CN104377765A - 集散式电池组智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集散式电池组智能控制系统，包括电池组管理系统和多个电池包，每一电池包包括监控保护模块以及多个电芯，多个电池包构成电池组，监控保护模块用于采集电池包的电量信息并实时上传至电池组管理系统以及对电池包进行充放电保护，电池组管理系统用于实时接收多个电池包上传的电量信息，并根据电量信息计算电池组的电池剩余容量。与现有技术相比，本发明集散式电池组智能控制系统在每一电池包设置监控保护模块，相比现有的将监控保护模块集成在电池组管理系统中，实现了分散保护，从而当电池组管理系统出现问题时，每个电池包内的监控保护模块仍能够对电池包进行保护，避免了电池组管理系统出现问题时导致整个电池组出现异常。

Description

集散式电池组智能控制系统

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，更具体的涉及一种集散式电池组智能控制系统。

背景技术

随着锂电池技术的不断成熟，锂电池的应用范围越来越广。根据应用对象的不同，可以将若干个电芯并联成电池包，再将多个电池包串联或并联组合成电池组，并通过电池管理系统(BMS)进行电池组的信号采集、监控和保护，实现安全可靠的锂电池应用。电池组的使用过程，是不断进行充电和放电的过程，如果充电和放电过程控制不好，就可能出现电池过充或过放的情况，可能导致电池性能大幅下降或失效无法使用，甚至电池损坏、自燃等各种意外情况发生，严重影响电池组的性能。因此，对电池组进行有效管控，保证电池组始终工作在最优化的工作区间，使电池组能够响应对象的负载变化和能量需求，是电池组控制的核心需求。

为了满足锂电池不断丰富的应用需求，国内多个电池管理系统开发团队都在开发针对性的BMS方案，在一定程度上解决了标准方案存在的矛盾。然而，现有的BMS方案通常是将多种监控功能(信号采集、监控和保护)集中在单个BMS上，从而一旦BMS出现问题，会导致整个电池组的异常。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集散式电池组智能控制系统，以实现电池组内各个电池包的分散保护以及电池组的集中协调控制。

为实现上述目的，本发明提供了一种集散式电池组智能控制系统，包括：

多个电池包，每一所述电池包包括监控保护模块以及多个串联或并联的电芯，多个所述电池包构成电池组，所述监控保护模块用于采集所述电池包的电量信息并实时上传至电池组管理系统以及对所述电池包进行充放电保护；以及

电池组管理系统，所述电池组管理系统用于实时接收多个所述电池包上传的所述电量信息，并根据所述电量信息计算所述电池组的电池剩余容量。

与现有技术相比，本发明集散式电池组智能控制系统包括电池组管理系统及多个电池包，多个电池包构成电池组，且每一电池包设置有监控保护模块，相比现有技术中将监控保护模块集成在电池组管理系统中，本发明实现了分散保护，从而当电池组管理系统出现问题时，每个电池包内的监控保护模块仍能够对电池包进行保护，避免了电池组管理系统出现问题时导致整个电池组出现异常。

较佳地，所述监控保护模块包括：

充放电保护单元，用于对所述电池包进行充放电保护；

电量采集单元，用于采集所述电池包的所述电量信息；以及

通信单元，用于将所述电量信息上传至所述电池组管理系统。

较佳地，所述电量采集单元包括MCU芯片、AD转换芯片、多路采样线以及多个隔离开关，所述采样线以及所述隔离开关的数量大于所述电池包需要采样的数量，每路所述采样线与一个所述隔离开关连接，所述MCU芯片以轮询方式分别控制所述隔离开关的开合以采集信号，采集得到的信号经所述AD转换芯片进行AD转换后得到所述电量信息。

较佳地，所述监控保护模块还设置有用于与外接电源连接的电源接入接口，所述外接电源与所述电池包选择性的为所述监控保护模块供电。

较佳地，所述电池组管理系统包括：

下位总线通信模块，用于与所述电池包建立通信连接从而实时接收所述电池包上传的所述电量信息；

协调控制模块，用于根据多个所述电池包上传的所述电量信息计算所述电池组的电池剩余容量。

较佳地，所述协调控制模块用于根据分段自适应电池剩余容量算法计算所述电池剩余容量。

较佳地，所述协调控制模块还用于通过预设的模糊规则表对所述电池剩余容量进行修正。

较佳地，所述电池组管理系统还包括：

电池串数自检测模块，用于在断电重启时，以广播方式向所述电池组内的所有所述电池包发送连接请求，并根据所述电池包的反馈信息建立与所述电池包的通信连接以及计算所述电池组中所述电池包的串数。

较佳地，

当所述电池包已与所述电池组管理系统建立过连接时，所述反馈信息包括所述电池包的ID号以及握手信号；

当所述电池包已从所述电池组中拆除时，所述电池组管理系统在预设时间内未接收到反馈信息时将存储的电池包列表中删除所述电池包ID号；

当所述电池包为新接入所述电池组时，所述反馈信息包括缺省ID号和握手信号，所述电池组管理系统接收到所述反馈信息后为所述电池包自动制定ID号并发送至所述电池包

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明集散式电池组智能控制系统一实施例的示意图。

图2为图1中电池包一实施例的结构框图。

图3为图1中电池包另一实施例的结构框图。

图4为图1中电池组管理系统一实施例的结构框图。

图5为图1中电池组管理系统另一实施例的结构框图。

图6为电池串数自检测模块工作时的示意图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

请参考图1，本发明集散式电池组智能控制系统100包括多个电池包10以及电池组管理系统12，每一电池包10包括若干个串联或并联的电芯103以及设置于电池包10内的监控保护模块101，多个电池包10构成电池组A，监控保护模块101用于采集电池包10的电量信息并实时上传至电池组管理系统12以及对电池包10进行充放电保护，电池组管理系统12用于实时接收多个电池包10上传的电量信息，并根据电量信息计算电池组A的电池剩余容量，即SOC值。

与现有技术相比，本发明集散式电池组智能控制系统100在每一电池包10内设置监控保护模块101，而不是将监控保护模块101集成在电池组管理系统12中，实现了分散保护，从而当电池组管理系统12出现问题时，每个电池包10内的监控保护模块101仍能够对电池包10进行保护，避免了电池组管理系统12出现问题时导致整个电池组出现异常。

再请参考图2，监控保护模块101包括充放电保护单元1010、电量采集单元1012以及通信单元1014；充放电保护单元1010用于对电池包10进行充放电保护；电量采集单元1012用于采集电池包10的电量信息；通信单元1014用于将电量采集单元1012采集到的电量信息上传至电池组管理系统12。具体的，电量采集单元1012包括MCU芯片、AD转换芯片、多路采样线以及多个隔离开关，其中采样线以及隔离开关的数量大于或等于电池包10需要采样的数量，每路采样线与一个隔离开关连接，MCU芯片以轮询方式分别控制隔离开关的开合，隔离开关的一次开合对应输出一次采集信号，采集得到的信号经差分放大器放大后进入AD转换芯片，经AD转换后得到电池包10的电量信息，同时MCU芯片会根据采样极限值判断采集信号的有效性，其中电量信息包括电池包10的电压、电流等信息。采样线以及隔离开关的数量大于或等于电池包10需要采样的数量，可以在一定程度上实现电量采集单元1012的通用，举例说明如下：用户根据电池容量的需求，可以设计电池包10由多个电芯并联或串联组成，而且根据电池包10电池容量的不同，可能需要对电池包10进行不同数量的采样，如一个电池包10由四个串联的电芯单元组成，每一电芯单元又由5个并联的电芯组成，则此时需要对四个电芯单元分别进行采样，即需要对电池包10进行四路采样，从而电量采集单元1012需至少包括四路采样线以及四个隔离开关，而当采样线以及隔离开关的数量大于电池包10需要采样的数量时，多余的隔离开关只需保持悬空状态即可。通过设置采样线以及隔离开关的数量大于电池包10需要采样的数量，可以在一定程度上实现电量采集单元1012的通用，可适用于具有不同电池容量、需要进行不同数量采样的电池包10。而在本实施例中通信单元1014具体为RS485接口，电量采集单元1012通过RS485接口将采集的电量信息上传至电池组管理系统12.

请参考图3，优选的，监控保护模块101还设置有用于与外接电源连接的电源接入接口1016，从而外接电源与电池包10可以选择性的为监控保护模块101供电。正常情况下，电池包10内的电芯103为监控保护模块101供电，而当更换电芯103时，监控保护模块101就会掉电而不能正常工作，而本发明中增设电源接入接口1016，可以使得更换电芯103时，通过外接电源为监控保护模块101供电，避免了监控保护模块101掉电而导致工作不正常的问题。

请参考图4，电池组管理系统12包括下位总线通信模块120、协调控制模块122以及上位通信模块124；其中下位总线通信模块120用于与电池包10建立通信连接从而实时接收各个电池包10上传的电量信息；协调控制模块122用于根据多个电池包上传的电量信息计算电池组A的电池剩余容量；上位通信模块124用于将电池组管理系统12中的各数据上传至更高一级的综合管理系统(如计算机)中，从而对电池组数据进行综合管理，如进行数据存储、事件记录、长期数据分析，人机界面显示报警、以及实现上层控制系统联锁保护功能等。

具体的，下位总线通信模块120为相应的RS485总线网络，通过RS485总线网络可以实现电池组管理系统12与各个电池包10之间自动建立通信连接、自动分配地址、自动识别参数，同时实时采集各个电池包10的工作状态、电量信息，此外，还可以通过下位总线通信模块120将控制质量发送给每个电池包10，以及在线设定各个电池包10的工作参数。而协调控制模块122是电池组管理系统12的核心所在，在协调控制模块122中，除了可以实现电池剩余容量计算外，还可以实现电池组充放电控制和保护、电池包集中管理和监控、电池组异常保护输出联锁、与外围控制系统进行信号交换、电池组寿命计算、负载特征分析、系统日志记录等功能。

其中，电池剩余容量计算(SOC计算)是电池组计算中的核心算法，基于锂电池电压特性曲线的非线性以及负载特性的多变性和复杂性，针对不同的应用，一般都需要进行针对性的SOC算法开发，以此来保证电池剩余容量值的准确性。而对于诸如电动汽车类的负载而言，工况变化非常大，环境变化也很剧烈，此时使电池剩余容量计算满足所有工况和环境是比较困难的。为此，本发明在协调控制模块122中设计了一种可以动态修正SOC值的分段自适应电池剩余容量(SOC)算法，该分段自适应SOC算法将采集到的各个电池包10的电量信息进行存储和分析，并结合负载特性、环境条件以及电池充放电特性对电池剩余容量进行在线识别和修正，电池组A使用次数越多，得到的电池剩余容量就越准确，对电池的安全应用数据就越准确，从而可在满足负载需求的情况下，有效延长电池寿命并提高电池组的安全性。

具体的，分段自适应SOC算法包括以下步骤：

步骤S101，将电池组A的负载特性划分为N个特征区间；如N为6、10、12等，具体的，本实施例中可以将负载特性分为空载、轻载、满载、过载等几个阶段，然后每个阶段根据不同对象进行进一步细分，一般将每个阶段分为2个子区间，特殊情况下划分为3个子区间(如将每个阶段进一步划分为低速、中速和高速三个区间)，且区间的分界点有可能有部分重合，以保证区间的平滑切换；

步骤S102，采集每个特征区间内的负载信息以及电池组信息；

步骤S103，根据采集的数据拟合特征曲线，并根据特征曲线提取特征数据作为计算SOC的参考值(即SOC参考值)，根据SOC参考值通过安时积分法计算当前时刻的电池剩余容量，记为当前电池剩余容量(当前SOC值)；其中，SOC值的基本计算方法遵循安时积分法的原则；

步骤S104，通过预设的模糊规则表对计算得到的当前SOC值进行修正以得到修正后的当前SOC值，如可以根据负载特性对计算得到的SOC值进行修正，进而保证SOC计算的准确性。

其中，为了对SOC值进行修正，本发明将影响SOC值的相关参数作为模糊规则的输入参数，设计出模糊规则表，通过模糊规则表对计算得到的当前SOC值进行修正。下面以负载特性和运行速度作为输入变量时的模糊规则表(如表1所示)为例进行说明，但模糊规则表并不限制于此。在通过模糊规则表进行修正时，首先在负载的闭环PID控制回路中，将给定值和过程值之间的偏差e和偏差变化率△e进行模糊处理，然后通过模糊规则表对PID参数进行在线模糊整定，找出PID参数与e、△e以及负载特性和运行速度之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和△e，根据模糊控制原理来对3个控制参数(KP、KI、KD)进行在线修改，最后根据PID输出结果(即修正值)以及当前SOC值计算得到修正后的当前SOC值，其中PID输出结果以及当前SOC值以一定的比重相加就可以得到修正后的当前SOC值。

表1

表1即为过程偏差和负载特性、运行速度的模糊规则表，其中-代表参数小幅减小，--代表参数大幅减小，+代表参数小幅增大，++代表参数大幅增大，0代表参数维持不变。通过模糊规则表，可以实现PID参数的在线调整，进而通过PID输出结果(即修正值)实现当前SOC值的修正。

再请参考图5至图6，图5为电池组管理系统12的结构框图，如图5所示，电池组管理系统12还包括电池串数自检测模块126。图6为电池组管理系统12在断电重启时的工作示意图，如图6所示，电池串数自检测模块126用于在断电重启时，以广播方式向电池组A内的所有电池包10发送连接请求，并根据电池包10的反馈信息建立与电池包10的通信连接以及计算电池组A中电池包10的串数。需要说明的是，电池包10的监控保护模块101具有总线接口，具备总线通信能力。

具体的，当电池组A中的某一电池包10已与电池组管理系统12建立过连接时，反馈信息包括电池包10的ID号以及握手信号，电池组管理系统12接收到反馈信息后，完成连接建立过程，随后该电池包10与电池组管理系统12按照系统同步周期进行实时信息交换；

当电池组A中的某一电池包10已从电池组A中拆除时，电池组A以广播形式发送连接请求后，电池组管理系统12不会受到该电池包10的应答信息，从而若电池组管理系统12在预设时间内(根据实际需求设置)未接收到反馈信息，此时可判断该电池包10已拆除，电池组管理系统12会将上一次断电重启后得到并存储的电池包列表中的该电池包的ID号及其他相关信息删除；此处需要说明的是，每次断电重启后，电池组管理系统12都会以广播形式发送连接请求，并根据接收到的反馈信息更新上一次断电重启后得到的电池包列表；

当电池组A中的某一电池包为新接入电池组A时，该电池包的反馈信息包括缺省ID号和握手信号，电池组管理系统12接收到反馈信息后会为该电池包10自动制定ID号，并将该ID号发送至该电池包10，从而完成连接建立过程，随后按照系统同步周期进行实时信息交换。

电池组管理系统12断电重启(初始化)后，电池组管理系统12将获得的所有反馈信息进行整合和内部计算，根据反馈信息可以计算得到当前电池组A内的电池包10的串数。如：电池组A在初始时包括依次串联的X个电池包10，而产品在实际应用中后，根据现场要求将电池组A更改为Y个电池包10相互串联，则此时只需将电池组管理系统12断电重启，电池组管理系统12就会根据各个电池包10的反馈信息和采样极限值来判断当前电池组A实际接入的电池串数。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (9)

1.一种集散式电池组智能控制系统，其特征在于，包括：

多个电池包，每一所述电池包包括监控保护模块以及多个电芯，多个所述电池包构成电池组，所述监控保护模块用于采集所述电池包的电量信息并实时上传至电池组管理系统以及对所述电池包进行充放电保护；以及

电池组管理系统，所述电池组管理系统用于实时接收多个所述电池包上传的所述电量信息，并根据所述电量信息计算所述电池组的电池剩余容量。

2.如权利要求1所述的集散式电池组智能控制系统，其特征在于，所述监控保护模块包括：

充放电保护单元，用于对所述电池包进行充放电保护；

电量采集单元，用于采集所述电池包的所述电量信息；以及

通信单元，用于将所述电量信息上传至所述电池组管理系统。

3.如权利要求2所述的集散式电池组智能控制系统，其特征在于，所述电量采集单元包括MCU芯片、AD转换芯片、多路采样线以及多个隔离开关，所述采样线以及所述隔离开关的数量大于所述电池包需要采样的数量，每路所述采样线与一个所述隔离开关连接，所述MCU芯片以轮询方式分别控制所述隔离开关的开合以采集信号，采集得到的信号经所述AD转换芯片进行AD转换后得到所述电量信息。

4.如权利要求1所述的集散式电池组智能控制系统，其特征在于，所述监控保护模块还设置有用于与外接电源连接的电源接入接口，所述外接电源与所述电池包选择性的为所述监控保护模块供电。

5.如权利要求1所述的集散式电池组智能控制系统，其特征在于，所述电池组管理系统包括：

下位总线通信模块，用于与所述电池包建立通信连接从而实时接收所述电池包上传的所述电量信息；

协调控制模块，用于根据多个所述电池包上传的所述电量信息计算所述电池组的电池剩余容量。

6.如权利要求5所述的集散式电池组智能控制系统，其特征在于，所述协调控制模块用于根据分段自适应电池剩余容量算法计算所述电池剩余容量。

7.如权利要求6所述的集散式电池组智能控制系统，其特征在于，所述协调控制模块还用于通过预设的模糊规则表对所述电池剩余容量进行修正。

8.如权利要求1所述的集散式电池组智能控制系统，其特征在于，所述电池组管理系统还包括：

电池串数自检测模块，用于在断电重启时，以广播方式向所述电池组内的所有所述电池包发送连接请求，并根据所述电池包的反馈信息建立与所述电池包的通信连接以及计算所述电池组中所述电池包的串数。

9.如权利要求8所述的集散式电池组智能控制系统，其特征在于，

当所述电池包已与所述电池组管理系统建立过连接时，所述反馈信息包括所述电池包的ID号以及握手信号；

当所述电池包已从所述电池组中拆除时，所述电池组管理系统在预设时间内未接收到反馈信息时将存储的电池包列表中删除所述电池包ID号；

当所述电池包为新接入所述电池组时，所述反馈信息包括缺省ID号和握手信号，所述电池组管理系统接收到所述反馈信息后为所述电池包自动制定ID号并发送至所述电池包。