CN201733115U - 电池管理系统 - Google Patents

Abstract

电池管理系统，包括一组N节串联蓄电池，N个电池修复模块和N-1个电池均衡模块。每节蓄电池并接一个电池修复模块，N节电池与之对应有N个电池修复模块。两节电池与一个均衡模块相接，N节电池有N-1个均衡模块。其用于铅酸蓄电池组，包括2V电池组的修复及均衡管理，是一种不仅能够改善单体铅酸蓄电池充放电特性，防止极板硫化，同时又可实现串联电池组双向无损均衡充放电的电源管理系统，从而真正延长铅酸蓄电池的使用寿命。

Description

电池管理系统 

技术领域

本实用新型涉及一种铅酸电池管理系统。 

背景技术

铅酸蓄电池因其技术成熟、价格低廉、安全性高和可再生循环等突出优点，广泛应用于在电力、通信、铁路、石油、航空、水利、煤炭、地质、医疗、轨道交通、国防等领域，但目前根据使用及状况不同，大多数的铅酸蓄电池没有发挥其最佳性能，具体表现在以下几方面： 

一、硫化是单节铅酸电池劣化的主要原因 

正常的铅酸蓄电池充电时，硫酸铅形成氧化铅，放电时氧化铅又还原为硫酸铅。而硫酸铅是一种非常容易结晶的物质，当电池过放电或静态闲置时间过长时，就会“抱成团”，结成小晶体，再加上硫酸浓度和温度的波动，个别的硫酸铅晶体就可以依附靠近小晶体的溶解而长大，逐步聚积而形成粗大坚硬的硫酸铅。结晶后的硫酸铅充电时不但不能再还原成氧化铅，还会沉淀附着在电极板上，占据了极板的位置。即：极板的有效反应材料在不断减少，这时电池容量会逐渐下降，直至无法使用。这一现象叫硫化。当硫酸铅大量堆积时还会吸引铅微粒形成铅枝，正负极板间的铅枝搭桥就造成电池短路。如果极板表面或密封塑壳有缝隙，硫酸铅结晶就会在这些缝隙内堆积，并产生膨胀张力，最终使极板断裂脱落或外壳破裂，造成电池不可修复性物理损坏，所以导致铅酸电池失效的主要原因就是电池的硫化。 

硫化产生的条件： 

1、长期闲置存放。如电池在安装使用前曾长时间搁置储存，或交通工具长时间静止不工作。 

2、放电后未及时充电； 

3、充电不足； 

4、持续过放电； 

5、温度影响； 

6、干涸或加入的电解液浓度过高。 

通过以上可以看出，电池硫化是无法避免的，因此，如何消除电极板上覆盖的硫酸铅沉淀物，恢复电池的性能，是维护蓄电池时应该考虑的首要因素。 

二、充放电的不均衡可缩短串联电池组的使用寿命 

单节蓄电池的电压与容量有限，使用不广泛，一般来说，蓄电池串联成组使用才能满足要求的多样化。对于蓄电池组，除了单体蓄电池硫化现象外，蓄电池组失效的主要原因就是个别单体电池的严重损坏连带整组失效。 

串联蓄电池组在使用期间，由于单体电池性能不可能绝对相等，各电池之间必然会产生容量和性能差异，特别是对高电压电池组，初期的细微差别，在每次充放电的放大作用下，几个月后的性能就会有较大的差异，从而导致有的电池已经完全充满而有的电池则还没有充满电。在充电过程中，如果有一个电池发生过充电，输入的多余电量不仅不会储存在电池里，而是消耗在电解液中并致使电池发生过热充胀，另一方面，当充电终止时，各电池荷电未达均衡，又会导致放电的不均衡，长期以往，其中必然有一只或数只单体电池性能严重下降，此时若对单体电压较低的电池不能及时发现选出，电池组的的平衡误差会越来越大，导致系统充电时不敢充足，放电时不敢放净，系统使用容量远远小于电池组的标定容量，直至整组报废。因此，为了延长电池组的使用寿命，必须使所有的电池均保持在同样的充放电深度，即需对电池组进行均衡充放电。 

三、2V电池组的维护管理不同于一般电池 

目前2V电池组应用广泛，如后备电源、叉车动力电池等均为2V，因其结构性能不同于一般电池，它具有 以下三个特点： 

1、单体电池为2V 

2、电池需成组使用，24节或多至36节串联为一组。 

3、电池容量大，一般280Ah-1000Ah。 

由以上特点可以看出，对于2V串联电池组的电池管理，需对单体电池作用才会明显。这是因为：首先，电池的容量较大，极板相应面积也较大，如果用6V或12V(即三节或六节串联使用)电池修复设备进行维护，信号将很难达到每块极板。其次，如果一节存在问题，也会影响其它电池，那么去硫化修复的效果很难保证；第三，电池组的均衡是对单体电池而言，无法对6V或12V，即三节或六节串联电池组再去均衡就失去意义，所以对于2V电池，需从单节电池入手，才能真正实现电池维护管理。但是，因为2V电池电压低，一般为1.5V-2.3V，远远低于一般MOS管的基极控制电压5V，所以无论电池修复模块还是均衡模块直接与电池连接后，都不能正常工作；这也是目前2V电池组无法进行均衡控制的最大原因。 

综上所述，只有同时解决以上问题，全面兼顾，从单节维护到成组均衡，建立起一套完备的电池管理系统，才能真正延长铅酸电池的使用寿命。 

目前，现有电池修复专利，要么活化电流小，自耗电为10-30mA，一方面对大容量电池修复效果不佳，另一方面对小容量电池，若电池闲置时间长，10mA-30mA的自耗电，每天容量将减少30mA*24小时＝720mAh，10天就是7AH，30天是21AH，也就是说电动装置闲置一个月，现行活化模块由于自耗电几乎将耗尽电池的全部容量，更是加速了电池的硫化，放电深度者，电池无法进行正常充电，进入报废的行列。如中国出口电动装置或电池，海上运输就约需30天至50天时间，到目的地后带活化模块的电池已经无法正常充电使用。若电池修复活化电流较大，当电池放置或放电时更会加重电池负载。即此类专利仅仅考虑电池的活化，但对于活化本身的自耗电对电池造成的亏电及其后续现象没有加以控制，使电池最终活化效果不大。此外，更重要的是，电池修复没有与电池组的均衡相结合，即使活化了单节电池，但电池组压差将最终导致整组电池的报废。 

目前串联电池组均衡专利，其中有的是被动均衡方法，在充电过程中，当某一支电池电压较其他电池先达到设定的最高值时，就让该电池通过一个用MOS管与功率电阻串联构成的放电电路放电。有的是采用电能的多路输出方式，将多余的能量传送给总回路，因此大都方案存有其电路组成的控制结构复杂，不易实现和维护不便等不足。有的虽然通过采集电压进行单片机控制可以实现自动均衡，但是因为充电时电池两端存有浮电，造成电压的采集点不精确，不但影响电池的均衡，而且均衡开关频繁反复动作，会造成能量损耗和开关管的寿命降低；另外，即使实现了能量均衡，平衡了电池组，但是对于电池充电不及时或长时间放置形成的硫化无法杜绝，所以均衡的效果是整组电池容量整体下降，无法真正延长电池组的实际使用寿命；另外因主控制器MOS管至少需要5V的电源，所以对于2V电池仍不能进行均衡控制。 

发明内容

为了有效的克服上述存在的问题，发挥铅酸蓄电池的最佳性能，使其使用寿命达到电池的设计寿命，我们开发了电池管理系统。 

电池管理系统，是一种不仅能够改善单体铅酸蓄电池充放电特性，防止极板硫化，同时又可实现串联电池组双向无损均衡充、放电的电源管理系统，尤其对2V电池，可实现单节维护，成组均衡控制，从而真正延长铅酸蓄电池的使用寿命。 

该系统利用特殊的脉冲及其耦合技术，改善铅酸蓄电池的充放电特性曲线，稳定了蓄电池的输出电压，自带电压识别开关，充电时才工作，不但防止了负极板的硫化，而且减少了电池放电时电池的功率消耗，提高了单体铅酸蓄电池的使用效率，同时稳定的基准电压，也确保电池组均衡控制采集数据的准确性。 

该系统利用场效应管及电感的储能特性，对串联电池组实现无损均衡充放电，对电池组中所有的单体电池进行实时的电能补偿，延长铅酸蓄电池组的使用寿命。 

本实用新型实施方式是通过以下技术方案实现的： 

一种电池管理系统包括两大基本模块：电池修复模块和电池均衡模块。 

单节电池修复模块：通过铅酸蓄电池为本模块提供电源，自带电压识别开关，静置或放电时模块不工作，确保此时不耗用电池电能，不增加电池的功率消耗。只有充电时该模块自动启动，产生与硫酸铅频率相同的脉冲信号，通过电池的正负极板吸收，在极板上形成一种类似于电晕的闪电现象，击碎极板上形成的硫酸铅结晶颗粒，将其还原到电池的电解液中，并阻止在负极板上形成新的硫酸铅，从而延长了单节蓄电池的使用寿命，此外，该模块包含有稳压电路，可以稳定电池电压，不但在充电时消除电路中紊乱杂波保护蓄电池，并为电池组均衡控制提供最精确的电压数值。 

对于2V电池，另含有升压模块，借助2V电池本身电源，将电压升至6V以上，达到MOS管的5V工作电压，使电池修复模块及均衡模块正常工作。 

电池组均衡控制模块：用于实现相邻电池间的能量平衡，与电池修复模块并联在电池上。均衡模块启动后，通过对电池电压进行实时采集，一旦发现电池间电压差异达一定值，即给相应的MOS管送出触发信号，使其导通，电压高的电池给电感充电，MOS管截止时，电感储存的能量给电压低的电池补充充电，实现动态均衡。虽然能量只在相邻电池间传递，但由于能量的传递趋势总是由电压高的电池传递到电压低的电池上，因而最终实现整组电池能量的无损均衡。 

本实用新型有效的效果： 

1、对串联电池组实现无损均衡充放电，并且不间断的去除硫酸盐化生成的硫酸铅，保持蓄电池与新品的同等能量，恢复蓄电池最佳状态。 

2、对2V蓄电池实现单节维护，成组均衡控制，从而真正延长铅酸蓄电池的使用寿命。 

3、电池静置或放电时无自耗电，提高了单体铅酸蓄电池的使用效率。 

4、改善铅酸蓄电池的充放电特性曲线，稳定铅酸蓄电池的电压，确保电池组均衡控制采集数据的准确性，并防止在连接用电器时出现电压的急剧波动，抗干扰能力强。 

5、充电时消除电路中紊乱杂波保护蓄电池。 

附图说明

图1为电池管理系统(2V除外) 

图2为电池修复模块 

图3为电池均衡模块框图 

图4为2V电池修复模块图 

图5为2V电池管理系统示意图 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施作进一步说明： 

本实用新型是一种串联电池组电池管理系统。 

图1为电池管理系统(2V除外)示意图，本系统包括：一组N节串联蓄电池，N个电池修复模块和N-1个均衡模块。每节蓄电池并接一个电池修复模块，N节电池与之对应有N个电池修复模块。两节电池与一个均衡模块相接，N节电池有N-1个均衡模块。每个均衡模块由三个连接端口：均衡模块1的a、b端分别与蓄电池1的正负极相连接，均衡模块1的c端与相邻蓄电池2的负极相连，以此类推，均衡模块N-1的a端与蓄电池N-1的正极连接，均衡模块N-1的b端与蓄电池N-1的负极连接，均衡模块N-1的c端与相邻蓄电池N的负极相连接。 

图2为电池修复模块：每个单体电池接一个电池修复模块。每个电池修复模块由电压识别电路，脉冲维护电路和稳压电路组成，其特征在于蓄电池正极接电压识别电路的输入端，电压识别电路输出端与脉冲维护电路输入端连接，脉冲维护电路输出端与稳压电路输入端相接，稳压电路的输出端与电池负极相接。 

充电时，本实用新型自带电压识别电路，当电压＞14V时，电池修复模块从蓄电池获得电力，此时脉冲 维护电路输出方波信号，经移相及功率放大处理后，整形转换成脉冲信号，并由稳压电路稳压后加在蓄电池正负极上，不但击碎极板上形成的硫酸铅结晶颗粒，将其还原到电池的电解液中，并阻止在负极板上形成新的硫酸铅，从而延长了单节蓄电池的使用寿命。脉冲信号经稳压电路后可以有效地稳定电池电压，使其在充电时消除电路中紊乱杂波保护蓄电池，并且为电池组的均衡控制提供了一个电压测量精确点，确保采集的电池端电压精确，真正做到电池组的均衡性，避免了由于充电时的浮电造成的电压误差。当电压低于13.8V时，电池修复模块自动断开，停止工作，确保电池在放电或静置时不耗用电池电能，不额外增加电池的功率消耗。 

图3为电池均衡模块框图，每个电池均衡模块由两个场效应管、两个二极管和一个储能元件电感组成。均衡模块以电压为比较参数，通过单片机的控制，对电池状态实时检测，当发现电池间电压差异达0.3V时，即给相应的场效应管送出触发脉冲，使其导通，电压高的电池给电感充电，场效应管截止时，电感储存的能量给电压低的电池补充充电。由于能量的传递趋势总是由电压高的电池传递到电压低的电池上，因而最终实现整组电池的均衡。放电时，原理与充电时基本相同。均衡模块工作时只需将N-1个模块连接在个数为N的电池组里，容易实现且方便维护，此外，在充放电过程中其自动地平衡相邻电池间的容量差异，保证了电池组中所有的电池在充放电过程中都处在同一水平，从而防止了单节电池的过充、过放，因而延长了电池组的工作寿命。另外，具有电路简单，控制方便，容易实现和成本低廉等优点。由于所有的均衡电路结构都是相同的，所以容易实现模块化的设计。 

图4为2V电池修复模块框图，包括：一节蓄电池，1个升压模块，1个电池修复模块和1个均衡模块，其中电池修复模块包括电压识别电路、脉冲维护电路和稳压电路。2V升压模块1的输入端与蓄电池1正极相连，电压升压至6V后，升压模块1的输出端分别接电池修复模块1及均衡模块1的a端，均衡模块1的b端与蓄电池1的负极连接，均衡模块1的c端与相邻蓄电池负极连接。电池修复模块中电压识别电路的输入端与升压模块的输出端相连，电压识别电路的输出端与脉冲维护电路的输入端连接，脉冲维护电路的输出端接稳压电路的输入端，稳压电路的输出端接电池负极。 

图5为2V电池管理系统示意图，包括：一组N节2V串联蓄电池，N个升压模块，N个电池修复模块，N-1个均衡模块。每节蓄电池与一个升压模块相串联，N节电池与之对应有N个升压模块，每个升压模块的输入端与该节蓄电池的正极连接，升压模块的输出端分别与电池修复模块的输入端和均衡模块的a端相连接，电池修复模块的输出端与蓄电池负极连接，N节电池与之对应有有N个电池修复模块。两节电池与一个均衡模块相接，N节电池有N-1个均衡模块，每个均衡模块有三个连接端口，具体连接如下：均衡模块1的a端与升压模块1的输出端连接，均衡模块1的b端与蓄电池1的负极相连接，均衡模块1的c端与相邻蓄电池2的负极相连，以此类推，均衡模块N-1的a端与升压模块N-1的输出端连接，均衡模块N-1的b端与蓄电池N-1的负极连接，均衡模块N-1的c端与相邻蓄电池N的负极相连接。 

升压模块：每节蓄电池电压≥1.2V时开始工作，经升压模块可升至6V以上电压，再分别与电池修复模块和均衡模块相接。 

电池修复模块：本实用新型自带电压识别电路，当电压＞2.2V时，电池修复模块由蓄电池经升压电路获得电力，此时脉冲维护电路输出方波信号，经移相放大和功率放大处理后，整形转换成脉冲信号，并由稳压电路稳压后加在蓄电池正负极上，不但击碎极板上形成的硫酸铅结晶颗粒，将其还原到电池的电解液中，并阻止在负极板上形成新的硫酸铅，从而延长了单节蓄电池的使用寿命。脉冲信号经稳压电路后可以有效地稳定电池电压，使其在充电时消除电路中紊乱杂波保护蓄电池，并且为电池组的均衡控制提供了一个电压测量精确点，确保采集的电池端电压精确，真正做到电池组的均衡性，避免了由于充电时的浮电造成的电压误差。当电压低于2.1V时，电池修复模块自动断开，停止工作，确保电池在放电或静置时不耗用电池电能，不额外增加电池的功率消耗。 

电池均衡模块：蓄电池正极接升压电路进行升压处理后再接电池均衡模块，每个电池均衡模块由两个场效应管、两个二极管和一个储能元件电感组成。一旦发现电池间电压差异达1.5V时(压差1.5V为升压后的电压差，实差异为0.3V)，即给相应的场效应管送出触发脉冲，使其导通，电压高的电池给电感充电；场效应管截止时，电感储存的能量给电压低的电池补充充电。由于能量的传递趋势总是由电压高的电池传递到电压低的电池上，因而最终实现整组电池的均衡。放电时，原理与充电时基本相同。均衡模块工作时只需将N-1个模块连接在个数为N的电池组里，容易实现且方便维护，此外，在充放电过程中其自动地平 衡相邻电池间的容量差异，保证了电池组中所有的电池在充放电过程中都处在同一水平，从而防止了电池的过充、过放，因而延长了电池组的工作寿命。另外，具有电路简单，控制方便，容易实现和成本低廉等优点。由于所有的均衡电路结构都是相同的，所以容易实现模块化的设计。 

目前单体电池一般为2V和12V，少数有6V和8V电压，根据多次实验，对于6V电池组，按图1连接，电池修复模块的开关电压可设置为7V启动，6.9V关断。对于8V电池组，按图1连接，电池修复模块的开关电压可设置为9.2V启动，9.1V关断，其它相同。 

Claims (4)

1.一种电池管理系统，其特征在于它包括一组N节串联蓄电池，N个电池修复模块和N-1个电池均衡模块，每节蓄电池并接一个电池修复模块，N节电池与之对应有N个电池修复模块，两节电池与一个均衡模块相接，N节电池有N-1个均衡模块。

2.根据权利要求1所述电池管理系统，其特征在于所述的每节蓄电池包括两大模块：电池修复模块和电池均衡模块，

每个电池修复模块由电压识别电路，脉冲维护电路和稳压电路组成，其特征在于蓄电池正极接电压识别电路输入端，电压识别电路输出端与脉冲维护电路连接输入端连接，脉冲维护电路输出端与稳压电路相接，稳压电路的输出端与电池负极相接，

每个均衡模块由两个场效应管、两个二极管和一个储能元件电感组成，其特征在于每个均衡模块分别与相邻两电池的正负极连接，每个均衡模块由三个连接端口，具体连接如下：均衡模块1的a、b端分别与蓄电池1的正负极相连接，均衡模块1的c端与相邻蓄电池2的负极相连，以此类推，均衡模块N-1的a端与蓄电池N-1的正极连接，均衡模块N-1的b端与蓄电池N-1的负极连接，均衡模块N-1的c端与相邻蓄电池N的负极相连接。

3.一种2V电池管理系统，其特征在于它包括一组N节2V串联蓄电池，N个2V升压模块，N个电池修复模块，N-1个均衡模块，其特征在于每节蓄电池与一个升压模块相串联，N节电池与之对应有N个升压模块，每节蓄电池经升压模块后接一个电池修复模块，每个电池修复模块的输入端与升压模块的输出端连接，电池修复模块的输出端与蓄电池负极连接，N节电池与之对应有有N个电池修复模块，两节相邻蓄电池与一个均衡模块相连接，N节电池有N-1个均衡模块。

4.根据权利要求3所述的2V电池管理系统，其特征在于它包括三大基本模块：2V升压模块，电池修复模块和电池均衡模块，

每节电池包含1个升压模块，其特征在于电池正极与升压模块的输入端相连，升压模块的输出端与电池修复模块的输入端和电池均衡模块的a端相连，

每个电池修复模块包括1个电压识别电路，1个脉冲维护电路和1个稳压电路，其特征在于电压识别电路的输入端与升压模块的输出端相连，电压识别电路的输出端与脉冲维护电路的输入端连接，脉冲维护电路的输出端接稳压电路的输入端，稳压电路的输出端接电池负极，

每个电池均衡模块包括：由两个场效应管、两个二极管和一个储能元件电感组成，每个均衡模块有三个连接端口，具体连接如下：均衡模块1的a端与升压模块1的输出端连接，均衡模块1的b端与蓄电池1的负极相连接，均衡模块1的c端与相邻蓄电池2的负极相连，以此类推，均衡模块N-1的a端与升压模块N-1的输出端连接，均衡模块N-1的b端与蓄电池N-1的负极连接，均衡模块N-1的c端与相邻蓄电池N的负极相连接。 

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