專利名稱：電池組智能管理電路及電池組智能管理系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電池組管理系統(BMS)，特別涉及一種電池組智能管理電路及電池組智能管理系統。
背景技術：
為了給設備提供足夠的電壓，電池組通常由多個電池串聯而成，但是如果電池之間的容量失配便會影響整個電池組的容量。當電池組中的電池不均衡時，它的可用容量將 減少，串聯電池組中容量最低的電池將決定電池組的總容量。在不均衡電池組中，一個或幾個電池會在其它電池尚需充電時便已達到最大容量。而在放電時，未完全充電的電池又會比其它電池先放完電，使電池組因電壓不足而提前停止供電。所以目前的電池組普遍需要采用電池均衡技術，其目的在于
其一、充電均衡。在充電過程中后期，部分電池的容量很高，其單體電壓已經超過設定上限(一般要比充電截止電壓小)時，BMS控制均衡電路開始工作，控制這些容量滿的電池少充、不充甚至是轉移能量，以使容量小的電池繼續充電，并且使容量已滿的電池不損壞。其二、放電均衡。在電池組輸出功率時，通過補充電能限制容量低的電池放電，使得其單體電壓不低于預設下限(一般要比放電終止電壓高一點)。前述充電截止電壓和放電終止電壓均與電池的自身特性(如溫度、充放電流等)直接相關，因此，前述預設上、下限的值亦主要由電池的自身特性而決定。顯然，充電均衡僅僅保證了電池在充電中，容量最小的電池不過充，在放電過程中，它能釋放的能量也是最小的，因此這些電池過度放電的可能性很大。如果BMS控制不好的情況下，這些容量小的電池已經處于深度放電條件下，電池組的整體仍蘊含較高的能量(表現在電池組電壓較高)。因此，一般需將充電均衡與放電均衡一起使用。其三、動態均衡。電池組工作在浮充狀態(idle)，可通過能量轉換的方法實現組中單體電池電壓的平衡，實時保持相近的荷電程度。事實上，目前關于idle狀態的轉化可能引起額外的能量消耗，因此需要謹慎評估，不能把電池組內各單體電池的能量隨意轉進轉出，以致將電能全部轉變為熱量而消耗殆盡。傳統的電池均衡方法主要有斷流(disconnection circuit)型、分流(Shuntingmethod)及能耗型(Dissipative Method)以及主動均衡型等模式。而近來又出現了一種最新的電池管理技術，其表面上是斷流型模式的一種改進，但實際上由于使用了變電壓充電和冗余電池切換的技術，因此可稱之為“切換均衡型”模式，其性能優于上述各種均衡方法。參閱圖I所示系該技術的電路原理圖，其要點在于將電池組設計為由N個電池組成，假設單個電池的額定放電電壓和額定充電電壓分別為ε '和ε，電池組對外供電的額定電壓為K ε、Ν>Κ，N為不小于2的正整數，則
若考察第i個電池(i為I N之中的任一正整數)當開關Siil閉合同時Si,2打開時，電池i接入電路回路；當開關Siil打開同時Si,2閉合時，電池i旁出電路回路。所以通過調整開關Siil和Si,2的通斷狀態，就可以控制第i個電池接入或者旁出充電回路。如果M〈N個電池被接入充電電路，那么此時蓄電池組的額定充電電壓就降低為M ε。該方法的工作方式為，在實時監測每一個電池的電壓和電流的同時
(O充電均衡起始時，K個電池接入，余電池旁路(為方便表述起始旁路電池塊稱作冗余電池塊)，降壓穩壓電路輸出為Vratput=K ε對電池組進行充電；當有電池充滿時，將該電池旁路，然后將一塊冗余電池切換接入充電電路，Voutput不變，繼續充電；當有電池充滿，同時冗余電池也都已充滿時，將該電池旁路，Vratput降低ε，繼續充電；直至所有電池充滿。(2)放電均衡起始，調整開關Su和Si,2的通斷狀態使得蓄電池組內只有K個電池接入放電回路,其余電池旁出放電回路；實時監測每個電池的電壓，電流,計算出每個電池的電量，每隔一定時間比較一次，將電量最小的N-K快電池旁路，余接入放電電路；直到有電池剩余電量達到防過放門限，需電池組停止工作。 (3)浮充均衡不能有效提供浮充均衡。綜述之，盡管該切換均衡方法具有如下優點能盡可能的給蓄電池充入多的電量，也能夠盡可能多的放出所存儲的電量，同時由于不屬于能耗型均衡，也沒有電池之間的能量轉移所帶來的能耗，所以能源的利用效率很高；但也存在如下不足(1)放電工作狀態下，電池的切換會導致電池組瞬間斷路，頻繁的斷路和接通所造成的沖擊有可能損壞用電設備；(2)不能實現浮充均衡。
發明內容
本發明旨在提供一種電池組智能管理電路及電池組智能管理系統，其能實現平滑的切換均衡和高效的浮充均衡，從而克服了現有技術中的不足。為實現上述發明目的，本發明采用了如下技術方案
一種電池組智能管理電路，包括串聯設置的兩個以上電池單元，其中，每一電池單元的一極依次經串聯設置的一第三開關和一第一開關與一降壓穩壓電路的一個輸出端口及一冗余電池單元的一極電連接，另一極經一第二開關與所述降壓穩壓電路的另一個輸出端口及所述冗余電池單元的另一極電連接。進一步的，該兩個以上電池單元中的第一個電池單元的一極經一第三開關與負載的一端電連接，最后一個電池單元的另一極與所述負載的另一端電連接，而除該第一個電池單元的一極及最后一個電池單元的另一極之外，每一電池單元的一極均經一第三開關與位于該電池單元之前的另一個電池單元的另一極電連接。作為優選的實施方案之一，所述第一開關、第二開關和第三開關均采用可控開關，所述可控開關至少選自場效應晶體管和繼電器中的任意一種。其中，所述場效應晶體管包括MOSFET場效應晶體管；
所述繼電器至少選自固態繼電器、接觸式繼電器和光耦繼電器中的任意一種。作為優選的實施方案之一，所述電池組智能管理電路還與至少用以控制前述第一開關、第二開關和第三開關的控制單元連接。作為優選的實施方案之一，設所述電池組智能管理電路包含由N個電池單元串聯構成的電池組，N為大于或等于2的正整數，并設每一電池單元的額定充電電壓為ε，則所述電池組智能管理電路至少具有如下工作模式
(O切換模式將所有第一開關與第二開關均打開，對于第i個電池單元，i為I N中的任一正整數，首先切斷所述電池組智能管理電路與降壓穩壓電路的連接，而將冗余電池接入所述電池組智能管理電路，其次閉合與該第i個電池單元配合的第一開關和第二開關，再打開與該第i個電池單元配合的第三個開關，實現將該第i個電池單元旁路；
(2)選擇性充電模式
a.選定所述電池組中連續m個電量不滿的電池單元形成電池串，并使降壓穩壓電路輸出的充電電壓等于me，且至少將與所述電池串中的m個電池單元配合的第三開關均閉合，而將除了與所述電池串中的第一個電池單元配合的第一開關和與所述電池串的最后一個電池單元配合的第二開關之外的所有第一開關和第二開關均打開，使所述電池串中的所有電池單元都處于充電狀態，其中I < m <N，m為正整數；當所有第三開關均閉合，同時電池組外接負載時，則系統處于浮充狀態。b.對于冗余電池首先使所有第一開關和第二開關均打開，其次使降壓穩壓電路輸出的充電電壓等于ε，然后將冗余電池接入所述電池組智能管理電路，實現對冗余電池 的充電；
(3)均衡管理模式
I、充電均衡模式，包括
①切斷所述電池組智能管理電路與冗余電池的連接，并將除了與第一個電池單元配合的第一開關和與第N個電池單元配合的第二開關之外的所有第一開關和第二開關均打開，以及，將所有第三開關均閉合，同時使降壓穩壓電路輸出的充電電壓等于Ne，則電池組內的所有電池單元全部進入充電狀態；
②若電池組中有電池單元充滿，則選定電池組中連續的m個電量不滿的電池單元形成電池串，進入前述步驟(2 ) a所述的選擇性充電模式，直至所述選定電池串中有任一電池單元充滿，則另外選取連續的m個電量不滿的電池單元重新形成電池串，重復此過程，過程中m的值會改變并且最小值可為I，直至所有的電池單元都被充滿；
③進入前述步驟(2)b所述的選擇性充電模式，完成對冗余電池的充電；
II、放電均衡模式，包括
切斷所述電池組智能管理電路與降壓穩壓電路的連接，而將冗余電池和負載接入所述電池組智能管理電路，以及，將所有第一開關和第二開關均打開，并將所有第三開關均閉合，使電池組向負載供電；
實時監測每一電池單元的電壓及電流，計算出每一電池單元的電量，且每隔一設定時間段比較一次所有電池單元的電量，并按照步驟(I)的操作將電量最小的一個電池單元以冗余電池替代，直至任一電池單元剩余電量達到預設的防過放門限，即使電池組停止工作。一種電池組智能管理系統，包括如上所述的電池組智能管理電路。進一步的，所述電池組智能管理系統還包括
用于采集與電池組中每一電池單元的工作狀態相關數據的監測與檢測單元；
控制單元,包括
至少用于調整電池組智能管理電路中所有第一開關、第二開關及第三開關的工作狀態的開關驅動電路，以及，
與開關驅動電路及監測與檢測單元連接的控制模塊。所述控制模塊包括計算與控制處理單元。
作為較佳的應用方案之一，所述電池組智能管理系統還包括通信與存儲單元，所述計算與控制處理單元經通信與存儲單元與通信、告警設備連接。與現有技術相比，本發明優點至少在于
(O實現了平滑的切換均衡，避免了瞬間斷電，保證了電池組輸出的電壓和電流平穩；
(2 )電池組在獲得切換均衡好處的同時，實現了高效的浮充均衡。
圖I是現有的一種電池組管理系統的電路圖；
圖2是本發明一較佳實施例中電池組智能管理電路的結構示意 圖3是本發明一較佳實施例中電池組智能管理系統的結構框圖。
具體實施例方式以下結合一較佳實施例及附圖對本發明的技術方案作進一步的說明。如前所述，現有電池管理技術存在諸多不足，是以本案發明人提供了一種新型的電池組智能管理電路。參閱圖2所示，作為該電池組智能管理電路的一個典型實施例，其包括編號為I至i的多個電池單元(可以為單體電池或者多個單體電池的組合，以下均簡稱為“電池”)，i=l,2,…N，N為大于或等于2的正整數，其中每一電池的規格型號均相同，且其額定充電電壓為ε，則電池組的額定充電電壓為N ε。而同時，該實施例中還包括一系列的開關Si,η，在本實施例中，η選自1、2或3，其可分別定義為第一開關、第二開關和第三開關。又及，該實施例中還包括至少一冗余電池單元，該冗余電池單元可通過帶有開關的導線等接入電池組智能管理電路，所述冗余電池單元的充電電壓也為ε，且容量可以根據需要選擇。再及，該實施例中還可包括一降壓穩壓電路，其亦可通過帶有開關的導線等接入電池組智能管理電路。另及，該實施例中還可包括至少一負載，其也可通過帶有開關的導線等接入電池組智能管理電路。進一步參閱圖2，該實施例的工作模式如下
(1)切換可以旁路電池組中的第i個電池，1=1,2,…N，同時將冗余電池切換進入電路來替換這個電池進行電池組的放電。方法如下斷開充電電路，所有第一開關與第二開關均打開，連接冗余電池；首先閉合Siil, Si,2，將電池i并聯備用電池，然后打開Si,3將電池i旁路,在整個過程中電池組對外供電不會中斷；
(2)選擇性充電電池組可以選擇對冗余電池充電，或者對第I-N中的一塊電池或者由連續的m個電量不滿的電池形成的電池串進行充電，方法如下
a.通過降壓穩壓電路使得降壓穩壓電路輸出的充電電壓Vratput= me，I彡m彡N;開關Si^ =1，2···Ν，全部閉合；Siil和所有開關中除Sja和Sk,2閉合外余全部打開，其中k-j=m-l ;此時電池組中所有滿足j彡i ( K條件的區間電池串都處于充電狀態。b.對冗余電池的充電只需將Siil和SiJi=Id",,所有開關打開，通過降壓穩壓電路使得Vratput= ε，然后閉合冗余電池的開關。該實施例實現均衡的方法如下
(1)充電均衡(包括浮充)此時冗余電池開關斷開，
a.首先，開關Siil和Si>2， =1，2···Ν，所有開關中除Slil和SN,2閉合外余全部打開；Si,3，i=l,2…N,全部閉合；此時電池組和傳統電池組一樣在N ε額定電壓下充電；
b.當有電池充滿時，進入選擇性充電狀態，僅對形成選定電池串的連續的m個電量不滿的電池充電，只要滿足充滿的電池不落在充電區間的電池串內，當選定的電池串中有電池充滿，則另外選取連續串聯的m個電量不滿的電池，重復上述過程，過程中m的值會改變并且最小值可為1，直至所有的電池都被充滿；
c.首先使所有第一開關和第二開關均打開，其次使降壓穩壓電路輸出的充電電壓 Vtjutput等于ε，然后將冗余電池接入所述電池組智能管理電路，實現對冗余電池的充電；
(2)放電均衡(無充電輸入):此時充電電源已斷開，開關Siil和Si,2，全部打開，同時Si,3全部閉合，閉合冗余電池開關，其中i=l，2，…N;蓄電池組對負載供電；實時監測每個電池的電壓，電流，計算出每個電池的電量，每隔一定時間比較一次，將電量最小的一個電池用冗余電池切換替代；直到有電池剩余電量達到防過放門限，需電池組停止工作。綜上可以看到，藉由該實施例可以有效的實現電池組的充電均衡、放電均衡以及動態均衡。進一步的，為便于對前述各開關Si, n進行控制，各開關Si, n優選采用可控開關，包括但不僅限于MOSFET場效應晶體管，固態繼電器，接觸式繼電器、光耦繼電器等各種繼電器，并藉由一控制單元實現對這些可控開關的工作狀態進行自動控制。更進一步的，亦可將該電池組智能管理電路中的所有開關均采用可控開關，如此更為有效的實現自動化操作。該控制單元可包括一開關驅動電路及一控制模塊，開關驅動電路系與各可控開關配合，并由控制模個控制。顯然的，該控制模塊可采用業界慣用的計算機系統、單片機、PLC等設備，但不限于此。參閱圖3所示是基于前述電池組智能管理電路構建的一電池組智能管理系統，其包括電池組智能管理電路、開關驅動電路、計算與控制處理單元以及監測與檢測單元。顯然的，前述電池組智能管理電路是實現電池組智能化管理的基礎，其中采用了一系列的可控開關，這些開關的通斷可由計算與控制處理單元決策和指令，并經由開關驅動電路實現。而對于電池組中每個電池的工作狀態相關信息(例如電壓、電流、溫度等，)，其可以通過監測與檢測單元進行采集，并上報計算與控制處理單元處理，得出電池的狀態數據(如每個電池的容量和剩余電量等)，進而由計算與控制處理單元進行決策及發出指令。進一步的，該電池組智能管理系統中還可設置通信與存儲單元，藉以實現歷史數據的存儲和遠程的信息上報、告警，遠程控制交互等，其功能可以根據實際使用需要取舍。需要指出的是，以上說明及在圖紙上所示的實施例，不可解析為限定本發明的設計思想。在本發明的技術領域里持有相同知識者可以將本發明的技術性思想以多樣的形態改良變更，這樣的改良及變更應理解為屬于本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種電池組智能管理電路，包括串聯設置的兩個以上電池單元，其特征在于，每一電池單元的一極依次經串聯設置的一第三開關和一第一開關與一降壓穩壓電路的一個輸出端口及一冗余電池單元的一極電連接，另一極經一第二開關與所述降壓穩壓電路的另一個輸出端口及所述冗余電池單元的另一極電連接。
2.根據權利要求I所述的電池組智能管理電路，其特征在于，該兩個以上電池單元中的第一個電池單元的一極經一第三開關與負載的一端電連接，最后一個電池單元的另一極與所述負載的另一端電連接，而除該第一個電池單元的一極及最后一個電池單元的另一極之外，每一電池單元的一極均經一第三開關與位于該電池單元之前的另一個電池單元的另一極電連接。
3.根據權利要求I或2所述的電池組智能管理電路，其特征在于，所述第一開關、第二開關和第三開關均采用可控開關，所述可控開關至少選自場效應晶體管和繼電器中的任意一種。
4.根據權利要求3所述的電池組智能管理電路，其特征在于， 所述場效應晶體管包括MOSFET場效應晶體管； 所述繼電器至少選自固態繼電器、接觸式繼電器和光耦繼電器中的任意一種。
5.根據權利要求3所述的電池組智能管理電路，其特征在于，所述電池組智能管理電路還與至少用以控制前述第一開關、第二開關和第三開關的控制單元連接。
6.根據權利要求3所述的電池組智能管理電路，其特征在于，設所述電池組智能管理電路包含由N個電池單元串聯構成的電池組，N為大于或等于2的正整數，且設每一電池單元的額定充電電壓為ε，則所述電池組智能管理電路至少具有如下工作模式 (1)切換模式將所有第一開關與第二開關均打開，其中，對于第i個電池單元，i為I N中的任一正整數，首先切斷所述電池組智能管理電路與降壓穩壓電路的連接，而將冗余電池接入所述電池組智能管理電路，其次閉合與該第i個電池單元配合的第一開關和第二開關，再打開與該第i個電池單元配合的第三個開關，實現將該第i個電池單元旁路； (2)選擇性充電模式 a.選定所述電池組中連續的m個電量不滿的電池單元形成電池串，并使降壓穩壓電路輸出的充電電壓(Vratput)等于m ε，且至少將與所述電池串中的m個電池單元配合的第三開關均閉合，而將除了與所述電池串中的第一個電池單元配合的第一開關和與所述電池串中的最后一個電池單元配合的第二開關之外的所有第一開關和第二開關均打開，使所述電池串中的所有電池單元都處于充電狀態，其中，I < m < N，m為正整數； b.對于冗余電池首先將所有第一開關和第二開關均打開，其次使降壓穩壓電路輸出的充電電壓(Vratput)等于ε，然后將冗余電池接入所述電池組智能管理電路，實現對冗余電池的充電； (3)均衡管理模式 I、充電均衡模式，包括 ①切斷所述電池組智能管理電路與冗余電池的連接，并將除了與第一個電池單元配合的第一開關和與第N個電池單元配合的第二開關之外的所有第一開關和第二開關均打開，以及，將所有第三開關均閉合，同時使降壓穩壓電路輸出的充電電壓(Vratput)等于Ne，則電池組內的所有電池單元全部進入充電狀態；②若電池組中有電池單元充滿，貝1J選定電池組中連續的m個電量不滿的電池單元形成電池串，進入前述步驟(2 ) a所述的選擇性充電模式，直至所述選定電池串中有任一電池單元充滿，則另外選取連續的m個電量不滿的電池單元重新形成電池串，重復此過程，直至所有的電池單元都被充滿； ③進入前述步驟(2)b所述的選擇性充電模式，完成對冗余電池的充電； II、放電均衡模式，包括 切斷所述電池組智能管理電路與降壓穩壓電路的連接，而將冗余電池和負載接入所述電池組智能管理電路，以及，將所有第一開關和第二開關均打開，并將所有第三開關均閉 合，使電池組向負載供電； 實時監測每一電池單元的電壓及電流，計算出每一電池單元的電量，且每隔一設定時間段比較一次所有電池單元的電量，并按照步驟(I)的操作將電量最小的一個電池單元以冗余電池替代，直至任一電池單元剩余電量達到預設的防過放門限，即使電池組停止工作。
7.—種電池組智能管理系統,其特征在于,它包括如權利要求1-6中任一項所述的電池組智能管理電路。
8.根據權利要求7所述的電池組智能管理系統，其特征在于，它還包括 用于采集與電池組中每一電池單元的工作狀態相關數據的監測與檢測單元； 控制單元,包括 至少用于調整電池組智能管理電路中所有第一開關、第二開關及第三開關的工作狀態的開關驅動電路，以及， 與開關驅動電路及監測與檢測單元連接的控制模塊。
9.根據權利要求8所述的電池組智能管理系統，其特征在于，所述控制模塊包括計算與控制處理單元。
10.根據權利要求9所述的電池組智能管理系統，其特征在于，它還包括通信與存儲單元，所述計算與控制處理單元經通信與存儲單元與通信、告警設備連接。
全文摘要
本發明公開了一種電池組智能管理電路及電池組智能管理電路系統。該電池組智能管理電路包括串聯設置的兩個以上電池單元，每一電池單元的一極依次經串聯設置的一第三開關和一第一開關與一降壓穩壓電路的一個輸出端口及一冗余電池單元的一極電連接，另一極經一第二開關與所述降壓穩壓電路的另一個輸出端口及所述冗余電池單元的另一極電連接。該電池組智能管理電路系統包括前述電池組智能管理電路。進一步的，所述第一開關、第二開關和第三開關均采用可控開關，并由一控制單元控制。本發明能實現電池組的有效管理，特別是能實現平滑的切換均衡和高效的浮充均衡。
文檔編號H02J7/00GK102969755SQ201210438609
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月6日 優先權日2012年11月6日
發明者何磊 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所