CN102969755B - 电池组智能管理电路及电池组智能管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池组智能管理电路及电池组智能管理电路系统。该电池组智能管理电路包括串联设置的两个以上电池单元，每一电池单元的一极依次经串联设置的一第三开关和一第一开关与一降压稳压电路的一个输出端口及一冗余电池单元的一极电连接，另一极经一第二开关与所述降压稳压电路的另一个输出端口及所述冗余电池单元的另一极电连接。该电池组智能管理电路系统包括前述电池组智能管理电路。进一步的，所述第一开关、第二开关和第三开关均采用可控开关，并由一控制单元控制。本发明能实现电池组的有效管理，特别是能实现平滑的切换均衡和高效的浮充均衡。

Description

电池组智能管理电路及电池组智能管理系统

技术领域

本发明涉及一种电池组管理系统（BMS），特别涉及一种电池组智能管理电路及电池组智能管理系统。

背景技术

为了给设备提供足够的电压，电池组通常由多个电池串联而成，但是如果电池之间的容量失配便会影响整个电池组的容量。当电池组中的电池不均衡时，它的可用容量将减少，串联电池组中容量最低的电池将决定电池组的总容量。在不均衡电池组中，一个或几个电池会在其它电池尚需充电时便已达到最大容量。而在放电时，未完全充电的电池又会比其它电池先放完电，使电池组因电压不足而提前停止供电。

所以目前的电池组普遍需要采用电池均衡技术，其目的在于：

其一、充电均衡。在充电过程中后期,部分电池的容量很高，其单体电压已经超过设定上限(一般要比充电截止电压小)时,BMS控制均衡电路开始工作,控制这些容量满的电池少充、不充甚至是转移能量，以使容量小的电池继续充电，并且使容量已满的电池不损坏。

其二、放电均衡。在电池组输出功率时,通过补充电能限制容量低的电池放电，使得其单体电压不低于预设下限(一般要比放电终止电压高一点)。前述充电截止电压和放电终止电压均与电池的自身特性（如温度、充放电流等）直接相关，因此，前述预设上、下限的值亦主要由电池的自身特性而决定。

显然，充电均衡仅仅保证了电池在充电中，容量最小的电池不过充，在放电过程中，它能释放的能量也是最小的，因此这些电池过度放电的可能性很大。如果BMS控制不好的情况下，这些容量小的电池已经处于深度放电条件下，电池组的整体仍蕴含较高的能量(表现在电池组电压较高)。因此，一般需将充电均衡与放电均衡一起使用。

其三、动态均衡。电池组工作在浮充状态(idle),可通过能量转换的方法实现组中单体电池电压的平衡,实时保持相近的荷电程度。 事实上，目前关于idle状态的转化可能引起额外的能量消耗，因此需要谨慎评估，不能把电池组内各单体电池的能量随意转进转出，以致将电能全部转变为热量而消耗殆尽。

传统的电池均衡方法主要有断流(disconnection circuit)型、分流(Shuntingmethod)及能耗型(Dissipative Method)以及主动均衡型等模式。

而近来又出现了一种最新的电池管理技术，其表面上是断流型模式的一种改进，但实际上由于使用了变电压充电和冗余电池切换的技术，因此可称之为“切换均衡型”模式，其性能优于上述各种均衡方法。参阅图1所示系该技术的电路原理图，其要点在于将电池组设计为由N个电池组成，假设单个电池的额定放电电压和额定充电电压分别为ε′和ε，电池组对外供电的额定电压为Kε′， N>K，N为不小于2的正整数，则： 

若考察第i个电池（i为1～N之中的任一正整数）：当开关S_i，1闭合同时S_i，2打开时，电池i接入电路回路；当开关S_i，1打开同时S_i，2闭合时，电池i旁出电路回路。所以通过调整开关S_i，1和S_i，2的通断状态，就可以控制第i个电池接入或者旁出充电回路。如果M<N个电池被接入充电电路，那么此时蓄电池组的额定充电电压就降低为Mε。

该方法的工作方式为，在实时监测每一个电池的电压和电流的同时：

（1）充电均衡：起始时，K个电池接入，余电池旁路（为方便表述起始旁路电池块称作冗余电池块），降压稳压电路输出为V_output=Kε对电池组进行充电；当有电池充满时，将该电池旁路，然后将一块冗余电池切换接入充电电路，V_output不变，继续充电；当有电池充满，同时冗余电池也都已充满时，将该电池旁路， V_output降低ε，继续充电；直至所有电池充满。 

（2）放电均衡：起始，调整开关S_i，1和S_i，2的通断状态使得蓄电池组内只有K个电池接入放电回路，其余电池旁出放电回路；实时监测每个电池的电压，电流，计算出每个电池的电量，每隔一定时间比较一次，将电量最小的N-K快电池旁路，余接入放电电路；直到有电池剩余电量达到防过放门限，需电池组停止工作。

（3）浮充均衡：不能有效提供浮充均衡。

综述之，尽管该切换均衡方法具有如下优点：能尽可能的给蓄电池充入多的电量，也能够尽可能多的放出所存储的电量，同时由于不属于能耗型均衡，也没有电池之间的能量转移所带来的能耗，所以能源的利用效率很高；但也存在如下不足：（1）放电工作状态下，电池的切换会导致电池组瞬间断路，频繁的断路和接通所造成的冲击有可能损坏用电设备；（2）不能实现浮充均衡。

发明内容

本发明旨在提供一种电池组智能管理电路及电池组智能管理系统，其能实现平滑的切换均衡和高效的浮充均衡，从而克服了现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种电池组智能管理电路，包括串联设置的两个以上电池单元，其中，每一电池单元的一极依次经串联设置的一第三开关和一第一开关与一降压稳压电路的一个输出端口及一冗余电池单元的一极电连接，另一极经一第二开关与所述降压稳压电路的另一个输出端口及所述冗余电池单元的另一极电连接。

进一步的，该两个以上电池单元中的第一个电池单元的一极经一第三开关与负载的一端电连接， 最后一个电池单元的另一极与所述负载的另一端电连接，而除该第一个电池单元的一极及最后一个电池单元的另一极之外，每一电池单元的一极均经一第三开关与位于该电池单元之前的另一个电池单元的另一极电连接。 

作为优选的实施方案之一，所述第一开关、第二开关和第三开关均采用可控开关，所述可控开关至少选自场效应晶体管和继电器中的任意一种。

其中，所述场效应晶体管包括MOSFET场效应晶体管；

所述继电器至少选自固态继电器、接触式继电器和光耦继电器中的任意一种。

作为优选的实施方案之一，所述电池组智能管理电路还与至少用以控制前述第一开关、第二开关和第三开关的控制单元连接。

作为优选的实施方案之一，设所述电池组智能管理电路包含由N个电池单元串联构成的电池组，N为大于或等于2的正整数，并设每一电池单元的额定充电电压为ε，则所述电池组智能管理电路至少具有如下工作模式：

（1）切换模式：将所有第一开关与第二开关均打开，对于第i个电池单元，i为1～N中的任一正整数，首先切断所述电池组智能管理电路与降压稳压电路的连接，而将冗余电池接入所述电池组智能管理电路，其次闭合与该第i个电池单元配合的第一开关和第二开关，再打开与该第i个电池单元配合的第三个开关，实现将该第i个电池单元旁路；

（2）选择性充电模式：

a. 选定所述电池组中连续m个电量不满的电池单元形成电池串，并使降压稳压电路输出的充电电压等于mε，且至少将与所述电池串中的m个电池单元配合的第三开关均闭合，而将除了与所述电池串中的第一个电池单元配合的第一开关和与所述电池串的最后一个电池单元配合的第二开关之外的所有第一开关和第二开关均打开，使所述电池串中的所有电池单元都处于充电状态，其中1≤ m ≤N，m为正整数；当所有第三开关均闭合，同时电池组外接负载时，则系统处于浮充状态。

b. 对于冗余电池：首先使所有第一开关和第二开关均打开，其次使降压稳压电路输出的充电电压等于ε，然后将冗余电池接入所述电池组智能管理电路，实现对冗余电池的充电；

（3）均衡管理模式：

Ⅰ、充电均衡模式，包括：

①切断所述电池组智能管理电路与冗余电池的连接，并将除了与第一个电池单元配合的第一开关和与第N个电池单元配合的第二开关之外的所有第一开关和第二开关均打开，以及，将所有第三开关均闭合，同时使降压稳压电路输出的充电电压等于Nε，则电池组内的所有电池单元全部进入充电状态；

②若电池组中有电池单元充满，则选定电池组中连续的m个电量不满的电池单元形成电池串，进入前述步骤（2）a所述的选择性充电模式，直至所述选定电池串中有任一电池单元充满，则另外选取连续的m个电量不满的电池单元重新形成电池串, 重复此过程，过程中m的值会改变并且最小值可为1，直至所有的电池单元都被充满；

③进入前述步骤（2）b所述的选择性充电模式，完成对冗余电池的充电；

Ⅱ、放电均衡模式，包括：

切断所述电池组智能管理电路与降压稳压电路的连接，而将冗余电池和负载接入所述电池组智能管理电路，以及，将所有第一开关和第二开关均打开，并将所有第三开关均闭合，使电池组向负载供电；

实时监测每一电池单元的电压及电流，计算出每一电池单元的电量，且每隔一设定时间段比较一次所有电池单元的电量，并按照步骤（1）的操作将电量最小的一个电池单元以冗余电池替代，直至任一电池单元剩余电量达到预设的防过放门限，即使电池组停止工作。

一种电池组智能管理系统，包括如上所述的电池组智能管理电路。

进一步的，所述电池组智能管理系统还包括：

用于采集与电池组中每一电池单元的工作状态相关数据的监测与检测单元；

控制单元，包括：

至少用于调整电池组智能管理电路中所有第一开关、第二开关及第三开关的工作状态的开关驱动电路，以及，

与开关驱动电路及监测与检测单元连接的控制模块。

所述控制模块包括计算与控制处理单元。

作为较佳的应用方案之一，所述电池组智能管理系统还包括通信与存储单元，所述计算与控制处理单元经通信与存储单元与通信、告警设备连接。

与现有技术相比，本发明优点至少在于：

（1）实现了平滑的切换均衡，避免了瞬间断电，保证了电池组输出的电压和电流平稳；

（2）电池组在获得切换均衡好处的同时，实现了高效的浮充均衡。

附图说明

图1是现有的一种电池组管理系统的电路图；

图2是本发明一较佳实施例中电池组智能管理电路的结构示意图；

图3是本发明一较佳实施例中电池组智能管理系统的结构框图。

具体实施方式

以下结合一较佳实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

如前所述，现有电池管理技术存在诸多不足，是以本案发明人提供了一种新型的电池组智能管理电路。参阅图2所示，作为该电池组智能管理电路的一个典型实施例，其包括编号为1至i的多个电池单元（可以为单体电池或者多个单体电池的组合，以下均简称为“电池”），i=1，2，…N，N为大于或等于2的正整数，其中每一电池的规格型号均相同，且其额定充电电压为ε，则电池组的额定充电电压为Nε。

而同时，该实施例中还包括一系列的开关S_i，n，在本实施例中，n选自1、2或3，其可分别定义为第一开关、第二开关和第三开关。

又及，该实施例中还包括至少一冗余电池单元，该冗余电池单元可通过带有开关的导线等接入电池组智能管理电路，所述冗余电池单元的充电电压也为ε，且容量可以根据需要选择。

再及，该实施例中还可包括一降压稳压电路，其亦可通过带有开关的导线等接入电池组智能管理电路。

另及，该实施例中还可包括至少一负载，其也可通过带有开关的导线等接入电池组智能管理电路。

进一步参阅图2，该实施例的工作模式如下：

（1）切换：可以旁路电池组中的第i个电池，i=1，2，…N，同时将冗余电池切换进入电路来替换这个电池进行电池组的放电。方法如下：断开充电电路，所有第一开关与第二开关均打开，连接冗余电池；首先闭合S_i，1，S_i，2，将电池i并联备用电池，然后打开S_i，3 将电池i旁路，在整个过程中电池组对外供电不会中断；

（2）选择性充电：电池组可以选择对冗余电池充电，或者对第1-N中的一块电池或者由连续的m个电量不满的电池形成的电池串进行充电，方法如下：

a. 通过降压稳压电路使得降压稳压电路输出的充电电压V_output= mε， 1≤ m ≤N；开关S_i，3,i=1，2…N,全部闭合； S_i，1和S_i，2,i=1，2…N, 所有开关中除S_j，1和S_k，2闭合外余全部打开，其中k-j=m-1；此时电池组中所有满足j≤ i ≤ K条件的区间电池串都处于充电状态。

b.对冗余电池的充电只需将S_i，1和S_i，2，i=1，2…N, 所有开关打开，通过降压稳压电路使得V_output= ε，然后闭合冗余电池的开关。

该实施例实现均衡的方法如下：

（1）充电均衡（包括浮充）：此时冗余电池开关断开，

a.首先，开关S_i，1和S_i，2,i=1，2…N, 所有开关中除S_1，1和S_N，2闭合外余全部打开；S_i，3,i=1，2…N,全部闭合；此时电池组和传统电池组一样在Nε额定电压下充电； 

b.当有电池充满时，进入选择性充电状态，仅对形成选定电池串的连续的m个电量不满的电池充电，只要满足充满的电池不落在充电区间的电池串内，当选定的电池串中有电池充满，则另外选取连续串联的m个电量不满的电池, 重复上述过程，过程中m的值会改变并且最小值可为1，直至所有的电池都被充满；

c.首先使所有第一开关和第二开关均打开，其次使降压稳压电路输出的充电电压V_output等于ε，然后将冗余电池接入所述电池组智能管理电路，实现对冗余电池的充电；

（2）放电均衡（无充电输入）：此时充电电源已断开，开关S_i，1和S_i，2,全部打开，同时S_i，3全部闭合，闭合冗余电池开关，其中i=1，2，…N；蓄电池组对负载供电；实时监测每个电池的电压，电流，计算出每个电池的电量，每隔一定时间比较一次，将电量最小的一个电池用冗余电池切换替代；直到有电池剩余电量达到防过放门限，需电池组停止工作。

综上可以看到，藉由该实施例可以有效的实现电池组的充电均衡、放电均衡以及动态均衡。

进一步的，为便于对前述各开关S_i，n进行控制，各开关S_i，n优选采用可控开关，包括但不仅限于MOSFET场效应晶体管，固态继电器，接触式继电器、光耦继电器等各种继电器，并藉由一控制单元实现对这些可控开关的工作状态进行自动控制。更进一步的，亦可将该电池组智能管理电路中的所有开关均采用可控开关，如此更为有效的实现自动化操作。该控制单元可包括一开关驱动电路及一控制模块，开关驱动电路系与各可控开关配合，并由控制模个控制。显然的，该控制模块可采用业界惯用的计算机系统、单片机、PLC等设备，但不限于此。

参阅图3所示是基于前述电池组智能管理电路构建的一电池组智能管理系统，其包括电池组智能管理电路、开关驱动电路、计算与控制处理单元以及监测与检测单元。

显然的，前述电池组智能管理电路是实现电池组智能化管理的基础，其中采用了一系列的可控开关，这些开关的通断可由计算与控制处理单元决策和指令，并经由开关驱动电路实现。而对于电池组中每个电池的工作状态相关信息（例如电压、电流、温度等，），其可以通过监测与检测单元进行采集，并上报计算与控制处理单元处理，得出电池的状态数据（如每个电池的容量和剩余电量等），进而由计算与控制处理单元进行决策及发出指令。

进一步的，该电池组智能管理系统中还可设置通信与存储单元，藉以实现历史数据的存储和远程的信息上报、告警，远程控制交互等，其功能可以根据实际使用需要取舍。

需要指出的是，以上说明及在图纸上所示的实施例，不可解析为限定本发明的设计思想。在本发明的技术领域里持有相同知识者可以将本发明的技术性思想以多样的形态改良变更，这样的改良及变更应理解为属于本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电池组智能管理电路，包括串联设置的两个以上电池单元，其特征在于，每一电池单元的一极依次经串联设置的一第三开关和一第一开关与一降压稳压电路的一个输出端口及一冗余电池单元的一极电连接，另一极经一第二开关与所述降压稳压电路的另一个输出端口及所述冗余电池单元的另一极电连接；

其中，所述第一开关、第二开关和第三开关均采用可控开关，所述电池组智能管理电路还与至少用以控制前述第一开关、第二开关和第三开关的控制单元连接，

设所述电池组智能管理电路包含由N个电池单元串联构成的电池组，N为大于或等于2的正整数，且设每一电池单元的额定充电电压为ε，则所述电池组智能管理电路至少具有如下工作模式：

(1)切换模式：将所有第一开关与第二开关均打开，其中，对于第i个电池单元，i为1～N中的任一正整数，首先切断所述电池组智能管理电路与降压稳压电路的连接，而将冗余电池接入所述电池组智能管理电路，其次闭合与该第i个电池单元配合的第一开关和第二开关，再打开与该第i个电池单元配合的第三个开关，实现将该第i个电池单元旁路；

(2)选择性充电模式：

a.选定所述电池组中连续的m个电量不满的电池单元形成电池串，并使降压稳压电路输出的充电电压(Voutput)等于mε，且至少将与所述电池串中的m个电池单元配合的第三开关均闭合，而将除了与所述电池串中的第一个电池单元配合的第一开关和与所述电池串中的最后一个电池单元配合的第二开关之外的所有第一开关和第二开关均打开，使所述电池串中的所有电池单元都处于充电状态，其中，1≤m≤N，m为正整数；

b.对于冗余电池：首先将所有第一开关和第二开关均打开，其次使降压稳压电路输出的充电电压(Voutput)等于ε，然后将冗余电池接入所述电池组智能管理电路，实现对冗余电池的充电；

(3)均衡管理模式：

Ⅰ、充电均衡模式，包括：

①切断所述电池组智能管理电路与冗余电池的连接，并将除了与第一个电池单元配合的第一开关和与第N个电池单元配合的第二开关之外的所有第一开关和第二开关均打开，以及，将所有第三开关均闭合，同时使降压稳压电路输出的充电电压(Voutput)等于Nε，则电池组内的所有电池单元全部进入充电状态；

②若电池组中有电池单元充满，则选定电池组中连续的m个电量不满的电池单元形成电池串，进入前述步骤(2)a所述的选择性充电模式，直至所述选定电池串中有任一电池单元充满，则另外选取连续的m个电量不满的电池单元重新形成电池串,重复此过程，直至所有的电池单元都被充满；

③进入前述步骤(2)b所述的选择性充电模式，完成对冗余电池的充电；

Ⅱ、放电均衡模式，包括：

切断所述电池组智能管理电路与降压稳压电路的连接，而将冗余电池和负载接入所述电池组智能管理电路，以及，将所有第一开关和第二开关均打开，并将所有第三开关均闭合，使电池组向负载供电；

实时监测每一电池单元的电压及电流，计算出每一电池单元的电量，且每隔一设定时间段比较一次所有电池单元的电量，并按照步骤(1)的操作将电量最小的一个电池单元以冗余电池替代，直至任一电池单元剩余电量达到预设的防过放门限，即使电池组停止工作。

2.根据权利要求1所述的电池组智能管理电路，其特征在于，该两个以上电池单元中的第一个电池单元的正极经一第三开关与负载的正极端电连接，最后一个电池单元的负极与所述负载的负极端电连接，而除该第一个电池单元的正极及最后一个电池单元的负极之外，每一电池单元的正极均经一第三开关与位于该电池单元之前的另一个电池单元的负极电连接。

3.根据权利要求1或2所述的电池组智能管理电路，其特征在于，所述可控开关至少选自场效应晶体管和继电器中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的电池组智能管理电路，其特征在于，所述场效应晶体管包括MOSFET场效应晶体管；所述继电器至少选自固态继电器、接触式继电器和光耦继电器中的任意一种。

5.一种电池组智能管理系统，其特征在于，它包括如权利要求1-4中任一项所述的电池组智能管理电路。

6.根据权利要求5所述的电池组智能管理系统，其特征在于，它还包括：

用于采集与电池组中每一电池单元的工作状态相关数据的监测与检测单元；

控制单元，包括：

至少用于调整电池组智能管理电路中所有第一开关、第二开关及第三开关的工作状态的开关驱动电路，以及，

与开关驱动电路及监测与检测单元连接的控制模块。

7.根据权利要求6所述的电池组智能管理系统，其特征在于，所述控制模块包括计算与控制处理单元。

8.根据权利要求7所述的电池组智能管理系统，其特征在于，它还包括通信与存储单元，所述计算与控制处理单元经通信与存储单元与通信、告警设备连接。