CN102684262B - 电池组充放电自动管理装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种电池组充放电自动管理装置，电池组由若干单体电池串联而成，所述电池组中备份有至少一个单体电池，包括备份的单体电池在内的每个单体电池均单独连接有一个分控制器，所有的分控制器信号连接；包括以下步骤：a.计算出单体电池的充放电容量；b.按照放电容量从大到小的顺序依次串联足够个数的单体电池组成放电的电池组，剩余的单体电池作为备用；c.将备用的单体电池替换已完全放电的单体电池进行放电。本发明的有益效果是：可以提高整个系统的可靠性，节省了资源，减小了环境污染。

Description

电池组充放电自动管理装置及其工作方法

技术领域

本发明属于蓄电池应用与控制技术领域，特别涉及一种电池组充放电自动管理装置及其工作方法。 

背景技术

目前电动汽车，太阳能光伏逆变系统等都在大量使用由各种蓄电池组成的串联电池组。国内外大量的技术文献表明，蓄电池组应用中往往存在使用寿命短、放电容量不足、可靠性低的问题。影响电池组使用寿命的最大原因是过充电与过放电；造成电池组放电容量不足的原因是电池组中的个别质量差的电池， 

可靠性低是因为电池大电流放电过程中，个别电池断格开路，造成放电失败，甚至会引发电池爆炸。

现有技术中，一般采用对整个电池组采用恒压充电，依据串联蓄电池组在25°C时的浮充电压确定充电器的输出电压值。这在新电池阶段没有什么大问题，但是在经过半年或更短的时间后，特别是其中有一个以上电池的单格出现短路以后，更加剧了对其它正常电池的过充电，使的电池失水，容量下降，内阻增大，正极板腐蚀。因此理论寿命15-20年的免维护电池，在串联使用时，整个电池组只有2-3年的寿命。而且由于传统的新旧电池不能混用的规定，造成了大量的并没有完全报废的电池变为垃圾。不但浪费了资源，还对环境污染带来了巨大的压力。除了不能物尽其用的问题外，还有一个更大问题是可靠性，UPS电源的应用中，可靠性尤为重要，由于电池放电时突发故障，导致的机房爆炸、数据丢失等事故常常见于报端。 

关于蓄电池组的充放电管理技术，有申请号：201110328521.6 ，专利名：“单体升压蓄电池组工作方法及单体蓄电池升压成组控制器”的专利，该专利采用的技术方案是：单节电池独立充电，独立逆变升压，将多只单节电池的电压先分别逆变升压到较高电压值，再分别限流调压，将电能充入同一个超级电容，由超级电容供设备用电。该专利解决了蓄电池的充放电均衡问题，在节能、环保、安全可靠、消除隐患方面将给社会带来巨大的效益，但是仍然有5点可以改善的地方： 1.系统复杂且成本高；2.放电环节中有两次功率变换的过程，第一次是独立升压，第二次是限流调压，会使效率降低；3.超级电容价格高，大功率应用时存在可靠性与成本的矛盾；4.电路启动时间长；5.突发的负载电流冲击会导致电压下跌；6 .系统构成部件太多，不易用来改造已有设备。 

发明内容

为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种成本低、可靠性高，能够自动排除故障并支持新旧电池混用的电池组充放电自动管理装置及其工作方法。 

本发明是通过以下措施实现的 

本发明的一种电池组充放电自动管理装置，电池组由若干单体电池串联而成，所述电池组中备份有至少一个单体电池，包括备份的单体电池在内的每个单体电池均单独连接有一个分控制器，所有的分控制器信号连接；

所述分控制器包括微处理器Ⅰ，所述微处理器Ⅰ连接有存储器、通讯模块、充电模块、电压检测模块、温度传感器、充放电容量检测模块和电池投切装置，所述电池投切装置用于通过电路投切将备份的单体电池与正在使用中的电压低于设定值的单体电池进行相互替换。

上述所有的分控制器共同连接有一个总控制器，所述总控制器包括微处理器Ⅱ，所述微处理器Ⅱ连接有通讯模块、显示器和键盘。 

上述电池投切装置包括投切电路，所述投切电路包括一个公共端，所述公共端连接有两个相并联的支路，一个支路串联开关K1后接单体电池的正极，另一个支路串联开关K2后接单体电池的负极，单体电池通过前后相邻的两个单体电池的的正极和公共端相连的方式依次串联，首位单体电池的公共端接负载负极，末位单体电池的正极接负载正极，所述开关K1和开关K2连接有用于驱动其开闭的开关驱动器，所述开关驱动器连接微处理器Ⅰ；使用中的单体电池上的投切电路中开关K2闭合，开关K1断开；备用的单体电池上的投切电路中开关K1闭合，开关K2断开。 

上述分控制器的微处理器Ⅰ还连接有异常保护模块、并联均流模块、LED电池状态指示灯、程序升级接口和温度调节控制模块。 

上述总控制器的微处理器Ⅱ还连接有声光报警模块和程序升级接口。 

本发明的一种电池组充放电自动管理装置的工作方法，包括以下步骤： 

a. 每个分控制器分别记录其相连的单体电池完全充放电时的实时电压、充放电时间、充放电电流和温度，计算出单体电池的充放电容量；

b. 将所有单体电池按照充电容量和放电容量大小进行排序并存储起来，按照放电容量从大到小的顺序依次串联足够个数的单体电池组成放电的电池组，将剩余的单体电池作为备用； 

c.如果分控制器检测出正在放电的单体电池的电压值低于设定值，则判定该单体电池已完全放电，将备用的单体电池替换已完全放电的单体电池进行放电，每一次替换都是根据放电容量大小的排序优先投入放电容量大的备用单体电池。

上述在步骤c中，电池替换方法为：分控制器的微处理器Ⅰ通过开关驱动器驱动已完全放电的单体电池上连接的开关开关K2断开，K1闭合，同时另一个分控制器的微处理器Ⅰ通过开关驱动器驱动备用单体电池上相连的开关K1断开， 开关K2闭合。 

上述在步骤a中，微处理器Ⅰ根据测得的温度值和存储器中存储的反映充放电电流值及环境温度与电压的对应关系的电池充放电数据表，实时检测蓄电池电压和修正充电电流，当单体电池电压随充电时间逐渐升高到数据表中规定电压时，微处理器Ⅰ判定充电完成，点亮绿色的LED电池状态指示灯、关闭充电输出，并根据各个阶段的时间值与电流值，计算出本次充电容量。 

上述步骤中增加总控制器，总控制器对所有分控制器的信息进行汇总，并通过显示器显示出来，通过键盘进行参数的设定，当所有的备份单体电池用完时，总控制器发出声光报警信号，显示整个电池组已进入欠压放电状态。 

上述总控制器根据电池组剩余的电量推算出所能完成的路程，并显示在显示屏上。 

本发明的有益效果是： 

1.可以使整个系统的可靠性比以往产品理论上提高几倍，绝对不会发生系统突然瘫痪的情况，若应用在电动汽车上，可解决由于故障电池带来的突然停驶问题，特别适合应用在重要的航天、国防、科研、医疗、通信、金融等部门的UPS(EPS)电源上；2.支持新旧电池混用和自动故障修复，不必每坏一个电池就修一次，可以待较多的故障电池退出后再修理，维修时换下真正的故障电池，把落后的电池按程度不同重新编组并联，这样可以在不影响正常使用的前提下减少维修次数，对于汽车厂可以降低售后的成本，对于用户可以降低使用的成本；3.由于系统支持新旧电池混用，旧电池不会影响新电池，可以把性能相同，容量不同的旧蓄电池并联为一个单体电池组继续使用，直用到每个电池的寿命极限，节省了资源，减小了环境污染。

附图说明   

图1为本发明一种形式的总体结构示意图。

图2为本发明另一种形式的总体结构示意图。

图3为本发明中总控制器和分控制器的结构框图。 

具体实施方式

实施例1：本发明的电池组充放电自动管理装置，电池组由若干单体电池串联而成，电池组中备份有至少一个单体电池，采用多重冗余备份，所有单体电池都是相同的。包括备份的单体电池在内的每个单体电池均单独连接有一个分控制器A，所有的分控制器信号连接。分控制器A中的存储器，预先写入由电池组总电压除以单体蓄电池电压得到的“蓄电池投入个数”，还要写入冗余备份的蓄电池个数。分控制器之间可以进行信号的通讯。由每个分控制器对所属单体电池单独进行充电管理，单体电池串联升压放电，取消了逆变升压环节和限流调压环节，取消了两次功率变换过程，提高了效率，取消了超级电容，无易损器件，简化了结构、降低了成本、提高了过载能力。对蓄电池组中的每一个单体蓄电池采用独立充放电的方法，使充放电更加均衡。 

分控制器包括微处理器Ⅰ，微处理器Ⅰ连接有存储器、充电模块、电压检测模块、温度传感器、充放电容量检测模块、电池投切装置、LED电池状态指示灯、异常保护模块、并联均流模块、程序升级接口和温度调节控制模块。充电模块功能类似手机锂离子电池中的充电管理电路板，对电池进行充电管理。电压检测模块、温度传感器和充放电容量检测模块分别检测电池的电压、温度和充放电容量。当单体电池充完电时LED电池状态指示灯起到指示作用。异常保护模块用于超温及过载保护，并联均流模块用于扩充容量时的均流控制，程序升级接口用于微处理器Ⅰ内的程序升级。温度调节控制模块用于当单体电池的温度过高或者过低时控制与之相连的温度调节装置工作。电池投切装置用于通过电路投切将备份的单体电池与正在使用中的电压低于设定值的单体电池进行相互替换。通讯模块可以采用CAN通讯模块，分控制器通过CAN总线连接。 

具体地说：电池投切装置包括投切电路，投切电路包括一个公共端COM，公共端连接有两个相并联的支路，一个支路串联开关K1后接单体电池的正极，另一个支路串联开关K2后接单体电池的负极，单体电池通过前后相邻的两个单体电池的的正极和公共端相连的方式依次串联，首位单体电池的公共端接负载负极，末位单体电池的正极接负载正极，开关K1和开关K2连接有用于驱动其开闭的开关驱动器，开关驱动器连接微处理器Ⅰ；使用中的单体电池上的投切电路中开关K2闭合，开关K1断开；备用的单体电池上的投切电路中开关K1闭合，开关K2断开。上述开关K1和开关K2采用电子开关，包括 VMOS、IGBT、IGCT、光控晶闸管、门极可关断晶闸管、功率GTR、静态开关、固态继电器，继电器、接触器、或其中的某几项组合而成，也可以是单独的机械开关。视成本与性能可以有不同的选择。 

电池组充放电自动管理装置的工作方法，包括以下步骤： 

a. 每个分控制器分别记录其相连的单体电池完全充放电时的实时电压、充放电时间、充放电电流和温度，计算出单体电池的充放电容量；

b. 将所有单体电池按照充电容量和放电容量大小进行排序并存储起来，按照放电容量从大到小的顺序依次串联足够个数的单体电池组成放电的电池组，剩余的单体电池作为备用；根据放电容量值排序更加可靠，因为可能采用了旧电池，这样可以诊断出自放电过大的劣质电池。

c. 放电时如果分控制器检测出正在使用的单体电池的电压值低于设定值，则判定该单体电池已完全放电，分控制器将已完全放电的单体电池切出电池组作为备用，根据电池组总电压的需要，同时将相应个数的备用单体电池投入电池组进行放电，也就是将备用的单体电池替换已完全放电的单体电池进行放电，每一次替换都是根据放电容量大小的排序优先投入放电容量大的备用单体电池。 

在步骤a中，微处理器Ⅰ根据测得的温度值和存储器中存储的反映充放电电流值及环境温度与电压的对应关系的电池充放电数据表，实时检测蓄电池电压和修正充电电流，当单体电池电压随充电时间逐渐升高到数据表中规定电压时，微处理器Ⅰ判定充电完成，点亮绿色的LED电池状态指示灯、关闭充电输出，并根据各个阶段的时间值与电流值，计算出本次充电容量。因为充足后的保护充电电压是参考着环境温度随时修正的，充入的电量只是用来补偿蓄电池的自放电电量的，这样就保证了不会发生过充电的现象。 

在步骤c中，待检测到放电70%时点亮黄色LED指示灯。电池投切装置的投切方法为：某个分控制器的微处理器Ⅰ通过开关驱动器驱动已完全放电的单体电池上连接的开关开关K2断开，开关K1闭合，同时另一个分控制器的微处理器Ⅰ通过开关驱动器驱动备用单体电池上相连的开关K1断开，开关K2闭合。由于采用了高速微处理器和电子开关，整个替换过程可以在不足1毫秒内完成，而大多数电子电路的电源系统的滤波电容维持时间可达到50毫秒以上，替换时间极短，可谓无缝切换，既采用大电流均衡补偿，又采用快速替换方式，解决了蓄电池的过放电放电及可靠性问题。可以支持新旧电池混用，就可以把每个蓄电池都用到真正报废为止，达到减少蓄电池报废量的目的。 

实施例2：所有的分控制器共同连接一个总控制器，总控制器包括与每个微处理器Ⅰ信号连接的微处理器Ⅱ，微处理器Ⅱ连接有显示器、键盘、声光报警模块和程序升级接口。显示器还具有历史记录查询功能，记录整个维护周期中各个蓄电池的充放电数据及日期。键盘用于参数设定。声光报警模块用于当电池组欠压时报警。程序升级接口用于微处理器Ⅱ内的程序升级。 

总控制器对所有分控制器的信息进行汇总，并通过显示器显示出来，通过键盘进行参数的设定，当所有的备份单体电池用完时，总控制器发出声光报警信号，显示整个电池组已进入欠压放电状态。 

实施例3：本发明还可以组成蓄电池堆管理系统，在上述实施例2的基础上，由这样的多个串联电池组，并联而成。适合大型风光互补发电厂。 

总控制器中存储有多种型号的单体电池的电压和温度的参数对照表，根据对照表确定设定最低电压值。总控制器根据电池组剩余的电量推算出所能完成的路程，并显示在显示屏上。为人们出行提供方便。 

小型化、模块化结构，可以直接嵌入现有的在用设备内，（如：UPS、 EPS电源，及电力直流操作电源，光伏逆变系统等等）可灵活扩容，重复利用，减少电子垃圾的产生，节能减排，符合循环经济的要求。如果应用于UPS(EPS)电源，可开启自动维护功能，用户可设定定时放电日期及循环周期。 

上述实施例所述是用以具体说明本专利，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本专利的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本专利的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。 

Claims (8)

1.一种电池组充放电自动管理装置，电池组由若干单体电池串联而成，其特征在于：所述电池组中备份有至少一个单体电池，包括备份的单体电池在内的每个单体电池均单独连接有一个分控制器，所有的分控制器信号相连接；

所述分控制器包括微处理器Ⅰ，所述微处理器Ⅰ连接有存储器、通讯模块、充电模块、电压检测模块、温度传感器、充放电容量检测模块和电池投切装置，所述电池投切装置用于通过电路投切将备份的单体电池与正在使用中的电压低于设定值的单体电池进行相互替换；

每个分控制器分别记录与其相连的单体电池完全充放电时的实时电压、充放电时间、充放电电流和温度，计算出单体电池的充放电容量，将所有单体电池按照充电容量和放电容量大小进行排序并存储起来，按照放电容量从大到小的顺序依次串联足够个数的单体电池组成放电的电池组，剩余的单体电池作为备用，如果分控制器检测出正在放电的单体电池的电压值低于设定值，则判定该单体电池已完全放电，将备用的单体电池替换已完全放电的单体电池进行放电，每一次替换都是根据放电容量大小的排序优先投入放电容量大的备用单体电池。

2.根据权利要求1所述的电池组充放电自动管理装置，其特征在于：微处理器Ⅰ根据测得的温度值和存储器中存储的反映充放电电流值及环境温度与电压的对应关系的电池充放电数据表，实时检测电池电压和修正充电电流，当单体电池电压随充电时间逐渐升高到数据表中规定电压时，微处理器Ⅰ判定充电完成，点亮绿色的LED电池状态指示灯、关闭充电输出，并根据各个阶段的时间值与电流值，计算出本次充电容量。

3.根据权利要求1所述的电池组充放电自动管理装置，其特征在于：所有的分控制器共同连接有一个总控制器，所述总控制器包括微处理器Ⅱ，所述微处理器Ⅱ连接有通讯模块、显示器和键盘。

4.根据权利要求3所述的电池组充放电自动管理装置，其特征在于：总控制器的微处理器Ⅱ还连接有声光报警模块和程序升级接口。

5.根据权利要求3所述的电池组充放电自动管理装置，其特征在于：总控制器对所有分控制器的信息进行汇总，并通过显示器显示出来，通过键盘进行参数的设定，当所有的备份单体电池用完时，总控制器发出声光报警信号，显示整个电池组已进入欠压放电状态。

6.根据权利要求3所述的电池组充放电自动管理装置，其特征在于：总控制器根据电池组剩余的电量推算出所能完成的路程，并显示在显示屏上。

7.根据权利要求1所述的电池组充放电自动管理装置，其特征在于：所述电池投切装置包括投切电路，所述投切电路包括一个公共端，所述公共端连接有两个相并联的支路，一个支路串联开关K1后接单体电池的正极，另一个支路串联开关K2后接单体电池的负极，单体电池通过前后相邻的两个单体电池的的正极和公共端相连的方式依次串联，首位单体电池的公共端接负载负极，末位单体电池的正极接负载正极，所述开关K1和开关K2连接有用于驱动其开闭的开关驱动器，所述开关驱动器连接微处理器Ⅰ；使用中的单体电池上的投切电路中开关K2闭合，开关K1断开；备用的单体电池上的投切电路中开关K1闭合，开关K2断开。

8.根据权利要求1所述的电池组充放电自动管理装置，其特征在于：所述分控制器的微处理器Ⅰ还连接有异常保护模块、并联均流模块、LED电池状态指示灯、程序升级接口和温度调节控制模块。