CN117318219A - 一种基于能量循环的混合均衡系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量循环的混合均衡系统以及方法，包括中央处理单元、前端采样单元、发热器件、温差发电片、电压转换模块、主动均衡电路、电芯、主回路电流采样、分流器和被动均衡电路，有效利用废热，绿色节能；实现热能到电能的转换和循环利用同时实现功率的无源主动散热及电芯的无源主动降温同时有效减小电池包体积；避开了现有主被动均衡的所有缺点，解决了现有主动均衡方案复杂、成本高；被动均衡均衡效率低的问题，同时传统主动均衡在电芯电压差小于一定数值时不能工作或效率低，但混合方案仍能有效工作，实现了主被动均衡融合，可主被动均衡同时工作也可分别单独工作，均衡效率高，配置灵活，充电、静态、放电均可实现均衡。

Description

一种基于能量循环的混合均衡系统以及方法

技术领域

本发明涉及二次电池管理领域，具体为一种基于能量循环的混合均衡系统以及方法。

背景技术

随着锂电池等二次电池的应用越来越广泛，为了更好更安全地利用蕴含有巨大能量密度的二次电池，需要使用电池管理板对电池包进行监控和管理。由于固有的材料、筛选、加工差异，不同电芯之间存在着内阻偏差；在实际使用时，如多节电芯串联，不同电芯之间随着应用的进行，就会出现电压及容量不同步现象，即整串电芯中某节电芯电压与其他大部分电芯相比过低或过高。

如果不解决这种现象，就会出现“木桶效应”，即：在充电时整组电芯未达到满充电压前某节电芯就因电压过高而提前到达过冲保护从而整组电芯在未全部充满前停止充电；在放电时反之。为发挥整组电芯的最大效能，所有串联电芯最好能够电压一致；如出现不一致，则需要对电芯进行均衡操作，所谓均衡即通过一定的手段将所有电芯的电压控制到一定的小压差范围内；

现有的技术存在的缺陷：

1、电池包的废热能量损失；

本身作为新能源技术领域的先行者，锂电池几乎成了绿色节能的代名词。但实际使用中仍非尽善尽美，在大电流使用时，锂电池管理板功率部分仍会释放出大量的热量，这些热量会带来以下影响：

1)会与电芯发热产生温度叠加效应从而导致电池包内部整体温度上升，极端条件下会导致电芯温度过高而影响正常充放电；其次过高的温度也会影响电芯内部的电化学反应进程，从而给电芯的容量及寿命带来影响。

2)现有电池管理系统一般采用被动散热设计，热能通过向空间辐射的方式释放，一定程度上产生了能量浪费；

3)如采用主动散热，则增加了成本及额外的能源消耗。因此如能有效利用此热能将不仅能够提升电池利用效率和寿命还能使电池系统有效实现废热回收利用，是电池系统更加环保。

2、现有均衡设计的限制；

现有均衡设计主要有两种，主动均衡或被动均衡。一般主动均衡均衡电流大(A级)，但设计复杂、占板面积高、成本高，在小电池包系统中性价比较低，一般用作外置均衡使用；在大电池包系统中成本体积不敏感情况下才选择集成设计。此外，主动均衡的原理是利用电芯压差之间的差异被动地实现能量的主动转移，当电芯压差低于一定幅度时将停止工作或效率降低。被动均衡，在小电池包中比较常见。成本低、占板面积小，但均衡电流也较小(mA级)且一般在充电或静置时工作，从而导致均衡时间较长，效率较低。因此，小容量电池包均衡效能及性价比之间存在明显的矛盾。为此提供了一种基于能量循环的混合均衡系统以及方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种基于能量循环的混合均衡系统以及方法，以解决上述背景技术提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于能量循环的混合均衡系统，包括中央处理单元、前端采样单元、发热器件、温差发电片、电压转换模块、主动均衡电路、电芯、主回路电流采样、分流器和被动均衡电路，所述中央处理单元与前端采样单元相连，所述前端采样单元与被动均衡电路相连，所述被动均衡电路与电芯相连，所述电芯与主动均衡电路相连，所述主动均衡电路与电压转换模块相连，所述电压转换模块与发热器件相连，所述发热器件上连接有温差发电片，所述中央处理单元与主回路电流采样模块相连。

作为本发明的一种优选技术方案，所述中央处理单元独立控制主动均衡电路和被动均衡电路中的各个选通开关。

作为本发明的一种优选技术方案，所述主动均衡电路和被动均衡电路均由若干路选通开关构成。

作为本发明的一种优选技术方案，所述前端采样单元实现每节电芯的电压采样和监控并根据监控信息按照设定逻辑实现每节电芯的被动均衡电路的打开和关闭。

作为本发明的一种优选技术方案，所述发热器件为控制板上的功率部件或电池包的功率线路，所述发热器件存在内阻，根据W＝IR公式，在电池包大电流充放电时产生热能对外释放。

作为本发明的一种优选技术方案，所述温差发电片内含BiTe材料，温差发电片分为A面和B面，所述温差发电片的A面与功率部分充分接触，所述温差发电片的B面与电芯接触。

作为本发明的一种优选技术方案，所述电压转换模块：将温差发电片产生的电压转换为电芯允许的充电电压给电芯充电。

一种基于能量循环的混合均衡方法，该方法利用温差发电片吸热并将热能转换为电能产生相应的电压及电流并将其应用于BMS系统的电芯均衡上。

本发明的有益效果是：

1、主动降温：有效利用废热，绿色节能；实现热能到电能的转换和循环利用同时实现功率的无源主动散热及电芯的无源主动降温同时有效减小电池包体积；

2、避短：避开了现有主被动均衡的所有缺点，解决了现有主动均衡方案复杂、成本高；被动均衡均衡效率低的问题，同时传统主动均衡在电芯电压差小于一定数值时不能工作或效率低，但混合方案仍能有效工作；

3、智能：可根据系统充放电电流大小智能实现均衡电流随动，充放电电流小，发热小，均衡要求低，均衡电流小；充放电电流大，发热量大，均衡要求高，均衡电流大。大电流均衡完全可与现有主流主动均衡板能力持平。

4、融合：实现了主被动均衡融合，可主被动均衡同时工作也可分别单独工作，均衡效率高，配置灵活；

5、全场景均衡：充电、静态、放电均可实现均衡。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图中：中央处理单元1、前端采样单元2、发热器件3、温差发电片4、电压转换模块5、主动均衡电路6、电芯7、主回路电流采样模块8、分流器9、被动均衡电路10。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例：请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于能量循环的混合均衡系统，包括中央处理单元1、前端采样单元2、发热器件3、温差发电片4、电压转换模块5、主动均衡电路6、电芯7、主回路电流采样8、分流器9和被动均衡电路10，中央处理单元1与前端采样单元2相连，前端采样单元2与被动均衡电路10相连，被动均衡电路10与电芯7相连，电芯7与主动均衡电路6相连，主动均衡电路6与电压转换模块5相连，电压转换模块5与发热器件3相连，发热器件3上连接有温差发电片4，中央处理单元1与主回路电流采样模块8相连。

中央处理单元1独立控制主动均衡电路6和被动均衡电路10中的各个选通开关。

主动均衡电路6和被动均衡电路10均由若干路选通开关构成。

前端采样单元2实现每节电芯7的电压采样和监控并根据监控信息按照设定逻辑实现每节电芯7的被动均衡电路10的打开和关闭。

发热器件3为控制板上的功率部件或电池包的功率线路，发热器件3存在内阻，根据W＝I2R公式，在电池包大电流充放电时产生热能对外释放。

温差发电片4内含Bi2Te3材料，温差发电片4分为A面和B面，温差发电片4的A面与功率部分充分接触，温差发电片4的B面与电芯7接触。

电压转换模块：将温差发电片4产生的电压转换为电芯7允许的充电电压给电芯7充电。

工作原理：一种基于能量循环的混合均衡系统，中央处理单元1：整个电池管理部分的控制核心，根据整板采集到的电芯及电路的各种电压、电流、温度、电路状态等信息实现复杂的控制和保护逻辑。另外，还可以实现某些单独电路和器件的独立控制，如主动均衡和被动均衡电路中的各个开关；前端采样单元2：实现每节电芯的电压采样和监控并可以根据监控信息按照设定逻辑实现每节电芯的被动均衡开关的打开和关闭；发热器件3：即控制板上的功率部件部分或电池包的功率线路环节。这些环节在电池包大电流充放电时由于本身器件或线路存在内阻，根据W＝I2R公式，会产生热能对外释放；主动均衡电路6和被动均衡电路10：被动及主动均衡电路，可实现电池包电芯的被动均衡即主动均衡功能；温差发电片4：内含Bi2Te3材料的温差发电片，可实现热电反应与制冷；温差发电片的A面与功率部分充分接触，B面与电芯接触或接近，功率部分发热时，发电片利用良好的热电效应充分吸收废热并利用Bi2Te3的塞贝克效应将热能转换为电能输出用于主动均衡。电能产生同时导致Bi2Te3产生帕尔贴效应从而在B面产生制冷效应给电芯降温；电压转换模块5：可将温差发电片产生的电压转换为电芯允许的充电电压给电芯充电。

中央处理单元1、前端采样单元2、发热器件3、温差发电片4、电压转换模块5、主动均衡电路6、电芯7、主回路电流采样模块8、分流器9、被动均衡电路10

整个系统在传统的电池控制板上集成了主动均衡开关阵列、电压转换模块5、温差散热片4、主动均衡开关控制总线等电路及部件。温差发电片4可采用单个或多个串并连接方式以提高工作效率(单个温差发电片高压差时可产生4V以上电压和几百mA级输出，多个串并可实现A级输出)，发电片电极连接到电压转换模块5；系统可实现主被动均衡融合工作，在不同的工作条件下灵活配置及使能，可满足全场景(充电、放电、待机)的均衡要求；由于温差发电片热电效应较好，可实现无源器件的主动散热，通过A面(紧贴发热面)主动热能吸收，高效降低功率部分的工作温度同时B面帕尔贴效应还能产生降温效果，当B面与电芯紧贴时还可为电芯主动降温同时有效减小了控制板与电芯间的间距，可有效减小电池包体积。

电池待机状态：电池待机工作状态时，由于功率部分无电流通过，因此无废热散出，此时可使能被动均衡功能实现待机均衡。

电池充电状态：电池小电流充电状态时，使能被动均衡；当温差发电片A/B两面温差产生的电压超过电压转换模块工作电压时，电压转换模块开始工作，此时被动均衡和主动均衡同时工作。中央控制单元可根据电芯电压压差状况选择给某节电芯单独补电，也可以同时打开所有主动均衡开关给整组电芯补电，加速充电效果。大电流充电时，功率部分发热明显，主动均衡电流更大，效果更加明显。由于温差发电片的效能跟A/B面温差有直接关系，因此采用温差发电片可实现主动均衡的随动反应能力，小电流充电时主动均衡电流较小，充电电流越大主动均衡电流随之自动上升，直至达到预设的A级电流。由于温差发电片利用热电效应可以主动产生电能，因此即使所有电芯压差基本一致，系统仍然可以源源不断通过热电效应获取的电能给整组电池包补电，这是传统主动均衡所不具备的。

电池放电状态：当电芯间压差过大时，同充电状态，温差发电电流可为电芯电压低的电芯提供额外补充输出电流，降低其能量损耗速度，以期达到均衡目的。当电芯之间压差基本一致时，温差发电片可将额外获取的电流给整组电芯提供补充输出电流，降低电芯自身输出电流，减缓电芯耗电速度。

本系统将温差发电材料置于电池系统内主要发热部件上，在功率上升时利用发热部件产生的热量转化为电能，转化过程根据系统功率的变化进行动态调整，热量越高转化的电能越多，热量越低转化的电能越少；系统热能向电能的转化可用于电池系统内电芯间的均衡同时利用温差材料的吸热特性实现发热部件的主动降温。另，不同的温差材料还具备主动制冷效果，两种温差材料可配合使用达到主动吸热，主动降温，电芯均衡的综合效果。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于能量循环的混合均衡系统，包括中央处理单元(1)、前端采样单元(2)、发热器件(3)、温差发电片(4)、电压转换模块(5)、主动均衡电路(6)、电芯(7)、主回路电流采样(8)、分流器(9)和被动均衡电路(10)，其特征在于：所述中央处理单元(1)与前端采样单元(2)相连，所述前端采样单元(2)与被动均衡电路(10)相连，所述被动均衡电路(10)与电芯(7)相连，所述电芯(7)与主动均衡电路(6)相连，所述主动均衡电路(6)与电压转换模块(5)相连，所述电压转换模块(5)与发热器件(3)相连，所述发热器件(3)上连接有温差发电片(4)，所述中央处理单元(1)与主回路电流采样模块(8)相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量循环的混合均衡系统，其特征在于：所述中央处理单元(1)独立控制主动均衡电路(6)和被动均衡电路(10)中的各个选通开关。

3.根据权利要求1所述的一种基于能量循环的混合均衡系统，其特征在于：所述主动均衡电路(6)和被动均衡电路(10)均由若干路选通开关构成。

4.根据权利要求1所述的一种基于能量循环的混合均衡系统，其特征在于：所述前端采样单元(2)实现每节电芯(7)的电压采样和监控并根据监控信息按照设定逻辑实现每节电芯(7)的被动均衡电路(10)的打开和关闭。

5.根据权利要求1所述的一种基于能量循环的混合均衡系统，其特征在于：所述发热器件(3)为控制板上的功率部件或电池包的功率线路，所述发热器件(3)存在内阻，根据W＝I2R公式，在电池包大电流充放电时产生热能对外释放。

6.根据权利要求1所述的一种基于能量循环的混合均衡系统，其特征在于：所述温差发电片(4)内含Bi2Te3材料，温差发电片(4)分为A面和B面，所述温差发电片(4)的A面与功率部分充分接触，所述温差发电片(4)的B面与电芯(7)接触。

7.根据权利要求1所述的一种基于能量循环的混合均衡系统，其特征在于：所述电压转换模块：将温差发电片(4)产生的电压转换为电芯(7)允许的充电电压给电芯(7)充电。

8.一种基于能量循环的混合均衡方法，其特征在于：该方法利用权利要求1所述的温差发电片(4)吸热并将热能转换为电能产生相应的电压及电流并将其应用于BMS系统的电芯均衡上。