池主要用于手机、小型电动工具等。

为充分发挥锂电池的优势，锂电池必须通过并联、串联方式组成电池组，以达到所需的功率要求。串联锂电池工作过程中，由于存在个体差异（如内阻、输出电压等），功率输出不均衡。这种不均衡性造成串联回路中品质较低的电池工作损耗大，并在极限条件下，可能造成致命的过充电或过放电，严重影响锂电池的寿命。

当前，锂电池的单体充放电实验证明，单体锂电池在符合工况条件下（主要限制充放电电流及电压），充放电次数可达到3000次甚至更多 ，而在串联情况下，锂电池组一般只能工作在500次循环左右。不均衡性所造成的破坏是影响电池寿命的最主要因素。传统方法通过严格选配性能极相似的锂电池组成电池组以提高电池组的寿命。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，利用先进的计算机技术，对串并联回路中的每一个单体锂电池实行精确控制，让每一个锂电池工作在电池的常规工作条件下，不使超越，从而大幅度提高电池组的使用寿命。

本发明，所述的锂动力电池集群系统，包括一个中央控制器和复数个并联连接的锂电池模块，每个锂电池模块包括复数个串联的单体锂电池BT，每个单体锂电池BT配置一个可使单体锂电池BT接入串联回路的继电器，每个继电器的输入控制端与模块处理器连接，在锂电池BT的串联回路的正极依次串联VMOS管Q1和电感L后作为锂电池模块的正极输出，锂电池BT的串联回路的负极作为锂电池模块的负极输出，在VMOS管Q1和电感L的连接点与锂电池模块的负极之间，并接VMOS管Q2，VMOS管Q1和VMOS管Q2的栅极分别与模块处理器连接，模块处理器通过控制总线与中央控制器连接。每个单体锂电池BT通过AD转换器、电流传感器或/和温度传感器与模块处理器连接。

本发明，所述的锂动力电池集群系统的管理方法，一开始，就先考虑到电池组中各电池的不均匀性，利用电池冗余技术，串联回路中的电池输出总电压若高于额定目标电压，系统工作过程以轮流接入数个或者全部电池的管理方式，随时监测每个电池的工作状态，随时调整，以达到均衡输出的目的，从而使每一个单体电池在最稳定的状态下，发挥最大的性能。在解决串联回路的输出功率均衡的同时，电路通过脉宽调整方式，让每一组串联电池组输出精确符合系统要求的电流、电压。由于模块处理器的介入，电路能很方便灵活地调整每一锂电池模块的输出电流、电压。

本发明，电路同时提供动力能量回收功能。在动力系统电机减速、制动的情况下，常规方法通过机械摩擦释放能量。机械摩擦方式让宝贵的能源转化为热能白白浪费。在动力电池系统中，能量的效率是系统设计中的重要部分。高效的能量回收，能减少电池容量的使用，降低系统体积、容量，加强系统的稳定性。在本系统电路中，通过双向升降压电路，根据控制传感器和中央处理器历史数据的需求，通过先进的算法，随时控制接入电路中的电池，从而达到将需要吸收的能量回送到具体最需要补充能量电池的设计要求。

总的来说，本发明电路利用计算机技术，让能量在整个系统中精确流动，让每一个电池工作在最佳工作状态，从而达到串并联组合的电池组整体寿命接近单体电池工作寿命的要求。

附图说明

图1为本发明锂动力电池集群系统的整体结构图；

图2为本发明每一个锂电池模块的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图详细叙述本发明锂动力电池集群系统的结构及其管理原理。

参照图1-图2，一种锂动力电池集群系统，包括一个中央控制器和复数个并联连接的锂电池模块，每个锂电池模块包括复数个串联的单体锂电池BT，每个单体锂电池BT配置一个可使单体锂电池BT接入串联回路的继电器，每个继电器的输入控制端2、4点与模块处理器连接，在锂电池BT的串联回路的正极依次串联VMOS管Q1和电感L后作为锂电池模块的正极输出，锂电池BT的串联回路的负极作为锂电池模块的负极输出，在VMOS管Q1和电感L的连接点与锂电池模块的负极之间，并接VMOS管Q2，VMOS管Q1和VMOS管Q2的栅极分别与模块处理器连接，模块处理器通过控制总线与中央控制器连接。

本系统由任意数目的锂电池模块构成，各模块通过控制总线与中央控制器交换数据。各锂电池模块由单体电池通过继电器串联组成，每一个单体锂电池均可以随时受中央控制器的指令，由模块控制器通过驱动电路（继电器）决定是否接入电路。控制总线实现2个功能：

1、各模块中每一个单体锂电池当前电量、电压、电流情况向中央控制器传输。

2、中央控制器向模块控制传达动作指令。

参考图2，每个单体锂电池BT通过AD转换器、电流传感器或/和温度传感器与模块处理器连接。模块处理器采集到每个单体锂电池的工作状态后，通过控制总线向系统中央控制器上传数据，同时，通过控制总线接受中央控制器下传的执行指令，驱动继电器和VMOS管工作。当系统通过计算，确定某单体电池不需要参与工作时，断开Q1，利用Q2通过电感L续流。此时，串联通道中不存在电流。当继电器1、3点闭合，1、5断开时，单体电池（例如BT1）脱离系统。当继电器1、5点闭合，1、3点断开时，单体电池（例如BTn）接入系统。当电池切换完毕以后，Q1以脉宽调制方式开通，Q2配合电子续流，向外电路精确输出电压。

在这个切换过程中，充分利用继电器低阻特性和VMOS管的高速特性配合。继电器在切换过程中，由于VMOS管Q1先切断电流，继电器触点在无电流通过的情况下，切换过程中不出现火花电弧，继电器可以达到最大工作寿命。继电器导通电阻极低，在动力电路中基本无损耗，提高系统效率。VMOS管具有工作速度快，切换过程中开关损耗低，无开关噪声等优点，适合在总输出中担当调整电压的作用。

在需要能量回收的时候，在处理器的作用下，Q2和电感L构成升压电路，Q1的作用转为电子整流，在系统接入需要充电的电池以后，Q2通过脉宽控制，将外电路中的电压升压到匹配电池的电压值。即使在外电路电机转速较慢，外电路电压较低的情况下，本系统电路也可以将电压转换到电池所需的充电电压，从而达到充分吸收能量的目的。

在外电路故障的情况下，传统串联电路无法保护电池过载现象，电池将因发热等原因而伤损。在本系统中，如果传感器检测到外电流超过电池承受范围，将自动切断VMOS管Q1，保护电池。

Claims (9)

1.一种锂动力电池集群系统，其特征在于：包括一个中央控制器和复数个并联连接的锂电池模块，每个锂电池模块包括复数个串联的单体锂电池BT，每个单体锂电池BT配置一个可使单体锂电池BT接入串联回路的继电器，每个继电器的输入控制端与模块处理器连接，在锂电池BT的串联回路的正极依次串联VMOS管Q1和电感L后作为锂电池模块的正极输出，锂电池BT的串联回路的负极作为锂电池模块的负极输出，在VMOS管Q1和电感L的连接点与锂电池模块的负极之间，并接VMOS管Q2，VMOS管Q1和VMOS管Q2的栅极分别与模块处理器连接，模块处理器通过控制总线与中央控制器连接。

2.根据权利要求1所述的锂动力电池集群系统，其特征在于：每个单体锂电池BT通过AD转换器、电流传感器和温度传感器与模块处理器连接。

3.一种如权利要求1或2所述的锂动力电池集群系统的管理方法，其特征在于：每个锂电池模块中的继电器与VMOS管紧密配合，通过中央控制器和模块处理器的运算，让每个单体锂电池得到独立控制。

4.根据权利要求3所述的锂动力电池集群系统的管理方法，其特征在于：在该系统向外输出能量时，利用VMOS管Q1先切断模块总电流以后，继电器在无电流情况下再自由切换电池的组合。

5.根据权利要求3所述的锂动力电池集群系统的管理方法，其特征在于：所述锂动力电池集群系统的电路采用双向电流控制，系统既可以向外电路输出能量，也可以吸收外电路的能量。

6.根据权利要求3所述的锂动力电池集群系统的管理方法，其特征在于：在中央控制器和模块处理器的作用下，系统根据电池的即时状态，调整每个电池到适合的输出电流。

7.根据权利要求3所述的锂动力电池集群系统的管理方法，其特征在于：系统能将外电路微弱电压升压到适合锂电池组充电所需的电压。

8.根据权利要求3所述的锂动力电池集群系统的管理方法，其特征在于：所述系统能根据系统需求和当前电池状态，选择合适的几个或者全部电池接入到电路中，达到以最大效率输出功率或者最恰当吸收外电路能量。

9.根据权利要求4-7任一所述的锂动力电池集群系统的管理方法，其特征在于：所述系统能根据系统需求和当前电池状态，选择合适的几个或者全部电池接入到电路中，达到以最大效率输出功率或者最恰当吸收外电路能量。

Images