CN111564883A - 一种主动式蓄电池充放电管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式蓄电池充放电管理系统及方法，包括整流电源、电池组，整流电源输出端一端通过固态继电器与电池组正极连接，整流电源输出端另一端与电池组负极连接，电池组的各个电池模块分别连接智能转换模块，固态继电器、智能转换模块与控制管理系统连接，控制管理系统还与互联网通信模块连接。本发明不论电池组里的单体与其他单体的电压或容量是否一致，都可以让每一个单体处于最佳的充、放电状态，既可以确保每个单体都不过充过放，可以让每个单体的能量都能发挥作用。对于新电池组，可以从开始就保护每节电芯不过充过放，显著提升电池的使用寿命，可以使整组电池都达到单个电芯的理论使用寿命上限，不会提前衰竭。

Description

一种主动式蓄电池充放电管理系统及方法

技术领域：

本发明涉及电池充电管理技术领域，尤其涉及一种主动式蓄电池充放电管理系统及方法。

背景技术：

电池进行串联配组时，禁止容量不一致/电压不一致的电池单体进行串并联工作，否则会严重降低电池组的有效容量和寿命。即使对于配组很好的新电池组，经过一段时间的循环使用之后，整组电池中必然会出现个体容量相对落后的单体，若不及时发现更换，按照传统的被动式电池管理系统，整组电池的有效容量将由系统里最差的单体电池的的容量来决定。

目前主流的电池管理系统(BMS)都是被动式的，只负责对电池组整体和每一个单体的电压电流进行监测，发现有过充或者的单体，采取的措施是整组切断充电或放电，这样会让整体电池组的有效容量按照最差的单体进行充电放电，时间久了，所有电芯的有效容量都会因充电不足而提前衰竭。原本设计5年的电池组，很可能只能运行2～3年而提前报废，对经济和环境都是很大的浪费。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种主动式蓄电池充放电管理系统及方法，以解决现有技术的不足。

本发明由如下技术方案实施：包括整流电源、电池组，所述整流电源输出端连接用电载荷，还包括多个智能转换模块，所述整流电源输出端一端通过固态继电器与电池组正极连接，所述整流电源输出端另一端与电池组负极连接，所述电池组的正极还通过固态继电器连接多个智能转换模块的输入端，所述多个智能转换模块的输出端还分别连接所述电池组的各个单体电芯，所述固态继电器模块、智能转换模块与控制管理系统连接，所述控制管理系统还与互联网通信模块连接。

优选的，所述智能转换模块包括直流母线输入模块、滤波电路模块、推挽功率变换电路、整流滤波开关控制模块、CV/CC控制电路、PWM驱动电路、MCU控制及通信模块、隔离式通信模块、温度检测电路、升压变换电路，所述直流母线输入模块、滤波电路模块、推挽功率变换电路依次连接，所述推挽功率变换电路通过变压器与整流滤波开关控制模块连接，所述整流滤波开关控制模块还连接CV/CC控制电路，所述CV/CC控制电路通过光电耦合器连接PWM驱动电路，所述PWM驱动电路输出端连接推挽功率变换电路，所述CV/CC控制电路还连接MCU控制及通信模块，所述MCU控制及通信模块连接隔离式通信模块、温度检测电路、升压变换电路，所述整流滤波开关控制模块、温度检测电路、升压变换电路均连接电池组的单体电池。

优选的，所述智能转换模块为输出2-4V/20A的DC-DC转换模块。

优选的，所述控制管理系统为基于ARM架构的以STM32F103VT6处理器为核心的控制管理系统，包括通信管理单元、能耗管理单元、逻辑处理单元和客户交互单元，其中：

通信管理单元，用于与智能转换模块、互联网通信模块实现信息通信；

能耗管理单元，用于管理控制管理系统的能耗；

逻辑处理单元，用于对接收的智能转换模块、互联网通信模块的信息进行逻辑处理，并发出控制命令；

客户交互单元，用于通过按键和显示屏实现与用户交互。

优选的，所述互联网通信模块为4G模块、5G模块或者WLAN模块。

优选的，所述控制管理系统通过CAN总线与智能转换模块连接。

优选的，所述隔离式通信模块为485通信模块或者CAN总线模块。

一种主动式蓄电池充放电管理方法，包括：

正常充电时，充电回路为：整流电源正极→固态继电器模块→电池组→整流电源负极，所述电池组的每个单体电芯通过智能转换模块来直接监控各自对应的单体电芯的电压和容量信息，并且实时把所述电池的电压和容量信息通过CAN/485总线传输给控制管理系统；当电池组中任何一个单体电芯电压达到充电保护上限时，控制管理系统控制固态继电器模块断开进而切断主充，转入用内置智能转换模块给其余的单体电芯进行单独均衡充电；

放电时，放电回路为：电池组正极→固态继电器模块→用电载荷→电池组负极，所述放电回路中，电池组的各个单体电芯的放电仍然要受到其对应的智能转换模块的能量补充均衡控制，通过智能转换模块的变换从整组电池组中抽取小部分能量，注入到容量较低的单体电芯，其工作过程与上述对每一节单体电芯独立均衡充满的过程相同。

优选的，所述内置智能转换模块给其余的单体电芯进行单独均衡充电具体充电回路为：电池组→直流母线→固态继电器模块→滤波电路模块→推挽功率变换电路→变压器→整流滤波开关控制模块→需要均衡充电的单体电芯；其中，所述具体充电回路还包括MCU控制及通信模块、CV/CC控制电路和PWM驱动电路的控制，具体控制步骤为：

MCU控制及通信模块控制CV/CC控制电路产生恒压恒流信号，然后恒压恒流信号给PWM驱动电路使得其工作，进而PWM驱动电路产生PWM波再经过推挽功率变换电路放大变换，将直流母线输入的经过滤波电路模块滤波后的直流电压调制为PWM电压，然后变压器实现初级和次级的电磁能量感应，进而变压器次级将电池组的电能传递给整流滤波开关控制模块进行整流滤波，输出为需要的直流电压，给电池单体电芯充电。

本发明的优点：

本发明不论电池组里的单体与其他单体的电压或容量是否一致，都可以让每一个单体处于最佳的充、放电状态，既可以确保每个单体都不过充过放，可以让每个单体的能量都能发挥作用。对于新电池组，可以从开始就保护每节电芯不过充过放，显著提升电池的使用寿命，可以使整组电池都达到单个电芯的理论使用寿命上限，不会提前衰竭。对于电池组各单体一致性不太好的应用场合，比如从电动车转退下来的梯次电池组合成的储能电池组，使用本系统可以发挥出色的均衡管理效果。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的智能转换模块原理框图。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种主动式蓄电池充放电管理系统，包括整流电源1、电池组2，整流电源1输出端一端通过固态继电器模块3与电池组2正极连接，整流电源1输出端另一端与电池组2负极连接，电池组2的各个电池模块分别连接智能转换模块4，固态继电器模块3、智能转换模块4与控制管理系统6连接，控制管理系统6还与互联网通信模块5连接。其中，控制管理系统6通过CAN总线与智能转换模块4连接，控制智能转换模块4工作，进而实现对电池组2的各个电池模块进行充电控制。

如图1所示，整流电源1可以是48V 120A整流电源。电池组2可以是铅酸电池组、磷酸铁锂电池组或锂离子电池组，比如为24只2V500Ah铅酸电池或16只300AH的LIFEPO电芯串联组成。

固态继电器3为120A固态继电器。

如图2所示，智能转换模块4包括直流母线输入模块、滤波电路模块、推挽功率变换电路、整流滤波开关控制模块、CV/CC控制电路、PWM驱动电路、MCU控制及通信模块、隔离式通信模块、温度检测电路、升压变换电路，直流母线输入模块、滤波电路模块、推挽功率变换电路依次连接，推挽功率变换电路通过变压器与整流滤波开关控制模块连接，整流滤波开关控制模块还连接CV/CC控制电路，CV/CC控制电路通过光电耦合器连接PWM驱动电路，PWM驱动电路输出端连接推挽功率变换电路，CV/CC控制电路还连接MCU控制及通信模块，MCU控制及通信模块连接隔离式通信模块、温度检测电路、升压变换电路，整流滤波开关控制模块、温度检测电路、升压变换电路均连接电池组2的单体电池。其中，智能转换模块4为2-4V/20A的DC-DC转换模块。

控制管理系统6为基于ARM架构的以STM32F103VT6处理器为核心的控制管理系统，包括通信管理单元、能耗管理单元、逻辑处理单元和客户交互单元，其中：

通信管理单元，用于与智能转换模块4、互联网通信模块5实现信息通信；

能耗管理单元，用于管理控制管理系统的能耗；

逻辑处理单元，用于对接收的智能转换模块4、互联网通信模块5的信息进行逻辑处理，并发出控制命令；

客户交互单元，用于通过按键和显示屏实现与用户交互。

其中，互联网通信模块5为4G模块、5G模块或者WLAN模块。

整流电源1输出端连接用电载荷7，用电载荷7即电池组2供电的负载设备。如通信系统、电动汽车、储能电站等众多领域使用的设备。

本发明提出的“主动式蓄电池充放电管理系统”与传统的被动式设计方案不同，主要是针对充电和放电不同的工作模式采用不同的主动式均衡策略：

充电时采用先整体大电流主充，当系统中任何一个单体电池电压达到充电保护上限时，控制管理系统6控制固态继电器3断开进而切断主充，转入用高效内置智能转换模块4(2-4V/20A的DC-DC转换模块)给每个单体电芯进行单独均衡充电，传统的电池BMS只是切断主充，就停止了。这样既可以快速把电池组能量补起来，又可以对每一节电芯独立均衡充满。

放电时采用“劫富济贫”的策略，从整组电池中抽取小部分能量，通过高效DCDC模块，注入到容量较低的单体电芯，可以理解为让容量大的电池出力相对大些，容量小的电池出力相对小些，实现整组电池的最大放电潜能，既可以延长放电时间见，又不会对任何一节电芯过放电。

其中，实现上述充放电功能主要需要智能转换模块4的控制，结合图2，本发明的主动式蓄电池充放电方法具体原理是：

由N个单体电芯串联连接组成的电池组2的输出端连接图2所示的直流母线输入模块，正常主充电时，按照图1所示，充电回路为整流电源1正极→固态继电器模块3→电池组2→整流电源1负极。每个电池单体都是通过智能转换模块4来直接监控各自对应的电池的电压和容量，并且实时把电池的上述信息通过CAN/485总线报告给控制管理系统6。当电池组中任何一个单体电池电压达到充电保护上限时，控制管理系统6控制固态继电器模块3断开进而切断主充，转入用高效内置智能转换模块4(2-4V/20A的DC-DC转换模块)给其余单体电芯进行单独均衡充电。切断主充后，结合图1、图2，直流母线通过固态继电器模块3输入能量到智能转换模块4，此时的充电回路为：电池组2→直流母线→固态继电器模块3→滤波电路模块→推挽功率变换电路→变压器→整流滤波开关控制模块→需要均衡充电的对应单体电芯。结合图1，每个电池组单体都对应一个智能转换模块4，此时需要均衡充电的电池组单体，其对应的智能转换模块4才工作，其余的不需要均衡充电的电池组单体对应的智能转换模块4不工作，智能转换模块4的工作与否主要取决于MCU控制及通信模块、CV/CC控制电路和PWM驱动电路：MCU控制及通信模块控制CV/CC控制电路产生恒压恒流信号，然后恒压恒流信号给PWM驱动电路使得其工作，进而PWM驱动电路产生PWM波再经过推挽功率变换电路放大变换，将直流母线输入的经过滤波电路模块滤波后的直流电压调制为PWM电压(与所产生的PWM波相近的放大波形)，因为推挽功率变换电路的直流供电电路就是直流母线输入的经过滤波电路模块滤波后的直流电压。然后变压器才可以实现初级和次级的电磁能量感应，进而变压器次级将电池组的电能传递给整流滤波开关控制模块进行整流滤波，输出为需要的直流电压，给电池单体电芯充电。这样就相当于整流电源1的电能通过智能变换模块4给这个需要均衡的电池组单体实施单独均衡充电。而传统的电池BMS只是切断主充，就停止了。这样既可以快速把电池组能量补起来，又可以对每一节电芯独立均衡充满。

放电时，回路为电池组2分两组输出，主要的能量是由电池组正极→固态继电器模块3→用电载荷7→电池组2负极，上述放电回路中，电池组2的各个单体电池的放电仍然要受到其对应的智能转换模块4的能量补充均衡控制。在放电时，需要从整组电池组中抽取小部分能量，通过智能转换模块4的变换，注入到容量较低的单体电芯，其工作过程与上述对每一节电芯独立均衡充满的过程基本相同，不同之处是此时智能变换模块4的输入能量来自整个电池组2，而不是外部整流电源1。从宏观上可以理解为让容量大的电池出力相对大些，容量小的电池出力相对小些，实现整组电池的最大放电潜能，既可以延长放电时间见，又不会对任何一节电芯过放电。

如图2所示，单体电芯(直流2-4V)需要经过升压变换电路变换为MCU控制及通信模块所需的电压(2-5V)，智能转换模块4的能量变换以及相连接的电池的工作状态(温度情况)均由“MCU控制及通信”功能单元来处理，每个单独的智能转换模块4通过隔离式CAN或485通信端口与图1的控制管理系统6或者其他模块来交换信息和信令。

本发明的主要功用是：不论电池组里的单体与其他单体的电压或容量是否一致，本系统都可以让每一个单体处于最佳的充、放电状态，既可以确保每个单体都不过充过放，可以让每个单体的能量都能发挥作用。对于新电池组，本发明可以从开始就保护每节电芯不过充过放，显著提升电池的使用寿命，可以使整组电池都达到单个电芯的理论使用寿命上限，不会提前衰竭。对于电池组各单体一致性不太好的应用场合，比如从电动车转退下来的梯次电池组合成的储能电池组，使用本系统可以发挥出色的均衡管理效果。

另外，本发明采用一体化结构设计，安装使用非常简单，支持互联网云端远程后台管理、电池状态信息采集、充放电参数远程设定等多种功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种主动式蓄电池充放电管理系统，包括整流电源(1)、电池组(2)，所述整流电源(1)输出端连接用电载荷(7)，其特征在于，还包括多个智能转换模块(4)，所述整流电源(1)输出端一端通过固态继电器(3)与电池组(2)正极连接，所述整流电源(1)输出端另一端与电池组(2)负极连接，所述电池组(2)的正极还通过固态继电器(3)连接多个智能转换模块(4)的输入端，所述多个智能转换模块(4)的输出端还分别连接所述电池组(2)的各个单体电芯，所述固态继电器模块(3)、智能转换模块(4)与控制管理系统(6)连接，所述控制管理系统(6)还与互联网通信模块(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种主动式蓄电池充放电管理系统，其特征在于，所述智能转换模块(4)包括直流母线输入模块、滤波电路模块、推挽功率变换电路、整流滤波开关控制模块、CV/CC控制电路、PWM驱动电路、MCU控制及通信模块、隔离式通信模块、温度检测电路、升压变换电路，所述直流母线输入模块、滤波电路模块、推挽功率变换电路依次连接，所述推挽功率变换电路通过变压器与整流滤波开关控制模块连接，所述整流滤波开关控制模块还连接CV/CC控制电路，所述CV/CC控制电路通过光电耦合器连接PWM驱动电路，所述PWM驱动电路输出端连接推挽功率变换电路，所述CV/CC控制电路还连接MCU控制及通信模块，所述MCU控制及通信模块连接隔离式通信模块、温度检测电路、升压变换电路，所述整流滤波开关控制模块、温度检测电路、升压变换电路均连接电池组(2)的单体电池。

3.根据权利要求2所述的一种主动式蓄电池充放电管理系统，其特征在于，所述智能转换模块(4)为输出2-4V/20A的DC-DC转换模块。

4.根据权利要求1所述的一种主动式蓄电池充放电管理系统，其特征在于，所述控制管理系统(6)为基于ARM架构的以STM32F103VT6处理器为核心的控制管理系统，包括通信管理单元、能耗管理单元、逻辑处理单元和客户交互单元，其中：

通信管理单元，用于与智能转换模块(4)、互联网通信模块(5)实现信息通信；

能耗管理单元，用于管理控制管理系统的能耗；

逻辑处理单元，用于对接收的智能转换模块(4)、互联网通信模块(5)的信息进行逻辑处理，并发出控制命令；

客户交互单元，用于通过按键和显示屏实现与用户交互。

5.根据权利要求1所述的一种主动式蓄电池充放电管理系统，其特征在于，所述互联网通信模块(5)为4G模块、5G模块或者WLAN模块。

6.根据权利要求1所述的一种主动式蓄电池充放电管理系统，其特征在于，所述控制管理系统(6)通过CAN总线与智能转换模块(4)连接。

7.根据权利要求2所述的一种主动式蓄电池充放电管理系统，其特征在于，所述隔离式通信模块为485通信模块或者CAN总线模块。

8.一种主动式蓄电池充放电管理方法，其特征在于，包括：

正常充电时，充电回路为：整流电源正极→固态继电器模块→电池组→整流电源负极，所述电池组的每个单体电芯通过智能转换模块来直接监控各自对应的单体电芯的电压和容量信息，并且实时把所述电池的电压和容量信息通过CAN/485总线传输给控制管理系统；当电池组中任何一个单体电芯电压达到充电保护上限时，控制管理系统控制固态继电器模块断开进而切断主充，转入用内置智能转换模块给其余的单体电芯进行单独均衡充电；

放电时，放电回路为：电池组正极→固态继电器模块→用电载荷→电池组负极，所述放电回路中，电池组的各个单体电芯的放电仍然要受到其对应的智能转换模块的能量补充均衡控制，通过智能转换模块的变换从整组电池组中抽取小部分能量，注入到容量较低的单体电芯，其工作过程与上述对每一节单体电芯独立均衡充满的过程相同。

9.根据权利要求8所述的一种主动式蓄电池充放电管理方法，其特征在于，所述内置智能转换模块给其余的单体电芯进行单独均衡充电具体充电回路为：电池组→直流母线→固态继电器模块→滤波电路模块→推挽功率变换电路→变压器→整流滤波开关控制模块→需要均衡充电的单体电芯；其中，所述具体充电回路还包括MCU控制及通信模块、CV/CC控制电路和PWM驱动电路的控制，具体控制步骤为：MCU控制及通信模块控制CV/CC控制电路产生恒压恒流信号，然后恒压恒流信号给PWM驱动电路使得其工作，进而PWM驱动电路产生PWM波再经过推挽功率变换电路放大变换，将直流母线输入的经过滤波电路模块滤波后的直流电压调制为PWM电压，然后变压器实现初级和次级的电磁能量感应，进而变压器次级将电池组的电能传递给整流滤波开关控制模块进行整流滤波，输出为需要的直流电压，给电池单体电芯充电。

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