CN111541287A - 一种储能型锂电池组电池管理系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种储能型锂电池组电池管理系统，包括充电输入端、充电继电器控制端、充电电压采集端、通讯端、负载请求开关输入端、单体电芯电压采集线、电池管理单元、温度传感器采集线、温度传感器、电池模组、电池组负极、冷却系统、加热系统、冷却电源输入端、加热电源输入端、锂电池单体组、温度管理继电器控制端、负载继电器控制端、电池组正极、功率输出端、输出端电流传感器、输入端电流传感器，本发明功能完毕、集成度高、策略集中、可靠性高。

Description

一种储能型锂电池组电池管理系统及控制方法

技术领域：

本发明涉及一种储能型锂电池组电池管理系统及控制方法，特别的涉及一种应用在卡车、客车、房车及家庭环境下，对低压储能型锂电池组进行电池状态监控、多级充放电管理、温度管理等的电池管理系统。

背景技术：

在人们的生活或工作过程中离不开电能，在某些供电受限的环境下，通常需要电储能装置实现电能的存储、运输、分时应用等。目前常用的通常将电能转化为机械能、化学能、电场能等方式进行存储，储能器件的能量密度、功率密度、成本、转化效率等影响着应用及推广。化学能存储由于其功率密度高、能量密度大、转化效率高、制备及使用成本低等优点，目前已得到广泛的应用。蓄电池是一种应用最广泛的电能储能装置，通常使用的蓄电池类型有铅酸蓄电池、锂离子电池等。

酸蓄电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池，其安全性高、发展历史长、价格低，在低成本电储能方面广泛应用。由于铅酸电池其能量密度小、寿命短、重金属污染大、维护保养繁琐、具备记忆效应、放电深度小等缺点，制约着其进一步发展。锂离子电池由于能量密度高、无记忆效应、循环寿命长、环保等优点，越来越受到人们的关注。同时锂电池作为一种高能量物质，必须在一定的技术条件下使用，包括适宜的环境温度、安全的充放电电流、安全的容量使用区间、允许的单体一致性下，超出锂电池允许的技术条件下使用会影响电池寿命，严重会出现热失控等情况。这就要求使用匹配的电池管理系统进行锂电池组的应用进行监控及管理，电池管理系统的功能及性能优劣直接制约着储能型锂离子电池组的电性能、安全性及可靠性。

发明内容：

针对传统电池管理系统功能单一、集成度低、匹配度低、可靠性差等诸多不足，本发明提供一种功能完毕、集成度高、策略集中、可靠性高的锂电池组电池管理系统。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种储能型锂电池组电池管理系统，包括充电输入端、充电继电器控制端、充电电压采集端、通讯端、负载请求开关输入端、单体电芯电压采集线、电池管理单元、温度传感器采集线、温度传感器、电池模组、电池组负极、冷却系统、加热系统、冷却电源输入端、加热电源输入端、锂电池单体组、温度管理继电器控制端、负载继电器控制端、电池组正极、功率输出端、输出端电流传感器、输入端电流传感器。

所述电池管理单元为信号采集、控制输出、控制方法等实现的物理载体。

所述充电输入端为电池组提供充电电流，系统内部与所述电池组正极相连，其前端为所述充电继电器控制端控制的充电继电器，所述充电电压采集端位于上述充电继电器的前端。

所述通讯端为电池系统的通讯接口，包括但不局限于CAN通讯、SCI通讯，优选使用CAN通讯，所述电池管理单元通过所述通讯端与显示终端、控制终端、加热系统、冷却系统等通讯，实现状态信息上报及控制信息下达。

所述负载请求开关接入端与用电负载请求开关相连，通道数量根据实际应用设定并预留改装通道。

所述单体电芯电压采集线采集所述锂电池单体组中各锂电池单体正极端电压值，通道数与电池单体或电池并联单体数目相同。

所述温度传感器采集线与所述电池模组内部的所述温度传感器相连，所述温度传感器数目视电池组内部单体数量而定。

所述所述温度管理继电器控制端包含电池加热继电器控制、电机冷却继电器控制，实现外置电池加热继电器、电池冷却继电器的控制。

所述负载继电器控制端为负载用电回路的继电器控制端，优选所述负载继电器控制端数目与所述负载请求开关输入端通道数目相同。

所述负载功率输出端外接负载配电电路。

所述冷却电源输入端外接冷却继电器的功率输出端，为所述电池模组内部所述散热系统供电，优选所述散热系统为强制风冷散热系统。

所述加热电源输入端外接加热继电器的功率输出端，为所述电池模组内部的所述加热系统供电，优选所述加热系统为PTC加热薄膜。

所述输出端电流传感器、输入端电流传感器分别测量充电输入端、功率输出端的电流，优选使用霍尔式电流传感器或分流器。

所述电池组负极为电池组负极的功率负极端，低压锂电池组优选与控制系统负极共地。

本发明的另一个目的是，提供一种储能型锂电池组电池管理系统控制方法，具体包括如下步骤：

S1:电池管理单元实时根据锂电池组温度、单体电压、当前核电荷数、单体压差等信息，结合电池功率特性实时计算锂电池组允许的充放电电流值。

S2电池管理单元采集电池组输出端、电池组输入端的电流传感器数值，差值计算获得锂电池组的实时充放电电流，当实时充放电电流小于一定阈值时，使用锂电池组端电压查表获得锂电池组的核电荷数，当实时充放电电流大于一定阈值时，使用安时法获得锂电池组的核电荷数。

S3:电池管理单元采集充电机输入端电压信号，同时与充电及进行通讯，当达到充电条件时，闭合充电继电器，当出现充电电流过大或者充电电压过低等异常情况，电池管理单元主动断开充电继电器，保证电池安全。

S4:电池管理单元采集负载请求开关输入信号，当触发负载请求信号时，根据电池当前允许放电电流、实时放电电流、负载预设功率判断是否过流，当满足要求时，闭合负载继电器；当锂电池组放电过程中，实时放电电流大于允许放电电流时，主动依次断开优先级较低的负载的负载继电器，直到实时放电电流在允许放电电流范围内，避免出现过放电情况。

S5:电池管理系统实时采集锂电池组内部温度传感器信息，当温度超出最优区间时，主动闭合冷却系统继电器或加热系统继电器，实现电池组的降温或加热。

本发明的有益效果为：

1.电池管理单元采集电池模组功率输入端和功率输出端电流，实现系统输入端电流、系统输出端电流、锂电池组充放电电流的监控，可实现核电荷数估算及系统功率流分析；

2.电池管理单元采集电池模组单体电压信息、模组温度信息，根据锂电池组核电荷数实时获得当前允许充放电电流值，作为电池组动态保护的电流基准值，可在保证电池安全及寿命的前提下实现电池最优性能使用；

3.电池管理单元采集充电电压值，当充电电压值满足锂电池充电电压需求时，可通过控制充电继电器接通充电回路，防止出现锂电池组向充电端回流的情况，充电过程实时比较当前充电电流及允许充电电流，当出现过流充电时，主动断开的充电继电器；

4.当充电电流不满足锂电池组允许充电电流时，电池管理单元可控制充电继电器实现充电回路的断开，避免电池组出现过充电等不合理充电情况；

5.电池管理单元采集用多路电负载的请求开关信号，当锂电池组的实际放电电流大于允许放电电流时，可断开优先级较低的用电负载，直到实际放电电流在允许放电电流范围内，避免电池组出现过放电或不合理放电的情况；

6.电池管理单元控制电池组加热继电器、电池组冷却继电器的吸合与断开，热管理部件工作实现电池组温度的调节，保证电池组温度维持在最优区间，实时保证电池性能最优。

附图说明：

图1：一种储能型锂电池电源管理系统原理示意图；

图2：一种储能型锂电池电源管理系统应用实施图。

附图标记：1-充电输入端、2-充电继电器控制端、3-充电电压采集端、4-通讯端、5-负载请求开关输入端、6-单体电芯电压采集线、7-电池管理单元、8-温度传感器采集线、9-温度传感器、10-电池模组、11-电池组负极、12-冷却系统、13-加热系统、14-冷却电源输入端、15-加热电源输入端、16-锂电池单体组、17-温度管理继电器控制端、18-负载继电器控制端、19-电池组正极、20-功率输出端、21-输出端电流传感器、22-输入端电流传感器、101-充电机输入端、201-充电继电器、301-冷却系统保险丝、302-冷却系统继电器、303-加热系统继电器、304-加热系统保险丝、305-负载继电器、306-负载保险丝、307-负载、401-负载配电盒、501-负载请求开关。

具体实施方式：

下面结合附图，通过实施例，对本发明技术方案做进一步具体说明：

一种储能型锂电池组电池管理系统，包括充电输入端1、充电继电器控制端2、充电电压采集端3、通讯端4、负载请求开关输入端5、单体电芯电压采集线6、电池管理单元7、温度传感器采集线8、温度传感器9、电池模组10、电池组负极11、冷却系统12、加热系统13、冷却电源输入端14、加热电源输入端15、锂电池单体组16、温度管理继电器控制端17、负载继电器控制端18、电池组正极19、功率输出端20、输出端电流传感器21、输入端电流传感器22、充电机输入端101、充电继电器201、负载请求开关501、冷却系统保险丝301、冷却系统继电器302、加热系统保险丝304、加热系统继电器303、负载继电器305、负载保险丝306、负载307、负载配电盒401。

在本发明中，充电机输入端101与充电继电器201相连，充电继电器控制端2与充电继电器201控制端相连，充电电压采集端3采集充电继电器201前端电压，充电输入端1与充电继电器201输出端相连。

负载请求开关501与负载请求开关输入端5相连，此处选用低电平有效的开关信号。

负载配电盒401内包含冷却系统保险丝301、冷却系统继电器302、加热系统保险丝304、加热系统继电器303、负载继电器305、负载保险丝306，功率输出端20与负载配电盒401的负载继电器305、加热系统继电器303、冷却系统继电器302等的功率输入端相连，上述各继电器的后端分别接对应的保险丝及负载，其中加热系统负载为加热系统13、冷却系统负载为冷却系统12。

结合上述实施例硬件结构对本发明所涉及的控制方法描述如下：

一种储能型锂电池组电池管理系统控制方法，具体包括如下步骤：

系统开始工作后，电池管理单元7实时根据锂电池组温度、单体电压、电池组温度等信息，根据开路电压值查表获得锂电池组的核电荷数，使用电池组温度信息对核电荷数进行修正。

电池管理单元7根据电池组温度信息，进行系统温度的管理，当锂电池组温度低于一定阈值时，主动闭合加热系统继电器303，加热器发出热量提升电池组温度，锂电池组实时温度超出一定阈值时，断开加热系统继电器303；当锂电池组温度高于一定阈值时，主动闭合冷却系统继电器302，冷却系统实现锂电池组的降温，锂电池组温度低于一定阈值时，断开冷却系统继电器302。

电池管理单元7实时采集输入端电流传感器22、输出端电流传感器21信号值，通过差值计算获得锂电池组的实时充放电电流值。

电池管理单元7实时采集充电机输入端101电压值，同时与充电机进行通讯，根据充电机输入端101电压值、充电机反馈信息、当前允许充电电流值、当前核电荷数等判断是否满足充电需求，当满足充电需求时主动闭合充电继电器201，充电过程中当充电电流超出允许范围，断开充电继电器201。

电池管理单元7实时采集负载请求开关501信号，当触发负载请求信号时，根据电池当前允许放电电流、实时放电电流、负载预设功率判断是否过流，当满足要求时，闭合负载继电器305；当锂电池组放电过程中，实时放电电流大于允许放电电流时，主动依次断开优先级较低的负载的负载继电器305，直到实时放电电流在允许放电电流范围内，避免出现过放电情况。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种储能型锂电池组电池管理系统，其特征在于，包括充电输入端、充电继电器控制端、充电电压采集端、通讯端、负载请求开关输入端、单体电芯电压采集线、电池管理单元、温度传感器采集线、温度传感器、电池模组、电池组负极、冷却系统、加热系统、冷却电源输入端、加热电源输入端、锂电池单体组、温度管理继电器控制端、负载继电器控制端、电池组正极、功率输出端、输出端电流传感器、输入端电流传感器。

2.如权利要求1所述的储能型锂电池组电池管理系统，其特征在于：所述充电输入端包括充电机输入端，所述充电继电器控制端与充电继电器输出端相连，所述充电输入端与所述充电继电器输出端相连，所述电池管理单元通过所述通讯端与显示终端、控制终端、加热系统、冷却系统通讯，所述负载请求开关输入端与负载请求开关相连，所述温度传感器采集线与所述电池模组内部的所述温度传感器相连，所述负载继电器控制端为负载用电回路的继电器控制端，所述负载功率输出端外接负载配电电路，所述负载继电器控制端与负载配电盒相连。

3.如权利要求2所述的储能型锂电池组电池管理系统，其特征在于，所述负载配电盒内包含冷却系统保险丝、冷却系统继电器、加热系统保险丝、加热系统继电器、负载继电器、负载保险丝，所述功率输出端与所述负载配电盒的负载继电器、加热系统继电器、冷却系统继电器的功率输入端相连，上述继电器的后端分别接对应的保险丝及负载，其中负载为所述加热系统和冷却系统，所述冷却电源输入端外接冷却继电器的功率输出端，所述加热电源输入端外接加热继电器的功率输出端。

4.如权利要求3所述的储能型锂电池组电池管理系统，其特征在于，所述通讯端为电池系统的通讯接口为CAN通讯。

5.如权利要求3所述的储能型锂电池组电池管理系统，其特征在于，所述负载继电器控制端数目与所述负载请求开关输入端通道数目相同。

6.如权利要求3所述的储能型锂电池组电池管理系统，其特征在于，所述加热系统为PTC加热薄膜。

7.如权利要求3所述的储能型锂电池组电池管理系统，其特征在于，所述输出端电流传感器和输入端电流传感器使用霍尔式电流传感器或分流器。

8.如权利要求3所述的储能型锂电池组电池管理系统，其特征在于，所述低压锂电池组与控制系统负极共地。

9.一种储能型锂电池组电池管理系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:电池管理单元实时计算获取锂电池组允许的充放电电流值；

S2：电池管理单元使用开路电压法或安时法获得锂电池组核电荷数；

S3:电池管理单元根据实时充电电流值及允许充电电流值决策充电继电器的吸合与断开；

S4:电池管理单元根据负载请求信号、实时放电电流值及实时允许放电电流值，根据负载优先级决策各个负载继电器的吸合与断开；

S5:电池管理系统根据锂电池组温度值决策加热系统继电器、冷却系统继电器的吸合与断开。

10.如权利要求9所述的储能型锂电池组电池管理系统的控制方法，其特征在于：

在S1中，电池管理单元实时根据锂电池组温度、单体电压、当前核电荷数、单体压差等信息，结合电池功率特性实时计算锂电池组允许的充放电电流值；

在S2中，电池管理单元采集电池组输出端、电池组输入端的电流传感器数值，差值计算获得锂电池组的实时充放电电流，当实时充放电电流小于一定阈值时，使用锂电池组端电压查表获得锂电池组的核电荷数，当实时充放电电流大于一定阈值时，使用安时法获得锂电池组的核电荷数；

在S3中，电池管理单元采集充电机输入端电压信号，同时与充电及进行通讯，当达到充电条件时，闭合充电继电器，当出现充电电流过大或者充电电压过低等异常情况，电池管理单元主动断开充电继电器，保证电池安全；

在S4中，电池管理单元采集负载请求开关输入信号，当触发负载请求信号时，根据电池当前允许放电电流、实时放电电流、负载预设功率判断是否过流，当满足要求时，闭合负载继电器；当锂电池组放电过程中，实时放电电流大于允许放电电流时，主动依次断开优先级较低的负载的负载继电器，直到实时放电电流在允许放电电流范围内，避免出现过放电情况；

在S5中，电池管理系统实时采集锂电池组内部温度传感器信息，当温度超出最优区间时，主动闭合冷却系统继电器或加热系统继电器，实现电池组的降温或加热。

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