CN104617633B - 一种智能电池、一种电量转移总线系统及一种均衡充放电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能电池、一种电量转移总线系统及一种均衡充放电方法，此智能电池内部包括电池的本体部分及控制单元，此智能电池可以采集到本电池的电压电流内阻温度等各种数据，可与同一编组的电池组中其他智能电池及电池组控制系统进行通讯，可通过电量转移总线在同一编组的智能电池间实现电量转移，在接入电量转移总线的电池组的部分电池、发电设备与电气负载间实现电量转移；并采用充电时可动态调整充电参数的充电方法及放电时在电池组的各电池间实现电量转移的放电方法，实现充放电全程可控，即主动均衡的充放电。

Description

一种智能电池、一种电量转移总线系统及一种均衡充放电 方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及智能电池及电池组的充放电方法。

背景技术

电池不一致性是当前电池应用中尤其是动力电池编组应用中始终无法彻底解决的难题。

电池的应用一般是编组使用，少则3、4块电池编组，多则几百块电池编组。由于制造工艺问题、材质的不均匀及储存能量物质的密度/质量不完全相同等多种因素，不一致性在电池的生产环节中的各电池间是绝对存在；在电池的使用环节，由于电池编组后每块电池在电池组中的位置不同，电池组充放电时的热场的不均匀性导致每块电池在充放电时所处的环境温度不同，不一致性在电池的使用环节中会逐渐扩大甚至失控，导致个别电池的充放电深度相对较大，即充电时出现不受控的过充电和欠充电，并加剧放电时部分电池的过放电的现象，电池组中各电池的放电深度不一致将导致电池组的整体放电量下降及电池组的整体循环寿命随着放电深度最大的部分电池的循环寿命下降而加速下降。

电池编组后一般需要配备昂贵的电池管理系统，但也只能起到诊断即检测数据的功能，无法对电池组中的个别电池实施控制和修复，而且配备电池管理系统后有大量的布线及屏蔽处理，增加了成本，降低了系统可靠性。

近几年出现了给电池组中的电池独立充电的充电装置，虽然还未大面积推广应用，但较之前普遍应用的传统串联充电技术已经有了质地区别。经测试发现独立充电技术仍有不足之处：无法控制放电环节，无法保证电池组中所有电池保持相同的放电深度，充电器距离电池组有一定距离，导致充电线的线径规格与数量相应增加；大电流充电线和数据采集线的铺设（包括屏蔽）也增加了额外的空间、成本和不安全因素；而且长距离的数据采集线降低了数据采集的精度。

现有的充电方法都是以“充满”为目标，在这个目标下由于电池间的不一致性，传统的串联充电方式在充电或放电时都会导致电池组中的部分电池处于过充电及过放电的状态，当使用可对每块电池进行独立充电的充电器对电池组充电时，电池组不会发生过充电的现象，但仍然无法避免放电过程中的部分电池的相对放电深度较大即出现相对过放电的现象，电池组中各电池的放电深度不一致将导致电池组的整体放电量下降及电池组的整体循环寿命随着放电深度最大的部分电池的循环寿命下降而加速下降。

发明内容

本发明公开的智能电池、电量转移总线和均衡充放电方法克服现有技术不足，通过在传统电池内部加装控制单元的方式制成智能电池，在电池内部即完成本电池的各项数据的采集及可控充电，通过控制单元的通讯模块可与同一编组的所有智能电池及电池组的上级控制系统进行双向通讯交换数据，并可在编组后实现电池间的电量转移，充电时采用可动态调整充电参数的充电方法，放电时采用可在电池间实现电量转移的放电方法，达到充电时不过充、放电时不过放的均衡充放电，并可在有发电设备接入电量转移总线时，对部分或全部电池进行补充电，增加电池组的放电量。

本发明公开的一种智能电池的技术方案，包括控制单元、电池本体部分、连接线和传感器、外壳，可参考图1，智能电池的结构示意框图。

进一步地，控制单元的主要功能是协调控制、获取信息、统计分析、主动控制和对外反馈，即协调控制同一编组内所有电池及相连的发电设备、和/或电气负载协同工作；获取编组内的所有电池、和/或设备的各种信息；对获取的上述信息进行统计分析和计算处理；进而对编组内各电池及设备间进行充电参数调整及电量再分配等控制；同时对外界的命令进行被动反馈和向外界主动报告信息，其中：

协调控制是指控制单元可通过通讯接口协调控制电池组中的其他智能电池及接入同一电量转移总线的供电设备或电气负载协同工作，包括：保持所有智能电池的时钟同步及与电池组的上级控制系统的时钟同步；协调确定电池组中的某块智能电池的控制单元作为整个电池组的控制核心；协调其他智能电池的数据采集及传送；协调电池组中各电池的数据采集精度的校准；控制所有电池的数据采集种类及频率；控制单元程序升级；各电池的控制单元自检；

获取信息是指通过控制单元的数据采集功能获取本电池的包括电压、电流、内阻、温度、环境温度、运动状态、振动及加速度数据在内的信息，通过控制单元的通讯功能获取同一编组的其他每块智能电池的上述信息及时钟、和/或自检、和/或校准信息，获取电量转移总线上的电压、和/或电流数据，及通过控制单元的通讯功能获取外界的交互命令及环境温度信息，并将上述所有信息加上时间戳存储；

统计分析是指控制单元对获取的所有信息，统计、分析及计算出电池组中每块电池的充放电循环次数、充放电深度、剩余电量及劣化程度，根据命令计算出适合每块电池的充电参数，计算电量转移总线上接入的供电及用电信息以切换不同的电池、和/或供电设备、和/或电气负载接入电量转移总线或从电量转移总线断开，并将统计分析的所有信息加上时间戳存储；

主动控制包含电量转移功能及在充电时动态调整每块电池的充电参数的功能，其中：电量转移是在同一编组的电池间进行电量转移，实现各电池间剩余电量的再分配，或由接入电量转移总线的供电设备对电池组中的部分或全部电池进行充电，或由某块电池对接入电量转移总线的电气负载进行供电，即根据统计分析结果，切换相应的的电池、和/或供电设备、和/或电气负载接入电量转移总线或从电量转移总线断开；动态调整充电参数是在充电时为满足不同的需求而对每块电池采用包括充满、可控的过充及可控的欠充在内的充电方式，并对充电参数随着统计分析计算结果及外界命令的变化而动态调整；

对外反馈是指控制单元通过通讯功能被动应答外界的交互命令或向外界主动发出信息；

控制单元的充电模式可采用全时充电和分时充电两种模式，全时充电即充电的整个过程都由控制单元完成；分时充电即由传统串联充电与控制单元充电二者接力完成整个充电过程的充电方式。

进一步地，控制单元包括主控模块、存储模块、采集模块、电量转移模块、充电模块、通讯模块及交互模块。

进一步地，主控模块的功能是协调本电池的各模块协同工作，并可通过通讯接口协调同一编组的其他智能电池的所有模块及相连的发电设备、和/或电气负载工作，并可与电池组上级控制系统进行通讯，报告电池组的数据，接收电池组上级控制系统的命令并执行，主控模块的主要功能描述如下：

1．主控模块包括处理器及程序，实现的主要功能是，可根据读取的本电池的充放电数据及收到的电池组中每块电池的充放电数据和电池组上级控制系统的命令，统计并计算出电池组中每块电池的充放电循环次数、充放电深度、劣化程度及相对劣化程度，计算出适合本电池及电池组中其他电池的充电参数并发给本电池的充电单元或通过通讯接口发送给其他电池，根据收到的电池组中每块电池的实时数据、上级控制系统的命令及来自交互模块的命令动态调整电池组中每块电池的充电参数并发送给电池组中的其他电池的充电模块，或接收同一编组中其他智能电池的主控模块发来的命令及充电参数，驱动本电池的充电模块工作；根据电池组中各电池的剩余电量数据，适时启动电量转移模块，在电池组的各电池间实现电量转移；根据电池组中的每块电池的循环次数、充放电深度、劣化程度及剩余电量等数据分析每块电池的相对劣化程度并向电池组的上级控制系统汇报；控制采集模块的数据采集种类及采集频率；读取本电池及其他电池的存储模块内的数据；校准时修正同一编组的各采集模块的偏移量；程序可升级，升级方式包括通过本电池的程序升级接口（如USB或TF卡等存储卡）升级、通过通讯模块由电池组的上级控制系统实现升级，一块电池升级后，可给同一编组的其他智能电池的主控模块自动升级，或接受电池组的其他电池的主控模块的控制实现程序升级；

2．主控模块带有隔离电路，用来隔离采集模块和充电模块；

3．主控模块带有实时时钟，该时钟可在与其他智能电池及电池组上级控制系统的通讯中实时校准，保持电池组及电池组上级控制系统的时钟一致；

4．主控模块带有陀螺仪芯片，可感知电池当前的加速度等运动状态，或可通过与电池组上级控制系统通讯获取电池组的速度及加速度等运动状态；

5．主控模块带有环境温度采集功能，采集安装在本模块上的或电池外面的温度传感器来采集环境温度，或可通过与电池组上级控制系统通讯获取环境温度数据；

6．主控模块带有自检功能，并可把自检结果向电池组控制系统报告；

7．主控模块带有加热/降温接口，向外界如电池组控制系统或附加的加热/降温设备发出加热/降温信号，可控制智能电池外部的加热/降温设备对电池组的全部或部分电池进行加热/降温，以使所有电池工作在适宜的温度；

8．在智能电池编组使用时，可自动分配某块智能电池的主控模块作为整个电池组的主控模块，协调整个电池组的所有模块工作，整个电池组可只有一块智能电池配备主控模块，以节省成本。

进一步地，存储模块的功能是存储下列信息：本电池的品牌/型号/生产日期/序列号/质检编号在内的部分或全部信息，本电池的采集模块采集的充放电时的包括电压/电流/内阻/温度在内的充放电数据，通过通讯接口收到的信息，主控模块存储的信息，上述信息均带有时间戳，以备调取。

进一步地，采集模块的功能是执行主控模块或来自通讯模块的命令，按照规定的采集频率及采集种类，采集本电池的电压/电流/内阻/温度等各项数据并加上时间戳保存在存储模块内，以备读取。采集模块有校准功能，通过校准接口，用来校准采集模块的数据采集准确度，修正采集偏移量，以保证同一编组的各电池的采集数据的标准的一致性。

进一步地，电量转移模块的功能是在主控模块控制下或通过通讯模块收到的命令的控制下，用本电池的电能对外供电，如给其他电池进行充电，或对其他电气负载供电，对外供电的功率及时间均受控，用本电池的电能给其他电池进行充电，电量转移模块内有可控的切换开关及隔离元件如隔离变压器或其他输入端与输出端非直接接触式的电能转换/传送元件。

进一步地，详细介绍主控模块、充电模块及电量转移模块的协同工作，主控模块可根据需要，把电池组中某块电池的电能转移至其他电池，即用电池组中的一块电池给另外一块电池充电，也就是说，在同一电池组中，无论电池组处于串联充电/待机/放电的状态，可在具有电势关系的两块电池间实现电量转移，或使用发电设备对全部或部分电池进行充电，或使用某块电池对外单独供电。实现电量转移的具体过程参见本说明书的电量转移总线的技术方案部分。

结合附图介绍智能电池电量转移的工作模式：图2~图4中的1为智能电池，2为充电模块的电量转移受电开关，3为充电模块的正常充电时的供电输入，4为一组电量转移总线，5为智能电池的其他模块如采集/通讯/存储/交互模块的示意，6为电量转移模块，7为隔离变压器（可用其他非接触式的电能转换/传送元件替代），8为电量转移模块的电量转移供电开关，9为电量转移总线中的电能流动方向；

当电池不参与电量转移时，见图2，其中电量转移模块6的电量转移供电开关8断开即不动作，充电模块的电量转移受电开关2也断开即不动作；

当电池向接入同一电量转移总线的其他电池或电气负载转移电量即供电时，见图3，电量转移模块的电量转移供电开关8闭合，此时电能为流出此电池，见图3所示的电量转移总线4中的电能转移方向9；

当电池接受接入同一电量转移总线的其他电池或发电设备向本电池转移电量时，即对本电池充电时，见图4，充电模块的电量转移受电开关2闭合，将充电模块的供电输入切换至电量转移总线，此时电能为流入此电池，见图4所示的电量转移总线4中的电能转移方向9。

进一步地，充电模块的功能是执行主控模块直接发出的或通过通讯模块收到的充电命令并按照给出的充电参数对本电池进行充电，并可根据收到的最新充电参数实时调整充电参数；充电模块可在主控模块的控制下，与接入电量转移总线的其它电池或发电/供电设备配合，接受其电能给本电池充电，如图4，充电模块的供电输入端有可控的电量转移受电开关2可以将充电模块的供电输入由正常的供电输入切换到电量转移总线，接受来自电量转移总线的电能给本电池充电；充电模块的输入与输出间电气隔离，可以采用同一发电设备同时给具有电势关系的电池组的部分或全部电池充电；充电模块根据功率的不同选用相应的散热装置如自然冷却/风扇冷却/液体冷却等；充电线路上安装有过载保护装置；充电模块通过安装在外壳上的供电接口与供电电源相连,在制造智能电池时可根据电池的容量选择全时充电或分时充电，用以减少充电模块的重量、体积和成本：全时充电时，充电模块的功率满足本电池的最大充电功率需求，全程采用充电模块对本电池进行充电；在大容量的智能电池中，若匹配全功率的充电模块，充电模块的功率及散热要求导致充电模块的重量、体积及成本等将有所上升，故可采用分时充电模式，即降低充电模块的功率，如降低至全功率的1/3，从而降低充电模块的重量、体积及成本，充电初始仍采用传统的串联充电方式对电池组进行全功率充电，并对每块电池的状态进行监测，随着电池内电量的增加，充电功率逐渐下降至充电模块的功率范围内，或者某块电池的充电参数接近该电池的充电参数的临界值时，如某块电池的充电电压已经接近主控模块计算出的该电池应采用的充电电压时，停止外界的大功率串联充电，改用本电池的充电模块进行充电，此分时充电模式不会失去控制单元对电池的关键充电参数（如转换电压电流/浮充电压电流等）的控制，使充电效果完全可控，又可降低重量、体积与成本。

进一步地，通讯模块的功能是在同一编组的智能电池间传输数据、在电池组与电池组上级控制系统间传输数据、及在接入通讯总线的其它发电设备或电气负载与智能电池间传输数据；由于同一编组的电池间存在电势关系，通讯模块与其他模块之间须电气隔离，通讯模块可支持标准的有线或无线的双向通讯方式，并根据应用场合不同选用不同的标准如WIFI/蓝牙/RS485/CAN等，通讯模块通过安装在外壳上的通讯接口与同一编组的其他智能电池、电池组上级控制系统、发电设备或电气负载相连。

进一步地，交互模块的功能是显示/设置智能电池的状态/参数等，并有相应的输入按键，可采用显示屏+按键的方式，也可采用带有输入功能的触摸屏。交互模块可根据电池的应用环境、功耗及成本选择合适的配置方式，直至取消。

进一步地，上述主控/存储/采集/充电/电量转移/通讯/交互等模块可以是分离的多个电路板，也可以是集成在一块电路板上，各模块可根据实际使用需要做适当减配以降低成本，最低配置的智能电池仅包含一个充电模块，此时智能电池的充电参数为预置的与电池本体相匹配的充电参数。

进一步地，控制单元的供电，可支持由电池本体部分供电、辅助电源供电（额外的可充电电池）或外界供电，辅助电源包含的电池可在智能电池充电同时进行充电，外界供电时，可与充电模块共用供电口电源。

进一步地，智能电池的电池本体部分是一个电池、或2个以上的电池组成的电池模块，电池的本体部分是锂电池时，控制单元可取代锂电池内部的保护电路，以节省成本，电池本体部分预留温度传感器的安装位置以提高测量的准确性。

进一步地，智能电池内部的连接线和传感器，电池本体部分的正极引线和负极引线分别与智能电池外壳的正极接线柱和负极接线柱连接，在连接线路上安装有过载保护装置如保险丝及电流传感器如分流器，过载保护装置在电池出现故障及发生紧急情况如交通事故时能够避免电池短路引发二次事故，过载保护装置和电流传感器的规格满足电池最大充放电电流的要求并有冗余。充电模块的正负极输出端及电量转移模块的输入端分别与电池本体部分的正负极引线连接，在连接线路上安装有电流传感器如分流器用于采集充电电流。

进一步地，智能电池的外壳，可采用一体式或分体式外壳，把控制单元、电池本体部分及连接线和传感器组合在一起，外壳上有外露的正负极接线柱及若干接口，包括环境温度传感器接口、供电接口、电量转移总线接口、散热接口、校准接口、交互界面、通讯接口和程序升级接口中的部分或全部接口，上述各接口可各自独立或几个接口合并成一个接口，所有接口、控制单元与电池本体部分之间采用采用适当的防护等级如IP65等，当电池本体部分采用铅酸电池时，外壳留有通气孔或通气阀，整个外壳或控制单元部分的外壳可做屏蔽处理。

进一步地，控制单元的所有线路板都根据电池的应用环境做低功耗设计及相应的防护处理。

进一步地，控制单元与电池本体部分设计成可拆卸式，便于维修、更换和重复利用。

进一步地，智能电池内部的控制单元的各模块、接口、电池本体部分、传感器及智能电池接线柱之间的所有连接线均牢固连接，且连接线的线径规格满足功率要求并有一定冗余，部分连接线采用屏蔽处理。

本发明公开的一种电量转移总线系统的技术方案，包括1对或多对电线，将电池、供电设备及电气负载连接起来，在电池、供电设备及电气负载之间，实现可控的电量转移，即在离线或在线状态下，在电池与电池之间、电池与设备之间或设备与设备之间实现可控的电量转移，其中：

1．电池的数量≥2；供电设备的数量≥0，电气负载的数量≥0，且供电设备与电气负载的数量之和≥1；

2．电池与设备之间的电量转移包含电池与电气负载之间的电量转移以及电池与供电设备之间的电量转移，设备与设备之间的电量转移包含供电设备与电气负载之间的电量转移。

进一步地，电量转移总线（以下简称“总线”）的1对或多对电线，连接到所有接入总线的智能电池或设备的供电接口（如前述的智能电池的电量转移模块）或受电接口（如前述的智能电池的充电模块）。

进一步地，接入总线的智能电池应至少包括向总线供电的功能和利用总线的电能进行充电的功能之一。

进一步地，发电或供电设备应具备向总线供电的功能。

进一步地，电气负载应具备利用总线的电能实现其特定目标的功能。

进一步地，上述所有智能电池、发电设备或电气负载本身都具有可统一协调控制的开关来实现在电气上接入总线或从总线上断开；或者智能电池、发电设备或电气负载本身不具备上述开关，但在其接入总线的线路上有可受统一协调控制的开关来控制其在电气上接入总线或从总线上断开。

进一步地，协调接入总线的各设备是否接入总线或从总线断开的控制系统可以是单独的总线控制系统，或者由接入总线的智能电池/发电设备/电气负载之一所具备的控制功能来协调控制。

进一步地，一个最小的电量转移总线系统内仅包含2个电池、1个供电设备或受电设备（电气负载）、以及相应的电线及开关。

进一步地，当总线内接入的电池或设备数量较多时，可采用增加电量转移总线组数的方法来提高电量转移的效率，若配备多组电量转移总线，则需要在接入总线的电池/设备内配备相对应的多路切换开关，以接入不同的电量转移总线。

典型的电量转移总线应用之一：在电池组中指定的两块电池间进行可控的电量转移，如在电池组放电过程中，控制剩余电量最多的电池的电量转移模块和剩余电量最少的电池的充电模块接入电量转移总线，即用剩余电量最多的电池给剩余电量最少的电池充电，当供电电池的剩余电量降至接近电池组的平均剩余电量水平或受电电池的剩余电量水平升至电池组的平均剩余电量水平时，将供电电池的电量转移模块和受电电池的充电模块从电量转移总线中断开，再根据最新的数据采集结果，将剩余电量最多的电池给剩余电量最少的电池充电，最终使电池组中所有电池的剩余电量趋于一致，即在放电截止时，使同一编组的各电池保持相同的放电深度；

典型的电量转移总线应用之二：用电池组中指定的电池向接入电量转移总线的电气负载供电，该电气负载需接入智能电池组的通讯系统中，可以与主控单元协调，适时接入电量转移总线或从电量转移总线中断开；或主控单元可以控制该电气负载接入电量转移总线的开关；

典型的电量转移总线应用之三：用接入电量转移总线的发电设备向电池组中的一块或多块电池进行充电，如利用各种能量的发电设备如太阳能、风能、车辆减震能量回收或刹车能量回收的电能依次向电池组中剩余电量最少的电池进行充电，达到增加电池组的放电量的目的；该发电设备需接入智能电池组的通讯系统中，可以与主控单元协调，适时接入电量转移总线或从电量转移总线中断开，或主控单元可以控制该发电设备接入电量转移总线的开关。

本发明公开的一种均衡充放电方法的技术方案如下，其特征是，按需充电和电量转移，其中：按需充电指对电池组中每块电池使用相同或不同的、且可动态调整的充电参数进行充电；电量转移指在同一编组的部分电池间实现电量转移，或采用接入电量转移总线的发电或供电设备向电池组中的全部或部分电池进行充电，或采用电池组中的部分电池向接入电量转移总线的一个或多个电气负载供电；在由前述的智能电池编组的电池组充放电时，由于有带时间戳的历史及实时数据的支持，充电时可以实现完全可控；有了电量转移模块的电量转移功能的支持，放电时也可以实现可控，充放电时可采用如下几种典型方式之一或几种方式的组合：

1.充满：充电时把全部电池都充满，即按照电池的建议充电曲线进行充电，或在监控电池的充电电流/电压/温度/温升等数据在不影响电池循环寿命的前提下，即以不过充为前提，将电池组中的每块电池都充入最大电量；

2.过充：在接到电池组控制系统的极端命令时，如不惜以牺牲电池组的循环寿命为代价而换取电池组更多的放电量，在监控电池的充电电流/电压/温度/温升等数据在电池安全范围内，把全部或部分电池进行过度充电，以充入更多电量来达到使电池组能放出更多电量的目标，如在冬季低温环境下充电或为了满足用户的需求；

3.低损耗充电：以提高电能转换率为目标的充电，把其他模块的工作频率降低、休眠甚至关闭，并调整充电参数以降低充电全程中充电模块的功耗，将宝贵的能量尽可能充至电池内，如使用移动电源给电池组充电时可采用此充电方法；

4.均衡充电：不把每块电池都充满作为目标，将电池组中上次放电深度最大的一块电池充满，并参照此电池的充入电量、剩余电量及同一编组中其他每块电池的历史放电数据（包括其他每块电池在放电截止时的放电截止电压/剩余电量等数据），动态调整每块电池对应的充电参数（包括恒流限流恒压等阶段的电压电流参数），精确控制每块电池的充入电量，达到在电池组放电截止时使全部或部分电池保持相同放电深度的目标，在电池组中没有配备电量转移模块时可采用此充电方法；

5.电量转移：在电池组中的各电池的剩余电量不一致时，适时启动电量转移模块，用剩余电量最多的电池向剩余电量最少的电池充电，实现电量从剩余电量最多的电池向剩余电量最少的电池的转移即削峰填谷，或有目标地进行电量转移，自动调节电池组的全部或部分电池的剩余电量趋于一致，实现均衡放电；或控制接入电量转移总线的供电/发电设备工作，给剩余电量最少的电池充电，或同时给指定的若干电池充电，实现电量的可控转移；可在电池组待机或放电甚至串联充电的同时进行电量转移。

本发明公开的智能电池、电量转移总线及均衡充放电方法的有益效果是：使用由本智能电池编组的电池组时，充电及放电过程全程可控，可按需要重新分配各电池的剩余电量，充电时不过充，放电时不过放即可完全控制电池组的部分或全部电池放电深度保持一致，延长电池组的循环寿命，增加了电池组的放电量，同时可完全取代电池管理系统，减少系统中的布线的数量与线径规格，提高数据采集精度，提高了电池组剩余电量计算的准确度，准确预报电池组中每块电池的健康度，为电池组的维护提供准确的预报数据，提高了电池组的可靠性与安全性，降低电池组的使用成本。

附图说明

图1是智能电池的结构示意框图。

图2是智能电池电量转移模块与充电模块的示意框图。

图3是智能电池通过电量转移模块对外供电示意框图。

图4是智能电池的充电模块接受来自电量转移总线的电能充电示意框图。

图5是电量转移总线应用之一：编组后电池间的电量转移示意框图。

图6是电量转移总线应用之二：电池组的部分电池向接入电量转移总线的电气负载供电示意框图。

图7是电量转移总线应用之三：接入电量转移总线的发电设备向电池组的电池充电的示意框图。

图8是减配的智能电池编组的示意框图。

其中：

1是智能电池；

2是充电模块的电量转移受电开关；

3是充电模块的正常充电时的供电输入；

4是一组电量转移总线；

5是智能电池的其他模块如采集/通讯/存储/交互模块的示意；

6是电量转移模块；

7是隔离变压器，可用其他非接触式的电能转换传送元件替代）；

8是电量转移模块的电量转移供电开关；

9是电量转移总线中的电能转移方向；

10是电池组的1#电池，电势最低的电池；

11是电池组的2#电池，电势次低的电池；

12是电池组的3#电池，电势次高的电池；

13是电池组的4#电池，电势最高的电池；

14是接入电量转移总线的发电设备的接入开关；

15是接入电量转移总线的电气负载的接入开关；

16是通讯总线，用于将编组的各智能电池、上级控制系统、发电设备及电气负载的通讯接口连接在一起。

具体实施方式

下面通过三个具体实施例对本专利做进一步阐述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本专利的保护范围，即本领域内的技术人员可根据本专利的权利要求所述的原理通过适当的变换和替代实现更多的功能或拓展本专利的应用范围。

本专利可应用在任何需要电池编组使用的环境，包括但不限于如下行业：电动自行车、电动汽车、电动工程车、火车的电池储能系统、舰船潜艇等、机房的后备电源系统、通信电源的后备电池组、野外移动通信基站的电池组、光伏发电及风力发电的储能、航空航天器的电池组、舰船潜艇的储能电池组等领域。

智能电池的积极意义在于解决了电池组编组后的充放电过程中的不一致的问题，可实现电池组主动均衡充电、主动均衡放电甚至单独给电气负载供电的功能，故实施例2、3均以电池编组来说明。

实施例1，全配置的智能电池，如图1智能电池的结构示意框图，包括主控模块、存储模块、采集模块、电量转移模块、充电模块、通讯模块、交互模块、电池本体部分、传感器与接口（未画出）。

实施例2，全配置的智能电池，4块智能电池串联编组，如图5~图7，1#电池10，2#电池11，3#电池12，4#电池13，4块电池在电池组中的电势依次从低到高，包括上级控制系统、电量转移总线4、发电设备及电气负载，包括了智能电池编组后电量转移的三个典型应用如下。

应用之一，电池间的电量转移，见图5，当电池组在待机或放电过程中，假设主控模块监测到电池组的1#电池10的剩余电量最高，3#电池12的剩余电量最低，主控模块通过通讯总线16控制各电池及设备是否接入电量转移总线4；

主控模块控制1#电池10的电量转移模块6的电量转移供电开关8闭合，同时控制3#电池12的充电模块的电量转移受电开关2闭合，并保持其他所有电池及设备的总线接入开关保持断开状态；

此时1#电池10向电量转移总线4供电，3#电池12接受来自电量转移总线4的电能充电，电量转移总线内的电能流动方向9，为从1#电池10流出，向3#电池12流入，从而实现了电池间的电量转移；

待1#电池10的剩余电量降低至接近电池组的平均剩余电量水平或3#电池12的剩余电量水平升至电池组的平均剩余电量水平时，断开1#电池10的电量转移供电开关8和3#电池12的电量转移受电开关2，停止电量转移；再根据此时最新的各电池的剩余电量状态切换剩余电量最高的电池向剩余电量最低的电池转移电量，从而达到电池组中所有电池的剩余电量基本相同的状态。

应用之二，电池组的部分电池向接入电量转移总线的电气负载供电，见图6，当需要启动电气负载时，主控模块判断后决定由4#电池13向电气负载供电，主控模块通过通讯总线16控制各电池及设备是否接入电量转移总线4；

主控模块控制4#电池13的电量转移供电开关8闭合，同时控制电气负载的电量转移总线接入开关15闭合，并保持其他所有电池及设备的总线接入开关保持断开状态；

此时4#电池13向电量转移总线供电，电气负载接受来自电量转移总线4的电能，电量转移总线内的电能流动方向9，为从4#电池13流出，向电气负载流入，从而实现了用电池组中的部分电池向电气负载供电的电量转移；

待4#电池13的剩余电量低至电池组的平均剩余电量水平时，或电气负载关闭时，自动停止4#电池13向电量转移总线4供电，将4#电池13的电量转移开关2和电气负载的电量转移总线接入开关15断开，待电气负载下次启动时，可由主控模块根据最新的各电池剩余电量数据判断使用4#电池13或其他电池对电气负载供电；

其中可由电池组中的电池轮流向电气负载供电。

应用之三，接入电量转移总线的发电设备向电池组的部分电池充电，见图7，如电动汽车上具备刹车能量回收系统时，在刹车时，刹车能量回收系统即可视为发电设备，在刹车同时给电池组中剩余电量较少的1#电池10和2#电池11进行充电；

主控模块控制发电设备的电量转移总线接入开关14闭合，同时控制1#电池10和2#电池11的充电模块的电量转移受电开关2相继闭合，并保持其他所有电池及设备的总线接入开关保持断开状态；

此时发电设备向电量转移总线4供电，1#电池10和2#电池11同时接受来自电量转移总线4的电能进行充电，此时电量转移总线内的电能流动方向9，为从发电设备流出，向1#电池10和2#电池11流入，从而实现了用发电设备向电池组中的部分电池充电的电量转移，轮番用发电设备向电池组中剩余电量相对较少的电池充电，从而增加了电池组的电量，增加了电动汽车的续航里程；

其中接入电量转移总线的发电设备可轮番向各电池充电。

实施例3，减配的智能电池编组，见图8，4块智能电池串联编组，1#电池10，2#电池11，3#电池12，4#电池13，4块电池在电池组中的电势依次从低到高，电池组间无电量转移总线，所有智能电池均不包含电量转移模块，只有1#电池10配备了主控模块，所有电池的通讯模块及上级控制系统通过通讯总线16连在一起。主控模块通过自身的采集模块及通讯模块实时获取所有电池的数据及上级控制系统的交互命令信息，在充电时，根据每块电池的劣化程度、剩余电量等实时数据计算出每块电池的充电参数，并传输给各电池，并根据获取的最新信息，对各电池的充电参数做出调整，使用如下的充电方案之一或混合的充电方案：

其一，按照电池的建议充电曲线充满；

其二，每块电池使用不同的充电参数并动态调整充电参数，以在下次放电截止时，每块电池保持相同的放电深度；

其三，接到上级控制系统的命令，充入电量最大化，即在监控电池的温度及温升在电池可承受的安全范围内，部分或全部电池过充；

其四，在充电电源为移动电源时，能量有限，降低除了充电模块外所有模块的功耗、休眠甚至关闭，并将整个充电过程的充电模块的自身功耗降至最低，来改变充电模块的充电参数，以尽可能提高充入电池内的电量。

Claims (8)

1.一种智能电池，用于独立使用、串联编组使用或串并联混合编组使用，其特征是，包括控制单元、电池本体部分、连接线和传感器及外壳，其中控制单元有协调控制、获取信息、统计分析、主动控制及对外反馈的功能，其中：

协调控制是指控制单元可通过通讯接口协调控制电池组中的其他智能电池及接入同一电量转移总线的供电设备或电气负载协同工作，包括：保持所有智能电池的时钟同步及与电池组的上级控制系统的时钟同步；协调确定电池组中的某块智能电池的控制单元作为整个电池组的控制核心；协调其他智能电池的数据采集及传送；协调电池组中各电池的数据采集精度的校准；控制所有电池的数据采集种类及频率；控制单元程序升级；各电池的控制单元自检；

获取信息是指通过控制单元的数据采集功能获取本电池的包括电压、电流、内阻、温度、环境温度、运动状态、振动及加速度数据在内的信息，通过控制单元的通讯功能获取同一编组的其他每块智能电池的上述信息及时钟、和/或自检、和/或校准信息，获取电量转移总线上的电压、和/或电流数据，及通过控制单元的通讯功能获取外界的交互命令及环境温度信息，并将上述所有信息加上时间戳存储；

统计分析是指控制单元对获取的所有信息，统计、分析及计算出电池组中每块电池的充放电循环次数、充放电深度、剩余电量及劣化程度，根据命令计算出适合每块电池的充电参数，计算电量转移总线上接入的供电及用电信息以切换不同的电池、和/或供电设备、和/或电气负载接入电量转移总线或从电量转移总线断开，并将统计分析的所有信息加上时间戳存储；

主动控制包含电量转移功能及在充电时动态调整每块电池的充电参数的功能，其中：电量转移是在同一编组的电池间进行电量转移，实现各电池间剩余电量的再分配，或由接入电量转移总线的供电设备对电池组中的部分或全部电池进行充电，或由某块电池对接入电量转移总线的电气负载进行供电，即根据统计分析结果，切换相应的的电池、和/或供电设备、和/或电气负载接入电量转移总线或从电量转移总线断开；动态调整充电参数是在充电时为满足不同的需求而对每块电池采用包括充满、可控的过充及可控的欠充在内的充电方式，并对充电参数随着统计分析计算结果及外界命令的变化而动态调整；

对外反馈是指控制单元通过通讯功能被动应答外界的交互命令或向外界主动发出信息；

控制单元的充电模式可采用全时充电和分时充电两种模式，全时充电即充电的整个过程都由控制单元完成；分时充电即由传统串联充电与控制单元充电二者接力完成整个充电过程的充电方式。

2.根据权利要求1所述的智能电池，其特征是，电池本体部分是一个电池，或2个以上的电池组成的电池模块。

3.根据权利要求1所述的智能电池，其特征是，包括连接线与传感器，电池本体部分的正极引线和负极引线分别与智能电池外壳的正极接线柱和负极接线柱连接，在连接线路上安装有过载保护装置及电流传感器；控制单元中用于充电功能的正负极输出端及用于电量转移功能的输入端分别与电池本体部分的正负极引线连接，在连接线路上安装有电流传感器。

4.根据权利要求1所述的智能电池，其特征是，包括一体式或分体式的外壳，可将控制单元、电池本体部分及连接线和传感器组合在一起，外壳上有外露的正极接线柱、负极接线柱及若干接口，包括环境温度传感器接口、供电接口、电量转移总线接口、散热接口、校准接口、交互界面、通讯接口和程序升级接口中的部分或全部接口，上述各接口可各自独立或几个接口合并成一个接口。

5.一种电量转移总线系统，用于实现权利要求1所述的电量转移功能，其特征是，包括1对或多对电线，将电池、发电设备及电气负载连接起来，在电池、发电设备及电气负载之间，实现可控的电量转移，其中：

电池的数量≥2；

发电设备的数量≥0，电气负载的数量≥0，且发电设备与电气负载的数量之和≥1；

接入电量转移总线上的所有电池、发电设备或电气负载都具有可统一协调控制的开关或经过可统一协调控制的开关来实现在电气上与电量转移总线连接或断开。

6.一种均衡充放电方法，对装有权利要求5所述的电量转移总线的电池组进行充放电，其特征是，按需充电和电量转移。

7.根据权利要求6所述的均衡充放电方法，其特征是，按需充电指对电池组中每块电池使用相同或不同的、且可动态调整的充电参数进行充电。

8.根据权利要求6所述的均衡充放电方法，其特征是，电量转移指在同一编组的部分电池间实现电量转移，或采用接入电量转移总线的发电或供电设备向电池组中的全部或部分电池进行充电，或采用电池组中的部分电池向接入电量转移总线的一个或多个电气负载供电。