CN202178590U - 一种电源系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种电源系统，包括电池模块、控制模块以及配电箱，电池模块与控制模块连接，控制模块与配电箱连接；其中，电池模块由至少两个串联模组组成，每个串联模组由至少两个电池组串联而成；控制模块包括继电器模块、继电器控制模块以及IGBT模块，其中，继电器模块由若干继电器组合而成，串联模组连接继电器模块，继电器模块连接IGBT模块，上述继电器控制模块控制继电器模块内继电器的通断，以选择各串联模组与IGBT的组合。控制模块通过继电器模块对电池模块中电池组进行组合，并通过继电器控制模块进行控制，达到对电池组进行分组加热以及电池组间电压均衡的目的。

Description

一种电源系统
技术领域
本实用新型属于电池电源领域，尤其涉及一种用新的脉冲电流加热方式加热的电池电源系统。  
背景技术
随着经济和社会的发展，能源危机与环境威胁日益引起世界的关注，新能源领域成为未来经济和社会的风向标。电动汽车是新能源汽车的代表，在能源危机环境污染日渐严重今天，成为各国政府和汽车生产商的宠儿。 
电动车的核心是电池，电动车的发展受到电池性能的制约。锂离子电池普遍存在低温性能不佳的问题，因此以锂离子电池为的核心的电动汽车的销售受到区域限制，严重制约行业的发展。 
电动车电池加热系统成为亟待解决的技术难题。 
目前电动车电池加热方案有空调加热，PTC加热、串联IGBT加热方式。 
与IGBT加热方式相比，PTC加热和空调加热存在一些不足： 
1、加热时间过长：
在-35℃的条件下给电池包加热，串联IGBT加热方式在3-5min内完成，PTC加热需要40-60min内完成，而空调热风加热则更慢。太长的等待时间是客户所无法接受的；
2、能量利用率较高：
IGBT加热直接由自身电能转化为热能，只经过一次能量转化，因此能量利用率较高；PTC加热是由电池包输出端经变压器和低压直流电源转换后输出给PTC，PTC发热后通过热传导实现电池升温；空调热风加热由电池包输出端经稳压源带动空调运转，空调热风在风道通过热传导实现电池包加热。而空气与电池包的热交换率很低，所以IGBT加热能量转换率大于PTC加热，PTC加热大于空调加热；
3、增加了电池包复杂性：
PTC加热需要在每个单体电池上增加一到两个加热元件（PTC：热敏电丝），需要在电动车上增加独立的低压电源；空调热风加热需要在电池模组内部增加很多的风道，为了提高加热效率，单体电池之间也需要有风道结构，增加电池包结构复杂性，同时降低了电池包的能量密度。
由于电动汽车电池多以串联为主，IGBT加热方式是将一个IGBT串联在电路中，通过对整个包体瞬间短路的脉冲电流实现加热功能。电池性能较差的时候，由于电池内阻较大，瞬间短路电流也不会过大（小于3000A），整包串联IGBT加热方案是非常可行的，但是随着电池性能的提高，电池的内阻的大幅度降低，混合动力电池包的脉冲短路电流能够到达5000A以上，纯电动车更高，可以达到7000A以上，该电流是IGBT模块、熔断器和电池自身所不能承受的，针对该种加热方式不适应更高品质的电池包技术问题，我们急需找到一种更加优化的IGBT加热方式。 
实用新型内容
本实用新型为解决现有串联IGBT加热过程中电流过大，有损电池和电子元器件寿命的技术问题，提供一种新的能实现分批加热、防止电流过大的电源系统。 
一种电源系统，包括电池模块、控制模块以及配电箱，所述电池模块与控制模块连接，控制模块与配电箱连接；其中，所述电池模块由至少两个串联模组组成，所述串联模组由至少两个电池组串联而成；上述控制模块包括继电器模块、继电器控制模块以及IGBT模块，所述继电器模块由若干继电器组合而成；所述串联模组连接所述继电器模块，所述继电器模块连接IGBT模块；所述继电器控制模块控制所述继电器模块内继电器的通断，以选择各串联模组与IGBT模块的组合。 
优选地，电池组包括一个首电池组、一个尾电池组以及若干中间电池组，其中：所述首电池组通过一个与之串联的继电器与配电箱连接；所述中间电池组通过一个与之串联的继电器与配电箱连接，并通过另一与之串联的继电器与IGBT模块连接；所述尾电池组通过一个与之串联的继电器与IGBT模块连接；所述IGBT模块与配电箱连接；相邻两个串联模组通过一个继电器串联在一起。 
优选地，所述串联模组由两个电池串联组成；优选地，上述继电器为电磁继电器；优选地，上述继电器控制模块为单片机。 
 采用本实用新型提出的IGBT加热系统，与整包串联的IGBT加热系统相比： 
1、整包串联的IGBT加热方案实施过程中，由于电池内阻的提升和放电性能的提高，脉冲电流在30s左右就能达到4000A上，纯电动车的电池包电流能够达到6000A以上，对电池包内的熔断器、连接片以及电池自身性能都有很大的损害；而本实用新型所采用的新的加热方案，可以实现对电池组的分批加热，使得最大电流维持在2500A-3000A之间，这个电流不会对电池自身性能造成损害，对其他零部件也不会造成太大的影响；
2、电池包由上百节电池串联而成，在反复充放电过程中会造成单体电池不均匀放电，造成模组容量的虚损，串联IGBT加热方式也会因为电池组位置不同出现放电差异，从而导致电池组电压出现差异。本实用新型可以实现电池组间电压的均衡，通过程序控制，实现高电压电池组和低电压电池组之间的并联均衡电量。
附图说明
图1是本实用新型提供的整体系统框图。
图2是本实用新型提供的串联模组连接示意图。 
图3是电池模块与控制模块集体连接示意图。 
图4是具体实施例电池模块组合示意图。 
图5是具体实施例控制模块结构示意图。 
具体实施方式
为了使本实用新型所解决的技术问题、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，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。 
如图1所示，一种电源系统，包括电池模块1、控制模块2以及配电箱3，电池模块1与控制模块2相连接，控制模块2与配电箱3连接。由图2可以看出，电池模块1由至少两个串联模组11组成；由图3可知，串联模组11由至少两个电池组串联而成。上述串联模组11可以由两个电池组串联而成，也可以由三个或者更多的电池组串联而成，主要是要根据电源系统的具体需要来决定用几个电池组来串联组成串联模组11；同样，电池模块1可以由两个串联模组11组成，也可以由三个或者更多的串联模组11组成，这些都根据具体的情况进行考虑和组合。 
如图3，该电源系统中，控制模块2包括继电器模块22、继电器控制模块21以及IGBT模块23；其中，继电器模块22由若干继电器K组成。其具体连接如下：串联模组11连接着继电器模块22，继电器模块22连接着IGBT模块23，继电器控制模块21则控制继电器模块22内部继电器K的通断，以达到选择各串联模组11与IGBT的组合。如上所述，便可达到对电池模组的分批加热以及电压均衡。当然，该控制模块需要外部信号的输入才能正常的工作，该信号是根据实际的使用情况才能确定的。 
上述是本实用新型的大模块以及功能上的解释说明，下面做进一步的限定， 
如图2所示，本实用新型提出的电池组包括一个首电池组110、一个尾电池组112以及若干中间电池组111，其中，首电池组110为通过一个与之串联的继电器K与配电箱3相连接的电池组；中间电池组111则是通过一个与之串联的继电器K与配电箱3相连接，并通过另一与之串联的继电器K与IGBT模块23相连接的电池组；尾电池组112为通过一个与之串联的继电器K与IGBT模块23相连接的电池组。通过以上可知，在本实用新型中，包括一个仅与配电箱3相连接的首电池组110、一个仅与IGBT模块23相连接的尾电池组112以及若干与两者均相连接的中间电池组111。
上述IGBT模块23与配电箱3连接在一起；并且，相邻的两个串联模组11通过一个继电器K串联在一起。 
作为优选方案，串联模组11采用两个电池组串联组成。除此之外，还可以由三个或者更多的电池组组成一个串联模组11，这要根据具体的设计要求确定。 
同时，继电器K优选电磁继电器，其他的可达到同等效果的继电器也可以使用。 
在本实用新型中，继电器控制模块21可以是PLC、单片机以及其他的一些控制程序，在这里优选单片机。 
本实用新型中提到的IGBT为绝缘双极晶体管的简称，IGBT加热系统是通过IGBT电路实现外部电路的快速闭合和断开，从而实现电池的瞬间短路，短路时间一般在1-2ms，在脉冲电流脉宽一定的情况下，其脉冲电流的大小取决于电池的电压和内阻，产生的热量也由电池内部的电压和内阻决定。这种IGBT加热方式为本领域常用的一种手段，其电路也是本领域技术人员所公知的，在此不再多说；本实用新型主要是就其外部电路的结构进行了优化，使其能对电池组进行分批加热 ，以避免整体加热瞬间短路电流过大，损坏电路器件的情况出现。 
另外，配电箱是电动车上的核心部件之一，它的主要作用是把电池模块的输出进行控制和分配；具体的控制是本领域常用的配电方法，为技术人员所已知，在此不再赘述。 
本实用新型的具体实施例如下： 
具体电路连接如下（如图4和图5所示）：
1号电池组113，即首电池组正极端通过继电器K1与控制模块2的正极引出端相连；2号电池组114负极端通过继电器K2与控制模块2的正极引出端相连，并通过继电器K11与IGBT模块23的相连。
3号电池组115正极端通过继电器K3与控制模块2的正极引出端相连，并通过继电器K12与IGBT模块23相连；4号电池组116负极端通过继电器K4与控制模块2正极引出端相连，并通过继电器K13与IGBT模块23相连。 
5号电池组117正极端通过继电器K5与控制模块2的正极引出端相连，并通过继电器K14与IGBT模块23相连；6号电池组118负极端通过继电器K6与控制模块2的正极引出端相连，并通过继电器K15与IGBT模块23相连。 
7号电池组119正极端通过继电器K7与控制模块2的正极引出端相连，并通过继电器K16与IGBT模块23相连；8号电池组120负极端通过继电器K8与控制模块2正极引出端相连，并通过继电器K17与IGBT模块23相连。 
9号电池组121正极端通过继电器K9与控制模块2的正极引出端相连，并通过继电器K18与IGBT模块23相连；10号电池组122，即尾电池组的负极端通过继电器K10与IGBT模块23相连。 
2号电池组114与3号电池组115之间通过继电器K21实现串联；4号电池组116与5号电池组117之间通过继电器K22实现串联；6号电池组118与7号电池组119之间通过继电器K23实现串联；8号电池组120与9号电池组121之间通过继电器K24实现串联。 
该系统的使用方法： 
1、该系统可以实现电池组间串联，向电动车提供电力。
1号电池组113和2号电池组114、3号电池组115和4号电池组116、5号电池组117和6号电池组118、7号电池组119和8号电池组120、9号电池组121和10号电池组122通过模组间连接片两两串联，而继电器K21、继电器K22、继电器K23和继电器K24闭合分别实现2号电池组114与3号电池组115、4号电池组116和5号电池组117、6号电池组118和7号电池组119、8号电池组120和9号电池组121之间的串联，因此当继电器K1、继电器K21、继电器K22、继电器K23、继电器K24和继电器K10闭合，其它继电器断开，则电池模块总正极和总负极就与控制模块2的正极引出以及IGBT相连接，实现电池模块对整车的电力供应。 
2、该系统可以实现相邻的两个或者四个电池组与控制模块2的连接，以两个电池组或四个电池组为单位，依次对其加热。 
对两个电池组加热： 
继电器K1和继电器K11闭合，其它继电器断开，1号电池组113和2号电池组114与控制模块2的正极引出、IGBT模块23连接，通过IGBT模块23实现1号电池组113和2号电池组114的加热。
继电器K3和继电器K13闭合，其它继电器断开，3号电池组115和4号电池组116与控制模块2的正极引出、IGBT模块23相连，通过IGBT模块23实现3号电池组115和4号电池组116的加热。 
继电器K5和继电器K15闭合，其它继电器断开，5号电池组117和6号电池组118与控制模块2的正极引出、IGBT模块23端相连，通过IGBT模块23实现5号电池组117和6号电池组118的加热。 
继电器K7和继电器K17闭合，其它继电器断开，7号电池组119和8号电池组120与控制模块2的正极引出、IGBT模块23相连，通过IGBT模块23实现7号电池组119和8号电池组120的加热。 
继电器K9和继电器K10闭合，其它继电器断开，9号电池组121和10号电池组122与控制模块2的正极引出、IGBT模块23相连，通过IGBT模块23实现9号电池组121和10号电池组122的加热。 
对四个电池组加热： 
继电器K1、继电器K13和继电器K21闭合，其它继电器断开，1号电池组113、2号电池组114、3号电池组115、4号电池组116串联并与控制模块2的正极引出、IGBT模块23相连，通过IGBT模块23实现1号电池组113、2号电池组114、3号电池组115和4号电池组116的加热。
继电器K3、继电器K15和继电器K22闭合，其它继电器断开， 3号电池组115、4号电池组116、5号电池组117、6号电池组118串联并与控制模块2的正极引出、IGBT模块23相连，通过IGBT模块23实现3号电池组115、4号电池组116、5号电池组117、6号电池组118的加热。 
继电器K5、继电器K17和继电器K23闭合，其它继电器断开，5号电池组117、6号电池组118、7号电池组119、8号电池组120串联并与控制模块2的正极引出、IGBT模块23相连，通过IGBT模块23实现5号电池组117、6号电池组118、7号电池组119、8号电池组120的加热。 
继电器K7、继电器K10和继电器K24闭合，其它继电器断开，7号电池组119、8号电池组120、9号电池组121、10号电池组122串联并与控制模块2的正极引出、IGBT模块23相连，通过IGBT模块23实现7号电池组119、8号电池组120、9号电池组121、10号电池组122的加热。 
除了上述同时对两个电池组加热或者对四个电池组加热的方式以外，还可以根据具体情况，对任意组合数量的电池组进行加热。 
3、采用该系统实现电池组间电压的均衡。 
1号电池组113和2号电池组114、3号电池组115和4号电池组116，5号电池组117和6号电池组118、7号电池组119和8号电池组120、9号电池组121和10号电池组122分别组成2pcs电池组组成的串联模组12、串联模组13、串联模组14、串联模组15、串联模组16，该系统可以任意串联模组11与串联模组11之间的并联，当电压均衡系统打开时，系统可以根据电源管理器所采集的电压信号，分别对最高电压和最低电压的模块进行并联，实现电压的均衡。 
 以下是具体实现电压均衡的方式： 
串联模组12和串联模组13间电压均衡：
继电器K1、继电器K11、继电器K3、继电器K13闭合，其它继电器断开，实现串联模组12和串联模组13的并联。
串联模组12和串联模组14间电压均衡： 
继电器K1、继电器K11、继电器K5、继电器K15闭合，其它继电器断开，实现串联模组12和串联模组14的并联。
串联模组12和串联模组15间电压均衡： 
继电器K1、继电器K11、继电器K7、继电器K17闭合，其它继电器断开，实现串联模组12和串联模组15的并联。
串联模组12和串联模组16间电压均衡： 
继电器K1、继电器K11、继电器K9、继电器K10闭合，其它继电器断开，实现串联模组12和串联模组16的并联。
串联模组13和串联模组14间电压均衡： 
继电器K3、继电器K13、继电器K5、继电器K15闭合，其它继电器断开，实现串联模组13和串联模组14的并联。
串联模组13和串联模组15间电压均衡： 
继电器K3、继电器K13、继电器K7、继电器K17闭合，其它继电器断开，实现13串联模组和15串联模组的并联。
串联模组13和串联模组16间电压均衡： 
继电器K3、继电器K13、继电器K9、继电器K10闭合，其它继电器断开，实现串联模组13和串联模组16的并联。
串联模组14和串联模组15间电压均衡： 
继电器K5、继电器K15、继电器K7、继电器K17闭合，其它继电器断开，实现串联模组14和串联模组15的并联。
串联模组14和串联模组16间电压均衡： 
继电器K5、继电器K15、继电器K9、继电器K10闭合，其它继电器断开，实现串联模组14和串联模组16的并联。
串联模组15和串联模组16间电压均衡： 
继电器K7、继电器K17、继电器K9、继电器K10闭合，其它继电器断开，实现串联模组15和串联模组16的并联。
根据上述所有实施方式，该系统可以实现全部电池组的串联供电、依次对任意组合串联模组进行IGBT加热和串联模组12、串联模组13、串联模组14、串联模组15、串联模组16任意两个模块之间的并联均衡电压的功能。 
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种电源系统，包括电池模块、控制模块以及配电箱，所述电池模块与控制模块连接，控制模块与配电箱连接；
其特征在于：所述电池模块由至少两个串联模组组成，所述串联模组由至少两个电池组串联而成；
所述控制模块包括继电器模块、继电器控制模块以及IGBT模块，所述继电器模块由若干继电器组合而成；所述串联模组连接所述继电器模块，所述继电器模块连接IGBT模块；所述继电器控制模块控制所述继电器模块内继电器的通断，以选择各串联模组与IGBT模块的组合。
2.如权利要求1所述的电源系统，其特征在于：所述电池组包括一个首电池组、一个尾电池组以及若干中间电池组；
所述首电池组通过一个与之串联的继电器与配电箱连接；
所述中间电池组通过一个与之串联的继电器与配电箱连接，并通过另一与之串联的继电器与IGBT模块连接；
所述尾电池组通过一个与之串联的继电器与IGBT模块连接；
所述IGBT模块与配电箱连接；
相邻两个串联模组通过一个继电器串联在一起。
3.如权利要求1所述的电源系统，其特征在于：所述串联模组由两个电池组串联组成。
4. 如权利要求1所述的电源系统，其特征在于：所述继电器为为电磁继电器。
5.如权利要求1所述的电源系统，其特征在于：所述继电器控制模块为单片机。
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