CN104882942A - 一种控制模块化锂电池内均衡和模块之间均衡的控制系统 - Google Patents

一种控制模块化锂电池内均衡和模块之间均衡的控制系统 Download PDF

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韩明武
刘升元
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Hefei Zhonghang New Energy Technology Research Institute Co Ltd
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Abstract

本申请公开了一种控制模块化锂电池内均衡和模块之间均衡的控制系统，该控制系统包括内均衡控制电路和外均衡控制电路；其中，内均衡控制电路设置有下位BMS模块，下位BMS模块用于检测并控制锂电池模块内部各电池单元的电压，实现均衡锂电池模块内部电池组电压的均衡；外均衡控制电路设置有上位BMS模块，上位BMS模块用于接收所述下位BMS的检测信息，并根据所述检测信息控制若干个锂电池模块之间的电压，实现若干个锂电池模块之间电压的均衡。本发明实现了同时均衡锂电池模块内部各节电池之间的电压和各锂电池模块之间的电压，使得所有电池模块中的所有电池单元的寿命达到或接近单体电池寿命，有效地解决了电动汽车电池应用中的技术瓶颈。

Description

一种控制模块化锂电池内均衡和模块之间均衡的控制系统
技术领域
本发明涉及锂电池的应用领域，尤其涉及一种控制模块化锂电池内均衡和模块之间均衡的控制系统。
背景技术
由于锂电池的固有特性，必须工作在一个固定的电压范围内，如2.75V至4.25V之间。当充电电压高于上限4.25V时，会引起电池起火或爆炸；当放电电压低于下限2.75V时，会引起电池的永久性损坏。因此，超出这个范围，锂电池的必须停止。同时由于电池特性的非一致性，当多节锂电池串联充电时，会使得其中一节电池电压首先到达上限电压而其余电池处于没充足电状态；放电时，会使得其中一节电池电压首先下降到下限电压而其余电池仍处于有电状态。串联电池的个数越多，次数的越多，此种情况越严重，串联电池组的容量会大大地下降。因此，串联锂电池组的寿命大大低于单节电池的寿命。尤其在电动汽车中，串联电池节数大约为80至150节，这种现象尤为严重。目前的国内外锂电池应用技术，串联电池组的寿命一般为单体电池寿命的10%至30%。
因此，如何解决上述问题成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种控制模块化锂电池内均衡和模块之间均衡的控制系统，该系统实现了同时均衡锂电池模块内部各节电池之间的电压和各锂电池模块之间的电压，使得所有电池模块中的所有电池单元的寿命达到或接近单体电池寿命，有效地解决了电动汽车电池应用中的技术瓶颈。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种控制模块化锂电池内均衡和模块之间均衡的控制系统，所述控制系统包括内均衡控制电路和外均衡控制电路；所述内均衡控制电路设置有下位BMS模块，所述下位BMS模块用于检测并控制锂电池模块内部各电池单元的电压，实现均衡锂电池模块内部电池组电压的均衡；所述外均衡控制电路设置有上位BMS模块，所述上位BMS模块用于接收所述下位BMS的检测信息，并根据所述检测信息控制若干个锂电池模块之间的电压，实现若干个锂电池模块之间电压的均衡。
进一步，所述内均衡控制电路包括设置在锂电池模块内部的下位BMS模块、内DC/DC隔离变换器、与锂电池模块内电池组数量一致且一一对应的若干个输入继电器和若干个输出继电器；所述下位BMS模块实时检测锂电池模块内各电池的电压，选择出电压最高的电池和电压最低的电池后；下位BMS模块控制所述内DC/DC隔离变换器将所述电压最高的电池所对应的输入继电器接通，同时将所述电压最低的电池所对应的输出继电器接通；从而将电压最高的电池的能量转移至电压最低的电池；进而实现锂电池模块内部电池组的电压均衡。
进一步，所述外均衡控制电路包括上位BMS模块和若干个外DC/DC隔离变换器；每一个外DC/DC隔离变换器对应一个锂电池模块，且每一个外DC/DC隔离变换器均包括一个输出继电器和一个输入继电器；所述下位BMS电路将其对应的锂电池模块内所有的电池电压测量值通过CAN总线上传至所述上位BMS，上位BMS通过CAN总线将各个锂电池模块中总电压最高的锂电池模块中的所述外DC/DC隔离变换器对应的输入继电器接通，然后经过均衡总线将总电压最低的锂电池模块中的所述外DC/DC隔离变换器对应的输出继电器接通，从而实现了锂电池模块之间的电压均衡。
本发明具有以下积极的技术效果：
本发明利用分散在锂电池模块内的BMS电路作为检测和控制器，利用继电器作为均衡切换元件，将电压高的电池或模块通过DC/DC隔离变换器和继电器组的切换，将其能量转移至电压低的电池或模块中去。总体的均衡分为模块内均衡和模块之间的均衡两部分；从而有效地延长了电池的使用寿命，使得所有电池模块中的所有电池单元的寿命达到或接近单体电池寿命，有效地解决了电动汽车电池应用中的技术瓶颈。
附图说明
图1是本发明的电池模块的内部结构示意图；
图2是本发明的上位BMS模块与各锂离子电池模块连接示意图。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中标示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。
如图1-2所示，本申请提供了一种控制模块化锂电池内均衡和模块之间均衡的控制系统，该控制系统包括内均衡控制电路和外均衡控制电路；其中，内均衡控制电路用于均衡锂电池模块内部电池组的电压；外均衡控制电路用于均衡若干个锂电池模块之间的电压。
内均衡控制电路包括设置在锂电池模块内部的下位BMS模块、内DC/DC隔离变换器、与锂电池模块内电池组数量一致且一一对应的若干个输入继电器和若干个输出继电器，上述各部件的连接关系如图1所示；下位BMS模块实时检测锂电池模块内各电池的电压，选择出电压最高的电池和电压最低的电池；然后，下位BMS模块控制所述内DC/DC隔离变换器将电压最高的电池所对应的输入继电器接通，同时将电压最低的电池所对应的输出继电器接通；从而将电压最高的电池的能量转移至电压最低的电池；进而实现锂电池模块内部电池组的电压均衡。
现举例说明锂电池模块内均衡的实现过程：利用下位BMS模块作为主控电路，测量E1至En各节电池的电压。然后通过模块内BMS模块将其中电压最高的电池Ex所对应的输入继电器Jix接通，同时将电压最低的电池Ey所对应的输出继电器Joy接通，Ex通过Jix作为电源，经内部DC/DC隔离变换器输出，再通过Joy为Ey充电，当Ex和Ey数值发生改变后，内BMS再重新找出电池电压最高和最低的电池重复以上的过程，直至所有的电池电压相等或达到一定的误差范围内为止。
本申请的外均衡控制电路包括上位BMS模块和若干个外DC/DC隔离变换器；每一个外DC/DC隔离变换器对应一个锂电池模块，且每一个外DC/DC隔离变换器均包括一个输出继电器和一个输入继电器；下位BMS电路将其对应的锂电池模块内所有的电池电压测量值通过CAN总线上传至上位BMS，上位BMS通过CAN总线将各个锂电池模块中总电压最高的锂电池模块中的外DC/DC隔离变换器对应的输入继电器接通，然后经过均衡总线将总电压最低的锂电池模块中的外DC/DC隔离变换器对应的输出继电器接通，从而实现了锂电池模块之间的电压均衡。
现举例说明锂电池模块之间均衡的实现过程：首先利用模块内的下位BMS测量下位BMS所在锂电池模块的电压，将各锂电池模块的电压通过各电池模块的CAN总线上传至上位BMS系统。然后上位BMS将其中电压最高的电池模块EMx的输入继电器Ji接通，同时将电压最低的电池模块EMy的输出继电器Jo接通，EMx总电压作为电源通过Ji提供给外部DC/DC隔离变换器，经过外DC/DC隔离变换器的输出到达均衡总线口，通过均衡总线，将输出电压送达EMy模块，通过EMy模块的已接通的Jo为EMy充电。当EMx和EMy数值发生改变后，上位BMS再找出新的电压最高模块和最低模块，重复以上的控制，直至所有的电池模块电压相等或达到一定的误差范围内为止。
当完成上述内均衡和外均衡之后，模块内所有的电池电压相等，所有的模块电压相等，也就完成了全电路的均衡控制。
均衡电路系统的最小误差完全取决于内BMS的测量误差，按现在的BMS一般的技术水平，其测量可精确到1mV，所以本发明的均衡最小误差为±0.5mV。
内、外均衡系统为互不干扰独立工作系统，因此，两种均衡可同时工作而无相互影响,可大大提高其均衡效率。
上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种控制模块化锂电池内均衡和模块之间均衡的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括内均衡控制电路和外均衡控制电路；所述内均衡控制电路设置有下位BMS模块，所述下位BMS模块用于检测并控制锂电池模块内部各电池单元的电压，实现均衡锂电池模块内部电池组电压的均衡；所述外均衡控制电路设置有上位BMS模块，所述上位BMS模块用于接收所述下位BMS的检测信息，并根据所述检测信息控制若干个锂电池模块之间的电压，实现若干个锂电池模块之间电压的均衡。
2. 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述内均衡控制电路包括设置在锂电池模块内部的下位BMS模块、内DC/DC隔离变换器、与锂电池模块内电池组数量一致且一一对应的若干个输入继电器和若干个输出继电器；所述下位BMS模块实时检测锂电池模块内各电池的电压，选择出电压最高的电池和电压最低的电池后；下位BMS模块控制所述内DC/DC隔离变换器将所述电压最高的电池所对应的输入继电器接通，同时将所述电压最低的电池所对应的输出继电器接通；从而将电压最高的电池的能量转移至电压最低的电池；进而实现锂电池模块内部电池组的电压均衡。
3. 根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述外均衡控制电路包括上位BMS模块和包含在若干个下位BMS模块中的外DC/DC隔离变换器；每一个外DC/DC隔离变换器对应一个锂电池模块，且每一个外DC/DC隔离变换器均包括一个输出继电器和一个输入继电器；所述下位BMS模块将其对应的锂电池模块内所有的电池电压测量值通过CAN总线上传至所述上位BMS模块，上位BMS模块通过CAN总线将各个锂电池模块中总电压最高的锂电池模块中的所述外DC/DC隔离变换器对应的输入继电器接通，然后经过均衡总线将总电压最低的锂电池模块中的所述外DC/DC隔离变换器对应的输出继电器接通，从而实现了锂电池模块之间的电压均衡。
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