CN117239883A - 一种船用电池状态采集、均衡系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用电池状态采集、均衡系统及方法，包括主控模块、辅控模块和通讯模块，主控模块包括用于采集电芯电压和电芯温度的第一采集单元，用于均衡电池电压的均衡单元，辅控模块包括用于采集电芯电压的第二采集单元，第一采集单元和第二采集单元采集数据通过通讯模块上传至上位机，通讯模块接收上位机指令传至均衡单元控制调节电压。本发明的系统通过第一采集单元和第二采集单元并行采集电芯的电压数据，第一采集单元和第二采集单元相互独立，电压采集功能可以互补，保证数据采集稳定性，第二采集单元采集数据用于过充保护，提高电池运行的安全性。通过均衡单元可以根据上位机的指令控制电池的电压均衡，提高电池的使用寿命和性能。

Description

一种船用电池状态采集、均衡系统及方法

技术领域

本发明涉及船用电池系统技术领域，更具体地说，是涉及一种船用电池状态采集、均衡系统及方法。

背景技术

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，来为船只提供动力。

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块层级仍存在不足，通常采用单一控制模块获取电池块的状态，船舶在航行过程中，受风浪影响，会不断的摇摆，使得电池管理系统的器件较容易损坏，且电池管理系统的器件在日常使用过程中也会产生损耗，单一控制模块一旦损坏，系统即无法正常获取电池块的状态，系统容错性较差，安全性较差，且船舶在航行过程中不便补给，系统恢复不便，影响船舶航行。

以上不足，有待改进。

发明内容

为了解决或缓解现有技术中船舶在航行中受风浪影响，会不断的摇摆，使得电池管理系统的器件较容易损坏，且电池管理系统的器件在日常使用过程中也会产生损耗，单一控制模块一旦损坏，系统即无法正常获取电池块的状态，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状态采集、均衡系统及方法。

本发明技术方案如下所述：

一种船用电池状态采集、均衡系统，包括主控模块、辅控模块、通讯模块，所述主控模块包括第一采集单元、均衡单元，所述辅控模块包括第二采集单元，所述通讯模块用于将所述第一采集单元和第二采集单元采集的数据发送至上位机，并接收上位机指令传至所述均衡单元；所述第一采集单元和所述第二采集单元均用于采集电芯电压，所述均衡单元用于根据所述上位机的控制指令，均衡电芯的电压，使得电池模组中各个电池块的电压均衡、电池块中各个电芯的电压均衡。

进一步，所述均衡单元包括电芯均衡模组和电池组均衡模组，所述电芯均衡模组用于均衡各个电芯之间的电压差，所述电池组均衡模组用于均衡各个电池组之间的电压差。

进一步，电池块中设置有多个电芯，每个电芯分别设置有用于采集电芯电压的电压传感器，所述电压传感器与所述第一采集单元电性连接。

进一步，所述电压传感器与所述第二采集单元电性连接。

进一步，电池块中设置有多个温度传感器，所述温度传感器在所述电池块中均匀分布，所述温度传感器与所述第一采集单元电性连接。

进一步，所述电压传感器采集周期不大于100ms，所述温度传感器采集周期不大于300ms。

进一步，所述电压传感器和所述温度传感器的信号线集成于电路板，所述电压传感器和所述温度传感器也集成与电路板上。

进一步，电路板一般为柔性电路板，电路板上设置有连接端子，通过连接端子分别与主控模块和辅控模块连接。

进一步，电芯两端连接所述均衡单元，所述均衡单元包括连接在电芯两端均衡电阻和智能开关，电芯达到均衡条件时，上位机控制所述智能开关闭合使得所述均衡单元启动工作。

一种船用电池状态采集、均衡方法，应用于上述的一种船用电池状态采集、均衡系统，包括以下步骤:

S1、系统启动；

S2、第一采集单元和第二采集单元分别采集电芯电压，通讯模块将第一采集单元和第二采集单元采集的数据发送至上位机；

S3、通讯模块接收上位机指令，确认是否收到电压均衡指令，未收到则继续确认，收到则进行下一步；

S4、确认电压均衡指令类别，若为电芯电压均衡指令则进行S5,若为电池块电压均衡指令则进行S6；

S5、执行电芯电压均衡步骤；

S6、执行电池块电压均衡步骤；

S7、完成一次均衡过程。

进一步，在执行S5时，通过每个电芯的均衡，实现整个电池块内电芯的均衡；在执行S6时，将每个电池块内的电芯分为两组，通过两组电芯的均衡实现整个电池组内电池块的均衡。

进一步，在S5中，电芯电压均衡步骤包括：

S501、接收上位机电芯电压均衡指令；

S502、打开指定的均衡通道；

S503、发送反馈信号至上位机；

S504、确认是否持续第一预设时间（15s），未达到时间则继续延时，达到时间则进行下一步；

S505、关闭指定的均衡通道；

S506、等待第二预设时间（5s）后准备下一个均衡指令。

进一步，在S6中，电池块电压均衡步骤包括：

S601、接收上位机电池块电压均衡指令；

S602、指定的主控模块对其管理的电池块中的电芯按电压排序；

S603、排除电芯电压比最高电压低20mV至的电芯通道；

S604、所选电芯平均分为两组；

S605、第一组电芯打开；

S606、打开持续第三预设时间（15s）后关闭持续第四预设时间（5s）；

S607、第二组电芯打开；

S608、打开持续第三预设时间（15s）后关闭持续第四预设时间（5s）；

S609、确认是否接收到上位机电池块电压均衡指令，未接收到则继续确认，接收到则返回S601。

根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明的系统通过在每个电芯上都设置了电压传感器和均匀分布在电池块中的温度传感器，确保对每个电芯的数据采集和监测。系统通过第一采集单元和第二采集单元并行采集电芯的电压数据，第一采集单元和第二采集单元相互独立，电压采集功能可以互补，保证数据采集稳定性，第二采集单元采集数据用于过充保护，提高电池运行的安全性。通过采集电芯电压和温度数据，该系统能够实时监测电池的状态，及时发现异常情况，如过高温度或电压失衡等。通过均衡单元，系统可以根据上位机的指令控制和调节电池的电压均衡，提高电池的使用寿命和性能。通过通讯模块能够与上位机进行数据传输和指令控制，实现远程监控和管理，方便操作和调整电池状态。

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为本发明的系统架构示意图；

图2为本发明的中系统结构示意图；

图3为本发明的中系统电路结构示意图；

图4为本发明的中均衡单元电路结构示意图；

图5为本发明的方法步骤图；

图6为本发明中电芯电压均衡的方法步骤图；

图7为本发明中电池块电压均衡的方法步骤图。

其中，图中各附图标记：1、主控模块；11、第一采集单元；12、均衡单元；13、电芯均衡模组；14、电池组均衡模组；15、均衡电阻；16、智能开关；2、辅控模块；21、第二采集单元；3、通讯模块；4、上位机；5、电池块；51、电芯；6、电压传感器；7、温度传感器。

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至图3所示，本发明一个实施例中所述的一种船用电池状态采集、均衡系统（BCU），包括主控模块1（BCU1）、辅控模块2（BCU2）和通讯模块3，主控模块1包括用于采集电芯电压和电芯温度的第一采集单元11，用于均衡电池电压的均衡单元12，辅控模块2包括用于采集电芯电压的第二采集单元21。电池块5（Block）中设置有多个电芯51（Cell），每个电芯51分别设置有用于采集电芯电压的电压传感器6，电压传感器6与第一采集单元11电性连接，且电压传感器6与第二采集单元21电性连接。电池块5中设置有多个温度传感器7，温度传感器7在电池块5中均匀分布，温度传感器7与第一采集单元11电性连接。第一采集单元11和第二采集单元21采集数据通过通讯模块3上传至上位机4，通讯模块3接收上位机4指令传至均衡单元12控制调节电压。上位机4包括电池组控制器管理系统（BCMU,BatteryController Management Unit）、电池域管理系统（BAMU，Battery Area ManagementUnit），船舶能源管理系统（EMS，Energy Management System），其中电池组控制器管理系统直接管理控制电池状态采集系统，电池域管理系统用于管理电池组控制器管理系统，船舶能源管理系统用于管理电池域管理系统。

本实施例用于采集电池块5状态数据，每个电池块5中设置有8个电芯51，多个电池块5组合形成电池模组，每个电芯51均连接一个电压传感器6，即每个电池块5中设置有8个电压传感器6，每两个电芯51设置1个温度传感器7，即每个电池块5中设置有4个温度传感器7。电压传感器6用于监测各个电芯51的电压，第一采集单元11和第二采集单元21分别获取各个电压传感器6的数据，从而获取电池块5中各个电芯51的电压，且第一采集单元11可以获取温度传感器7数据，获取电池块5中各处电芯温度。工作时，第一采集单元11通过与电压传感器6和温度传感器7电性连接进行通信，主控模块1通过第一采集单元11采集每个电芯51的电压和温度数据。第二采集单元21通过与电压传感器6电性连接进行通信，辅控模块2通过第二采集单元21采集电芯51的电压数据。采集到的数据由第一采集单元11和第二采集单元21传输至通讯模块3。通讯模块3将采集到的数据上传至上位机4，以供后续分析和处理。上位机4发送指令给通讯模块3，然后通讯模块3将指令传递给均衡单元12，以控制和调节电池的电压均衡。

本实施例中，系统通过在每个电芯51上都设置了电压传感器6和均匀分布在电池块5中的温度传感器7，确保对每个电芯51的数据采集和监测。系统通过第一采集单元11和第二采集单元21并行采集电芯51的电压数据，第一采集单元11和第二采集单元21相互独立，电压采集功能可以互补，保证数据采集稳定性，第二采集单元21采集数据用于过充保护，提高电池运行的安全性。通过采集电芯电压和温度数据，该系统能够实时监测电池的状态，及时发现异常情况，如过高温度或电压失衡等。通过均衡单元12，系统可以根据上位机4的指令控制和调节电池的电压均衡，提高电池的使用寿命和性能。通过通讯模块3能够与上位机4进行数据传输和指令控制，实现远程监控和管理，方便操作和调整电池状态。

如图4所示，在一个优选的实施例中，均衡单元12包括电芯均衡模组13和电池组均衡模组14，电芯均衡模组13用于均衡各个电芯51之间的电压差，电池组均衡模组14用于均衡各个电池组之间的电压差。电芯51两端连接均衡单元，均衡单元包括连接在电芯51两端均衡电阻15和智能开关16（Mos管），电芯51达到均衡条件时，上位机控制智能开关闭合使得均衡单元12启动工作，均衡电阻15耗电均衡电压。

本实施例中，每个电芯51的两端设置了均衡电阻15和智能开关16，这些智能开关16通过与均衡单元12的电芯均衡模组13连接，可以根据控制信号来闭合或断开电芯51两端的智能开关16，从而实现电芯电压均衡。通过类似的方式操作，各个电池组设有相应的智能开关16和均衡电阻15，并与均衡单元12的电池组均衡模组14连接。通过控制信号，可以调整电池组之间的连接状态，以实现电压均衡。工作时，通讯模块3将数据上传至上位机4，并接收上位机4发送的均衡指令。上位机4根据电芯51和电池组之间的电压差情况，生成相应的均衡控制信号。均衡单元12根据控制信号，控制智能开关16闭合或断开，以调整电芯51和电池组之间的连接状态。

通过电芯均衡模组13和电池组均衡模组14，系统可以实现电芯51和电池组之间的电压差均衡，提高了电池的整体性能和寿命。通过上位机4生成的均衡控制信号，可以精确地控制电芯51和电池组之间的连接状态，使得均衡效果更加准确和可靠。系统可以在较短的时间内对电压差进行调整，实现快速响应和电池状态的稳定性，提升整个电池管理系统的性能和可靠性。

在一个优选的实施例中，电压传感器6采集周期不大于100ms，温度传感器7采集周期不大于300ms。

本实施例中，电压传感器6采集周期不大于100ms，温度传感器7采集周期不大于300ms，能够实时地采集电池组内各个电芯51的状态信息，使得监测和控制更加准确和及时。通过实时监测电池组内电芯51的状态，并在必要的时候进行均衡和保护，能够有效延长电池寿命，并避免电池出现故障或损坏的情况。传感器采集的数据精度高，能够准确反映电池组内电芯51的实时状态，提高了系统的稳定性和可靠性。

如图2所示，在一个优选的实施例中，电压传感器6和温度传感器7的信号线集成于电路板，电压传感器6和温度传感器7也集成与电路板上。电路板一般为柔性电路板，电路板上设置有连接端子，通过连接端子分别与主控模块1和辅控模块2连接。

本实施例中，通过将电压传感器6、温度传感器7即各自的信号线集成在电路板上，可以有效避免传感器线路松动、接触不良等问题，提高了系统的稳定性和可靠性。柔性电路板具有较强的整体性和可塑性，能够满足不同形状和布局的需求，使得整个系统的设计更加灵活和便于集成，方便安装。由于信号线和传感器集成在电路板上，可以通过电路板上的连接端子和主控模块1和辅控模块2快速的进行信号传输和采集，从而提高了反应时间和数据采集效率。

实施例2

如图5所示，本发明一个实施例中所述的一种船用电池状态采集、均衡方法，应用于上述的一种船用电池状态采集、均衡系统，包括以下步骤:

S1、系统启动；

S2、第一采集单元11和第二采集单元21采集电芯电压，第一采集单元还可以采集电芯温度，通讯模块3将第一采集单元11和第二采集单元21采集的数据发送至上位机4；

S3、通讯模块3接收上位机4指令，确认是否收到电压均衡指令，未收到则继续确认，收到则进行下一步；

S4、确认电压均衡指令类别，若为电芯电压均衡指令则进行S5,若为电池块电压均衡指令则进行S6；

S5、执行电芯电压均衡步骤，通过每个电芯的均衡，实现整个电池块内电芯的均衡；

S6、执行电池块电压均衡步骤，将每个电池块内的电芯分为两组，通过两组电芯的均衡实现整个电池组内电池块的均衡；

S7、完成一次均衡过程。

本实施例中，通过第一采集单元11和第二采集单元21并行采集电芯51的电压数据，第一采集单元11和第二采集单元21相互独立，电压采集功能可以互补，保证数据采集稳定性，第二采集单元21采集数据用于过充保护，提高电池运行的安全性。通过均衡单元12，系统可以根据上位机4的指令控制和调节电池电压均衡，可以从电池块5和电芯51两个层面进行均衡，调节效率高，提高电池的使用寿命和性能。

本实施例中，电芯标称电压3.2V，工作范围2.5～3.65V之间。过压或欠压上位机4将根据以下设置触发警报或激活安全保护：

如图6所示，在一个优选的实施例中，在S5中，电芯电压均衡步骤包括：

S501、接收上位机4电芯电压均衡指令；

S502、打开指定的均衡通道，均衡通道为设置在电芯两端的均衡单元的智能开关；

S503、发送反馈信号至上位机4；

S504、确认是否持续15s，未达到时间则继续延时，达到时间则进行下一步；

S505、关闭指定的均衡通道；

S506、等待5s后准备下一个均衡指令。

本实施例中，通过开关电池块5中各个电芯51的通道，实现电芯电压均衡。

如图7所示，在一个优选的实施例中，在S6中，电池块电压均衡步骤包括：

S601、接收上位机4电池块电压均衡指令；

S602、指定的主控模块1对其管理的电池块中的电芯51按电压排序；

S603、排除电芯电压比最高电压低20mV至的电芯通道；

S604、所选电芯51平均分为两组；

S605、第一组电芯51打开；

S606、持续15s后关闭5s；

S607、第二组电芯51打开；

S608、持续15s后关闭5s；

S609、确认是否接收到上位机4电池块电压均衡指令，未接收到则继续确认，接收到则返回S601。

其中，电池块电压均衡优先于电芯电压均衡。

本实施例中，通过开关电池块5中各个电池组的通道，实现电池块电压均衡。

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)

1.一种船用电池状态采集、均衡系统，其特征在于，包括：

主控模块，所述主控模块包括第一采集单元、均衡单元；

辅控模块，所述辅控模块包括第二采集单元；

通讯模块，所述通讯模块用于将所述第一采集单元和第二采集单元采集的数据发送至上位机，并接收上位机指令传至所述均衡单元；

所述第一采集单元和所述第二采集单元均用于采集电芯电压，所述均衡单元用于根据所述上位机的控制指令，均衡电芯的电压，使得电池模组中各个电池块的电压均衡、电池块中各个电芯的电压均衡。

2.根据权利要求1中所述的一种船用电池状态采集、均衡系统，其特征在于，所述均衡单元包括电芯均衡模组和电池组均衡模组，所述电芯均衡模组用于均衡各个电芯之间的电压差，所述电池组均衡模组用于均衡各个电池组之间的电压差。

3.根据权利要求1中所述的一种船用电池状态采集、均衡系统，其特征在于，电池块中设置有多个电芯，每个电芯分别设置有用于采集电芯电压的电压传感器，所述电压传感器与所述第一采集单元电性连接。

4.根据权利要求3中所述的一种船用电池状态采集、均衡系统，其特征在于，所述电压传感器与所述第二采集单元电性连接。

5.根据权利要求3中所述的一种船用电池状态采集、均衡系统，其特征在于，电池块中设置有多个温度传感器，所述温度传感器在所述电池块中均匀分布，所述温度传感器与所述第一采集单元电性连接。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种船用电池状态采集、均衡系统，其特征在于，电芯两端连接所述均衡单元，所述均衡单元包括连接在电芯两端均衡电阻和智能开关，电芯达到均衡条件时，上位机控制所述智能开关闭合使得所述均衡单元启动工作。

7.一种船用电池状态采集、均衡方法，其特征在于，应用于权利要求1-6中任一项所述的船用电池状态采集、均衡系统，包括以下步骤:

S1、系统启动；

S2、第一采集单元和第二采集单元分别采集电芯电压，通讯模块将第一采集单元和第二采集单元采集的数据发送至上位机；

S3、通讯模块接收上位机指令，确认是否收到电压均衡指令，未收到则继续确认，收到则进行下一步；

S4、确认电压均衡指令类别，若为电芯电压均衡指令则进行S5,若为电池块电压均衡指令则进行S6；

S5、执行电芯电压均衡步骤；

S6、执行电池块电压均衡步骤；

S7、完成一次均衡过程。

8.根据权利要求7中所述的一种船用电池状态采集、均衡方法，其特征在于，

在执行S5时，通过每个电芯的均衡，实现整个电池块内电芯的均衡；

在执行S6时，将每个电池块内的电芯分为两组，通过两组电芯的均衡实现整个电池组内电池块的均衡。

9.根据权利要求7中所述的一种船用电池状态采集、均衡方法，其特征在于，在S5中，电芯电压均衡步骤包括：

S501、接收上位机电芯电压均衡指令；

S502、打开指定的均衡通道；

S503、发送反馈信号至上位机；

S504、确认是否持续第一预设时间，未达到时间则继续延时，达到时间则进行下一步；

S505、关闭指定的均衡通道；

S506、等待第二预设时间后准备下一个均衡指令。

10.根据权利要求7中所述的一种船用电池状态采集、均衡方法，其特征在于，在S6中，电池块电压均衡步骤包括：

S601、接收上位机电池块电压均衡指令；

S602、指定的主控模块对其管理的电池块中的电芯按电压排序；

S603、排除电芯电压比最高电压低20mV至的电芯通道；

S604、所选电芯平均分为两组；

S605、第一组电芯打开；

S606、打开持续第三预设时间后关闭持续第四预设时间；

S607、第二组电芯打开；

S608、打开持续第三预设时间后关闭持续第四预设时间；

S609、确认是否接收到上位机电池块电压均衡指令，未接收到则继续确认，接收到则返回S601。