CN207852851U - 具有同步均衡功能的电池管理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种具有同步均衡功能的电池管理系统。管理系统由上位机、电池控制单元、电池组监测单元和电池组单元四部分组成。电池组监测单元以三个单体为一个电池组组对电池进行监测和控制，单体间串联连接。每个单体通过并联旁路可调电阻、单置开关和双置开关形成两条均衡控制电路，可分别在充电和放电阶段对电池进行均衡控制。该系统具有结构简单、易于扩展、均衡控制策略易于实现的特点，特别是在放电均衡过程可实现各个单体同步均衡的效果，均衡时间可控；充电均衡过程无能量损失，具有成本低和高均衡效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及储能电池技术领域，特别涉及一种具有双向同步均衡控制功能的储能用锂离子电池管理系统。
背景技术
随着能源危机和环境污染的日益加剧，全球各国正在大力开发水电、风电、潮汐能、太阳能等清洁无污染的新能源。由于新能源具有波动性、间歇性和不确定性等问题，难以实现大规模的即时开采即时使用。因此，常常通过储能飞轮、超导电磁、超级电容和电池等储能装置对开采的新能源进行集中存储，便于稳定输出。其中，锂离子电池储能具有能量密度高、工作周期长、安全可靠等一系列优点，是使用前景最为广阔的储能方式。
为了满足输出电压、电流和功率的要求，电池储能系统常常由几百甚至几千个电池单体组成。而各单体间由于生产制造误差和工作环境等因素干扰，会出现电量不一致的现象。随着充放电工作周期的增加，这种不一致情况会不断加剧，由此形成的电量“木桶效应”在初期会降低电池系统的储能和输出效率，继续恶化则会导致电池过充/过放电、整体充放电失效和自燃爆炸等严重后果。因此，为了保证储能系统能够安全、高效的工作运行，研究开发具有相应状态监测、充放电控制和电量均衡功能的电池管理系统，具有重要意义和市场价值
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种具有双向同步电量均衡控制功能的储能用锂离子电池管理系统。以模块化的形式对电池单体进行成组管理，通过监测电池单体的状态参数、控制充放电、检测危险工况和均衡单体电量等功能，保证电池储能系统能够长期、安全的运行在稳定、高效工作状态，实现能源储存和对外供能的目标。
本实用新型提出的具有双向同步均衡功能的电池管理系统，包括上位机、电池控制单元、电池组监测单元和电池组单元；其中：上位机连接电池控制单元，电池控制单元的连接电池组监测单元的通信端，电池组监测单元的数据采集端连接电池组单元，每个电池组单元由三个电池单体串联而成，可调电阻和单置开关串联形成放电均衡回路，每个放电均衡回路分别并联于相应的电池单体两端，每个电池单体上串联有双置开关，通过双置开关形成充电均衡回路；电池组监测单元的三个数据采集端分别连接三个电池单体。
本实用新型中，电池组监测单元包括电流传感器、电压传感器和温度传感器，分别用于实时监测每个电池单体的电压、工作电流以及工作温度。
本实用新型中，电池组监测单元通过总线方式连接。
本实用新型中，电池控制单元采用STM32系列微处理器。
本实用新型中，电池控制单元和电池组监测单元通过SPI通信方式进行连接。
本实用新型中，所述上位机和电池控制单元通过串口通信方式连接。
本实用新型中，放电均衡电路中的可调电阻4为可变电阻，通过计算设定其阻值能够实现电量同步均衡功能，其中：Rij为旁路电阻，Uij为单体电压，Qij为单体电量，Qmin为电池组中单体最低电量，t为均衡时间。
本实用新型中，充电均衡电路通过双置开关6断路满充电池进行均衡操作，均衡过程中无能量损耗。
本实用新型提供电池管理系统具有充电均衡和放电均衡两种均衡方式。两种方式可根据不同工况需求进行灵活切换。当对电池储能系统处于充电阶段时，对于充电末期各个单体间的电量不一致现象，通过电池控制单元发送指令控制系列双置开关6的触点位置，逐次短路满充单体即可实现电池充电均衡。当电池储能系统处于对外输出放电阶段时，对于放电末期各个单体间的电量不一致现象，根据当前电池单体电量，通过电池控制单元发送指令控制系列单置开关5的开闭状态和Rij系列旁路可调电阻4的阻值大小，即可完成电池单体同步放电均衡。(其中，j＝1,2,3；i＝1,2…n，n为电池组个数。)
相比现有的电池管理技术，本实用新型的电池管理系统及均衡控制方法更具有高效性和实用性，具体体现在以下几个方面：
1)用一个电池监测单元同时对三个单体串联而成一个电池组进行监测，这种“一对多”的方法能够提高监测效率和降低硬件成本。
2)具有双向均衡功能，能根据不同工况的需求，任意选用充电均衡或者放电均衡两种均衡控制方式。
3)在放电均衡功能中，可根据单体电量不一致程度，调节旁路电阻大小，使各单体能同时达到均衡状态，节约均衡时间。
4)在充电均衡功能中，通过单体断路的方式进行满充均衡控制，均衡过程中不会产生能量损耗，提高能耗效率。
附图说明
图1本实用新型结构示意图；
图2本实用新型放电均衡控制实施例示意图；
图3放电末期单体电量不均衡状态示意图；
图4放电均衡控制后电池单体电量示意图；
图5充电末期单体电量不均衡状态示意图；
图6充电均衡控制后电池单体电量示意图；
图7本实用新型充电均衡控制实施例示意图；
图中标号：1-上位机；2-电池控制单元；3-电池组监测单元；4-可调电阻；5-单置开关；6-双置开关；7-电池单体。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本实用新型提供的具有双向同步电量均衡控制功能的储能用锂离子电池管理系统结构进行详细说明。
如图1所示，该实用新型提供的电池管理系统以组为单位对电池进行管理控制。一个电池组单元含有三个电池单体7，通过串联连接。通过并联可调电阻4和单置开关5形成放电均衡回路。通过双置开关6形成充电均衡回路。电池单体7执行放电均衡时，单置开关5闭合，双置开关5置于第二位置处；电池单体7执行充电均衡时，单置开关5断开，双置开关6置于第一位置处。电池管理指令通过上位机发送至电池控制单元，对指令进行运算处理后传输至电池组单元，控制单置开关5和双置开关6的开闭时间以及可调电阻4的阻值大小。电池组监测单元3可实时测量电池电压、电流和温度等状态参数，并传输至电池控制单元2作为控制决策参考变量和传输至上位机1作为历史数据保存。上位机1与电池控制单元2通过串口通信方式连接。电池组监测单元3与电池控制单元2之间通过SPI通信方式连接。
所述电池控制单元2采用STM32系列微控制器。
所述电池组监测单元3包括电压传感器、电流传感器和温度传感器。
本实施例中所述电池管理系统具有放电均衡控制和充电均衡控制两种模式，具体操作如下所示：
一、放电均衡控制模式
放电均衡控制模式用于电池对外界负载输出供电结束，电池单体间产生电量不一致的工况，设此时各单体剩余电量如图3所示。此时采用同步放电均衡控制功能。具体操作为：电池控制单元通过电池组监测单元采集的电池状态参数计算出各个单体的剩余电量分别为Q11，Q12，Q13，……，Qn1，Qn2，Qn3。并且取Qmin＝min(Qij)。通过上位机设定均衡时间为t。则各单体电池旁路电阻值根据式(1)来计算设定
式中，Uij表示单体电压，其中，j＝1,2,3；i＝1,2…n，n为电池组个数。当Qij＝Qmin时，单置开关断开，否则均为闭合状态。因此，经过t时间的放电均衡控制，多余的电量通过电阻耗散，所有单体可达到同一电量水平，如图4所示。均衡开关位置及均衡电路如图2所示。
二、充电均衡控制模式
充均衡控制模式用于外界充电装置对储能系统充电末期，电池单体间产生电量不一致的工况。此时采用同步放电均衡控制功能。具体操作为：电池控制单元通过电池组监测单元采集的电池状态参数计算出各个单体的剩余电量分别为Q11，Q12，Q13，……，Qn1，Qn2，Qn3。并判断Qij是否等于额定容量，设各单体剩余电量如图5所示，除了单体C12以外，其他单体都还未达到满充状态，则双置开关置于1触点，其余双置开关均置于2触点，如图7所示。然后继续进行充电。任意剩余单体Cij一旦满电，其对应的双置开关也依次调置1触点，直至所有单体均衡充电至图6所示的满电状态即可完成充电操作，整个均衡过程不会造成能量损失。
Claims (8)
1.具有同步均衡功能的电池管理系统，包括上位机、电池控制单元、电池组监测单元和电池组单元；其特征在于：上位机连接电池控制单元，电池控制单元连接电池组监测单元的通信端，电池组监测单元的数据采集端连接电池组单元，每个电池组单元由三个电池单体串联而成，可调电阻和单置开关串联形成放电均衡回路，每个放电均衡回路分别并联于相应的电池单体两端，每个电池单体上串联有双置开关，通过双置开关形成充电均衡回路；电池组监测单元的三个数据采集端分别连接三个电池单体。
2.根据权利要求1所述的具有同步均衡功能的电池管理系统，其特征在于，电池组监测单元包括电流传感器、电压传感器和温度传感器，分别用于实时监测每个电池单体的电压、工作电流以及工作温度。
3.根据权利要求1所述的具有同步均衡功能的电池管理系统，其特征在于，电池组监测单元通过总线方式连接。
4.根据权利要求1所述的具有同步均衡功能的电池管理系统，其特征在于，电池控制单元采用STM32系列微处理器。
5.根据权利要求1所述的具有同步均衡功能的电池管理系统，其特征在于，电池控制单元和电池组监测单元通过SPI通信方式进行连接。
6.根据权利要求1所述的具有同步均衡功能的电池管理系统，其特征在于，所述上位机和电池控制单元通过串口通信方式连接。
7.根据权利要求1所述的具有同步均衡功能的电池管理系统，其特征在于，放电均衡电路中的可调电阻为可变电阻，通过计算设定其阻值能够实现电量同步均衡功能，其中：Rij为旁路电阻，Uij为单体电压，Qij为单体电量，为电池组中单体最低电量，t为均衡时间。
8.根据权利要求1所述的具有同步均衡功能的电池管理系统，其特征在于，充电均衡电路通过双置开关断路满充电池进行均衡操作，均衡过程中无能量损耗。
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