CN106067570A - 一种双模全功能电池管理系统及其充放电方法 - Google Patents

一种双模全功能电池管理系统及其充放电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双模全功能电池管理系统及其充放电方法，在电池组充电过程中，电池模组系统采用统一模式进行充电，对整组电池组充电，当电池组中有一个单体电池达到设定充电阈值时，双模系统立即停止整组电池充电模式，然后切换电池单元的充电模式，对各电池组中的每一个单体电池独立充电，保证所有单体电池独立控制充电，互不干涉影响，避免电池过充，确保电池充电安全、充电效率和电池使用效率；在放电过程中，当电池模组中任一单体电池放电低于设定阈值时，整组电池模组停止放电状态，避免电池模组中的单体电池过放，造成电池组一致性差，提高电池安全和使用效率。

Description

一种双模全功能电池管理系统及其充放电方法
技术领域
本发明属于电池管理系统（BMS，Battery Management System）的技术领域，具体涉及一种双模全功能电池管理系统及其充放电方法。
背景技术
新能源汽车产业以零排放和节能环保优点在全球得到越来越多的重视和应用。根据我国十三五和《节能与新能源汽车产业规划（2012-2020年）》规划，2020年，新能源汽车累计产销量达到500万辆，中/重度混合动力乘用车占车年产销量的50%以上。
新能源汽车动力和储能系统目前以采用锂离子二次电池为主。锂离子电池安全性对锂电池动力电池和储能电池系统应用普及具有首要作用。由于锂电池在充电过程中，因为电池管理系统和电池一致性问题，易导致电池过充和过放，导致电池起火燃烧爆炸安全事故。
从国内外最近几年新能源锂离子电动汽车安全事故统计，锂电池过充造成电池短路起火燃烧和爆炸安全事故是电动汽车安全事故主要原因。
目前在电池管理系统中，充电系统全部采用系统对整组电池充电模式。当整组电池中全部单体电池都达到满电状态时，电池管理系统充电模块才停止对电池组充电。在此条件下，当在整组电池充电过程中，一个单体电池达到充满电状态（100%SOC，State ofCharge），其余电池还未达到满电状态时，电池管理系统仍会继续对整组电池充电。在电池一致性差异较大情况下，造成电池健康状况（SOH，State of Health）较好电池在满电状态下，电池组其他电池还未充满电时，仍然继续充电状况，易造成电池过充，电池起火燃烧和爆炸安全事故。
同时，在电池组放电过程中，现有电池管理系统采用整组电池监测模式，当整组电池输出达到设定阈值时，系统才停止电池组放电模式。但是，当电池组中单体电池达到单体电池放电阈值时，电池组仍会处在放电状态，在此条件下，造成单体电池过放、电池组一致性差异增大和电池使用效率和安全降低问题。
发明内容
针对现有技术中电池管理系统缺陷，本发明提供一种双模全功能电池管理系统及其充放电方法，有效避免单体电池过充和过放的发生，防止电池使用过程中产生一致性不良的情形。
本发明采用如下技术方案：
一种双模全功能电池管理系统，包括，
双模系统，包括电池模组和电池单元；
电池模组，用于对电池组进行整体充电；电池单元，用于对电池组的单体电池分别进行独立充电，所述电池单元由电池模组控制；
放电侦测模块，用于对电池模组和电池单元放电检测；以及，
总输入电源管理模块，为电池模组和电池单元提供输入电源。
优选的，所述电池模组包括电池模组充电管理模块、电池单元充电管理模块、电池模组输入电源模块、电池模组输出电源模块、电池模组CAN通讯模块、电池单元CAN通讯模块、电池模组充电信息模块和电池单元充电信息模块，所述电池模组充电管理模块通过电池模组充电信息模块和电池单元充电信息模块分别获取电池组和单体电池的电池信息，所述电池模组充电管理模块通过电池单元充电管理模块连接电池单元，所述电池模组输入电源模块和总输入电源管理模块连接，所述电池模组输出电源模块输出对电池模组整体充电，所述电池模组充电管理模块通过电池模组CAN通讯模块和电池单元CAN通讯模块发送电池模组和电池单元的通讯数据。
优选的，所述电池信息包括充电电压、电流、容量、电池充电状态、电池健康状态、温度和异常信息。
优选的，所述电池单元包括电池单元输入电源模块和电池单元输出电源模块，所述电池单元输入电源模块和电池单元输出电源模块受控于所述电池单元充电管理模块，所述电池单元充电管理模块通过电池单元输出电源模块对单体电池进行充电。
优选的，所述放电侦测模块包括电池模组放电信息模块、电池单元放电信息模块、放电预警模块和电池组温度控制模块，所述电池模组放电信息模块和电池单元放电信息模块用于获取包括单体电池放电电压、电流、容量、温度和异常信息。
优选的，所述电池模组、电池单元与放电侦测模块共用电池信息采集点。
优选的，所述电池模组充电管理模块和电池单元充电管理模块分别包括电压充电模块和电流充电模块，所述电池模组输出电源模块和电池单元输出电源模块分别包括电压输出模块和电流输出模块。
优选的，所述电池单元输出电源模块包括串联脉冲充电模式、串联恒流充电模式和并联单点恒压独立充电模式。
优选的，所述总输入电源管理模块提供电源方式包括直流电源和交流电源，所述总输入电源管理模块包括欠压、高压和短路保护模块。
另外，一种基于双模全功能电池管理系统的充放电方法，包括，
充电时，首先电池模组对电池组采用统一模式充电；
当电池组任一单体电池达到设定充电阈值时，停止电池模组整组电池统一充电模式，切换至电池单元充电模式，电池单元分别对各电池组内的单体电池独立充电；
当单体电池达到设定充电阈值时，电池单元停止对单体电池充电，当所有单体电池充满电时，电池单元停止充电模式；
放电时，放电侦测模块监测电池模组和电池单元放电状态信息，当单体电池达到设定放电阈值时，放电侦测模块停止电池组放电。
本发明的有益效果是：在电池组充电过程中，电池模组采用统一模式进行充电，对整组电池组充电，双模系统监测电池模组和每个电池单元充放电状态信息参数；当电池模组中有一个单体电池达到设定充电阈值时，立即停止电池模组整组电池充电模式，确保单体电池在电池模组充电过程中不会造成单体电池过充；然后切换至电池单元控制，对各电池组中的每一个单体电池独立充电。
当电池组中的单体电池达到满电状态时，停止对满电单体电池充电，继续对其它未满电状态的单体电池充电，直到全部电池单元满电为止，这样确保所有电池单元独立充电控制，互不干涉影响，避免单体电池过充。
在放电时，放电侦测模块监测电池模组和单电池单元放电信息，当电池模组中任一单体电池放电低于设定阈值时，整组电池模组停止放电状态，避免电池模组中的单体电池过放，造成电池组一致性差，提高电池安全和使用效率。
附图说明
图1是本发明中双模全功能电池管理系统的原理框图；；
图2是本发明中电池模组的原理框图；
图3是本发明中电池单元的原理框图；
图4是本发明中实施例一的原理框图；
图5是本发明中实施例二的原理框图；
图6是本发明中放电侦测模组与电池模组和电池单元共用电池信息采集点的结构示意图；
图7是本发明中单个电池模组的立体结构示意图；
图8是本发明中电池模组和电池单元运行的逻辑示意图。
其中，电池单元1，电池模组2，放电侦测模块3，信息采集点4。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。
参见图1，一种双模全功能电池管理系统，该电池管理系统（BMS，BatteryManagement System）包括双模系统、放电侦测模块和总输入电源管理模块，其中，双模系统包括电池模组2（BGn，Battery Group）和电池单元1（BUn-m，Battery Unit）；电池模组2（BGn）用于对电池组进行整体充电；电池单元1（BUn-m）用于对电池组的单体电池分别进行独立充电，所述电池单元1（BUn-m）由电池模组2（BGn）控制管理；放电侦测模块用于对电池模组2（BGn）和电池单元1（BUn-m）放电侦测；总输入电源管理模块为电池模组2（BGn）和电池单元1（BUn-m）提供输入电源，其中，n和m为≥1的整数。总输入电源为市电交流电AC100~240V，通过电源管理模块转换成多组隔离输出的直流电DC60V/8.6A。
参见图2，电池模组2包括电池模组充电管理模块、电池单元充电管理模块、电池模组输入电源模块、电池模组输出电源模块、电池模组CAN通讯模块、电池单元CAN通讯模块、电池模组充电信息模块和电池单元充电信息模块，所述电池模组充电管理模块通过电池模组充电信息模块和电池单元充电信息模块分别获取电池组和单体电池的电池信息，所述电池模组充电管理模块通过电池单元充电管理模块连接电池单元1，所述电池模组输入电源模块和总输入电源管理模块连接，所述电池模组输出电源模块输出对电池模组整体充电，所述电池模组充电管理模块通过电池模组CAN通讯模块和电池单元CAN通讯模块发送电池模组和电池单元的通讯数据。其中，电池信息包括充电电压、电流、容量、电池充电状态、电池健康状态、温度和异常信息。对电池组整体充电时，由电池模组充电管理模块控制电池模组输入电源模块和电池模组输出电源模块，通过电池模组输出电源模块对电池模组进行整体充电。
参见图3，电池单元1包括电池单元输入电源模块和电池单元输出电源模块，电池单元充电管理模块分别连接电池单元输入电源模块、电池单元输出电源模块和电池单元CAN通讯模块。对电池组的单体电池进行独立充电时，电池单元充电管理模块通过电池单元输入电源模块连接总输入电源管理模块获取电源，通过电池单元输出电源模块对各单体电池进行独立充电。
其中，电池模组充电管理模块和电池单元充电管理模块分别包括电压充电模块和电流充电模块，同时电池模组输出电源模块和电池单元输出电源模块分别包括电压输出模块和电流输出模块，采用电压充电时，通过电压输出模块输出电压方式进行充电，采用电流充电时，通过电流输出模块输出电流方式进行充电，即电池模组充电管理模块和电池单元充电管理模块分别具有电压充电和电流充电两种模式。进一步的，电池单元输出电源模块包括串联脉冲充电模式、串联恒流充电模式和并联单点恒压独立充电模式。
实施例一，参见图4所示，该双模全功能电池管理系统具有一个电池模组2（BG），该电池模组2连接控制n个电池单元（BUn），电池模组2由总输入电源管理模块提供电源输入，充电时，电池模组2采用统一模式对电池组充电，当电池组中任一单体电池达到设定充电阈值时，电池模组2停止整组电池统一充电模式，切换至电池单元1充电模式，电池单元1对电池组内各单体电池独立充电，直至所有单体电池充满电。
实施例二，参见图5所示，双模全功能电池管理系统具有n个电池模组2（BGn），各个电池模组2分别连接控制m个电池单元（BUn-m）。
参见图8，在充电过程中，电池模组2（BGn）采用统一模式对电池组充电，双模系统监测电池模组2和每个单体电池的充电状态SOC、SOH、电压、电流、容量和温度参数；当电池组任一单体电池达到设定充电阈值时，停止整组电池统一充电模式，切换至电池单元1充电模式，电池单元1分别对各电池组内单体电池独立充电；当单体电池达到设定充电阈值时，电池单元1停止对单体电池充电，当所有单体电池充满电时，电池单元1停止充电模式，确保所有单体电池独立充电，互不干涉影响，避免电池过充。电池单元1对每一单体电池独立充电，可以采取小电流充电，提高单体电池充电、使用和安全效率。
实施例二中，具体的示例为：电动汽车电池组总压为330V，电池模组2（BGn）输出7组DC60V/8.6A的电源应用在电池单元1（BUn-13），每个电池单元1（BUn-13）包含13串单体电池，单体电池为三元镍钴锰酸锂电池，单体电芯容量为10Ah。其中，n=1，2，……，13，n为整数。上述的电池SOC计算方法包括安时积分法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法和开路电压法。本实施例中采用安时积分法。
在接通外部电源时，电池模组2（BGn）12V或24V辅助电源先给双模全功能电池管理系统供电，然后电池模组2（BGn）的CAN网络将各组电池信息传递给用电系统网络，该传输过程基于电池模组CAN通讯模块和电池单元CAN通讯模块实现。其中，电池信息包括充电电压、电流、容量、电池充电状态、电池健康状态、温度和异常信息等。CAN线路采用双绞屏蔽线，保证信号传输稳定和可靠性。
电池单元1（BUn-13）输入端连接电池模组2（BGn）的输出电源60V，将电池模组2（BGn）静止一段时间，检测每串电池的总电压；每串电池的总电压为开路电压。
当电池组中的单体电池的电压≤3V时，通过CAN网络进行广播报警，同时以充5S停1S的脉冲形式进行串充；
当单体电池的电压值为3V<电压≤4.15V时，取消报警，电池单元1（BUn-13）继续以串联恒流充电模式充电；
当其中任意一单体电池的电压≥4.15V时，电池单元1（BUn-13）切断串充模式，启动并联单点恒压独立充电模式充电；
当单体电池的电压≥4.18V时，停止充电；
上述过程中以500ms（或按车厂要求）的间隔将数据进行CAN网络广播，充电通讯协议符合国标。
参见图6和7，放电侦测模块3采用CAN2.0协议进行模组与模组通讯、模组与用电系统网络通讯、模组与电池单元1（BUn-13）通讯。放电侦测模块3与电池模组2和电池单元1共用电池信息采集点4，但通讯网络采用物理层隔离，参见图6。
在放电时，放电侦测模块监测电池模组和单电池单元放电信息，当电池模组中任一单体电池放电低于设定阈值时，整组电池模组停止放电状态。电池模组2内每串单体电池的信息采集和计算，并通过CAN网络进行广播。放电的电压与电流保护采用三个等级，一级预警、二级报警、三级强制切断。还有，可外接显示器进行实时监控每串电池电压、温度、电流、SOC、绝缘性能等。
本发明的双模全功能电池管理系统采用独立硬件模块，便于动力电源系统和储能电源系统安装使用，提高产品安全、适应和可维护性，具有很高应用价值。
以上所述，只是本发明比较典型的实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的技术手段达到本发明的实用效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双模全功能电池管理系统，其特征在于：包括，
双模系统，包括电池模组和电池单元；
电池模组，用于对电池组进行整体充电；电池单元，用于对电池组的单体电池分别进行独立充电，所述电池单元由电池模组控制；
放电侦测模块，用于对电池模组和电池单元放电检测；以及，
总输入电源管理模块，为电池模组和电池单元提供输入电源。
2.根据权利要求1所述的双模全功能电池管理系统，其特征在于：所述电池模组包括电池模组充电管理模块、电池单元充电管理模块、电池模组输入电源模块、电池模组输出电源模块、电池模组CAN通讯模块、电池单元CAN通讯模块、电池模组充电信息模块和电池单元充电信息模块，所述电池模组充电管理模块通过电池模组充电信息模块和电池单元充电信息模块分别获取电池组和单体电池的电池信息，所述电池模组充电管理模块通过电池单元充电管理模块连接电池单元，所述电池模组输入电源模块和总输入电源管理模块连接，所述电池模组输出电源模块输出对电池模组整体充电，所述电池模组充电管理模块通过电池模组CAN通讯模块和电池单元CAN通讯模块发送电池模组和电池单元的通讯数据。
3.根据权利要求2所述的双模全功能电池管理系统，其特征在于：所述电池信息包括充电电压、电流、容量、电池充电状态、电池健康状态、温度和异常信息。
4.根据权利要求2所述的双模全功能电池管理系统，其特征在于：所述电池单元包括电池单元输入电源模块和电池单元输出电源模块，所述电池单元输入电源模块和电池单元输出电源模块受控于所述电池单元充电管理模块，所述电池单元充电管理模块通过电池单元输出电源模块对单体电池进行充电。
5.根据权利要求1-4任一所述的双模全功能电池管理系统，其特征在于：所述放电侦测模块包括电池模组放电信息模块、电池单元放电信息模块、放电预警模块和电池组温度控制模块，所述电池模组放电信息模块和电池单元放电信息模块用于获取包括单体电池放电电压、电流、容量、温度和异常信息。
6.根据权利要求5所述的双模全功能电池管理系统，其特征在于：所述电池模组、电池单元与放电侦测模块共用电池信息采集点。
7.根据权利要求4所述的双模全功能电池管理系统，其特征在于：所述电池模组充电管理模块和电池单元充电管理模块分别包括电压充电模块和电流充电模块，所述电池模组输出电源模块和电池单元输出电源模块分别包括电压输出模块和电流输出模块。
8.根据权利要求7所述的双模全功能电池管理系统，其特征在于：所述电池单元输出电源模块包括串联脉冲充电模式、串联恒流充电模式和并联单点恒压独立充电模式。
9.根据权利要求7所述的双模全功能电池管理系统，其特征在于：所述总输入电源管理模块提供电源方式包括直流电源和交流电源，所述总输入电源管理模块包括欠压、高压和短路保护模块。
10.一种基于双模全功能电池管理系统的充放电方法，其特征在于：包括，
充电时，首先电池模组对电池组采用统一模式充电；
当电池组任一单体电池达到设定充电阈值时，停止电池模组整组电池统一充电模式，切换至电池单元充电模式，电池单元分别对各电池组内的单体电池独立充电；
当单体电池达到设定充电阈值时，电池单元停止对单体电池充电，当所有单体电池充满电时，电池单元停止充电模式；
放电时，放电侦测模块监测电池模组和电池单元放电状态信息，当单体电池达到设定放电阈值时，放电侦测模块停止电池组放电。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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