CN208752188U - 一种有源伴随式蓄电池性能修正系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种有源伴随式蓄电池性能修正系统,包括外部电源、与所述外部电源串联的蓄电池组、与所述蓄电池组并联的至少一个伴随模块以及与所述伴随模块交互式连接的中控模块；本实用新型的蓄电池性能修正系统，大幅提升蓄电池组的工作可靠性，防止了蓄电池组中短板单体对整组蓄电池的充放电的降效和干扰，防止了个别电池损坏引起的整组失效和供电中断。

Description

一种有源伴随式蓄电池性能修正系统

技术领域

本实用新型属于蓄电池技术领域，具体涉及一种有源伴随式蓄电池性能修正系统。

背景技术

蓄电池组是一种独立可靠的化学型储能后备电源，在外部电源全部停电的情况下，其能保证用电设备在设定的时间内可靠运行，是保证供电电源不中断的最后屏障。

由于蓄电池采用化学反应方式存储电能，在电控环节上处于被动的工作属性。即化学反应的程度受控于外部的充电电源、负载和环境温度，而自身无法主动调节。因此在实际应用中，随着使用时间的增加，蓄电池组的各单体会出现不同程度的老化，绝大部分体现在容量降低、内阻增大，使得部分蓄电池单体两端的电压就会明显高于蓄电池组平均电压，这不仅会对该电池单体自身造成过充损害，还会造成其他正常的蓄电池单体的充电电压不足，影响充电质量和效率，造成欠充放电，并引生雪崩效应，加剧整体蓄电池组的性能劣化或损坏。

蓄电池单体性能劣化对蓄电池组整体的影响是目前影响蓄电池组性能的主要原因之一，也是影响电源运行成本的核心问题。

实用新型内容

为了解决现有应用中存在的上述技术问题，本实用新型提供了以下技术方案：

一种有源伴随式蓄电池性能修正系统，包括外部电源、与所述外部电源串联的蓄电池组、与所述蓄电池组并联的至少一个伴随模块以及与所述伴随模块交互式连接的中控模块；

所述伴随模块包括与所述蓄电池组连接，用于采集蓄电池组中各蓄电池单体的工作参数的数据采集模块；

与所述蓄电池组连接，用于控制所述蓄电池组中各蓄电池单体的放电电流以及控制分流的分流控制单元；

与所述蓄电池组连接、并且与所述分流控制单元并联，用于采集所述蓄电池组中各蓄电池单体端电压的端电压控制单元；

与所述数据采集模块连接，用于储存、计算以及管理蓄电池组的工作参数，并且与所述中控模块进行通信的CPU；

分别与所述CPU和分流控制单元连接，用于工作时保持输出电压、电流恒定的脉宽调制单元。

作为本实用新型的进一步说明，多个所述伴随模块分别与所述蓄电池组中的一个或多个蓄电池单体并联。

作为本实用新型的进一步说明，所述蓄电池组中的每一个蓄电池单体上均并联有一个所述伴随模块。

作为本实用新型的进一步说明，所述数据采集模块包括温度传感器、电压传感器和电流传感器。

作为本实用新型的进一步说明，所述CPU与所述中控模块之间通过有线的方式进行通信。

作为本实用新型的进一步说明，所述CPU与所述中控模块之间通过蓝牙的方式进行通信。

与现有技术相比，本实用新型取得的有益效果为：

1、大幅提升蓄电池组的工作可靠性，防止了蓄电池组中短板单体对整组蓄电池的充放电的降效和干扰，防止了个别电池损坏引起的整组失效和供电中断。

2、保证了每个单体蓄电池的充电电压均衡，保证了每个单体能够达到最佳的充电状态，延长电池的使用寿命。

以下将结合附图及实施例对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是蓄电池性能修正系统结构示意图。

图2是伴随模块结构示意图。

图3是避免短板蓄电池对充电的影响示意图。

图4是避免短板蓄电池对放电的影响示意图。

图5是四节电池均衡方案拓扑结构示意图。

图6是移相全桥隔离双向DC-DC电路图。

图中：1、外部电源；2、蓄电池组；3、伴随模块；4、中控模块；5、数据采集模块；6、分流控制单元；7、端电压控制单元；8、CPU；9、脉宽调制单元；10、温度传感器；11、电压传感器；12、电流传感器。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本实用新型的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

在本实用新型创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型创造中的具体含义。

一种有源伴随式蓄电池性能修正系统，如图1、图2所示，包括外部电源1、与外部电源1串联的蓄电池组2、与蓄电池组2并联的至少一个伴随模块3以及与伴随模块3交互式连接的中控模块4；伴随模块3包括与蓄电池组2连接，用于采集蓄电池组2中各蓄电池单体的工作参数的数据采集模块5；与蓄电池组2连接，用于控制蓄电池组2中各蓄电池单体的放电电流以及控制分流的分流控制单元6；与蓄电池组2连接、并且与分流控制单元6并联，用于采集蓄电池组2中各蓄电池单体端电压的端电压控制单元7；与数据采集模块5连接，用于储存、计算以及管理蓄电池组2的工作参数，并且与中控模块4进行通信的CPU8；分别与CPU8和分流控制单元6连接，用于工作时保持输出电压、电流恒定的脉宽调制单元9。

上述多个伴随模块3分别与蓄电池组2中的一个或多个蓄电池单体并联，形成具有对自身工作电压、电流调节能力的有源蓄电池储能单元。

上述蓄电池组2中的每一个蓄电池单体上均并联有一个伴随模块3。

上述数据采集模块5包括温度传感器10、电压传感器11和电流传感器12。

上述CPU8与中控模块4之间通过有线的方式进行通信。

上述CPU8与中控模块4之间通过蓝牙的方式进行通信。

具体来讲，就是单个或多个与蓄电池单体并联的伴随模块3依照蓄电池组2组成要求组串，通过有线或者蓝牙与中控模块4连接组成有源伴随式蓄电池性能修正系统。

以下对本实施例提供的有源伴随式蓄电池性能修正系统进行详细说明：

针对一个蓄电池组2，如图3所示，假如蓄电池单体A劣化，内阻增大，在没有增加伴随模块3时，其两端的电压会高于蓄电池组2平均电压，造成其他正常蓄电池单体的充电电压不足，影响充电质量和效率，还易造成欠充放电，损坏蓄电池。而增加了伴随模块3以后，由于伴随模块3按照中空模块整体设定的电压，将蓄电池单体A的端电压稳定在设定值，并分流蓄电池单体A的通过电流，因此能够避免蓄电池单体A对整体蓄电池组2的充电影响。

1）避免短板蓄电池对充电影响的工作原理如下：

如图3所示，蓄电池单体A为短板电池，蓄电池单体B为正常电池。

如图3所示，箭头a为通过短板蓄电池的充电电流，箭头b为蓄电池单体A的伴随模块3的分流电流，箭头c为外部电源1的总充电电流，蓄电池单体B为正常电流，则蓄电池单体B的伴随模块3不分流。

2）避免短板蓄电池对放电影响的工作原理如下：

如图4所示，箭头c为蓄电池组2的总放电电流，箭头a为短板蓄电池单体A的放电电流，箭头b为短板蓄电池单体A的伴随模块3的分流电流，蓄电池单体B为正常模块，则蓄电池单体B不分流。

在中控模块4管理下，组成系统的伴随模块3完全可以按照需要，自动完成每一个单体的电压一致性，保证各个蓄电池单体以最佳方式充电。

本实施例中提供的伴随模块3相当于一个双向导通的DC-DC电源模块，可在设计的蓄电池工作参数范围内，自由控制输出端电压和导通电流，从而调节控制外部电源1对蓄电池单体的充电电压和电流，已达到蓄电池组2整体充电的均衡管控目的。伴随模块3采用与蓄电池单体伴生模式连接，即可直接预制在蓄电池内部，也可在外部直接并联在蓄电池正负极之间。级联时通过无线方式或者蓝牙的方式与中心控制模块连接，组成管理系统。

蓄电池组2中的一个或多个蓄电池单体与一个受控的双向DC-DC电源模块（即伴随模块3）并联为一体，从而使这个新组成的蓄电池储能单元具备了主动调节自身工作电压和电流性能；即通过双向DC-DC伴随电源模块调整流过目标蓄电池单体的电流，从而控制蓄电池单体两端的电压，在维持蓄电池单体的稳定工作的同时，从外部来看，即使该目标蓄电池单体本身有所劣化，但是该蓄电池单体和伴随模块3组成的新的蓄电池单元除了储能容量有所衰减外，其他关键性的电压和电流指标是良好的，相当于是被修正为一个外部体征完全正常的蓄电池。因此蓄电池组2的其他蓄电池单体的充放电不会因为目标蓄电池单体的劣化而受到影响。伴随模块3完好的规避了短板蓄电池单体带给整个蓄电池组2的损害。

在中控模块4的管理下，伴随模块3可实时接受中控模块4的指令修正工作参数，并将工作数据上传中控模块4。伴随模块3也可按照设定程序自动独立工作。

如图5所示，其展示了四节电池的均衡拓扑结构，隔离双向DC-DC电源的一点和电池并联在一起，另一端接母线电压的正负极。

采用隔离双向DC-DC电源实现主动均衡方式，既可以实现模块化，也可以通过采用合理的拓扑实现串联电池组中有几节电池失效也能正常工作，输出稳定的电压，剩余电池正常充电，而且双向DCDC变换器采用软开关技术，可以实现很高的转换效率。

均衡策略，当BAT1~4的电池电量（SOC）差别超出阈值范围，假如BAT1的SOC较高，BAT4的SOC较低时，控制器可以控制BAT1电池通过隔离双向DCDC1往母线放电，控制隔离双向DCDC2通过母线往BAT4电池充电。可以实现多个电池的同时充电或放电，高效的解决电池间不均衡问题。

当串接电池组中有一节或几节电池出现故障不能正常提供电，而且充电电源也不工作时，双向DCDC可从母线取电维持电池的电压和负载的工作电流。此时提供负载的能量是由其他几节正常电池提供的，此拓扑结构在这种情况下还可以实现其他几节电池的均衡。

假如BAT2，BAT3，BAT4都不能正常工作，充电电源也不工作，电池正常时的电压为2V，而且还需要提供100A电流（250W伴随模块3），此时的能量都由BAT1电池提供，则BAT1输出的电流为：

I=（2V*4）*100A/2V=400A

从另一个角度计算BAT1输出的电流，从图5，由基尔霍夫电流定理：

I2=I1+I3

注：I2电流方向为从电池流出，I1的方向为流向负载，I3的方向为流向变压器

假设DCDC变压器的效率为100%，则

I3=3*1/4*I2

又因为I1=100A，所以

I2= 100A +0.75*I2

I2=400A。

所以在极限情况下，为了维持负载所需的功率，双向DCDC变压器的高压侧输入电流是很大的，但是在这种极端条件下，单节电池的输出电流是非常大的。因此，在实际使用中，应根据负载大小，合理选择伴随模块3的功率容量和电缆线径。

隔离双向DCDC方案，采用移相全桥隔离双向DCDC方案，其电路原理图如图6所示，移相全桥可以实现软开关工作，低压输出采用同步整流提高转换效率。

上述CPU8采用TMS320F2812（32位定点微控制单元（MCU），主频高达150MHz；具备I2C、SPI、CAN、PWM等总线接口，外设有 A／D转换大容量存储器，l6位和32位的定时器比较单元、捕获单元、PWM波形发生器、高速异同步串行口和独立可编程复用I／O等组成，其中通过三个通用定时器和九个比较器的结合产生多达l2路的PWM输出结合灵活的波形发生逻辑和死区发生单元能生成对称、不对称以及带有死区时间的空间矢量 PWM波形DSP芯片中集成的这些功能大大简化了整个控制系统）来控制双向的移相全桥的驱动，同步整流的驱动；实时采集电池电压和流入电池的电流，计算电池的SOC；采用CAN通信或短距离无限通信与集中控制器通信，获取命令，交换数据。

2V电池端MOSFET选型

48V总线端MOSFET选型

中控模块4芯片选型

中控模块4芯片采用NXP的LPC2368FBD100芯片，4.3寸彩色液晶屏显示，对外接口预留1路CAN通信，2路485通信，1路以太网通信和无线通信等；实现与每个DCDC模块的通信，发送命令，交换数据，也可与后台新通连接，实时上报电池的工作状态等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种有源伴随式蓄电池性能修正系统，其特征在于：包括外部电源（1）、与所述外部电源（1）连接的蓄电池组（2）、与所述蓄电池组（2）并联的至少一个伴随模块（3）以及与所述伴随模块（3）交互式连接的中控模块（4）；

所述伴随模块（3）包括与所述蓄电池组（2）连接，用于采集蓄电池组（2）中各蓄电池单体的工作参数的数据采集模块（5）；

与所述蓄电池组（2）连接，用于控制所述蓄电池组（2）中各蓄电池单体的放电电流以及控制分流的分流控制单元（6）；

与所述蓄电池组（2）连接、并且与所述分流控制单元（6）并联，用于采集所述蓄电池组（2）中各蓄电池单体端电压的端电压控制单元（7）；

与所述数据采集模块（5）连接，用于储存、计算以及管理蓄电池组（2）的工作参数，并且与所述中控模块（4）进行通信的CPU（8）；

分别与所述CPU（8）和分流控制单元（6）连接，用于工作时保持输出电压、电流恒定的脉宽调制单元（9）。

2.根据权利要求1所述的蓄电池性能修正系统，其特征在于：多个所述伴随模块（3）分别与所述蓄电池组（2）中的一个或多个蓄电池单体并联。

3.根据权利要求2所述的蓄电池性能修正系统，其特征在于：所述蓄电池组（2）中的每一个蓄电池单体上均并联有一个所述伴随模块（3）。

4.根据权利要求1所述的蓄电池性能修正系统，其特征在于：所述数据采集模块（5）包括温度传感器（10）、电压传感器（11）和电流传感器（12）。

5.根据权利要求1所述的蓄电池性能修正系统，其特征在于：所述CPU（8）与所述中控模块（4）之间通过有线的方式进行通信。

6.根据权利要求1所述的蓄电池性能修正系统，其特征在于：所述CPU（8）与所述中控模块（4）之间通过蓝牙的方式进行通信。