蓄电池组均衡充电放电管理系统的制作方法

1.本发明涉及一种用于串联蓄电池组均衡充电、放电的系统。


背景技术：

2.近年来，随着世界各国对全球气候变暖趋势的关注，电动车得到快速发展。
3.蓄电池被大量应用于电动车。但单个蓄电池只有几伏的标称电压，储能小。在实际应用中往往需要先将几个电池串并联组成一个蓄电池单元，再将多个蓄电池单元串联成一个大电池系统，有时还需用多个大电池系统构成更大的电池系统。
4.由于生产工艺的局限，各蓄电池的内阻、容量、电压会有一定的差异，这些差异会导致蓄电池系统在充电和放电时各蓄电池产生不平衡，可引起有害的故障，降低电池系统的容量和使用寿命。为了尽量减小各蓄电池的不平衡，通常采用电池均衡控制电路，监视各蓄电池单元的电压，保持各蓄电池单元之间的电压差在预定的范围。平衡各蓄电池单元电压差的方式分为被动均衡和主动均衡两种；被动均衡是将电压较高的蓄电池单元连通一个旁路电阻，降低其电压，能量以发热的方式消耗掉，这种方式简单，但能量效率低，产生的热对电池系统有害，可以均衡的能量比较小，会造成电池系统的容量和寿命下降。主动均衡方式是将电压较高的蓄电池单元的部分能量回收到电池系统，可以均衡的能量比较大，效率高。


技术实现要素：

5.本发明提出了一种能够使一个蓄电池系统中各个蓄电池单元在充电、放电及空闲状态下均能保持均衡的技术与方法。同时具有能量效率高，模块化电路结构，易实现，成本低。
6.本发明提供了一种蓄电池组均衡充电放电管理系统，含有两个及以上蓄电池单元构成的蓄电池组(每个蓄电池单元可以是一个蓄电池或多个蓄电池的串并联)。含有一个主控制模块。主控制模块经过保护熔丝联接到蓄电池组，主控制模块含有辅助电源，微控制器，电压检测电路，电流检测电路，发送与接收通讯接口电路，蓄电池组保护电路。含有多个子控制模块，子控制模块经过保护熔丝联接到相应的蓄电池单元的正负极，子控制模块包括电压检测电路，用于检测相应的蓄电池单元的电压。子控制模块包括温度检测电路，用于检测相应蓄电池单元的温度。子控制模块包括隔离式通讯电路，用于同主控制模块通讯，接收主控制模块发出的指令以及向主控制模块发出本单元的状态信息。子控制模块包括变压器隔离反激式dc
‑
dc变换器。反激式dc
‑
dc变换器从相应的蓄电池单元取得部分能量回馈到蓄电池组正负端，实现各蓄电池单元的均衡充放电。
7.实施例1如图4所示，有13个蓄电池单元串联构成的一个48v蓄电池组，每个蓄电池单元是一个3.7v、100ah的锂离子电池。每个蓄电池单元的正极经过保护熔丝与一个子控制模块的正输入端联接，每个蓄电池单元的负极与子控制模块的负输入端联接，子控制模块的反激式dc
‑
dc变换器输出联接到48v蓄电池组正负极，子控制模块的两对通讯线与主控制
模块的两个通讯接口相联。
8.当充电时，如电池状态无异常，温度处于可正常充电的范围，主控制模块接通保护开关。充电器的充电电流从蓄电池组正端输入，通过蓄电池组的负端回到充电器。在充电过程中，主控制模块持续通过通讯接口获取所有13个电池的信息，包括电压，电流，温度。如有电池状态异常，如温度异常或电压异常，主控制模块将断开蓄电池组与充电器的联接。
9.在正常充电状态下，主控制模块计算13个蓄电池的平均电压vbat_avr及各个蓄电池电压与平均电压的电压差vbat_delta_n(vbat_delta_n＝第n个电池的电压
‑
vbat_avr)，主控制模块向电压差大于充电电压差设定值的子控制模块发出启动dc
‑
dc的命令，该命令包含 dc
‑
dc输出量的参数控制，电压差大，相应的控制输出量也大。主控制模块向其它子控制模块发出不启动dc
‑
dc的命令。假设开始充电时，充电电流是25a，13个蓄电池的电压分别为： vbat1＝3.610v，vbat2＝3.614v，vbat3＝3.619v，vbat4＝3.620v，vbat5＝3.603v，vbat6＝3.605v， vbat7＝3.609v，vbat8＝3.602v，vbat9＝3.597v，vbat10＝3.622v，vbat11＝3.625v，vbat12＝3.611v， vbat13＝3.613v，可以计算出，13个蓄电池的平均电压＝3.6115v。假设系统设定的允许电压差为5mv，则电压＞3.6165v的蓄电池，蓄电池3，蓄电池4，蓄电池10，蓄电池11对应的子控制模块的dc
‑
dc变换器将被启动，将一部分充电电流回馈到蓄电池组的正负极，其中，子控制模块11回馈的电流＞子控制模块10回馈的电流＞子控制模块4回馈的电流＞子控制模块3 回馈的电流(比例系数由系统设定，例如0.5a(蓄电池端的电流)/mv)。蓄电池3，蓄电池4，蓄电池10，蓄电池11的充电电流减少了，电压上升率下降，其它蓄电池的充电电流增加了，电压上升率上升。已启动dc
‑
dc变换器的子控制模块在相应蓄电池电压＜＝平均电压时停止 dc
‑
dc变换器工作。这一过程在正常充电状态下持续进行，始终保持13个电池的电压趋近相同。
10.当充电时，主控制模块检测蓄电池组的电压、电流，计算蓄电池组的充入电荷量，判断充电状态，当蓄电池组充满时，主控制模块断开蓄电池组与充电器的联接。
11.在放电状态下，如电池状态无异常，温度处于正常范围，主控制模块接通保护开关。放电电流从蓄电池组正端输出，通过负载返回蓄电池组的负端。在放电过程中，如主控制模块检测到异常状态，如过流、蓄电池单元电压低于保护电压下限等，将断开蓄电池组的保护开关。在放电过程中，主控制模块计算13个蓄电池的平均电压vbat_avr及各个蓄电池电压与平均电压的电压差vbat_delta_n(vbat_delta_n＝第n个电池的电压
‑
vbat_avr)，主控制模块向电压差大于充电电压差设定值的子控制模块发出启动dc
‑
dc的命令，该命令包含dc
‑
dc 输出量的参数控制，电压差大，相应的控制输出量也大。主控制模块向其它子控制模块发出不启动dc
‑
dc的命令。假设开始放电时，放电电流是25a，13个蓄电池的电压分别为：vbat1＝3.801v，vbat2＝3.797v，vbat3＝3.792v，vbat4＝3.791v，vbat5＝3.808v，vbat6＝3.806v， vbat7＝3.802v，vbat8＝3.809v，vbat9＝3.814v，vbat10＝3.798v，vbat11＝3.786v，vbat12＝3.800v， vbat13＝3.798v，可以计算出，13个蓄电池的平均电压＝3.800v。假设系统设定的允许电压差为5mv，则电压＞3.805v的蓄电池，蓄电池5，蓄电池6，蓄电池8，蓄电池9对应的子控制模块的dc
‑
dc变换器将被启动，将一部分额外的放电电流从蓄电池组的正负极输出，其中，子控制模块9的电流＞子控制模块8的电流＞子控制模块5的电流＞子控制模块6的电流(比例系数由系统设定，例如0.5a(蓄电池端的电流)/mv)。蓄电池9，蓄电池8，蓄电池5，蓄电池6的放电电流增加了，电压下降率增加，其它蓄电池的放电
电流减小了，电压下降率减小。已启动dc
‑
dc变换器的子控制模块在相应蓄电池电压＜＝平均电压时停止dc
‑
dc变换器工作。这一过程在正常放电状态下持续进行，始终保持13个电池的电压趋近相同。
12.当蓄电池组处于空闲态时，主控制模块检查各蓄电池单元的电压，如果某蓄电池单元的电压低于设定的低电压保护值时，主控制模块启动蓄电池组中相应蓄电池单元电压最高的子控制模块的变压器隔离反激式dc
‑
dc变换器，使该蓄电池单元提供电流回馈到蓄电池组正负端，均衡一部分能量到其它12个蓄电池单元。我们设定蓄电池单元的低电压保护值为 2.5v(设定回差＝50mv)假设在某个时刻，13个蓄电池的电压分别为：vbat1＝2.500v， vbat2＝2.797v，vbat3＝2.792v，vbat4＝2.791v，vbat5＝2.808v，vbat6＝2.806v，vbat7＝2.802v， vbat8＝2.809v，vbat9＝2.814v，vbat10＝2.798v，vbat11＝2.786v，vbat12＝2.800v，vbat13＝2.798v，主控制模块启动蓄电池9对应的子控制模块的dc
‑
dc变换器，提供电流回馈到蓄电池组正负端，给其它12个蓄电池充电。
13.系统每隔一段时间(例如30秒)，执行一次上述过程。
14.在单个子控制模块失效的情况下，可通过其它子控制模块的信息评估该模块的状态，仍能对蓄电池组(100)进行均衡充电、均衡放电、空闲态维护。以充电为例，假设充电电流是25a，假设在某个时刻，子控制模块6通讯失败，其它12个蓄电池的电压分别为： vbat1＝3.610v，vbat2＝3.614v，vbat3＝3.619v，vbat4＝3.620v，vbat5＝3.603v，vbat7＝3.609v， vbat8＝3.602v，vbat9＝3.597v，vbat10＝3.622v，vbat11＝3.625v，vbat12＝3.611v，vbat13＝3.613v。主控制模块检测到蓄电池组的电压＝46.95v，可以计算出，蓄电池6的电压＝3.605v，13个蓄电池的平均电压＝3.6115。假设系统设定的允许电压差为5mv，则电压＞3.6165v的蓄电池，蓄电池3，蓄电池4，蓄电池10，蓄电池11对应的子控制模块的dc
‑
dc变换器将被启动，将一部分充电电流回馈到蓄电池组的正负极。当蓄电池6的电压是13个蓄电池中的最高电压时，则当蓄电池6的电压达到充电允许上限电压时，充电完成。
15.图5是一个由12个上述48v/100ah蓄电池组串联构成的一个576v/100ah(57.6度电)的电池包的实施例。
16.总蓄电池组控制器同各蓄电池组主控制模块通讯，获得各蓄电池组的状态信息。
17.在各蓄电池组没有异常的状态下，总蓄电池组保护开关闭合。
18.在对总蓄电池组充电时，充电机的充电电流从电池包的“蓄电池系统 ”流入，从“总蓄电池组保护输出
‑”
回到充电机。
19.各蓄电池组按照前面表述的方式进行均衡。
20.总蓄电池组控制器根据需要控制蓄电池组主控制模块的dc
‑
dc转换器进行蓄电池组间的均衡。
21.在有蓄电池组发生异常的状态下，总蓄电池组保护开关断开。通过bms总线通知电动车系统总控制器。
22.总蓄电池组控制器计算电池包的充入电荷量，电池包充满，通过bms总线通知充电机充电完成。
23.在电池包放电时，放电电流从蓄电池系统 经负载回到“总蓄电池组保护输出
‑”
。
24.各蓄电池组按照前面表述的方式进行均衡。
25.总蓄电池组控制器根据需要控制蓄电池组主控制模块的dc
‑
dc转换器进行蓄电池组间的均衡。
26.在有蓄电池组发生异常的状态下或有过流等故障发生时，总蓄电池组保护开关断开。
27.总蓄电池组控制器计算电池包的放电量，通过bms总线传送到电动车系统总控制器。
附图说明
图1是蓄电池组均衡充电放电管理系统框图。图2是子单元控制模块框图。图3是主控制单元框图。图4是蓄电池组均衡充电放电管理系统实施例1框图。图5是由蓄电池组构成的蓄电池包的均衡充电放电管理系统实施例框图。