CN116799903B - 一种基于主动均衡式充电管理的电池包及换电柜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于主动均衡式充电管理的电池包以及换电柜，电池包包括电池组以及保护板，电池组由若干个单电芯串联组成，且若干个电池组串并联构成电池包；每个电池组均与一个保护板相连，若干个保护板依次通信串联在一起，该保护板用于对电池组的每个单电芯进行主动均衡充电管理；柜体其内设置有若干个用于放置电池包的电池仓；每个电池仓均设置有一个主动均衡调节板，主动均衡调节板与电池包相连接，并与位于电池包其起始位置的保护板相通信连接；本方案能够通过对不同电池组之间以及同一个电池组内不同单电芯之间的电量均衡，避免了电池的过充状况，实现对电池性能衰减速度的降低，提高了电池的充电效率和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及集中充电、换电柜、电动自行车电池的技术领域，具体为一种基于主动均衡式充电管理的电池包及换电柜。
背景技术
由于社会对环境的逐步重视以及石油资源的逐年减少，电动车的市场空间越来越大，目前电动汽车，电瓶车等电池采用锂电池组；对于换电人员而言，最希望的是解决电池的充电问题，尤其是那些需要持续用电动车的换电人员，如美团等接单送外卖的人员，还希望电池能尽快充好电以便保障外卖能准点送到；基于这样的市场需求，一种新型的业务慢慢发展了起来，那就是电池换电业务。
换电柜的电池管理系统作为电池与用户之间的纽带，可用于电动汽车，电瓶车，机器人，无人机等设备的锂电池；能够提高电池的利用率，防止电池出现过度充电。目前，国内的电池均衡管理仍然处于落后状态，其存在可靠性差、扩展性不够灵活、智能化程度以及均衡效率等不高的缺点，无法满足大规模应用的需要。
发明内容
在现有的技术上，本发明的目的在于提供一种安装方便、结构合理的电池包及换电柜，以解决上述问题中的至少一个。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于主动均衡式充电管理的电池包，其包括电池组以及与电池组相连接的保护板，所述电池组由若干个单电芯串联组成，若干个电池组串并联构成电池包；若干个所述保护板依次通信串联在一起；
其中，所述保护板包括微处理器，以及与微处理器相连接的采样模块、电源转换模块、若干个控制模块；所述电源转换模块和与该保护板所连接的电池组相连接，该电源转换模块用于为该保护板提供电源；每个所述控制模块的一端均与一个单电芯相连接，且控制模块的另一端与电池组相连接，该控制模块用于对单电芯进行主动均衡充电控制；所述采样模块用于检测电池组中每个单电芯的电压、电流以及温度参数并发送给微处理器进行处理。
更进一步的，所述控制模块包括变压器、MOS管以及电阻；
所述变压器设置的第一绕组其两端分别连接在与该控制模块所连接的单电芯其正负极两端，且该单电芯的负极与第一绕组之间依次串联有电阻与MOS管；
所述变压器设置的第二绕组其两端分别连接在与该控制模块所连接的电池组其正负极两端；所述第二绕组与电池包的负极之间依次串联有电阻与MOS管，或所述第二绕组与电池包的正极之间串联有同步整流模块。
更进一步的，所述MOS管的控制端通过MOS管驱动模块与微处理器相连接，所述MOS管的输入端与变压器的绕组相连接，所述MOS管的输出端与电阻相连接；
该微处理器用于根据每个单电芯的电压、电流以及温度参数并通过MOS管控制第一绕组或者第二绕组内电流的通断以实现对每个单电芯进行主动均衡充电控制。
更进一步的，还包括DC/DC转换模块，所述DC/DC转换模块与微处理器相连接，该微处理器用于控制DC/DC转换模块的启停；所述DC/DC转换模块的输入端两侧分别连接在与所述保护板所连接的电池组正负极两端，所述DC/DC转换模块的输出端两侧分别连接在所述电池包的正负极两端；该DC/DC转换模块用于将电池组的两端电压转换成电池包的两端电压以实现对每个电池组进行主动均衡充电管理；
其中，所述DC/DC转换模块采用隔离式DC/DC转换模块。
更进一步的，还包括AC/DC转换模块，所述微处理器与AC/DC转换模块相连接，该微处理器用于控制AC/DC转换模块的启停；所述AC/DC转换模块的输出端两侧分别连接在与保护板所连接的电池组正负极两端，所述AC/DC转换模块的输入端与主动均衡调节板设置的充电保护模块相连接；该AC/DC转换模块用于将充电保护模块所输出的AC电压转换成电池组的两端电压以实现对每个电池组进行主动均衡充电管理。
更进一步的，所述微处理器连接有两个通信模块，所述保护板通过第二通信模块和与其相邻的所述保护板设置的第一通信模块通信连接；
该微处理器还用于将通过第二通信模块所接收到的参数信息和本保护板所采样的电池组全部参数信息一起通过第一通信模块发送至与该第一通信模块所连接的保护板内。
更进一步的，所述通信模块采用隔离式SP I通信模块。
另一方面，本发明还提供了换电柜，其包括柜体与主控装置；
柜体内设置有若干个电池仓，该电池仓用于放置上述的电池包；每个所述电池仓均设置有一个主动均衡调节板，所述主动均衡调节板与电池包的正负极两端相连接，并与位于所述电池包其起始位置的保护板相通信连接；
主控装置通过CAN/485总线与每个电池仓内置的主动均衡调节板相连接，并通过5G通信模块与后台系统相连接。
更进一步的，所述主动均衡调节板包括微处理器，以及与微处理器相连接的电源模块、充电保护模块、SP I通信模块、CAN/485通信模块和编址模块；其中所述SP I通信模块采用隔离式SP I通信模块；
所述电源模块用于为所述主动均衡调节板供电；
所述充电保护模块与所述电池包的正负极两端相连；
所述编址模块采用多位拨码开关，该编址模块用于根据电池仓的位置将编址模块进行相对应设置，以实现对主动均衡调节板进行地址编码；
所述微处理器通过SP I通信模块与位于电池包其起始位置的保护板相连接，所述微处理器通过CAN/485通信模块与主控装置相连接；
该微处理器用于通过SP I通信模块接收位于所述电池包其起始位置的保护板所发送的电池包全部参数信息并进行处理，根据电池包的全部参数信息通过SP I通信模块对每个电池组所连接的保护板发送DC/DC转换模块或者AC/DC转换模块的启停控制信号，并且通过CAN/485通信模块将电池包全部参数信息上传至主控装置内；同时，根据电池包的全部参数信息通过充电保护模块对电池包进行充电，并对电池包进行过压保护、过流保护以及反接保护。
更进一步的，所述主控装置包括主控模块，以及与主控模块相连接的电源模块、CAN/485通信模块、蓝牙/WI F I模块、5G通信模块、显示模块和储存模块；
所述电源模块用于为所述主控装置供电；
所述储存模块用于储存全部电池包的各种参数信息；
所述显示模块用于显示全部电池包的各种参数信息；
所述主控装置通过CAN/485通信模块与每个主动均衡调节板相连接，并通过5G通信模块与后台系统相连接；
该主控装置用于通过CAN/485总线接收每个主动均衡调节板内储存的电池包全部参数信息以实现对每个电池包进行故障预警与管理，将全部电池包的各种参数信息储存至储存模块内；将全部电池包的参数信息通过5G通信模块发送至后台系统内，同时通过蓝牙/WI F I模块发送至移动终端内。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果是：
本方案采用控制模块的设置，能够将电池组内的每一个单电芯其电量平衡一致，且通过变压器进行能量转移，从而实现了对任意一个单电芯进行主动均衡充电管理，有效降低能量损耗，提高能量利用率，且未采用电阻耗能，减少热量的产生；
本方案采用隔离式DC/DC转换模块或者AC/DC转换模块的设置，实现了各个电池组之间的电量平配配，从而实现了每个电池组之间的主动均衡充电管理，以解决电池组之间的一致性差异问题。
本方案能够通过对不同电池组之间以及同一个电池组内不同单电芯之间的电量均衡，避免了电池的过充状况，实现对电池性能衰减速度的降低，提高了电池的充电效率和使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明换电柜的整体结构示意图。
图2为本发明换电柜的系统框架示意图。
图3为本发明主控装置的系统框架示意图。
图4为本发明主动均衡调节板的系统框架示意图。
图5为本发明实施例一保护板的系统框架示意图。
图6为本发明实施例一控制模块的系统框架示意图。
图7为本发明实施例二保护板的系统框架示意图。
图8为本发明实施例二控制模块的系统框架示意图。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图8之一所示，本方案提供了一种基于主动均衡式充电管理的电池包；如图2、4所示，电池包包括电池组以及保护板，电池组由若干个单电芯串联组成，且若干个电池组串并联构成电池包；通过若干个电池组串并联组合，使得本电池包能够形成不同规格的动力电池，将该电池包能够适配于电动自行车或者电动摩托车的范围大大拓展；另外，每个电池组均与一个保护板相连，若干个保护板依次通信串联在一起，该保护板用于对电池组的每个单电芯进行主动均衡充电管理；
实施例一
参见图1-6所示，作为本发明一种基于主动均衡式充电管理的电池包的第一实施例，其具体的技术方案为：电池包包括电池组以及保护板，电池组由若干个单电芯串联组成，且若干个电池组串并联构成电池包；每个电池组均与一个保护板相连，若干个保护板依次通信串联在一起；同时，保护板包括微处理器，以及与微处理器相连接的采样模块、电源转换模块、若干个控制模块。
如图4-6所示，在本实施例中，保护板采用双向反激式的平衡架构，完成电池组的双向主动平衡，能够对电池组中的任意一个单电芯直接进行充电，能够更快，更高效的让电池组中的每一个单电芯达到平衡，通过改变限制电流和调整变压器的功率能够适用于不同容量的电池；同时，能够通过对单电芯进行分阶段的充电并且达到每个单电芯之间的电量均衡，避免了电池的过充状况，实现对电池性能衰减速度的降低，提高了电池的充电效率和使用寿命。
其中，如图5、6所示，为了实现每个单电芯之间的主动均衡充电管理，本方案采用下述的技术方案，保护板包括微处理器，以及与微处理器相连接的采样模块、电源转换模块、若干个控制模块；
电源转换模块和与该保护板所连接的电池组相连接，该电源转换模块用于为该保护板提供电源，利用与该保护板所连接的电池组作为电源，将电池组其两端的电压通过电源转换模块进行DC/DC降压，从而使电源转换模块的输出端形成保护板其系统运行所需的电压；
如图5、6所示，为了实现对任意一个单电芯进行主动均衡充电管理，每个控制模块均与一个单电芯的正负两端相连接，且该控制模块用于对单电芯进行主动均衡充电控制；其中，控制模块包括变压器、MOS管以及电阻；
变压器设置的第一绕组其两端分别连接在与该控制模块所连接的单电芯其正负极两端，且该单电芯的负极与第一绕组之间依次串联有电阻与MOS管；
变压器设置的第二绕组其两端分别连接在与该控制模块所连接的电池组其正负极两端，电池包的负极与第二绕组之间依次串联有电阻与MOS管；
同时，MOS管的控制端通过MOS管驱动模块与微处理器相连接，MOS管的输入端与变压器的绕组相连接，MOS管的输出端与电阻相连接；微处理器用于根据每个单电芯的电压、电流以及温度参数并通过MOS管控制第一绕组或者第二绕组内电流的通断以实现对每个单电芯进行主动均衡充电控制。
为了对单电芯的双向主动均衡充电管理进行更好地说明，如图6所示，将与变压器设置的第一绕组所连接的MOS管定义为MOS管Q1，将与变压器设置的第二绕组所连接的MOS管定义为MOS管Q2；同时，将电量最高的单电芯定义为第一单电芯，将电量最底的单电芯定义为第二单电芯；
在电池组内各个单电芯出现电量差值时，将与第一单电芯所连接的MOS管Q1开关进行不停地通断切换控制，并将与第一单电芯所连接的MOS管Q2开关进行导通控制，使与第一单电芯所连接的变压器其第一绕组内的电流大小产生变化，利用电磁感应现象使与第一单电芯所连接的变压器其第二绕组内产生相对应的电流大小，从而将第一单电芯的电量通过变压器的能量转换进行释放出来。
将与第二单电芯所连接的MOS管Q2开关进行不停地通断切换控制，并将与第二单电芯所连接的MOS管Q1开关进行导通控制，使与第二单电芯所连接的变压器其第二绕组内的电流大小产生变化，利用电磁感应现象使与第二单电芯所连接的变压器其第一绕组内产生相对应的电流大小，从而通过变压器的能量转换对第二单电芯进行定向充电。
因此，本方案能够将电池组内的每一个单电芯其电量平衡一致，且通过变压器进行能量转移，从而实现了对任意一个单电芯进行双向主动均衡充电管理，有效降低能量损耗，提高能量利用率，且未采用电阻耗能，减少热量的产生。
本方案将电量在单电芯与单电芯之间互相传递，直接从荷电态高的单电芯其电量转移至荷电态低的单电芯，其相当于单电芯与单电芯之间的高放低充；同时，由于本方案让每一个单电芯都能将能量转换反馈到整个电池组上，利用整个电池组作为一个“中转站”，再通过整个电池组将能量转换至所需要的单电芯内，从而降低了本方案其控制的复杂度；有效避免了个别容量不一致的单电芯就会出现过充现象，加速电池的损坏；这种高效的平衡方式，延长了动力电池组的使用寿命，从另一个方面来看，其有助于实现更快的充电速度。从系统安全来看，更高效的电池平衡可以避免情况恶化。
另外，本方案可实现电池组内的每一个单电芯分组并行均衡，电量双向、相邻和非相邻传输，本方案具有能量跨越式传递、无均衡重叠问题、均衡效果良好、易于扩展且电路易于实现等特点。
如图5、6所示，为了实现每个电池组之间的主动均衡充电管理，本实施例采用下述的技术方案，微处理器与隔离式DC/DC转换模块相连接，该微处理器用于控制隔离式DC/DC转换模块的启停；隔离式DC/DC转换模块的输入端两侧分别连接在与保护板所连接的电池组正负极两端，隔离式DC/DC转换模块的输出端两侧分别连接在电池包的正负极两端；该隔离式DC/DC转换模块用于将与保护板所连接的电池组其两端电压转换成电池包的两端电压以实现对每个电池组进行主动均衡充电管理。
由于控制模块只能解决电能在单电芯与单电芯之间互相传递的问题，然而在于电池组和电池组之间控制模块无法实现能量转移；因此，电池组之间的一致性问题依然存在。
为了解决上述的问题，通过隔离式DC/DC转换模块的设置，其用于将与保护板所连接的电池组其两端电压转换成电池包的两端电压以实现对每个电池组进行主动均衡充电管理；
每个保护板的微处理器通过采样模块对电池组中的每个单电芯的电压、电流及温度等各种参数信息进行实时检测并且进行处理，将其通过隔离式SPI通信模块发送至主动均衡调节板内，从而主动均衡调节板计算出来各个电池组的整体参数信息，进而将各个电池组之间的电量进行对比；
为了对电池组的主动均衡充电管理进行更好地说明，将电量最高的电池组定义为第一电池组；将电量第二高的电池组定义为第二电池组；
在电池包内各个电池组的整体电量出现差值时，主动均衡调节板通过隔离式SPI通信模块将隔离式DC/DC转换模块的启动信号发送至与第一电池组相连接的保护板内，使得该保护板的微处理器控制隔离式DC/DC转换模块的启动，将与该保护板所连接的电池组其两端电压转换成所述电池包的两端电压，将电池组的电量通过隔离式DC/DC转换模块进行释放出来从而给整体的电池包进行主动均衡充电管理；
通过采样模块的实时检测，当第一电池组的电量低于第二电池组的电量时，主动均衡调节板通过隔离式SPI通信模块将隔离式DC/DC转换模块的停止信号发送至与第一电池组相连接的保护板内，主动均衡调节板通过隔离式SP I通信模块将隔离式DC/DC转换模块的启动信号发送至与第二电池组相连接的保护板内；依此类推，在电池包内各个电池组的整体电量出现差值时，通过隔离式DC/DC转换模块实现了各个电池组之间的电量调配，从而实现了每个电池组之间的主动均衡充电管理。
本实施例能够让每一个电池组都将多余能量转移到电池包上；一方面使能量偏高的电池组多上缴，可以解决电池组之间的一致性差异问题；另一方面，电池包的电压和电池组的电压是比较相对固定的，将电池包产品设计成模块化模式，使得电池包产品通用性会比较好。
如图4-6所示，为了实现电池组的每个单电芯进行各种参数实时测量，本方案采用下述的技术方案，微处理器与采样模块相连接，采样模块用于检测电池组中每个单电芯的电压、电流及温度参数并发送给微处理器进行处理；
其中，采样模块均与每个单电芯的两端相连接，其用于检测每个单电芯其两端的实时电压差，以实现对每个单电芯其两端电压进行实时检测；
另外，电池组其单电芯串的一端串联有检测电阻R，采样模块分别连接在检测电阻的两端，采样模块通过检测检测电阻R其两端的电压从而计算出该电池组其整体的充电电流；
变压器的第一绕组与第二绕组其一端分别串联有检测电阻R1、R2，并且采样模块分别连接在检测电阻R1、R2的两端，采样模块通过检测检测电阻R1、R2其两端的电压，从而计算出对该电池组内任意一个单电芯进行双向主动均衡的调节电流。
同时，若干个单电芯呈矩阵式且紧挨排布，相邻两排的单电芯相互错位设置；采样模块连接有若干个用于检测单电芯其温度的温度探头，且每个温度探头均位于相邻的三个单电芯之间；通过温度探头的位置设置，能够对每个单电芯的温度检测，同时有效降低了温度探头的数量；
本发明采用双向反激式的平衡架构，能够对电池组中的任意一个单电芯直接进行充电，从而完成电池组的双向主动均衡充电；同时，通过采样模块对电池组中每个单电芯的电压、电流及温度等各种参数信息进行实时检测，使得本方案形成一个对电池组主动均衡充电的管理与检测闭环，从而能够更快、更高效的让电池组中的每一个单电芯达到平衡；
如图5所示，为了解决电池组的模块化设计需求，其保护板的地址编码问题；由于换电柜所需要的电池包数量以万个为单位计算，然而传统的拨码开关无法解决此类问题，因此本方案提出下述的技术方案；
在电池包组装的时候，利用上位机通过程序写入将保护板的序列编码写入进保护板内，并且将保护板的序列编码作为保护板其地址信息的起始地址编码；另外，利用上位机将电池包的序列号一并程序写入进保护板内。
同时，位于起始位置的保护板内的微处理器其两个引脚进行短路设置，其余的保护板内的微处理器其两个引脚进行断路设置；该微处理器用于通过检测两个引脚是否短路以确定该微处理器所属的保护板是否位于起始位置。
在本实施例中，微处理器通过检测两个引脚是否短路，从而判断该微处理器所属的保护板是否位于起始位置；因此，将位于起始位置的保护板通过引脚的短路设置进行物理选择，并结合该保护板内置的起始地址编码已确认位于起始位置的保护板其地址信息。
同时，其余的保护板内置的微处理器通过第一通信模块所接收到的地址信息并结合保护板内置的起始地址编码进行处理以确定本保护板的地址信息，并将本保护板的地址信息通过第二通信模块发送至与该第二通信模块所连接的保护板内；
因此，利用引脚的短路设置已确定位于起始位置的保护板，并且其余的保护板通过第一通信模块与第二通信模块之间通信从而确定电池包内其余保护板的地址信息，进而实现了电池包内每个保护板的相对位置进行自动化确认。
采用上述的方案，电池包能够将其内每一个电芯参数进行实时上传，使得换电柜能够通过SPI通信模块采集到电池包的各个参数信息；从而使换电柜能够快速定位到电池包中的哪一个单电芯存在问题，并且进行快速预警；保护板的能够实现了模块化设计，对于电池包的快速维修起到了有效地提升；另一方面，通过第一通信模块与第二通信模块之间通信以确定保护板的地址信息，使得其与的保护板能够串联在位于起始位置的保护板上，实现了电池包内每个保护板的相对位置进行自动化确认；因此，若干个电池组能够串并联组合，使得本电池包能够形成不同规格的动力电池，将该电池包能够适配于电动自行车或者电动摩托车的范围大大拓展。
另外，换电柜能够通过SP I通信模块快速地确定电池包序列号，能够统计出来每个电池包的充电次数，甚至每个电池组的充电次数；以实现对每个电池包与每个电池组进行故障预警与管理；
如图4、5所示，微处理器连接有两个通信模块，保护板通过第二通信模块和与其相邻的保护板设置的第一通信模块通信连接，其中通信模块采用隔离式SPI通信模块；
该微处理器还用于将通过第二通信模块所接收到的参数信息和本保护板所采样的电池组全部参数信息一起通过第一通信模块发送至与该第一通信模块所连接的保护板内。
实现了保护板与保护板之间的信息通信，实现了主动均衡调节板与保护板之间的信息通信；使保护板的能够实现了模块化设计，对于电池包的快速维修起到了有效地提升；实现了电池组之间的双向、相邻、非相邻、分组其电量转移，提高电池组的电量转移效率，增加了控制的灵活性，多个组同时均衡增加了并行百分比，通过控制策略能够使得双向均衡充电、分组均衡充电、电池相邻和非相邻均衡多种均衡方式充电同时进行，缩短了均衡时间。
如图5所示，微处理器连接有短距无线通信模块，微处理器与短距无线通信模块相连接，该短距无线通信模块用于将位于起始位置的保护板所接收到的全部单电芯参数信息通过短距无线通信模块发送至移动终端内。
该短距无线通信模块可以采用Zi gbee、Wi Fi、蓝牙、Z-wave等；
移动终端能够通过短距无线通信模块对电池包内的全部单电芯参数信息、全部电池组的参数信息、电池包的序列号进行实时查询；从而提高了巡检人员对电池包维修与检查效率；
如图1-4所示，另一方面，本实施例还提供了换电柜，其包括柜体与主控装置；柜体其内设置有若干个用于放置电池包的电池仓；每个电池仓均设置有一个主动均衡调节板，主动均衡调节板与电池包的正负极两端相连接，并与位于电池包其起始位置的保护板相通信连接；该主动均衡调节板用于接收保护板所发送的全部单电芯参数信息，根据全部单电芯参数信息以实现对电池包进行充电管理和对电池包的参数信息进行处理；
如图2、4所示，主动均衡调节板包括微处理器，以及与微处理器相连接的电源模块、充电保护模块、SP I通信模块、CAN/485通信模块和编址模块；其中SP I通信模块采用隔离式SP I通信模块；
电源模块用于为主动均衡调节板供电；充电保护模块与电池包的正负极两端相连；编址模块采用多位拨码开关，该编址模块用于根据电池仓的位置将编址模块进行相对应设置，以实现对主动均衡调节板进行地址编码；微处理器通过SP I通信模块与位于电池包其起始位置的保护板相连接，微处理器通过CAN/485通信模块与主控装置相连接；
该微处理器用于通过SP I通信模块接收位于电池包其起始位置的保护板所发送的电池包全部参数信息并进行处理，根据电池包的全部参数信息通过SP I通信模块对每个电池组所连接的保护板发送隔离式DC/DC转换模块的启停控制信号，并且通过CAN/485通信模块将电池包全部参数信息上传至主控装置内；同时，根据电池包的全部参数信息通过充电保护模块对电池包进行充电，并对电池包进行过压保护、过流保护以及反接保护。
其中，充电保护模块可以采用隔离式DC/DC转换模块，通过实时检测充电参数，对电池包进行过压保护、过流保护以及反接保护。
如图3所示，主控装置通过CAN/485总线与每个电池仓内置的主动均衡调节板相连接，并通过5G通信模块与后台系统相连接；该主控装置用于通过CAN/485总线接收每个主动均衡调节板内储存的电池包全部参数信息，并将电池包全部参数信息通过5G通信模块发送至后台系统内。
其中，主控装置包括主控模块，以及与主控模块相连接的电源模块、CAN/485通信模块、蓝牙/WI F I模块、5G通信模块、显示模块和储存模块；
电源模块用于为主控装置供电；储存模块用于储存全部电池包的各种参数信息；显示模块用于显示全部电池包的各种参数信息；
主控装置通过CAN/485通信模块与每个主动均衡调节板相连接，并通过5G通信模块与后台系统相连接；该主控装置用于通过CAN/485总线接收每个主动均衡调节板内储存的电池包全部参数信息以实现对每个电池包进行故障预警与电池包管理，将全部电池包的各种参数信息储存至储存模块内；将全部电池包的参数信息通过5G通信模块发送至后台系统内，同时通过蓝牙/WI F I模块发送至移动终端内。
换电柜能够对集中式换电柜中任一电池仓的电压、电流以及温度的进行实时监测，在统一监控、提高管理效率的同时，节约测量器件成本、减少电能消耗，大大提高了充电柜的通用性。
由于充电保护模块可以采用隔离式DC/DC转换模块，针对不同规格的电池通过SPI通信模块进行参数信息传送，一个电池仓可同时满足不同规格的电池组进行充电，具有占地面积小，易于管控等特点。电池包在充电过程中还能对电池包内的电压、温度、充入电量等实时进行监测、设置多级报警阈值，并将相关的数据进行运算处理保证用电安全。将全部电池包的参数信息通过5G通信模块发送至后台系统内，使后台系统能够对电池包内的电压、温度、充入电量等实时进行监测；
由于将保护板的序列编码作为保护板其地址信息的起始地址编码，使后台系统能够统计出来每个电池包的充电次数，甚至统计出来每个电池组的充电次数，以实现对每个电池包或者电池组进行故障预警与管理；巡检人员通过电池包的调配，从而提高了每个电池包的利用率，避免了某个电池包使用率过高，从而降低该电池包的使用时间。
实施例二
参见图7-8所示，作为本发明提供的电池包第二实施例，其亦具体的技术方案为：电池包包括电池组以及保护板，电池组由若干个单电芯串联组成，且若干个电池组串并联构成电池包；每个电池组均与一个保护板相连，若干个保护板依次通信串联在一起；同时，保护板包括微处理器，以及与微处理器相连接的采样模块、电源转换模块、若干个控制模块。
其中，第二实施例与第一实施例大致相同，第二实施例与第一实施例不同的处在于：
在控制模块中，电池包的负极与第二绕组之间并没有依次串联有电阻与MOS管，保护板的微处理器并没有连接隔离式DC/DC转换模块；
如图8所示，在控制模块中，变压器设置的第二绕组其两端分别连接在与该控制模块所连接的电池组其正负极两端，所述电池包的正极与第二绕组之间串联有同步整流模块；在本实施例中，利用同步整流模块将第二绕组所输出的电流进行整流，大大降低整流电路的损耗，提高DC/DC变换效率，消除了第二绕组输出的反向电流；可以实现对第二绕组所输出的电流进行滤波，避免了高频噪声的干扰；提高了第二绕组所输出的电压其可调性和稳定性，使得第二绕组所输出的电压更加稳定可靠；使得控制模块能够将过充的单电芯其电压转换成电池组的电压，将过充的单电芯其电量利用控制模块释放出来；
本实施例通过变压器进行能量转移，再通过整个电池组将能量转换至所需要的单电芯内，将电池组内的每一个单电芯其电量平衡一致，从而降低了本方案其控制的复杂度；有效避免了个别容量不一致的单电芯就会出现过充现象，加速电池的损坏，延长了动力电池组的使用寿命；从另一个方面来看，其有助于实现更快的充电速度。
本保护板采用单向反激式的平衡架构，完成电池组内的主动平衡，能够对电池组中的任意一个单电芯直接进行主动平衡式充电，能够更快，更高效的让电池组中的每一个单电芯达到平衡；同时，能够通过对单电芯进行分阶段的充电并且达到每个单电芯之间的电量均衡，避免了电池的过充状况，实现对电池性能衰减速度的降低，提高了电池的充电效率和使用寿命。
如图7所示，为了实现每个电池组之间的主动均衡充电管理，本实施例采用下述的技术方案，微处理器与AC/DC转换模块相连接，该微处理器用于控制AC/DC转换模块的启停；AC/DC转换模块的输出端两侧分别连接在与保护板所连接的电池组正负极两端，AC/DC转换模块的输入端与主动均衡调节板设置的充电保护模块相连接；该AC/DC转换模块用于将充电保护模块所输出的AC电压转换成电池组的两端电压，对整体电量最低的电池组进行充电，以实现对每个电池组进行主动均衡充电管理。
每个保护板的微处理器通过采样模块对电池组中的每个单电芯的电压、电流及温度等各种参数信息进行实时检测并且进行处理，将其通过隔离式SPI通信模块发送至主动均衡调节板内，从而主动均衡调节板计算出来各个电池组的整体参数信息，进而将各个电池组之间的电量进行对比；
为了对电池组的主动均衡充电管理进行更好地说明，将电量最低的电池组定义为第三电池组；将电量倒数第二的电池组定义为第四电池组；
在电池包内的某个电池组充满时，主动均衡调节板控制其设置的充电保护模块关闭DC充电电压输出；主动均衡调节板通过隔离式SPI通信模块将AC/DC转换模块的启动信号发送至与第三电池组相连接的保护板内，使得该保护板的微处理器控制AC/DC转换模块的启动，将充电保护模块所输出的AC电压转换成电池组的两端电压，对整体电量最低的电池组进行充电，从而给整体的电池包进行主动均衡充电管理；
通过采样模块的实时检测，当第三电池组的电量低于第四电池组的电量时，主动均衡调节板通过隔离式SPI通信模块将AC/DC转换模块的停止信号发送至与第三电池组相连接的保护板内，主动均衡调节板通过隔离式SPI通信模块将AC/DC转换模块的启动信号发送至与第四电池组相连接的保护板内；依此类推，通过AC/DC转换模块实现了每个电池组之间电量的平配，从而实现了每个电池组之间的主动均衡充电管理。
本方案能够通过AC/DC转换模块让每一个电池组的电量达到平衡，对电量偏低的电池组进行补充，可以解决电池组之间的一致性差异问题；
因此，本实施例实现了每个电池组之间的主动均衡充电管理。
综上所述，本方案采用控制模块的设置，能够将电池组内的每一个单电芯其电量平衡一致，且通过变压器进行能量转移，从而实现了对任意一个单电芯进行主动均衡充电管理，有效降低能量损耗，提高能量利用率，且未采用电阻耗能，减少热量的产生；
本方案采用隔离式DC/DC转换模块或者AC/DC转换模块的设置，以实现了各个电池组之间的电量平配，从而实现了每个电池组之间的主动均衡充电管理，可以解决电池组之间的一致性差异问题；保护板通过隔离式DC/DC转换模块能够让每一个电池组都将多余能量转移到电池包上，使能量偏高的电池组多上缴，以实现若干个电池组之间电量的“多退少补”；或者，保护板通过AC/DC转换模块能够对电量较少的电池组进行补充，使每个电池组之间电量保证一致性。
本方案能够通过对不同电池组之间与不同单电芯之间的电量均衡，避免了电池的过充状况，实现对电池性能衰减速度的降低，提高了电池的充电效率和使用寿命。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种基于主动均衡式充电管理的电池包，其特征在于：其包括电池组以及与电池组相连接的保护板，所述电池组由若干个单电芯串联组成，若干个电池组串并联构成电池包；若干个所述保护板依次通信串联在一起；
其中，所述保护板包括微处理器、采样模块、电源转换模块、若干个控制模块以及DC/DC转换模块或者AC/DC转换模块;所述采样模块、电源转换模块、若干个控制模块以及DC/DC转换模块或者AC/DC转换模块均与微处理器相连接；
所述电源转换模块和与该保护板所连接的电池组相连接，该电源转换模块用于为该保护板提供电源；每个所述控制模块的一端均与一个单电芯相连接，且控制模块的另一端与电池组相连接，该控制模块用于对单电芯进行主动均衡充电控制；所述采样模块用于检测电池组中每个单电芯的电压、电流以及温度参数并发送给微处理器进行处理；
其中，所述DC/DC转换模块与微处理器相连接，该微处理器用于控制DC/DC转换模块的启停；所述DC/DC转换模块的输入端两侧分别连接在与所述保护板所连接的电池组正负极两端，所述DC/DC转换模块的输出端两侧分别连接在所述电池包的正负极两端；所述DC/DC转换模块采用隔离式DC/DC转换模块；
该DC/DC转换模块用于将电池组的两端电压转换成电池包的两端电压以实现对每个电池组进行主动均衡充电管理；
所述微处理器与AC/DC转换模块相连接，该微处理器用于控制AC/DC转换模块的启停；所述AC/DC转换模块的输出端两侧分别连接在与保护板所连接的电池组正负极两端，所述AC/DC转换模块的输入端与主动均衡调节板设置的充电保护模块相连接；
该AC/DC转换模块用于将充电保护模块所输出的AC电压转换成电池组的两端电压以实现对每个电池组进行主动均衡充电管理。
2.根据权利要求1所述的一种基于主动均衡式充电管理的电池包，其特征在于：所述控制模块包括变压器、MOS管以及电阻；
所述变压器设置的第一绕组其两端分别连接在与该控制模块所连接的单电芯其正负极两端，且该单电芯的负极与第一绕组之间依次串联有电阻与MOS管；
所述变压器设置的第二绕组其两端分别连接在与该控制模块所连接的电池组其正负极两端；所述第二绕组与电池包的负极之间依次串联有电阻与MOS管，或所述第二绕组与电池包的正极之间串联有同步整流模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于主动均衡式充电管理的电池包，其特征在于：所述MOS管的控制端通过MOS管驱动模块与微处理器相连接，所述MOS管的输入端与变压器的绕组相连接，所述MOS管的输出端与电阻相连接；
该微处理器用于根据每个单电芯的电压、电流以及温度参数并通过MOS管控制第一绕组或者第二绕组内电流的通断以实现对每个单电芯进行主动均衡充电控制。
4.根据权利要求1所述的一种基于主动均衡式充电管理的电池包，其特征在于：所述微处理器连接有两个通信模块，所述保护板通过第二通信模块和与其相邻的所述保护板设置的第一通信模块通信连接；
该微处理器还用于将通过第二通信模块所接收到的参数信息和本保护板所采样的电池组全部参数信息一起通过第一通信模块发送至与该第一通信模块所连接的保护板内；
其中，所述通信模块采用隔离式SPI通信模块。
5.根据权利要求4所述的一种基于主动均衡式充电管理的电池包，其特征在于：位于起始位置的所述保护板其内置的微处理器其两个引脚进行短路设置，其余所述保护板其内置的微处理器其两个引脚进行断路设置；
该微处理器用于通过检测两个引脚是否短路以确定该微处理器所属的保护板是否位于起始位置，并且通过第一通信模块所接收到的地址信息并结合保护板内置的起始地址编码进行处理以确定本保护板的地址信息，并将本保护板的地址信息通过第二通信模块发送至与该第二通信模块所连接的保护板内。
6.换电柜，其特征在于，包括：
柜体，其内设置有若干个电池仓，该电池仓用于放置如权利要求1至5任一项所述的电池包；每个所述电池仓均设置有一个主动均衡调节板，所述主动均衡调节板与电池包的正负极两端相连接，并与位于所述电池包其起始位置的保护板相通信连接；以及
主控装置，其通过CAN/485总线与每个电池仓内置的主动均衡调节板相连接，并通过5G通信模块与后台系统相连接。
7.根据权利要求6所述的换电柜，其特征在于：所述主动均衡调节板包括微处理器，以及与微处理器相连接的电源模块、充电保护模块、SPI通信模块、CAN/485通信模块和编址模块；其中所述SPI通信模块采用隔离式SPI通信模块；
所述电源模块用于为所述主动均衡调节板供电；
所述充电保护模块与所述电池包的正负极两端相连；
所述编址模块采用多位拨码开关，该编址模块用于根据电池仓的位置将编址模块进行相对应设置，以实现对主动均衡调节板进行地址编码；
所述微处理器通过SPI通信模块与位于电池包其起始位置的保护板相连接，所述微处理器通过CAN/485通信模块与主控装置相连接；
该微处理器用于通过SPI通信模块接收位于所述电池包其起始位置的保护板所发送的电池包全部参数信息并进行处理，根据电池包的全部参数信息通过SPI通信模块对每个电池组所连接的保护板发送DC/DC转换模块或者AC/DC转换模块的启停控制信号，并且通过CAN/485通信模块将电池包全部参数信息上传至主控装置内；同时，根据电池包的全部参数信息通过充电保护模块对电池包进行充电，并对电池包进行过压保护、过流保护以及反接保护。
8.根据权利要求7所述的换电柜，其特征在于：所述主控装置包括主控模块，以及与主控模块相连接的电源模块、CAN/485通信模块、蓝牙/WIFI模块、5G通信模块、显示模块和储存模块；
所述电源模块用于为所述主控装置供电；
所述储存模块用于储存全部电池包的各种参数信息；
所述显示模块用于显示全部电池包的各种参数信息；
所述主控装置通过CAN/485通信模块与每个主动均衡调节板相连接，并通过5G通信模块与后台系统相连接；
该主控装置用于通过CAN/485总线接收每个主动均衡调节板内储存的电池包全部参数信息以实现对每个电池包进行故障预警与管理，将全部电池包的各种参数信息储存至储存模块内；将全部电池包的参数信息通过5G通信模块发送至后台系统内，同时通过蓝牙/WIFI模块发送至移动终端内。
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