CN216300848U - 一种具备主动电池均衡的充电管理系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提出的一种具备主动电池均衡的充电管理系统，属BMS+充电桩领域，旨在解决被动均衡存在均衡时间长效果不明显，主动均衡结构复杂成本高的问题。BMS电池管理系统在硬件电路上提供两块IO控制单元即正极通道管理单元和负极通道管理单元；BMS电池管理系统管理正、负极通道管理单元与充电接口的电能输出与数据交互的通讯，对不同电池组使用的不同阶段进行通道选择与控制；并完成均衡充电阶段的低电压电池串单独循环依次补充电。本实用新型提出的充电管理系统结合新能源车辆日常充电行为，在每次充电过程中进行无感知的电池养护均衡，利用充电桩直流充电系统响应BMS电池管理系统的均衡充电需求。

Description

一种具备主动电池均衡的充电管理系统
技术领域
本实用新型属于BMS+充电桩技术领域，具体涉及一种具备主动电池均衡的充电管理系统。
背景技术
随着新能源的发展，电动两轮、三轮车，新能源汽车，绿色公交、电动物流、储物运输车辆等，锂电池作为新能源车的动力来源，是新能源车辆运行的动力核心保障。
目前电动车大多是用充电桩对电池充电，从交流充电桩到直流充电系统，从单纯的充电到科学智能的充电，掌握电池系统更多的信息。对于大多数消费者来说，电池的好不好用，关键在充满电后能用多久，一次满电后能跑多远。这里就引出了两个关键词：电池剩余电量SOC和电池健康度SOH。
电池管理系统BMS作为锂电池使用管家，对锂电池组实时进行着监控与保护。在大量的使用数据表明，随着电池的使用电池组出现的一致性差异是导致电池“充电充不满，放电放不完”的主要原因，就如木桶效应一样，整个电池组的耐用度受制于整组电池中性能最差的一组电池。目前解决这一问题常见的方法就是电池均衡，常用的有被动均衡和主动均衡两种。简单来讲这两种均衡方法的最终目的都是要对电压偏低串多充些电。前者是通过对整组电池中高电压串进行放电，通过对电压较高的单串放电来达到电压平衡，再进行充电，这种称作是被动均衡。后者是要直接对低电压串进行单独充电，最终达到均衡电压的目的称为主动均衡。当前使用被动放电均衡方法结构简单，但存在着均衡需要的时间长，效果不明显等问题。而主动均衡则结构复杂，成本高，更有些需要单独拆开电池包后使用专用均衡仪器进行。
实用新型内容
为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种具备主动电池均衡的充电管理系统，旨在解决现有技术中被动均衡存在均衡时间长效果不明显，主动均衡结构复杂成本高的缺陷性技术问题。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
本实用新型提出的一种具备主动电池均衡的充电管理系统，包括充电桩、BMS电池管理系统和电池单元；所述BMS电池管理系统的一端与所述充电桩相连，所述BMS电池管理系统的另一端与所述电池单元相连；
所述充电桩用于为BMS电池管理系统提供电池单元所需的整组电池需求电压和需求电流，所述整组电池需求电压和需求电流通过BMS电池管理系统传输给充电桩进行数据通讯；
所述BMS电池管理系统用于接收来自充电桩的电压和电流，并管理电池单元进行充电；
所述电池单元的整组电池充电结束后，BMS电池管理系统发出单组电池的需求电压和需求电流请求，充电桩对BMS电池管理系统提供电压和电流，并采用BMS电池管理系统管理电池单元对单组电池进行充电，实现电池单元的主动均衡充电。
优选地，所述电池单元包括正极通道管理单元、负极通道管理单元、第一保险组、第二保险组和整组电池；
所述正极通道管理单元与所述第一保险组的一端电性相连，所述第一保险组的另一端与所述整组电池电性相连；所述第二保险组的一端与整组电池电性相连，所述第二保险组的另一端与负极通道管理单元电性相连。
优选地，所述正极通道管理单元和负极通道管理单元每次仅闭合一条通道。
优选地，进行充电前，记录电池单元整组电池电压由低到高的串数顺序。
优选地，充电均衡阶段，BMS电池管理系统控制正极通道管理单元和负极通道管理单元按照充电前整组电池电压由低到高的串数顺序对单组电池充电。
优选地，放电与充电初始阶段，BMS电池管理系统设置正极通道管理单元和负极通道管理单元为整组工作模式。
优选地，所需的整组电池需求电压和需求电流根据单组电池需求电压和需求电流得到。
优选地，所述BMS电池管理系统和电池单元之间通过串口通信。
优选地，所述BMS电池管理系统与充电桩之间通信采用CAN通信协议。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型提出的一种具备主动电池均衡的充电管理系统，依据BMS电池管理系统、电池单元与充电桩充电交互流程区分为常规充电阶段与充电均衡阶段两部分，本实用新型通过主动与直流充电机协调进行均衡补电，整组电池充电的均衡效果明显，而均衡阶段设在正常充电结束后进行单组电池补电所以均衡时间大大减小，而且还不影响正常使用；BMS电池管理系统通过将电池单元的单组电池需求电压和需求电流传输给充电桩，使充电桩根据需求来给电池单元的单组电池充电，从而实现电池单元的主动均衡充电，充电均衡结构简单，配合车辆的使用以及正常充电流程，让电池组处于最佳均衡状态，延长电池组使用寿命；每次的日常充电都是对电池性能的保养，大大延长电池健康度，提高电池真实电池剩余电量SOC。
进一步地，锂电池在使用过程中，电池组的一致性在放电末期展现的更加明显，选择BMS电池管理系统在放电结束，充电前对电池单元电压进行比较排列，并记录为充电后期的均衡阶段的先后补电顺序使用。
进一步地，BMS电池管理系统和电池单元之间通过串口通信，BMS电池管理系统与充电桩之间通信采用CAN通信协议，能够使BMS电池管理系统与电池单元和充电桩连通。
附图说明
图1为本实用新型主动电池均衡的充电管理系统构成图；
图2为本实用新型主动电池均衡的充电管理系统结构图；
图3为本实用新型主动电池均衡的充电管理系统的控制流程图；
图4为本实用新型主动电池均衡的充电管理系统为整组电池工作模式图；
图5为本实用新型主动电池均衡的充电管理系统为单租电池工作模式图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将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一部分的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。
本实用新型提供一种具备主动电池均衡的充电管理系统，如图1所示，为本实用新型主动电池均衡的充电管理系统构成图，包括电池组、BMS电池管理系统、新能源车辆和充电桩。其中，BMS电池管理系统能实时监控整组电池的每串电芯的电压情况，整组电池的电流、电压、温度、电池剩余电量SOC、电池健康度SOH等等的电池信息，同时也对锂电池实时进行科学的管理和保护。电池单元与BMS电池管理系统为新能源车辆提供着稳定强健的动力，充电桩就像是燃油车的加油站，为车辆补充所需的电能。
如图2所示，是本实用新型所提出的一种具有主动电池均衡的电池管理系统的管理结构图，所述BMS电池管理系统的一端与所述充电桩相连，所述BMS电池管理系统的另一端与所述电池单元相连；BMS电池管理系统整体管理正、负极通道管理单元与充电接口的电能输出与数据交互的通讯等。一种具备主动电池均衡的充电管理系统，包括充电桩、BMS电池管理系统和电池单元；所述电池单元包括正极通道管理单元、负极通道管理单元、第一保险组、第二保险组和整组电池；所述正极通道管理单元与所述第一保险组的一端电性相连，所述第一保险组的另一端与所述整组电池电性相连；所述第二保险组的一端与整组电池电性相连，所述第二保险组的另一端与负极通道管理单元电性相连。
所述充电桩用于为BMS电池管理系统提供电池单元所需的整组电池需求电压和需求电流，所述整组电池需求电压和需求电流通过BMS电池管理系统传输给充电桩进行数据通讯；
所述BMS电池管理系统用于接收来自充电桩的电压和电流，并管理电池单元进行充电；
所述电池单元的整组电池充电结束后，BMS电池管理系统发出单组电池的需求电压和需求电流请求，充电桩对BMS电池管理系统提供电压和电流，并采用BMS电池管理系统管理电池单元对单组电池进行充电，实现电池单元的主动均衡充电。
一种具备主动电池均衡的充电管理系统的管理实现方法，如图3所示，包括如下步骤：
BMS电池管理系统获取电池单元的整组电池需求电压和需求电流，并将整组电池需求电压和需求电流传输给充电桩；
充电桩接收到电池单元的整组电池需求电压和需求电流后，充电桩对BMS电池管理系统发送电流和电压，BMS电池管理系统再将电压和电流传给电池单元实现整组电池充电；
电池单元的整组电池充电结束后，BMS电池管理系统将电池单元的单组电池需求电压和需求电流传给充电桩，充电桩给BMS电池管理系统发送电流和电压，再将电压和电流传给电池单元进行充电，实现电池单元的主动均衡充电。
在进行充电前，记录电池单元整组电池电压由低到高的串数顺序。
充电均衡阶段，BMS电池管理系统控制正极通道管理单元和负极通道管理单元按照充电前整组电池电压由低到高的串数顺序对单组电池充电。
放电与充电初始阶段，BMS电池管理系统设置正极通道管理单元和负极通道管理单元为整组工作模式。
一种具备主动电池均衡的充电管理系统的管理实现方法，具体包括如下步骤：
正极通道管理单元、负极通道管理单元总则：正极通道管理单元、负极通道单元每次分别只能有一条通道闭合。
放电与充电初始阶段，BMS电池管理系统设置正极通道管理单元、负极通道管理单元为整组工作模式，即单组通道全部关闭，只保留电池组正极起始通道与负极末端通道闭合。形成整组工作模式。进行放电与起始充电到满电。如图4所示双虚线箭头所示通道，为整组电池工作模式图。
在充电前由BMS电池管理系统记录电池单元放电后的电芯剩余电压由低到高排序。充电起始按照正常充电流程与充电桩进行充电握手等数据交互，按照整组需求电压，需求电流进行完全充电，直至正常充电流结束后进入充电均衡阶段。
整组充电是按照整组需求进行充电，但在电池使用过程中电芯电压最低的单芯无法完成完全充电，久而久之不能及时补充电会导致电池的电池健康度SOH越来越差。所以本方案关键在于在传统充电结束后开始进行均衡充电阶段。通过BMS电池管理系统向充电桩发出均衡请求，并提供单组电池需求电压和需求电流。充电桩分别出均衡请求后进行二次响应充电。
充电均衡阶段，BMS电池管理系统控制正极通道管理单元、负极通道管理单元对充电前电芯电压由低到高顺序进行依次单串电芯充电，直至充电完成再切换到另一串。如此进行单串电芯均衡补充充电。最终达到每串电芯充电饱和。如图5所示双虚线举例通道，为单租电池工作模式图。
本实用新型通过主动与直流充电机协调进行单串均衡补电，整组电池充电的均衡效果明显，而均衡阶段设在正常充电结束后进行单串补电所以均衡时间大大减小。锂电池在使用过程中，电池组的一致性在放电末期展现的更加明显，选择BMS电池管理系统在放电结束，充电前对电池单元电压进行比较排列，并记录为充电后期的均衡阶段的先后补电顺序使用。
对于锂电充电通常做法分为预充阶段、横流充电阶段和恒压阶段，这三个阶段在充电电流相同的情况下对于不同材料的锂电所持续的时间会有所不同。
以磷酸铁锂电池作为参考进行理论验证：预充阶段充电电流通常设置为横流阶段的10％左右，且时间较短。横流阶段出于对电池的充电时间与充电安全的平衡考虑一般设置为0.4～0.6C，C为电池组的额定容量。恒压阶段：当电池电压达到一定阈值磷酸铁锂3.65V时，在此阶段，电压不变，电流逐渐减小，充电结束标志通常为充电电流减小到0.01C为终止电流。充放电过程是整组行为，在充电过程中总压达到设定的恒压最高电压但由于电池单体的一致性问题，任然存在着个别单体未充满的情况，所以需要进行单体均衡补充。但由于是整体已完成正常充电过程，所以这阶段的均衡补电过程一开始便是单串电芯的恒压充电阶段，同样在电流减小到0.01C后结束当前单串补电，切换另一串依次进行。
本文所提供的一种具备主动电池均衡的电池管理系统及充电桩的管理方法，结合新能源车辆日常充电行为，在每次充电过程中进行全自动无感知的电池养护均衡，利用充电桩直流充电系统响应BMS电池管理系统的特殊均衡充电需求。日常充电就能完成对新能源车辆使用的锂电池组均衡补电行为。
具备主动均衡的电池管理系统在硬件电路上提供两块IO控制单元即“正、负极通道管理单元”。BMS电池管理系统完成通道互锁功能，通道吸合、断开控制，对不同电池组使用的不同阶段进行通道选择与控制。并完成均衡充电阶段的低电压电池串单独循环依次补充电。BMS电池管理系统控制对外输出接口和数据交互功能。
充电桩系统设计满足正常充电逻辑控制与特殊均衡充电需求响应。
所需的整组电池需求电压和需求电流根据单组电池需求电压和需求电流得到。
所述BMS电池管理系统和电池单元之间通过串口通信；所述BMS电池管理系统与充电桩之间通信采用CAN通信协议。
本实用新型提出的一种具备主动电池均衡的充电管理系统，依据BMS电池管理系统、电池单元与充电桩充电交互流程区分为常规充电阶段与充电均衡阶段两部分，本实用新型通过主动与直流充电机协调进行均衡补电，整组电池充电的均衡效果明显，而均衡阶段设在正常充电结束后进行单组电池补电所以均衡时间大大减小，而且还不影响正常使用；BMS电池管理系统通过将电池单元的单组电池需求电压和需求电流传输给充电桩，使充电桩根据需求来给电池单元的单组电池充电，从而实现电池单元的主动均衡充电，充电均衡结构简单，配合车辆的使用以及正常充电流程，让电池组处于最佳均衡状态，延长电池组使用寿命；每次的日常充电都是对电池性能的保养，大大延长电池健康度，提高电池真实电池剩余电量SOC。
本实用新型提出的一种具备主动电池均衡的充电管理系统的管理方法，通过BMS电池管理系统获取电池单元的整组电池需求，并将需求传给充电桩，充电桩接收到请求后，充电桩对BMS电池管理系统发送需求后再将需求传给电池单元实现整组电池充电；整组电池充电结束后，BMS电池管理系统再将单组电池需求发送给充电桩，充电桩对BMS发送需求给电池单元进行充电，实现电池单元的主动均衡充电。该方法操作简单，便于实现。
以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具备主动电池均衡的充电管理系统，其特征在于，包括充电桩、BMS电池管理系统和电池单元；所述BMS电池管理系统的一端与所述充电桩相连，所述BMS电池管理系统的另一端与所述电池单元相连；
所述充电桩用于为BMS电池管理系统提供电池单元所需的整组电池需求电压和需求电流，所述整组电池需求电压和需求电流通过BMS电池管理系统传输给充电桩进行数据通讯；
所述BMS电池管理系统用于接收来自充电桩的电压和电流，并管理电池单元进行充电；
所述电池单元的整组电池充电结束后，BMS电池管理系统发出单组电池的需求电压和需求电流请求，充电桩对BMS电池管理系统提供电压和电流，并采用BMS电池管理系统管理电池单元对单组电池进行充电，实现电池单元的主动均衡充电。
2.根据权利要求1所述的具备主动电池均衡的充电管理系统，其特征在于，所述电池单元包括正极通道管理单元、负极通道管理单元、第一保险组、第二保险组和整组电池；
所述正极通道管理单元与所述第一保险组的一端电性相连，所述第一保险组的另一端与所述整组电池电性相连；所述第二保险组的一端与整组电池电性相连，所述第二保险组的另一端与负极通道管理单元电性相连。
3.根据权利要求2所述的具备主动电池均衡的充电管理系统，其特征在于，所述正极通道管理单元和负极通道管理单元每次仅闭合一条通道。
4.根据权利要求2所述的具备主动电池均衡的充电管理系统，其特征在于，进行充电前，记录电池单元整组电池电压由低到高的串数顺序。
5.根据权利要求4所述的具备主动电池均衡的充电管理系统，其特征在于，充电均衡阶段，BMS电池管理系统控制正极通道管理单元和负极通道管理单元按照充电前整组电池电压由低到高的串数顺序对单组电池充电。
6.根据权利要求4所述的具备主动电池均衡的充电管理系统，其特征在于，放电与充电初始阶段，BMS电池管理系统设置正极通道管理单元和负极通道管理单元为整组工作模式。
7.根据权利要求1所述的具备主动电池均衡的充电管理系统，其特征在于，所需的整组电池需求电压和需求电流根据单组电池需求电压和需求电流得到。
8.根据权利要求1所述的具备主动电池均衡的充电管理系统，其特征在于，所述BMS电池管理系统和电池单元之间通过串口通信。
9.根据权利要求1所述的具备主动电池均衡的充电管理系统，其特征在于，所述BMS电池管理系统与充电桩之间通信采用CAN通信协议。
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