一种智能电池管理系统

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一种智能电池管理系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种智能电池管理系统，特别涉及一种能够使每个电池均匀放电和在充电过程中全部充满的智能电池管理系统。\n背景技术\n[0002] 中国交通业的迅速发展对环境的压力越来越大，全国上路的汽车数量正在以每年一千万辆的速度递增。普通汽车排放的尾气已经成为不可忽视的空气污染源。\n[0003] 电动汽车以电代油，能够实现“零排放”，是解决能源和环境问题的重要手段。随着石油资源的紧张和电池技术的发展，电动汽车在性能和经济性方面已经接近甚至优于传统燃油汽车，并开始在世界范围内逐渐推广应用。\n[0004] 目前许多厂商都在进行新能源汽车产业研发，提出了多种形式的方案和技术。但制约电动汽车发展的问题依然是储能动力电池和应用技术。电池作为电动汽车的核心动力部件，其成本占据电动汽车的相当大部分，故关系电池安全与寿命的电源管理系统在电动汽车的研发中占据了极重要的位置。如何延长电池使用寿命、提高电池的能量效率和运行可靠性，是电动汽车能量管理系统必需解决的问题。\n[0005] 目前对电池的管理系统大都采用电池串联充电、串联放电管理，单组电池的故障直接影响整个电源系统的正常工作，电源系统的故障率可能迅速提高，影响汽车的整体性能以及安全。在电池串联使用时，往往由于电池间的不平衡性使电池组的整体容量降低而影响了整个能源系统的使用价值，特别是采用串联充电，存在安全隐患，更为重要的是无法很好的对电池的不平衡性进行控制。串联充电时，当其中一节电池电压达到上限保护电压时，其控制电路将切断充电电路，从而使其他电池没法充满电，而放电时，当容量最低的电池达到放电下限时，保护电路又会切断放电回路，使整个能源系统不能得到充分利用，同时会使个体电池之间容量差异加大，使整个电池组寿命缩短。目前处理电池之间差异性的方法为对电池进行均衡管理，如申请号为：200910190297.1的申请公开专利。但是对电池的均衡管理由于电池的二次充电，不可避免地产生了能量的消耗，造成了浪费。\n发明内容\n[0006] 本发明的目的在于克服现有电池管理系统的不足，提供一种可以平衡个体电池之间差异性，延长电池使用寿命，提高电池的能量效率和运行可靠性的智能电池管理系统。\n[0007] 本发明的一个目的是通过以下技术方案实现的：\n[0008] 一种智能电池管理系统，其包括：多个基本单元及从控模块，一主控模块；所述的从控模块定时检测其对应的基本单元中电池的状态，并将该检测数据传输给从控模块内的MCU，该MCU再将数据传给所述的主控模块内的MCU，所述的主控模块内的MCU根据收到的信息判断各个电池的状态，然后对各个电池做出相应的控制，并将控制指令发送给从控模块内的MCU，从控模块内的MCU执行该指令。\n[0009] 进一步地，所述的基本单元包括：一电池、第一开关、第二开关、第一外接端口、第二外接端口；所述的电池、第一开关和第二开关之间顺序电气连接，并构成环路；所述的第一外接端口连接于所述的第一开关和第二开关之间、所述的第二外接端口连接于所述的第二开关与电池之间。\n[0010] 进一步地，所述的基本单元包括：一电池、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一外接端口、第二外接端口、第三外接端口、第四外接端口；所述的电池、第一开关和第二开关之间顺序电气连接，并构成环路；所述的第一外接端口连接于所述的第一开关和第二开关之间；所述的第二外接端口连接于所述的第二开关与电池之间；所述的第三外接端口连接于所述第二外接端口与电池之间，所述的第三开关设置于该第三外接端口上；所述的第四外接端口连接于所述第一开关与电池之间，所述的第四开关设置于该第四外接端口上。\n[0011] 进一步地，所述的基本单元包括：一电池、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第一外接端口、第二外接端口、第三外接端口、第四外接端口；所述的电池、第一开关、第二开关和第五开关之间顺序电气连接，并构成环路；所述的第一外接端口连接于所述的第一开关和第二开关之间；所述的第二外接端口连接于所述的第二开关与第五开关之间；所述的第三外接端口连接于所述第五开关与电池之间，所述的第三开关设置于该第三外接端口上；所述的第四外接端口连接于所述第一开关与电池之间，所述的第四开关设置于该第四外接端口上。\n[0012] 进一步地，所述的基本单元包括：一电池、一单刀双掷开关、第三开关、第四开关、第五开关、第一外接端口、第二外接端口、第三外接端口、第四外接端口；所述的单刀双掷开关的第一静触头连接于电池的一端，第二静触头连接于第五开关的一端，第五开关的另一端连接于电池的另一端；所述的第一外接端口连接于所述的单刀双掷开关的动触头接线端；所述的第二外接端口连接于所述的单刀双掷开关的第二静触头与第五开关之间；所述的第三外接端口连接于所述第五开关与电池之间，所述的第三开关设置于该第三外接端口上；所述的第四外接端口连接于所述的单刀双掷开关的第一静触头与电池之间，所述的第四开关设置于该第四外接端口上。\n[0013] 进一步地，所述的基本单元中的第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关分别为二极管、三极管、继电器、晶闸管、可控硅、MOS管、HEMT(高电子迁移率晶体管)和IGBT中的任意一种，或为由其组合而成的双向开关模块或器件；所述的双向开关模块和器件为由两个通断特性可控的PN结对接而成或多个PN结组合而成的等效于两个PN结对接的模块或器件，或为异质结或由多个异质结组合而成的双向可控模块或器件。\n[0014] 进一步地，所述的电池为铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、液流电池、超级电容器、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钛酸锂电池和石墨烯锂电池中的任意一种。\n[0015] 进一步地，所述的智能电池管理系统中全部基本单元中的电池都充满时，所能提供的输出电压电流大于等于该系统正常放电时所需要的电压电流。即整个系统是有备用的基本单元的，当其中一个基本单元中的电池发生故障被移出系统时，并不影响整个系统的运行，大大提高了系统的稳定性。\n[0016] 进一步地，所述系统正常放电时，优先使用SOC(state of charge)高的电池来满足工作所需的电压电流。因为系统优先使用SOC高的电池，可以使得整个系统中的电池均匀放电，消除了短板现象。\n[0017] 进一步地，所述的从控模块所检测的每个基本单元中电池的状态为该电池的电压、电流、温度、压力、PH值以及该电池泄漏物质在空气中产生的酸根含量中的一种或几种。\n[0018] 进一步地，所述的从控模块中的MCU接收到的主控模块内的MCU发送的控制指令为控制基本单元内各个开关的断开或闭合，从而使得该基本单元内的电池与整个电池系统中的其它基本单元中的电池之间的关系在断开，串联或并联之间切换，以适应不同的充放电过程及故障情况。\n[0019] 进一步地，所述的充电过程中电池管理系统根据充电的基本单元个数改变充电电压，这种充电方式可以使得每个电池的都充满。\n[0020] 进一步地，所述的主控模块内的MCU与从控模块内的MCU之间的数据和指令传输是通过无线通讯完成的。\n[0021] 进一步地，所述的无线通讯为蓝牙、红外、Zigbee中的任意一种。\n[0022] 本发明的积极进步效果在于：\n[0023] 本发明提供的智能电池管理系统与现有国内电池管理系统相比，在对电池充电时，如果采用串联充电，可以根据充电电池的个数改变充电电压，而且该系统采用某些电池基本单元时不仅可以串联充电，还可以并联充电，解决了其中一节电池电压达到上限保护电压时，其控制电路切断充电电路，从而使其他电池没法充满电这个问题。该智能电池管理系统还可以实现在其他电池正常工作同时，给电池系统的某个电池充电的功能。而在使用放电时，单个电池出现故障或者电压过低时，可以将其与整个系统的连接断开，从而达到保护该电池及保障整个电池系统安全的目的。此外，当电池放电工作时，该智能电池管理系统优先使用SOC最高的电池，使得整个系统的电池均匀放电，从而达到了平衡个体电池之间差异性，延长电池使用寿命，提高电池的能量效率和运行可靠性的目的。\n附图说明\n[0024] 图1为第一种基本单元的示意图；\n[0025] 图2为第二种基本单元的示意图；\n[0026] 图3为第三种基本单元的示意图；\n[0027] 图4为第四种基本单元的示意图；\n[0028] 图5为本发明实施例一的系统结构示意图；\n[0029] 图6为本发明实施例一的系统工作流程图；\n[0030] 图7为本发明实施例一的一个基本单元及从控模块电路原理图；\n[0031] 图8为本发明实施例二的一个基本单元及从控模块电路原理图。\n具体实施方式\n[0032] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。\n[0033] 图1为第一种基本单元的示意图；图2为第二种基本单元的示意图；图3为第三种基本单元的示意图；图4为第四种基本单元的示意图。图中，K1为第一开关、K2为第二开关、K3为第三开关、K4为第四开关、K5为第五开关；1为第一外接端口、2为第二外接端口、3为第三外接端口、4为第四外接端口；B为电池。系统中具有多个基本单元时，每个基本单元的第一外接端口1与相邻基本单元的第二外接端口2电气连接。每个基本单元的第三外接端口3连接于系统中的同一根导线上，同样，每个基本单元的第四外接端口4连接于系统中的另外一根导线上。\n[0034] 第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4和第五开关K5可以是二极管、三极管、继电器、晶闸管、可控硅、MOS管、HEMT(高电子迁移率晶体管)和IGBT中的任意一种，还可以是由其组合而成的双向开关模块或器件；所述的双向开关模块和器件可以是由两个通断特性可控的PN结对接而成或多个PN结组合而成的等效于两个PN结对接的模块或器件，还可以是异质结或由多个异质结组合而成的双向可控模块或器件。\n[0035] 电池B可以为铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、液流电池、超级电容器、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钛酸锂电池和石墨烯锂电池中的任意一种。\n[0036] 当采用第一种基本单元，每个基本单元的第一外接端口1与相邻基本单元的第二外接端口2电气连接。K1闭合，K2断开时，该基本单元中的电池B与系统中其它采用同样设置的基本单元中的电池B串联；K2闭合，K1断开时，该基本单元中的电池B与整个系统的连接断开。\n[0037] 当采用第二种基本单元，每个基本单元的第一外接端口1与相邻基本单元的第二外接端口2电气连接。每个基本单元的第三外接端口3连接于系统中的同一根导线上，同样地，每个基本单元的第四外接端口4连接于系统中的另外一根导线上。K1闭合，K2、K3、K4断开时，该基本单元中的电池B与系统中其它采用同样设置的基本单元中的电池B串联；K2闭合，K1、K3、K4断开时，该基本单元中的电池B与整个系统的连接断开；K1、K2断开，K3、K4闭合时，该基本单元中的电池B与系统中其它采用同样设置的基本单元中的电池B并联，该并联状态可以用于电池系统充电时。\n[0038] 当采用第三种基本单元，每个基本单元的第一外接端口1与相邻基本单元的第二外接端口2电气连接。每个基本单元的第三外接端口3连接于系统中的同一根导线上，同样地，每个基本单元的第四外接端口4连接于系统中的另外一根导线上。K1、K5闭合，K2、K3、K4断开时，该基本单元中的电池B与系统中其它采用同样设置的基本单元中的电池B串联；\nK2闭合，K1、K3、K4断开或K5、K3、K4断开时，该基本单元中的电池B与整个系统的连接断开；\nK1、K2断开，K3、K4闭合时，该基本单元中的电池B与系统中其它采用同样设置的基本单元中的电池B并联，该并联状态可以用于电池系统充电时；K1、K5断开，K2、K3、K4闭合时，该基本单元中的电池B与系统中其它采用同样设置的基本单元中的电池B并联，且此时系统采用串联工作放电方式的电池可以继续工作，该状态可以用于电池系统一边工作，一边充电时。\n[0039] 当采用第四种基本单元，每个基本单元的第一外接端口1与相邻基本单元的第二外接端口2电气连接。每个基本单元的第三外接端口3连接于系统中的同一根导线上，同样地，每个基本单元的第四外接端口4连接于系统中的另外一根导线上。单刀双掷开关的动触头K8与第一静触头K6连接、K5闭合，K3、K4断开时，该基本单元中的电池B与系统中其它采用同样设置的基本单元中的电池B串联；单刀双掷开关的动触头K8与第二静触头K7连接，K3、K4断开时，该基本单元中的电池B与整个系统的连接断开；单刀双掷开关的动触头K8与第二静触头K7连接，K3、K4闭合时，该基本单元中的电池B与系统中其它采用同样设置的基本单元中的电池B并联，该并联状态可以用于电池系统充电时；单刀双掷开关的动触头K8与第二静触头K7连接，K5断开，K3、K4闭合时，该基本单元中的电池B与系统中其它采用同样设置的基本单元中的电池B并联，且此时系统采用串联工作放电方式的电池可以继续工作，该状态可以用于电池系统一边工作，一边充电时。\n[0040] 此外，还可以将第四种基本单元中的开关K3和K5用一单刀双掷开关代替，也可以实现相同的功能。\n[0041] 实施例一\n[0042] 图5为本实施例的系统结构示意图。如图5所示，100为基本单元，200为从控模块，300为主控模块。基本单元100采用的是第一种基本单元。智能电池管理系统包括了多个基本单元100及从控模块200，一主控模块300；从控模块200通过电流传感器，电压传感器，温度传感器定时检测其对应的基本单元100中电池的电压、电流、温度这些状态，并将该检测数据传输给从控模块200内的MCU，该MCU通过无线通讯Zigbee再将数据传给所述的主控模块300内的MCU，主控模块300内的MCU存储收到的信息，在液晶显示器上显示电池的SOC，是否有故障等信息，且该MCU根据收到的信息判断各个电池的状态，然后对各个电池做出相应的控制，并将控制指令通过无线通讯Zigbee发送给从控模块内的MCU，从控模块200内的MCU执行该指令。从控模块200中的MCU接收到的主控模块300内的MCU发送的控制指令为控制基本单元100内各个开关的断开或闭合，从而使得该基本单元内的电池与整个电池系统中的其它基本单元中的电池之间的关系在断开，串联之间切换，以适应不同的充放电过程及故障情况。\n[0043] 图6为本实施例的系统工作流程图。如图所示，系统开机后进行初始化，读取存储的数据，然后液晶显示器上显示信息。然后系统进工作模式的判断，是处于充电还是放电状态。如果是充电状态，就检测各个电池的电压、电流、温度状态。如果电池存在异常状态如温度过高、电流过大等，就将其与系统的连接断开。并根据各个电池的电压判断其是否充满，将满充的电池移出，同时，判断待充电池个数是否为零，如果待充电池个数为零则结束充电，并存储数据发送报告。如果待充电池个数不为零，则根据待充电池的个数通过PWM控制器(图中未画出)改变充电电压，然后继续充电，并存储数据发送报告。如果是放电状态，就检测各个电池的电压、电流、温度状态。如果电池存在异常状态如温度过高、电流过大、电压过低等，就将其与系统的连接断开。并判断剩余电池总电压是否大于等于工作所需的电压，如果小于则报警、然后关机；如果大于等于工作所需电压，则计算剩余电池的SOC，SOH，然后顺序启用SOC最高的电池直到电路电压达到工作所需，然后存储数据发送报告。\n[0044] 上述的充电方式使得每个基本单元中的电池都能充满，且由于整个系统中全部基本单元中的电池都充满时，所能提供的输出电压电流大于等于该系统正常放电时所需要的电压电流，即是说整个系统是有备用的基本单元的，当其中一个基本单元中的电池发生故障被移出系统时，并不影响整个系统的运行，大大提高了系统的稳定性。并且因为系统优先使用SOC高的电池，可以使得整个系统中的电池均匀放电，消除了短板现象。\n[0045] 图7为本实施例的一个基本单元及从控模块电路原理图。如图所示，图中的后缀n表示该原理图为第n个基本单元及从控模块的电路原理图，K1为第一开关、K2为第二开关，本实施例选用IGBT；B为电池，本实施例选用锂电池；TT为数字温度传感器，型号为：\nDS18B20，输出的数字信号可以为从控模块中的MCU直接读取。MCU采用的型号为：CC2430，该芯片内置2.4G赫兹的Zigbee无线射频通讯(RF)，同时内置有子ADC，其中两路管脚用于传感器模拟信号的输入，1路用于数字温度传感器的输入，2路用于K1、K2开关的控制。电压调整电路用于调制出TT和MCU所需的电压。两个模拟传感器的信号V1n和Vn经过运算放大器放大得到V1和V，将V1和V输入CC2430芯片内置的ADC中转化为数字信号后进入MCU，其中V即是其电压信号，且由于R3的阻值是固定，其两头的电压也已知，可以计算出电路中的电流。实现了从控模块对基本单元中的电池的电压、电流和温度的检测，从控模块内的MCU通过RF将检测到的数据传输给主控模块内的MCU，并执行主控模块反馈回来的指令。\n[0046] 实施例二\n[0047] 本实施例与实施例一相似，不同之处在于，采用了电流传感器和热敏电阻来检测基本单元中的电池，且MCU采用了STC89C52。该芯片无内置ADC和射频通讯，需外置添加。\nADC采用的型号为ADC0809CCN，该ADC为8位ADC，在5V的基准电压下测量精度在20mv，具有8路可选信号输入；射频通讯采用的是ZigBee。电流传感器可以是霍尔传感器、MR传感器、AMR、GMR、TMR传感器，本实施例中采用的是霍尔ACS755LCB-050，输出的信号为电压信号。图8为本实施例的一个基本单元及从控模块电路原理图。如图所示，R2为一个固定电阻，RT为热敏电阻，当温度改变时，热敏电阻的阻值发生变化，进而分压得到的Vt也发生变化。三个模拟传感器的信号VIn、Vn和VT经过运算放大器放大得到VI、V和V′T，将VI、V和V′T输入ADC中转化为数字信号后输入从控模块中的MCU芯片STC89C52中，其中V即是其电压信号，VI是电流信号，V′ T是温度信号。实现了从控模块对基本单元中的电池的电压、电流和温度的检测，从控模块内的MCU芯片STC89C52通过射频(RF)将检测到的数据传输给主控模块内的MCU，并执行主控模块反馈回来的指令。\n[0048] 实施例三\n[0049] 本实施例与实施例一相似，不同之处在于采用了第二种基本单元。开关为继电器，电池为镍氢电池。由于采用了第二种基本单元，系统在充电状态时，可以采用与实施例一相同的方法充电，也可以将每个基本单元中的电池并联，实现并联充电。系统在放电状态时与实施例1相同。\n[0050] 实施例四\n[0051] 本实施例与实施例一相似，不同之处在于采用了第三种基本单元。开关为HEMT，电池为钠流电池。由于采用了第三种基本单元，系统在充电状态时，可以采用与实施例一相同的方法充电，也可以将每个基本单元中的电池并联，实现并联充电。系统在放电状态时可以实现实施例1中相同的功能，同时，还能在系统一边工作放电时，一边对系统中的某个电池进行充电。\n[0052] 虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，如增加电池状态的检测，比如PH值，以及在一个基本单元中的开关采用不同的种类，MCU采用蓝牙射频通讯等，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。