CN117239881A - 一种船用电池组冗余过充保护管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用电池组冗余过充管理系统及方法，包括主控制模块和辅助控制模块，所述主控制模块包括第一监控单元、第一管理单元、数据处理单元、第一通信单元；所述辅助控制模块用于过充保护，所述辅助控制模块通过第一通信单元与所述主控制模块通讯连接，所述辅助控制模块包括用于监控电芯电压的第二监控单元，用于管理电池组电压和压差的第二管理单元，用于通信的第二通信单元。本发明通过设置主控制模块，主控制模块对电池组层级控制和管理，用于继电器控制、总电压采集、电池组绝缘检测、系统信息显示与调试、与外部设备通信、验收、发送控制指令等；通过设置辅助控制模块，是独立的过充电保护系统，用于保护电池安全运行。

Description

一种船用电池组冗余过充保护管理系统及方法

技术领域

本发明涉及船舶电池管理技术领域，更具体地说，是涉及一种船用电池组冗余过充管理系统及方法。

背景技术

当前大多数商业船舶主要依赖重油作为燃料，船上电力系统也主要依赖重油的燃烧来提供动力。然而，重油燃烧会产生芳香环类化学物质和二氧化碳等污染物，这些物质对环境和人体健康具有很大的危害。此外，重油具有黏稠、难挥发的性质，一旦在船舶中发生泄漏，将对海洋环境造成严重的威胁。考虑到这些因素，为了节约资源、保护环境、推动可持续发展，新能源船舶逐渐得到广泛应用。例如采用电池作为动力的船舶，这种船舶通常使用高性能的电池，如锂离子电池或镍氢电池，来为船只提供电力。相较于传统燃油船舶，电池动力船具有零排放、低噪音、低能耗等优点，是一种更加环保、节能的船型。

现有采用电池作为主要动力的船舶的电池管理系统在电池组层级仍存在不足，通常采用单一控制模块进行控制管理，单一控制模块一旦损坏，系统即无法正常运行，系统容错性较差，安全性较差。

以上不足，有待改进。

发明内容

为了解决或缓解现有技术中电池组层级通常采用单一控制模块进行控制管理，单一控制模块一旦损坏，系统即无法正常运行，系统容错性较差，安全性较差的问题，本发明提供一种船用电池组冗余过充管理系统及方法。

本发明技术方案如下所述：

一种船用电池组冗余过充管理系统，包括主控制模块和辅助控制模块，所述主控制模块包括用于监控电池组状态（电芯电压、电芯温度、电池组电流、环境温度、接地故障）的第一监控单元，用于管理电池组运行（电压、电池组温度、报警）的第一管理单元，用于计算电池电量和电池健康的数据处理单元，用于通信的第一通信单元；所述辅助控制模块用于过充保护，所述辅助控制模块通过第一通信单元与所述主控制模块通讯连接，所述辅助控制模块包括用于监控电芯电压的第二监控单元，用于管理电池组电压和压差的第二管理单元，用于通信的第二通信单元，所述主控制模块和所述辅助控制模块均用于监控电芯电压，所述主控制模块优先级高于所述辅助控制模块。

进一步，所述第一监控单元和所述第二监控单元通过在电芯上设置的电压传感器监测电芯电压，所述第一监控单元通过在电池块上设置温度传感器监测电芯温度。

进一步，所述第一监控单元通过电池组主电路上的霍尔传感器监测电池组电流。

进一步，所述第一管理单元和所述第二管理单元与各个电池组的继电器连接，并控制继电器的闭合与断开。

进一步，所述第一通信单元包括与电池组内各个电池块通信连接的内部通信模组，与外部控制器通信连接的外部通信模组。

一种船用电池组冗余过充管理方法，应用于上述的一种船用电池组冗余过充管理系统，主控制模块和辅助控制模块同时工作，主控制模块工作包括以下步骤：

S1、系统上电；

S2、自检5s，检测电池组状态；

S3、确认是否收到控制器启动命令，未收到则返回继续确认，收到继续下一步；

S4、确认充电是否正常，正常则进行S5,不正常则进行S6；

S5、闭合充电继电器，接着进行S7；

S6、断开充电继电器，接着进行S7；

S7、确认放电是否正常，正常则进行S8,不正常则进行S10；

S8、进入预充电流程；

S9、闭合放电继电器，接着进行S11；

S10、不正常则断开放电继电器，接着进行S11；

S11、电池组运行；

S12、确认是否收到控制器关闭命令，未收到则返回S4，收到继续下一步；

S13、断开充电继电器和放电继电器，返回S3。

进一步，在S7中预充电流程包括：

S801、预充电流程运行；

S802、确认电池组外部电压是否小于内部电压的95%，若是则进行下一步，若不是则进行S808；

S803、闭合预充电继电器；

S804、确认预充电是否超时，或外部是否短路,预充电超时或外部短路则进行S805，否则进入S806；

S805、预充电超时或外部短路则断开预充电继电器，预充电失败，结束流程；

S806、确认电池组外部电压是否大于等于内部电压的95%，若是则进行下一步，若不是则返回S804；

S807、延迟2s后断开放电继电器；

S808、闭合放电继电器。

进一步，数据处理单元计算电池容量通过安时积分法和开路电压曲线校准进行评估，包括以下步骤：

S1401、电流检测；

S1402、确认充电倍率是否超过1C；

S1403、超过1C则计算电池充电容量或放电容量，进入S1407；

S1404、未超过1C则确认充电方向；

S1405、充电则计算电池充电容量；

S1406、放电则计算电池放电容量；

S1407、完成计算，返回S1402。

进一步，数据处理单元计算电池健康通过充电时间和放电时间和电芯周期寿命曲线进行评估，包括以下步骤：

S1501、电池管理系统启动；

S1502、检测剩余容量是否增加，增加则进行下一步，未增加则继续检测；

S1503、累加容量和储量；

S1504、确认增加容量是否大于电池最大容量，若是则进行下一步，若不是则返回S1502继续检测；

S1505、增加空载循环次数增加容量；

S1506、循环寿命是否大于循环的1/20，若是则进行下一步，若不是则返回S1502继续检测；

S1507、清除循环计数；

S1508、电池总容量衰减1%，返回S1502继续检测。

进一步，辅助控制模块过充保护包括以下步骤：

S1601、过充保护系统运行；

S1602、确认电芯最大电压是否小于截止阈值，若是则进行下一步，若不是则继续确认；

S1603、电池组的正负极独立过充继电器保持闭合；

S1604、确认电芯最大电压是否大于等于截止阈值，若是则进行下一步，若不是则继续确认；

S1605、断开电池组的正负极独立过充继电器；

S1606、过充保护系统停止运行。

根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明通过设置主控制模块，主控制模块对电池组层级控制和管理，用于继电器控制、总电压采集、电池组绝缘检测、系统信息显示与调试、与外部设备通信、验收、发送控制指令等；通过设置辅助控制模块，是独立于主控制模块的过充电保护系统，用于监控电池运行情况，保护电池安全运行，提高系统的容错性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的方法步骤图；

图3为本发明中预充电的方法步骤图；

图4为本发明中电池容量计算的方法步骤图；

图5为本发明中开路电压曲线图；

图6为本发明中电池健康计算的方法步骤图；

图7为本发明中电芯周期寿命曲线图；

图8为本发明中过充保护的方法步骤图。

其中，图中各附图标记：1、主控制模块；11、第一监控单元；12、第一管理单元；13、数据处理单元；14、第一通信单元；2、辅助控制模块；21、第二管理单元；22、第二监控单元；23、第二通信单元；3、外部系统；31、外部控制器；32、船舶能源管理系统；4、电池组。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当部件被称为“固定”或“设置”或“连接”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”等仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多”的含义是二或二以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一或一以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

如图1所示，本发明一个实施例中所述的一种船用电池组冗余过充管理系统（BCMU,Battery Controller Management Unit），包括主控制模块1（BCMU1）和辅助控制模块2（BCMU2），主控制模块1包括用于监控电芯电压、电芯温度、电池组电流、环境温度、接地故障的第一监控单元11，用于管理电池组电压、电池组4温度、报警的第一管理单元12，用于计算电池电量（SOC，State of Charge）和电池健康（SOH，State of Health）的数据处理单元13，用于通信的第一通信单元14；辅助控制模块2用于过充保护（IOP，IndependentOvercharge Protection），辅助控制模块2通过第一通信单元14与主控制模块1通讯连接，辅助控制模块2包括用于监控电芯电压的第二监控单元22，用于管理电池组电压和压差的第二管理单元21，用于通信的第二通信单元23。主控制模块1和辅助控制模块2均用于监控电芯电压，主控制模块1优先级高于辅助控制模块2，即主控制模块电压阈值低于辅助控制模块电压阈值。第一监控单元11通过电池组主电路上的霍尔传感器监测电池组电流。第一管理单元12和第二管理单元21与各个电池组4的继电器连接，并控制继电器的闭合与断开。

本实施例中，每个电池组4（Pack）中设置有6个电池模组（Module），每个电池模组中设置有5个电池块（Block），每个电池块中设置有8个电芯（Cell），电芯电压、电芯温度、电池组电流、环境温度分别通过电压传感器、温度传感器、霍尔传感器和温度传感器监测，主控制模块1的第一监控单元11与各个传感器直接连接或通过第一通信单元14连接来监控电芯电压、电芯温度、电池组电流、环境温度。系统设置在高压箱中，高压箱外布置有两个环境温度传感器，电池可以在0℃至55℃之间充电，在-20℃至55℃之间放电，温度过高或过低将触发警报或根据以下设置激活安全保护，阈值设置如下表所示：

电压采集通过第一通信单元14发送到第一监控单元11，接着发送到第一管理单元12，从而对电池系统电压监测和控制，电池模组和电池组电压由第一管理单元12计算。电芯标称电压3.2V，工作范围2.5～3.65V之间。电池组4标称电压为768V。过压或欠压将设置如下表所示：

主控制模块1会将所有电池组4电压数据发送到外部控制器或船舶能源管理系统等外部系统。每个电芯电压，包括每个电池组4中的最大电压、最小电压和平均电压以及电池组总电压，将在外部系统上显示。

每个电池组中设置1个霍尔传感器，用于测量电池组电流，对电池组4电流监测和控制。电池组4设计连续充电/放电电流为160A，峰值电流在10s内不高于330A。

过电流将触发报警或激活安全保护设置如下表所示：

接地故障监控通过高压绝缘监测电路进行，当检测到电池组4内部低绝缘时，超过设定值则发出报警和跳闸。第一管理单元12获取第一监控单元11的数据，通过第一通信单元14控制电池组4的内部的充放电管理电池组电压、电池组温度和报警，并通过第一通信单元14发送处理后的数据至外部控制器31和船舶能源管理系统32，温度数据包括最大温度、最小温度和平均温度、环境温度和电池块温差。数据处理单元13获取第一监控单元11的数据计算电池电量和电池健康，通过第一通信单元14发送计算结果至外部控制器31和船舶能源管理系统32。第二监控单元22通过第二通信单元23获取电压传感器监控电芯电压，第一监控单元11和第二监控单元22可以共用一个电压传感器。第二管理单元21通过第二通信单元23控制电池组4内部的充放电进行过充保护。

如图1所示，在一个优选的实施例中，第一监控单元11和第二监控单元22通过在电芯上设置的电压传感器监测电芯电压，第一监控单元11通过在电池块上设置温度传感器监测电芯温度。本实施例中，每个电芯均设置有电压采集传感器，从而可以监控每个电芯的电压，电池块中设置有4个温度传感器，4个温度传感器分散设置在电池块中，从而监测电池块内各处的温度。

如图1所示，在一个优选的实施例中，第一通信单元14包括与电池组4内各个电池块通信连接的内部通信模组，与外部控制器31通信连接的外部通信模组。本实施例中，内部通信模组接收电池组4内传感器数据，并通过内部通信模组向电池组4内部的继电器发生控制命令。外部控制器31向外部控制器31或船舶能源管理系统32发送电池组信息，并接收外部控制器31或船舶能源管理系统32的控制命令，使得电池组4与外部系统3建立联系，方便进行管理。

实施例2

如图2所示，本发明一个实施例中所述的一种船用电池组冗余过充管理方法，应用于上述的一种船用电池组冗余过充管理系统，主控制模块和辅助控制模块同时工作，主控制模块工作包括以下步骤：

S1、系统上电；

S2、自检，检测电池组状态；

S3、确认是否收到控制器启动命令，未收到则返回继续确认，收到继续下一步；

S4、确认充电是否正常，正常则进行S5,不正常则进行S6；

S5、闭合充电继电器，接着进行S7；

S6、断开充电继电器，接着进行S7；

S7、确认放电是否正常，正常则进行S8,不正常则进行S10；

S8、进入预充电流程；

S9、闭合放电继电器，接着进行S11；

S10、不正常则断开放电继电器，接着进行S11；

S11、电池组运行；

S12、确认是否收到控制器关闭命令，未收到则返回S4，收到继续下一步；

S13、断开充电继电器和放电继电器，返回S3。

如图3所示，在一个优选的实施例中，在S8中预充电流程包括：

S801、预充电流程运行；

S802、确认电池组外部电压是否小于内部电压的95%，若是则进行S803，若不是则进行S808；

S803、闭合预充电继电器；

S804、确认预充电是否超时，或外部是否短路,预充电超时或外部短路则进行S805，否则进入S806；

S805、预充电超时或外部短路则断开预充电继电器，预充电失败，结束流程；

S806、确认电池组外部电压是否大于等于内部电压的95%，若是则进行下一步，若不是则返回S804；

S807、延迟2s后断开放电继电器；

S808、闭合放电继电器。

预充电功能防止将电池组4连接到不同电压水平的容性负载而造成的损坏，防止电池组正负极与负载正负极之间的压差过大，保护主回路继电器。预充电在放电可用后，根据电池组4内部和外部测量的电压进行处理。内部测量电压是电池组4的总电压，外部是连接到负载的电池组输出电压。

如图4和图5所示，在一个优选的实施例中，数据处理单元13计算电池容量通过安时积分法和开路电压曲线校准进行评估，包括以下步骤：

S1401、电流检测；

S1402、确认充电倍率是否超过1C；

S1403、超过1C则计算电池充电容量或放电容量，进入S1407；

S1404、未超过1C则确认充电方向；

S1405、充电则计算电池充电容量；

S1406、放电则计算电池放电容量；

S1407、完成计算，返回S1402。

安时积分法：电池的剩余容量SOC是通过累积电池在充电或放电过程中的安时累积功率来估算的，并根据电池的温度和放电率对SOC进行补偿。

在公式中，SOC₀为初始SOC，C_I为电池的额定容量；I为充放电电流，充电时为负，放电时为正；η是充放电的效率。

开路电压法：通过实验方法描绘不同放电电流下电池端电压与电池剩余能量的关系曲线，并存储特征关系曲线。实时采样电池放电时的端电压，查找表格查找电池的剩余能量，同时考虑电池的使用寿命和内阻对电池SOC的影响，并校正计算出的电池剩余能量。

如图6和图7所示，在一个优选的实施例中，数据处理单元13计算电池健康通过充电时间和放电时间和电芯周期寿命曲线进行评估，包括以下步骤：

S1501、电池管理系统启动；

S1502、检测剩余容量是否增加，增加则进行下一步，未增加则继续检测；

S1503、累加容量和储量；

S1504、确认增加容量是否大于电池最大容量，若是则进行下一步，若不是则返回S1502继续检测；

S1505、增加空载循环次数增加容量；

S1506、循环寿命是否大于循环的1/20，若是则进行下一步，若不是则返回S1502继续检测；

S1507、清除循环计数；

S1508、电池总容量衰减1%，返回S1502继续检测。

如图8所示，在一个优选的实施例中，辅助控制模块2过充保护包括以下步骤：

S1601、过充保护系统运行；

S1602、确认电芯最大电压是否小于截止阈值（3700mV），若是则进行下一步，若不是则继续确认；

S1603、电池组4的正负极独立过充继电器保持闭合，即电池正极和负载正极之间的继电器，电池负极和负载负极之间的继电器；

S1604、确认电芯最大电压是否大于等于截止阈值，若是则进行下一步，若不是则继续确认；

S1605、断开电池组4的正负极独立过充继电器；

S1606、过充保护系统停止运行。

过充保护系统基于电芯电压，作为电池组4电压保护功能的备用功能，确保在主控制模块1发生故障时电压保护可用。

过充保护系统的硬件使用与主控制模块1相同的组件，辅助控制模块2将执行监控，报警和安全保护功能。电芯电压采集到专用于过充电保护的电压采集模块，并通过CAN总线传输到辅助控制模块2。有效数据将由辅助控制模块2进行分析和处理，并通过RS485总线传输到外部控制器31中进行显示。电池组4内正负极的专用主电路继电器将由辅助控制模块2打开/关闭。此外，在辅助控制模块2和主控制模块1之间安排CAN总线通信，使过充保护信息通过主控制模块1发送到外部控制器31，然后再发送到外部。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船用电池组冗余过充管理系统，其特征在于，包括：

主控制模块，所述主控制模块包括用于监控电池组状态的第一监控单元，用于管理电池组运行的第一管理单元，用于计算电池电量和电池健康的数据处理单元，用于通信的第一通信单元；

辅助控制模块，所述辅助控制模块用于过充保护，所述辅助控制模块通过第一通信单元与所述主控制模块通讯连接，所述辅助控制模块包括用于监控电芯电压的第二监控单元，用于管理电池组电压和压差的第二管理单元，用于通信的第二通信单元；

所述主控制模块和所述辅助控制模块均用于监控电芯电压，所述主控制模块优先级高于所述辅助控制模块。

2.根据权利要求1中所述的一种船用电池组冗余过充管理系统，其特征在于，所述第一监控单元和所述第二监控单元通过在电芯上设置的电压传感器监测电芯电压，所述第一监控单元通过在电池块上设置温度传感器监测电芯温度。

3.根据权利要求1中所述的一种船用电池组冗余过充管理系统，其特征在于，所述第一监控单元通过电池组主电路上的霍尔传感器监测电池组电流。

4.根据权利要求1中所述的一种船用电池组冗余过充管理系统，其特征在于，所述第一管理单元和所述第二管理单元与各个电池组的继电器连接，并控制继电器的闭合与断开。

5.根据权利要求1中所述的一种船用电池组冗余过充管理系统，其特征在于，所述第一通信单元包括与电池组内各个电池块通信连接的内部通信模组，与外部控制器通信连接的外部通信模组。

6.一种船用电池组冗余过充管理方法，其特征在于，应用于权利要求1-5中任一项所述的一种船用电池组冗余过充管理系统，主控制模块和辅助控制模块同时工作，主控制模块工作包括以下步骤：

S1、系统上电；

S2、自检，检测电池组状态；

S3、确认是否收到控制器启动命令，未收到则返回继续确认，收到继续下一步；

S4、确认充电是否正常，正常则进行S5,不正常则进行S6；

S5、闭合充电继电器，接着进行S7；

S6、断开充电继电器，接着进行S7；

S7、确认放电是否正常，正常则进行S8,不正常则进行S10；

S8、进入预充电流程；

S9、闭合放电继电器，接着进行S11；

S10、不正常则断开放电继电器，接着进行S11；

S11、电池组运行；

S12、确认是否收到控制器关闭命令，未收到则返回S4，收到继续下一步；

S13、断开充电继电器和放电继电器，返回S3。

7.根据权利要求6中所述的一种船用电池组冗余过充管理方法，其特征在于，在S8中预充电流程包括：

S801、预充电流程运行；

S802、确认电池组外部电压是否小于内部电压的95%，若是则进行S803，若不是则进行S808；

S803、闭合预充电继电器；

S804、确认预充电是否超时，或外部是否短路,预充电超时或外部短路则进行S805，否则进入S806；

S805、预充电超时或外部短路则断开预充电继电器，预充电失败，结束流程；

S806、确认电池组外部电压是否大于等于内部电压的95%，若是则进行下一步，若不是则返回S804；

S807、断开放电继电器；

S808、闭合放电继电器。

8.根据权利要求6中所述的一种船用电池组冗余过充管理方法，其特征在于，数据处理单元计算电池容量通过安时积分法和开路电压曲线校准进行评估，包括以下步骤：

S1401、电流检测；

S1402、确认充电倍率是否超过1C；

S1403、超过1C则计算电池充电容量或放电容量，进入S1407；

S1404、未超过1C则确认充电方向；

S1405、充电则计算电池充电容量；

S1406、放电则计算电池放电容量；

S1407、完成计算，返回S1402。

9.根据权利要求6中所述的一种船用电池组冗余过充管理方法，其特征在于，数据处理单元计算电池健康通过充电时间和放电时间和电芯周期寿命曲线进行评估，包括以下步骤：

S1501、电池管理系统启动；

S1502、检测剩余容量是否增加，增加则进行下一步，未增加则继续检测；

S1503、累加容量和储量；

S1504、确认增加容量是否大于电池最大容量，若是则进行下一步，若不是则返回S1502继续检测；

S1505、增加空载循环次数增加容量；

S1506、循环寿命是否大于循环的1/20，若是则进行下一步，若不是则返回S1502继续检测；

S1507、清除循环计数；

S1508、电池总容量衰减1%，返回S1502继续检测。

10.根据权利要求6中所述的一种船用电池组冗余过充管理方法，其特征在于，辅助控制模块过充保护包括以下步骤：

S1601、过充保护系统运行；

S1602、确认电芯最大电压是否小于截止阈值，若是则进行下一步，若不是则继续确认；

S1603、电池组的正负极独立过充继电器保持闭合；

S1604、确认电芯最大电压是否大于等于截止阈值，若是则进行下一步，若不是则继续确认；

S1605、断开电池组的正负极独立过充继电器；

S1606、过充保护系统停止运行。