CN104901346A - 电池管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池管理系统，用于对至少两组电池组进行电量均衡，每一电池组包括至少两个电池单体；电池管理系统包括中央控制单元和对应于每一电池组的电量均衡装置，中央控制单元与每一电量均衡装置之间通过第一总线连接，电量均衡装置之间通过第一组间供电总线和第二组间供电总线连接，电量均衡装置用于对所对应的电池组内的电池单体进行组内电量均衡，并进一步在中央控制单元的控制下对不同的电池组进行组间电量均衡。通过上述方式，本发明的电池管理系统能够实现对需进行电量均衡的电池单体进行组内电量均衡以及同时实现对需要电量均衡的电池组进行组间电量均衡，有效提升电量均衡效果。
Description
技术领域
本发明涉及电池管理领域，特别是涉及一种电池管理系统。
背景技术
现有的电池组均衡技术，根据均衡过程中能量的消耗情况主要分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。其中，能量耗散型电量均衡系统一方面容易导致能量的浪费，另一方面会带来热量管理的问题。能量非耗散型电量均衡系统的结构较为复杂，器件多，成本高，可靠性低，在电池组应用中当能量低的单体电池与能量高的单体电池相差较远时电池组内所需的均衡时间也较长。而现有的电池均衡控制方法多数是根据单体电池电压的高低进行判断以控制能量转移。众所周知，电池电压并不能准确地反映电池剩余电量，例如电压高的电池并不一定是电量最多的电池，则按简单的电压判断方法进行电量均衡，有可能加剧电池组电量的不均衡，从而降低电池组的使用寿命。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种电池管理系统，能够更加精准的实现电池组内和组间电量均衡，并且成本低、可靠性高，能够有效提升电量均衡效果。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种电池管理系统，用于对至少两组电池组进行电量均衡，每一电池组包括至少两个电池单体，电池管理系统包括中央控制单元和对应于每一电池组的电量均衡装置，中央控制单元与每一电量均衡装置之间通过第一总线连接，电量均衡装置之间通过第一组间供电总线和第二组间供电总线连接，电量均衡装置用于对所对应的电池组内的电池单体进行组内电量均衡，并进一步在中央控制单元的控制下对不同的电池组进行组间电量均衡。
其中，电量均衡装置包括：状态采集模块，用于采集每一电池单体的状态信息；组内开关组模块，包括数量与电池单体对应的组内开关组；隔离稳压恒流模块，隔离稳压恒流模块的正输入端连接对应的电池组的总正极，隔离稳压恒流模块的负输入端连接对应的电池组的总负极，隔离稳压恒流模块的第一正输出端连接第二总线，隔离稳压恒流模块的第一负输出端连接第三总线；处理模块，用于根据电池单体的状态信息确定需进行电量均衡的电池单体，并控制对应的组内开关组将需进行电量均衡的电池单体的正极和负极分别连接至第二总线和第三总线，以利用电池组对需进行电量均衡的电池单体进行组内电量均衡。
其中，每一组内开关组包括第一组内开关和第二组内开关，其中第一组内开关的一端连接对应的电池单体的正极，第一组内开关的另一端连接第二总线，第二组内开关的一端连接对应的电池单体的负极，第二组内开关的另一端连接第三总线，且处理模块在确定需进行电量均衡的电池单体后控制对应的组内开关组的第一组内开关和第二组内开关闭合。
其中，状态信息至少包括电压值、电流值以及温度值中的一种。
其中，处理模块根据状态信息计算电池单体的荷电状态，并进一步根据荷电状态确定需进行电量均衡的电池单体。
其中，每一电量均衡装置进一步包括一组间开关，组间开关连接于隔离稳压恒流模块的第二正输出端与第一组间供电总线之间，或连接于隔离稳压恒流模块的第二负输出端与第二组件供电总线之间，中央控制单元或各处理模块根据各电池组的电池单体的状态信息确定各电池组的总状态信息，中央控制单元根据总状态信息确定需进行电量均衡的电池组，并控制对应的组间开关将需进行电量均衡的电池组的总正极和总负极分别连接至第一组间供电总线和第二组间供电总线，将需进行电量均衡的电池组的富余电量经第一组间供电总线和第二组间供电总线进行转移。
其中，电量均衡装置进一步包括第一保护开关，第一保护开关连接于隔离稳压恒流模块的正输入端与电池组的总正极之间，或者连接于隔离稳压恒流模块的负输入端与电池组的总负极之间，处理模块进一步在确定需进行电量均衡的电池单体或电池组后控制第一保护开关闭合。
其中，电量均衡装置进一步包括第二保护开关，第二保护开关连接于隔离稳压恒流模块的第一正输出端与第二总线之间，或者连接于隔离稳压恒流模块的第一负输出端与第三总线之间，处理模块进一步在确定需进行电量均衡的电池单体后控制第二保护开关闭合。
其中，每一电量均衡装置进一步包括二极管，二极管的正极连接隔离稳压恒流模块的第二正输出端，负极连接第一组间供电总线。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的电池管理系统通过采集电池单体的状态信息，根据电池单体的状态信息确定需进行电量均衡的电池单体，并控制对应的组内开关组将需进行电量均衡的电池单体连接至第二总线和第三总线，以利用电池组对需进行电量均衡的电池单体进行组内电量均衡；另外，中央控制单元根据电池组的总状态信息确定需进行电量均衡的电池组，并控制对应的组间开关将需进行电量均衡的电池组的总正极和总负极分别连接至第一组间供电总线和第二组间供电总线，将需进行电量均衡的电池组进行电量均衡。本发明的电池管理系统能够在不影响电池组正常工作的情况下更加精准的实现电池组内和组间电量均衡，并且成本低、可靠性高，能够有效提升电量均衡效果。
附图说明
图1是本发明的电池管理系统与电池组间连接的结构示意图；
图2是图1中的电量均衡装置与电池组连接的结构示意图。
具体实施方式
参阅图1，图1是本发明的电池管理系统与电池组间连接的结构示意图。电池管理系统包括至少两个电量均衡装置11和中央控制单元12。中央控制单元12与每一电量均衡装置11之间通过第一总线13连接，电量均衡装置11之间通过第一组间供电总线14和第二组间供电总线15连接。
在本实施例中，电池管理系统用于对电池组PACK1、PACK2、PACKM（M≥3）进行电量均衡。以电池组PACKM为例，电池组PACKM包括至少两个电池单体BTN（1）、BTN（N），其中N≥2。电池组PACKM与对应的电量均衡模块11连接。电量均衡装置11用于对所对应的电池组PACKM内的电池单体BTN（N）进行组内电量均衡，并进一步在中央控制单元12的控制下对不同的电池组PACKM进行组间电量均衡。
在本实施例中，电池组PACK1和电池组PACK2与电池管理系统的连接关系与电池组PACKM相同，在此不再赘述。其他实施例中，电池管理系统用于对超过三组电池组PACK1、PACK2、PACKM进行电量均衡，具体需要根据实际而定。
如图2所示，图2是图1中的电量均衡装置与电池组连接的结构示意图。电量均衡装置11包括状态采集模块111、组内开关组模块112、隔离稳压恒流模块114、处理模块115、第一保护开关116、第二保护开关117、组间开关118和二极管119。其中，组内开关组模块112包括与电池单体BTN（N）对应的组内开关组113，组内开关组113包括第一组内开关1131和第二组内开关1132。
下面以电池组PACKM和其组内的电池单体BTN（N）为例进行各部件的连接关系的描述。电量均衡模块11的状态采集模块111与电池组PACKM连接，状态采集模块111通过第四总线18与处理模块115连接，处理模块115通过第五总线19与组内开关组模块112连接。并且，处理模块115包括Q1端、Q2端以及Q3端。处理模块115通过Q1端与第一保护开关116连接，又通过Q2端与第二保护开关117连接，再通过Q3端与组间开关118连接。组内开关组模块112中的组内开关组113与对应电池单体BTN（N）连接。其中组内开关组113中的第一组内开关1131的一端连接对应的电池单体BTN（N）的正极，第一组内开关1131的另一端连接第二总线16；组内开关组113中的第二组内开关1132的一端连接对应的电池单体BTN（N）的负极，第二组内开关1132的另一端连接第三总线17。隔离稳压恒流模块114的正输入端VIN+连接对应的电池组PACKM的总正极，隔离稳压恒流模块114的负输入端VIN-连接对应的电池组PACKM的总负极。其中，第一保护开关116连接于隔离稳压恒流模块114的正输入端VIN+与电池组PACKM的总正极之间，或者在其他实施例中，第一保护开关116连接于隔离稳压恒流模块114的负输入端VIN-与电池组PACKM的总负极之间。隔离稳压恒流模块114的第一正输出端VO1+连接第二总线16，隔离稳压恒流模块114的第一负输出端VO1-连接第三总线17。其中，第二保护开关117连接于隔离稳压恒流模块114的第一正输出端VO1+与第二总线16之间，或者在其他实施例中，第二保护开关117连接于隔离稳压恒流模块114的第一负输出端VO1-与第三总线17之间。隔离稳压恒流模块114的第二正输出端VO2+连接第一组间供电总线14，隔离稳压恒流模块114的第二负输出端VO2-连接第二组间供电总线15。其中，组间开关118连接于隔离稳压恒流模块114的第二正输出端VO2+与第一组间供电总线14之间，或者在其他实施例中，组间开关118连接于隔离稳压恒流模块114的第二负输出端VO2-与第二组间供电总线15之间。二极管119的正极连接隔离稳压恒流模块114的第二正输出端VO2+，二极管119的负极连接第一组间供电总线14或二极管119的负极通过组间开关118与第一组间供电总线14连接。
在本实施例中，第一组内开关1131、第二组内开关1132、第一保护开关116、第二保护开关117和组间开关118可以是半导体开关管，如MOSFET、IGBT、BJT或GTO；也可以是开关继电器，如机械式继电器或光电继电器。
下面结合实施例对电池管理系的工作原理进行说明。
当进行电池组PACKM内电量均衡时，状态采集模块111采集电池组PACKM内每一电池单体BTN（N）的状态信息，其中状态信息至少包括电压值、电流值以及温度值中的一种，当然，状态信息还可以包括湿度值，PH值等。状态采集模块111通过多路模拟开关器件或AFE（Analog Front End，模拟前端）器件实现电压值和温度值的采集。状态采集模块111通过分流器或霍尔传感器实现电流值的采集，本实施例中优选通过霍尔传感器实现电流值的采集。
处理模块115通过第四总线18实时轮询状态采集模块111采集到的状态信息，其中处理模块115是以MCU（Micro Control Unit，微控制单元）、CPU（Central Processing Unit，中央处理器）或ARM（Advanced RISCMachines，嵌入式）处理器为核心，其配置有模数转换器、运算放大器、光电耦合器、逻辑门阵列以及触发器等。处理模块115根据状态信息计算电池单体BTN（N）的荷电状态，如根据状态信息得出电压最大值及相应电池单体BTN（N）的位号，电压最小值及相应电池单体BTN（N）的位号以及电池组PACKM的总电压值；再通过安时计量法、神经网络法、卡尔曼滤波法或自适应滤波法计算出每个电池单体BTN（N）当前的SOC（State Of Charge，荷电状态）值；进而可以得出当前最大SOC值及相应电量最高的电池单体BTN（N）的位号，最小SOC值及相应电量最低的电池单体BTN（N）的位号，平均SOC值及相应的平均电量数值。
在本实施例中，电池单体BTN（N）的SOC值越大，其电量越高。
若最大SOC值的电池单体BTN（N）与最小SOC值的电池单体BTN（N）的电量差值小于预设的均衡启动电量阈值范围或某一电池单体BTN（N）的电压值超出预设的均衡启动安全电压阈值范围时，不需启动电量均衡。若最大SOC值的电池单体BTN（N）与最小SOC值的电池单体BTN（N）的电量差值处于预设的均衡启动电量阈值范围或某一电池单体BTN（N）的电压值处于预设的均衡启动安全电压阈值范围时，需启动电量均衡。此时，处理模块115确定电池组PACKM中最小SOC值的电池单体BTN（N），并计算出最小SOC值的电池单体BTN（N）需要均衡的电量数值以及均衡的时间周期。然后发送开关组控制信号至组内开关组模块112以控制对应的组内开关组113的第一组内开关1131和第二组内开关1132闭合，以使组内开关组113将需电量均衡的电池单体BTN（N）的正极和负极分别连接至第二总线16和第三总线17。接着处理模块115通过Q1端发送第一控制信号至第一保护开关116以控制第一保护开关116闭合，以使电池组PACKM的总电压接入到隔离稳压恒流模块114的输入端。最后处理模块115通过Q2端发送第二控制信号至第二保护开关117以控制第二保护开关117闭合，以使隔离稳压恒流模块114的第一输出端输出的电压对相应的电池单体BTN（N）进行电量均衡。
若电量均衡的时间周期到或不满足电量均衡条件时，处理模块115通过Q2端控制第二控制信号换相，以切断隔离稳压恒流模块114的第一输出端与相应的电池单体之间的均衡回路。然后处理模块115控制开关组控制信号换相，以切断相应位号的电池单体BTN（N）接入第二总线16与第三总线17的回路。最后判断是否正在进行电池组PACKM的组间电量均衡，若判断正在进行电池组PACKM的组间电量均衡，则处理模块115通过Q1端控制第一控制信号的相位保持不变，若判断没有进行电池组PACKM的组间电量均衡，则处理模块115通过Q1端控制第一控制信号换相，以切断电池组PACKM的总电压接入到隔离稳压恒流模块114的输入端，从而达到省电的作用。
由此可以看出，本实施例中的电量均衡系统的结构简单，并且进行电量均衡时能够将电量均衡控制的更加精准，并且成本低、可靠性高，能够有效提升电量均衡效果。
当进行电池组PACKM的组间电量均衡时，每一状态采集模块111采集对应电池组PACKM内每一电池单体BTN（N）的状态信息，其中状态信息至少包括电压值、电流值以及温度值中的一种，当然，状态信息还可以包括湿度值，PH值等。状态采集模块111通过多路模拟开关器件或AFE器件实现电压值和温度值的采集。状态采集模块111通过分流器或霍尔传感器实现电流值的采集，本实施例中优选通过霍尔传感器实现电流值的采集。
中央控制单元12或处理模块115实时轮询状态采集模块111采集电池组PACKM中每一电池单体BTN（N）的状态信息，并根据各电池组PACKM的电池单体BTN（N）的状态信息确定各电池组的总状态信息。中央控制单元12或处理模块115根据总状态信息得出各电池组中电压最大值及相应电池组PACKM的位号，电压最小值及相应电池组PACKM的位号以及各电池组PACKM的电压值；再通过安时计量法、神经网络法、卡尔曼滤波法或自适应滤波法计算出每一电池组PACKM当前的SOC值；进而可以得出当前最大SOC值及相应电量最高的电池组PACKM的位号，最小SOC值及相应电量最低的电池组PACKM的位号，平均SOC值及相应的平均电量数值。
在本实施例中，电池组PACKM的SOC值越大，其电量越高。
若最大SOC值的电池组PACKM与最小SOC值的电池组PACKM的电量差值小于预设的均衡启动电量阈值范围或某一电池组PACKM的电压值超出预设的均衡启动安全电压阈值范围时，不需启动电量均衡。若最大SOC值的电池组PACKM与最小SOC值的电池组PACKM的电量差值处于预设的均衡启动电量阈值范围或某一电池组PACKM的电压值处于预设的均衡启动安全电压阈值范围时，需启动电量均衡。处理模块115通过第一总线13与中央控制单元12进行数据交换，中央控制单元12获取所有电池组PACKM的总状态信息或荷电状态，并确定电量较高的电池组PACKM进行电量均衡。中央控制单元12计算电量较高的电池组PACKM需要均衡的电量数值或SOC值以及均衡的时间周期。中央控制单元12通过第一总线13下发电量均衡命令给处理模块115，处理模块115通过Q1端发送第一控制信号至第一保护开关116以控制第一保护开关116闭合，以使需电量均衡的电池组PACKM的总电压接入到隔离稳压恒流模块114的输入端。然后处理模块115通过Q3端发送第三控制信号至组间开关118以控制组间开关118闭合，以使隔离稳压恒流模块114的第二输出端输出的电压接入到第一组间供电总线14和第二组间供电总线15，以使得将需进行电量均衡的电池组PACKM的富余电量经第一组间供电总线14和第二组间供电总线15进行转移。或者，富余电量经第一组间供电总线14和第二组间供电总线15转移至辅助电源（未图示）或其他低压供电模块（未图示）。
若电量均衡的时间周期到或不满足电量均衡条件时，处理模块115通过Q3端控制第三控制信号换相，以切断隔离稳压恒流模块114的第二输出端至第一组间供电总线14和第二组间供电总线15之间均衡回路。然后判断是否正在进行电池组PACKM的组内电量均衡，若判断正在进行电池组PACKM的组内电量均衡，则处理模块115通过Q1端控制第一控制信号的相位保持不变，若判断没有进行电池组PACKM的组内电量均衡，则处理模块115通过Q1端控制第一控制信号换相，以切断电池组PACKM的总电压接入到隔离稳压恒流模块114的输入端，从而达到省电的作用。
在本实施例中，可以实现单独电池组PACKM的组内电量均衡和电池组PACKM的组间电量均衡，也可以同时实现电池组PACKM的组内电量均衡和电池组PACKM的组间电量均衡。在同时实现电池组PACKM的组内电量均衡和电池组PACKM的组间电量均衡时，利用隔离稳压恒流模块114的第一输出端、第二总线16和第三总线17独立通道进行电池组PACKM的组内电量均衡，同时利用隔离稳压恒流模块114的第二输出端、第一组间供电总线14和第二组间供电总线15独立通道进行电池组PACKM的组间电量均衡。
在本实施例中，第一总线13、第一组间供电总线14、第二组间供电总线15、第二总线16、第三总线17、第四总线18和第五总线19为CAN总线或RS-485总线，当然，在其他实施例中，第一总线13、第一组间供电总线14、第二组间供电总线15、第二总线16、第三总线17、第四总线18和第五总线19还可以是其他总线。
综上所述，本发明的电池管理系统通过采集电池单体的状态信息，根据电池单体的状态信息确定需进行电量均衡的电池单体，并控制对应的组内开关组将需进行电量均衡的电池单体连接至第二总线和第三总线，以利用电池组对需进行电量均衡的电池单体进行组内电量均衡；另外，中央控制单元根据电池组的总状态信息确定需进行电量均衡的电池组，并控制对应的组间开关将需进行电量均衡的电池组的总正极和总负极分别连接至第一组间供电总线和第二组间供电总线，将需进行电量均衡的电池组进行电量均衡。本发明的电池管理系统能够在不影响电池组正常工作的情况下更加精准的实现电池组内和组间电量均衡，并且成本低、可靠性高，能够有效提升电量均衡效果。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种电池管理系统，用于对至少两组电池组进行电量均衡，每一所述电池组包括至少两个电池单体，其特征在于，所述电池管理系统包括中央控制单元和对应于每一所述电池组的电量均衡装置，所述中央控制单元与每一所述电量均衡装置之间通过第一总线连接，所述电量均衡装置之间通过第一组间供电总线和第二组间供电总线连接，所述电量均衡装置用于对所对应的所述电池组内的电池单体进行组内电量均衡，并进一步在所述中央控制单元的控制下对不同的所述电池组进行组间电量均衡。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电量均衡装置包括：
状态采集模块，用于采集每一所述电池单体的状态信息；
组内开关组模块，包括数量与所述电池单体对应的组内开关组；
隔离稳压恒流模块，所述隔离稳压恒流模块的正输入端连接对应的所述电池组的总正极，所述隔离稳压恒流模块的负输入端连接对应的所述电池组的总负极，所述隔离稳压恒流模块的第一正输出端连接第二总线，所述隔离稳压恒流模块的第一负输出端连接第三总线；
处理模块，用于根据所述电池单体的状态信息确定需进行电量均衡的所述电池单体，并控制对应的所述组内开关组将需进行电量均衡的所述电池单体的正极和负极分别连接至所述第二总线和所述第三总线，以利用所述电池组对需进行电量均衡的所述电池单体进行组内电量均衡。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，每一所述组内开关组包括第一组内开关和第二组内开关，其中所述第一组内开关的一端连接对应的所述电池单体的正极，所述第一组内开关的另一端连接所述第二总线，所述第二组内开关的一端连接对应的所述电池单体的负极，所述第二组内开关的另一端连接所述第三总线，且所述处理模块在确定需进行电量均衡的所述电池单体后控制对应的所述组内开关组的所述第一组内开关和所述第二组内开关闭合。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述状态信息至少包括电压值、电流值以及温度值中的一种。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述处理模块根据所述状态信息计算所述电池单体的荷电状态，并进一步根据所述荷电状态确定需进行电量均衡的所述电池单体。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的系统，其特征在于，每一所述电量均衡装置进一步包括一组间开关，所述组间开关连接于所述隔离稳压恒流模块的第二正输出端与所述第一组间供电总线之间，或连接于所述隔离稳压恒流模块的第二负输出端与所述第二组件供电总线之间，所述中央控制单元或各所述处理模块根据各所述电池组的所述电池单体的状态信息确定各所述电池组的总状态信息，所述中央控制单元根据所述总状态信息确定需进行电量均衡的电池组，并控制对应的所述组间开关将需进行电量均衡的所述电池组的总正极和总负极分别连接至所述第一组间供电总线和所述第二组间供电总线，将需进行电量均衡的所述电池组的富余电量经所述第一组间供电总线和所述第二组间供电总线进行转移。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电量均衡装置进一步包括第一保护开关，所述第一保护开关连接于所述隔离稳压恒流模块的正输入端与所述电池组的总正极之间，或者连接于所述隔离稳压恒流模块的负输入端与所述电池组的总负极之间，所述处理模块进一步在确定需进行电量均衡的所述电池单体或电池组后控制所述第一保护开关闭合。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电量均衡装置进一步包括第二保护开关，所述第二保护开关连接于所述隔离稳压恒流模块的第一正输出端与所述第二总线之间，或者连接于所述隔离稳压恒流模块的第一负输出端与所述第三总线之间，所述处理模块进一步在确定需进行电量均衡的所述电池单体后控制所述第二保护开关闭合。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，每一所述电量均衡装置进一步包括二极管，所述二极管的正极连接所述隔离稳压恒流模块的第二正输出端，负极连接所述第一组间供电总线。
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