一种分布式电池管理系统
技术领域
本发明涉及一种电池技术领域的装置,尤其涉及一种分布式电池管理架构。
背景技术
蓄电池的原理是通过将化学能和直流电能相互转化,在放电后经过充电能复原,从而达到重复使用效果。随着我国通讯、电力、UPS等行业的迅猛发展,蓄电池的用量也在快速增加。就目前我们的蓄电池使用条件,经常会发生一些意想不到的状况发生,比如看似正常的蓄电池放电时却放不出电来。这种状况的发生主要原因在于蓄电池的运行状态没有得到有效的监测,一旦由多个蓄电池串联构成的蓄电池组中出现某一块蓄电池失效,就会导致整个蓄电池组不能正常放电。蓄电池作为安全不间断供电的最后一道保障措施,同时也是不间断供电系统里面最不安全的因素。因此为了保证不间断供电系统的可靠运行,对蓄电池组的性能进行全方位不间断的监控和分析显得尤为重要。
经对现有文献检索发现,名称为“电池监控装置及其监控方法”的专利(中国专利申请号为:201110089517.9),该专利提出了一种电池监控装置,包括:客户端、通信单元和服务器三部分。客户端由采集信息单元、存储单元和控制单元组成,采集信息单元采集被监控电池的电压、电流、温度、电解液密度和振动信息并存放在存储单元中;控制单元提取存储单元中的电池参数信息,并通过通信单元将信息传送给服务器保存,实现了对电池的远程监控。但此装置有以下几个不足,1:一个客户端值包含一个采集信息单元,如果需要对一蓄电池组中的多节蓄电池进行监控,则需要多个客户端,显著提高了成本高;2:采集单元不能采集电池内阻信息,而相对于电池电压和温度等信息而言,电池内阻信息能更准确的反映出电池的劣化程度,从而能更准确的监控电池的健康状态SOH;3:服务器端不能根据获得的数据对被监控电池进行性能分析;4.不能实现对电池组的充电均衡管理。
另一项名为“一种电动汽车分布式电池管理系统”的专利(中国专利申请号为:201110263780.5),该专利提出了一种分布式电池监控装置,由主控制系统和电池监控系统两个子系统组成。电池监控系统采集被监控电池的电压和温度,并通过无线方式传送给主控制系统,主控制系统保存这些信息,并通过这些信息控制相应充、放电继电器的操作。同时此装置还实现了电池组的充电均衡管理。但此装置有以下几个不足,1:不能采集电池内阻信息;2:不能实现电池组的远程监控;3:不能对被监测电池组的性能进行分析4:通信方式采用无线通信,在长距离和强高频电磁干扰环境中可靠性欠佳,通信性能受现场环境影响较大。
发明内容
本发明为了解决以上现有技术的不足,提出一种分布式电池管理系统,对电池组进行远程实时监控和性能分型。
本发明具体采用以下技术方案。
一种分布式电池管理系统,包括:被管理电池组、电池监控单元、现场控制主机和服务器,其特征在于:
所述被管理电池组是指由多个电池以串联方式组成的一个电池组串;
所述电池监控单元,分别连接被管理电池组中的一个电池和现场控制主机;用于在所述现场控制主机控制下采集与其相连的被管理电池的参数信息,将采集的参数信息部分或全部发送给控制主机,并且实现所述被管理电池组的充电均衡管理;
所述现场控制主机,分别与所述分布式电池管理系统中所有电池监控单元和服务器相连;用于将电池监控单元上报的参数信息部分或全部转发给服务器,并且接收服务器发送的远端控制信息,相应转换对被管理电池的采集信息类型、采集方式、存储方式、报警门限以及向服务器发送信息的方式;同时,所述现场控制主机根据电池监控单元上报的参数信息,控制所述电池监控单元实现对被管理电池组的充电均衡管理;
所述服务器,与现场控制主机相连;用于接收并保存现场控制主机上报的电池参数信息,且向现场控制主机发送远端控制信息;所述远端控制信息包括对被监控电池的采集信息类型、采集方式、存储方式、报警门限以及向服务器发送信息的方式;
可选的,所述电池监控单元包括:电池参数测量单元、充电均衡管理单元和通信接口单元;其中:电池参数测量单元用于测量与其相连的被管理电池的参数信息,所述被管理电池的参数信息包括:电池电压、电池电流、电池内阻和电池温度中的一种或多种;充电均衡管理单元用于在现场控制主机的控制下,实现被管理电池组的充电均衡管理;通信接口单元用于实现所述电池监控单元与现场控制主机的通信。
可选的,所述电参数测量单元包括:电压测量电路或(和)传感器、电流测量电路或(和)传感器、内阻测量电路或(和)传感器和温度测量电路或(和)传感器中的一种或多种。
可选的,当所述现场控制主机接收到的所述被管理电池的电压高于所述被管理电池组中其它一个或多个电池的电压,或所述被管理电池的电压过高而超过预定值时,所述现场控制主机向相应的电池监控单元发送均衡控制指令,电池监控单元收到均衡控制指令后,控制其所述充电均衡管理单元对相应被管理电池进行电阻耗能放电。
可选的,所述通信单元,与现场控制主机的通信方式为有线通信和无线通信中的一种或两种。
可选的,所述有线通信,其各个通信节点之间具有电气隔离;所述电气隔离方式为光隔离和/或磁隔离。
可选的,所述电池监控单元由与其相连的被管理电池直接供电。
可选的,所述现场控制主机还包括一个或多个传感器接口,用于对所述被管理电池组的参数信息和环境参数信息的测量。
可选的,所述传感器接口,可以支持电压传感器、电流传感器、温度传感器和湿度传感器中的一种或多种。
可选的,所述被管理电池组的参数信息,包括:被管理电池组的电流和被管理电池组的总串联电压中的一种或多种。
可选的,所述环境参数信息,包括:环境温度和环境湿度中的一种或多种。
可选的,所述现场控制主机还包括报警单元,用于在所述电池监控单元传送给现场控制主机的电池参数信息超出报警门限时,输出报警信号。
可选的,所述现场控制主机还包括存储单元,用于存储所述电池监控单元传送给现场控制主机的电池参数信息和远端控制信息。
可选的,所述存储单元,包括非挥发记忆存储器和掉电数据存储器中的一种或多种。
可选的,所述现场控制主机还包括显示单元,用于显示被管理电池的电池参数信息、被管理电池组的参数信息、远端控制信息和所述分布式电池管理系统的运行状态信息中的一种或多种。
可选的,所述现场控制主机的供电方式为交流电、直流电或电池中的一种或多种。
可选的,所述现场控制主机还包括服务器通信接口,用于实现现场控制主机与服务器的通信连接。
可选的,所述现场控制主机与所述服务器相连,采用的通信方式是有线通信和无线通信中的一种或两种。
可选的,所述现场控制主机,能同时连接并控制一个或多个所述被管理电池组及其对应的电池监控单元。
可选的,所述服务器,具有查询、打印、导出和图形化其保存的电池参数信息的功能中的一种或多种。
可选的,所述服务器,还具有根据其保存的电池参数信息对被管理电池的性能进行分析的功能。
可选的,所述被管理电池的性能,包括电池的荷电状态SOC和电池的健康状态SOH中的一种或多种。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1.电池管理单元能采集电池的内阻信息,相对于电池电压和温度等信息而言,电池的内阻信息可以更准确的反映出电池的劣化程度,从而为更准确的监控和分析电池健康状态SOH提供了依据;
2.服务器可以利用接收到的电池参数信息对电池的性能进行分析,得到准确的电池健康状态SOH,从而为确保电池系统的可靠运行提供了保证;
3.采用分布式结构,一个现场控制主机能同时和多个电池监控单元通信,并将多个电池监控单元采集的多个被管理电池的参数信息传送给远端服务器,因此只用一个远程通信接口就可以实现对多个电池的远程监控,简化了系统结构,降低了系统的成本;
附图说明
图1是本发明实施例只有一个被管理电池组时的电池管理系统结构示意图;
图2是图1中电池监控单元200的结构示意图;
图3是图1中现场控制主机300的结构示意图;
具体实施方法
为使本发明的上述目的、特征和优点能够跟腱明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
下面以一组被管理电池组为例,结合附图和实施例对本发明实施方法进行详细说明。
参见图1所示,本发明实施方式提供一个分布式电池管理系统架构,包括:被管理的电池组100、电池监控单元200、现场控制主机300、电流传感器400、电压传感器410、温度传感器420、湿度传感器430、服务器500、电池监控单元与现场控制主机之间的通信连接600和现场控制主机与服务器之间的通信连接700,其中:
被管理的电池组100是本分布式电池管理系统管理的对象,它是由多个电池110串联组成。本实施例中被管理的电池组100是由24个2V铅酸蓄电池串联组成的;
电池监控单元200,分别连接一个电池110和现场控制主机300,用于采集电池110的参数信息,并且通过电池监控单元与现场控制主机之间的通信连接600,将采集的参数信息传送给现场控制主机300。同时现场控制主机300可以通过电池监控单元与现场控制主机之间的通信连接600,向电池监控单元200发送充电均衡管理指令,控制电池监控单元200实现对被管理电池组100的充电均衡管理。电池监控单元200由与其相连的被管理电池110直接供电。本实施例中,所述电池110的参数信息包括:电池电压、电池温度和电池内阻;
现场控制主机300,分别与本分布式电池管理系统中的所有电池监控单元200、服务器500以及各种传感器相连,用于接收并保存所有电池监控单元200传送的所述电池参数信息,并将这些电池参数信息传送给服务器;同时现场控制主机300还接收服务器500发送的远端控制信息,相应转换对被管理电池的采集信息类型、采集方式、存储方式、报警门限以及向服务器500发送信息的方式;同时,现场控制主机300根据电池监控单元上报的参数信息,控制电池监控单元200实现对被管理电池组100的充电均衡管理;另外,现场控制主机300还通过与其相连的传感器,实现对被管理电池组100的参数信息和环境参数信息的测量,所述被管理电池组100的参数信息包括:被管理电池组100的电流和被管理电池组100的总串联电压中的一种或多种,所述环境参数信息,包括:环境温度和环境湿度中的一种或多种;另外,现场控制主机300还具有显示功能,用于显示被管理电池的电池参数信息、远端控制信息和所述分布式电池管理系统的运行状态信息中的一种或多种;另外,现场控制主机300还具有报警功能,用于在所述电池监控单元传送给现场控制主机的电池参数信息超出报警门限时,输出报警信号;另外,现场控制主机300能同时连接并控制一个或多个所述被管理电池组100及其对应的电池监控单元200。本实施例中,所述远端控制信息包括:对被管理电池的采集信息类型、采集方式、存储方式、报警门限以及向服务器500发送信息的方式;所述与现场控制主机300连接的传感器包括:电流传感器400、电压传感器410、温度传感器420和湿度传感器430,分别用于采集:被管理电池组100的电流、被管理电池组100的总串联电压、环境温度和环境湿度;所述现场控制主机300连接并控制一个被管理电池组100及其对应的电池监控单元200;
电流传感器400,用于采集被管理电池组100的电流。本实施例中,电流传感器400是霍尔传感器线圈;
电压传感器410,用于采集被管理电池组100的总串联电压。本实施例中,电压传感器410是磁平衡式霍尔电压传感器;
温度传感器420,用于采集环境温度。本实施例中,温度传感器420是半导体温度传感器LM60;
湿度传感器430,用于采集环境湿度。本实施例中,湿度传感器430是半导体湿度传感器SHT15;
服务器500,通过现场控制主机和服务器之间的通信接口700与现场控制主机300相连,用于保存现场控制主机300传送的电池参数信息;且向现场控制主机发送远端控制信息,所述远端控制信息包括对被监控电池的采集信息类型、采集方式、存储方式、报警门限以及向服务器发送信息的方式中的一种或多种;同时服务器500还具有查询、打印、导出和图形化其保存的电池参数信息的功能中的一种或多种;并且服务器500可以根据其保存的电池参数信息对被管理电池的性能进行分析,所述被管理电池的性能包括电池的荷电状态SOC和电池的健康状态SOH。本实施例中,服务器500采用PC机实现;所述远端控制信息包括对被监控电池的采集信息类型、采集方式、存储方式、报警门限以及向服务器发送信息的方式;对电池的荷电状态SOC分析由对电池参数信息中的被管理电池组的电流进行时间积分实现;对电池的健康状态SOH的分析由对电池参数信息中的电池内阻进行分析实现,具体方法为设定电池的健康状态SOH与内阻的关系式为:电池的健康状态SOH=k×电池内阻+n,测量一个全新电池的内阻,和一个以达到报废标准的同型号电池的内阻,设定全新电池的健康状态SOH为1,达到报废标准的同型号电池的健康状态SOH为0,然后计算得出上述电池的健康状态SOH与内阻的关系式中的系数k和n,最后将实际获得的电池内阻代入上述关系式,即可得出相应电池的健康状态SOH;
电池监控单元与现场控制主机之间的通信连接600,用于实现电池监控单元200与现场控制主机300的通信,其实现方式可以为有线通信和无线通信中的一种或两种;所述有线通信,其各个通信节点之间具有电气隔离,所述电气隔离方式为光隔离和/或磁隔离。本实施例中,电池监控单元与现场控制主机之间的通信连接600采用有线通信的方式;通信协议采用通用异步收发传输器(UART);通信物理层的电气隔离采用光隔离,具体的,采用光耦TLP521实现;
现场控制主机和服务器之间的通信连接700,于实现电池监控单元200与服务器500的通信,实现方式可以为有线通信和无线通信中的一种或两种。本实施例中,现场控制主机和服务器之间的通信接口700采用有线通信方式,具体通信方式是采用以太网通信,通信协议为TCP/IP。
其中,参见图2所示,所述电池监控单元200,包括:电池参数测量单元210、充电均衡管理单元220和通信接口单元230,其中:
电池参数测量单元210,用于测量与其相连的被管理电池的参数信息,所述被管理电池的参数信息包括:电池电压、电池电流、电池内阻和电池温度中的一种或多种;所述电池参数测量单元210包括:电压测量电路或(和)传感器、电流测量电路或(和)传感器、内阻测量电路或(和)传感器和温度测量电路或(和)传感器中的一种或多种,分别用于测量电池电压、电池电流、电池内阻和电池温度。本实施例中,所测量的被管理电池的参数信息包括:电池电压、电池内阻和电池温度;其中:电压测量由电压测量电路实现,具体的由连接于电池两端的电阻分压网络和模数转换器ADC实现;内阻测量由交流注入法电池内阻测量电路实现;温度测量由半导体温度传感器LM60实现;
充电均衡管理单元220,当现场控制主机300接收到的被管理电池110的电压高于被管理电池组100中其它一个或多个电池110的电压,或被管理电池110的电压过高而超过预定值时,现场控制主机300向相应的电池监控单元200发送均衡控制指令,电池监控单元200收到均衡控制指令后,控制其充电均衡管理单元220对相应被管理电池110进行电阻耗能放电。本实施例中,充电均衡管理单元220由一个放电电阻串联一个电子开关实现,所述电阻耗能放电电路并联在被管理电池110的两端,当电池监控单元200收到均衡控制指令后,电子开关开启,实现对相应被管理电池110进行电阻耗能放电;
通信接口单元230,用于实现电池监控单元200与现场控制主机的通信300(即电池监控单元与现场控制主机之间的通信连接600)中电池监控单元200部分的通信功能;通信接口单元230实现的通信功能和电池监控单元与现场控制主机之间的通信连接600相匹配。本实施例中,与电池监控单元与现场控制主机之间的通信连接600相匹配,通信接口单元230实现了通用异步收发传输器(UART)的协议功能,同时实现了通信物理层的电气隔离,电气隔离采用光隔离,具体的,采用光耦TLP521实现。
其中,参见图3所示,所述现场控制主机300,包括:电池监控单元通信接口310、传感器接口320、报警单元330、存储单元340、显示单元350、供电单元360和服务器通信接口370,其中:
电池监控单元通信接口310,于实现电池监控单元200与现场控制主机的通信300(即电池监控单元与现场控制主机之间的通信连接600)中现场控制主机300部分的通信功能;电池监控单元通信接口310实现的通信功能和电池监控单元与现场控制主机之间的通信连接600相匹配。本实施例中,与电池监控单元与现场控制主机之间的通信连接600相匹配,电池监控单元通信接口310实现了通用异步收发传输器(UART)的协议功能,同时实现了通信物理层的光耦电气隔离所需的光耦驱动和接收电路;
传感器接口320,用于实现现场控制主机300与传感器的连接,从而实现对被管理电池组100的参数信息和环境参数信息的测量;所述被管理电池组100的参数信息包括:被管理电池组100的电流和被管理电池组100的总串联电压中的一种或多种,所述环境参数信息,包括:环境温度和环境湿度中的一种或多种;所述传感器接口320,可以支持电压传感器、电流传感器、温度传感器和湿度传感器中的一种或多种。本实施例中,与现场控制主机300相连的传感器包括:电流传感器400、电压传感器410、温度传感器420和湿度传感器430,分别用于采集:被管理电池组100的电流、被管理电池组100的总串联电压、环境温度和环境湿度;
报警单元330,用于在所述电池监控单元200传送给现场控制主机300的电池参数信息超出报警门限时,输出报警信号。本实施例中,报警单元330输出的报警信号为声信号;
存储单元340,用于存储所述电池监控单元200传送给现场控制主机300的电池参数信息和远端控制信息;所述存储单元340,包括非挥发记忆存储器和掉电数据丢失存储器中的一种或多种。本实施例中,存储单元340包含闪存和SDRAM内存;
显示单元350,用于显示被管理电池110的电池参数信息、被管理电池组100的参数信息、远端控制信息和所述分布式电池管理系统的运行状态信息中的一种或多种。本实施例中,显示单元350由LCD实现,用于显示被管理电池110的电池参数信息;
供电单元360,用于为现场控制主机300供电,供电方式为交流电、直流电或电池中的一种或多种。本实施例中,现场控制主机300的供电方式为直流电;
服务器通信接口370,用于实现现场控制主机300与服务器500的通信连接,即现场控制主机和服务器之间的通信连接700,采用的通信方式是有线通信和无线通信中的一种或两种。本实施例中,采用的通信方式是有线通信,具体通信方式是采用以太网通信,通信协议为TCP/IP。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种变动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。