CN111697659A - 一种电池管理电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种电池管理电路，所述电池管理电路包括电池组、熔断器、第一开关、第二开关、第三开关、预充电阻、电池管理单元、电池控制系统和后台监控系统；电池组、熔断器、第一开关和第二开关之间串联连接；第三开关和预充电阻之间串联连接，并与第二开关并联；电池管理单元的输出端与电池控制系统的输入端相连接，电池管理单元用于采集电池组的电压数据、电流数据以及温度数据，并将电压数据、电流数据以及温度数据发送给电池控制系统；电池控制系统分别与第一开关、第二开关和第三开关的控制端连接，用以控制第一开关、第二开关和第三开关的开启与关闭；后台监控系统与电池控制系统连接，所述后台监控系统用于监控电池管理电路。

Description

一种电池管理电路

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，尤其涉及一种电池管理电路。

背景技术

随着科技水平的不断进步以及机械自动化程度的提高，各种用电装置逐渐增多，电池行业迅速发展。为了满足各种用电装置的需求，电池的容量越来越大，且通常会配置电池管理电路，以保证用电装置在使用电池时的安全。

目前，电池管理电路监控每块电池或每个小组电池的电压，根据执行情况，当任何一个电池的电压下降到预定值以下时断开负荷，充电时，当任何一个电池达到预定电压时，则分流器被激活，该电池绕过一些充电电流，充电仍在继续。当电池堆栈电压达到预定值，充电终止。电池充电器通常使用某种形式的电压转换开关以及具有正端子和负端子的电流限制器。

电池驱动的装置例如无线工具、电动交通工具和备用电源系统UPS通常使用多元化电池，一系列串联的多元化电池提高输出电压以便对于给定的输出功率进行降低电流的操作。增加的电压用来与那些可利用的低成本的部件匹配来建立一个应用电路。这一系列连接的电池堆栈使每个电池在充电或者放电时使用同样的电流。在典型电池包里的单个电池均被设计成相同的电池，但是这些电池存在制造公差，并且这些电池并不确切的拥有相同的容量。当给这样不完善的电池包充电时，最小容量的电池将会在其他的电池充满之前充满电，过度充电会损坏电池并且严重缩短电池寿命，为了防止过度充电，每个电池内的电压都会被监控，当电池电压达到预定值时，充电被就会停止或者分流器被激活，分流器会使电流绕过部分已经充满电的电池，以此防止给其他未充满电的电池继续充电时造成过度充电。

当电池包过度放电时，同样的电压监控电路将会断开任何一个电池电压降到预定值以下的连接。一个系列电池组里的虚弱电池将在其他电池之前被用完，当一个电池被过度放电并且仍然与负荷连接时，其他的电池将会提供电流给负荷，电压将释放保持放电状态，最终结束放电来防止一个虚弱的电池发生急性反转而被毁没是必须的。

如果电路里同时有一个容量为10A的电池和一个容量为9A的虚弱电池，充电时9A电池电的分流就被激活，而其他的电池将继续充电直至全部电池充满，在放电期间，9A电池将第一个用尽并且它内部的电压将开始下降，因为其他电池里仍有1A，所以它们继续提供电流，因为这一系列连接，这些电流将通过9A的电池并且尝试进一步使之停止放电。当电压保持下降，电池管理电路检测到9A的电池有一些很低的电流通过并且未连接负荷，结果就是因为这种保护行为，电池组只能仅仅提供9A电池的能量，换句话说，总电池容量降到了最虚弱的那块电池的容量大小。

制造者已经把这种单个电池作为典型，当装配电池包的时候，使用同样容量的电池。这就允许所有的电池都可以在差不多同样的时间放电。电池根据它们的测定容量被组合和放置。例如：如果制造一个10A的电池包，那么该电池包中的单个电池被分类配置，例如9.7A对9.8A，9.8A对9.9A，10A对10.1A，10.1A对10.2A，10.2A对10.3A，然后电池包被来自同样装置的电池进行装配。然而这样装配仍然不能保证电池包中所有电池的容量全部用完。

由上述可知，在现有技术中，在串联成组的电池组系统中电池管理电路仅仅能够监测电池组中电池的电压，在电池组放电时，电池管理电路监测到电池组中的第一块电池的电压下降到预定值之时便立即停止放电，整个电池组系统的容量由容量最小的单体决定，也就是说，电池容量的一致性会影响整组电池的性能，导致电池组实际可用容量降低，也降低了电池的使用寿命。

因此，急需设计一种能够解决上述问题的电池管理电路。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种结构简单且可对电池单体及整组电池进行实时监控、充放电、均衡、巡检、温度监测等的电池管理电路。

为实现上述目的，本发明提供了一种电池管理电路，所述电池管理电路包括电池组、熔断器、第一开关、第二开关、第三开关、预充电阻、电池管理单元、电池控制系统和后台监控系统；

所述电池组、熔断器、第一开关和第二开关之间串联连接；所述第三开关和所述预充电阻之间串联连接，并与所述第二开关并联；

所述电池管理单元的输出端与所述电池控制系统的输入端相连接，用于采集所述电池组的电压数据、电流数据以及温度数据，并将所述电压数据、电流数据以及温度数据发送给所述电池控制系统；

所述电池控制系统分别与所述第一开关、第二开关和第三开关的控制端连接，用以控制所述第一开关、第二开关和第三开关的开启与关闭；

所述后台监控系统与所述电池控制系统连接；所述后台监控系统用于监控所述电池管理电路。

优选的，所述电池管理电路还包括电流源，所述电流源与所述电池组串联连接，所述电池管理单元通过所述电流源采集所述电池组的所述电流数据。

优选的，所述电池管理电路还包括AC-DC转化器，所述电池控制系统通过所述AC-DC转化器与市电相连。

优选的，所述电池控制系统包括第一自检模块和第一存储器；

所述第一自检模块用于对所述电池控制系统进行自动检测，并生成系统自检结果；所述第一存储器用于存储所述系统自检结果。

进一步优选的，所述电池管理单元包括第二自检模块和第二存储器；

所述第二自检模块用于对所述电池管理单元进行自动检测，并生成单元自检结果；所述第二存储器用于存储所述单元自检结果。

优选的，所述电池管理电路还包括屏幕，所述屏幕与所述电池控制系统连接；

所述屏幕用于显示所述电压数据、电流数据和温度数据，并向所述电池控制系统输入操控指令。

优选的，所述电池管理电路还包括电压采集电路；所述电压采集电路分别与所述电池组和所述电池管理单元连接；

所述电压采集电路用于采集所述电池组中多个单体电池的所述电压数据，并将所述电压数据发送至所述电池管理单元。

优选的，所述电池管理电路还包括温度采集电路；所述温度采集电路分别与所述电池组和所述电池管理单元连接；

所述温度采集电路用于采集所述电池组中多个单体电池的所述温度数据，并将所述温度数据发送至所述电池管理单元。

优选的，所述电池管理电路还包括CAN通信电路；所述CAN通信电路分别与所述电池控制系统、所述电池管理单元连接；

所述CAN通信电路用于提供所述电池管理单元与所述电池控制系统之间数据传输的接口。

优选的，所述电池控制系统与所述后台监控之间采用RS-485通讯。

本发明实施例提供的电池管理电路，采用电池管理单元和电池控制系统的两级BMS管理方案，电池管理单元对电池模组进行管理，电池控制系统用于控制和管理电池组串，对单体电池及整组电池进行实时监控、充放电、均衡、巡检、温度监测等，从而可以同时管理多组电池，检测每组中所有单体电池电压、电池组总电流、多路环境温度等，同时，本申请电池管理电路中电池管理单元和电池控制系统可实现电池组内、电池组间的被动均衡控制，即使电池组中装配有容量不同的电池，电池组串充电时，所有的电池均能够被充满而不会出现低容量电池过充现象，电池组串放电时，所有的电池将同时耗尽，解决了电池容量一致性导致的电池组实际可用容量降低的问题，提高了电池的使用寿命，更安全。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电池管理电路的工作原理示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。可以理解的是，下述所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

本发明实施例涉及提供的电池管理电路，结构简单，可对单体电池及整组电池进行实时监控、充放电、均衡、巡检、温度监测等，可以管理多组电池，检测每组中所有单体电池电压、电池组总电流、多路环境温度等，并解决了现有技术中电池组过充过放的问题，提高了电池的使用寿命，使用安全。

图1为本发明实施例提供的电池管理电路的工作原理示意图。下面结合图1，对本申请电池管理电路的各个部件以及它们之间的连接关系进行介绍。

本发明实施例所提供的电池管理电路包括电池组1、熔断器2、第一开关3、第二开关4、第三开关5、预充电阻6、电池管理单元7、电池控制系统8、后台监控系统9、电流源10、AC-DC转化器11和屏幕12。

具体的，电池组1、熔断器2、第一开关3和第二开关4之间串联连接，第三开关5和预充电阻6之间串联连接，并与第二开关4并联。由电池组1、熔断器2、第一开关3、第二开关4、第三开关5和预充电阻6所组成的电路串联在储能变流器(Power Conversion System，PCS)的两端，PCS与电网连接。优选的，电池组1、熔断器2、第一开关3和第二开关4依次串联，且电池组1的负极与PCS连接。

需要理解的是，电池组1可以为一组，也可以为多组，且电池管理单元7的个数与电池组1的个数相对应，如图1所示，仅示出了一组电池组1的情况。当该电池管理电路应用于电池组串的电池管理系统时，串联电路中连接有多组电池组1，相对应的也会设立多个电池管理单元7，且每组电池组1分别与每个电池管理单元7相对应，从而更有利于对电池组1内电池单体的控制和管理。

本申请电池管理电路采用电池管理单元7与电池控制系统8相结合的两级BMS管理方案，即主从机方案，电池管理单元7作为从机，管理电池模组管理单元，电池控制系统8作为主机，控制和管理电池组串。

其中，电池管理单元7的输出端与电池控制系统8的输入端相连接，用于采集电池组1的电压数据、电流数据以及温度数据，并将电压数据、电流数据以及温度数据发送给电池控制系统8。

优选的，电池控制系统8与电池管理单元7之间通过CAN通信电路连接，CAN通信电路用于提供电池管理单元7与电池控制系统8之间数据传输的接口，从而仅使用两条铰线即可实现多节点的信息通讯，大大减少了两者节点之间的电线连接。在一个具体的实施过程中，电池控制系统8的CAN接口高端和接口低端分别与电池管理单元7的CAN总线的高端CAN1H和低端CAN1L连接。

进一步的，为实现对电池组1电压数据和温度数据的采集，本发明实施例所提供的电池管理电路还包括电压采集电路(图中未示出)和温度采集电路(图中未示出)。电压采集电路分别与电池组1和电池管理单元7连接，用于采集电池组1中多个单体电池的电压数据，并将电压数据发送至电池管理单元7，详细的，电压采集电路用于检测电池组中每个电池单体的分电压，并由电池管理单元7收集所检测到的电压数据。温度采集电路分别与电池组1和电池管理单元7连接，温度采集电路用于采集电池组1中多个单体电池的温度数据，并将温度数据发送至电池管理单元7，详细的，温度采集电路检测电池组的温度，并由电池管理单元7收集所检测到的温度数据。

此外，本申请电池管理电路还包括电流源10，电流源10与电池组1串联连接，电池管理单元7通过电流源10采集电池组1的电流数据。详细的，电流源10串联在电流回路中，通过采样和负反馈电路时电流源10内的导通电阻受输出电流的实时控制，当因负载电阻减小或回路电压增大而发生回路电流增大的趋势时，电流源10内的导通电阻增大，当因负载电阻增大或回路电压减小而发生回路电流减小的趋势时，这电流源10内的导通电阻减小，从而维持回路电流的稳定。

电池控制系统8为电池管理电路中的中央处理器，其分别与第一开关3、第二开关4和第三开关5的控制端连接，用以控制第一开关3、第二开关4和第三开关5的开启与关闭，从而对控制和管理电池组串。

同时，为解决现有技术中电池容量一致性导致的电池组实际可用容量降低的问题，电池控制系统8和电池管理单元7均采用被动均衡控制的智能化技术。电池管理单元7采集电池组内每一电池单体的状态信息，并根据电池单体的状态信息对电池组内的电池单体进行组内电量均衡，电池控制系统8从电池管理单元7获取每一电池组的总状态信息，并根据电池组的总状态信息对电池组进行组内电量均衡。

此外，电池管理电路还包括后台监控系统9、AC-DC转化器11和屏幕12。

电池控制系统8分别与后台监控系统9、AC-DC转化器11和屏幕12连接，其中，后台监控系统9用于监控电池管理电路，电池控制系统8通过AC-DC转化器11与市电相连，而屏幕12用于显示电压数据、电流数据和温度数据，并向电池控制系统8输入操控指令。优选的，电池控制系统8与后台监控之间采用RS-485通讯。

另外，为确保电池组在使用时的安全性，本申请的电池管理电路还具有实时监控、巡检等功能。在一个具体的实施例中，电池控制系统8包括第一自检模块和第一存储器，第一自检模块用于对电池控制系统8进行自动检测，并生成系统自检结果，并将系统自检结果存储在第一存储器中，从而实现系统自检信息的记录，可查询。相应的，电池管理单元7包括第二自检模块和第二存储器，第二自检模块用于对电池管理单元7进行自动检测，并生成单元自检结果，单元自检结果存储在第二存储器中，从而实现单元自检信息的记录，可查询。

以上是对本实施例提供的电池管理电路的各个部件、它们之间的连接关系进行了介绍，下面结合图1，对电池管理电路的主要功能进行详述。

1、通信功能

BMS既可内部通信，也可与外部后台进行通信。进一步具体的，内部采用CAN通讯，对外采用RS485通讯。

1.1、下行通信

电池控制系统8向下通信收集电池组串信息，即每一电池组的总状态信息和电池组内每一电池单体的状态信息，包括总电压、总电流、温度等信息，以及电池组内单体电池的电压和温度信息。

1.2、上行通信

电池控制系统8向屏幕12或EMS等上位机及后台监控系统9上报电池组串信息以及每个电池组信息。

2、告警保护

本申请的电池管理电路根据不同应用环境、不同的电池厂商、不同电池类型制定不同的电池告警保护的参数。根据设置不同的参数，电池控制系统8触发不同类型的告警和保护事件，并通过屏幕12中的报警系统进行告警。下面对主要告警类型以及主要保护类型进行列举。

主要告警类型：电池组串过压告警、电池组串欠压告警、电池组串过流告警、单体电池过压告警、单体电池欠压告警、单体电池过流告警、单体电池过温告警、单体电池低温告警。

主要保护类型：电池组串过压保护、电池组串欠压保护、电池组串过流保护、单体电池过压保护、单体电池欠压保护、单体电池过流保护、单体电池过温保护、单体电池低温保护、短路保护。

3、均衡功能

由于电池个体的差异以及使用状态的不同等原因，电池在使用过程中不一致性会越来越严重，系统应判断并主动进行均衡处理，本发明实施例所提供的电池管理电路采用被动式均衡。

当电池管理单元7检测到电池组内单体压差超过一定值时，则启用电池组内均衡，进行电池组内电池单体间的被动均衡，平衡组内压差；当电池控制系统8检测到电池组间压差超过一定值时，则启用电池组间均衡，进行每组电池组之间的被动均衡，平衡组间压差。其中，组内均衡、组间均衡的启动压差阈值均可根据实际情况进行设置。

4、自检功能

电池管理电路可以自动检测自身模拟量采集功能是否正常，电池控制系统8可以下发指令使电池管理单元7开启自检模拟量采集功能是否正常，即通过第二自检模块进行电池管理单元7自身检测，并将收集到的单元自检结果本地保存在第二存储器中，或上传到，将收集到的BMU自检结果以及自身的自检结果本地保存，或上传至电池控制系统8。同理，电池控制系统8也可通过第一自检模块进行自身检测，并将收集到的系统自检结果本地保存在第一存储器中，或上传至后台监控系统9中。

电池管理电路实时自检，若有故障记录下来，可使用通信手段查看记录，电池控制系统8将自检信息本地保存或上报，实现自检信息的记录，方便查询。

5、自动标定

同时，屏幕12向电池控制系统8输入操控指令，可在屏幕12的界面上启动自动标定功能，根据电池电量状况，当电池充电状态(State-of-Charge，SOC)大于预设值时，使用“充满-放空”过程标定，其中，充放电倍率按电池类型及环境因素配置。

6、事件记录

电池控制系统8和电池管理单元7分别采用第一存储器、第二存储器，可存储和读取事件记录、参数、历史数据、通信异常、系统状态异常事件等。

7、充放电控制

(1)充电控制

充电过程中，电池管理单元7负责实时采集、检测电池组内各电池单体的电压和温度，同时检测总电压和总电流，并将信息数据发送给电池控制系统8。当电池组中任一个电池单体电压达到预设的单体电压值(可设置)或总电压超过预设的总电压值(可设置)，或SOC达到100％(可设置)状态时，电池控制系统8切断充电继电器。

(2)放电控制

BMS系统上电，预充电继电器闭合，系统处于预充电状态。预充结束，预充继电器断开，放电继电器闭合，系统处于正常放电状态，中间过程，只要系统放电继电器断开，下次闭合前均要进行预充，预充采用延时2s的方法。当电池组中任一个电池单体电压放电电压下降至预设的单体放电电压值(可设置)或总电压低于预设的放电总电压值(可设置)，或SOC下降至15％(可设置)状态时，电池控制系统8切断放电继电器。

本发明实施例提供的电池管理电路，采用电池管理单元和电池控制系统的两级BMS管理方案，电池管理单元对电池模组进行管理，电池控制系统用于控制和管理电池组串，对单体电池及整组电池进行实时监控、充放电、均衡、巡检、温度监测等，从而可以同时管理多组电池，检测每组中所有单体电池电压、电池组总电流、多路环境温度等，同时，本申请电池管理电路中电池管理单元和电池控制系统可实现电池组内、电池组间的被动均衡控制，即使电池组中装配有容量不同的电池，电池组串充电时，所有的电池均能够被充满而不会出现低容量电池过充现象，电池组串放电时，所有的电池将同时耗尽，解决了电池容量一致性导致的电池组实际可用容量降低的问题，提高了电池的使用寿命，更安全。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池管理电路，其特征在于，所述电池管理电路包括电池组、熔断器、第一开关、第二开关、第三开关、预充电阻、电池管理单元、电池控制系统和后台监控系统；

所述电池组、熔断器、第一开关和第二开关之间串联连接；所述第三开关和所述预充电阻之间串联连接，并与所述第二开关并联；

所述电池管理单元的输出端与所述电池控制系统的输入端相连接，用于采集所述电池组的电压数据、电流数据以及温度数据，并将所述电压数据、电流数据以及温度数据发送给所述电池控制系统；

所述电池控制系统分别与所述第一开关、第二开关和第三开关的控制端连接，用以控制所述第一开关、第二开关和第三开关的开启与关闭；

所述后台监控系统与所述电池控制系统连接；所述后台监控系统用于监控所述电池管理电路。

2.根据权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，所述电池管理电路还包括电流源，所述电流源与所述电池组串联连接，所述电池管理单元通过所述电流源采集所述电池组的所述电流数据。

3.根据权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，所述电池管理电路还包括AC-DC转化器，所述电池控制系统通过所述AC-DC转化器与市电相连。

4.根据权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，所述电池控制系统包括电池组间均衡模块、第一自检模块和第一存储器；

所述电池组件均衡模块用于对所述电池组进行组间电量均衡；所述第一自检模块用于对所述电池控制系统进行自动检测，并生成系统自检结果；所述第一存储器用于存储所述系统自检结果。

5.根据权利要求4所述的电池管理电路，其特征在于，所述电池管理单元包括电池组内均衡模块、第二自检模块和第二存储器；

所述电池组内均衡模块用于对所述电池组内的电池单体进行组内电量均衡；所述第二自检模块用于对所述电池管理单元进行自动检测，并生成单元自检结果；所述第二存储器用于存储所述单元自检结果。

6.根据权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，所述电池管理电路还包括屏幕，所述屏幕与所述电池控制系统连接；

所述屏幕用于显示所述电压数据、电流数据和温度数据，并向所述电池控制系统输入操控指令。

7.根据权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，所述电池管理电路还包括电压采集电路；所述电压采集电路分别与所述电池组和所述电池管理单元连接；

所述电压采集电路用于采集所述电池组中多个单体电池的所述电压数据，并将所述电压数据发送至所述电池管理单元。

8.根据权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，所述电池管理电路还包括温度采集电路；所述温度采集电路分别与所述电池组和所述电池管理单元连接；

所述温度采集电路用于采集所述电池组中多个单体电池的所述温度数据，并将所述温度数据发送至所述电池管理单元。

9.根据权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，所述电池管理电路还包括CAN通信电路；所述CAN通信电路分别与所述电池控制系统、所述电池管理单元连接；

所述CAN通信电路用于提供所述电池管理单元与所述电池控制系统之间数据传输的接口。

10.根据权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，所述电池控制系统与所述后台监控之间采用RS-485通讯。

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