CN105449296A - 一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，包括均衡充放电模块，与电池组连接，以对电池组中需要均衡的单体电池进行充电或放电；电池参数采集模块，采集电池组中每个单体电池的电池信息；微处理器，用于接收电池参数采集模块的电池信息，根据采集到的电池信息对各单体电池的荷电状态进行判断，如果超出预设阀值，则根据采集到的电池信息来确定需均衡的单体电池和需均衡的时间，并以此来控制均衡充放电模块对需要均衡的单体电池进行充电或放电。本发明通过集中式管理的方式实现能量在单体电池之间的流动，完成均衡管理的功能，通过均衡充放电模块对单体电池的充电、放电或静置实施动态在线无损均衡，完成电池组的无损均衡管理。

Description

一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统
技术领域
本发明属于电动汽车或大功率储能电站电池管理系统领域，具体涉及一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统。
背景技术
电动汽车具有零排放、零污染、低噪声等特点，成为今后我国大力发展的交通工具。锂电池由于其高功率密度、单体电压高等特性，是常用的电动汽车动力来源。动力锂电池组中，单体电池的不一致性，会减少锂电池组的有效能量，影响电动汽车的性能。因此研究可靠、高效的锂电池组均衡管理系统，降低电池组中单体电池的差异性，保障动力锂电池管理系统的可靠性和安全性，延长动力锂电池组的使用寿命，对电动汽车有重大的意义。锂电池组均衡管理系统是电池管理系统的重要组成部分，其目的是保证电池组中单体电池的荷电状态相同，防止使用过程中由于过充、过放对单体电池造成的损害，降低锂电池组的性能。
目前，常用的锂电池均衡方式分为两种，一种是有损均衡，又称为被动均衡，通常采用与单体电池并联电阻的方法，旁路掉多余的电能。有损均衡方式同时也具有能耗大、效率低、均衡速度慢、散热困难等缺点。另一种是无损均衡，又称为主动均衡，通常采用开关电感、电容法，用电感和电容作为储能元件，开关电路作为电池组各单体电池的选择控制，但该方法均衡速度慢、效率低，且控制开关结构设计复杂，系统可靠性不高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，设计成本低、能够快速、高效地实现电池组的无损均衡管理。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，所述电池组具有依次串联连接的n个单体电池，其特征在于：其包括
均衡充放电模块，与电池组连接，以对电池组中需要均衡的单体电池进行充电或放电；
电池参数采集模块，采集电池组中每个单体电池的电池信息；
微处理器，用于电池组进入充电、放电或静置状态时，接收所述电池参数采集模块的电池信息，根据采集到的电池信息对各单体电池的荷电状态进行判断，如果超出预设阀值，则根据采集到的电池信息来确定需均衡的单体电池以及需均衡的时间，并以此来控制均衡充放电模块对需要均衡的单体电池进行充电或放电。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述均衡充放电模块包括依次电连接、且整体与所述电池组形成主回路的开关阵列、双向DC-DC转换器和超级电容器C，
开关阵列，受控于所述微处理器，用于对电池组中各单体电池进行选择；
超级电容器：用于对被选中的单体电池进行充电或放电；
双向DC-DC转换器，受控于所述微处理器，用于匹配超级电容器与需要均衡的单体电池间的电压。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述电池信息至少包括所有单体电池荷电状态、所有单体电池电压、所有单体电池电流，以及所有单体电池温度。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述微处理器包括存储单元，用于存储所有单体电池的荷电状态-需均衡时间的列表。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括微处理器判断单体电池的荷电状态超出预设阀值时，对应荷电状态从所述存储单元中读取对应的需要均衡的时间。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括根据电池特性多次试验，得到单体电池在相应电流、相应温度条件下达到具体荷电状态需要的时间，以此来获得所述单体电池的荷电状态-需均衡时间的列表
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括其还包括热处理模块，受控于微处理器，用于当单体电池的温度超过预设值时对单体电池进行降温处理。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括荷电状态的充电预设阀值为电池组单体电池满电态的80～95％，放电预设阀值为电池组单体电池满电态的10～30％。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述开关阵列具有单刀双掷开关、和分别与n个单体电池连接的n个单刀开关，所述单刀双掷开关的两个转换端头分别与n个单体电池的所有单号单体电池、所有双号单体电池连接。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述均衡充放电模块还包括连接在主回路上的两个二极管，分别为第一二极管Q1和第二二极管Q2，第一二极管Q1的正极连接双向DC-DC转换器，其负极连接超级电容器C的正极，第二二极管Q2的正极连接超级电容器C的负极，其负极连接双向DC-DC转换器。
本发明的有益效果是:本发明的一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，通过集中式管理的方式实现能量在单体电池之间的流动，完成均衡管理的功能，通过均衡充放电模块对单体电池的充电、放电或静置实施动态在线无损均衡，同时实时必要的控制，完成电池组的无损均衡管理，提高模块化大功率电池组的使用可靠性和安全性，同时具有结构设计简单、制造成本低的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明优选实施例的均衡管理系统的原理框图；
图2时本发明优选实施例的均衡充放电模块的电路图。
其中：10-电池组，11-单体电池，20-开关阵列，30-双向DC-DC转换器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本实施例中公开了一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，所述电池组具有依次串联连接的n个单体电池，是本发明的均衡管理对象，其与充放电机器连接，对其进行正常的充电、放电，充、放电过程中启动无损均衡管理系统，对充、放电过程中的电池组进行管理维护，防止充、放电过程中由于过充、过放对电池组造成伤害。
无损均衡管理系统包括，
均衡充放电模块，与电池组10连接，以对电池组10中需要均衡的单体电池11进行充电或放电；
电池参数采集模块，采集电池组中每个单体电池11的电池信息，其中电池信息至少包括所有单体电池荷电状态、所有单体电池电压、所有单体电池电流，以及所有单体电池温度；
微处理器，用于电池组进入充电、放电或静置状态时，接收所述电池参数采集模块的电池信息，根据采集到的电池信息对各单体电池的荷电状态进行判断，如果超出预设阀值，则根据采集到的电池信息来确定需均衡的单体电池以及需均衡的时间，并以此来控制均衡充放电模块对需要均衡的单体电池进行充电或放电；
热处理模块，受控于微处理器，用于当单体电池的温度超过预设值时对单体电池进行降温处理；
通过数字信号处理器与均衡充放电模块、电池参数采集模块、热处理模块进行数据交换，数字信号处理器通过CAN总线与微处理完成数据传输。
基于管理系统的上述组成结构，其完成电池组无损均衡管理的过程如下：电池参数采集模块实时的采集所有单体电池在充电、放电、静置状态时的电池信息，其中数字信号处理器将模拟化的电池信息进行数字化转换后通过CAN总线传输至微处理器，微处理器根据采集到的电池信息对各单体电池的荷电状态进行判断，如果超出预设阀值，根据采集到的电池信息来确定需均衡的单体电池以及需均衡的时间，并以此来控制均衡充放电模块对需要均衡的单体电池进行充电或放电，其中优选设置的预设阀值为：荷电状态的充电预设阀值为电池组单体电池满电态的80～95％，放电预设阀值为电池组单体电池满电态的10～30％，为了缩短匹配时间，微处理器内设有存储单元，存储单元里存储有所有单体电池的荷电状态-需均衡时间的列表，当检测到的荷电状态超出预设阀值时，对应采集到的实时荷电状态从存储单元中读取对应的需要均衡的时间，微处理器以需要均衡的单体电池编号和对应的需要均衡的时间为控制依据对均衡充放电模块进行管理控制，以达到预期的无损均衡管理。
本发明根据电池特性多次试验，得到单体电池在相应电流、相应温度条件下达到具体荷电状态需要的时间，以此来获得所述单体电池的荷电状态-需均衡时间的列表。
如图2所示，本发明的均衡充放电模块包括依次电连接、且整体与所述电池组形成主回路的开关阵列、双向DC-DC转换器和超级电容器C，
开关阵列20，受控于所述微处理器，用于对电池组中各单体电池进行选择；
超级电容器：用于对被选中的单体电池进行充电或放电；
双向DC-DC转换器30，受控于所述微处理器，用于匹配超级电容器与需要均衡的单体电池间的电压。
其中，所述开关阵列20具有单刀双掷开关、和分别与n个单体电池连接的n个单刀开关，所述单刀双掷开关的两个转换端头分别与n个单体电池的所有单号单体电池、所有双号单体电池连接。
基于均衡充放电模块的上述结构，利用双向DC-DC转换器30，借助超级电容器C作为能量中转单元，实现能量在单体电池11之间流动，完成电池组的无损均衡管理。
本发明的双向DC-DC转换器30采用集成有升压斩波电路(Boost电路)和降压斩波电路(Buck电路)的电路模块，可以通过市面上采购获得，当双向DC-DC转换器30工作在Boost状态时，由电池组10给超级电容器C充电；当双向DC-DC转换器30工作在Buck状态时，由超级电容器C给电池组10放电，开关阵列20根据微处理器的控制信号来选择与超级电容器C完成充放电的单体电池11，其中通过单刀开关H1、H2、····Hn-1、Hn来选择单个的单体电池11，通过单刀双掷开关Ka、Kb来同时选择所有的单号单体电池11、或者所有的双号单体电池11，(请说明一下设置双重选择的优点)。
本发明借助超级电容器C作为能量中转单元，实现能量在单体电池11之间流动，完成电池组10的无损均衡管理，本发明优选采用超级电容器C作为能量的作为能量过渡中转原件，其具有不消耗能量，均衡速度快的优点，克服了电阻均衡能量损耗高的缺点，同时可以克服现有无损均衡的均衡速度慢、效率低，且控制开关结构设计复杂，系统可靠性不高的缺点。同时借助双向DC-DC转换器，使得超级电容器C与待均衡单体电池之间的能量流动速度能够通过外接的控制电路控制可调。
为了进一步提高本发明电池组10和超级电容器C之间能量转换的控制性，其还包括连接在主回路上的两个二极管，分别为第一二极管Q1和第二二极管Q2，第一二极管Q1的正极连接双向DC-DC转换器30，其负极连接超级电容器C的正极，第二二极管Q2的正极连接超级电容器C的负极，其负极连接双向DC-DC转换器30。第一二极管Q1导通时，双向DC-DC转换器30进入Boost状态，电池组10给超级电容器C充电，第二二极管Q2导通时，双向DC-DC转换器30进入Buck状态，超级电容器C给电池组10放电。
为了实现本发明开关阵列20的远程控制、高精度控制，所述单刀开关、和单刀双掷开关分别为单刀继电器、单刀双掷继电器，同时具有切换速度快的特点。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，所述电池组具有依次串联连接的n个单体电池，其特征在于：其包括均衡充放电模块，与电池组连接，以对电池组中需要均衡的单体电池进行充电或放电；
电池参数采集模块，采集电池组中每个单体电池的电池信息；
微处理器，用于电池组进入充电、放电或静置状态时，接收所述电池参数采集模块的电池信息，根据采集到的电池信息对各单体电池的荷电状态进行判断，如果超出预设阀值，则根据采集到的电池信息来确定需均衡的单体电池以及需均衡的时间，并以此来控制均衡充放电模块对需要均衡的单体电池进行充电或放电。
2.根据权利要求1所述的一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，其特征在于：所述均衡充放电模块包括依次电连接、且整体与所述电池组形成主回路的开关阵列、双向DC-DC转换器和超级电容器(C)，
开关阵列，受控于所述微处理器，用于对电池组中各单体电池进行选择；
超级电容器：用于对被选中的单体电池进行充电或放电；
双向DC-DC转换器，受控于所述微处理器，用于匹配超级电容器与需要均衡的单体电池间的电压。
3.根据权利要求1所述的一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，其特征在于：所述电池信息至少包括所有单体电池荷电状态、所有单体电池电压、所有单体电池电流，以及所有单体电池温度。
4.根据权利要求2所述的一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，其特征在于：所述微处理器包括存储单元，用于存储所有单体电池的荷电状态-需均衡时间的列表。
5.根据权利要求4所述的一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，其特征在于：微处理器判断单体电池的荷电状态超出预设阀值时，对应荷电状态从所述存储单元中读取对应的需要均衡的时间。
6.根据权利要求4所述的一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，其特征在于：根据电池特性多次试验，得到单体电池在相应电流、相应温度条件下达到具体荷电状态需要的时间，以此来获得所述单体电池的荷电状态-需均衡时间的列表。
7.根据权利要求2所述的一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，其特征在于：其还包括热处理模块，受控于微处理器，用于当单体电池的温度超过预设值时对单体电池进行降温处理。
8.根据权利要求1所述的一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，其特征在于：荷电状态的充电预设阀值为电池组单体电池满电态的80～95％，放电预设阀值为电池组单体电池满电态的10～30％。
9.根据权利要求2所述的一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，其特征在于：所述开关阵列具有单刀双掷开关、和分别与n个单体电池连接的n个单刀开关，所述单刀双掷开关的两个转换端头分别与n个单体电池的所有单号单体电池、所有双号单体电池连接。
10.根据权利要求2所述的一种模块化大功率电池组的无损均衡管理系统，其特征在于：所述均衡充放电模块还包括连接在主回路上的两个二极管，分别为第一二极管(Q1)和第二二极管(Q2)，第一二极管(Q1)的正极连接双向DC-DC转换器，其负极连接超级电容器(C)的正极，第二二极管(Q2)的正极连接超级电容器(C)的负极，其负极连接双向DC-DC转换器。
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