CN102638081A - 智能矩阵电池充放电管理系统及管理方法 - Google Patents

Abstract

一种智能矩阵电池充放电管理系统，系统中的多个串联单元串联后经总控制器与电源和负载连接，每个串联单元由一个单体电池或多个并联的单体电池组成，每个串联单元都设置有母板和由母板控制的短路开关K21，母板通过控制总线与总控制器连接，每个单体电池都设置有子板，子板通过总线与母板连接进行通讯。本发明的电池管理系统可以精确的控制每一块单体电池的工作状态，不需要串联单元内所有单体电池的容量一致，给电池生产厂家的电池分选和成组工作带来了很大的便利。该系统的子板完全可以与电池集成封装为智能电池，使得电池厂家的生产工作和电池管理系统的研发制造工作得以分开进行，各自专注于自身领域的发展方向。

Description

智能矩阵电池充放电管理系统及管理方法

技术领域

本发明属于电池充放电管理技术领域，涉及一种智能矩阵电池充放电管理系统及管理方法。

背景技术

近年来，中大规模电池组的应用使得现有电池管理系统的弊端显现出来。电池组的连接方式分为先并联后串联和先串联后并联两种方式。无论采用哪种方式，都会涉及到串联连接方式，因此，电池管理系统都会遇到一个棘手的问题：对于串联方式的连接，由于每个串联单元（串联单元可以是单体电池也可能是多个并联的单体电池组成的电池组）流过的电流相等，造成管理系统无法做到对每一个串联单元进行电流控制，因而充电完成时，不能保证每个串联单元都达到充满状态。其结果是电池组总容量将由容量最小的串联单元决定，这直接影响整个电池组的工作效能和使用寿命。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供了一种在串联充放电方式下使得每个串联单元中的每块不同容量的单体电池在充放电结束时得以同时达到充满或放尽状态的智能矩阵电池充放电管理方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

本发明的智能矩阵电池充放电管理系统，系统中的多个串联单元串联后经总控制器与电源和负载连接，每个串联单元由一个单体电池或多个并联的单体电池组成，每个串联单元都设置有母板和由母板控制的短路开关K21，母板通过控制总线与总控制器连接，每个单体电池都设置有子板，子板通过总线与母板连接进行通讯，子板控制开关（如：K31-K32）与从母板上接出的母线连接。

与总控制器连接的电源为可变输出电压电源；与总控制器连接的电源为可变输出电压电源；总控制器内设置有测量整个电池系统总的电压、电流的测量电路；与可变输出电压电源连接的调压电路；对各个串联单元进行控制的控制电路；提供短路、过载、反接、欠压、过压等保护功能的保护电路；母板内设有对该串联单元电压、电流的测量电路及保护电路；子板内设有对该电池单体电压、电流和温度的测量电路及保护电路。

上述智能矩阵电池充放电管理系统的电池充放电管理方法如下：

充电过程包括如下步骤：

a、断开所有短路开关K21，使所有串联单元都串联在一个回路中，总控制器测量整个电池系统的开路电压并控制可变输出电压电源输出一个相同的电压，此时电路中没有宏观电流流通；

b、总控制器控制可变输出电压电源逐步提高输出电压，使电池系统处于充电状态，每个串联单元内的子板测量流过其对应单体电池的电流，并在该电流达到单体电池的预设充电电流时，通知总控制器保持电源的输出电压，此时充电电流趋于稳定；

c、子板继续对流过与其对应单体电池的电流进行测量，充电电流下降时，子板不再通知总控制器保持输出电压，总控制器会继续提升电源的输出电压；

d、如此往复b、c控制过程，直到某一子板检测到其对应的单体电池达到最大容许充电电压时，该单体电池的恒流充电过程结束，子板会断开该单体电池与母线的连接，此时该串联单元内的其它电池还在继续充电；

e、当某一串联单元的母板检测到其管辖的所有子板都断开了其对应单体电池与母线的连接时，母板将切换由其控制的短路开关到闭合状态，电流不会流经该串联单元而是流向下一个串联单元，同时母板会通知总控制器重新测量电池系统的开路电压并控制电源输出与目前开路电压相同的电压；

f、重复过程b-e步骤，直到最后一块母板通知总控制器重新测量系统开路电压，此时整个电池系统的恒流充电过程结束，电池系统进入恒压充电状态；

g、总控制器通知所有母板断开短路开关，使得所有串联单元接入电池系统；

h、总控制器测量整个电池系统的开路电压后控制可变输出电压电源输出一个相同的电压，此时电路中没有宏观电流流通；

i、总控制器控制电源逐步提高输出电压，电池系统又处于充电状态；在电源逐步提高输出电压的过程中，充电电流也在逐步提升，当任意串联单元内的子板测量到它所对应单体电池的电压达到单体电池的恒压充电电压时，子板将通知总控制器保持电源的输出电压，此时充电电压趋于稳定；但充电电流会逐渐减小，当任意子板检测到充电电流减小到一定程度并且它所对应单体电池的电压达到单体电池的恒压充电电压时即可判定此单体电池已经充满，此时子板将断开其对应的单体电池与母线的连接；并通知总控制器重新测量电池系统的开路电压；

j、重复过程h-i直到所有子板都断开其对应的电池单体与母线的连接，此时整个充电过程结束；

放电过程包括如下步骤：

k、断开所有串联单元母板上的开关，使所有串联单元都串联在一个回路中，总控制器测量整个电池系统的开路电压，当开路电压高于预设值时，接通负载；

l、在负载消耗电池系统能源的过程中，每块子板都在实时测量流过自身对应单体电池的电流和温度，当发生故障时可以切断该单体电池与母线的连接以保护单体电池；每块母板都在实时测量自身对应串联单元的电压，当某一串联单元电压的低于放电终止电压时，该母板将通知对应串联单元内所有子板断开其对应单体电池与母线的连接并切换由其控制的短路开关到闭合状态，以保护串联单元不会过度放电；

m、当总控制器检测到电池系统的输出电压低于预设值时，可根据用户需要执行断开负载或减小负载功耗等操作，以达到安全且尽可能多的输出电池系统能量之目的。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的电池管理系统可以精确的控制每一个单体电池的工作状态，因此可以使得串联单元内所有不同容量的单体电池同时达到充满或放尽状态，故并不需要串联单元内所有单体电池一致，这种与单体电池容量无关的特性给电池生产厂家的电池分选和成组工作带来了很大的便利。该系统的子板完全可以与电池集成封装为智能电池，只需预留简单的通讯接口，就可以使未来出厂的电池组以任何组态方式接受总控制器的控制。这样就使得电池厂家的生产工作和电池管理系统的研发制造工作得以分开进行，各自专注于自身领域的发展方向。

附图说明

图1是本发明的智能矩阵电池充放电管理系统的结构框图；

图2是本发明的串联单元内部的结构框图；

图3是本发明的总控制器内部的结构框图。

附图中主要部件符号说明：

1：可变输出电压电源         2：总控制器

3：串联单元                              4：控制总线 

5：母线                                     6：单体电池

7：子板                                     8：母板

9：调压电路                              10：控制电路

11：测量电路                                   12：保护电路。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明的智能矩阵电池充放电管理系统及管理方法进行详细的说明。

如图1至图3所示，本发明的智能矩阵电池充放电管理系统，系统中的多个串联单元3串联后经总控制器2与电源和负载连接。与总控制器2连接的电源为可变输出电压电源1。总控制器2内设置有测量整个电池系统总的电压、电流的测量电路11；与可变输出电压电源连接的调压电路9和对各个串联单元进行控制的控制电路10；提供短路、过载、反接、欠压、过压等保护功能的保护电路12。

每个串联单元3由一个单体电池或多个并联的单体电池6组成，每个串联单元都设置有母板8和由母板控制的短路开关K21，母板8通过控制总线4与总控制器2连接，每个单体电池6都设置有承载控制电路和测量电路的子板7，子板7通过控制开关与从母板8上接出的母线5连接。母板8内设有对该串联单元电压、电流的测量电路及保护电路；子板7内设有对该电池单体电压、电流和温度的测量电路及保护电路。

子板是每个单体电池的控制电路，其主要功能包括：接通或切断单体电池与串联单元母线的连接；测量电池单体的电压、电流、温度等数据。母板是每个串联单元的控制电路，其主要功能包括：控制短路开关K21的开闭，当K21 断开时，电流可以流过每一块单体电池后再流向下一个串联单元；当K21闭合时，电流不经过该串联单元即可流向下一个串联单元。通过组合母板和子板的功能即可达到控制电流流向哪个单体电池的目的。比如，想让电流流经图2中的中间和下边的2个单体电池，只需断开K21和上边电池单体子板与母线的连接（K31、K32）即可；想让电流不经过任何电池单体而流出，只需闭合K21并断开所有子板与母线的连接（K31-K52）即可。

上述智能矩阵电池充放电管理系统的电池充放电管理方法如下：

充电过程包括如下步骤：

a、断开所有短路开关K21，使所有串联单元都串联在一个回路中，总控制器测量整个电池系统的开路电压并控制可变输出电压电源输出一个相同的电压，此时电路中没有宏观电流流通；

b、总控制器控制可变输出电压电源逐步提高输出电压，使电池系统处于充电状态，每个串联单元内的子板测量流过其对应单体电池的电流，并在该电流达到单体电池的预设充电电流时，通知总控制器保持电源的输出电压，此时充电电流趋于稳定；

c、子板继续对流过与其对应单体电池的电流进行测量，充电电流下降时，子板不再通知总控制器保持输出电压，总控制器会继续提升电源的输出电压；

d、如此往复b、c控制过程，直到某一子板检测到其对应的单体电池达到最大容许充电电压时，该单体电池的恒流充电过程结束，子板会断开该单体电池与母线的连接，此时该串联单元内的其它电池还在继续充电；

e、当某一串联单元的母板检测到其管辖的所有子板都断开了其对应单体电池与母线的连接时，母板将切换由其控制的短路开关到闭合状态，电流不会流经该串联单元而是流向下一个串联单元，同时母板会通知总控制器重新测量电池系统的开路电压并控制电源输出与目前开路电压相同的电压；

f、重复过程b-e步骤，直到最后一块母板通知总控制器重新测量系统开路电压，此时整个电池系统的恒流充电过程结束，电池系统进入恒压充电状态；

g、总控制器通知所有母板断开短路开关，使得所有串联单元接入电池系统；

h、总控制器测量整个电池系统的开路电压后控制可变输出电压电源输出一个相同的电压，此时电路中没有宏观电流流通；

i、总控制器控制电源逐步提高输出电压，电池系统又处于充电状态；在电源逐步提高输出电压的过程中，充电电流也在逐步提升，当任意串联单元内的子板测量到它所对应单体电池的电压达到单体电池的恒压充电电压时，子板将通知总控制器保持电源的输出电压，此时充电电压趋于稳定；但充电电流会逐渐减小，当任意子板检测到充电电流减小到一定程度并且它所对应单体电池的电压达到单体电池的恒压充电电压时即可判定此单体电池已经充满，此时子板将断开其对应的单体电池与母线的连接；并通知总控制器重新测量电池系统的开路电压；

j、重复过程h-i直到所有子板都断开其对应的电池单体与母线的连接，此时整个充电过程结束；

放电过程包括如下步骤：

k、断开所有串联单元母板上的开关，使所有串联单元都串联在一个回路中，总控制器测量整个电池系统的开路电压，当开路电压高于预设值时，接通负载；

l、在负载消耗电池系统能源的过程中，每块子板都在实时测量流过自身对应单体电池的电流和温度，当发生故障时可以切断该单体电池与母线的连接以保护单体电池；每块母板都在实时测量自身对应串联单元的电压，当某一串联单元电压的低于放电终止电压时，该母板将通知对应串联单元内所有子板断开其对应单体电池与母线的连接并切换由其控制的短路开关到闭合状态，以保护串联单元不会过度放电；

m、当总控制器检测到电池系统的输出电压低于预设值时，可根据用户需要执行断开负载或减小负载功耗等操作，以达到安全且尽可能多的输出电池系统能量之目的。

本发明的电池管理系统实现了电池矩阵的恒流-恒压-浮充过程，可以精确的控制每一个单体电池的工作状态，因此可以使得串联单元内所有不同容量的单体电池同时达到充满或放尽状态，故并不需要串联单元内所有单体电池一致，各个串联单元只需要满足，其内部所有电池单体的容量之和基本相等就可以了。这种与单体电池容量无关的特性给电池生产厂家的电池分选和成组工作带来了很大的便利。即相同容量的并联电池组产品，不必把容量一样的单体电池组合成电池组，而只需要单体电池的容量之和相同就可以组成相同容量的电池组。比如2个5Ah的单体电池并联成串联单元，这与用1个4 Ah和1个6 Ah的单体电池所组成的串联单元是一样的。当然，差异变大，整个电池系统所允许的最大输出电流会随之下降，这完全取决于用户的需求，负载越小，单体电池的差异就可以越大。

本系统采用子板-母板-总控制器的结构，且子板设计简单，体积小巧，所有元件都采用固态元件，可靠性很高，完全可以与电池单体集成。母板同样完全采用固态元件实现，可以与并联电池组集成封装。该系统的子板可以与电池集成封装为智能电池，只需预留简单的通讯接口，就可以使未来出厂的电池组以任何组态方式接受总控制器的控制。这样就使得电池厂家的生产工作和电池管理系统的研发制造工作得以分开进行，各自专注于自身领域的发展方向。

Claims (3)

1.一种智能矩阵电池充放电管理系统，系统中的多个串联单元串联后经总控制器与电源和负载连接，其特征在于：每个串联单元由一个单体电池或多个并联的单体电池组成，每个串联单元都设置有母板和由母板控制的短路开关K21，母板通过控制总线与总控制器连接；每个单体电池都设置有子板，子板通过总线与母板连接进行通讯，子板控制开关与从母板上接出的母线连接。

2.根据权利要求1所述的智能矩阵电池充放电管理系统，其特征在于：与总控制器连接的电源为可变输出电压电源；总控制器内设置有测量整个电池系统总的电压、电流的测量电路；与可变输出电压电源连接的调压电路；对各个串联单元进行控制的控制电路；提供短路、过载、反接、欠压、过压等保护功能的保护电路；母板内设有对该串联单元电压、电流的测量电路及保护电路；子板内设有对该电池单体电压、电流和温度的测量电路及保护电路。

3.一种权利要求2所述的智能矩阵电池充放电管理系统的电池充放电管理方法，其特征在于：

充电过程包括如下步骤：

a、断开所有短路开关K21，使所有串联单元都串联在一个回路中，总控制器测量整个电池系统的开路电压并控制可变输出电压电源输出一个相同的电压，此时电路中没有宏观电流流通；

b、总控制器控制可变输出电压电源逐步提高输出电压，使电池系统处于充电状态，每个串联单元内的子板测量流过其对应单体电池的电流，并在该电流达到单体电池的预设充电电流时，通知总控制器保持电源的输出电压，此时充电电流趋于稳定；

c、子板继续对流过与其对应单体电池的电流进行测量，充电电流下降时，子板不再通知总控制器保持输出电压，总控制器会继续提升电源的输出电压；

d、如此往复b、c控制过程，直到某一子板检测到其对应的单体电池达到最大容许充电电压时，该单体电池的恒流充电过程结束，子板会断开该单体电池与母线的连接，此时该串联单元内的其它电池还在继续充电；

e、当某一串联单元的母板检测到其管辖的所有子板都断开了其对应单体电池与母线的连接时，母板将切换由其控制的短路开关到闭合状态，电流不会流经该串联单元而是流向下一个串联单元，同时母板会通知总控制器重新测量电池系统的开路电压并控制电源输出与目前开路电压相同的电压；

f、重复过程b-e步骤，直到最后一块母板通知总控制器重新测量系统开路电压，此时整个电池系统的恒流充电过程结束，电池系统进入恒压充电状态；

g、总控制器通知所有母板断开短路开关，使得所有串联单元接入电池系统；

h、总控制器测量整个电池系统的开路电压后控制可变输出电压电源输出一个相同的电压，此时电路中没有宏观电流流通；

i、总控制器控制电源逐步提高输出电压，电池系统又处于充电状态；在电源逐步提高输出电压的过程中，充电电流也在逐步提升，当任意串联单元内的子板测量到它所对应单体电池的电压达到单体电池的恒压充电电压时，子板将通知总控制器保持电源的输出电压，此时充电电压趋于稳定；但充电电流会逐渐减小，当任意子板检测到充电电流减小到一定程度并且它所对应单体电池的电压达到单体电池的恒压充电电压时即可判定此单体电池已经充满，此时子板将断开其对应的单体电池与母线的连接；并通知总控制器重新测量电池系统的开路电压；

j、重复过程h-i直到所有子板都断开其对应的电池单体与母线的连接，此时整个充电过程结束；

放电过程包括如下步骤：

k、断开所有串联单元母板上的开关，使所有串联单元都串联在一个回路中，总控制器测量整个电池系统的开路电压，当开路电压高于预设值时，接通负载；

l、在负载消耗电池系统能源的过程中，每块子板都在实时测量流过自身对应单体电池的电流和温度，当发生故障时可以切断该单体电池与母线的连接以保护单体电池；每块母板都在实时测量自身对应串联单元的电压，当某一串联单元电压的低于放电终止电压时，该母板将通知对应串联单元内所有子板断开其对应单体电池与母线的连接并切换由其控制的短路开关到闭合状态，以保护串联单元不会过度放电；

m、当总控制器检测到电池系统的输出电压低于预设值时，可根据用户需要执行断开负载或减小负载功耗等操作，以达到安全且尽可能多的输出电池系统能量之目的。

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