CN105140978A - 柔性电池管理系统 - Google Patents

Abstract

柔性电池管理系统属于电池管理和储能领域，可以实现灵活的对电池组的电池进行测量、保护、管理，对外部的电压要求低，甚至可以直接与交流电相连。其是由多个电池管理单元串并联组成；每个电池管理单元包括一个或两个电池，4个或6个开关，可以实现对外的端口正接、反接、旁路等功能；其中开关可以是二极管、三极管、继电器、晶闸管、可？控硅、MOS管和IGBT中的任意一种，还可以是由其组合而成？的双向开关模块或器件；柔性电池管理系统可以由多个所述的电池管理单元串联、并联、串联再并联、并联再串联、或者串并联混合组成。该系统对外部充放电电压要求低，甚至可以实现外部交流电的充放电，并且本发明还可以提高电池组的可靠性，可以很容易和准确的测量其内阻。

Description

柔性电池管理系统

技术领域

本发明是一种电池管理系统，实现了电池储能系统中各个电池的均衡、保护和管理，并实现灵活的外部电压接口。

背景技术

随着新能源和技术的发展，电池技术得到了飞速的发展，出现了许多新型的各种电池。但大部分电池的电压和容量都较低，要应用在容量大的场合，例如新能源汽车、新能源分布式储能等场合，就必须对多个电池进行串并联。但由于每个电池的特性并不完全一致，导致电池串并联时必须增加管理或者保护电路，进行有效的监测、均衡和保护。到现在出现了许多种电池管理系统，但都有管控能力弱，电池组间不易并联等问题，另外一般还对电池组的外部端口电压要求高，要求外部电压必须是合适的直流电，不然就会损坏电池组。但又许多应用场合，外部电压是波动的，甚至是交流电，在这种场合，电池组与外部电路之间就需要增加而外的变流器，这样增加了系统成本，并且降低了可靠性。

发明内容

本发明提出的柔性电池管理系统，克服了现有电池管理系统的不足，提供了一种对外部电压要求低，甚至可以连接交流电的，管控能力强的，并且方便不同电池组串并联的电池管理系统。

本发明的技术方案（对照附图）是：

柔性电池管理系统是由多个电池管理单元串并联组成，每个电池管理单元是由电池B1、开关Q1、开关Q2、开关Q3、开关Q4组成，Q1与Q2串联，Q3与Q4串联，串联的Q1和Q2与串联的Q3和Q4并联在一起然后与电池B1连接，Q1和Q2之间的连接点作为电池管理单元的一个对外端口T2，Q3和Q4之间的连接点作为此电池管理单元另外一个端口T1。

进一步地，所述的开关Q1、开关Q2、开关Q3和开关Q4可以是二极管、三极管、继电器、晶闸管、可控硅、MOS管和IGBT中的任意一种，还可以是由其组合而成的双向开关模块或器件。

进一步地，所述的电池B1为铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、液流电池、超级电容器、锂电池中的任意一种，还可以是由其多个电池芯组合的电池组，并且这电池组也可以带有管理电路。

进一步地，柔性电池管理系统可以由多个所述的电池管理单元串联、并联、串联再并联、并联再串联、或者串并联混合组成。

柔性电池管理系统是由多个电池管理单元串并联组成，每个电池管理单元是由电池B1、电池B2、开关Q1、开关Q2、开关Q3、开关Q4、开关Q5和开关Q6组成，B1与B2串联，Q1与Q2串联，Q3与Q4串联，串联的Q1和Q2、串联的Q3和Q4与串联的B1和B2并联在一起，B1与B2之间的连接点与Q1和Q2之间的连接点通过Q5连接，B1与B2之间的连接点与Q3和Q4之间的连接点通过Q6连接，Q1和Q2之间的连接点作为电池管理单元的一个对外端口T2，Q3和Q4之间的连接点作为此电池管理单元另外一个端口T1。

进一步地，所述的开关Q1、开关Q2、开关Q3、开关Q4、开关Q5和开关Q6可以是二极管、三极管、继电器、晶闸管、可控硅、MOS管和IGBT中的任意一种，还可以是由其组合而成的双向开关模块或器件。

进一步地，所述的电池B1和电池B2为铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、液流电池、超级电容器、锂电池中的任意一种，还可以是由其多个电池芯组合的电池组，并且这电池组也可以带有管理电路。

进一步地，柔性电池管理系统可以由多个所述的电池管理单元串联、并联、串联再并联、并联再串联、或者串并联混合组成。

本发明的有益效果是：

本发明的柔性电池管系统与现存的电池管理系统相比较，其可以通过对串并联在一起的许多电池管理单元的不同开关的切换实现不同电池管理单元的正接、反接和旁路，从而实现它们之间的均衡、保护等，并且实现系统端口电压灵活，支持宽范围的外部电压，甚至可以直接支持交流电的充放电。当系统充电时，如果某一个电池管理单元有过充电时，可以通过切换开关旁路它进行保护，甚至可以通过反接它对它放电。当系统放电时，如果某一个电池管理单元出现过放电时，可以通过切换开关旁路它进行保护，甚至可以通过反接它对它进行充电。此发明，对外部充放电电压要求低，甚至可以实现外部交流电的充放电，当用于电压范围宽或者交流电时，可以实现不需要外部的变流器，大大节省了系统成本。并且本发明还可以提高电池组的可靠性，如果个别电池出现问题，可以把它旁路过去，不影响系统使用。并且由于可以对每个电池单元的电池进行开路和加载，所以可以很容易和准确的测量其内阻，并计算其SOC。

附图说明

本说明书有四个附图：

图1，四开关的电池管理单元电路；

图2，六开关的电池管理单元电路；

图3，采用四开关的电池管理单元实现的柔性电池管理系统实施例；

图4，三相交流电直连的柔性电池管理系统实施例

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施进行说明。

图1为四开关的电池管理单元电路原理图，图3是采用这种电路串联实现的柔性电池管理系统实施例，图4是采用三组串联的电池管理单元组串组成的三相交流电的柔性电池管理系统实施例。图2是六开关的电池管理单元电路原理图，它也完全可以替代图3和图4中四开关的电池管理单元，实现同样的功能。

图1中的电池管理单元电路，由四个开关Q1、Q2、Q3、Q4和一个电池B1组成。四个开关它们连接成H桥的样子，其中间的节点为端口T1和T2，H桥的上端与电池B1的正极相连，下端与电池B1的负极相连。多个这个的电池管理单元串并联可以实现高电压和大容量的电池组。当Q3、Q2导通，Q1、Q4断开时，端口T1对端口T2是正电压，称为正接；当Q1、Q4导通，Q2、Q3断开时，端口T1对端口T2是正电压，称为反接；当Q1、Q3导通，Q2、Q4断开时，或者当Q2、Q4导通，Q1、Q3断开时，这时候T1与T2直接短接，称为旁路，因为这时电流没有连入系统中。

图2中的电池管理单元电路，由六个开关Q1、Q2、Q3、Q4和两个电池B1、B2组成。电池B1和B2串联；开关Q1、Q2、Q3、Q4连接成H桥的样子，其中间的节点为端口T1和T2，上节点与电池B1的正极相连，下节点与电池B1的负极相连；开关Q5连接两个电池的中点与开关Q1和Q2的中点；开关Q6连接两个电池的中点与开关Q3和Q4的中点。当Q3、Q2导通，Q1、Q4、Q5、Q6断开时，端口T1对端口T2是B1和B2串联正电压，称为同时正接；当Q1、Q4导通，Q2、Q3、Q5、Q6断开时，端口T1对端口T2是B1和B2串联反电压，称为同时反接；当Q3、Q2导通，Q1、Q4、Q5、Q6断开时，端口T1对端口T2是B1和B2串联正电压，称为同时正接；当Q3、Q5导通，其他都关断时，端口T1对端口T2是B1的正电压，称为B1正接；当Q1、Q6导通，其他都关断时，端口T1对端口T2是B1的反电压，称为B1反接；当Q2、Q6导通，其他都关断时，端口T1对端口T2是B2的正电压，称为B2正接；当Q4、Q5导通，其他都关断时，端口T1对端口T2是B2的反电压，称为B2反接；当Q1和Q3同时导通，其他的都关断时，或者Q2和Q4同时导通，其他都关断时，或者Q5和Q6同时导通，其他都关断时，这时端口T1对端口T2是短接，这时称为旁路，因为这是B1和B2都没有接入系统中。

采用上述图1和图2的电池管理单元串联、并联、串联再并联、并联再串联、或者根据需要各种串并联组合，就可以实现大容量、高电压的电池管理系统。图3和图4就是四开关的电池管理单元串并联的两个实施例。

图3是由多个四开关的电池管理单元串联组成，可以实现大容量的电池组管理系统，并且实现外部单相交流电的直连，或者称为交流储能器。其中的开关由Mosfet和二极管并联组成，当然大部分的大功率Mosfet都有寄生二极管，也可以起到相同的作用。其中每个电池管理单元管理一个电池，例如是磷酸铁锂电池，则每个电池管理单元可以输入或输出正3.2V左右、负3.2V左右、0V左右。例如由一百个这样的单元串联在一起，外部端口就可以实现从-320V～+320V电压的充放电，配合对每个电池管理电源的高速开关切换，就可以实现交流电的直连。当然实际应用中还要串联电抗器，并联电容等对电流电压进行滤波和EMC防护等。电池的均衡管理是通过对相应的电池管理单元进行正接、反接或旁路实现的。例如当充电时，如果某电池已经接近饱和了，那么就可以通过旁路它，对它进行保护；当放电时，如果某电池已经接近过放了，那么也可以通过旁路它，对它进行保护。同时，通过上述这样的方法，实现电池的均衡。电池的内阻是通过比较其开路电压（相应的电池管理单元处于旁路状态时，此时电池的电压）和有电流通过时的电压（相应的电池管理单元处于正接或者反接时，此时电池的电压）电压差与电流相除得到。

图4是有三组的电池管理单元串联组串形成的三相交流电直连的电池管理系统。其是有三个组串形成，它们一端直接连着一起形成中点N，另外的一端形成三相电的三相A、B、C。实际应用中也常在每个相上串联电抗器进行平波。每个组串的工作机理类似图3中的实施例，三个组串都是交流充放电，只是他们的相位差120度，这样形成三相电。每个电池的保护、内阻测量电池管理功能与图3的实施例相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不是用于限制本发明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，本领域的技术人员可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.柔性电池管理系统，其特征在于由多个电池管理单元连接组成，每个电池管理单元是由电池B1、开关Q1、开关Q2、开关Q3、开关Q4组成，Q1与Q2串联，Q3与Q4串联，串联的Q1和Q2与串联的Q3和Q4并联在一起然后与电池B1连接，Q1和Q2之间的连接点作为电池管理单元的一个对外端口T2，Q3和Q4之间的连接点作为此电池管理单元另外一个端口T1。

2.根据权利要求1所述的柔性电池管理系统，其特征在于所述的开关Q1、开关Q2、开关Q3和开关Q4可以是二极管、三极管、继电器、晶闸管、可控硅、MOS管和IGBT中的任意一种，还可以是由其组合而成的双向开关模块或器件。

3.根据权利要求1所述的柔性电池管理系统，其特征在于所述的电池B1为铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、液流电池、超级电容器、锂电池中的任意一种，还可以是由其多个电池芯组合的电池组，并且这电池组也可以带有管理电路。

4.根据权利要求1所述的柔性电池管理系统，其特征在于其可以由多个所述的电池管理单元串联、并联、串联再并联、并联再串联、或者串并联混合组成。

5.柔性电池管理系统，其特征在于由多个电池管理单元连接组成，每个电池管理单元是由电池B1、电池B2、开关Q1、开关Q2、开关Q3、开关Q4、开关Q5和开关Q6组成，B1与B2串联，Q1与Q2串联，Q3与Q4串联，串联的Q1和Q2、串联的Q3和Q4与串联的B1和B2并联在一起，B1与B2之间的连接点与Q1和Q2之间的连接点通过Q5连接，B1与B2之间的连接点与Q3和Q4之间的连接点通过Q6连接，Q1和Q2之间的连接点作为电池管理单元的一个对外端口T2，Q3和Q4之间的连接点作为此电池管理单元另外一个端口T1。

6.根据权利要求5所述的柔性电池管理系统，其特征在于所述的开关Q1、开关Q2、开关Q3、开关Q4、开关Q5和开关Q6可以是二极管、三极管、继电器、晶闸管、可控硅、MOS管和IGBT中的任意一种，还可以是由其组合而成的双向开关模块或器件。

7.根据权利要求5所述的柔性电池管理系统，其特征在于所述的电池B1和电池B2为铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、液流电池、超级电容器、锂电池中的任意一种，还可以是由其多个电池芯组合的电池组，并且这电池组也可以带有管理电路。

8.根据权利要求5所述的柔性电池管理系统，其特征在于其以由多个所述的电池管理单元串联、并联、串联再并联、并联再串联、或者串并联混合组成。