CN201682302U - 一种电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电池管理系统，用于管理包含多个电池单元的电池组，该电池管理系统包括电子控制单元和均衡单元。电子控制单元可检测电池单元的状态并发出均衡指令，均衡单元用以在各个电池单元间均衡输出能量。其中均衡单元包括多个具有负阻特性的均衡元件，每一均衡元件通过开关一一对应地与一电池单元并联，开关的控制端连接到电子控制单元。

Description

一种电池管理系统

技术领域

本实用新型涉及一种电池管理系统，尤其是涉及一种基于能量补偿均衡方式的电池管理系统。

背景技术

近年来，随着环保、低碳的理念深入人心，使用新能源来替代石油等传统化石能源逐渐成为趋势。例如，风能、太阳能发电正在快速推广。而传统上消耗汽油的大户汽车正在向混合动力、甚至纯电动方向发展。这些新的应用都需要一个容量足够的可充电电池来储存电能和释放。

大型可充电电池组是由多个电池单元串联组合而成的。当某种大型电池组，如钾电池组，在充电和放电工作的时候，实时检测和控制不仅可以使电池组的状态更安全，使用效率更高，也可以使电池组的工作寿命更长。尤其是，不同电池单元由于制作工艺的差异，其电气性能发生差异是必然结果。这些差异在多个电池单元串联的应用场合会导致充放电的不均衡，不仅降低了电池组的效率，而且大大缩短了电池组的寿命，严重的还会给电池组带来安全隐患。因此一种能量均衡的电池管理系统是必须的。

参照图1所示，典型的电池管理系统(BMS)10由一个电子控制单元(ECU)12和一个均衡单元(EQU)14组成，用来管理由多个电池单元20组成的电池组。

其中ECU 12的任务主要由4个功能组成：数据采集、数据处理、数据传送和系统控制。ECU 12也控制均衡单元、充电电路等电池维护设备。

EQU 14主要用来调节或均衡各电池单元20之间的电压和电量差异。参照图2所示，大多数EQU 14是通过并联在各个电池单元20上的小型放电电阻，分流降压，把电池组中各个电池单元的电压降到等同于电池组中电压最小电池单元的电压，来调节或均衡各电池单元之间的电压和电量差异。

进一步参照图2所示，假设串联电池组中最小电池电压为V_min，图中电池单元20a的电压为V_n(显然V_n＞V_min)。由于串联电路中流过各个电池单元的电流是相同的，要达到电池单元间的均衡，各个电池单元在电池组中贡献的输出功率要相等，分流均衡法以最小电池电压为参考点，则

$P={\mathrm{IV}}_{\min }=I_1{V}_n-I_2{V}_n=I_1{V}_n-\frac{{V_n}^2}{R_n}---\left(1\right)$

可以看出，当ECU 12做出均衡判断后，会通过其控制模块在电路中导入分流电阻，通过分流电阻R_n来消耗掉电池单元20a不均衡带来的多出来的能量，来达到整个电池组中电池单元间的均衡。

不过这种均衡方式在大功率电池组均衡过程中，存在许多问题，首先，在电池单元之间差异性较大的时候，分流电阻不能在瞬间完成能量的释放，将会导致电池单元间的反充现象。其次，电阻产生的热量会影响电池组的工作环境，对某些大型电池组，如锂电池组，这种差异性会引起安全隐患，再次，分流电阻消耗了大量的能量，造成了浪费。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电池管理系统，其通过负阻增流均衡方式来实现电池均衡，从而解决分流均衡中引起的电池单元间的反充现象，热量不均衡现象和均衡能量浪费现象。

本实用新型提出一种电池管理系统，用于管理包含多个电池单元的电池组，该电池管理系统包括电子控制单元和均衡单元，其中均衡单元包括多个具有负阻特性的均衡元件，每一均衡元件通过开关一一对应地与一电池单元并联，开关的控制端连接到电子控制单元。

在上述的电池管理系统中，电子控制单元包括检测芯片以及中央处理器。检测芯片连接电池单元以检测电池单元的电压和电流的组合，或者检测电压、电流和温度的组合。中央处理器连接检测芯片和每一开关，并且根据电压和电流确定对应电池单元是否需要均衡，从而控制每一开关的状态。

在上述的电池管理系统中，均衡元件可为电感，且均衡单元还包括与电感耦合的外部能量线圈。

在上述的电池管理系统中，电池组两端通过直-交流变换器连接到外部能量线圈的能量输入端。

在上述的电池管理系统中，外部能量线圈的两能量输入端连接到一外部能量源。

本实用新型由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，通过负阻效应的增流均衡方式，解决了分流均衡中引起的电池单元间的反充现象、热量不均衡现象和均衡能量浪费现象。

附图说明

为让本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出一种现有的电池管理系统结构框图。

图2示出图1所示电池管理系统的均衡控制原理。

图3示出本实用新型一实施例的均衡控制原理。

图4示出本实用新型一实施例的能量均衡元件。

图5示出本实用新型一实施例的电池管理系统。

图6示出本实用新型另一实施例的电池管理系统。

图7示出本实用新型一实施例的电池管理系统工作流程。

具体实施方式

概括地说，本实用新型是基于一种新能量均衡方式：负阻增流均衡。比较图2和图3可知，在传统的电阻分流均衡法中，是在每一电池单元上并联分流电阻，是通过分流电阻消耗掉电池单元的一部分能量，使其达到同电池组中能量较低的电池单元的能量一致性；与这种使用电阻分流均衡的方式相反，本实用新型，是通过负阻给电路中增加一部分能量来补偿电池单元的能量缺失，使其达到同电池组中能量较高的电池单元的能量一致性。

负阻特性表现为可以对外提供能量，因此本实用新型的实施例中，使用具有负阻特性的均衡元件。具有负阻特性的材料、器件和电路有很多种，比如电压源、电流源、某些反馈电路、某些电容电路、某些电感电路等等。

在本实用新型的一实施例中，利用电感放电过程中的负阻特性给出实施示例。如图4所示，串联电池组中最大电池电压为V_max，图中电池单元电压为V_n。由于串联电路中流过各个电池单元的电流是相同的，要达到电池单元间的均衡，各个电池的在电池组中贡献的输出功率要相等，增流均衡法以最大电池电压为参考点，则

$P={\mathrm{IV}}_{\max }=I_1{V}_n+I_2{V}_n=I_1{V}_n+\mathrm{\ω}{L}_n{I_2}^2---\left(2\right)$

据此构建的电池管理系统(BMS)的一个实施例包括电子控制单元(ECU)和均衡单元(EQU)。一般地说，电子控制单元可检测电池单元的状态并判断是否发出均衡指令，均衡单元用以在各个电池单元间均衡输出能量。当ECU做出均衡判断，例如判断某一或某些电池单元的荷电能量低于其它电池单元时，会通过其控制模块在电路中导入增流电感L_n，例如通过闭合开关K，使增流电感L_n并联到电路中。通过增流电感L_n将外部能量线圈L_out带来均衡所需要的能量引入电池组中，使得需要补充能量的电池单元，只要输出部分能量，而其它能量由增流电感从电池单元外部获得。通过这种方式达到的电池均衡，可以实现实时均衡，而电池组能量也不会受到损耗，也不会产生电池单元间的反充现象，是一种适合大功率电池组的均衡模式。

外部能量线圈L_out所带来的能量可以是来自电池组，也可以是来自电池组之外的能量，根据能量输入来源的区别，BMS可以分为自均衡BMS和外部均衡BMS两种。下面分别结合附图加以描述。

参照图5所示，电池管理系统(BMS)100的一个实施例包括电子控制单元(ECU)120和均衡单元(EQU)140。EQU 140主要包含实现均衡的元件，如外部能量线圈L_out，以及多个增流电感，每一增流电感通过可控的开关与每一电池单元200一一对应地并联。图5示出一个增流电感L_n通过开关K并联到电池单元200a的示例。ECU 120则是包括一个中央处理器(CPU)122和检测芯片(IC)124。检测芯片124与各电池单元、开关以及增流电感等元件相连，用以采集电池单元及有关元件的信息，包括电压、电流、温度等。检测芯片124连接CPU 122以向CPU 122输入所采集的信息。CPU 122连接各个开关。根据所采集的信息，尤其是电池单元两端的电压、电流，CPU 122会作出均衡判断，判断哪一或哪些电池单元的荷电能量较低，从而控制开关的状态，选择性对应的电池单元的中导入增流电感单元，增流电感单元实现电池单元的能量补偿，从而整个电池组得到均衡控制。在一个实施例中，CPU 122可进一步计算需要均衡的能量，利用开关K导通的时间来控制均衡的能量。BMS 100的示例性工作流程可进一步参照图7所示。

在图5所示的实施例中，电池组两端通过直-交流变换器(图未示)连接到外部能量线圈L_out的两能量输入端，以将电池组的一部分输出能量作为均衡能量，这称为自均衡BMS。该系统通过某一时刻，能量高的电池单元来给能量低的电池单元来做能量补偿，随着时间的推移，逐渐实现电池组中各个电池单体能量的均衡。

自均衡BMS主要用于电池组系统自身各个电池单元的均衡。在一个应用例中，电动汽车使用大功率电池系统，电池单体需要串联来达到大功率需求。通过自均衡BMS可以实现各电池单体之间的能量均衡。

参照图6所示，电池管理系统(BMS)100的另一个实施例包括电子控制单元(ECU)120和均衡单元(EQU)140。在图6中，与图5所示实施例相同的标号表示相同的部件，其结构和原理不再赘述。本实施例与图5所示实施例不同之处在于，外部能量线圈L_out的两端连接到一个外部能量源，以利用外部能量作为均衡能量，这称为外部均衡BMS。同样地，电池组在工作时，能量大的电池单元多输出能量，能量少的电池单元少输出能量，通过均衡调整，达到各个电池组之间的能量均衡。

外均衡BMS主要用于工作电池组和供电系统之间，也可以用于一个电池组和另一个电池组之间。在一个应用例中，太阳能发电，风力发电等新能源发电产生的电量往往是不稳定的，需要通过电池组作为缓冲，并网供电。使用本实施例的电池管理系统，可以将这些新能源产生的能量，均衡的分配到各个电池单元上输出，将发电量的不稳定性对电池及其输出的影响降到最低。

图7示出本实用新型一实施例的电池管理系统工作流程。参照图7所示，整个BMS系统的工作原理如下：

BMS系统100包括电子控制单元(ECU)120和均衡单元(EQU)140，时钟模块160用来驱动BMS。当ECU 120通过IC电路模块124实现电池单元数据采集后，经过CPU 122进行数据处理。标准接口126完成BMS和外界的信息通讯。当ECU 120做出需要均衡的指令时，均衡指令被传达给EQU 140，EQU 140根据ECU 120计算得到的需要均衡能量大小，来调配输出给电池单元的能量，并加载给电池单元，完成这一时刻的能量均衡，并返回数据给ECU 120。

图7中单元能量输出来自于两方面，一部分是电池单元提供的输出能量，另一部分是BMS单元从电池单元外部获得的均衡能量。不过在电池组中，所有电池单元输出的单元能量(电池能量+均衡能量)的数值是相等的，所以通过均衡能量的大小调节，使得在这一时刻，电池组中能量多的电池多输出能量，能量少的电池小输出能量，最终达到各个电池之间的均衡。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种电池管理系统，用于管理包含多个电池单元的电池组，所述电池管理系统包括电子控制单元和均衡单元，其特征在于：

所述均衡单元包括多个具有负阻特性的均衡元件，每一均衡元件通过开关一一对应地与一电池单元并联，其中所述开关的控制端连接到所述电子控制单元。

2.如权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述电子控制单元包括：

检测芯片，连接所述电池单元以检测电池单元的电压和电流的组合，或者检测电压、电流和温度的组合；以及

中央处理器，连接所述检测芯片和每一开关，并且根据所述电压和电流确定对应电池单元是否需要均衡，从而控制每一开关的状态。

3.如权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述均衡元件为电感，且所述均衡单元还包括与所述电感耦合的外部能量线圈。

4.如权利要求3所述的电池管理系统，其特征在于，所述电池组两端通过直-交流变换器连接到所述外部能量线圈的能量输入端。

5.如权利要求3所述的电池管理系统，其特征在于，所述外部能量线圈的能量输入端连接到一外部能量源。

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