CN102647007A

CN102647007A - 电池组的均衡管理系统

Info

Publication number: CN102647007A
Application number: CN2012101188555A
Authority: CN
Inventors: 黎梅云; 孙福龙; 张筑亚; 郑翔
Original assignee: Shanghai Dianji University
Current assignee: Shanghai Dianji University
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2012-08-22

Abstract

本发明公开一种电池组的均衡管理系统，包括：电池组模块，包括n个串联的电池单体；开关矩阵模块，与该电池组模块连接，以对电池组模块中的各电池单体进行选择及测量；双向DC-DC变换模块，与该开关矩阵模块连接，以对选中的电池单体进行充电或放电；以及超级电容模块，连接于该双向DC-DC变换模块，包含多个电容以储存能量，本发明通过采用开关矩阵模块及双向DC-DC变换器、超级电容组成无源无损的可控动力电池组均衡系统，提高了均衡的精度及效率，从而延长动力蓄电池的使用寿命。

Description

电池组的均衡管理系统

技术领域

本发明涉及一种电池组的均衡管理系统，特别是涉及一种锂离子动力电池组的均衡管理系统。

背景技术

由于电动汽车的工作电压通常高达几百伏，而锂离子电池所能提供的最大电压也只有4.3伏，所以将大量的电池单体通过串联形成电池组成为电动汽车的必备元件。

尽管电池生产工艺进步迅速，但电池单体之间差异不会消除，其差异性不但不会随电池的使用趋于消失，相反还会在这个工程中不断加剧。以电池容量为例，当电池组中有电流通过时，容量大的单体总是处于小电流浅充浅放的状态，而容量小的单体总是处于大电流过充过放的阶段。前者有利于电池寿命延长，后者则会导致电池寿命缩短。除了影响寿命外，过充还会带来更大的安全威胁。过充中锂电池正极材料结构会发生变化使电解液分解，析出金属锂并释放大量气体，如果冲破电池壳体，锂与空气直接接触会导致电池燃烧，甚至爆炸。对电池组来讲，性能最差的单体电池决定着电池组的性能，因此对于电池组的均衡管理显得尤为重要。

然而，目前针对电池组的电池管理技术主要集中在对电池组整体管理上，对电池单体差异造成电池组的安全隐患，还没有足够重视。从均衡子系统的主要元器件来分，电阻均衡与储能均衡是动力电池目前比较常用的无需外加能源的均衡方法。(1)电阻均衡是通过放电电阻对电池进行放电。但是均衡过程中如果电阻选得过大，则均衡电流太小，效果甚微；如果电阻选得过小，则电阻功率很大，系统能量损耗大，均衡效率低。(2)储能均衡是利用电池对电感或电容等储能元件的充放电，通过继电器或者开关器件实现储能元件在不均衡电池间的切换，达到电池间的能量转移的，然而其也存在存储均衡剩余电量时充放电速度慢、能量消耗高及均衡效率低的缺点。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种电池组的均衡管理系统，其通过采用开关矩阵及双向DC-DC变换器、超级电容组成无源无损的可控动力电池组均衡系统，提高了均衡的精度及效率，从而延长动力蓄电池的使用寿命。

为达上述及其它目的，本发明提供一种电池组的均衡管理系统，至少包括：

电池组模块，包括n个串联的电池单体；

开关矩阵模块，与该电池组模块连接，以对电池组模块中的各电池单体进行选择及测量；

双向DC-DC变换模块，与该开关矩阵模块连接，以对选中的电池单体进行充电或放电，并用于匹配超级电容模块与所选择电池单体间的电压；以及

超级电容模块，与该双向DC-DC变换模块连接，其包含多个电容以储存能量。

进一步地，该开关矩阵模块包括n+5个开关，其中n+1个开关的一端依次连接于各电池单体的正负极，另一端连接包含另四个开关的极性调整模块，用于将所选择电池单体的电压差模信号转换成对地的单端电压信号及消除电池单体差分电压中的共模信号，并于通过该双向DC-DC变换模块对该电池组模块中电池单体进行充电和放电时对电压极性进行调整，以便能够顺利地对该电池组模块中电池单体进行充电和放电操作。

进一步地，该极性调整模块包括第一开关、第二开关、第三开关及第四开关，该第一开关与该第三开关串联后再与串联的该第二开关及该第四开关并联。

进一步地，各开关均采用开关速度快、导通电阻小及额定电流大的光耦合继电器。

进一步地，各光耦合继电器的接通与关断受微控制器的控制。

进一步地，该双向DC-DC变换模块包括一降压斩波电路及一升压斩波电路，该降压斩波电路的输入端连接在该超级电容模块上，输出端连接于该第一开关与该第三开关的公共点及该第二开关与该第四开关的公共点，以控制电能从该超级电容模块到电池组模块的流动；该升压斩波电路的输入端连接在于该第一开关与该第三开关的公共点及该第二开关与该第四开关的公共点，输出端连接在该超级电容模块上，以控制电能从该电池组模块到该超级电容模块的流动。

进一步地，该升压斩波电路包括第一开关管、第一二极管、一电感及第一电容，该第一二极管与该第二开关管并联，并连接于该电感。

进一步地，该降压斩波电路包括第二开关管、第二二极管、一电感及第二电容，该第二二极管与该第一开关管并联，并连接于该电感。

进一步地，该第一开关管及该第二开关管的开关管门控信号为脉冲宽度调制信号。

进一步地，对所选中电池单体的测量借助于外部的模数转换器实现。

与现有技术相比，本发明一种电池组的均衡管理系统通过采用检测—运算—充放电的模式进行均衡，能量过渡存储装置为超级电容，具有不消耗能量，均衡速度快的优点，克服了电阻均衡能量损耗高的缺点，并克服了采用蓄电池存储均衡剩余电量时充放电速度慢、能量消耗高、均衡效率低的缺点，本发明之电池组的均衡管理系统中双向DC-DC变换器的使用，可使超级电容与待均衡电池之间的能量流动速度(均衡电流的大小)控制在电池可承受范围内，克服了常见的电容电感储能均衡的均衡电流不可控，易损坏电池的缺点；另外，本发明之电池组的均衡管理系统以电量为目标，控制充放电时间来均衡电池组中的电池单体电压，能提高电池组的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种电池组的均衡管理系统之系统架构图；

图2为本发明一种电池组的均衡管理系统之较佳实施例的电路原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种电池组的均衡管理系统之系统架构图。如图1所示，本发明一种电池组的均衡管理系统，至少包括：电池组模块101、开关矩阵模块102、双向DC-DC变换模块103以及超级电容模块104。

其中电池组模块101包括多个串联的电池单体，是本发明的均衡管理对象；开关矩阵模块102与电池组模块101连接，以实现电池组模块101中电池单体的选择，同时，本发明之电池组的均衡管理系统还需对选中的电池单体电压进行测量，这可借助于外部的模数转换器来实现(图1未示出)，但不以此为限；双向DC-DC变换模块103与开关矩阵模块102连接，以对选中的电池单体进行充电或放电，其主要是起超级电容模块104与所选择电池单体间的电压匹配作用；超级电容模块104包含多个电容，用于储存能量，为能量过渡储存环节。

图2为本发明一种电池组的均衡管理系统之较佳实施例的电路原理图。如图2所示，电池组模块101包括n个串联的电池单体BAT(1)，BAT(2)...BAT(n)；开关矩阵模块102包括n+5个开关，其中n+1个开关Relay的一端依次连接于各电池单体的正负极，另一端通过连接一包含另四个开关的极性调整模块105，在此，极性调整模块105具有两个作用：一是将所选择电池单体的电压差模信号转换成对地的单端电压信号，并消除电池单体差分电压中的共模信号；二是在通过双向DC-DC变换模块103对电池组中电池单体进行充电和放电时对电压极性进行调整，以便能够顺利地对电池组中电池单体进行充电和放电操作。具体来说，极性调整模块105包括第一开关k1、第二开关k2、第三开关k3及第四开关k4，第一开关k1与第三开关k3串联后与串联的第二开关k2及第四开关k4并联，举例来说，如系统检测到电池BAT(n)要放电而BAT(n-1)要充电，则电池BAT(n)放电时开关K1、K4、Relay(n+1)、Relay(n)接通，其多余电量通过双向DC-DC变换模块103放到超级电容模块104上，电池BAT(n-1)充电时开关K2、K3、Relay(n)、Relay(n-1)接通，将超级电容模块104中的电量通过双向DC-DC变换模块103充至电池BAT(n-1)中。在本发明较佳实施例中，各开关均采用松下PhotoMOS型AQZ205D光耦合继电器，其共模电压可达100V。这里PhotoMOS是一种光耦与MOSFET组合的器件，可以实现控制部分及功率部分的强弱电隔离，无触点、无电弧干扰、灵敏度高、寿命长，易于控制，但需说明的是，本发明中的各开关不限于上述及原理图中所提供的型号，只需所选的光耦合继电器具有开关速度快、导通电阻小、额定电流大的特征即可。开关矩阵模块102中的光耦合继电器的接通与关断受微控制器(单片机等)的控制。

可见，在本发明中，开关矩阵模块102在控制器的的控制下选择电池组中某一电池单体，采用分时检测各单体电池的电压，将其经过信号处理后送入一路AD转换通道，采用n+5个PhotoMOS的光耦合继电器组成开关阵列(n为待测电池的个数)，在测量时通过控制相邻的一对开关把电池单体电压差模信号提取出来，然后经过K1、K3或K2、K4转换成对地的单端电压信号，同时消除单体电池差分电压中的共模信号。

在本发明较佳实施例中，双向DC-DC变换模块103为一双向斩波器，其包括一降压斩波电路及一升压斩波电路，其中降压斩波电路的输入端连接于超级电容模块104，其输出端连接于开关k1、k3的公共点及开关k2、k4的公共点，由第二开关管Q2、第二二极管D2、电感L1及第二电容C2构成，用于控制电能从超级电容到电池的流动；升压斩波电路的输入端连接于开关k1、k3的公共点及开关k2、k4的公共点，输出端连接于超级电容模块104，由第一开关管Q1、第一二极管D1、电感L1及第一电容C1构成，用于控制电能从电池到超级电容模块104的流动，在本发明较佳实施例中，双向DC-DC模块103中的开关管门控信号为脉冲宽度调制(PWM1及PWM2)信号，可由产生PWM信号的电路或是集成芯片提供。

综上所述，本发明一种电池组的均衡管理系统通过采用检测—运算—充放电的模式进行均衡，能量过渡存储装置为超级电容，具有不消耗能量，均衡速度快的优点，克服了电阻均衡能量损耗高的缺点，并克服了采用蓄电池存储均衡剩余电量时充放电速度慢、能量消耗高、均衡效率低的缺点，本发明之电池组的均衡管理系统中双向DC-DC变换器的使用，可使超级电容与待均衡电池之间的能量流动速度(均衡电流的大小)控制在电池可承受范围内，克服了常见的电容电感储能均衡的均衡电流不可控，易损坏电池的缺点；另外，本发明之电池组的均衡管理系统以电量为目标，控制充放电时间来均衡电池组中的电池单体电压，能提高电池组的使用寿命。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种电池组的均衡管理系统，至少包括：

电池组模块，包括n个串联的电池单体；

双向DC-DC变换模块，与该开关矩阵模块连接，以对选中的电池单体进行充电或放电，用于匹配超级电容模块与所选择电池单体间的电压；以及

2.如权利要求1所述的电池组的均衡管理系统，其特征在于：该开关矩阵模块包括n+5个开关，其中n+1个开关的一端依次连接于各电池单体的正负极，另一端连接包含另四个开关的极性调整模块，用于将所选择电池单体的电压差模信号转换成对地的单端电压信号及消除电池单体差分电压中的共模信号，并于通过该双向DC-DC变换模块对该电池组模块中电池单体进行充电和放电时对电压极性进行调整，以便能够顺利地对该电池组模块中电池单体进行充电和放电操作。

3.如权利要求2所述的电池组的均衡管理系统，其特征在于：该极性调整模块包括第一开关、第二开关、第三开关及第四开关，该第一开关与该第三开关串联后再与串联的该第二开关及该第四开关并联。

4.如权利要求2所述的电池组的均衡管理系统，其特征在于：各开关均采用开关速度快、导通电阻小及额定电流大的光耦合继电器。

5.如权利要求4所述的电池组的均衡管理系统，其特征在于：各光耦合继电器的接通与关断受微控制器的控制。

6.如权利要求2所述的电池组的均衡管理系统，其特征在于：该双向DC-DC变换模块包括一降压斩波电路及一升压斩波电路，该降压斩波电路的输入端连接在该超级电容模块上，输出端连接于该第一开关与该第三开关的公共点及该第二开关与该第四开关的公共点，以控制电能从该超级电容模块到电池组模块的流动；该升压斩波电路的输入端连接在于该第一开关与该第三开关的公共点及该第二开关与该第四开关的公共点，输出端连接在该超级电容模块上，以控制电能从该电池组模块到该超级电容模块的流动。

7.如权利要求6所述的电池组的均衡管理系统，其特征在于：该升压斩波电路包括第一开关管、第一二极管、一电感及第一电容，该第一二极管与该第二开关管并联，并连接于该电感。

8.如权利要求6所述的电池组的均衡管理系统，其特征在于：该降压斩波电路包括第二开关管、第二二极管、一电感及第二电容，该第二二极管与该第一开关管并联，并连接于该电感。

9.如权利要求7或8所述的电池组的均衡管理系统，其特征在于：该第一开关管及该第二开关管的开关管门控信号为脉冲宽度调制信号。

10.如权利要求1所述的电池组的均衡管理系统，其特征在于：对所选中电池单体的测量借助于外部的模数转换器实现。