应用于电池模组的均衡管理系统及其控制方法与流程

1.本发明涉电池管理技术领域，尤其涉及应用于电池模组的均衡管理系统及其控制方法。


背景技术：

2.目前市场上投入使用的电池模组，都会存在单体电池性能不一致的问题，为了改善这个问题，一般采用均衡技术来提升电池模组的一致性。均衡技术分为被动均衡和主动均衡，被动均衡是通过对能量高的单体电池进行放电实现容量的泄放的方式进行一致性均衡，但不能对能量低的单体电池进行补充能量，而主动均衡则是通过将能量高的单体电池与能量低的单体电池之间进行能量转移的方式，即可以给电池放电，也可以给电池充电。
3.但是单体电池本身是有使用寿命的，在出厂时就对电池的充放电循环次数进行了限定，比如2000次、4000次、6000次等，这些充放电循环次数是设定为电池在日常的工作中使用的，比如电动车在行驶时进行的放电次数，电动车在充电桩进行充电的次数，而两种均衡技术是在电池日常工作的充放电基础上对电池再进行额外的充放电，占用了电池额定的充放电循环次数，缩短了电池的使用寿命，从而减损了整个电池模组的使用性能。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是提供一种应用于电池模组的均衡管理系统及其控制方法，解决在对电池均衡管理时会占用电池充放电循环次数的问题，不减损电池的使用寿命。
5.为实现上述目的，本发明提供一种应用于电池模组的均衡管理系统，包括主控制器和数据采集模块，所述电池模组具有n节串联的单体电池，所述主控制器与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块与所述电池模组连接，还包括n个第一开关和n个第二开关，所述第一开关和所述单体电池一一对应串联成组，形成n个串联结构，n个所述第二开关与n个所述串联结构一一对应并联，n个所述第一开关和n个所述第二开关均与所述主控制器连接；所述电池模组进行充电或放电时，n个所述第一开关均闭合，n个所述第二开关均断开，所述数据采集模块采集所述单体电池的电压数据，反馈至所述主控制器，当所述主控制器检测到有单体电池达到极限电压，则控制该节单体电池对应的所述第一开关断开，并控制该节单体电池对应的所述第二开关闭合，将该节单体电池退出充电回路或放电回路。
6.优选的，还包括蓄电装置和n个开关电路，所述开关电路与所述单体电池一一对应，所述开关电路的第一接线端分别连接所对应单体电池相邻的两个第二开关，所述开关电路的第二接线端连接所述蓄电装置，n个所述开关电路的第二接线端相互连接，n个所述开关电路均与所述主控制器连接；当有单体电池退出充电回路，充电电流通过该节单体电池所对应的开关电路，向所述蓄电装置充电；当有单体电池退出放电回路，所述蓄电装置通过该节单体电池所对应的开关电路进行放电。
7.优选的，所述极限电压为对所述单体电池设置的最高电压阈值和最低电压阈值，所述最高电压阈值保护单体电池不会过充，所述最低电压阈值保护所述单体电池不会过
放。
8.优选的，所述极限电压还包括设置的最高压差值和最低压差值，所述压差值为所述单体电池的电压与平均电压之间的压差。
9.优选的，所述第一开关的第一端连接所对应单体电池的正极，所述第一开关的第二端连接相邻单体电池的负极，所述第二开关的第一端连接所对应开关电路的第一接线端，所述第二开关的第二端端连接所对应第一开关的第二端和相邻开关电路的第一接线端。
10.优选的，所述第一开关和第二开关为mos管，所述mos管的栅极连接所述主控制器。
11.优选的，所述蓄电装置为铅酸储能电池，所述铅酸储能电池的容量与所述电池模组充满电时所需的电量匹配。
12.本发明还提供一种应用于电池模组的均衡管理系统的控制方法，其步骤在于，
13.设置所述电池模组内单体电池的极限电压；
14.设置第一开关设为常闭状态，第二开关设为常开状态；
15.开展均衡充放电工作，数据采集模块采集各单体电池的电压数据反馈至主控制器，所述主控制器检测所述电压数据是否达到所述极限电压；
16.若有单体电池的电压达到所述极限电压，所述主控制器控制该节单体电池对应的所述第一开关断开，并控制该节单体电池对应的所述第二开关闭合，将该节单体电池退出充电回路或放电回路。
17.优选的，当有单体电池退出充电回路或放电回路后，所述主控制器还启动该节单体电池所对应的开关电路，将所述开关电路接入所述充电回路或所述放电回路，充电电流通过所述开关电路向蓄电装置充电，或者所述蓄电装置通过所述开关电路放电。
18.优选的，当退出充电回路或放电回路的单体电池数量大于所述单体电池总数的50％，所述主控制器向外部充放电设备发送已充满或已放完的指令，所述外部充放电设备停止对所述电池模组充电或放电。
19.与现有技术相比，本发明之技术方案具有以下优点：通过控制每节单体电池在达到极限电压时即退出充放电主回路，避免进行额外的充放电均衡工作，解决了单体电池充放电循环次数被额外占用的问题；同时通过开关电路的接入，避免了因单体电池退出充放电主回路而造成电池模组总电压下降的问题。本发明能在对电池进行一致性均衡的同时，不会额外占用单体电池的充放电循环次数，不减损单体电池的使用寿命及不影响电池模组的正常使用，实现无损均衡的目的。
附图说明
20.图1是本发明应用于电池模组的均衡管理系统实施例示意图；
21.图2是本发明应用于电池模组的均衡管理系统实施例的进一步示意图；
22.图3是本发明应用于电池模组的均衡管理系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
23.以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
24.为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
25.在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
26.请参考图1，是本发明应用于电池模组的均衡管理系统实施例的示意图，本实施例中，电池模组3以12节的单体电池bat1、bat2
……
bat12为例，数据采集模块以afe模拟前端芯片2为例，主控制器mcu1与afe模拟前端芯片2连接，可以是can通讯连接，也可以是spi通讯等其他方式连接，afe模拟前端芯片2通过采样线束21与电池模组3中的单体电池连接，采集单体电池的电压、温度等数据，并反馈至主控制器mcu1。本实施例包括12个第一开关k1-1、k1-2、k1-3
……
k1-12和12个第二开关k2-1、k2-2、k2-3
……
k2-12，每个第一开关与一节电池对应串联成组，形成12个串联结构，如图1所示，相邻两节电池之间串联有一个第一开关，第一开关k1-1与bat1对应，k1-2与bat2对应
……
以此类推，所有单体电池和第一开关都串联在母线l上；每个第二开关与形成串联结构的一组第一开关和单体电池对应并联，如图1所示，第二开关k2-1与第一开关k1-1和电池bat1并联，第二开关k2-2与第一开关k1-2和电池bat2并联
……
以此类推，相邻两个第二开关共线连接在母线l上，所有第二开关串联，并且所有第一开关和第二开关均与所述主控制器mcu1连接。
27.本实施例中，在通常情况下，第一开关k1-1、k1-2、k1-3
……
k1-12处于闭合状态，第二开关k2-1、k2-2、k2-3
……
k2-12处于断开状态，所述电池模组3进行日常充电时，afe模拟前端芯片2采集各节电池的电压数据并反馈至主控制器mcu1，主控制器mcu1对电压数据进行检测，假设第3节单体电池bat3最先达到最高极限电压，主控制器mcu1控制电池bat3对应的第一开关k1-3断开，并控制第二开关k2-3闭合，这时电池bat3从主回路中退出，不再进行充电，电流从第二开关k2-3处转回到母线l上；电池模组3进行日常放电时，假设第6节单体电池bat6最先到达最低极限电压，主控制器mcu1控制第一开关k1-6断开，第二开关k2-6闭合，这时电池bat6从主回路中退出，不再进行放电，电流从第二开关k2-6处转回到母线l上。本发明通过对充放电的电流分流，将已经完成充电或完成放电的单体电池退出回路中，不再对其进行额外的充放电循环，从而不占用单体电池额定的充放电次数，不影响单体电池的使用寿命。
28.参考图2，是本发明应用于电池模组的均衡管理系统实施例的进一步的示意图。每当有单体电池达到极限电压，就会退出充电或放电的主回路，此时电池模组3由12节单体电池串联会慢慢变成11节、10节、9节甚至更少，电池模组3提供给外部负载的电压随着串联电池数的减少而下降，最终会导致外部负载由于电池模组3提供的电压过低而无法正常运行。因此，本发明还包括蓄电装置和n个开关电路，在本实施例中蓄电装置以铅酸储能电池4为例，开关电路以双向dc/dc模块为例，每个所述双向dc/dc模块对应一节单体电池，如图2所示，1#双向dc/dc模块对应电池bat1、2#双向dc/dc模块对应电池bat2
……
以此类推。双向dc/dc模块具有第一接线端a端和第二接线端b端，每个第二开关的第二端连接在母线l上，第一端连接所对应的双向dc/dc模块a端，同时双向dc/dc模块a端连接母线l，从而第二开关通过双向dc/dc模块与所对应的第一开关和单体电池并联，双向dc/dc模块的b端连接所述铅酸储能电池4，12个双向dc/dc模块的b端相互连接，并均与所述主控制器mcu1连接。此时，
双向dc/dc模块的a端电压为所对应单体电池的电压，b端电压为铅酸储能电池4的电压。
29.电池模组3进行日常充电时，假设单体电池bat3达到充电的极限电压，第一开关k1-3断开，第二开关k2-3闭合，电池bat3退出充电回路，此时主控制器mcu1控制3#双向dc/dc模块启动接入充电回路，弥补电池bat3退出的空位，因此，整个电池模组3的电压不会降低，而从双向dc/dc模块的a端进入的充电电流经b端输出，向铅酸储能电池4充电，储存能量；同理，当其他电池也到达充电的极限电压时，也按此控制策略进行均衡处理。电池模组3进行日常放电时，假设单体电池bat6达到放电的极限电压，第一开关k1-6断开，第二开关k2-6闭合，电池bat6退出放电回路，此时6#双向dc/dc模块接入放电回路，弥补电池bat6退出的空位，铅酸储能电池4中的能量从双向dc/dc模块的b端输入，从a端输出进行放电，同理，当其他电池也到达放电的极限电压时，也按此控制策略进行均衡处理。通过双向dc/dc模块弥补退出的单体电池，使得整个电池模组3的总电压不会降低，使电池模组的正常供电，保证外部负载的运行。
30.具体的，极限电压为对所述单体电池设置的最高电压阈值和最低电压阈值。电池模组3内的每节单体电池，都设置有最高电压阈值和最低电压阈值，所述最高电压阈值保护单体电池不会过充，所述最低电压阈值保护所述单体电池不会过放，达到这两个阈值则断开相关的充放电回路，以免过充或过放而损坏电池。
31.具体的，极限电压还包括最高压差值和最低压差值，压差值为各节单体电池的电压与平均电压之间的压差，平均电压由电池模组3中各单体电池电压相加之和再除以单体电池总数得出。本实施例中,设置的最高压差值为100mv,最低压差值为50mv，若单体电池bat3在充电时，与平均电压的压差大于100mv时，主控制器mcu1控制第一开关k1-3断开，第二开关k2-3闭合，电池bat3退出充电回路，此时主控制器mcu1控制3#双向dc/dc模块启动接入充电回路，弥补电池bat3退出的空位，当经过一段时间充电后，单体电池bat3与平均电压的电压差小于50mv时，退出并关闭3#双向dc/dc模块，使单体电池bat3又接入到主回路中进行继续充电工作，最后单体电池bat3在后续的充电过程中达到最高电压阈值时，主控制器mcu1控制第二开关k2-3闭合，此时3#双向dc/dc模块再次接入，同时断开第一开关k1-3，使单体电池bat3从主回路中完全退出，不再进行充电。同理，在均衡放电时的控制策略相同，让双向dc/dc模块提早介入到系统中运行，无需到最后单体电池达到最高电压阈值或最低电压阈值完全退出运行后才介入，dc/dc模块提早介入后，运行一段时间后可能就会退出来，让电池继续使用，再隔一段时间后dc/dc模块又介入其中，使dc/dc模块不会一直在运行，而是阶段性的运行，从而降低了dc/dc模块工作发热温度，提高系统的稳定性，提高整个电池组的运行可靠性。
32.具体的，每个第一开关的第一端连接所对应单体电池的正极，每个第一开关的第二端连接相邻单体电池的负极，每个第二开关的第一端连接所对应开关电路的第一接线端，每个第二开关的第二端连接所对应第一开关的第二端和相邻开关电路的第一接线端。如图2所示，第一开关k1-1的第一端连接bat1的正极，第二端连接电池bat2的负极，第二开关k2-1的第一端连接1#双向dc/dc模块的a端，第二端连接2#双向dc/dc模块的a端，同时第二开关k2-1的第二端还连接第一开关k1-1的第二端
……
以此类推。
33.具体的，所述第一开关和第二开关为mos管，mos管的栅极与主控制器mcu1连接，由主控制器mcu1来控制其导通和断开。
34.具体的，铅酸储能电池4的容量与所述电池模组3充满电时所需的电量相匹配。铅酸储能电池4需要储存充给退出充电回路的单体电池的能量，只要还有1节单体电池仍在充电，充电电流都会通过双向dc/dc模块给铅酸储能电池充电，储存能量，铅酸储能电池的容量就需要跟整个电池模组3充满电时所需的电量相匹配，保证充电回路的正常运行。
35.请参考图3，是本发明应用于电池模组的均衡管理系统的控制方法的流程图。其步骤如下：
36.s1:设置电池模组内单体电池的极限电压。所述极限电压为单体电池的最高电压阈值与最低电压阈值，或者还包括最高压差值与最低压差值。
37.s2:设置第一开关为常闭状态，第二开关为常开状态。在通常情况下，第一开关都是处于闭合状态，第二开关都是处于断开状态。
38.s3:开展充电或放电工作，数据采集模块采集电压数据反馈至主控制器。启动均衡充电或均衡放电，使电池模组开展充电或放电工作，数据采集模块采集各单体电池的电压数据反馈至主控制器mcu。
39.s4:主控制器检测单体电池是否达到极限电压，若否，则继续进行充电或放电工作，若有单体电池达到极限电压，主控制器则控制该节单体电池对应的第一开关断开，第二开关闭合，同时接入对应的双向dc/dc模块。
40.具体的，若单体电池达到最高电压阈值或最低电压阈值，则退出充电或放电回路，由双向dc/dc模块代替进行充放电工作。进一步的，若单体电池的压差值大于设置的最高压差值，则将该节单体电池暂时退出充放电回路，接入对应的双向dc/dc模块，若单体电池的压差值小于设置的最低压差值，则将该节单体电池重新接入充放电回路，将双向dc/dc模块退出，最后直到该节单体电池达到最高电压阈值或最低电压阈值时，才完全退出充电回路或放电回路，由双向dc/dc模块完全替代，该节单体电池不再进行充放电工作。这样dc/dc模块不会一直在运行，而是阶段性的运行，从而降低了dc/dc模块工作发热温度，提高系统的稳定性，提高整个电池组的运行可靠性。
41.s5:判断退出充放电回路的单体电池数量是否大于单体电池总数的50％，若否，则继续进行充放电工作，若是，主控制器mcu则向外部充放电设备发送指令，停止充放电工作。当电池模组有一半以上单体电池因为达到最高电压阈值或最低电压阈值而退出充放电主回路，都进行启动和接入了相对应的双向dc/dc模块，则判断为此电池模组已经充满电或已经放完电，主控制器mcu发送已充满电或已放完电的信息给外部充放电设备，外部充放电停止对电池模组充电或放电，从而进一步保护电池模组。
42.虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
43.以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。