CN108306067A - 一种串联电池组模块化管理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池管理技术领域，尤其涉及一种串联电池组模块化管理系统及方法，该系统包括电池管理主控模块和M个结构相同的子管理模块，用于管理由T个顺序串联的单体电池组成的串联电池组；将串联电池组按照单体电池串联的顺序依次划分为M个电池单元，每个电池单元包括N个单体电池，相邻电池单元共用1个单体电池，T、M、N的关系应满足：T＝M*(N‑1)+1，N和M均取正整数且≥2，M个子管理模块对应管理M个电池单元；电池主控管理模块用于对整个系统的管理，每个子管理模块用于对其对应的电池单元内的N个单体电池的均衡管理，电池主控管理模块与子管理模块之间能够双向无线通信；本发明具有模块化管理、无线传输的优点。

Description

一种串联电池组模块化管理系统及方法
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域，尤其涉及一种串联电池组模块化管理系统及方法。
背景技术
当使用多个单体电池串联形成电池组时，由于单体电池容量的不一致性，再加上单体电池在使用中的环境温度不同导致这种不一致性的加剧，会造成在电池组放电时，当容量最小的单体电池电量耗尽时，即使其它电池还有电量也无法使用；而在电池组充电时，电量最小的电池先充满电，即使其它电池还有空余容量，也无法再充电，从而导致电池组的总体容量利用率降低，因此需要使用电池管理系统对电池组内的所有单体电池进行管理。
目前针对电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，简称BMS)的研究，主要集中于电动汽车技术领域，汽车BMS作为连接车载动力电池组和电动汽车的重要纽带，其主要功能包括：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预警；充、放电与预充控制；均衡管理和热管理等。
在均衡管理方面，传统的电池组均衡管理方式主要分为两大类：被动均衡和主动均衡。被动均衡的原理为能量消耗，通常在每只单体电池上并联一个可控分流电阻，当电池电压达到或者超过限制电流电压时，导通分流电阻回路，使流过单体电池的充电电流减小，从而使得单体电池的电压维持在限制值以内，流过电阻的电能则以热能的形式释放。主动均衡的原理为能量转移，通常需要一个电压转换器，当主控制器检测到某单体电池电压偏高时，将电压偏高单体电池的能量通过变换器转移到电压偏低的单体电池上，从而达到电压和能量的均衡。
实际应用中，由于被动均衡管理的电路结构简单，易于实现，在能够做到单体电池一致性较好、电池热均衡管理较好、电池压力管理较好的应用场合一般采用被动均衡管理的方法，典型的应用实例为特斯拉电动汽车中的电池管理。而在单体电池一致性较差、电池热均衡管理较差，并且单体电池受到的机械应力不一致的应用场合一般采用主动均衡的管理方法。
主动均衡管理方法较为典型的实现方案为利用开关电源来实现电池组的主动均衡，具体电路设计方案如图1所示，为实现N个电池的主动均衡，需要使用2(N-1)个功率开关以及(N-1)个电感，同时电池组的充放电只能在相邻的两个单体电池之间进行。这种主动均衡管理采用的是统一管理思路，即所有的单体电池由同一个主动均衡模块进行管理，对电池组的管理无法拆分，当电池组中的一个单体电池或者管理模块中的一个元器件出现问题时，需要对所有的单体电池和所有的管理模块元器件进行一一排查，管理系统的管理和维护非常不便，而且效率低下。
同时现有的BMS一般采用CAN总线传输的方式，不仅使得系统布线复杂，而且当应用于电动汽车时，汽车行驶过程中的环境因素，会对CAN总线传输的稳定性造成影响，大大降低整个BMS的稳定性和可靠性。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种模块化的串联电池组模块化管理系统。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种串联电池组模块化管理系统，包括电池管理主控模块和M个结构相同的子管理模块，所述M个子管理模块用于管理由T个顺序串联的单体电池组成的串联电池组；
将被管理的串联电池组按照单体电池串联的顺序依次划分为M个结构相同的电池单元，每个电池单元包括N个单体电池，相邻电池单元共用1个单体电池，即后一个电池单元的第1个单体电池同时也是前一个电池单元的第N个单体电池，其中T、M、N的关系应满足：T＝M*(N-1)+1，N取正整数且大于等于2，M取正整数且大于等于2，第1个子管理模块与第1至第N个单体电池相连，第2个子管理模块与第N至第2N-1个单体电池相连，以此类推，第M个子管理模块与第(M-1)*N-M+2至M*N-M+1个单体电池相连，即M个子管理模块一一对应管理M个电池单元；
所述电池主控管理模块用于对整个系统进行管理，且能够与M个子管理模块进行双向无线通信；每个所述子管理模块用于对其对应的电池单元内的N个单体电池进行均衡管理、电池监测，且能够与电池主控管理模块进行双向无线通信。
作为优选，所述电池管理主控模块包括主控单元和第一无线传输单元，所述主控单元用于对系统的管理，所述第一无线传输单元用于与子管理模块进行双向无线通信。
作为优选，所述子管理模块包括主动均衡单元、电池监测单元和第二无线传输单元，所述主动均衡单元用于对其对应的N个单体电池的电量进行主动均衡，所述电池监测单元用于监测其对应的N个单体电池的工作状态信息，所述第二无线传输单元用于与电池管理主控模块进行双向无线通信。
作为优选，在电池管理主控模块中：所述主控单元通过第一无线传输单元接收所有子管理模块的第二无线传输单元发送的工作状态信息，并根据这些工作状态信息对所有电池单元中的单体电池的工作状态进行分析，生成每个子管理模块的控制信息，并将控制信息通过第一无线传输单元发送到相应的子管理模块的第二无线传输单元；在每个子管理模块中：第二无线传输单元接收电池管理主控模块的第一无线传输单元发送的控制信息，主动均衡单元根据第二无线传输单元接收到的控制信息对其对应的电池单元内的N个单体电池的电量进行主动均衡，电池监测单元用于监测其对应的电池单元内的N个单体电池的工作状态信息，并将这些工作状态信息通过第二传输单元发送到电池管理主控模块的第一无线传输单元，所述工作状态信息至少包括电压、电流、电量、温度信息。
作为优选，每个所述子管理模块还能够与其他子管理模块进行双向无线通信。
作为优选，每个所述子管理模块中的第二无线传输单元还能够向其他子管理模块的第二无线传输单元发送信息，并且能够接收来自其他子管理模块的第二无线传输单元发送的信息。
基于上述的串联电池组模块化管理系统的管理方法，利用每个子管理模块控制其对应的电池单元内的N个单体电池是实现每个电池单元内的N个单体电池之间的电量转移，相邻电池单元之间的电量转移则通过共用的单体电池实现，进而能够实现任意两个电池单元之间的电量转移，从而实现串联电池组的均衡管理。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
(1)本发明先将串联电池组模块化，形成多个相同的电池单元，再利用多个子管理模块对电池单元进行一对一管理，电池单元内的N个单体电池的均衡通过主动均衡单元实现；相邻电池单元之间的均衡通过共用的1个单体电池实现，从而实现了对电池组的模块化管理；
(2)在电池组采用模块化管理的基础上，电池管理主控模块与子管理模块之间的通信通过无线传输单元实现。基于模块化设计，使得当一个电池单元或者一个子管理模块出现问题时，只要针对该单元或者子模块进行分析处理即可，不需要对系统内的所有电池和所有管理器件进行分析，使得串联电池组和管理系统的管理和维护更加便捷有效，同时基于无线传输设计，使得系统的通信稳定性更高，传输效率更高。
附图说明
图1是现有技术电池均衡管理系统的结构示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明具体应用的结构示意图。
具体实施方式
结合图2至图3，详细说明本发明的第一个实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图2所示，一种串联电池组模块化管理系统，包括电池管理主控模块和M个结构相同的子管理模块，M个子管理模块用于管理由T个顺序串联的单体电池组成的串联电池组；
将被管理的串联电池组按照单体电池串联的顺序依次划分为M个结构相同的电池单元，每个电池单元包括N个单体电池，相邻电池单元共用1个单体电池，即后一个电池单元的第1个单体电池同时也是前一个电池单元的第N个单体电池，其中T、M、N的关系应满足：T＝M*(N-1)+1，N取正整数且大于等于2，M取正整数且大于等于2，第1个子管理模块与第1至第N个单体电池相连，第2个子管理模块与第N至第2N-1个单体电池相连，以此类推，第M个子管理模块与第(M-1)*N-M+2至M*N-M+1个单体电池相连，即M个子管理模块一一对应管理M个电池单元；
电池主控管理模块用于对整个系统进行管理，且能够与M个子管理模块进行双向无线通信；每个子管理模块用于对其对应的电池单元内的N个单体电池进行均衡管理、电池监测，且能够与电池主控管理模块进行双向无线通信；
具体地：
(1)电池管理主控模块包括主控单元和第一无线传输单元，主控单元用于对系统的管理，第一无线传输单元用于与子管理模块进行双向无线通信。
子管理模块包括主动均衡单元、电池监测单元和第二无线传输单元，主动均衡单元用于对其对应的N个单体电池的电量进行主动均衡，电池监测单元用于监测其对应的N个单体电池的工作状态信息，第二无线传输单元用于与电池管理主控模块进行双向无线通信。
(2)在电池管理主控模块中：主控单元通过第一无线传输单元接收所有子管理模块的第二无线传输单元发送的工作状态信息，并根据这些工作状态信息对所有电池单元中的单体电池的工作状态进行分析，生成每个子管理模块的控制信息，并将控制信息通过第一无线传输单元发送到相应的子管理模块的第二无线传输单元；
在每个子管理模块中：第二无线传输单元接收电池管理主控模块的第一无线传输单元发送的控制信息，主动均衡单元根据第二无线传输单元接收到的控制信息对其对应的电池单元内的N个单体电池的电量进行主动均衡，电池监测单元用于监测其对应的电池单元内的N个单体电池的工作状态信息，并将这些工作状态信息通过第二传输单元发送到电池管理主控模块的第一无线传输单元，工作状态信息至少包括电压、电流、电量、温度信息。
上述技术方案中：
(1)每个子管理模块用于控制其对应的电池单元内的N个单体电池之间的电量转移，相邻电池单元之间的电量转移通过共用的单体电池实现，进而能够实现任意两个电池单元之间的电量转移，以达到串联电池组的均衡管理。例如：当需要将第3个电池单元的单体电池A的电量转移到第6个电池单元的单体电池B时，先利用第3个子管理模块控制第3个电池单元，将单体电池A的电量转移到到第3个电池单元与第4个电池单元共用的单体电池上(如果单体电池A就是第3个电池单元与第4个电池单元共用的单体电池，则无需这一步)，再利用第4个子管理模块将第3个电池单元与第4个电池单元共用的单体电池的电量转移到第4个电池单元与第5个电池单元共用的单体电池上，然后再利用第5个子管理模块将第4个电池单元与第5个电池单元共用的单体电池的电量转移到第5个电池单元与第6个电池单元共用的单体电池上，最后在利用第6个子管理模块将第5个电池单元与第6个电池单元共用的单体电池的电量转移到单体电池B上(如果单体电池B就是第5个电池单元与第6个电池单元共用的单体电池，则无需这一步)，即实现了第3个电池单元的单体电池A向第6个电池单元的单体电池B的电量转移，从上述描述可以看出，在每个电池单元内，单体电池之间的电量转移是通过与其相应的子管理模块的控制实现的，而相邻的电池单元之间的转移，是基于相邻电池单元共用1个单体电池的特殊设计实现的。
(2)主动均衡单元可以采用如图1所示的现有均衡管理结构，但并不限于此种结构。
主动均衡单元采用如图1所示的现有均衡管理结构进行具体实施时，根据需要将电池组划分为若干个电池单元，每个单元内有若干个单体电池，相邻电池单元共用一个单体电池，相应地为每个电池单元配置由如图1所示结构的均衡单元，以形成与电池单元数量系统的若干个均衡模块，再为每个均衡模块配置电池监测单元和无线传输单元，进而形成若干个包含有“均衡+监测+无线传输”的子管理模块。例如如图3所示的结构，将T个单体电池构成的串联电池组划分为M个电池单元，每个电池单元内有3个单体电池，且相邻电池单元共用1个单体电池，每个子管理模块的主动均衡单元由结构相同的功率开关管电路构成，每个功率开关管电路中包括2个电感和4个功率开关管，子管理模块中的电池监测单元和无线传输单元在此图中未示出，可结合图2进行拓展理解。
本实施例与现有的主动均衡系统相比，具有以下优点：
(1)本发明先将串联电池组模块化，形成多个相同的电池单元，再利用多个子管理模块对电池单元进行一对一管理，每个子管理模块具备“均衡+监测+无线传输”的功能，每个电池单元内：N个单体电池的均衡通过主动均衡单元实现，相邻电池单元之间的均衡通过共用的1个单体电池实现，而单体电池的工作状态的监测通过电池监测单元实现，与此同时，所有主动均衡单元和电池监测单元又受控于电池管理主控模块，从而实现了管理系统对电池组的模块化管理；
(2)构成子管理模块的主动均衡单元、电池监测单元和第二无线传输单元能够集成于同一芯片上；
(3)在电池组采用模块化管理的基础上，电池监测单元监测信息的向外反馈和主动均衡单元控制信息的接收均通过无线传输单元完成，即电池管理主控模块与子管理模块之间的通信采用的是无线通信设计；
(4)基于模块化设计，使得当一个电池单元或者一个子管理模块出现问题时，只要针对该单元或者子模块进行分析处理即可，不需要对系统内的所有电池和所有管理器件进行分析，使得串联电池组和管理系统的管理和维护更加便捷有效；
(5)基于无线通信设计，与传统的有线传输方式相比，不仅降低了系统布线复杂度，而且不会存在有线线路由于运行环境导致的线路故障问题(例如汽车颠簸行驶造成的线路弯折，线路接头松动等)，使得系统的通信稳定性和可靠性更高，传输效率也更高。
为了便于对上述技术方案做进一步地扩展应用，上述技术方案中：每个所述子管理模块还能够与其他子管理模块进行双向无线通信。即：每个所述子管理模块中的第二无线传输单元还能够向其他子管理模块的第二无线传输单元发送信息，并且能够接收来自其他子管理模块的第二无线传输单元发送的信息。
本发明的技术方案中虽然相邻的电池单元之间只共用了1个单体电池，但是本领域的技术人员能够根据这一特征进行扩展，将相邻的电池单元之间共用的单体电池数扩展为N个，然后再相应的调整子管理模块的电路结构即可。
综上所述，本发明具有以下优点：
(1)构成子管理模块的主动均衡单元、电池监测单元和第二无线传输单元能够集成于同一芯片上；
(2)系统采用模块化设计，使得串联电池组和串联电池组管理系统能够实现模块化管理和维护，也便于与接受子管理模块外部的电池管理主控模块的分路控制；
(3)子管理模块与电池管理主控模块之间的通信采用无线传输方式，与传统的有线传输方式相比，具有更高的可靠性、稳定性和传输效率。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种串联电池组模块化管理系统，其特征在于：包括电池管理主控模块和M个结构相同的子管理模块，所述M个子管理模块用于管理由T个顺序串联的单体电池组成的串联电池组；
将被管理的串联电池组按照单体电池串联的顺序依次划分为M个结构相同的电池单元，每个电池单元包括N个单体电池，相邻电池单元共用1个单体电池，即后一个电池单元的第1个单体电池同时也是前一个电池单元的第N个单体电池，其中T、M、N的关系应满足：T＝M*(N-1)+1，N取正整数且大于等于2，M取正整数且大于等于2，第1个子管理模块与第1至第N个单体电池相连，第2个子管理模块与第N至第2N-1个单体电池相连，以此类推，第M个子管理模块与第(M-1)*N-M+2至M*N-M+1个单体电池相连，即M个子管理模块一一对应管理M个电池单元；
所述电池主控管理模块用于对整个系统进行管理，且能够与M个子管理模块进行双向无线通信；每个所述子管理模块用于对其对应的电池单元内的N个单体电池进行均衡管理、电池监测，且能够与电池主控管理模块进行双向无线通信。
2.根据权利要求1所述的串联电池组模块化管理系统，其特征在于：所述电池管理主控模块包括主控单元和第一无线传输单元，所述主控单元用于对系统的管理，所述第一无线传输单元用于与子管理模块进行双向无线通信。
3.根据权利要求1所述的串联电池组模块化管理系统，其特征在于：所述子管理模块包括主动均衡单元、电池监测单元和第二无线传输单元，所述主动均衡单元用于对其对应的N个单体电池的电量进行主动均衡，所述电池监测单元用于监测其对应的N个单体电池的工作状态信息，所述第二无线传输单元用于与电池管理主控模块进行双向无线通信。
4.根据权利要求2所述的串联电池组模块化管理系统，其特征在于：所述子管理模块包括主动均衡单元、电池监测单元和第二无线传输单元，所述主动均衡单元用于对其对应的N个单体电池的电量进行主动均衡，所述电池监测单元用于监测其对应的N个单体电池的工作状态信息，所述第二无线传输单元用于与电池管理主控模块进行双向无线通信。
5.根据权利要求4所述的串联电池组模块化管理系统，其特征在于：在电池管理主控模块中：所述主控单元通过第一无线传输单元接收所有子管理模块的第二无线传输单元发送的工作状态信息，并根据这些工作状态信息对所有电池单元中的单体电池的工作状态进行分析，生成每个子管理模块的控制信息，并将控制信息通过第一无线传输单元发送到相应的子管理模块的第二无线传输单元；
在每个子管理模块中：第二无线传输单元接收电池管理主控模块的第一无线传输单元发送的控制信息，主动均衡单元根据第二无线传输单元接收到的控制信息对其对应的电池单元内的N个单体电池的电量进行主动均衡，电池监测单元用于监测其对应的电池单元内的N个单体电池的工作状态信息，并将这些工作状态信息通过第二传输单元发送到电池管理主控模块的第一无线传输单元，所述工作状态信息至少包括电压、电流、电量、温度信息。
6.根据权利要求1所述的串联电池组模块化管理系统，其特征在于：每个所述子管理模块还能够与其他子管理模块进行双向无线通信。
7.根据权利要求3或4所述的串联电池组模块化管理系统，其特征在于：每个所述子管理模块中的第二无线传输单元还能够向其他子管理模块的第二无线传输单元发送信息，并且能够接收来自其他子管理模块的第二无线传输单元发送的信息。
8.基于权利要求1-7任意一项所述的串联电池组模块化管理系统的管理方法，其特征在于：利用每个子管理模块控制其对应的电池单元内的N个单体电池是实现每个电池单元内的N个单体电池之间的电量转移，相邻电池单元之间的电量转移则通过共用的单体电池实现，进而能够实现任意两个电池单元之间的电量转移，从而实现串联电池组的均衡管理。
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