CN104253469A - 二次电池组充放电管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二次电池组充放电管理系统,包括:电池组、升降压模块、主控模块;电池组由多个单体电池模块串联而成;单体电池模块的自控部分用于控制串入开关、旁路开关断开或闭合;主控模块用于根据电池组的工作状态产生控制电池组升降压电路短接开关的信号、选择单节电池串接入电池组的信号,并控制升降压电路调整充放电电压、电流。采用本发明提供的二次电池组充放电管理系统,在单节电池容量与内阻存在差异的情况下,提高整体电池组的利用率、寿命和安全性;通过计算均衡使用电池电量;在不使用升压电路的情况下,可以得到不同电压;进而降低使用该二次电池组充放电系统的电动车等用电设备的运行成本,提高设备整体工作效率。

Description

二次电池组充放电管理系统

技术领域

[0001] 本发明涉及电源技术领域,特别地,涉及一种二次电池组充放电管理系统。

背景技术

[0002] 电池组,尤其是动力电池组,应用越来越多,如电动工具、各种电动车等等,电池的个体差异及在使用的环境差异,使电池个体的容量和内阻存在差异,并在日积月累后变化更大,如不加以控制管理,会对充放电安全、整体使用容量及寿命造成巨大影响。

[0003] 现有技术对电池组充放电管理注重于让各个电池在充放电时平衡,以便于共同进退,采用的是被动均衡(分流式或耗能式均衡)和主动均衡(无损均衡)。其中,被动均衡电路简单、成本低,但效果差,发热量高,能源利用率低,并且只能是在充电时起到作用,放电时无法均衡。

[0004] 主动均衡能在充放电都起作用,但目前只停留于概念或实验室研究中,市场应用价值不大,主要原因如下:1、均衡电流太小,不能满足实际要求;2、在电动汽车等应用中,工作电流大,均衡电流也要大,则均衡设备体积大,成本高,安装在车上耐振耐候性差,因而整体可靠性差;3、虽然效率比被动式高很多,但仍不够,并产生散热问题。

[0005] 另外,无论是被动均衡还是主动均衡,当电池组中单个电池出现严重问题时(比如断路、短路、内阻很大无法安全放电等情况时)整体电池组就只好跟着罢工,无法避开问题电池而选择使用正常电池。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种二次电池组充放电管理系统,在单节电池容量存在差异的情况下,能充分使用电池组中每节电池电量,提高整体电池组的利用率和安全性。

[0007] 为了解决上述问题,提供了一种二次电池组充放电管理系统,包括:电连接一起的电池组、升降压模块、电池组的主控模块;所述电池组由预设数量的单体电池模块串联而成,每个单体电池模块包括:电路部分和自控部分;所述升降压模块包括:并联连接升降压电路和电池组升降压电路短接开关;每个所述单体电池模块的电路部分包括:单节电池,与所述单节电池串联的串入开关,与所述单节电池和串入开关串联而成的电路进行并联的旁路开关,与所述串入开关并联的第一二极管,与所述旁路开关并联的第二二极管;所述单体电池模块的自控部分具体为单体自控模块,用于产生控制所述串入开关、旁路开关断开或闭合的信号;所述主控模块用于根据电池组的工作状态产生控制所述电池组升降压电路短接开关的信号、选择单节电池串接入电池组的信号,并控制所述升降压电路调整充放电电压和充放电电流。

[0008] 可选的,所述主控模块具体包括:主检测单元,用于检测电池组升降压电路前端和后端的电压和电流以用于对所述电池组的充放电控制;主数据处理单元,用于获取充电设备、用电设备的请求及数据、各个所述单体电池模块和整体电池组的充放电容量、性能参数并进行估算,从而输出对电池组的充放电电流、电压、单节电池是否投入使用的控制信息、向所述充电设备或用电设备发送数据和/或报警信息;充放电控制单元,用于根据主数据处理单元输出的控制信息控制所述电池组升降压电路短接开关的工作状态、控制所述升降压电路工作时的电压和电流;主控供电单元,用于为所述主控模块供电。

[0009] 可选的,所述主控模块还包括:安全保护单元,用于检测影响主控模块正常工作的温度、环境、进水、压力、烟雾、碰撞、短路等性能参数,发送信息给主数据处理单元作为主控模块产生对电路控制和保护信号的条件和依据;温度管控单元,用于检测整个电池组的温度以实现对整个电池组的温度的控制和管理;休眠和唤醒单元,用于在获知电池组处于不放电也不充电状态时,产生送至自控模块的关闭自控部分电路的信号,使电池组进入休眠状态;以及在自控模块进入深度休眠需要唤醒时,控制辅助隔离供电单元为单体自控模块供电以唤醒单体自控模块进入工作状态。

[0010] 可选的,所述单体自控模块包括:身份标识单元,用于标识单体自控模块唯一的身份;电压传感器,用于检测单节电池充放电时的电压,并将检测到的电压值传输给数据处理单元;温度传感器,用于检测单节电池的温度,并将检测到的温度值传输给数据处理单元;数据处理单元,对来自主控模块的信息、单节电池充放电过程中的性能参数进行记录、存储以及进行运算处理从而产生送至串入开关、旁路开关的控制信号;驱动电路,在接收到数据处理单元发出的开关控制信号后,驱动作为串入开关、旁路开关的MOS器件、磁保持继电器或磁保持接触器工作;通讯单元,用于实现单体电池模块与主控模块的之间的双向隔离通讯,向主控模块发送单体电池模块的性能参数和/或工作状态、接收主控模块向单体电池模块发送的控制信号。

[0011] 可选的,所述单体自控模块还包括:安全检测单元,用于检测影响单节电池正常工作的压力、碰撞、烟雾、进水、驱动供电电压、串入与旁路开关及并联二极管的温度,发送信息给所述数据处理单元以产生切断串入开关、闭合旁路开关的控制信号确保单节电池安全并向主控模块发送故障信号;开关状态检测单元,用于检测串入开关和旁路开关的接通或断开状态,并将状态信息发送至所述数据处理单元以产生相应的开关控制信号从而确保一个开关完全断开后再闭合另外一个开关,防止共通短路;安全保护电路,用于当单体电池内阻过大及断路或单体电池发生短路时,一方面单体自控模块供电由辅助隔离供电接替,另一方面由保护电路直接断开串入开关,接通旁路开关,使单体电池旁路掉,以实现瞬间保护单体自控模块的电子器件免遭损坏;辅助隔离供电单元,用于当单体电池不能正常给所述单体自控模块供电时或单体自控模块进入深度休眠需要唤醒时,在所述主控模块的控制下给单体自控模块供电;自控供电电路,一方面用于为所述单体自控模块提供稳定供电电压,另一方面为功率MOS器件驱动电路提供驱动供电。

[0012] 可选的,所述单体自控模块还包括:状态指示电路,通过状态指示灯指示当前电池的工作状态,以便快速找出不良电池;监视电路,用于在高可靠性应用中对电池的各个信息进行监视。

[0013] 可选的,所述串入开关和旁路开关具体为磁保持继电器或磁保持接触器。

[0014] 可选的,所述串入开关和旁路开关具体为低压大电流低导通电阻的功率MOS器件;所述第一二极管、第二二极管为所述功率MOS器件自身寄生二极管或肖特基二极管。

[0015] 可选的,所述自控模块还包括:驱动供电电路,用于为驱动MOS器件供电。

[0016] 可选的,在提供的二次电池组充放电管理系统实施例中,用法拉电容作为所述单节电池使用。

[0017] 可选的,所述升降压电路具体为:由一个电感和两个功率MOS器件或两个IGBT器件组成的半桥型升降压主电路。

[0018] 与现有技术相比,上述技术方案中的一个技术方案具有以下优点:本发明提供的二次充电电池组管理系统采用旁路方式对由预设数量的单体电池串联而成的电池组的充电和放电进行管理,在单节电池容量存在差异的情况下,让先放尽或充满的单体电池模块旁路退出;在不使用升压电路的情况下,可以得到不同电压;主控模块可以根据充电设备或驱动设备需要,通过计算均衡使用电池电量;进而降低使用该二次电池组充放电系统的电动车等设备的运行成本,提高设备的整体工作效率。充放电更加充分,均衡使用电池电量。实现电池组中单体电池模块使用的最优化以及改善电池组的性能和耐久性,提高整体电池组的利用率和安全性。

[0019]

附图说明

图1是本发明一种二次电池组充放电管理系统的结构框图;

图2是本发明二次电池组充放电管理系统中电路部分实施例一的示意图;

图3是本发明二次电池组充放电管理系统中电路部分实施例二的示意图;

图4是本发明二次电池组充放电管理系统中升降压模块实施例的结构示意图;

图5是每个单体电池模块中单体自控模块实施例一的结构框图;

图6是每个单体电池模块中单体自控模块实施例二的结构框图;

图7是本发明二次电池组充放电管理系统中主控模块实施例一的结构框图;

图8是本发明二次电池组充放电管理系统中主控模块实施例二的结构框图。

具体实施方式

[0020] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0021] 本发明实施例的核心构思之一在于,二次充电电池组采用旁路(断流)方式由对预设数量的单体电池串联而成的电池组的充电和放电进行管理。所谓旁路(断流)方式是指当单体电压在满足一定条件时,或者是外部控制下,把单节电池的回路断开,并使用另一个开关进行旁路。主控模块可以根据充电设备或驱动设备需要制定控制策略决定使用或不使用某些单体电池,实现电池组中单体电池模块使用的最优化以及改善电池组的性能和耐久性。

[0022] 参照图1,示出了本发明一种二次电池组充放电管理系统的结构框图,包括,电连接在一起的电池组1、电池组的升降压模块2、电池组的主控模块3。

[0023] 其中,电池组I由预设数量的单体电池模块11串联而成。每个单体电池模块11包括:电路部分和单体自控部分。

[0024] 升降压模块2包括:升降压电路和电池组升降压电路短接开关,二者并联连接。

[0025] 主控模块3用于根据电池组I的工作状态产生控制电池组升降压电路短接开关k0的信号、选择单节电池串接入电池组的信号,并控制升降压电路调整充放电电压和充放电电流。其中,选择单节电池串接入电池组的信号包括选择单节电池的数目以及对应单节电池的ID信息等。

[0026] 图2示出了本发明二次电池组充放电管理系统中电路部分实施例一的示意图,每个电池组由预设数量的单体电池模块11串联而成,每个单体电池模块11具有唯一的ID ;电池组与升降压模块连接。

[0027] 每个单体电池模块11包括:电路部分111和自控部分112。其中,单体电池模块的电路部分111具体包括:单节电池BAT,与单节电池BAT串联的串入开关kl,与单节电池BAT和串入开关kl串联而成的电路进行并联的旁路开关k2,与串入开关kl并联的第一二极管D1,与旁路开关k2并联的第二二极管D2。此处需要说明的是,本发明实施例中也可以将多个电池并联而成的电池看作单节电池,或者将法拉电容即超级电容作为单节电池使用。

[0028] 根据不同的应用,串入开关kl和旁路开关k2选用的器件也不相同,如果该电源系统用于低倍率放电或有可能长时间放置不用的设备中,可以采用磁保持继电器作为串入开关和旁路开关。如果电源系统主要用于电动车等高倍率放电设备,则可使用低压大电流低导通电阻功率MOS器件作为串入开关和旁路开关,上述MOS器件可以是MOS管或MOS模块。在以磁保持继电器为开关的应用中,串入开关kl和旁路开关k2分别为同一继电器或接触器的常开或常闭触点。继电器线圈在驱动电路驱动脉冲作下实现常开与常闭触点的切换,本实施例中,串入开关kl和旁路开关k2选用磁保持继电器或磁保持接触器。

[0029] 磁保持继电器(接触器)和普通继电器的区别在于,普通继电器中的一种状态,需要持续的电流来保持,一方面消耗能量,另一方面产生热量,磁保持继电器的两个状态,均不需电流来保持,只需触发,也没有线圈热量。更重要的是由此构成的电池组,无论电池是否向外供电,继电器均不消耗电池电量(切换瞬间除外)对于一些低倍率放电和可能长期不用的应用中尤为合适。

[0030] 本实施例中,升降压模块包括:电池组对外供电升压电路21、电池组充电降压电路22、电池组升降压电路短接开关k0,三者相互并联。

[0031] 其中,电池组对外供电升压电路21用于电池组向外供电,包括但不限于图2中的电路连接方式。电池组充电降压电路22用于电池组充电以及制动应用中能量回收,包括但不限于示意图中的主电路形式。电池组升降压电路短接开关k0,此开关实际上由预短接开关和短接开关构成,在要闭合短接开关时,预短接开关先闭合,这个开关串接了一只预充放电电阻,以防止开关两端的电压差过大时电流冲击,然后闭合短接开关。为简单示意,本申请中将上述开关组合简化成一个开关,开关本身可由继电器、接触器或功率半导体开关构成。

[0032] 图3示出了本发明二次电池组充放电管理系统中电路部分实施例二的示意图,与图2所示电路不同之处在于:在本实施例中,每个单体电池模块11中的电路部分选用功率MOS器件作为串入开关kl和旁路开关k2。MOSFET具有双向导通功能,即在G与S上施加正确的电压后,MOS器件导通后,电流即可以从D流向S,也可以从S流向D。

[0033] 目前低压(一般低于40伏)大功率大电流低导通电阻功率MOS器件的内阻已经很低,比如,我们用100节铁锂电池串联的电池组,最大放电电流200A,每路开关选取8-10个IRFS7430-7P功率管并联,则导通电阻单个只有0.55毫欧。并联后只有约0.07毫欧,整体100个单元串联后约为7毫欧,在最大电流下的损耗相对输出功率也是很小的。

[0034] 在以功率MOS器件为开关的应用中,串入开关和旁路开关并联二极管可以是自身寄生二极管,也可以根据实际需求并联肖特基二极管。优选的,作为旁路开关k2的功率MOS器件选用NM0S。而作为串入开关kl的MOS器件,根据实际应用,可选用NMOS器件,也可选用PMOS器件,其中,PMOS器件驱动方便,但导通电阻大、成本高;NM0S器件成本低,导通电阻小,但驱动电路复杂。

[0035] 从实用性方面考虑,例如在电动车类大电流应用中,采用多只低压(40V左右及以下)大电流低导通电阻的功率NMOS器件(可多只并联)做开关,最终目标使电池组在IC放电率下,电池组的总开关损耗小于电池组输出功率的0.5%左右,最高可支持3-5C充放电,也可支持更高,但增加成本,因而具有实用价值。虽然所选MOS器件耐压较低,整体电池组的电压可能会高于单个MOS器件的耐压,但由于开关上的并联二极管,再加上自控单元中的保护电路,电路是可以安全工作的。

[0036] 可选的,在本发明的另一实施例中,电池组的升降压模块可由图4所示的结构代替,升降压电路采用图4中所示的由半桥型双向DCDC构成的高效带同步整流的升降压电路代替。主电路由一个电感和两个功率MOS器件或两个IGBT器件构成,电感一端连接电池组正极,另一端与上边功率MOS器件的源极(对应IGBT器件的发射极)、下边功率MOS器件的漏极(对应IGBT器件的集电极)相连,下边功率MOS器件的源极与电池组的负极相连,上边功率MOS器件漏与输出相连,此电路能实现电池组对外升压供电及外部对电池组降压充电,并且效率高,使用器件数量少。当用做电池组对外升压供电时,上边功率器件相当于带同步整流升压电路(BOOST电路)中的同步整流续流二极管,下边的功率器件相当于带同步整流升压电路中的开关管,当用做外部对电池组充电时,上边功率器件相当于带同步整流降压电路(BUCK电路)的开关管,下边功率器件相当于带同步整流降压电路中的同步整流续流二极管。

[0037] 以上对本发明提供的二次电池组充放电管理系统的电路部分作了详细介绍。在上述电路基础上,每个单体电池模块还包括:单体自控模块112,用于根据单节电池的参数产生控制串入开关kl、旁路开关k2断开或闭合的信号以控制单节电池接入或退出电池组、实现安全保护。

[0038]图5示出了每个单体电池模块中单体自控模块实施例一的结构框图,包括:

身份标识单元1121,用于标识单体自控模块唯一的身份。

[0039] 电压传感器1122,用于检测单节电池充放电时两端的电压,并将检测到的电压值传输给数据处理单元;同上,此处所述单节电池可以是一节电池,也可以是由预设数量的电池并联而成的电池包等同的单节电池。

[0040] 温度传感器1123,用于检测单节电池的温度,并将检测到的温度值传输给数据处理单元。

[0041] 数据处理单元1124,对来自主控模块的信息、单节电池充放电过程中的性能参数进行记录、存储以及进行运算处理从而产生送至串入开关、旁路开关的控制信号。

[0042] 上述来自主控模块的信息包括:充放电阈值电压、接入电池组的控制信息等。单体电池在不同充放电倍率的情况下充放电阈值是不同的,该阈值由主控模块来产生,例如在快速充放电的情况下为保证充放电安全,相对于正常充放电阈值而言,应缩小阈值范围。

[0043] 产生串入开关、旁路开关的控制信号的过程可以具体为:当检测到的实际电压高于额定上限值或低于额定下限值时,产生先断开串入开关然后闭合旁路开关的信号,使单体电池从整个电池组中切断而停止工作,防止单体电池过充过放;当检测到单体电池的实际温度高于预置温度时,产生同上信号。

[0044] 驱动电路1125,在接收到数据处理单元1124发出的开关控制信号后,驱动作为串入开关、旁路开关的MOS器件、磁保持继电器或磁保持接触器工作。

[0045]自控供电电路,一是为自控芯片提供合适的稳定供电电压,二是为MOS器件驱动电路提供驱动供电,供电输入来自单体电池或辅助隔离供电。

[0046] 当串入、旁路开关选用MOS器件时,因为MOS器件驱动时需要1V左右供电,串入开关可能需要隔离的1V供电,因此需要设置供电电路作为MOS器件的驱动供电电路;用磁保持继电器作开关一般则不需要独立的驱动供电,直接取自单体电池及辅助隔离供电。

[0047] 通讯单元1126,用于实现单体电池模块与主控模块的之间的双向隔离通讯,向主控模块发送单体电池模块的性能参数和/或工作状态、接收主控模块向单体电池模块发送的控制信号;具体采用CAN总线或485总线等总线通讯方式实现单体电池自控模块与主控模块之间通讯。

[0048] 进一步地,图6示出了每个单体电池模块中单体自控模块实施例二的结构框图,在图5所示实施例一的基础上还可以包括:

安全检测单元1127,用于检测影响单节电池正常工作的压力、碰撞、烟雾、进水、驱动供电电压、串入与旁路开关及并联二极管的温度等信息,发送信息给数据处理单元1124以产生切断串入开关、闭合旁路开关的控制信号确保单节电池安全并向主控模块发送故障信号。

[0049] 下面以检测驱动电压为例,说明安全检测单元1127的工作过程:当检测到驱动供电电压不在合理范围内时,向主控模块发出故障信号,以便主控决定整个电池组的工作状态。特殊情况下,在检测到单体电池受到压力、碰撞、烟雾等严重威胁电池安全的信息时,发送信息给所述数据处理单元以产生切断串入开关、闭合旁路开关的控制信号确保单节电池安全并向主控模块发送故障信号。

[0050] 开关状态检测单元1128,用于检测串入开关和旁路开关的接通或断开状态,并将状态信息发送至数据处理单元以产生相应的开关控制信号从而确保一个开关完全断开后再闭合另外一个开关,防止共通短路。

[0051] 安全保护电路1129,用于当检测到单体电池内阻过大及断路或单体电池发生短路时,一方面单体自控模块供电由辅助隔离供电接替;另一方面由保护电路直接断开串入开关kl,接通旁路开关k2,使单节电池旁路掉,以实现瞬间保护单体自控模块的电子元器件免遭损坏。由于单体自控模块需要响应时间,遇到上述情况不能及时保护,所以不通过单体自控模块执行,而是由安全保护电路直接执行。

[0052] 辅助隔离供电单元1102,用于当电池自身不能正常给自控模块供电时或单体自控模块进入深度休眠需要唤醒时,在主控模块的控制下给单体自控模块不同电压的供电。自控供电电路1112,—方面用于为自控模块提供稳定供电电压,另一方面为MOS器件驱动电路提供驱动供电,供电输入来自单体电池或辅助隔离供电。

[0053] 状态指示电路1122,用于通过状态指示灯指示当前电池的工作状态,以便快速找出不良电池。具体地,状态指示灯可以根据单体电池不同级别的不良状况发出不同颜色的灯光,如单节电池工作正常的情况下发出绿色灯光;在电池容量接近最低预置时发出黄色灯光;当电池容量低于预置阈值时发出红色灯光。电池故障时发出红光闪烁,并在不需要时关闭状态指示电路以减少电量消耗。可见,设置状态指示电路,在需要更换单节电池时,可以方便操作人员快速找到不良电池。

[0054] 电池单元监视电路1132,用于在高可靠性应用中对电池的各个信息进行监视。上述高可靠性应用包括二次电池管理系统在工业、汽车或军用设备中的应用。

[0055] 图7示出了本发明二次电池组充放电管理系统中主控模块实施例一的结构框图,包括:

主检测单元41,用于检测电池组升降压电路前端和后端的电压和电流以用于对所述电池组的充放电控制;此处,将升降压短接开关k0的左侧定义为前端,右侧定义为后端。

[0056] 主数据处理单元42,用于获取充电设备、用电设备的请求及数据、各个单体电池模块和整体电池组的充放电容量、性能参数并进行估算,从而输出对电池组的充放电电流、电压、单节电池是否投入使用的控制信息、向上述充电设备或用电设备发送数据和/或报警信息。

[0057] 主数据处理单元42具体包括:获取充电设备、用电设备的请求及数据来参与计算和控制;根据单体电池模块的使用历史记录中记载的充放电容量、内阻、工作温升等综合运算,判断能否正常使用,对于不良单体电池发出必须更换或建议更换等提示信息,或者将上述提示信息发送给单体自控模块,控制状态指示电路指示不良单体电池的报警状态,方便操作人员发现并及时更换不良单体电池;以及向上述充电设备或用电设备发送数据和/或报警信息。

[0058] 充放电控制单元43,用于根据主数据处理单元42输出的控制信息控制所述电池组升降压电路短接开关k0的工作状态、控制升降压电路工作时的电压和电流;上述电池组升降压电路短接开关k0的工作状态包括:预短接开关和短接开关断开及闭合的时机及时长等。

[0059] 主控供电单元44,用于为主控模块供电;该供电单元给主控模块供电方式可以是电池组输出电压经过变换进行供电,也可以是来自于独立的外供电。

[0060] 图8示出了本发明二次电池组充放电管理系统中主控模块实施例二的结构框图,在图7所示实施例一的基础上还包括:

安全保护单元45,用于检测影响主控模块正常工作的温度、环境、进水、压力、烟雾、碰撞、短路等性能参数,发送信息给主数据处理单元作为主控模块产生对电路控制和保护信号的条件和依据。

[0061] 温度管控单元46,用于检测整个电池组的温度以实现对整个电池组的温度的控制和管理。

[0062] 休眠和唤醒单元47,用于在获知电池组处于不放电也不充电状态时,产生送至自控模块以关闭自控部分电路的信号,使电池组进入休眠状态;以及在自控模块进入深度休眠需要唤醒时,控制上述辅助隔离供电单元为单体自控模块供电以唤醒单体自控模块进入工作状态。

[0063] 以上是对本发明提供的二次充电电池的充放电管理系统的电路部分和控制部分作了详解介绍。下面结合上述实施例的结构介绍本发明提供的二次充电电池的充放电管理系统的工作过程: 工作方式一

在放电开始满电情况下,所有电池的旁路开关断开,串入开关闭合,升降压电路不工作,电池组升降压电路短接开关闭合,输出电压为整组电池满电压,随着用电时间增长,各节电池电压下降,最先下降到电池下限保护阀值的,则在自控模块或外部主控模块的控制下断开串入开关,闭合旁路开关,这样此单节电池就被旁路掉(摘除掉)退出使用,此时对于整体电池组来说,除了电压下降一节电池电压(下限阀值电压)外,电池组对外供电电流不会因开关切换而出现中断,因为开关并联二极管在开关切换中起续流作用。

[0064] 并且,一般用电设备都能在一个比较宽的供电电压范围内正常工作,所以,一定数量的单节电池退出使用,对负载用电不产生影响。这是因为:电池组供电类设备,以电动汽车为例,我们不能单从电池方面考虑效率问题或者对电池性能参数进行定义,要从整体去考虑,电池组给设备供电,接入用电设备后大多数情况是:要么进行D⑶C变换,要么进行类似于PWM的调整(比如电动车的控制器、调速器、驱动器、变频器等等),因此,可以得出,许多用电设备可以接受较宽的电压范围,因此电池组即使在不引入后端DCDC升压的情况下,用电设备也能接受电池组旁路掉一部分电池单元(比如30%的电池节数),而设备整体性能和效率并没多大影响。因而,鉴于升压电路必定会引入损耗,短接直供则没有损耗,可以在设备能接受的最低电压和在什么电压值开始升压之间进行权衡,制定主控模块的控制策略,尽可能减少使用升压电路引入的损耗。

[0065] 在此过程中,有些电池在急放电情况下退出运行,一段时间后,电压又有所恢复,主控模块4可根据存储的此电池之前冲入的电量估算是否用尽及恢复电压等信息判断是否可再次投入使用。

[0066] 再随着放电时间增长,陆续有电池退出工作;如果电池组电压已降到用电设备的最低电压极限(例如从60V降到36V),则主控模块4控制电池组升降压短接开关k0断开,升压电路开始工作,同时主控模块根据当前检测到的电池组的电压值,还可以向用电设备发出降额使用信号。再随着放电时间增长,如果整个电池组只剩下少部分电池在工作,在主控模块的控制下适时关闭整个电池组,完成整体放电工作。此时,既使所剩电池可能还有电量,但相对整个电池组来说所占比例很小。这样就能高效的保证电池组中的电能完全释放,而不必进行均衡。

[0067] 充电过程,系统连接充电器后,主控模块检测到充电模式,向自控模块发出信号,将所有电池的旁路开关断开,串入开关闭合,电池组升降压短接开关闭合,所有单节电池均被充电。当有电池电压达到充电上限保护阀值后,在自控模块或主控模块的控制下,断开串入开关kl,旁路开关k2闭合,此单节电池充满退出。此时,因充电电流恒流,整个电池组电压下降一节电池的电压,(下降一节电池的满(上限)电压,在此之前电池组在充电过程中电压是上升的),随着一个个电池陆续充满退出,整体电池组所需的充电电压不断下降,当充电器不能适应继续下降电压时,电池组升降压短接开关k0断开,启用电池组充电降压电路22,直到要求数量的电池全部充电完毕。

[0068] 另外,在具有制动能量回收的电路中,如果电池组放电时没有启动升降压电路2,则在能量回收时,电池组电流直接反向流动,即由放电变为充电,不论是由继电器或是MOS器件做成的串入、旁路开关均支持电流双向流动,如放电时电池组的升降电路已工作在升压模式,则能量回收时也要启用降压电路。下面以电动汽车为例进行说明:例如当前电池组共100节电池单元,每个单元满电3.85V,当有40节电池退出后,电压约190V左右。在高速行驶时,则需开启升压电路,将输出电压升至如385V。如果电动汽车在此时的运行中需要减速或缓制动,并且具有能量回收功能,由于能量回收功能会在减速过程中将机械能转化为电量存在于负载供电直流母线上,则在减速过程中,负载供电电压高于升压输出电压385V,电池组不再输出能量,但也无法回收,因为升压电路只能单向流动,可以设置一个电压上升阀值,如450V,电压升到这个阀值后启动电池组降压电路,将负载直流母线上的电压转换成当前60节电池单元的串联电压,向电池充电,在充电电流不过流的情况下保持负载直流母线上电压稳压于阀值电压450V。

[0069] 在上述二次电池组充放电管理系统的工作过程中,旁路开关并联二极管的作用是:放电过程中,串入开关与旁路开关切换有一定时间间隔,约为MS级,虽然很短,但可以确保串入开关彻底断开后再闭合旁路开关,或者是旁路开关彻底断开后再闭合串入开关,防止发生共通短路,同时确保外部电流不中断,二极管在此期间起电流接续作用。串入开关并联二极管在充电过程中起到类似的作用。

[0070] 工作方式二

工作方式二可称为:随意组合,可变电压式充放电,特别适合电动车类,下面就以电动车类应用为例,假设电池组由100节电池单元构成。

[0071] 在满电情况下开始使用,车在启动时,需供给20%低电压,用电设备或电动车的控制系统向电池组主控模块4发出电压需求信号,电池组主控模块选择20节电池如f 20号或20个其它序号的电池单元,串入开关闭合,旁路开关断开。剩余单体电池模块中,串入开关断开,旁路开关闭合,电池组升降压电路不工作,短接开关闭合。此时,电池组向用电设备提供了全部电压的20%。电动车启动后,需要提高供电池组全部电压的40%,主控模块再投入20个电池单元,也可以换成另外40个电池单元,车在加速时,需要80%电压,主控模块就投入80个电池单元,高速时需要100%电压则所有电池单元全部投入使用。电动车在下次启动时,主控模块会根据存储的电池电量数据决定选用电池电量较多的20个电池单元。以此类推,这样既可以随意组合出所需电压,又能通过计算和策略控制均衡使用电池电量,还能提高整车效率,尤其是在城市路况需经常启动停止,加速度又不是很快的情况下。

[0072] 在切换改变输出电压时,为了防止大的电压变化引起电流冲击,多个电池单元投入与退出是逐个依次进行或者由升降短接开关(和预短接开关)配合)

与上述随意组合、可变电压式供电方式相对应是:本发明提供的二次电池组充放电管理系统还可实现可变电压、组合式充电。在一些特殊情况下,电池组不能使用与之配套的充电设备。现有技术中的电池组若使用与电池组不配套的充电设备时,可能会因充电电压不匹配而无法充电。而在本发明实施例中,则可使用相近的充电设备,如果充电设备电压高,可使用电池组充电降压电路22进行降压。如果充电设备提供的充电电压偏低,主控模块可以根据检测计算,选择适合充电设备电压的电池单元节数,先对选中的电池单元充电即将这些电池单元的旁路开关断开,串入开关闭合,主控模块通过估算再控制其它节电池单元轮流接入和断开,从而实现全部电池的充电。

[0073] 在此过程中,可将充电设备的信息参数输入主控模块或主控模块通过与充电设备通讯主动获取充电设备的信息参数,主控根据预先存储过此充电设备的数据以及经过检测运算处理让当前电池组去适应充电设备的电压和电流,这样,在充电设备和标准不统一的情况下,也能有电可充,对于电动车类的推广很具实用意义。

[0074] 综上,与现有技术相比,本发明提供的二次电池组充放电管理系统除了能实现现有技术中均衡电路实现的功能外,还具有以下优点:

1、每个单体电池模块作为一个独立个体,便于生产、调试、管理、使用、维护和更换,可组合性强(甚至允许一定容量差别的电池组合使用),易用性,替换性强。

[0075] 电池组中的每个单体电池模块都具有一个类似于网卡物理地址的唯一 ID标识(可由厂家标识加序列标识构成),从而具有地址唯一性。

[0076] 电池组中的每一个单体电池模块的电路和单体自控部分在形式上完全相同,便于生产,管理和维护,每一个自控单元都直接通过隔离通讯和主控通讯。随意组合,不分序顺和层级,N个带自控的单体电池模块和主控模块完成电气连接组合后,主控在自检初始化完成,并且检测数据得到使用者的确认,即完成电池组的组合。

[0077] 2、对于不良电池,可以在自控模式下退出或在主控模块的要求下退出运行,基本不影响整体使用,这对于多个单体电池模块串联的电池组,尤为重要。与现有技术中一旦电池组中一节电池出现严重问题,整组电池均不能使用的情况相比较,有效提高了电池组的利用率。

[0078] 3、可以定期通过查询主控模块存储的各单体电池模块的使用历史记录或主控模块在发现问题时主动发出维护指示,方便及时更换个别不良单体电池模块。

[0079] 4、实现单体电池模块的芯片及电路成本低,采样精度高,技术成熟,生产、调试、管理、维修都方便。

[0080] 5、在意外发生时如受到撞击或进水等情况时,在单体自控模块或主控模块的控制下可进行部分旁路或全部电池分断(即串入开关和旁路开关全部打开),可将电池分断成单体电压,即相当于多节没有连接的单个单体电池模块,将次生灾难机率降低,提高安全性。

[0081] 6、在不使用升压电路情况下,也可以得到多种不同电压,还可以随意组合和选择电池组内的单体电池模块,比如10节电节组成的电池组,想用5节电池的电压,这一刻使用

1、3、5、7、9,下一刻使用2、4、6、8、10。这对于电动车类应用中,希望随负载转矩和转速而改变供电电压来提高效率适用(并与其它的改变电压形式相配合)。

[0082] 7、可兼容不配套充电设备,提高通用性及设备利用率,减少社会重复性投资费用。

[0083] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

[0084] 以上对本发明所提供的一种二次电池组充放电管理系统,进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (11)

1.一种二次电池组充放电管理系统,其特征在于,包括:电连接一起的电池组、升降压模块、电池组的主控模块;所述电池组由预设数量的单体电池模块串联而成,每个单体电池模块包括:电路部分和自控部分; 所述升降压模块包括:并联连接升降压电路和电池组升降压电路短接开关;每个所述单体电池模块的电路部分包括:单节电池,与所述单节电池串联的串入开关,与所述单节电池和串入开关串联而成的电路进行并联的旁路开关,与所述串入开关并联的第一二极管,与所述旁路开关并联的第二二极管; 所述单体电池模块的自控部分具体为单体自控模块,用于产生控制所述串入开关、旁路开关断开或闭合的信号; 所述主控模块用于根据电池组的工作状态产生控制所述电池组升降压电路短接开关的信号、选择单节电池串接入电池组的信号,并控制所述升降压电路调整充放电电压和充放电电流。
2.根据权利要求1所述的二次电池组充放电管理系统,其特征在于,所述主控模块具体包括: 主检测单元,用于检测电池组升降压电路前端和后端的电压和电流以用于对所述电池组的充放电控制; 主数据处理单元,用于获取充电设备、用电设备的请求及数据、各个所述单体电池模块和整体电池组的充放电容量、性能参数并进行估算,从而输出对电池组的充放电电流、电压、单节电池是否投入使用的控制信息、向所述充电设备或用电设备发送数据和/或报警信息; 充放电控制单元,用于根据主数据处理单元输出的控制信息控制所述电池组升降压电路短接开关的工作状态、控制所述升降压电路工作时的电压和电流; 主控供电单元,用于为所述主控模块供电。
3.根据权利要求2所述的二次电池组充放电管理系统,其特征在于,所述主控模块还包括: 安全保护单元,用于检测影响主控模块正常工作的温度、环境、进水、压力、烟雾、碰撞、短路等性能参数,发送信息给主数据处理单元作为主控模块产生对电路控制和保护信号的条件和依据; 温度管控单元,用于检测整个电池组的温度以实现对整个电池组的温度的控制和管理; 休眠和唤醒单元,用于在获知电池组处于不放电也不充电状态时,产生送至自控模块的关闭自控部分电路的信号,使电池组进入休眠状态;以及在自控模块进入深度休眠需要唤醒时,控制辅助隔离供电单元为单体自控模块供电以唤醒单体自控模块进入工作状态。
4.根据权利要求1所述的二次电池组充放电管理系统,其特征在于,所述单体自控模块包括: 身份标识单元,用于标识单体自控模块唯一的身份; 电压传感器,用于检测单节电池充放电时的电压,并将检测到的电压值传输给数据处理单元; 温度传感器,用于检测单节电池的温度,并将检测到的温度值传输给数据处理单元; 数据处理单元,对来自主控模块的信息、单节电池充放电过程中的性能参数进行记录、存储以及进行运算处理从而产生送至串入开关、旁路开关的控制信号; 驱动电路,在接收到数据处理单元发出的开关控制信号后,驱动作为串入开关、旁路开关的MOS器件或磁保持继电器、磁保持接触器工作; 通讯单元,用于实现单体电池模块与主控模块的之间的双向隔离通讯,向主控模块发送单体电池模块的性能参数和/或工作状态、接收主控模块向单体电池模块发送的控制信号。
5.根据权利要求4所述的二次电池组充放电管理系统,其特征在于,所述单体自控模块还包括: 安全检测单元,用于检测影响单节电池正常工作的压力、碰撞、烟雾、进水、驱动供电电压、串入与旁路开关及并联二极管的温度,发送信息给所述数据处理单元以产生切断串入开关、闭合旁路开关的控制信号确保单节电池安全并向主控模块发送故障信号; 开关状态检测单元,用于检测串入开关和旁路开关的接通或断开状态,并将状态信息发送至所述数据处理单元以产生相应的开关控制信号从而确保一个开关完全断开后再闭合另外一个开关,防止共通短路; 安全保护电路,用于当单体电池内阻过大及断路或单体电池发生短路时,一方面单体自控模块供电由辅助隔离供电接替,另一方面由保护电路直接断开串入开关,接通旁路开关,使单体电池旁路掉,以实现瞬间保护单体自控模块的电子器件免遭损坏; 辅助隔离供电单元,用于当单体电池不能正常给所述单体自控模块供电时或单体自控模块进入深度休眠需要唤醒时,在所述主控模块的控制下给单体自控模块供电; 自控供电电路,一方面用于为所述单体自控模块提供稳定供电电压,另一方面为功率MOS器件驱动电路提供驱动供电。
6.根据权利要求5所述的二次电池组充放电管理系统,其特征在于,所述单体自控模块还包括: 状态指示电路,通过状态指示灯指示当前电池的工作状态,以便快速找出不良电池; 监视电路,用于在高可靠性应用中对电池的各个信息进行监视。
7.根据权利要求1至6任一所述的二次电池组充放电管理系统,其特征在于,所述串入开关和旁路开关具体为磁保持继电器或磁保持接触器。
8.根据权利要求1至6任一所述的二次电池组充放电管理系统,其特征在于,所述串入开关和旁路开关具体为低压大电流低导通电阻的功率MOS器件;所述第一二极管、第二二极管为所述功率MOS器件自身寄生二极管或肖特基二极管。
9.根据权利要求8所述的二次电池组充放电管理系统,其特征在于,所述自控模块还包括:驱动供电电路,用于为驱动MOS器件供电。
10.根据权利要求7或8所述的二次电池组充放电管理系统,其特征在于,用法拉电容作为所述单节电池使用。
11.根据权利要求10所述的二次电池组充放电管理系统,其特征在于,所述升降压电路具体为:由一个电感和两个功率MOS器件或两个IGBT器件组成的半桥型升降压主电路。
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