CN209730842U - 一种精细化动态可重构电池监控管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种精细化动态可重构电池监控管理系统包括：电池拓扑结构，电池拓扑结构包括多个并联的电池模组，每个并联的电池模组支路均并联一个由电力电子开关控制投切的电阻；每个电池模组包括多个串联的电池单体，每个电池单体均并联一个由电力电子开关控制投切的电阻；电池监视器分别与同一电池模组中不同的电池单体或同一电池拓扑结构中不同的电池模组连接；电池能量管理器包括若干个电池监视器；电池能量管理器与电池能量交换器连接；电池拓扑结构通过电池能量交换器实现与外界充放电设备的连接。本实用新型实现了行更加充分的有效利用的技术效果，针对电池单体进行监控和管理，在提高电池的一致性的同时，延长电池储能系统寿命。

Description

一种精细化动态可重构电池监控管理系统

技术领域

本实用新型涉及动力电池监控管理技术领域，特别是涉及一种精细化动态可重构电池管理系统。

背景技术

动力电池，是指为交通运输工具提供动力的电池。一个大的动力电池组通常会由多个电池模块组成，每个电池模块则由多个单体电池通过串联和并联的方式组合而成。虽然根据实际需求的不同可以改变单体电池或电池模块的组合方式，但这种改变往往在后续使用过程中不可逆转，不能根据单体电池以及电池模块参数及动态行为的差异性能进行精细化动态重构管理。

现有动力电池组中还存在着单体电池间充放电不均衡性问题。单体电池间的不均衡性会引起老化程度的差异，形成正反馈过程，随着时间的增长不均衡程度会进一步加大，并最终导致某些单体老化严重影响使用安全及使用效果，而某些单体因充放电深度较浅而老化程度轻仍能继续使用。

另外，动力电池组实际可存储能量的寿命约为20年，但当动力电池组容量下降到初始值的80％以下时，将不能达到电动汽车的使用标准而被退役，也因此，动力电池组的使用年限一般只为5到8年。若因单体电池间老化程度不均衡造成的电池报废，一方面大量废弃电池威胁生态安全，造成难以逆转的环境污染，另一方面大动力电池组中仍能继续使用的单体电池被废弃也将对宝贵的有价金属资源形成浪费。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种精细化动态可重构电池监控管理系统，采用如下技术方案：

一种精细化动态可重构电池监控管理系统，包括：电池拓扑结构，

所述电池拓扑结构包括多个并联的电池模组，每个并联的电池模组支路均并联一个由电力电子开关控制投切的电阻；每个电池模组包括多个串联的电池单体，每个电池单体均并联一个由电力电子开关控制投切的电阻；

电池监视器分别与同一电池模组中不同的电池单体连接，或电池监视器分别与同一电池拓扑结构中不同的电池模组连接；

电池能量管理器包括若干个电池监视器；

所述电池能量管理器与电池能量交换器进行信息交互；

所述电池拓扑结构通过所述电池能量交换器实现与外界充放电设备的连接。

进一步的，所述电池能量管理器通过所述电池监视器的SP I时序采集所述电池拓扑结构中每个电池单体及由电池单体组成的电池模组的电压，通过总线上传给所述电池能量交换器。

进一步的，所述电池能量管理器还采集所述电池拓扑结构内每一个电池单体的电池温度、开关投切状态信息和分配电池模组地址并上传给所述电池能量交换器。

进一步的，所述电池能量管理器通过电池温度采样传感器采集每一个电池单体的电池温度；

所述电池温度采样传感器中，MOS管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、第一放大器构成恒流源，依次经过PT100电阻、电阻R6分压送入第二放大器，然后依次经过电阻R9、电容C1低通滤波电路和钳位电路送入模数转换器A/D读取电压值。

进一步的，所述电池能量管理器包括第一处理器；

所述电池能量交换器包括第二处理器；

所述第一处理器与所述第二处理器相互连接。

进一步的，所述电池监视器的引脚C1和引脚S1均与同一电池单体或电池模组的正极连接，所述电池监视器的引脚C2和引脚S2均与同一电池单体或电池模组的正极连接，以此类推，所述电池监视器最多能连接12个电池单体或电池模组。

进一步的，所述电池温度采样传感器紧贴所述电池单体的外表面设置。

进一步的，对同一电池模组中的电池单体进行监控的多个电池监视器之间串联连接；

对同一电池拓扑结构中的电池模组进行监控的多个电池监视器之间串联连接。

进一步的，所述第一处理器与所述电池监视器的输出端连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型可以同时对每个电池单体和电池模组进行监控管理，电池单体之间的容量或者电压差异较大时通过与电池单体并联的电阻进行消耗；能量较大的电池模组通过主动均衡实现，能量较小的电池单体通过耗散型均衡，以此来提高电池的一致性，延长电池储能系统寿命实现了对动力电池单体进行精细化管理，提高能量利用效率。

2、本实用新型采用LTC6803电池监视器对动力电池组中的电池单体进行电压采样，使采样电压更加精确可靠；并且本实用新型还基于LTC6803电池监视器构成本实用新型独有的动态重构均衡电路，使动力电池组能量得到合理有效的利用。

3、本实用新型采用铂电阻PT100作为电池温度采样传感器，根据采集的铂电阻PT100电压信号通过欧姆定律关系换算，得测量温度下的电阻值，从而查表得到测量温度，该测量方法精度高、输出线性度好，满足本实用新型中对电池单体温度精度的需求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实用新型实施例1的基于LTC6803的电池单体电压采样和均衡电路原理图；

图2是本实用新型实施例1的电池组温度采样电路原理图；

图3是本实用新型实施例1的精细化电池动态重构管理系统拓扑结构原理图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实用新型中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型，一种精细化动态可重构电池管理系统基于一种动态可重构的电池储能拓扑结构，采用双层设计的思路，电池主电路与均衡控制电路均采用双层设计。

电池单体串联构成电池模组以提高电压，电池模组再根据系统需求进行串并联后与外界进行能量交换。与电池主电路双层设计相对应，均衡控制电路也划分为两层。均衡控制电路通过结合耗散型和非耗散型的优缺点互补的均衡方法，分别完成电池模组间的主动均衡控制和电池单体的被动均衡控制。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本实用新型的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本实用新型的技术方案。

实施例1

本实用新型提供了一种精细化动态可重构电池监控管理系统，包括：电池拓扑结构、电池能量交换器及电池能量管理器。

如图3所示，为本实施例的电池拓扑结构原理图，电池拓扑结构包括多个并联的电池模组，每个并联的电池模组支路均并联一个由电力电子开关控制投切的电阻；每个电池模组包括多个串联的电池单体，每个电池单体均并联一个由电力电子开关控制投切的电阻，以实现电池单体均衡控制。在一些实施例中，电力电子开关为MOS管。

精细化电池动态可重构拓扑控制原理为：

当电池能量交换器检测电池均处于正常的工况状态，即下发指令给电池能量管理器，闭合所有电池模组串联的电力电子开关，使电池全部投入使用；

当储能系统处于放电状态下，若电池能量交换器检测到电池模组性能衰减严重或已达到满放状态，即下发指令给电池能量管理器断开与之串联的电力电子开关，使储能系统降功率出力。例如，若电池B₁₁性能衰减严重或已达到满放状态，断开S₁₁，退出运行B₁₁；

当储能系统处于充电状态下，若检测到电池模组已经达到满充状态，则断开与之串联的电力电子开关，其它电池继续并联分流充电。例如，若检测到B₁₂满充，断开S₁₂；

当电池模组与单体能量差异过大，系统进入均衡管理状态：同一并联支路电池单体均衡控制可通过闭合相应的电力电子开关实现，例如B₁₁与B₁₂；非并联支路单体均衡需投切电阻提供充电回路实现，例如，若B₁₃，B₂₁能量较低，闭合S₁₃，S₂₁，断开其它电池的电力电子开关，投入并联电阻R₃₀，R₄₀，实现对B₁₃，B₂₁充电均衡管理；若某一电池单体能量较高，则闭合该电池的电力电子开关和投入与之并联的电阻进行放电均衡；其它电池单体均衡控制依此类推。

需要说明的，在本实施例中电池能量管理器包括第一处理器；电池能量交换器包括第二处理器。电池能量管理器能够依靠第一处理器进行数据处理、接收或下达指令等操作，电池能量交换器能够依靠第二处理器对电池能量管理器采集的数据进行处理运算、接收或下达指令等操作，这是本领域技术人员的公知常识，在此不再赘诉。

电池能量管理器包括若干个电池监视器；电池监视器分别与同一电池模组中不同的电池单体连接，或电池监视器分别与同一电池拓扑结构中不同的电池模组连接；电池能量管理器通过所述电池监视器的SP I时序采集所述电池拓扑结构中每个电池单体及由电池单体组成的电池模组的电压，通过总线上传给所述电池能量交换器。电池能量管理器还采集所述电池拓扑结构内每一个电池单体的电池温度、开关投切状态信息和分配电池模组地址并上传给所述电池能量交换器。

电池能量管理器与电池能量交换器进行信息交互；电池拓扑结构通过所述电池能量交换器实现与外界充放电设备的连接。

如图1所示，为本实施例实际设计的电池单体电压的采集电路和均衡电路原理图。在本实施例中采用LTC6803作为电池监视器。电池监视器设置在电池模组的内部，电池监视器输出端与第一处理器连接。

LTC6803是一款凌力尔特公司在2011年推出的一款第二代高压电池监视器，LTC6803通过运用一个独特的电平移位串行接口，可以把多个LTC6803-1/LTC6803-3器件串联起来(无需使用光耦合器或光隔离器)，以监视长串串联电池中每节电池的电压。每个电池输入具有一个相关联的MOSFET电源开关，用于对过度充电的电池进行放电。基于LTC6803集成芯片的电压单体采样与均衡电路稳定较高。此电路采用的是耗散型均衡设计。电池单体之间的容量或者电压差异较大时可以用该电池电梯并联的电阻进行消耗。能量较大的电池模组通过主动均衡实现，能量较小的电池单体通过耗散型均衡，以此来提高电池的一致性，延长电池储能系统寿命。

电池监视器的引脚C1和引脚S1均与同一电池单体或电池模组的正极连接，所述电池监视器的引脚C2和引脚S2均与同一电池单体或电池模组的正极连接，以此类推，接口C1至C12用于监视电池电压的输入。电池监视器最多能连接12个电池单体或电池模组。对于LTC6803-1，底端电池的负端子连接至引脚V-(而对于LTC6803-3则连接至引脚CO)。次最低电压连接至C1，依次类推。

接口S1至S12用于平衡电池组里的电池。如果串联电池中的一节电池过度充电，则S输出的内部可用于对该节电池进行放电。

对同一电池模组中的电池单体进行监控的多个电池监视器之间串联连接；对同一电池拓扑结构中的电池模组进行监控的多个电池监视器之间串联连接。

电池能量交换器判断各个电池模组之间是否存在压差，若存在压差，通过排序确定电压最高与电压最低的电池模组，判断电压最高与电压最低的电池模组间的压差是否超过设定阈值；对超过阈值的电压最高与电压最低的电池模组进行非耗散均衡，非耗散均衡完成后，所述电池能量管理器根据每个电池单体设定的阈值对所述电池拓扑结构中的每个电池单体进行耗散均衡。

电池温度采样传感器紧贴所述电池单体的外表面设置，电池能量管理器通过电池温度采样传感器采集每一个电池单体的电池温度。

如图2所示，为电池温度采样传感器电路原理图。本实用新型选用铂电阻PT100作为电池温度采样传感器，其测量精度高、输出线性度好，完全满足测量要求。

电池温度采样传感器中，MOS管Q₁、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、第一放大器构成恒流源，依次经过PT100电阻、电阻R₆分压送入第二放大器，然后依次经过电阻R₉、电容C₁低通滤波电路和钳位电路送入模数转换器A/D读取电压值。其中，

V_n＝V_t (2)

由式(1)～式(3)得到PT100端电压为，

V_p＝IR_PT100 (4)

输出电压为，

故，恒流源输出电流与流过PT100的电流严格一致，通过欧姆定律关系换算，可得测量温度下的电阻值，从而查表得到测量温度。

在本实施例中，电池老化均衡是通过电池模组间重构时，优先利用老化程度较轻的电池模组以及电池模组间充放电电流能力强的；电池模组间SOC均衡是通过电池模组间不同SOC水平的分组充放电实现的，电池模组内电池单体SOC均衡是通过与之并联的阻性元件放电实现的。

电池能量交换器能够根据电池能量管理器上传的每一个电池单体的电池电压、电池温度、微控制单元温度、电池模组地址和开关投切状态信息，估算电池模组的老化程度，计算电池的重构拓扑；

电池能量交换器根据估算电池的老化程度后，对老化程序严重的电池模组下达指令使其隔离；所述电池能量管理器接收来自所述电池能量交换器的重构指令，实现电池模组的动态投切。

电池能量交换器发现所述电池拓扑结构的电池能量存在差异时，对能量大的电池模组进行模组间的主动均衡，对能量小的电池单体进行耗散型均衡管理；

当电池模组及电池单体能量差异过大，所述一种精细化动态可重构电池系统进入均衡管理状态；同一并联支路的电池单体均衡控制可通过闭合相应的电力电子开关实现；非并联支路的电池单体均衡需由所述由电力电子开关控制投切的电阻提供充电回路实现；

若某一电池单体能量较高，则闭合该能量较高的电池单体的电力电子开关，并将该能量较高的电池单体投入与该能量较高的电池单体并联的由电力电子开关控制投切的电阻进行放电均衡。

通过给所述电池能量管理器重新分配地址，并将新的电池单体或电池模组接入所述电池能量交换器，实现电池拓扑结构容量的扩展。

可重构电池成组设计最大的特点是电池拓扑基于电池运行状态可动态重构，从而保证充放电过程中电池SOC的均衡，最大化发挥电池(组)可用容量且具有较高的故障容许水平，同时具有实现电池老化均衡的潜能。可重构的电池成组设计需要高效的电池管理系统来应对复杂的电池特性和负荷需求。电池管理系统应能够准确估计各电池单体状态，并基于电池状态或负荷情况等运行条件，隔离某一或某些电池单体或模块、调整电池拓扑结构，保证电池组中单体电池状态的均衡并最优化电池组性能。随着电池充放电的进行，电池单体间不一致性水平越来越高，电池管理系统实现预想功能的压力也逐渐增大。动态可重构电池成组的主要思想是通过开关控制，实现电池单体网络化和拓扑结构的动态改变，从而以最佳方式满足储能系统功率需求。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种精细化动态可重构电池监控管理系统，其特征是，包括：电池拓扑结构，

所述电池拓扑结构包括多个并联的电池模组，每个并联的电池模组支路均并联一个由电力电子开关控制投切的电阻；每个电池模组包括多个串联的电池单体，每个电池单体均并联一个由电力电子开关控制投切的电阻；

电池监视器分别与同一电池模组中不同的电池单体连接，或电池监视器分别与同一电池拓扑结构中不同的电池模组连接；

电池能量管理器包括若干个电池监视器；

所述电池能量管理器与电池能量交换器进行信息交互；

所述电池拓扑结构通过所述电池能量交换器实现与外界充放电设备的连接。

2.如权利要求1所述的一种精细化动态可重构电池监控管理系统，其特征是：所述电池能量管理器通过所述电池监视器的SPI时序采集所述电池拓扑结构中每个电池单体及由电池单体组成的电池模组的电压，通过总线上传给所述电池能量交换器。

3.如权利要求2所述的一种精细化动态可重构电池监控管理系统，其特征是：所述电池能量管理器还采集所述电池拓扑结构内每一个电池单体的电池温度、开关投切状态信息和分配电池模组地址并上传给所述电池能量交换器。

4.如权利要求3所述的一种精细化动态可重构电池监控管理系统，其特征是：所述电池能量管理器通过电池温度采样传感器采集每一个电池单体的电池温度；

所述电池温度采样传感器中，MOS管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、第一放大器构成恒流源，依次经过PT100电阻、电阻R6分压送入第二放大器，然后依次经过电阻R9、电容C1低通滤波电路和钳位电路送入模数转换器A/D读取电压值。

5.如权利要求1所述的一种精细化动态可重构电池监控管理系统，其特征是：所述电池能量管理器包括第一处理器；

所述电池能量交换器包括第二处理器；

所述第一处理器与所述第二处理器相互连接。

6.如权利要求1所述的一种精细化动态可重构电池监控管理系统，其特征是：所述电池监视器的引脚C1和引脚S1均与同一电池单体或电池模组的正极连接，所述电池监视器的引脚C2和引脚S2均与同一电池单体或电池模组的正极连接，以此类推，所述电池监视器最多能连接12个电池单体或电池模组。

7.如权利要求4所述的一种精细化动态可重构电池监控管理系统，其特征是：所述电池温度采样传感器紧贴所述电池单体的外表面设置。

8.如权利要求5所述的一种精细化动态可重构电池监控管理系统，其特征是：对同一电池模组中的电池单体进行监控的多个电池监视器之间串联连接；

对同一电池拓扑结构中的电池模组进行监控的多个电池监视器之间串联连接。

9.如权利要求8所述的一种精细化动态可重构电池监控管理系统，其特征是：所述第一处理器与所述电池监视器的输出端连接。