一種電池組應用節點及矩陣電池管理系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種電池組應用節點及矩陣電池管理系統，所述節點是由第一開關、第二開關和第三開關線路連接組成的電路板，在該電路板上設有五個連接點，其中A、B、C、D四個連接點為單接點，用于連接動力線路；Z為復合接點，用于連接通訊總線以及選擇性連接傳感器，所述矩陣電池管理系統中節點兩側分別連接有電池單體，其中該電池組應用節點的第一連接點連接左端電池單體的正極，其第二連接點連接右端電池單體的負極，所述電池組應用節點的第五連接點通過通訊總線與總控制器線路連接，通過統一切換所述節點的3個開關來實現并聯或組合充電、組合放電的操作，當電池組由多組串聯組所組成時，通過靈活的控制各個節點狀態，可以實現對任意串聯組的充電、放電以及斷開操作。
【專利說明】—種電池組應用節點及矩陣電池管理系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及中大規模電池組管理應用領域，尤其是一種電池組應用節點及矩陣電池管理系統。
【背景技術】
[0002]電池組在我們的日常生活中應用十分廣泛，小到電視遙控器、電子玩具和，手電筒大到電動汽車、銀行備用電源、通信機房、雷達站和廣電機房等等都需要使用電池組。然而，隨著中大規模電池組的應用使得現有電池管理系統的弊端顯現出來。
[0003]在電池組中，單體之間的差異總是存在的，以容量為例，其差異性永不會趨于消失，而是逐步惡化的，電池組中流過同樣電流，相對而言，容量大者總是處于相對小電流淺充淺放、趨于容量衰減緩慢、壽命延長，而容量小者總是處于相對大電流過充過放、趨于容量衰減加快、壽命縮短，兩者之間性能參數差異越來越大，形成正反饋特性，小容量提前失效，導致電池組壽命縮短。
[0004]可見，電池組無論采用先并聯后串聯還是先串聯后并聯的連接方式，都會涉及到如下問題:對于串聯方式的連接，現階段無法對每一個串聯單元進行電流控制，因而充電完成時，不能保證每個串聯單元都達到充滿狀態，而電池組總容量將由容量最小的串聯單元決定，這直接影響整個電池組的工作效能和使用壽命。而對于電池組壽命縮短后的使用問題，現階段也只有通過更換新的電池組來解決，這不可避免的增加了使用成本。
[0005]矩陣電池組即對電池組進行矩陣形布置，申請號200910096144.0、201010161351.2,201210136094.6的專利申請文件中分別對電池組的性能做了優化，但上述技術問題仍然無法得到很好的解決。
實用新型內容
[0006]本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種電池組應用節點。
[0007]本實用新型所要解決的另一技術問題在于提供具有上述電池組應用節點的矩陣電池管理系統。
[0008]為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是:
[0009]一種電池組應用節點，是由第一開關(K1)、第二開關(K2)和第三開關(K3)線路連接組成的電路板，在該電路板上設有五個連接點，其中第一連接點(A)、第二連接點(B)、第三連接點(D)、第四連接點(C)為單接點，用于連接動力線路，第五連接點(Z)為復合接點，用于連接通訊總線以及選擇性連接傳感器，所述第一連接點(A)和第二連接點(B)設置于所述第一開關兩端，即所述第一開關用于聯通該第一連接點和第二連接點，進而分別聯通其左右兩端的待連接電池的正極和負極，第三連接點(D)設置于第一連接點(A)和第二連接點(B)之間近第二開關(K2)、遠第一開關(Kl)端，即所述第二開關用于聯通該第三連接點，進而聯通充電電源的正極，第四連接點(C)設置于第一連接點(A)和第二連接點(B)之間近第三開關(K3)、遠第一開關(Kl)端，即所述第三開關用于聯通該第四連接點，進而聯通充電電源的負極，所述第五連接點(Z)設置于所述第二連接點(B)和第三連接點(D)之間。
[0010]上述系電池組應用節點基礎結構，可在此基礎結構之上附加測量電路以連接傳感器，所述傳感器用于實現對所管轄區域里電池的保護以及參數的測量(比如溫度、電流、電壓等)，優選為溫度傳感器，所述傳感器控制線路與第五連接點(Z)連接。
[0011]具有上述電池組應用節點的矩陣電池管理系統，包括總控制器、電池組應用節點和電池單體，所述電池組應用節點兩側分別連接有電池單體，其中該電池組應用節點的第一連接點(A)連接左端電池單體的正極，其第二連接點(B)連接右端電池單體的負極，所述電池組應用節點的第五連接點(Z)通過通訊總線與總控制器通訊。
[0012]優選的，上述矩陣電池管理系統，所述電池單體可以是單一電池也可以是由單一電池并聯而成的電池組。
[0013]優選的，上述矩陣電池管理系統，包括若干由電池單體和電池組應用節點交替排列形成的串聯單元、總控制器(所述總控制器是一種可以執行邏輯程序的執行單元，該控制器內設有單片機)和電源，所述各串聯單元之間并聯連接，每個串聯單元上的各電池組應用節點均通過其第五連接點(Z)通過通訊總線與總控制器線路連接。
[0014]優選的，上述矩陣電池管理系統，所述電源為可變輸出電壓電源；所述總控制器負責整個電池系統與外部環境的鏈接，其主要功能包括:測量電池系統的電壓、電流；控制可變輸出直流開關電源(比如臺灣MEANWELL品牌的SPV-300-SPEC，以后簡稱電源)的輸出電壓；通過判斷外部供電狀況以切換電池系統與負載還是電源進行鏈接；提供短路、過載、反接、欠壓、過壓等保護功能，其內部設置有用于測量整個電池系統總的電壓、電流的測量電路，與各串聯單元進行控制的控制電路，提供短路、過載、反接、欠壓、過壓等保護功能的保護電路。
[0015]優選的，上述矩陣電池管理系統，所述總控制器可控制充電電源的輸出電壓以配合電池系統組態變化對充電電壓的要求。
[0016]上述矩陣電池管理系統的充放電的實現方法，具體實現步驟如下:通過統一切換上述所有電池組應用節點的3個開關來實現并聯或組合充電、組合放電的操作，即放電時:第一開關Kl閉合，第二開關K2、第三開關K3斷開；充電時:第一開關Kl斷開，第二開關K2、第三開關K3閉合，所述切換開關的指令以及每個電池組應用節點的工作數據掃描由總控制器通過通訊總線下發指令完成。
[0017]上述矩陣電池管理系統的充放電的實現方法，具體實現步驟如下:
[0018]放電過程:
[0019](I)總控制器通過網絡廣播，通知所有節點切換到放電狀態，即Kl閉合，K2、K3斷開，此時整個電池系統狀態切換完畢；
[0020](2)總控制器對電池組的狀態進行掃描，包括電壓、電流、溫度和/或節點異常，在確定電池組正常后，接通負載，對外供電；
[0021](3)供電過程中總控制器繼續掃描電池組的狀態，包括電壓、電流、溫度和/或節點異常，并通過測量電池組電壓推算其剩余電量、通過測量溫度和電流提供保護和/或通過節點異常掃描確定某個電池單體的失效；
[0022](4)當總控制器測量到電池組電壓過低時，表明電池組需要充電，此時總控制器將切斷負載，等待充電；
[0023]充電過程:
[0024](I)總控制器檢測到充電電源已正確連接后，測量整個電池系統的開路電壓，如果開路電壓較低，則說明電池組剩余電量較少；反之，則說明電池組還有較多的剩余電量。
[0025](2)如果剩余電量較多或者用戶希望直接進行低壓并聯充電時可跳至下述步驟
(7)，否則將先行高壓恒流充電；
[0026](3)步驟(2)所述高壓恒流充電過程:總控制器保持電池組中各個電池組應用節點的連接狀態不變，測量整個電池系統的開路電壓并控制可變輸出電壓電源輸出一個相同的電壓，此時電路中沒有宏觀電流流通；
[0027](4)總控制器控制可變輸出電壓電源逐步提高輸出電壓，此時電池系統處于充電狀態，在電源逐步提高輸出電壓的過程中，充電電流也在逐步提升，當總控制器檢出充電電流達到電池組的預設充電電流時，將保持電源的輸出電壓，此時充電電流趨于穩定；
[0028](5)電池組在繼續充電過程中，自身電壓也會升高，由于充電電壓不變，電池組的充電電流會下降，此時，總控制器會繼續提升電源的輸出電壓以保持充電電流穩定在預設值；
[0029]( 6 )如此往復上述步驟(4)、( 5 )的控制過程，直到電池組的充電電壓達到某一預設值，標志著該電池組的高壓恒流充電過程結束；
[0030](7)總控制器將斷開充電電源，通過網絡廣播，通知所有電池組應用節點切換到低壓充電狀態，即Kl斷開，K2、K3閉合，此時所有電池單體都并聯在一起，準備低壓并聯充電；
[0031](8)低壓并聯充電過程:總控制器測量整個電池系統的開路電壓并控制可變輸出電壓電源輸出一個相同的電壓，此時電路中沒有宏觀電流流通；
[0032](9)總控制器控制可變輸出電壓電源逐步提高輸出電壓，此時電池系統處于充電狀態，在電源逐步提高輸出電壓的過程中，充電電流也在逐步提升，當總控制器檢出充電電流達到電池組的預設充電電流或達到電源最大輸出電流時，將保持電源的輸出電壓，此時充電電流趨于穩定；
[0033](10)電池組在充電過程中，自身電壓也會升高，由于充電電壓不變，電池組的充電電流會下降，此時，總控制器會繼續提升電源的輸出電壓以保持充電電流的穩定；
[0034]( 11)當充電電壓達到整個并聯電池組的最大允許充電電壓時，總控制器不再提升電源電壓，此時，電池組進入恒壓充電狀態，進入此狀態后，充電電流將逐步減小；
[0035](12)當總控制器檢出充電電流小于某一預設值時，即可判定電池系統充電完畢，總控制器將首先斷開充電電源，而后通過網絡廣播，通知所有節點切換到放電狀態，即Kl閉合，Κ2、Κ3斷開，至此電池組又實現對外放電。
[0036]優選的，上述矩陣電池管理系統的充放電的實現方法，所述放電過程的步驟(I)中Κ2、Κ3先行斷開，在確認斷開無誤后再閉合Kl。
[0037]優選的，上述矩陣電池管理系統的充放電的實現方法，所述充電過程的步驟(7)中Kl先行斷開，在確認斷開無誤后再閉合Κ2、Κ3。
[0038]本實用新型的有益效果是:
[0039]本實用新型所述電池組應用節點結構簡單，體積小巧，易于制造，所有元件都可采用固態電子元件，可靠性很高，完全可以與電池單體集成，可以與電池集成封裝為智能電池，只需預留簡單的通訊接口，就可以使未來出廠的電池以任何組態方式接受總控制器的控制，非常適合于規模化工業生產的需要；所述矩陣電池管理系統的系統架構為節點-總控制器，節點可以與電池單體集成，使得電池廠家的生產工作和電池管理系統的研發制造工作得以分開進行，且該系統可以使矩陣電池系統內的每個電池單體都在充電過程結束時同時充滿，真正實現了電池矩陣的恒流-恒壓-浮充過程，大大提高了整個電池組的工作效能和使用壽命，當發現個別電池單體出現故障時，可以輕松去除并更換新的電池單體，不需要對整個電池組進行更換，節約了使用成本。特別值得注意的是，當電池組由多組串聯組所組成時，通過靈活的控制各個節點狀態，可以實現對任意串聯組的充電、放電以及斷開操作，這意味著對某一串聯組進行放電時，另一串聯組可以同時進行并聯充電或者更換電池的操作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0040]圖1是本實用新型所述電池組應用節點(電路板)的線路連接關系示意圖；
[0041]圖2是本實用新型所述矩陣電池管理系統的線路連接關系示意圖。
[0042]圖中:Kl-第一開關K2-第二開關K3-第三開關
[0043]A-第一連接點B-第二連接點C-第四連接點
[0044]D-第三連接點Z-第五連接點T-通訊總線
【具體實施方式】
[0045]為了使本領域的技術人員更好的理解本實用新型的技術方案，下面結合附圖及【具體實施方式】(3 X 6的電池矩陣系統為例)對本實用新型所述技術方案作進一步的詳細說明。
[0046]實施例1
[0047]如圖1所示，所述電池組應用節點，是由第一開關K1、第二開關K2和第三開關K3線路連接組成的電路板，在該電路板上設有五個連接點，其中第一連接點A、第二連接點B、第三連接點D、第四連接點C為單接點，用于連接動力線路，第五連接點Z為復合接點，用于連接通訊總線，所述第一連接點A和第二連接點B設置于所述第一開關兩端，即所述第一開關Kl用于聯通該第一連接點A和第二連接點B，進而分別聯通其左右兩端的兩塊待連接電池的正極和負極，第三連接點D設置于第一連接點A和第二連接點B之間近第二開關K2、遠第一開關Kl端，即所述第二開關用于聯通該第三連接點，進而聯通充電電源的正極，第四連接點C設置于第一連接點A和第二連接點B之間近第三開關K3、遠第一開關Kl端，即所述第三開關用于聯通該第四連接點C，進而聯通充電電源的負極，所述第五連接點Z設置于所述第二連接點B和第三連接點D之間，用于連接通訊總線T，進而與總控制器進行信息交互。
[0048]此外，上述系電池組應用節點，可在此基礎結構之上附加測量電路以連接傳感器，所述傳感器用于實現對所管轄區域里電池的保護以及參數的測量(比如溫度傳感器，用于過熱保護)，所述傳感器控制線路與第五連接點(Z)連接。
[0049]整個工作過程簡述如下:
[0050]使用所述電池組應用節點時，節點有以下幾個連接點，分別是:
[0051]第一連接點A:連接左端電池正極；[0052]第二連接點B:連接右端電池負極；
[0053]第四連接點C:連接充電電源負極；
[0054]第三連接點D:連接充電電源正極；
[0055]第五連接點Z:連接通訊總線T ；
[0056]節點內有3個開關，分別是:
[0057]第一開關Kl:負責聯通AB端，既左右電池正負極；
[0058]第二開關K2:負責聯通D端，即充電電源正極；
[0059]第三開關K3:負責聯通C端，即充電電源負極。
[0060]充電時:第一開關Kl斷開，第二開關K2、第三開關K3閉合；
[0061]放電時:第一開關Kl閉合，第二開關K2、第三開關K3斷開。
[0062]此外，上述節點由單片機控制，可以附加溫度、電壓、電流等檢測和保護功能并通過通訊總線T上傳相關數據。
[0063]實施例2
[0064]如圖2所示，具有實施例1所述電池組應用節點的矩陣電池管理系統，包括總控制器、電池組應用節點和電池單體，所述電池組應用節點兩側分別連接有電池單體，該電池組應用節點的第一連接點A連接左端電池單體的正極，其第二連接點B連接右端電池單體的負極，所述電池組應用節點的第五連接點Z通過通訊總線T與總控制器線路連接，所述矩陣電池管理系統包括若干由電池單體和電池組應用節點交替排列形成的串聯單元、總控制器和可變輸出直流開關電源(臺灣MEANWELL SPV-300-SPEC)，所述總控制器(PLC)是一種可以執行邏輯程序的執行單元，該控制器內設有單片機(西門子200系列CPU)，可控制充電電源的輸出電壓以配合電池系統組態變化對充電電壓的要求，所述總控制器負責整個電池系統與外部環境的鏈接，其主要功能包括:測量電池系統的電壓、電流；控制電源的輸出電壓；通過判斷外部供電狀況以切換電池系統與負載還是電源進行鏈接；提供短路、過載、反接、欠壓、過壓等保護功能，其內部設置有用于測量整個電池系統總的電壓、電流的測量電路，與各串聯單元進行控制的控制電路，提供短路、過載、反接、欠壓、過壓等保護功能的保護電路，所述各串聯單元之間并聯連接，每個串聯單元上的各電池組應用節點均通過其第五連接點Z利用通訊總線T與總控制器線路連接。
[0065]實施例3
[0066]實施例2所述矩陣電池管理系統的充放電的實現方法，實現步驟如下:
[0067]通過統一切換上述所有電池組應用節點的3個開關來實現并聯或組合充電、組合放電的操作，即放電時:第一開關Kl閉合，第二開關K2、第三開關K3斷開；充電時:第一開關Kl斷開，第二開關K2、第三開關K3閉合，所述切換開關的指令以及每個電池組應用節點的工作數據掃描由總控制器通過通訊總線T下發指令完成。
[0068]具體工作過程包括如下步驟:
[0069]放電過程:
[0070](I)總控制器通過網絡廣播，通知所有節點切換到放電狀態，即第二開關K2、第三開關K3先行斷開，在確認斷開無誤后再閉合第一開關K1，此時整個電池系統狀態切換完畢；
[0071](2)總控制器對電池組的狀態進行掃描，包括電壓、電流、溫度和/或節點異常，在確定電池組正常后，接通負載，對外供電；
[0072](3)供電過程中總控制器繼續掃描電池組的狀態，包括電壓、電流、溫度和/或節點異常，并通過測量電池組電壓推算其剩余電量、通過測量溫度和電流提供保護和/或通過節點異常掃描確定某個電池單體的失效；
[0073](4)當總控制器測量到電池組電壓過低時，表明電池組需要充電，此時總控制器將切斷負載，等待充電；
[0074]充電過程:
[0075](I)總控制器檢測到充電電源已正確連接后，測量整個電池系統的開路電壓，如果開路電壓較低，則說明電池組剩余電量較少；反之，則說明電池組還有較多的剩余電量。
[0076](2)如果剩余電量較多或者用戶希望直接進行低壓并聯充電時可跳至下述步驟
(7)，否則將先行高壓恒流充電；
[0077](3)步驟(2)所述高壓恒流充電過程:總控制器保持電池組中各個電池組應用節點的連接狀態不變，測量整個電池系統的開路電壓并控制可變輸出電壓電源輸出一個相同的電壓，此時電路中沒有宏觀電流流通；
[0078](4)總控制器控制可變輸出電壓電源逐步提高輸出電壓，此時電池系統處于充電狀態，在電源逐步提高輸出電壓的過程中，充電電流也在逐步提升，當總控制器檢出充電電流達到電池組的預設充電電流時，將保持電源的輸出電壓，此時充電電流趨于穩定；
[0079](5)電池組在繼續充電過程中，自身電壓也會升高，由于充電電壓不變，電池組的充電電流會下降，此時，總控制器會繼續提升電源的輸出電壓以保持充電電流穩定在預設值；
[0080](6 )如此往復上述步驟(4 )、( 5 )的控制過程，直到電池組的充電電壓達到某一預設值，標志著該電池組的高壓恒流充電過程結束；
[0081](7)總控制器將斷開充電電源，通過網絡廣播，通知所有電池組應用節點切換到低壓充電狀態，即第一開關Kl先行斷開，在確認斷開無誤后再閉合第二開關K2、第三開關K3，此時所有電池單體都并聯在一起，準備低壓并聯充電；
[0082](8)低壓并聯充電過程:總控制器測量整個電池系統的開路電壓并控制可變輸出電壓電源輸出一個相同的電壓，此時電路中沒有宏觀電流流通；
[0083](9)總控制器控制可變輸出電壓電源逐步提高輸出電壓，此時電池系統處于充電狀態，在電源逐步提高輸出電壓的過程中，充電電流也在逐步提升，當總控制器檢出充電電流達到電池組的預設充電電流或達到電源最大輸出電流時，將保持電源的輸出電壓，此時充電電流趨于穩定；
[0084](10)電池組在充電過程中，自身電壓也會升高，由于充電電壓不變，電池組的充電電流會下降，此時，總控制器會繼續提升電源的輸出電壓以保持充電電流的穩定；
[0085]( 11)當充電電壓達到整個并聯電池組的最大允許充電電壓時，總控制器不再提升電源電壓，此時，電池組進入恒壓充電狀態，進入此狀態后，充電電流將逐步減小；
[0086](12)當總控制器檢出充電電流小于某一預設值時，即可判定電池系統充電完畢，總控制器將首先斷開充電電源，而后通過網絡廣播，通知所有節點切換到放電狀態，即第一開關Kl閉合，第二開關K2、第三開關K3斷開，至此電池組又實現對外放電。
[0087]上述參照【具體實施方式】對該一種電池組應用節點及矩陣電池管理系統進行的詳細描述，是說明性的而不是限定性的，可按照所限定范圍列舉出若干個實施例，例如，在上述電池組應用節點基礎結構之上附加測量電路以連接傳感器，所述傳感器用于實現對所管轄區域里電池的保護以及溫度、電流、電壓等參數的測量，因此在不脫離本實用新型總體構思下的變化和修改，應屬本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種電池組應用節點，其特征在于:是由第一開關(K1)、第二開關(K2)和第三開關(K3 )線路連接組成的電路板，在該電路板上設有五個連接點，其中第一連接點(A)、第二連接點(B)、第三連接點(D)、第四連接點(C)為單接點，用于連接動力線路，第五連接點(Z)為復合接點，用于連接通訊總線以及選擇性連接傳感器，所述第一連接點(A)和第二連接點(B)設置于所述第一開關兩端，即所述第一開關用于聯通該第一連接點和第二連接點，進而分別聯通其左右兩端待連接的兩塊電池的正極和負極，第三連接點(D)設置于第一連接點(A)和第二連接點(B)之間近第二開關(K2)、遠第一開關(Kl)端，即所述第二開關用于聯通該第三連接點，進而聯通充電電源的正極，第四連接點(C)設置于第一連接點(A)和第二連接點(B)之間近第三開關(K3)、遠第一開關(Kl)端，即所述第三開關用于聯通該第四連接點，進而聯通充電電源的負極，所述第五連接點(Z)設置于所述第二連接點(B)和第三連接點(D)之間。
2.具有權利要求1所述電池組應用節點的矩陣電池管理系統，其特征在于:包括總控制器、電池組應用節點和電池單體，所述電池組應用節點兩側分別連接有電池單體，其中該電池組應用節點的第一連接點(A)連接左端電池單體的正極，其第二連接點(B)連接右端電池單體的負極，所述電池組應用節點的第五連接點(Z)通過通訊總線與總控制器通訊。
3.根據權利要求2所述的矩陣電池管理系統，其特征在于:所述電池單體可以是單一電池也可以是由單一電池并聯而成的電池組。
4.根據權利要求2所述的矩陣電池管理系統，其特征在于:包括若干由電池單體和電池組應用節點交替排列形成的串聯單元、總控制器和電源，所述各串聯單元之間并聯連接，每個串聯單元上的各電池組應用節點均通過其第五連接點(Z)通過通訊總線與總控制器線路連接。
5.根據權利要求2所述的矩陣電池管理系統，其特征在于:所述電源為可變輸出電壓電源；所述總控制器負責整個電池系統與外部環境的鏈接，其主要功能包括:測量電池系統的電壓、電流；控制可變輸出直流開關電源的輸出電壓；通過判斷外部供電狀況以切換電池系統與負載還是電源進行鏈接；提供短路、過載、反接、欠壓、過壓等保護功能，其內部設置有用于測量整個電池系統總的電壓、電流的測量電路，與各串聯單元進行控制的控制電路，提供短路、過載、反接、欠壓、過壓等保護功能的保護電路。
6.根據權利要求2所述的矩陣電池管理系統，其特征在于:所述總控制器可控制充電電源的輸出電壓以配合電池系統組態變化對充電電壓的要求。
【文檔編號】H02J7/00GK203574408SQ201320682578
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年10月30日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】薛可揚 申請人:薛可揚