CN110556594A - 一种电池先串后并监测管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电池先串后并监测管理系统，包括：主控制模块，所述主控制模块分别连接电池监测管理模块和显示模块，用于监测负载、与充电机交互、接收并分析电池监测管理模块的数据、分配各并联子电池组的充放电电流大小；电池监测管理模块，设有若干个，用于监测并联子电池组所有电池的电压、关键节点的电池温度、被动均衡、估算电池组剩余容量SOC、PWM调节电池组充放电电流、并生成对应数据传输至主控制模块。本发明能实时监控所有单体电池的电压、关键节点的温度等状态信息，消除了单体并联或电池组并联而产生的环流问题，各并联子电池组间均衡充放电，极大的延长了电池组的使用寿命。

Description

一种电池先串后并监测管理系统

技术领域

本发明涉及电池管理系统技术领域，具体涉及一种电池先串后并监测管理系统。

背景技术

在本领域常规应用方式中，有的电池采用先并后串监测管理系统，可监测管理并联后的电池电压、关键节点温度或所有并联后的电池温度，具有过充过放告警与保护、温度异常告警与保护、充放电过流保护等防护措施，另外，具有剩余容量SOC估算，通常配置被动均衡。也有的电池采用先串后并技术，该技术主要应用于电池PACK，在并联子电池组支路串接保险、断路器，预防电池短路造成的异常温升。

但是上述两种方式中，其中，电池先并后串监测管理系统仅可监测并联后的电池状态，而无法监测并联中各子电池，即无法监测全部单体电池的状态；且受生产工艺所限，任意两节单体电池的内阻均存在差异，随着电池的使用，差异随之变大；并联使用必然存在着一定的环流，环流属于非计划性的充放电，这极大的加速了单体电池间内阻差的变大过程，影响电池的使用寿命。而在电池先串后并技术中，其虽可监测全部单体电池的状态，但并未解决并联电池间的环流问题，另外，也无法根据各并联子电池组的剩余容量，合理分配充放电电流。

本发明提供一种电池先串后并监测管理系统，来解决电池先并后串以及电池先串后并的环流问题、能监测所有单体电池的电压、关键节点温度，各并联子电池组的总压、充放电电流、剩余容量SOC，并能根据剩余容量均衡各并联子电池组的充放电电流，同时具备电池管理常规的诸如过充、过放告警与保护、温度异常告警与保护、过流保护等安全防护功能、被动均衡等功能，从而使电池的状态可视、安全可控、均衡使用、大幅提高使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种电池先串后并监测管理系统。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种电池先串后并监测管理系统，该系统包括：

主控制模块，所述主控制模块分别连接电池监测管理模块和显示模块，用于监测负载、与充电机交互、接收并分析电池监测管理模块的数据、分配各并联子电池组的充放电电流大小；

电池监测管理模块，设有若干个，用于监测并联子电池组所有电池的电压、关键节点的电池温度、被动均衡、估算电池组剩余容量SOC、PWM调节电池组充放电电流、并生成对应数据传输至主控制模块；

显示模块，用于显示系统运行状态、各电池组及其组内各单体电池的状态、查询/设置系统参数。

进一步的，所述主控制模块与充电机连接通讯，控制充电机的启停、充电电压及充电电流大小，主控制模块各电池监测管理模块连接通讯，接收电池状态信息，下发充放电电流大小命令，主控制模块与显示模块连接通讯，上传数据用于显示或接收参数设置命令。所述主控制模块与充电机和电池检测管理模块采用CAN/RS485连接，与显示模块通过RS232连接。

进一步的，各个所述电池监测管理模块串联在各个并联子电池组电路中，并通过采样线分别连接至各个对应的并联子电池组中。

进一步的，各个所述电池监测管理模块之间为并联关系，互不干扰，并通过预设地址码进行区分。

进一步的，所述电池监测管理模块包括有供电部分、充放电电流控制部分、电池电压温度采集部分和充放电电流采集部分，其中：

所述供电部分提供DC12V输出和DC3.3V输出，分别为电池监测管理模块和主控制模块供电；

所述充放电电流控制部分通过PWM控制双向DC-DC变换以实现充放电电流的控制；

所述电池电压温度采集部分通过多个电池管理芯片级联实现并联子电池组内各单体电池电压及关键节点的温度测量，并采用SPI与主控制模块通讯；

所述充放电电流采集部分通过相应的电流传感器进行测量。

进一步的，所述供电部分采用基于18-600V超宽电压输入DC-DC降压电源芯片XD308H，以18-600VDC作为输入、DC12V作为输出给电池监测管理模块供电，并且接出一路DC12V输出，通过SPX3819芯片降压为3.3V高电平端VCC为主控制模块供电。

进一步的，所述充放电电流控制部分在并联子电池组放电时，以三极管Q1、二极管D1、电感L2、电容C1、电容C2构成一个BUCK电路，通过PWM2控制三极管Q1导通占空比，实现控制并联子电池组输出电流的大小，在并联子电池组充电时，以三极管Q2、二极管D2、电感L2、电容C1、电容C2构成一个BUCK电路，通过PWM1控制三极管Q2导通占空比，实现控制并联子电池组的充电电流大小。

进一步的，所述电池电压温度采集部分采用集成电池管理芯片ISL94212，通过多个集成电池管理芯片ISL94212级联实现并联子电池组内各单体电池电压及关键节点的温度测量，同时采用集成电池管理芯片ISL94212配套的被动均衡方式。

进一步的，所述充放电电流采集部分采用的电流传感器为直流霍尔传感器。

一种采用上述电池先串后并监测管理系统的操作方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)为各电池监测管理模块分配地址码，范围为1-254；

步骤2)设置电池标称容量及过充过放告警保护阈值，若不设置，则按系统默认值运行；

步骤3)接线，组成电池先串后并监测管理系统；

步骤4)启动上述系统，系统自动按以下流程运行；

步骤4.1)各电池监测管理模块实时监测单体电池电压、关键节点温度、充放电电流、估算并联子电池组剩余容量SOC、并生成对应数据传输至主控制模块，主控制模块实时监测负载、充电机、及根据各电池监测管理模块传回的数据监测并联子电池组状态，并以显示模块实时显示；

步骤4.2)主控制模块对各电池监测管理模块传回的数据进行分析，并判断是否进入放电模式、充电模式或针对铅酸电池的浮充模式；

步骤4.21)在放电模式下，主控制模块根据各并联子电池组剩余容量SOC计算其应输出放电电流，发送调节放电电流指令给对应的电池监测管理模块，电池监测管理模块根据放电电流大小调节PWM占空比，恒流放电；

步骤4.22)在充电模式下，主控制模块根据各并联子电池组剩余容量SOC计算其充电电流，发送调节充电电流指令给对应的电池监测管理模块，电池监测管理模块根据放电电流大小调节PWM占空比，恒流充电；

步骤4.23)在浮充模式下，主控制模块发送浮充指令给对应的电池监测管理模块进行恒压输出；

步骤5)结束。

本发明的有益效果是:

本发明可以实时监控所有单体电池的电压、关键节点的温度等状态信息，消除了单体并联或电池组并联而产生的环流问题，各并联子电池组间均衡充放电，极大的延长了电池组的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的系统架构图；

图2为本发明的电池监测管理模块架构图；

图3为本发明的供电部分12V输出主电路图；

图4为本发明的供电部分3.3V输出子电路图；

图5为本发明的充放电电流控制部分电路图；

图6为本发明的系统操作流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

如图1所示，一种电池先串后并监测管理系统，该系统包括：

主控制模块，所述主控制模块分别连接电池监测管理模块和显示模块，用于监测负载、与充电机交互、接收并分析电池监测管理模块的数据、分配各并联子电池组的充放电电流大小；

电池监测管理模块，设有若干个，用于监测并联子电池组所有电池的电压、关键节点的电池温度、被动均衡、估算电池组剩余容量SOC、PWM调节电池组充放电电流、并生成对应数据传输至主控制模块；

显示模块，用于显示系统运行状态、各电池组及其组内各单体电池的状态、查询/设置系统参数。

所述主控制模块通过CAN/RS485与充电机连接通讯，控制充电机的启停、充电电压及充电电流大小，主控制模块通过CAN/RS485与各电池监测管理模块连接通讯，接收电池状态信息，下发充放电电流大小命令，主控制模块通过RS232与显示模块连接通讯，上传数据用于显示或接收参数设置命令。

各个所述电池监测管理模块通过采样线分别连接至各个对应的并联子电池组中。

各个所述电池监测管理模块之间为并联关系，互不干扰，并通过预设地址码进行区分。

如图2所示，所述电池监测管理模块包括有供电部分、充放电电流控制部分、电池电压温度采集部分和充放电电流采集部分，其中：

所述供电部分提供DC12V输出和DC3.3V输出，分别为电池监测管理模块和主控制模块供电；

所述充放电电流控制部分通过PWM控制双向DC-DC变换以实现充放电电流的控制；

所述电池电压温度采集部分通过多个电池管理芯片级联实现并联子电池组内各单体电池电压及关键节点的温度测量，并采用SPI与之通讯；

所述充放电电流采集部分通过相应的电流传感器进行测量。

如图3所示，所述供电部分采用基于18-600V超宽电压输入DC-DC降压电源芯片XD308H，以18-600VDC作为输入、DC12V作为输出给电池监测管理模块供电，并且接出一路DC12V输出，在电路中，芯片XD308H的GND端口通过电感L1输出DC12V，如图4所示，通过SPX3819芯片降压为3.3V高电平端VCC为主控制模块供电。

如图5所示，电路由并联的电容C1、二极管D1、二极管D2和电容C2组成，并且电容C1的负极端与二极管D1的正极端之间连接有三极管Q1，电容C2的负极端与二极管D2的正极端之间连接有三极管Q2，二极管D1的正极端与二极管D2的正极端之间连接有电感L2，三极管Q1的基极连接至PWM2端，三极管Q2的基极连接至PWM1端，所述充放电电流控制部分在并联子电池组放电时，三极管Q2持续导通，以三极管Q1、二极管D1、电感L2、电容C1、电容C2构成一个BUCK电路，通过PWM2控制三极管Q1导通占空比，实现控制并联子电池组输出电流的大小，在并联子电池组充电时，三极管Q1持续导通，以三极管Q2、二极管D2、电感L2、电容C1、电容C2构成一个BUCK电路，通过PWM1控制三极管Q2导通占空比，实现控制并联子电池组的充电电流大小。

所述电池电压温度采集部分采用集成电池管理芯片ISL94212，通过多个集成电池管理芯片ISL94212级联实现并联子电池组内各单体电池电压及关键节点的温度测量，同时采用集成电池管理芯片ISL94212配套的被动均衡方式。

所述充放电电流采集部分采用的电流传感器为直流霍尔传感器。

一种采用上述电池先串后并监测管理系统的操作方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)为各电池监测管理模块分配地址码，范围为1-254；

步骤2)设置电池标称容量及过充过放告警保护阈值，若不设置，则按系统默认值运行；

步骤3)接线，组成电池先串后并监测管理系统；

步骤4)启动上述系统，系统自动按以下流程运行；

如图6所示，步骤4.1)各电池监测管理模块实时监测单体电池电压、关键节点温度、充放电电流、估算并联子电池组剩余容量SOC、在本实施例中，估算并联子电池组剩余容量SOC采用卡尔曼滤波算法实现，并生成对应数据传输至主控制模块，主控制模块实时监测负载、充电机、及根据各电池监测管理模块传回的数据监测并联子电池组状态，并以显示模块实时显示；

步骤4.2)主控制模块对各电池监测管理模块传回的数据进行分析，并判断是否进入放电模式、充电模式或针对铅酸电池的浮充模式；

步骤4.21)在放电模式下，主控制模块根据各并联子电池剩余容量SOC计算其应输出放电电流，发送调节放电电流指令给对应的电池监测管理模块，电池监测管理模块根据放电电流大小调节PWM占空比，恒流放电；

步骤4.22)在充电模式下，主控制模块根据各并联子电池剩余容量SOC计算其充电电流，发送调节充电电流指令给对应的电池监测管理模块，电池监测管理模块根据放电电流大小调节PWM占空比，恒流充电；

另外，电池组为锂电池组，主控制模块可通过CAN或者RS485来实现控制充电机的充电电压和充电电流；

步骤4.23)在浮充模式下，主控制模块发送浮充指令给对应的电池监测管理模块进行恒压输出；

步骤5)结束。

本发明原理

本发明具体操作过程中，衡放电控制原理：放电初始时，各并联子电池组完全接入负载两端，测得各并联子电池组放电电流，电池组的放电电流应该与其剩余容量SOC相对应，如果出现明显的差异，主控制模块发送指令、相对应的电池监测管理模块开启电流控制，通过几次控制过程就能够达到按容量分配电流的目的。

均衡充电控制原理：充电初始时，各并联子电池组完全接入充电机两端，测得各并联子电池组充电电流，电池组的充电电流应该与其剩余容量SOC相对应，如果出现明显的差异，主控制模块发送指令，相对应的电池监测管理模块开启电流控制，通过几次控制过程就能够达到按容量分配电流的目的。

本发明通过以上措施，可监测所有单体电池电压、关键节点温度、各并联子电池组总电压、充放电电流、估算SOC、被动均衡子电池组内各单体电池电压，具备过充、过放、温度异常、充放电过流等常规电池管理防护措施。另外，根据各并联子电池组SOC，自动调节各并联子电池组的充放电电流，达到近乎同时充满、同时放完的效果，最大程度的利用电池组的容量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池先串后并监测管理系统，其特征在于，该系统包括：

主控制模块，所述主控制模块分别连接电池监测管理模块和显示模块，用于监测负载、与充电机交互、接收并分析电池监测管理模块的数据、分配各并联子电池组的充放电电流大小；

电池监测管理模块，设有若干个，用于监测并联子电池组所有电池的电压、关键节点的电池温度、被动均衡、估算电池组剩余容量SOC、PWM调节电池组充放电电流、并生成对应数据传输至主控制模块；

显示模块，用于显示系统运行状态、各电池组及其组内各单体电池的状态、查询/设置系统参数。

2.根据权利要求1所述的电池先串后并监测管理系统，其特征在于，所述主控制模块与充电机连接通讯，控制充电机的启停、充电电压及充电电流大小，主控制模块通过与各电池监测管理模块连接通讯，接收电池状态信息，下发充放电电流大小命令，主控制模块通过与显示模块连接通讯，上传数据用于显示或接收参数设置命令。

3.根据权利要求2所述的电池先串后并监测管理系统，其特征在于，各个所述电池监测管理模块串联在各个并联子电池组电路中，并通过采样线分别连接至各个对应的并联子电池组中。

4.根据权利要求3所述的电池先串后并监测管理系统，其特征在于，各个所述电池监测管理模块之间为并联关系，互不干扰，并通过预设地址码进行区分。

5.根据权利要求3所述的电池先串后并监测管理系统，其特征在于，所述电池监测管理模块包括有供电部分、充放电电流控制部分、电池电压温度采集部分和充放电电流采集部分，其中：

所述供电部分提供DC12V输出和DC3.3V输出，分别为电池监测管理模块和主控制模块供电；

所述充放电电流控制部分通过PWM控制双向DC-DC变换以实现充放电电流的控制；

所述电池电压温度采集部分通过多个电池管理芯片级联实现并联子电池组内各单体电池电压及关键节点的温度测量，并采用SPI与之通讯；

所述充放电电流采集部分通过相应的电流传感器进行测量。

6.根据权利要求5所述的电池先串后并监测管理系统，其特征在于，所述供电部分采用基于18-600V超宽电压输入DC-DC降压电源芯片XD308H，以18-600VDC作为输入、DC12V作为输出给电池监测管理模块供电，并且接出一路DC12V输出，通过SPX3819芯片降压为3.3V高电平端VCC为主控制模块供电。

7.根据权利要求5所述的电池先串后并监测管理系统，其特征在于，所述充放电电流控制部分在并联子电池组放电时，以三极管Q1、二极管D1、电感L2、电容C1、电容C2构成一个BUCK电路，通过PWM2控制三极管Q1导通占空比，实现控制并联子电池组输出电流的大小，在并联子电池组充电时，以三极管Q2、二极管D2、电感L2、电容C1、电容C2构成一个BUCK电路，通过PWM1控制三极管Q2导通占空比，实现控制并联子电池组的充电电流大小。

8.根据权利要求5所述的电池先串后并监测管理系统，其特征在于，所述电池电压温度采集部分采用集成电池管理芯片ISL94212，通过多个集成电池管理芯片ISL94212级联实现并联子电池组内各单体电池电压及关键节点的温度测量，同时采用集成电池管理芯片ISL94212配套的被动均衡方式。

9.根据权利要求5所述的电池先串后并监测管理系统，其特征在于，所述充放电电流采集部分采用的电流传感器为直流霍尔传感器。

10.一种采用权利要求1-9任一项所述的电池先串后并监测管理系统的操作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1)为各电池监测管理模块分配地址码，范围为1-254；

步骤2)设置电池标称容量及过充过放告警保护阈值，若不设置，则按系统默认值运行；

步骤3)接线，组成电池先串后并监测管理系统；

步骤4)启动上述系统，系统自动按以下流程运行；

步骤4.1)各电池监测管理模块实时监测单体电池电压、关键节点温度、充放电电流、估算并联子电池剩余容量SOC、并生成对应数据传输至主控制模块，主控制模块实时监测负载、充电机、及根据各电池监测管理模块传回的数据监测并联子电池组状态，并以显示模块实时显示；

步骤4.2)主控制模块对各电池监测管理模块传回的数据进行分析，并判断是否进入放电模式、充电模式或针对铅酸电池的浮充模式；

步骤4.21)在放电模式下，主控制模块根据各并联子电池剩余容量SOC计算其应输出放电电流，发送调节放电电流指令给对应的电池监测管理模块，电池监测管理模块根据放电电流大小调节PWM占空比，恒流放电；

步骤4.22)在充电模式下，主控制模块根据各并联子电池剩余容量SOC计算其充电电流，发送调节充电电流指令给对应的电池监测管理模块，电池监测管理模块根据放电电流大小调节PWM占空比，恒流充电；

步骤4.23)在浮充模式下，主控制模块发送浮充指令给对应的电池监测管理模块进行恒压输出；

步骤5)结束。