CN205583754U - 基于分组轮换的蓄电池组充放电智能均衡系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于分组轮换的蓄电池组充放电智能均衡系统，包括微控制器、至少两组蓄电池、与每套蓄电池配套安装的蓄电池监测模块、与每组蓄电池配套的均衡模块，每组蓄电池包含的蓄电池套等于蓄电池总数除以蓄电池组数，同一组内的蓄电池串联，与每套蓄电池配套安装的蓄电池监测模块信号端均连接微控制器，蓄电池监测模块信号输入端连接对应蓄电池的正极，同一组内串联的蓄电池两端连接总线，总线两侧分别连接负载和充电端，所述总线上串联两套用于切换充放电的继电器；通过实时监控数据确定各电池组当前状态并基于该状态实现均衡控制，提高蓄电池组的使用寿命和整体性能，减轻用户维护蓄电池组的负担，降低电动汽车的使用成本。

Description

基于分组轮换的蓄电池组充放电智能均衡系统

技术领域

本实用新型涉及蓄电池组充放电管理技术领域，尤其涉及一种基于分组轮换的蓄电池组充放电智能均衡系统。

背景技术

传统汽车十分依赖石油等不可再生能源，在带来巨大能源消耗的同时，其尾气排放也对生态环境造成了极大的破坏。电动汽车作为一种清洁型交通工具，以其低能耗低污染的特点而发展迅猛。作为电动汽车的主要动力来源，蓄电池质量无疑是制约电动汽车性能的一大因素。

实践表明，单体电池寿命原长于蓄电池组，这主要是由于蓄电池组中各单体间存在充放电不均衡现象。在蓄电池的充放电过程中，由于各蓄电池单体在各项性能参数如电动势、内阻、温度等方面的差异性，严重影响了蓄电池的使用性能。容量大的电池容易过充电，容量小的电池又容易过放电，而无论是过充电还是深度放电，都会缩短电池的使用寿命，减小蓄电池的实际可用容量，从而增大蓄电池组单体间的差异性，造成恶性循环。严重时电池组内出现反压充电情况，甚至会造成电池极性颠倒，不仅空耗能量，而且严重减损电池寿命。因此，蓄电池的不均衡充放电对电动汽车的性能有极大影响。

目前蓄电池组的均衡充放电方法有以下几种：

1.能量搬迁均衡法

以均衡电容为能量储存元件，充电时使电容依次与各蓄电池连接，通过电容使电压高的蓄电池向电压低的蓄电池充电，直到各蓄电池的电压趋于一致。

2.能量耗散(旁路分流)均衡法

给各电池单体提供并联分流支路，将剩余容量过高的电池的电荷通过分流支路转移，限制蓄电池单体出现过高或过低的端电压。

3.能量变换均衡法

给每一个蓄电池并联一个变压器或DC-DC变换器，充电时。满足均衡条件 时给状态差的电池充入较多能量，放电时分流电路补充能量。

4.总线取流法

给每一个蓄电池安装一个均衡装置，设定一个均衡点，当到达均衡点时，从总线取出电能，对需要均衡的电池进行补流。

对于技术1，由于电容的开关的使用限制了均衡的频率，并且电路较为复杂。技术2需要大功率的电阻，大电流的开关，虽然易于实现，但浪费蓄电池能源，会导致电池箱内温度升高，造成安全问题，同时加速蓄电池的老化；对于技术3，均衡效果较好，电路较为复杂，每个电池都需要配置均衡器，成本高；对于技术4，均衡装置数量多，且太过依赖均衡点，且均衡点难以确定，而且随着时间推移蓄电池组本身性能参数发生变化，限定值可能失效。

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基于分组轮换的蓄电池组充放电智能均衡系统，通过实时监控数据确定各电池组当前状态并基于该状态实现均衡控制，尽量避免个别电池频繁出现过充过放的情况，从而避免由于电池单体差异越来越大导致的“水桶效应”，提高蓄电池组的使用寿命和整体性能，减轻用户维护蓄电池组的负担，降低电动汽车的使用成本。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种基于分组轮换的蓄电池组充放电智能均衡系统，包括微控制器、至少两组蓄电池、与每套蓄电池配套安装的蓄电池监测模块、与每组蓄电池配套的均衡模块，每组蓄电池包含的蓄电池套数等于蓄电池总数除以蓄电池组数，同一组内的蓄电池串联，与每套蓄电池配套安装的蓄电池监测模块信号端均连接微控制器，蓄电池监测模块信号输入端连接对应蓄电池的正极，同一组内串联的蓄电池两端连接总线，总线两侧分别连接负载和充电端，所述总线上串联两套用于切换充放电的继电器。

所述蓄电池监测模块包括DS2438芯片、6N135光耦合器、LM7805稳压管、LA25-nP电流互感器和光耦驱动器，所述LA25-nP电流互感器与蓄电池串联，LM7805稳压管连接在蓄电池正极，用于提供稳压电源，6N135光耦合器输出端 连接光耦驱动器。

所述均衡模块包括均衡充电器和变压器，均衡充电器通过开关组连接组内蓄电池的正极和负极，组内蓄电池的正极和负极均连接中间继电器。

与所述均衡充电器配套安装的开关组包括四套，四套开关组受控于微控制器。

安装在每套所述蓄电池正极和负极的中间继电器通过中间继电器驱动电路连接微控制器。

所述中间继电器驱动电路包括串联的光耦合器和电阻R5，所述中间继电器与电阻R5并联，所述中间继电器还并联安装发光二极管。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型采用各电池的荷电状态(SOC)参数为均衡判别依据，能综合评判蓄电池的电压和容量均衡。摒弃了电阻旁路均衡、电容均衡等能损较大的控制方法，综合能量变换以及总线取流方法，选用能耗较小的DC-DC变换均衡方案。另外，为克服传统取流均衡装置多的缺点，减少DC-DC转换器数量，从而简化电路，本实用新型建立了分组轮换机制，即视蓄电池单体数目将蓄电池分为若干小组，每个小组有1套均衡控制模块，该小组共用此模块，当检测到SOC最大值与最小值只差达到限定值时，利用均衡模块给SOC最小的蓄电池进行均衡，并间隔一段时间后再次采样，对新一轮需要均衡的蓄电池进行均衡。限定值主要作为控制开关转换频率及均衡时长的标度。这样实现了动态均衡，减小对均衡点的依赖性。同时视所有小组内SOC值最高的蓄电池另外为一个小组进行均衡，以避免组间不均衡情况。同时控制系统能根据每一次均衡的情况智能优化下一次均衡时的SOC限定值，实现动态式的均衡。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图；

图2是微控制器与蓄电池监测模块连接关系示意图；

图3是蓄电池监测模块电路原理图；

图4是均衡模块原理图；

图5是中间继电器驱动电路原理图。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-2所示，本实用新型公开了一种基于分组轮换的蓄电池组充放电智能均衡系统，包括微控制器、至少两组蓄电池、与每套蓄电池配套安装的蓄电池监测模块、与每组蓄电池配套的均衡模块，每组蓄电池包含的蓄电池套数等于蓄电池总数除以蓄电池组数，同一组内的蓄电池串联，与每套蓄电池配套安装的蓄电池监测模块信号端均连接微控制器(本实用新型以一组蓄电池包含三套蓄电池为例进行说明，参见附图1)，蓄电池监测模块信号输入端连接对应蓄电池的正极，同一组内串联的蓄电池两端连接总线，总线两侧分别连接负载和充电端，所述总线上串联两套用于切换充放电的继电器。

所述蓄电池监测模块(参见附图3)包括DS2438芯片、6N135光耦合器、LM7805稳压管、LA25-nP电流互感器和光耦驱动器，所述LA25-nP电流互感器与蓄电池串联，LM7805稳压管连接在蓄电池正极，用于提供稳压电源，6N135光耦合器输出端连接光耦驱动器。

所述均衡模块(参见附图4)包括均衡充电器和变压器，均衡充电器通过开关组连接组内蓄电池的正极和负极，组内蓄电池的正极和负极均连接中间继 电器；与所述均衡充电器配套安装的开关组包括四套，四套开关组受控于微控制器；安装在每套所述蓄电池正极和负极的中间继电器通过中间继电器驱动电路连接微控制器。

所述中间继电器驱动电路包括串联的光耦合器和电阻R5(参见附图5)，所述中间继电器与电阻R5并联，所述中间继电器还并联安装发光二极管。

在具体应用时，系统需要计算每一蓄电池的SOC(荷电状态)作为均衡依据。目前有神经网络法、开路电压法以及列表法等方法估算剩余容量，综合考虑准确性与实用性，我们采用改进的库仑电量积累法：适用于已知初始电量的状态下，监控电池流入或输出的电流大小与充放电时间的长短，利用测量的电流对时间进行积分，只要能精确地累计已充入或消耗的电量，配合已知的电池初始电量SOC，就可以预估电池的当时SOC值。

SOC的定义式为：

库伦电量积累法计算公式为：

SOC_t为t时刻电池SOC；SOC₀为电池充满电时SOC；λ为影响容量的因素，既考虑到随着老化等因素的影响，蓄电池容量的变化；C_N为蓄电池的额定容量；η为蓄电池的充放电效率。积分环节可以直接利用DS2438电流累加器的输出，方便运算。

所述均衡模块(参见附图4)包括均衡充电器和变压器，均衡充电器通过开关组连接组内蓄电池的正极和负极，组内蓄电池的正极和负极均连接中间继电器。均衡控制模块是系统的核心部分，单片机根据数据采集系统传来的信息计算SOC值，并找到组内SOC最大及最小电池单体，计算SOC极差，当此极差 达到设定的上限值时认为需要均衡。通过控制继电器使均衡器与需要均衡的电池单体连通，进行补流操作，实际中通过中间继电器来完成图3中的开关动作，控制充放电状态的转换以及均衡过程中均衡操作的实施与退出，中间继电器的电路参见附图5。

每组蓄电池共用一个均衡装置，均衡装置与总线相连以取能，通过简化的开关组同蓄电池单体相连以传送能量补流。

与所述均衡充电器配套安装的开关组包括四套，四套开关组受控于微控制器；安装在每套所述蓄电池正极和负极的中间继电器通过中间继电器驱动电路(参见附图5)连接微控制器；所述中间继电器驱动电路包括串联的光耦合器和电流互感器，所述中间继电器与电流互感器并联，所述中间继电器还并联安装发光二极管。

本实用新型中涉及的SOC限定值用来判断是否需要均衡，能在保证均衡效果的前提下尽量减轻系统工作负担以及保证充电质量。在保持总线取流大小不变的情况下，在每一次充电或放电结束后，系统将判断本次均衡效果以调整SOC限定值。若均衡结束后发现本次均衡过程中开关转换频率过大，即限定值太低，使得均衡对象变动太快，充电电流波动太大，则适当增大限定值；若发现均衡结束后发现蓄电池组SOC极差超出了容忍值，表明SOC限定值太大，均衡开始的太晚，下一次均衡时适当减小SOC值。

式中N为均衡组数，即均衡装置数；为新一轮的限定值；为原有限定值；为本次均衡结束后第n组限定值；f_breaker为本次均衡过程中开关切 换频率；f₀为限定的开关频率；Δ_SOC0为SOC的最大容忍值；Δ_SOC为修改的步长。式(2)优先级大于式(1)，即当(1)和(2)的执行条件同时发生时，优先执行式(2)。通过这样智能优化，能保证均衡的效果和稳定性。

综上所述，本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

1、以SOC作为蓄电池组的均衡依据，能更好地反映蓄电池组的均衡度。同时SOC限定值的定义增强了系统普适性及稳定性。

2、采用具有恒流功能的DC-DC变换器模块进行总线取流补流操作，减小能量损耗，提高可控性。

3、利用分组轮换的思想，既保证均衡效果，又减少了DC-DC变换器的数量，减少了装置的体积，节约了成本。

4、通过合理的模型控制，根据每一次均衡效果，对SOC限定值不断优化调整以优化均衡效果，并且能适应蓄电池的老化等问题带来的参数改变。

5、综合了改进的库伦积累法来计算SOC，可以考虑多种影响因素，提高计算准确度。

Claims (6)

1.一种基于分组轮换的蓄电池组充放电智能均衡系统，其特征在于：包括微控制器、至少两组蓄电池、与每套蓄电池配套安装的蓄电池监测模块、与每组蓄电池配套的均衡模块，每组蓄电池包含的蓄电池套数等于蓄电池总数除以蓄电池组数，同一组内的蓄电池串联，与每套蓄电池配套安装的蓄电池监测模块信号端均连接微控制器，蓄电池监测模块信号输入端连接对应蓄电池的正极，同一组内串联的蓄电池两端连接总线，总线两侧分别连接负载和充电端，所述总线上串联两套用于切换充放电的继电器。

2.根据权利要求1所述的基于分组轮换的蓄电池组充放电智能均衡系统，其特征在于：所述蓄电池监测模块包括DS2438芯片、6N135光耦合器、LM7805稳压管、LA25-nP电流互感器和光耦驱动器，所述LA25-nP电流互感器与蓄电池串联，LM7805稳压管连接在蓄电池正极，用于提供稳压电源，6N135光耦合器输出端连接光耦驱动器。

3.根据权利要求2所述的基于分组轮换的蓄电池组充放电智能均衡系统，其特征在于：所述均衡模块包括均衡充电器和变压器，均衡充电器通过开关组连接组内蓄电池的正极和负极，组内蓄电池的正极和负极均连接中间继电器。

4.根据权利要求3所述的基于分组轮换的蓄电池组充放电智能均衡系统，其特征在于：与所述均衡充电器配套安装的开关组包括四套，四套开关组受控于微控制器。

5.根据权利要求4所述的基于分组轮换的蓄电池组充放电智能均衡系统，其特征在于：安装在每套所述蓄电池正极和负极的中间继电器通过中间继电器驱动电路连接微控制器。

6.根据权利要求5所述的基于分组轮换的蓄电池组充放电智能均衡系统，其特征在于：所述中间继电器驱动电路包括串联的光耦合器和电阻R5，所述中间继电器与电阻R5并联，所述中间继电器还并联安装发光二极管。