CN108879812A - 一种串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统，包括M个均衡电池包单元和主控制器；均衡电池包单元包括电池包、电量均衡模块、单体电压采集装置、与电池包串联的电压采集装置、与电压采集装置连接的从控制器，电池包内任意极板的两端均通过可控开关与单体电压采集装置连接，电池包内任意极板均与电量均衡模块连接，电量均衡模块与从控制器的输出端连接，从控制器通过传输总线与主控制器连接。本发明通过主控制器实现多个电池包之间能量的转移，通过从控制器实现电池包内多个极板之间能量的转移，可避免电量的消耗，并且此过程中不会产生热量，安全性高；同时主控制器与从控制器之间的线束少，可显著减少蓄电池组的故障点。

Description

一种串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统

技术领域

本发明涉及电池主动均衡管理技术领域，尤其涉及一种串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统。

背景技术

蓄电池作为一种能源储备装置，被广泛应用于交通、储能等工作领域。为提供充足的电压，蓄电池通常采用串联方式连接。由于蓄电池组内各电池包在生产之初，其初始容量、电压、内阻以及在使用的过程中各电池包受热程度等方面均有差异，在使用过程中，均会造成各电池包在使用的过程中发生过充电和过放电。其具体表现为同一电池包内各极板质量、电解液密度、电路负载不同等因素，使得各极板的充放电参数不同，即电池包的极板处于不均衡的状态。若极板长期过充和过放后将直接导致极板损坏，电池包容量大幅度降低，蓄电池组的使用性能和使用时间均会大大降低。

因此，须使同一蓄电池组内多个电池包的极板长期稳定在一个均衡的状态。传统解决方法是采用通过被动均衡的方式，即每个电池包(亦称为单体电池)均通过可控开关并联一个放电电阻，当某个单体电池的电压过高时，则通过控制器打开可控开关，对其进行放电处理。但此种方法一方面使能量做无用功，另一方面电阻在放电的过程中发出的热量会进一步影响电池的表现。同时，亦有集成式的主动均衡解决方案，即通过中央控制器与多个单体电池连接，通过能量转移的方式将能量过高的单体电池的能量转移至能量较低的单体电池内，实现能量的均衡。但此种方法用作均衡的线束多且长，在交通领域如电动车等路况较差的交通工具中，故障率极高。

发明内容

本发明的目的在于通过一种串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统，其包括M个均衡电池包单元和主控制器；所述M个均衡电池包单元的结构组成相同；所述均衡电池包单元包括2N个极板串联并封装组成的电池包、电量均衡模块、单体电压采集装置、与所述电池包串联的电压采集装置、与所述电压采集装置输出端连接的从控制器，所述电池包内任意极板的两端均通过可控开关与所述单体电压采集装置的输入端连接，所述电池包内任意极板均与所述电量均衡模块连接，所述电量均衡模块与从控制器的输出端连接，所述从控制器通过传输总线与主控制器连接；所述M个均衡电池包单元的电池包依次串联连接；所述M个均衡电池包单元中任一均衡电池包单元的电池包内任意极板的两端均通过所述可控开关与其他均衡电池包单元的电量均衡模块连接；M个均衡电池包单元的工作原理相同，以任一均衡电池包单元为例，均衡电池包单元的电压采集装置将电池包的电压信息传输至从控制器，单体电压采集装置将电池包内相应极板的端电压信息传输至从控制器，然后从控制器根据收到的电池包内相应极板的端电压信息计算是否满足设定的电压均衡条件，若不满足，则从控制器向电量均衡模块发送控制信号，对电池包内相应的极板进行主动均衡，直至电池包内各极板的端电压信息满足电压均衡条件；M个均衡电池包单元的从控制器将各自收到的电池包的电压信息和电池包内相应极板的端电压信息均传输至主控制器，主控制器首先根据各电池包的电压信息计算是否满足设定的电压均衡条件，若不满足，则主控制器向相应的两个均衡电池包单元输出均衡控制信号，使一个均衡电池包单元的电量均衡模块对另一个均衡电池包单元中电池包内的相应的极板进行主动均衡，直至各电池包的电压信息满足电压均衡条件。

特别地，所述均衡电池包单元的电量均衡模块包括变压器Tr、均衡开关 SW1、均衡开关SW2，电池包的负极端与变压器Tr初级线圈的中心抽头连接，电池包的正极端接地，所述变压器Tr初级线圈的两端分别通过所述均衡开关SW1 和所述均衡开关SW2接地，所述均衡开关SW1和均衡开关SW2分别与从控制器的输出端连接；所述电池包内任意极板的两端均通过可控开关与所述单体电压采集装置的输入端连接，可控开关与变压器Tr的次级线圈的两端连接，可控开关的控制端与从控制器的输出端连接。

特别地，所述均衡电池包单元的单体电压采集装置包括运算放大器U1,所述运算放大器U1的同相输入端、反相输入端与电量均衡模块中变压器Tr的次级线圈的两端对应连接，所述运算放大器U1的输出端与从控制器的输入端连接。

特别地，所述串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统还包括运算放大装置；运算放大装置包括运算放大器U2，电量均衡模块中变压器Tr次级线圈的两端分别连接所述运算放大器U2的同相输入端和反相输入端，运算放大器U2的输出端与主控制器的输入端连接。

特别地，所述串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统还包括外负极总线、外正极总线；所述均衡电池包单元还包括内负极总线和内正极总线，所述电量均衡模块中变压器Tr次级线圈的一端连接所述内负极总线，变压器Tr次级线圈的另一端连接所述内正极总，单体电压采集装置中运算放大器U1的反向输入端和同向输入端分别连接所述内负极总线和内正极总线，所述内负极总线与其他均衡电池包单元的内负极总线之间通过所述外负极总线连接，所述内正极总线与其他均衡电池包单元的内正极总线之间通过所述外正极总线连接。

特别地，所述外负极总线和外正极总线上均设有可控开关，可控开关的控制端均与主控制器的输出端连接。

本发明提出的串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统优点如下：一、安全性高，不会产生热量，本发明通过主控制器控制从控制器，使得电量较高的电池包的电量均衡模块向能量较低的电池包充电，实现能量转移；二、线束少、故障点少、安全性好，采用从控制器控制各电池包，主控制器再控制从控制器的方式，可显著减少线束的数量，使整个装置更稳定；三、可管理电池包的数量多，传统的集成芯片式电池管理系统受线束长度的影响，无法管理太多的蓄电池组，而本发明则不会受此影响，可应用于蓄电池数量多的电池储能中；四、均衡速度快，若各电池包的电压信息不满足均衡要求，则各从控制器控制电量均衡模块同时对电池包的极板进行均衡处理，速度成倍增长，然后再对各电池包进行均衡处理。

附图说明

图1为本发明实施例提供的串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统中均衡电池包单元结构示意图；

图3为本发明实施例提供的图1中A区的放大图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参照图1至图3所示，本实施例中串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统包括M个均衡电池包单元和主控制器101。所述M个均衡电池包单元分别为 J1、J2、J3…JM，M个均衡电池包单元的结构组成相同。所述均衡电池包单元包括2N个极板串联并封装组成的电池包102、电量均衡模块111、单体电压采集装置112、与所述电池包102串联的电压采集装置113、与所述电压采集装置 113输出端连接的从控制器103，所述电池包102内任意极板的两端均通过可控开关与所述单体电压采集装置112的输入端连接，所述电池包102内任意极板均与所述电量均衡模块111连接，所述电量均衡模块111与从控制器103的输出端连接，所述从控制器103通过传输总线104与主控制器101连接；需要说明的是，均衡电池包单元中的电池包102包括N个电池即B1、B2、B3…Bn，每个电池包102括正极板和负极板两个极板，如此以来，每个电池包102共包括 2N个极板，由于电池包102内任意极板的两端均通过可控开关与所述单体电压采集装置112的输入端连接，那么每个电池包102对应的可控开关的数量为n+1 个，如图所示，分别为S1、S2、S3、S4、S5…Sn、Sn+1。所述M个均衡电池包单元的电池包102依次串联连接；所述M个均衡电池包单元中任一均衡电池包单元的电池包102内任意极板的两端均通过可控开关与其他均衡电池包单元的电量均衡模块111连接。

在本实施例中所述均衡电池包单元的电量均衡模块111包括变压器Tr、均衡开关SW1、均衡开关SW2，电池包102的负极端与变压器Tr初级线圈的中心抽头连接，电池包102的正极端接地，所述变压器Tr初级线圈的两端分别通过所述均衡开关SW1和所述均衡开关SW2接地，所述均衡开关SW1和均衡开关SW2 分别与从控制器103的输出端连接；所述电池包102内任意极板的两端均通过可控开关与所述单体电压采集装置112的输入端连接，可控开关与变压器Tr的次级线圈的两端连接，可控开关的控制端与从控制器103的输出端连接。所述均衡电池包单元的单体电压采集装置112包括运算放大器U1,所述运算放大器 U1的同相输入端、反相输入端与电量均衡模块111中变压器Tr的次级线圈的两端对应连接，所述运算放大器U1的输出端与从控制器103的输入端连接。

在本实施例中所述串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统还包括运算放大装置109，运算放大装置109包括运算放大器U2；电量均衡模块111中变压器 Tr次级线圈的两端分别连接所述运算放大器U2的同相输入端和反相输入端，运算放大器U2的输出端与主控制器101的输入端连接。

在本实施例中所述串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统还包括外负极总线108、外正极总线107、外开关控制总线110；所述均衡电池包单元还包括内负极总线105、内正极总线106、内开关控制总线114，所述电量均衡模块111 中变压器Tr次级线圈的一端连接所述内负极总线105，变压器Tr次级线圈的另一端连接所述内正极总，单体电压采集装置112中运算放大器U1的反向输入端和同向输入端分别连接所述内负极总线105和内正极总线106，所述内负极总线 105与其他均衡电池包单元的内负极总线105之间通过所述外负极总线108连接，所述内正极总线106与其他均衡电池包单元的内正极总线106之间通过所述外正极总线107连接。

在本实施例中所述外负极总线108和外正极总线107上均设有可控开关，可控开关的控制端均与主控制器101的输出端连接，具体的，对于M个均衡电池包单元，第i个均衡电池包单元的内负极总线105连接外负极总线108上的可控开关Ki1，第i个均衡电池包单元的内正极总线106连接外正极总线107上的可控开关Ki2，i为小于等于M的正整数。

在本实施例中M个均衡电池包单元的工作原理相同，以任一均衡电池包单元为例，均衡电池包单元的电压采集装置113将电池包102的电压信息传输至从控制器103，单体电压采集装置112将电池包102内相应极板的端电压信息传输至从控制器103，然后从控制器103根据收到的电池包102内相应极板的端电压信息计算是否满足设定的电压均衡条件，若不满足，则从控制器103向电量均衡模块111发送控制信号，对电池包102内相应的极板进行主动均衡，直至电池包102内各极板的端电压信息满足电压均衡条件。具体过程如下：均衡电池包单元的电压采集装置113将电池包102的电压信息传输至从控制器103，从控制器103将所述电压信息的模拟信号转换为数字信号，同时单体电压采集装置112依次闭合电池包102各极板两端的可控开关，对各极板两端的电压依次测量，单体电压采集装置112将电池包102内相应极板的端电压信息传输至从控制器103，从控制器103将所述电池包102内相应极板的端电压信息的模拟信号转换为数字信号，然后从控制器103根据电池包102内相应极板的端电压信息的数字信号计算平均值Uave，若某个极板的数字信号与Uave的差值超过设定阈值，则从控制器103向电量均衡模块111发送控制信号，通过变压器Tr对电池包102中电量较低的极板进行充电，其中，所述设定阈值可根据实际要求进行实验设定；若从控制器103检测出第i(i为奇数)个电池的极板电压最低时，则均衡开关SW1闭合，电池包102为变压器Tr充电，然后断开均衡开关SW1，并闭合第i个电池所对应的可控开关Si和Si+1，使变压器Tr存储的能量转移至第i个电池的极板上；若从控制器103检测出第i(i为偶数)个电池的极板电压最低时，则均衡开关SW2闭合，电池包102为变压器Tr充电，然后断开均衡开关SW1，并闭合第i个电池所对应的可控开关Si和Si+1，使变压器Tr存储的能量转移至第i个电池的极板上，直至电池包102内各极板的端电压信息满足电压均衡条件，从控制器103停止对电池包102进行均衡。其中，i小于等于N。

M个均衡电池包单元的从控制器将各自收到的电池包的电压信息和电池包内相应极板的端电压信息均传输至主控制器101，主控制器101首先根据各电池包的电压信息计算是否满足设定的电压均衡条件，若不满足，则主控制器101 向相应的两个均衡电池包单元输出均衡控制信号，使一个均衡电池包单元的电量均衡模块对另一个均衡电池包单元中电池包内的相应的极板进行主动均衡，直至各电池包的电压信息满足电压均衡条件。具体过程如下：从控制器将上述电池包电压信息从的数字信号和电池包内相应极板的电压信息的数字信号传输至主控制器101内，主控制器101首先根据各电池包电压信息的数字信号计算是否满足设定的电压均衡条件，若不满足，则主控制器101向相应的两个均衡电池包单元输出均衡控制信号，使一个均衡电池包单元的电量均衡模块对另一个均衡电池包单元中电池包内相应的第i个电池的极板进行主动均衡；若i为奇数，则均衡开关SW1闭合，电量高的电池包为变压器Tr充电，然后断开均衡开关SW1，主控制器101闭合电量低的电池包所对应的可控开关Kc1和Mc2(c为小于等于M的正整数)，并闭合电量低的电池包内第i个电池所对应的可控开关 Si和Si+1，使电量高的电池包的变压器Tr存储的能量转移至第i个电池的极板上；若i为偶数，则均衡开关SW2闭合，电量高的电池包为变压器Tr充电，然后断开均衡开关SW2，主控制器101闭合电量低的电池包所对应的可控开关 Kc1和Mc2(c为小于等于M的正整数)，并闭合电量低的电池包内第i个电池所对应的可控开关Si和Si+1，使电量高的电池包的变压器Tr存储的能量转移至第i个电池的极板上，直至各电池包的电压信息满足电压均衡条件。

与现有技术相比，本发明的技术方案通过主控制器实现多个电池包之间能量的转移，通过从控制器实现电池包内多个极板之间能量的转移，可避免电量的消耗，并且此过程中不会产生热量，安全性高；同时主控制器与从控制器之间的线束少，可显著减少蓄电池组的故障点。本发明的具体优点如下：一、安全性高，不会产生热量，本发明通过主控制器控制从控制器，使得电量较高的电池包的电量均衡模块向能量较低的电池包充电，实现能量转移；二、线束少、故障点少、安全性好，采用从控制器控制各电池包，主控制器再控制从控制器的方式，可显著减少线束的数量，使整个装置更稳定；三、可管理电池包的数量多，传统的集成芯片式电池管理系统受线束长度的影响，无法管理太多的蓄电池组，而本发明则不会受此影响，可应用于蓄电池数量多的电池储能中；四、均衡速度快，若各电池包的电压信息不满足均衡要求，则各从控制器控制电量均衡模块同时对电池包的极板进行均衡处理，速度成倍增长，然后再对各电池包进行均衡处理。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统，其特征在于，包括M个均衡电池包单元和主控制器；所述M个均衡电池包单元的结构组成相同；所述均衡电池包单元包括2N个极板串联并封装组成的电池包、电量均衡模块、单体电压采集装置、与所述电池包串联的电压采集装置、与所述电压采集装置输出端连接的从控制器，所述电池包内任意极板的两端均通过可控开关与所述单体电压采集装置的输入端连接，所述电池包内任意极板均与所述电量均衡模块连接，所述电量均衡模块与从控制器的输出端连接，所述从控制器通过传输总线与主控制器连接；所述M个均衡电池包单元的电池包依次串联连接；所述M个均衡电池包单元中任一均衡电池包单元的电池包内任意极板的两端均通过所述可控开关与其他均衡电池包单元的电量均衡模块连接；M个均衡电池包单元的工作原理相同，以任一均衡电池包单元为例，均衡电池包单元的电压采集装置将电池包的电压信息传输至从控制器，单体电压采集装置将电池包内相应极板的端电压信息传输至从控制器，然后从控制器根据收到的电池包内相应极板的端电压信息计算是否满足设定的电压均衡条件，若不满足，则从控制器向电量均衡模块发送控制信号，对电池包内相应的极板进行主动均衡，直至电池包内各极板的端电压信息满足电压均衡条件；M个均衡电池包单元的从控制器将各自收到的电池包的电压信息和电池包内相应极板的端电压信息均传输至主控制器，主控制器首先根据各电池包的电压信息计算是否满足设定的电压均衡条件，若不满足，则主控制器向相应的两个均衡电池包单元输出均衡控制信号，使一个均衡电池包单元的电量均衡模块对另一个均衡电池包单元中电池包内的相应的极板进行主动均衡，直至各电池包的电压信息满足电压均衡条件。

2.根据权利要求1所述的串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统，其特征在于，所述均衡电池包单元的电量均衡模块包括变压器Tr、均衡开关SW1、均衡开关SW2，电池包的负极端与变压器Tr初级线圈的中心抽头连接，电池包的正极端接地，所述变压器Tr初级线圈的两端分别通过所述均衡开关SW1和所述均衡开关SW2接地，所述均衡开关SW1和均衡开关SW2分别与从控制器的输出端连接；所述电池包内任意极板的两端均通过可控开关与所述单体电压采集装置的输入端连接，可控开关与变压器Tr的次级线圈的两端连接，可控开关的控制端与从控制器的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统，其特征在于，所述均衡电池包单元的单体电压采集装置包括运算放大器U1,所述运算放大器U1的同相输入端、反相输入端与电量均衡模块中变压器Tr的次级线圈的两端对应连接，所述运算放大器U1的输出端与从控制器的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统，其特征在于，所述串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统还包括运算放大装置；运算放大装置包括运算放大器U2，电量均衡模块中变压器Tr次级线圈的两端分别连接所述运算放大器U2的同相输入端和反相输入端，运算放大器U2的输出端与主控制器的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统，其特征在于，所述串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统还包括外负极总线、外正极总线；所述均衡电池包单元还包括内负极总线和内正极总线，所述电量均衡模块中变压器Tr次级线圈的一端连接所述内负极总线，变压器Tr次级线圈的另一端连接所述内正极总，单体电压采集装置中运算放大器U1的反向输入端和同向输入端分别连接所述内负极总线和内正极总线，所述内负极总线与其他均衡电池包单元的内负极总线之间通过所述外负极总线连接，所述内正极总线与其他均衡电池包单元的内正极总线之间通过所述外正极总线连接。

6.根据权利要求5所述的串联蓄电池组分布式主动均衡管理系统，其特征在于，所述外负极总线和外正极总线上均设有可控开关，可控开关的控制端均与主控制器的输出端连接。