CN102723758A - 电池柔性组合控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电池柔性组合控制系统，包括由电池单元串联而成的柔性电池组，电池单元由一个单体电池分别串联和并联一个开关元件组成；每个电池单元连接有一个电压检测电路，检测电池电压并传输到控制芯片；控制芯片对采集到的单体电池的参数通过写入到控制芯片的控制策略进行计算，并将得到的控制结果输出到与每个开关元件连接的开关元件驱动电路，从而控制电池组中开关元件的通断。本发明可以迅速实现精度更高的电池组均衡，延长放电时间；并且能进行对单个电池的精确监控和控制，当某一块电池出现问题时，可以立即从电池组中断开，杜绝安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及一种动力电池组的控制系统，特别涉及一种动力电池组柔性组合控制系统。
背景技术
动力电池组的寿命远小于单体电池的寿命，导致动力电池组性能下降较快、使用成本上升，严重制约了电动汽车的发展。实验表明，循环寿命500次以上的单体电池组合成10串电池组，则电池组寿命约为200次左右。如果串联数量增大，则电池组寿命更短。
单体电池间的不一致性，以及在行驶工况下串联电池组不一致性的逐步扩大，是导致电池组寿命远小于单体电池寿命的主要因素。考虑安全性等因素，串联电池组的容量是按“短板原理”来确定的，电池组中容量最小电池的容量决定了总体容量。经过长时间的循环，当电池组不一致性很大时，最小容量电池的容量会远小于平均容量(即单体容量)，所以电池组总体容量远小于单体容量，导致电池组寿命远小于单体寿命。为了减小不一致性的影响，努力使各电池单体在工作中保持一致，均衡技术成为了必然的选择。
电池均衡技术可分为两种类型，化学均衡和物理均衡。只集中于电池本身，没有额外电路的均衡为化学均衡。但化学均衡的实用性和安全性远远达不到实际应用的需求。传统的物理均衡，主要依赖于外部的均衡电路，电路的性能直接影响均衡的效果，其可靠性与效率也得不到保证。
发明内容
本发明的目的是为了减小电池组中电池不一致性的影响，努力使各电池单体在工作中保持一致，或者把容量的差别控制在一定的范围内。
本发明基于的原理是：由于单体电池工作电压不恒定，所以动力电池组工作电压具有较大的波动范围。如将工作电压为3.0V至3.8V之间100块单体串联，该电池组的工作电压将在300V和380V之间波动，最低工作电压仅为最高工作电压的80%。如果断开其中2块电池，则电压仅下降2%，完全能够满足电动汽车的行驶要求。实际行驶中，完全可以选择非峰值功率需求时进行均衡。相关研究表明，在实践中导致电池组容量较低的“短板”电池，往往只有一块或几块。因此，可以通过柔性组合技术，突破串联电池组中传统的电池间刚性连接，适时暂停最低电压电池的放电或最高电压电池的充电，调节各单体电池容量的差异，起到均衡作用，满足电动汽车的动力需求。借鉴柔性制造的思想，研究柔性连接技术，使极端电池从电池组中断开，暂时停止工作，当其状态与其他工作中的电池相近时，再接入电池组工作。这个过程始终动态的进行，以智能化的方式进行控制，从而实现一定的精度要求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种电池柔性组合控制系统，包括由电池单元串联而成的柔性电池组，电池单元由一个单体电池分别串联和并联一个开关元件组成；每个电池单元连接有一个电压检测电路，检测电池电压并传输到控制芯片；控制芯片对采集到的单体电池的参数通过写入到控制芯片的控制策略进行计算，并将得到的控制结果输出到与每个开关元件连接的开关元件驱动电路，从而控制电池组中开关元件的通断。
有益效果
本发明提供的电池柔性组合控制系统，可以迅速实现精度更高的电池组均衡，延长放电时间；并且能进行对单个电池的精确监控和控制，当某一块电池出现问题时，可以立即从电池组中断开，杜绝安全隐患。
附图说明
图1是电池柔性组合控制系统的总体框图；
图2是电池单元示意图；
图3是电池柔性组合控制系统的功能框图；
图4是动力电池柔性组合控制系统运行通用流程图。
具体实施方式
下面结合附图，具体说明本发明的优选实施方式。
图1是电池柔性组合控制系统的总体框图。电池柔性组合控制系统，包括由电池单元串联而成的柔性电池组，电池单元由一个单体电池分别串联和并联一个开关元件组成；每个电池单元连接有一个电压检测电路，检测电池电压并传输到控制芯片；控制芯片对采集到的单体电池的参数通过写入到控制芯片的控制策略进行计算，并将得到的控制结果输出到与每个开关元件连接的开关元件驱动电路，从而控制电池组中开关元件的通断，根据电池单元中的两个开关元件的通断状态使单体电池动态的从电池组中接入或断开。
控制芯片可以是有输入输出端口和ADC模数转换模块的可编程芯片；开关元件可以是MOSFET，IGBT和继电器等能通过电平高低进行通断的元件；开关元件驱动电路则是开关元件对应的驱动电路。
在电池单元中，一块单体电池与两个开关元件相连，如图2所示，其中1个开关元件(设为M1)与单体电池串联，另1个开关元件(设为M2)与单体电池并联。当单体电池标记为“接入”时，控制芯片通过开关元件驱动电路驱动M1导通，驱动M2断开，使单体电池接入到柔性电池组中；当单体电池标记为“断开”时，控制芯片通过开关元件驱动电路驱动M1断开，驱动M2导通，使单体电池从柔性电池组中断开。
在电池单元工作期间，电池单元中同一个单体电池的两个开关元件不能同时导通和同时断开，并且单体电池从柔性电池组中接入或断开时，两个开关元件必须同时改变其开关状态，保证电池组中不会出现局部短路和断路现象。
控制芯片的模数转换模块(ADC，Analog-to-Digital Converter)与电压检测电路相连，实现对单体电池电压的实时监测；控制芯片对采集到的单体电池的参数通过写入到控制芯片的控制策略进行计算；根据策略结果标记柔性电池组中的单体电池“断开”或“联通”状态；根据单体电池的通断标记状态控制芯片改变输出端口的高低电平传输给开关元件驱动电路；驱动电路将传过来的高低电平进行隔离和信号放大，驱动开关元件的通断，进而控制单体电池在柔性电池组中的通断；控制策略将本次的操作中的单体电池电压、单体电池通断状态、输出总电压等信息进行实时记录。本发明可以根据实际应用采取灵活的控制策略，例如设定电池的电压阈值，低于该阈值就将对应的电池断开，暂停电池的放电，并对电池进行充电；或者设定一个电池的电压范围，低于该范围就暂停电池的放电，高于该范围就暂停电池的充电；或者每隔一定时间间隔检测出电压最低的电池和电压最高的电池，并暂停最低电压电池的放电以及最高电压电池的充电。每个开关元件都与控制芯片相连，由控制芯片控制开关元件的通断状态；每个单体电池两端都与控制芯片的ADC模数转换模块相连，实现电压的实时检测。控制芯片与电压检测电路之间使用线性光耦隔离元件实现电气隔离；控制芯片与开关元件驱动电路之间使用光耦隔离元件实现电气隔离。柔性电池组两端有两组开关元件，根据控制策略可在直流和交流之间切换输出，并根据控制策略可以实时控制交流电的频率。
本发明电池柔性组合控制系统的功能框图为图3，控制系统主要由控制芯片、开关元件、单体电池、电压检测电路、开关元件驱动电路以及通讯电路组成；单体电池与电压检测电路相连，通过隔离再与控制芯片相连，实现电压测量；单体电池与两个开关元件并联和串联，成为一个电池单元，电池单元之间串联形成柔性电池组，开关元件和开关元件驱动电路相连，再通过隔离与控制芯片相连，实现单体电池在电池组中实时、动态地接入和断开。本发明动力电池柔性组合控制系统的控制芯片为可编程芯片，控制策略可通过控制芯片专用的程序烧写模块烧写到控制芯片中，使控制策略灵活化和多样化，控制芯片连接有控制策略调试下载模块，方便对控制芯片中的控制策略进行灵活定制。
本发明动力电池柔性组合控制系统的一般控制流程图如图4所示。
电池柔性组合控制系统一般控制流程为：
一、系统上电，进行初始化操作，加载控制策略；
二、检测电池组中单体电池的电压并做电压修正；
三、烧写到控制芯片的控制策略根据电池组单体电池的电压等参数进行策略控制，根据策略结果控制开关元件驱动模块；记录控制结果以及电池组单体电池信息；
四、等待一段时间后，重复步骤二。
本发明不仅限于以上实施例，凡是利用本发明的设计思路，做一些简单变化的设计，都应计入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电池柔性组合控制系统，包括由电池单元串联而成的柔性电池组，其特征在于，电池单元由一个单体电池分别串联和并联一个开关元件组成；每个电池单元连接有一个电压检测电路，检测电池电压并传输到控制芯片；控制芯片对采集到的单体电池的参数通过写入到控制芯片的控制策略进行计算，并将得到的控制结果输出到与每个开关元件连接的开关元件驱动电路，从而控制电池组中开关元件的通断。
2.根据权利要求1所述的一种电池柔性组合控制系统，其特征在于，一块单体电池与两个开关元件相连，其中1个开关元件M1与单体电池串联，另1个开关元件M2与单体电池并联；当单体电池标记为“接入”时，控制芯片通过开关元件驱动电路驱动M1导通，驱动M2断开，使单体电池接入到柔性电池组中；当单体电池标记为“断开”时，控制芯片通过开关元件驱动电路驱动M1断开，驱动M2导通，使单体电池从柔性电池组中断开。
3.根据权利要求1或2所述的一种电池柔性组合控制系统，其特征在于，在电池单元工作期间，电池单元中同一个单体电池的两个开关元件不能同时导通和同时断开，并且单体电池从柔性电池组中接入或断开时，两个开关元件必须同时改变其开关状态，保证电池组中不会出现局部短路和断路现象。
4.根据权利要求1或2所述的一种电池柔性组合控制系统，其特征在于，控制芯片与电压检测电路之间使用线性光耦隔离元件实现电气隔离，控制芯片与开关元件驱动电路之间使用光耦隔离元件实现电气隔离。
5.根据权利要求1或2所述的一种电池柔性组合控制系统，其特征在于，柔性电池组两端有两组开关元件，根据控制策略可在直流和交流之间切换输出，并根据控制策略可以实时控制交流电的频率。
6.根据权利要求1或2所述的一种电池柔性组合控制系统，其特征在于，电池柔性组合控制系统一般控制流程为：
一、系统上电，进行初始化操作，加载控制策略；
二、检测电池组中单体电池的电压并做电压修正；
三、烧写到控制芯片的控制策略根据电池组单体电池的电压等参数进行策略控制，根据策略结果控制开关元件驱动模块；记录控制结果以及电池组单体电池信息；
四、等待一段时间后，重复步骤二。
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