CN105098904A

CN105098904A - 具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统及其方法

Info

Publication number: CN105098904A
Application number: CN201510482120.4A
Authority: CN
Inventors: 毛珂
Original assignee: CHENGDU YUNENGTONG ENERGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: CHENGDU YUNENGTONG ENERGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2015-08-03
Filing date: 2015-08-03
Publication date: 2015-11-25

Abstract

本发明公开了具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统及其控制方法，系统包括2个或以上并联的充放电装置模组和一个主控制模块，所述的充放电装置模组通过正负接口与直流母线并联进行充电或者放电；所述的充放电装置模组包括充放电装置、充电控制模块、放电控制模块、电流/电压检测模块、保护装置和模组控制模块，所述的充放电装置、充电控制模块、放电控制模块、保护装置串联在回路上，所述的电流/电压检测模块用于检测回路的电流或者检测母线的电压。本发明解决多个不一样类型电压等级的充放电装置模组相互并联会造成相互充放电的问题，每个的充放电装置模组均实现充放电的全循环过程。

Description

具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统及其控制方法。

背景技术

随着电子技术的蓬勃发展，中型、大型电池组的用量越来越大。而在这些电池组的生产、测试与使用过程中，要用到许多充电和放电过程。

现有的充电设备或放电设备存在以下缺点：

1、电池组需要使用相同型号的电池模组进行并联使用，即并联的电池组要求每个电池电压相同，不能将完全不一样类型、电压等级的电池模组进行并联输入输出。因为在电池组中,单体之间的差异总是存在的,以容量为例,其差异性永不会趋于消失,而是逐步恶化的。电池组中流过同样电流,相对而言,容量大者总是处于小电流浅充浅放、趋于容量衰减缓慢、寿命延长,而容量小者总是处于大电流过充过放、趋于容量衰减加快、寿命缩短,两者之间性能参数差异越来越大,形成正反馈特性,小容量提前失效,组寿命缩短。

2、电池组的充放电步骤无法达到全循环的功能，使得电池组的使用麻烦。

3、电池组不能随意的并联增加容量，并联的时候需要考虑并联在一起的电池是否是同一种类，是否处于同一电压，不能实现任意时间，任意种类电池，任意电压电池直接并联。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种简单易行、便于操作、可靠性强的具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统及其方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统，包括2个或以上并联的充放电装置模组和一个主控制模块，所述的充放电装置模组通过正负接口与直流母线并联进行充电或者放电；所述的充放电装置模组包括充放电装置、充电控制模块、放电控制模块、电流/电压检测模块、保护装置和模组控制模块，所述的充放电装置、充电控制模块、保护装置、放电控制模块串联在回路上，所述的电流/电压检测模块用于检测回路的电流或者检测母线的电压；所述的模组控制模块的采样输入端与充放电装置连接，模组控制模块的第二采样输入端与电流/电压检测模块连接，模组控制模块的第一控制输出端与充电控制模块连接，模组控制模块的第二控制输出端与放电控制模块连接；所述的主控制模块与模组控制模块连接；所述的保护装置包括主动保护装置和被动保护装置中的一种或两种的组合；所述的主动保护装置的控制输入端与模组控制模块连接，所述的被动保护装置的检测端与模组控制模块连接。

所述的充电控制模块包括第一单向导电装置和与第一单向导电装置并联的第一可控开关元件；所述的放电控制模块包括第二单向导电装置和与第二单向导电装置并联的第二可控开关元件；第一可控开关元件和第二可控开关元件分别与模组控制模块的第一控制输出端和第二控制输出端连接；所述的第一单向导电装置和第二单向导电装置串联在回路上并且导电方向相反。

所述的第一单向导电装置和第二单向导电装置为二极管；所述的第一可控开关元件和第二可控开关元件包括但不限于继电器或者三极管。

所述的充放电装置包括至少一个串联而成的电储能元件，所述的电储能元件包括但不限于物理电池或者化学电池；所述的物理电池包括但不限于超级电容器、飞轮电池；所述的化学电池包括但不限于铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、钠硫电池。

所述的主动保护装置为通过人工干预控制开闭的开关器件；主动保护装置包括但不限于继电器、三极管、IGBT、MOS管；所述的被动保护装置为根据电流电压情况进行物理被动保护的保护装置；被动保护装置包括但不限于保险丝、断路器、温度开关。

具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统还包括一个物理状态监测模块，所述的物理状态监测模块用于检测充放电装置的物理状态；物理状态监测模块的采样端与充放电装置连接，物理状态监测模块的输出端与模组控制模块或者主控制模块连接。

具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制方法，包括加入控制步骤和保护控制步骤；所述的加入控制步骤包括以下子步骤：

S11：新的一组充放电装置模组在接入并联电路之前，模组控制模块置充电控制模块和放电控制模块为关闭状态；

S12：模组控制模块判断所述并联电路为充电状态或者放电状态，并采集本充放电装置中的充放电装置的电压值以及母线电压值：

（1）若并联电路为充电状态，则判断充放电装置的电压值与母线电压值的大小与差值是否符合接入并联电路的条件：

（1-1）若符合接入并联电路的条件，则接入电路，置充电控制模块为开启状态，即将所述的新的一组充放电装置模组置为充电状态；

（1-2）若不符合接入并联电路的条件，则直到模组控制模块检测到所述的并联电路为放电状态并且母线电压与充放电装置的电压值接近时，再接入电路，置放电控制模块为开启状态，即将所述的新的一组充放电装置模组置为放电状态；

（2）若并联电路为放电状态，则判断充放电装置的电压值与母线电压值的大小与差值是否符合接入并联电路的条件：

（2-1）若符合接入并联电路的条件，则接入电路，置放电控制模块为开启状态，即将所述的新的一组充放电装置模组置为放电状态；

（2-2）若不符合接入并联电路的条件，则直到模组控制模块检测到所述的并联电路为充电状态并且母线电压与充放电装置的电压值接近时，再接入电路，置充电控制模块为开启状态，即将所述的新的一组充放电装置模组置为充电状态；

所述的保护控制步骤包括以下子步骤：在加入控制步骤的过程中，通过主动保护装置和被动保护装置对并联电路进行保护：

（1）当电流或者电压过高，被动保护装置自动断开，模组控制模块接收到被动保护装置断开的消息并上传至主控制模块；

（2）当物理状态检测模块检测到异常并将消息上传到主控制模块，主控制模块主动控制需要进行断开保护的充放电装置模组；具体地，通过控制主动保护装置的通断实现。

所述的充电状态包括以下子步骤：

S2101：在充电过程之前，所有的充电控制模块处于开启状态，所有的放电控制模块处于关闭状态，所有的充放电装置模组通过放电控制模块内部允许的充电方向的元器件都并联起来；

S2102：开始充电，充电电流首先进入电压最低的充放电装置模组；模组控制模块对经过电流/电压检测模块的电流/电压进行采样，还对充放电装置的电压进行采样：

（1）当模组控制模块检测到有经过电流检测模块的放电电流或者电压检测模块的电压值与母线电压值相同，表明充电开始，当模组控制模块检测到充放电装置的电压达到过充电门限，表明充电结束；在充电开始与充电结束之间，将放电控制模块置为开启状态；直到所有的放电控制模块均处于开启状态，实现所有的充放电装置模组并联充电；

（2）当模组控制模块检测到充放电装置的电压达到过充电门限，模组控制模块将充电控制模块置于关闭状态；直到所有的充电控制模块处于关闭状态，表示所有的充放电装置模组均充电完成。

所述的放电状态包括以下子步骤：

S2201：在放电过程之前，所有的充电控制模块处于关闭状态，所有的放电控制模块处于开启状态，所有的充放电装置模组通过充电控制模块内部允许的放电方向的元器件并联起来；

S2202：开始放电，电压最高的充放电装置模组最先进行放电；模组控制模块对经过电流/电压检测模块的电流/电压进行采样，还对充放电装置的电压进行采样：

（1）当模组控制模块检测到有经过电流检测模块的放电电流或者电压检测模块的电压值与母线电压值相同，表明放电开始，当模组控制模块检测到充放电装置的电压达到过放电门限，表明放电结束；在放电开始与放电结束之间，将充电控制模块置为开启状态；直到所有的充电控制模块均处于开启状态，实现所有的充放电装置模组并联放电；

（2）当模组控制模块检测到充放电装置的电压达到过放电门限，模组控制模块将放电控制模块置于关闭状态；直到所有的放电控制模块处于关闭状态，表示所有的充放电装置模组均放电完成。

步骤S2202中，在放电开始的时候将充电控制模块置为开启状态，减少充电控制模块的损耗；步骤S2102中，在充电开始的时候将放电控制模块置为开启状态，减少放电控制模块的损耗。。

本发明的有益效果是：

（1）本发明在不过充不过放的基础上，通过控制充电控制模块和放电控制模块开闭方法解决了多个充放电装置模组相互并联会造成相互充放电的问题，甚至是完全不一样类型电压等级的充放电装置模组的并联。

（2）本发明实现了在所有的充放电装置模组均在一个并联的母线回路中、输出只有正负两根线的情况下，每个充放电装置模组均可实现充电与放电的全循环过程：

在充电状态完成后的充电控制模块和放电控制模块的开闭状态与放电步骤的初始状态相同，充电控制模块全部处于关闭状态，放电控制模块全部处于打开状态，即使每个单元即使电压不同也不会相互充放电，但是这个并联在一起的电池组却可以同时向外输出电能。

同理在放电状态完成后的充电控制模块和放电控制模块的开闭状态与充电步骤的初始状态相同，放电控制模块全部处于关闭状态，充电控制模块全部处于打开状态，即使每个单元即使电压不同也不会相互充放电，但是这个并联在一起的电池组却可以随时吸收来自母线的充电电能。

尤其是某些可充电电池，可能存在较大自放电，如果完全放电以后未能及时补充电能，如果采用传统方式直接把所有单元简单的直接并联，自放电较大的个体可能会造成整个电池系统失效。本技术可以有效解决部分电池故障造成的失效，由于单元之间禁止相互充电，个别单元漏电不会造成整个系统其他的充放电系统损失能量甚至造成其他损坏。有效提高了电池系统的可靠性。

（3）本发明通过一个外部的主控制模块对所有的充放电装置模组进行数据的采集以及控制，简单易行、便于操作、可靠性强。

（4）本发明还采用了主动保护装置和被动保护装置的组合，主动保护装置为通过人工干预控制的保护装置；所述的被动保护装置为根据电流电压情况进行物理被动保护的保护装置；进一步提高系统的安全性。

附图说明

图1为本发明结构方框图；

图2为充放电装置模组示意图；

图3为本发明方法的加入控制步骤流程图；

图4为充放电装置模组充电完成电路图；

图5为充放电装置模组充电完成等效电路图；

图6为充放电装置模组放电完成电路图；

图7为充放电装置模组放电完成等效电路图；

图8为采用充电MOS管和放电MOS管的充放电装置模组示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：如图1所示，具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统，包括2个或以上并联的充放电装置模组和一个主控制模块，所述的充放电装置模组通过正负接口与直流母线并联进行充电或者放电；如图2所示，所述的充放电装置模组包括充放电装置、充电控制模块、放电控制模块、电流/电压检测模块、保护装置和模组控制模块，所述的充放电装置、充电控制模块、保护装置、放电控制模块串联在回路上，所述的电流/电压检测模块用于检测回路的电流或者检测母线的电压；所述的模组控制模块的采样输入端与充放电装置连接，模组控制模块的第二采样输入端与电流/电压检测模块连接，模组控制模块的第一控制输出端与充电控制模块连接，模组控制模块的第二控制输出端与放电控制模块连接；所述的主控制模块与模组控制模块连接；所述的保护装置包括主动保护装置和被动保护装置中的一种或两种的组合；所述的主动保护装置的控制输入端与模组控制模块连接，所述的被动保护装置的检测端与模组控制模块连接。

如图8所示，所述的充电控制模块为充电MOS管，所述的放电控制模块为放电MOS管；由于MOS管内部具有体内二极管，因此也符合充电控制模块和放电控制模块的要求。图8未画出保护装置。

所述的电流检测模块包括但不限于电流检测电阻RSC或者霍尔电流传感器。

所述的主动保护装置为通过人工干预控制开闭的开关器件；主动保护装置包括但不限于继电器、三极管、IGBT、MOS管。

所述的被动保护装置为根据电流电压情况进行物理被动保护的保护装置；被动保护装置包括但不限于保险丝、断路器、温度开关。

具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统还包括一个控制主机，所述的控制主机与主控制模块连接。

所述的控制主机与主控制模块通过包括但不限于I2C、CAN、RS-485、RS-232、USB、蓝牙或者wifi连接；所述的主控制模块与模组控制模块通过包括但不限于I2C、CAN、RS-485、RS-232、USB、蓝牙或者wifi连接。

具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统还包括一个连接在母线上的母线电流传感器和母线电压传感器，所述的母线电流传感器和母线电压传感器与主控制模块连接。

所述的物理状态监测模块包括温度传感器、化学传感器、冷却剂流量传感器、烟雾传感器和压力传感器；其中，化学传感器、烟雾传感器、压力传感器、冷却剂流量传感器的输出端与模组控制模块连接，温度传感器的输出端与主控制模块连接。

如图3所示，具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制方法，包括加入控制步骤和保护控制步骤；所述的加入控制步骤包括以下子步骤：

所述的充电状态包括以下子步骤：

步骤S2102中，在充电开始的时候将放电控制模块置为开启状态，减少放电控制模块的损耗。

如图4所示，在充电完成后，放电控制模块处于开启状态，充电控制模块处于关闭状态，与电池放电步骤所需要的充电控制模块和放电控制模块的初始状态相同，等效电路图如图5所示。

所述的放电状态包括以下子步骤：

步骤S2202中，在放电开始的时候将充电控制模块置为开启状态，减少充电控制模块的损耗。

如图6所示，在放电完成后，充电控制模块处于开启状态，放电控制模块处于关闭状态，与充电状态所需要的充电控制模块和放电控制模块的初始状态相同，等效电路图如图7所示。

具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制方法还包括一个判断并联电路是否有并联的充放电装置模组的步骤：在步骤S1之后，判断现有的并联电路是否存在有充放电装置模组：若存在，则进入步骤S2；若不存在直接连接母线，按照需求进行充电或者放电。

具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制方法还包括一个判断欲接入的新的一组充放电装置模组是否为故障状态：在步骤S1之后，判断新的一组充放电装置模组是否为故障状态：若是则结束，若不是则进入步骤S2。

具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制方法还包括一个实时检测步骤：当检测到母线电压差过大，将少数电压较高的充放电装置模组切断，再在外部接入电压较低的充放电装置模组。

Claims

1.具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统，其特征在于：包括2个或以上并联的充放电装置模组和一个主控制模块，所述的充放电装置模组通过正负接口与直流母线并联进行充电或者放电；所述的充放电装置模组包括充放电装置、充电控制模块、放电控制模块、电流/电压检测模块、保护装置和模组控制模块，所述的充放电装置、充电控制模块、保护装置、放电控制模块串联在回路上，所述的电流/电压检测模块用于检测回路的电流或者检测母线的电压；所述的模组控制模块的采样输入端与充放电装置连接，模组控制模块的第二采样输入端与电流/电压检测模块连接，模组控制模块的第一控制输出端与充电控制模块连接，模组控制模块的第二控制输出端与放电控制模块连接；所述的主控制模块与模组控制模块连接；所述的保护装置包括主动保护装置和被动保护装置中的一种或两种的组合；所述的主动保护装置的控制输入端与模组控制模块连接，所述的被动保护装置的检测端与模组控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统，其特征在于：所述的充电控制模块包括第一单向导电装置和与第一单向导电装置并联的第一可控开关元件；所述的放电控制模块包括第二单向导电装置和与第二单向导电装置并联的第二可控开关元件；第一可控开关元件和第二可控开关元件分别与模组控制模块的第一控制输出端和第二控制输出端连接；所述的第一单向导电装置和第二单向导电装置串联在回路上并且导电方向相反。

3.根据权利要求2所述的具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统，其特征在于：所述的第一单向导电装置和第二单向导电装置为二极管；所述的第一可控开关元件和第二可控开关元件包括但不限于继电器或者三极管。

4.根据权利要求1所述的具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统，其特征在于：所述的充放电装置包括至少一个串联而成的电储能元件，所述的电储能元件包括但不限于物理电池或者化学电池；所述的物理电池包括但不限于超级电容器、飞轮电池；所述的化学电池包括但不限于铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、钠硫电池。

5.根据权利要求1所述的具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统，其特征在于：所述的主动保护装置为通过人工干预控制开闭的开关器件；主动保护装置包括但不限于继电器、三极管、IGBT、MOS管；所述的被动保护装置为根据电流电压情况进行物理被动保护的保护装置；被动保护装置包括但不限于保险丝、断路器、温度开关。

6.根据权利要求1所述的具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制系统，其特征在于：还包括一个物理状态监测模块，所述的物理状态监测模块用于检测充放电装置的物理状态；物理状态监测模块的采样端与充放电装置连接，物理状态监测模块的输出端与模组控制模块或者主控制模块连接。

7.具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制方法，其特征在于：包括加入控制步骤和保护控制步骤；所述的加入控制步骤包括以下子步骤：

8.根据权利要求7所述的具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制方法，其特征在于：所述的充电状态包括以下子步骤：

9.根据权利要求7所述的具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制方法，其特征在于：所述的放电状态包括以下子步骤：

10.根据权利要求8或9所述的具有保护功能的支持不同种类可充放电装置加入的控制方法，其特征在于：步骤S2202中，在放电开始的时候将充电控制模块置为开启状态，减少充电控制模块的损耗；步骤S2102中，在充电开始的时候将放电控制模块置为开启状态，减少放电控制模块的损耗。