CN108128186A - 一种铅酸动力电池管理系统及其控制方法 - Google Patents

一种铅酸动力电池管理系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铅酸动力电池管理系统，包括电源模块、控制中心、充电器和负载，控制中心包括：主控模块，分别与显示终端、电流采集模块、电压采集模块、温度监测模块、充电器和负载连接，主控模块与负载的电机、充电器的主板连接；温度监测模块，连接在电源模块的单只电池表面；电压采集模块，连接在每只单只电池的正负极；电流采集模块，连接在电源模块正极主线路中；显示终端，根据主控模块的数据显示有关电源模块或单只电池状态信息。该系统对电池的实时状态进行监控，实现对负载电机和充电器工作模式的控制，防止电池过充电、过放电同时及早发现故障电池，大幅度降低电池出现硫酸盐化、正板栅严重腐蚀、鼓胀等故障问题的概率。

Description

一种铅酸动力电池管理系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电池管理系统技术领域，具体是一种铅酸动力电池管理系统及其控制方法。
背景技术
近几年来以铅酸动力电池为动力源的低速电动汽车市场份额增长较快，2013—2016年低速电动汽车的市场保有量每年的增长量都在50%以上。但随着市场保有量的不断增加，电池故障率高的问题逐渐显现出来，给用户和电池生产厂家均造成较大的损失。通过对出现问题的电池进行分析，主要故障问题为电池负极板硫酸盐化、正板栅腐蚀、电池热失控变形；有的因为一只电池有问题因没有及时发现最终导致整组电池出现故障。出现以上问题主要为电池过充电、欠充电、电池热管理控制不到位导致的，缺乏对电池充放电过程中的状态监控。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种铅酸动力电池管理系统及其控制方法，系统制造成本低，防止电池过充电、过放电同时及早发现故障电池，大幅度降低电池出现硫酸盐化、正板栅严重腐蚀、鼓胀问题的概率。
本发明采用的技术方案是：一种铅酸动力电池管理系统，包括电源模块、控制中心、充电器和负载，所述控制中心由主控模块、显示终端、电流采集模块、电压采集模块和温度监测模块组成；
所述主控模块分别与显示终端、电流采集模块、电压采集模块、温度监测模块、充电器和负载连接，主控模块与负载的电机连接，直接控制电机是否运行；主控模块与充电器的主板连接，控制充电器的开关及充电模式；
所述温度监测模块连接在电源模块的单只电池表面，对每个单只电池的表面温度进行监测；
所述电压采集模块连接在每个单只电池的正负极，对每个单只电池的电压进行巡检；
所述电流采集模块连接在电源模块正极主线路中，对主线路中的电流进行监测；
所述显示终端根据主控模块的数据显示有关电源模块或单只电池状态信息包括电流、电压、温度等内容。
一种铅酸动力电池管理系统的控制方法，操作步骤如下：
（1）充电模式：
当接通充电器后，温度监测模块对每个单只电池的表面温度进行监测，当单只电池温度差≥8℃时，则充电器不工作，待温差降到8℃以下，通过电压采集模块对单只电池开路电压进行巡检，若单只电池开路电压差≥33.3*N mV，充电器不工作，并报警，在显示终端上显示对应故障单只电池编号及故障原因，其中N表示单只电池包含的电池单体数，下同；若单只电池开路电压差＜33.3*N mV，则充电器按照如下模式进行充电，：
a、当总开路电压＞2.2*nV，证明电池为满电状态，充电器不对电池进行充电，显示终端上显示“充电完成”；
b、当2.13*nV＜总开路电压≤2.2*nV，证明电池有80%以上的电，充电器先以0.1C进行充电，限压2.47*nV（25℃）（根据温度监测模块监测的电池表面平均温度，按照-0.02mV/（℃•单体）的温度系数对电压进行补偿，即每电池单体的充电电压随着温度上升1℃，充电电压下调0.02mV），待电流降至0.02C或充电已达4h时转浮充充电，浮充电压为2.3*nV（25℃）（根据温度监测模块监测的电池表面平均温度，按照-0.02mV/（℃•单体）的温度系数对电压进行补偿），若电池平均温度＜15℃，浮充时间4h，若电池温度≥15℃，浮充2h后停止充电，显示终端上显示“充电完成”，其中C指电池的额定容量，n为电池单体数量，下同；
c、当1.93*nV＜总开路电压≤2.13*nV，证明电池电量在0—80%之间，充电器先以0.15C充电到总电压2.4*nV，再以0.1C进行充电，限压2.47*nV（25℃）（根据温度监测模块监测的电池表面平均温度，按照-0.02mV/（℃•单体）的温度系数对电压进行补偿），待电流降至0.02C或充电已达4h时转浮充充电，浮充电压为2.3*nV（25℃）（根据温度监测模块监测的电池表面平均温度，按照-0.02mV/（℃•单体）的温度系数对电压进行补偿），若电池平均温度＜15℃，浮充时间4h，若电池温度≥15℃，浮充2h后停止充电，显示终端上显示“充电完成”；
d、当总开路电压≤1.93*nV，证明电池存放时间过长已经过放电，充电器先以0.02C的小电流对电池进行修复充电到电压2*nV，再以0.15C充电到总电压2.4*nV，再以0.1C进行充电，限压2.47*nV（25℃）（根据温度监测模块监测的电池表面平均温度，按照-0.02mV/（℃•单体）的温度系数对电压进行补偿），待电流降至0.02C或充电已达4h时转浮充充电，浮充电压为2.3*nV（25℃）（根据温度监测模块监测的电池表面平均温度，按照-0.02mV/（℃•单体）的温度系数对电压进行补偿），若电池平均温度＜15℃，浮充时间4h，若电池温度≥15℃，浮充2h后停止充电，显示终端上显示“充电完成”；
（2）放电模式：
a、运行前的检测控制：当检测到电池开路总电压≥2.08*nV时，主控模块控制放电回路总电流≤0.5CA；当检测1.95*nV≤开路总电压＜2.08*nV时，主控模块控制放电回路总电流≤0.35CA（当回路总电流已经被控制≤0.35CA，且未检测到充电电流，均会控制放电回路总电流≤0.35CA）；当检测开路总电压＜1.95*nV或单块电池电压低于1.9*NV时，则说明电池电量低于总电量的10%或单只电池故障，显示终端上会提示电量低或单只电池故障，并且负载电机不会启动工作；
b、运行过程中的检测控制：当检测到工作总电压＞1.92*nV时，主控模块控制放电回路总电流≤0.5CA；当检测工作总电压≤1.92*nV时，主控模块控制放电回路总电流≤0.35CA；当检测到总电压低于1.86*nV或者单只电池容量低于1.8*NV时，显示终端上会提示电量低，请及时充电；当检测到总电压低于1.75*nV或者单只电池容量低于1.65*NV时，显示终端上会提示电量低，请及时充电，并停止电机的工作，并且未检测到充电电流的情况下，负载电机将不会再次工作；
c、电机停止工作后，当总电压＜2.08*nV时，以黄色字体在显示终端上显示电量低于50%，请及时充电；当总电压＜2.0*nV时，以红色字体在显示终端上显示电量低于10%，请及时充电。
充电过程中，当出现单只电池之间的温度差≥10℃或者单只电池温度超过45℃时，主控模块控制充电器停止充电，并在显示终端上显示故障原因及故障电池，同时主控模块会对充电的总电量进行监控，当实际充入电量大于理论需要电量10%时，主控模块控制充电器停止充电，并在显示终端上显示故障原因及故障电池。
主控模块对每次充放电过程中的充入电量及放出电量进行统计，当连续3次充入电量大于放出电量的110%时，显示终端上会提示用户对电池状态进行检查；电池在充电或者放电过程中单只电池温升超过10℃，显示终端上会提示用户对电池状态进行检查。
本发明的有益效果是：通过对电池充放电过程中电流、电压以及电池温度基础数据的采集，再经过主控模块对数据的分析，达到对电池的实时状态进行监控，实现对负载电机和充电器工作模式的控制，达到对整个控制电路的管理，防止电池过充电、过放电同时及早发现故障电池，大幅度降低电池出现硫酸盐化、正板栅严重腐蚀、鼓胀等故障问题的概率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
1、主控模块，2、显示终端，3、电流采集模块，4、电压采集模块，5、温度监测模块，6、充电器，7、负载，8、电源模块。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1所示，一种铅酸动力电池管理系统，包括电源模块8、控制中心、充电器6和负载7，控制中心包括：
主控模块1，分别与显示终端2、电流采集模块3、电压采集模块4、温度监测模块5、充电器6和负载7连接，主控模块1与负载的电机连接，直接控制电机是否运行；主控模块1与充电器的主板连接，控制充电器的开关及充电模式；
温度监测模块5，连接在电源模块8的单只电池表面，对每只单只电池的表面温度进行监测；
电压采集模块4，连接在每只单只电池的正负极，对每只单只电池的电压进行巡检；
电流采集模块3，连接在电源模块正极主线路中，对主线路中的电流进行监测；
显示终端2，根据主控模块的数据显示有关电源模块或单只电池状态信息。
新管理系统在使用前须对单只电池的额定电压V及额定容量Ah（3hr）进行设置。
采用上述系统在充电模式下的电源管理，以48V100Ah电池组(包括4只12V100Ah的单只电池，单只电池中由6个电池单体组成)为例：
当接通充电器后，主控模块首先通过电池表面的温度监测模块对每只单只电池的温度数据进行采集，当单只电池温度差≥8℃时，则充电器不工作，待温差降到8℃以下，通过电压采集模块对单只电池开路电压进行巡检，若单只电池开路电压差≥200mV，充电器不工作，并报警，在显示终端上显示对应故障单只电池编号及故障原因。若单只电池开路电压差＜200mV，则充电器按照如下模式进行充电：
a、当总开路电压＞52.8V，证明电池为满电状态，充电器不对电池进行充电，显示终端上显示“充电完成”；
b、当51.12V＜总开路电压≤52.8V，证明电池有80%以上的电，充电器先以10A进行充电，限压59.28V（25℃）（根据温度监测模块监测的电池表面平均温度，按照-0.02mV/（℃•2V）的温度系数对电压进行补偿，即每电池单体的充电电压随着温度上升1℃，充电电压下调0.02mV，2V指的是电池单体的额定电压，也可以直接写成“单体”），待电流降至2A或充电已达4h时转浮充充电，浮充电压为55.2V（25℃）（根据温度监测模块监测的电池表面平均温度，按照-0.02mV/（℃•2V）的温度系数对电压进行补偿），当电池平均温度＜15℃，浮充时间为4h，当电池平均温度≥15℃则浮充2h后停止充电，显示终端上显示“充电完成”；
c、当46.32V＜总开路电压≤51.12V，证明电池电量在0—80%之间，充电器先以15A充电到总电压57.6V，再以10A进行充电，限压59.28V（25℃）（根据温度监测模块监测的电池表面平均温度，按照-0.02mV/（℃•2V）的温度系数对电压进行补偿），待电流降至2A或充电已达4h时转浮充充电，浮充电压为55.2V（25℃）（根据温度监测模块监测的电池表面平均温度，按照-0.02mV/（℃•2V）的温度系数对电压进行补偿），当电池平均温度＜15℃，浮充时间为4h，当电池平均温度≥15℃则浮充2h后停止充电，显示终端上显示“充电完成”；
d、当总开路电压≤46.32V，证明电池存放时间过长已经过放电，充电器先以2A的小电流对电池进行修复充电到电压48V，再以15A充电到总电压57.6V，再以10A进行充电，限压59.28V（25℃）（根据温度监测模块监测的电池表面平均温度，按照-0.02mV/（℃•2V）的温度系数对电压进行补偿），待电流降至2A或充电已达4h时转浮充充电，浮充电压为55.2V（25℃）（根据温度监测模块监测的电池表面平均温度，按照-0.02mV/（℃•2V）的温度系数对电压进行补偿），当电池平均温度＜15℃，浮充时间为4h，当电池平均温度≥15℃则浮充2h后停止充电，显示终端上显示“充电完成”。
需要注意的是，充电过程中当出现单只电池之间的温度差≥10℃或者单只电池温度超过45℃则主控模块控制充电器停止充电，并在显示终端上显示故障原因及故障电池。同时主控模块会对充电的总电量进行监控，当实际充入电量大于理论需要电量10%时，主控模块控制充电器停止充电，并在显示终端上显示故障原因及故障电池。
采用上述系统在放电模式下的电源管理，以48V100Ah电池组(包括4只12V100Ah的单只电池，单只电池中由6个电池单体组成)为例：
负载电机是低速电动汽车的主要耗电部件，主控模块通过对负载电机实际功率的控制来达到对整个系统总用电功率的控制，当启动电池管理系统时，主控模块首先对单体电池的电压及总电压进行检测，并按如下模式控制整个系统：
a、运行前的检测控制：当检测到电池开路总电压≥50V时，主控模块通过控制负载电机的功率，控制放电回路总电流≤50A；当检测46.8V≤开路总电压≤50V时，主控模块通过控制负载电机的功率，控制放电回路总电流≤35A；当检测开路总电压≤46.8V或单块电池电压低于11.4V时，则说明电池电量低于总电量的10%或单只电池故障，显示终端上会提示电量低或单只电池故障，并且负载电机不会启动工作；
b、运行过程中的检测控制：当检测到工作总电压＞46V时，主控模块通过控制负载电机的功率，控制放电回路总电流≤50A；当检测工作总电压≤46V时，主控模块通过控制负载电机的功率，控制放电回路总电流≤35A；当回路总电流已经被控制≤35A，且未检测到充电电流，均会控制放电回路总电流≤35A；当检测到总电压低于44.6V或者单只电池容量低于10.8V时，显示终端上会提示电量低，请及时充电；当检测到总电压低于42V或者单只电池容量低于9.9V时，显示终端上会提示电量低，请及时充电，并停止电机的工作，并且未检测到充电电流的情况下，负载电机将不会再次工作；
c、电机停止工作后，管理系统会根据电池电量情况，在显示终端上提示用户是否需要补充电，当总电压＜50V时，以黄色字体显示电量低于50%，请及时充电；当总电压＜48V时，以红色字体显示电量低于10%，请及时充电。
同时主控模块会对每次充放电过程中的充入电量及放出电量进行统计，当连续3次充入电量大于放出电量的110%时，显示终端上会提示用户对电池状态进行检查；电池在充电或者放电过程中单只电池温升超过10℃，系统会提示用户对电池状态进行检查。

Claims (6)

1.一种铅酸动力电池管理系统，其特征在于，包括电源模块、控制中心、充电器和负载，所述控制中心由主控模块、显示终端、电流采集模块、电压采集模块和温度监测模块组成；
所述主控模块分别与显示终端、电流采集模块、电压采集模块、温度监测模块、充电器和负载连接，主控模块与负载的电机连接，直接控制电机是否运行；主控模块与充电器的主板连接，控制充电器的开关及充电模式；
所述温度监测模块连接在电源模块的单只电池表面，对每个单只电池的表面温度进行监测；
所述电压采集模块连接在每个单只电池的正负极，对每个单只电池的电压进行巡检；
所述电流采集模块连接在电源模块正极主线路中，对主线路中的电流进行监测；
所述显示终端根据主控模块的数据显示有关电源模块或单只电池状态信息。
2.一种铅酸动力电池管理系统的控制方法，其特征在于，操作步骤如下：
（1）充电模式：
当接通充电器后，温度监测模块对每个单只电池的表面温度进行监测，当单只电池温度差≥8℃时，则充电器不工作，待温差降到8℃以下，通过电压采集模块对单只电池开路电压进行巡检，若单只电池开路电压差≥33.3*N mV，充电器不工作，并报警，在显示终端上显示对应故障单只电池编号及故障原因；若单只电池开路电压差＜33.3*N mV，则充电器进行充电, 其中N表示单只电池包含的电池单体数；
（2）放电模式：
a、运行前的检测控制：当检测到电池开路总电压≥2.08*nV时，主控模块控制放电回路总电流≤0.5CA，其中C指电池的额定容量，n为电池单体数量；当检测1.95*nV≤开路总电压＜2.08*nV时，主控模块控制放电回路总电流≤0.35CA；当检测开路总电压＜1.95*nV或单块电池电压低于1.9*NV时，则说明电池电量低于总电量的10%或单只电池故障，显示终端上会提示电量低或单只电池故障，并且负载电机不会启动工作；
b、运行过程中的检测控制：当检测到工作总电压＞1.92*nV时，主控模块控制放电回路总电流≤0.5CA；当检测工作总电压≤1.92*nV时，主控模块控制放电回路总电流≤0.35CA；当检测到总电压低于1.86*nV或者单只电池容量低于1.8*NV时，显示终端上会提示电量低，请及时充电；当检测到总电压低于1.75*nV或者单只电池容量低于1.65*NV时，显示终端上会提示电量低，请及时充电，并停止电机的工作，并且未检测到充电电流的情况下，负载电机将不会再次工作；
c、电机停止工作后，当总电压＜2.08*nV时，以黄色字体在显示终端上显示电量低于50%，请及时充电；当总电压＜2.0*nV时，以红色字体在显示终端上显示电量低于10%，请及时充电。
3.根据权利要求2所述的一种铅酸动力电池管理系统的控制方法，其特征在于，步骤（1）中，若单体开路电压差＜33.3*N mV，则充电器按照如下模式进行充电：
a、当总开路电压＞2.2*nV，证明电池为满电状态，充电器不对电池进行充电，显示终端上显示“充电完成”；
b、当2.13*nV＜总开路电压≤2.2*nV，证明电池有80%以上的电，充电器先以0.1C进行充电，限压2.47*nV，待电流降至0.02C或充电已达4h时转浮充充电，浮充电压为2.3*nV；
c、当1.93*nV＜总开路电压≤2.13*nV，证明电池电量在0—80%之间，充电器先以0.15C充电到总电压2.4*nV，再以0.1C进行充电，限压2.47*nV，待电流降至0.02C或充电已达4h时转浮充充电，浮充电压为2.3*nV；
d、当总开路电压≤1.93*nV，证明电池存放时间过长已经过放电，充电器先以0.02C的小电流对电池进行修复充电到电压2*nV，再以0.15C充电到总电压2.4*nV，再以0.1C进行充电，限压2.47*nV，待电流降至0.02C或充电已达4h时转浮充充电，浮充电压为2.3*nV。
4.根据权利要求3所述的一种铅酸动力电池管理系统的控制方法，其特征在于，步骤（b）、（c）、（d）中，当转浮充充电时，若电池平均温度＜15℃，浮充时间4h；若电池温度≥15℃，浮充2h后停止充电，显示终端上显示“充电完成”。
5.根据权利要求2或3所述的一种铅酸动力电池管理系统的控制方法，其特征在于，充电过程中，当出现单只电池之间的温度差≥10℃或者单只电池温度超过45℃时，主控模块控制充电器停止充电，并在显示终端上显示故障原因及故障电池，同时主控模块会对充电的总电量进行监控，当实际充入电量大于理论需要电量10%时，主控模块控制充电器停止充电，并在显示终端上显示故障原因及故障电池。
6.根据权利要求2所述的一种铅酸动力电池管理系统的控制方法，其特征在于，主控模块对每次充放电过程中的充入电量及放出电量进行统计，当连续3次充入电量大于放出电量的110%时，显示终端上会提示用户对电池状态进行检查；电池在充电或者放电过程中单只电池温升超过10℃，显示终端上会提示用户对电池状态进行检查。
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