專利名稱：具備故障電池隔離功能的電池管理系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種具備故障電池隔離功能的電池管理系統和方法，更確切點說本發明涉及一種故障電池實時檢測與隔離方法。屬于電池管理技術領域。
背景技術：
蓄電池是國家新能源發展的重要技術，在國民經濟各個領域中應用廣泛。現有技術中汽車、電動車、船舶、潛水艇、通訊機站備用直流電源、UPS電源、電動工具、視聽電子產品等很多設備都需要使用蓄電池。隨著各種電池相關新型材料的開發和商用，電池的容量日益增加，例如與目前以鈷酸鋰為正極材料的普通鋰離子電池相比，各種三元正極材料與硅基負極材料鋰離子電池可以提高一倍以上的容量。但是隨著電池能量密度與功率密度的提高，電池帶來的潛在危險也在急劇增加，如經常報道的手機電池爆炸以及電動車著火事故等。因此非常必要針對電池和電池組設計專用的保護與管理系統。當前的電池管理系統主要利用電池單體的電壓、阻抗等信息判斷電池的安全狀態，一旦某個電池單體出現故障可能引起安全問題，則往往直接切斷整個電池組不對外供電。這種方法雖然保障了電池系統的安全性，但是過于粗暴，會對整個系統的用電可靠性以及電池組本身的效率帶來極大的負面作用。一些新型電池管理系統采用阻塞式二極管可以單獨隔離故障電池，這往往導致系統靈活性差，使能隔離的電池單體數量嚴重受限。本發明擬在傳統電池管理系統技術的基礎上，提出利用開關網絡隔離故障電池，控制靈活，有利于滿足電動車等對大型電池組的需求。本發明電池組中其它非故障電池繼續正常供電，在確保電池組安全性的前提下，提高了整個系統工作的連貫性與效率。
發明內容
本發明的目的在于提供一種具備故障電池隔離功能的電池管理系統。本發明利用電池組中每個電池單體本身具有的獨立性特點，通過開關網絡隔離故障電池，兼顧了電池組的安全性與使用效率。電池的故障可能是由于電池單體產生了結構性缺陷，如內部出現斷路，此時必須立即隔離該電池并在適當的時機進行替換；另一種可能是部分電池單體出現過充或者過放等現象，此時只要停止繼續充電或者放電即可。本發明所述的電池管理系統可以同時適用以上兩種情況，有效保證電池組的安全性和充分利用電池組的容量。為了達到上述目標，本發明采用的技術方案是一種具備故障電池隔離功能的新型電池管理系統，所述電池組至少由兩個電池單體串聯構成。所述系統包括對所述電池組安全性問題評估的健康狀態診斷模塊，利用高效開關網絡實現的故障電池隔離模塊，用于控制開關網絡中各個開關狀態和負責各個模塊之間協調通信的控制模塊；所述控制模塊分別與電池健康狀態診斷模塊與故障電池隔離模塊相連，根據診斷模塊確定的故障電池計算并控制電池隔離模塊中所有開關的狀態。上述用于隔離故障電池的開關網絡，可以使用機械開關或者繼電器、MOSFET等電子開關以導通網絡的形式實現。通過控制每個開關的開閉來形成不同的通路，隔離故障電池的同時繼續保留剩余電池對外供電。上述電池健康診斷模塊主要通過單體電池的電壓、電流、阻抗、溫度、內部壓力等狀態參數判斷對應電池單體是否發生故障。其中每個單體電池電壓值的測量，可以使用單獨的測量模塊，如采用電阻分壓與單刀多擲開關等。其它參數也可用類似相關方法測量。電池健康診斷模塊需要把故障電池的標號以及故障的種類發送到控制模塊。上述控制模塊是整個系統的控制核心，它需要同時和電池健康診斷模塊和故障電池隔離模塊進行通信，并針對不同的應用需求顯示電池組的相關信息。為了控制整個電池管理系統的功耗水平，控制模塊也可以對相關模塊應用一定的睡眠機制。上述電池組管理系統的運行過程，主要包含如下步驟
步驟I、電池健康診斷模塊通過分析整個電池組模塊各個單體電池的狀態信息來判斷其安全性，例如利用單體電池端電壓的大小、同其它電池電壓的偏差、電池表面溫度高低、交流/直流阻抗的變化等，實時評估每個電池單體的安全狀況，比如過充、過放、嚴重老化、內部短路等。電池安全狀態診斷模塊最后把每個故障電池的標號與相應的故障種類發送給控制模塊。步驟2、控制模塊根據診斷模塊提供的故障電池標號與故障種類，確定對外的報警方式與所需要的隔離方法，最后把所需改變的每個開關狀態發送到故障電池隔離模塊。步驟3、故障電池隔離模塊收到控制模塊關于每個開關的工作狀態后，改變相關開關的控制信號，完成故障電池的隔離功能。本發明在傳統電池管理系統的基礎上引入故障電池隔離功能，利用開關網絡隔離發生故障或者其它不適合繼續使用的電池，但不影響電池組中其它單體電池串聯繼續對外供電。通過故障電池隔離功能，一方面可以最大限度的減少已經受到損害的單體電池進一步使用時對其它正常單體電池產生的連鎖反應。例如某個單體電池發生外部短路而引起過熱，可能引起周圍其它單體電池也產生熱失控，造成嚴重爆炸等事故。另一方面，在電池組充電時發現某個單體電池即將過充或者電池組放電時某個單體電池可能過放時，也可以通過電池隔離系統切斷該單體電池，能夠克服電池不一致帶來的安全性問題。而其它電池單體可以繼續正常工作，從而延長了電池組的使用時間。對于電池組來說，雖然總電壓會稍微降低，但是這個問題可以輕易通過直流/直流穩壓器(DC/DC)來解決。總之，本發明充分利用了電池組模塊中每個單體電池本身具有獨立性特點,通過開關網絡隔離故障電池，兼顧了電池組的安全性與使用效率。本發明提供的電池管理系統可以同時適用于以下兩種情況，有效保證整個電池組模塊的安全性和充分利用電池組的容量。兩種情況分別是①單體電池產生的結構性缺陷，如內部出現斷路，立即隔離故障電池并在適當時機進行替換；②另一種可能是部分單體電池出現過充或過放等現象，只要停止繼續充電或放電即可。
圖I為本發明提供的具備故障電池隔離功能的電池管理系統結構圖。圖2為一種故障電池隔離模塊的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明，但本發明的保護范圍和實施不限于此。參見圖1，圖I給出了本發明示例的總體結構圖，其中，電池模塊由Cp C2、C3.......Cn等11個電池單體組成，n> 1，即至少由兩個單體電池串聯組成。電壓健康診斷
模塊由單體電池狀態參數采集部分和健康狀態綜合評估部分組成。控制模塊主要負責各個模塊間的協調通信以及對外信息顯示與報警。圖2為故障電池隔離模塊的一種實現方式結構示意圖，整個電池組模塊是由C1的正極和Cn的負極引出對外供電，且n > I。每個單體電池的負極同下一個單體電池的正極相連處的中間放置一個開關(用五角星表示)，同時橫向和縱向連線的交點處也設置一個開關。系統運行初始化階段，交點處所有開關處于斷開狀態，其它正負極連線間開關閉合。當發現某個電池出現故障可能產生危險時，則相應故障電池正負極連接中間的開關斷開，交點處兩個開關閉合。整個系統的工作實施過程如圖2所示。假設在放電過程中電池診斷模塊測得各單
體電池的溫度依次為I\、T2.......Tn，其中T2大于70攝氏，可能發生熱失控，應該隔離。貝IJ
通過控制模塊對電池隔離模塊發送指令，各開關控制狀態改變如下開關中3、5閉合，開關
4斷開。經過上述過程后，電池組由C1C3......Cn串聯對負載繼續供電，并給外部系統發送
關于故障電池C2的報警信號。
權利要求
1.一種具備故障電池隔離功能的電池管理系統，其特征在于所述系統包括對電池組模塊安全性問題評估的健康狀態診斷模塊，利用開關網絡實現的故障電池隔離模塊以及用于控制開關網絡中各個開關狀態和負責各個模塊之間協調通信的控制模塊；控制模塊分別與電池健康狀態診斷模塊與故障電池隔離模塊相連，根據電池健康狀態診斷模塊確定的故障電池計算并控制電池隔離模塊中所有開關的狀態 其中，所述的電池組模塊由CpCyC3.......Cn n個電池單體組成，n > 1，即至少由兩個單體電池串聯組成。
2.按權利要求I所述的系統，其特征在于用于故障電池隔離的開關網絡，可使用機械開關或者繼電器、MOSFET的電子開關以導通網絡的形式實現；通過控制每個開關的開閉來形成不同的通路，故障電池隔離的同時繼續保留剩余電池對外供電。
3.按權利要求I所述的系統，其特征在于電池健康狀態診斷模塊主要通過單體電池的電壓、電流、阻抗、溫度或內部壓力狀態參數判斷對應電池單體是否發生故障，電池健康診斷模塊需要將發生故障電池的標號以及故障的種類發送到控制模塊。
4.按權利要求I所述的系統，其特征在于控制模塊是整個系統的控制核心，它需要同時和電池健康診斷模塊和故障電池隔離模塊進行通信，并針對不同的應用需求顯示電池組的相關信息。
5.按權利要求3所述的系統，其特征在于單體電池的電壓值測量使用電阻分壓式單刀多擲開關單獨的測量模塊測量。
6.按權利要求4所述的系統，其特征在于控制模塊應用睡眠機制，以控制整個電池管理系統的功耗水平。
7.使用權利要求1-4中任一項所述的系統的運行方法，其特征在于通過開關網絡隔離故障電池，運行方法包括一下步驟 步驟I、電池健康診斷模塊通過分析整個電池組模塊中各個單體電池的狀態信息來判斷其安全性，電池安全狀態診斷模塊最后把每個故障電池的標號與相應的故障種類發送給控制模塊； 步驟2、控制模塊根據診斷模塊提供的故障電池標號與故障種類，確定對外的報警方式與所需要的隔離方法，最后把所需改變的每個開關狀態發送到故障電池隔離模塊； 步驟3、故障電池隔離模塊收到控制模塊關于每個開關的工作狀態后，改變相關開關的控制信號，完成故障電池的隔離功能。
8.按權利要求7所述的運行方法，其特征在于整個電池組模塊是由C1的正極和Cn的負極引出對外供電，且n > 1，每個單體電池的負極同下一個單體電池的正極相連處的中間放置一個開關，同時橫向和縱向連線的交點處也設置一個開關，系統運行初始化階段，交點處所有開關處于斷開狀態，其它正負極連線間開關閉合，當發現某個電池出現故障可能產生危險時，則相應故障電池正負極連接中間的開關斷開，交點處兩個開關閉合。
全文摘要
本發明涉及一種具備故障電池隔離功能的電池管理系統和方法，其特征在于所述的管理系統包括健康狀態診斷模塊、故障電池隔離模塊以及分別與這兩個模塊相連的控制模塊。利用電池組中每個電池單體本身具有的獨立性特點，通過開關網絡隔離故障電池，兼顧了電池組的安全性與使用效率。本發明所述的電池管理系統可以同時適用以下兩種情況，有效保證電池組的安全性和充分利用電池組的容量。①可能是由于電池單體產生了結構性缺陷，如內部出現斷路，必須立即隔離該電池并在適當的時機進行替換；②可能是部分電池單體出現過充或者過放等現象，此時只要停止繼續充電或者放電即可。
文檔編號H02J7/00GK102624058SQ201210087418
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者何亮明, 杜翀 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所