電池管理系統的製作方法

2023-12-11 19:58:22

專利名稱：電池管理系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種鉛酸電池管理系統。
背景技術：
鉛酸蓄電池因其技術成熟、價格低廉、安全性高和可再生循環等突出優點，廣泛應用於在電力、通信、鐵路、石油、航空、水利、煤炭、地質、醫療、軌道交通、國防等領域，但目前根據使用及狀況不同，大多數的鉛酸蓄電池沒有發揮其最佳性能，具體表現在以下幾方面一、硫化是單節鉛酸電池劣化的主要原因正常的鉛酸蓄電池充電時，硫酸鉛形成氧化鉛，放電時氧化鉛又還原為硫酸鉛。而硫酸鉛是一種非常容易結晶的物質，當電池過放電或靜態閒置時間過長時，就會「抱成團」， 結成小晶體，再加上硫酸濃度和溫度的波動，個別的硫酸鉛晶體就可以依附靠近小晶體的溶解而長大，逐步聚積而形成粗大堅硬的硫酸鉛。結晶後的硫酸鉛充電時不但不能再還原成氧化鉛，還會沉澱附著在電極板上，佔據了極板的位置。即極板的有效反應材料在不斷減少，這時電池容量會逐漸下降，直至無法使用。這一現象叫硫化。當硫酸鉛大量堆積時還會吸引鉛微粒形成鉛枝，正負極板間的鉛枝搭橋就造成電池短路。如果極板表面或密封塑殼有縫隙，硫酸鉛結晶就會在這些縫隙內堆積，並產生膨脹張力，最終使極板斷裂脫落或外殼破裂，造成電池不可修復性物理損壞，所以導致鉛酸電池失效的主要原因就是電池的硫化。硫化產生的條件1、長期閒置存放。如電池在安裝使用前曾長時間擱置儲存，或交通工具長時間靜止不工作。2、放電後未及時充電；3、充電不足；4、持續過放電；5、溫度影響；6、乾涸或加入的電解液濃度過高。通過以上可以看出，電池硫化是無法避免的，因此，如何消除電極板上覆蓋的硫酸鉛沉澱物，恢復電池的性能，是維護蓄電池時應該考慮的首要因素。二、充放電的不均衡可縮短串聯電池組的使用壽命單節蓄電池的電壓與容量有限，使用不廣泛，一般來說，蓄電池串聯成組使用才能滿足要求的多樣化。對於蓄電池組，除了單體蓄電池硫化現象外，蓄電池組失效的主要原因就是個別單體電池的嚴重損壞連帶整組失效。串聯蓄電池組在使用期間，由於單體電池性能不可能絕對相等，各電池之間必然會產生容量和性能差異，特別是對高電壓電池組，初期的細微差別，在每次充放電的放大作用下，幾個月後的性能就會有較大的差異，從而導致有的電池已經完全充滿而有的電池則還沒有充滿電。在充電過程中，如果有一個電池發生過充電，輸入的多餘電量不僅不會儲存在電池裡，而是消耗在電解液中並致使電池發生過熱充脹，另一方面，當充電終止時，各電池荷電未達均衡，又會導致放電的不均衡，長期以往，其中必然有一隻或數隻單體電池性能嚴重下降，此時若對單體電壓較低的電池不能及時發現選出，電池組的的平衡誤差會越來越大，導致系統充電時不敢充足，放電時不敢放淨，系統使用容量遠遠小於電池組的標定容量，直至整組報廢。因此，為了延長電池組的使用壽命，必須使所有的電池均保持在同樣的充放電深度，即需對電池組進行均衡充放電。三、2V電池組的維護管理不同於一般電池目前2V電池組應用廣泛，如後備電源、叉車動力電池等均為2V，因其結構性能不同於一般電池，它具有以下三個特點1、單體電池為2V2、電池需成組使用，M節或多至36節串聯為一組。3、電池容量大，一般 ^OAh-IOOOAh。由以上特點可以看出，對於2V串聯電池組的電池管理，需對單體電池作用才會明顯。這是因為首先，電池的容量較大，極板相應面積也較大，如果用6V或12V(即三節或六節串聯使用)電池修復設備進行維護，信號將很難達到每塊極板。其次，如果一節存在問題，也會影響其它電池，那麼去硫化修復的效果很難保證；第三，電池組的均衡是對單體電池而言，無法對6V或12V，即三節或六節串聯電池組再去均衡就失去意義，所以對於2V 電池，需從單節電池入手，才能真正實現電池維護管理。但是，因為2V電池電壓低，一般為 1. 5V-2. 3V，遠遠低於一般MOS管的基極控制電壓5V，所以無論電池修復模塊還是均衡模塊直接與電池連接後，電路都無法不能工作；這也是目前2V電池組無法進行均衡控制的最大原因。綜上所述，只有同時解決以上問題，全面兼顧，從單節維護到成組均衡，建立起一套完備的電池管理系統，才能真正延長鉛酸電池的使用壽命。目前，現有電池修復專利，要麼活化電流小，自耗電為10_30mA，一方面對大容量電池修復效果不佳，另一方面對小容量電池，若電池閒置時間長，10mA-30mA的自耗電，每天容量將減少30mA*M小時=720mAh, 10天就是7AH，30天是21AH，也就是說電動裝置閒置一個月，現行活化模塊由於自耗電幾乎將耗盡電池的全部容量，更是加速了電池的硫化，放電深度者，電池無法進行正常充電，進入報廢的行列。如中國出口電動裝置或電池，海上運輸就約需30天至50天時間，到目的地後帶活化模塊的電池已經無法正常充電使用。若電池修復活化電流較大，當電池放置或放電時更會加重電池負載。即此類專利僅僅考慮電池的活化， 但對於活化本身的自耗電對電池造成的虧電及其後續現象沒有加以控制，使電池最終活化效果不大。此外，更重要的是，電池修復沒有與電池組的均衡相結合，即使活化了單節電池， 但電池組壓差將最終導致整組電池的報廢。目前串聯電池組均衡專利，其中有的是被動均衡方法，在充電過程中，當某一支電池電壓較其他電池先達到設定的最高值時，就讓該電池通過一個用MOS管與功率電阻串聯構成的放電電路放電。有的是採用電能的多路輸出方式，將多餘的能量傳送給總迴路，因此大都方案存有其電路組成的控制結構複雜，不易實現和維護不便等不足。有的雖然通過採集電壓進行單片機控制可以實現自動均衡，但是因為充電時電池兩端存有浮電，造成電壓的採集點不精確，不但影響電池的均衡，而且均衡開關頻繁反覆動作，會造成能量損耗和開關管的壽命降低；另外，即使實現了能量均衡，平衡了電池組，但是對於電池充電不及時或長時間放置形成的硫化無法杜絕，所以均衡的效果是整組電池容量整體下降，無法真正延長電池組的實際使用壽命；另外因主控制器MOS管至少需要5V的電源，所以對於2V電池仍不能進行均衡控制。

發明內容
為了有效的克服上述存在的問題，發揮鉛酸蓄電池的最佳性能，使其使用壽命達到電池的設計壽命，我們開發了電池管理系統。電池管理系統，是一種不僅能夠改善單體鉛酸蓄電池充放電特性，防止極板硫化， 同時又可實現串聯電池組雙向無損均衡充、放電的電源管理系統，尤其對2V電池，可實現單節維護，成組均衡控制，從而真正延長鉛酸蓄電池的使用壽命。該系統利用特殊的脈衝及其耦合技術，改善鉛酸蓄電池的充放電特性曲線，穩定了蓄電池的輸出電壓，自帶電壓識別開關，充電時才工作，不但防止了負極板的硫化，而且減少了電池放電時電池的功率消耗，提高了單體鉛酸蓄電池的使用效率，同時穩定的基準電壓，也確保電池組均衡控制採集數據的準確性。該系統利用場效應管及電感的儲能特性，對串聯電池組實現無損均衡充放電，對電池組中所有的單體電池進行實時的電能補償，延長鉛酸蓄電池組的使用壽命。本發明實施方式是通過以下技術方案實現的一種電池管理系統包括兩大基本模塊電池修復模塊和電池均衡模塊。單節電池修復模塊通過鉛酸蓄電池為本模塊提供電源，自帶電壓識別開關，靜置或放電時模塊不工作，確保此時不耗用電池電能，不增加電池的功率消耗。只有充電時該模塊自動啟動，產生與硫酸鉛頻率相同的脈衝信號，通過電池的正負極板吸收，在極板上形成一種類似於電暈的閃電現象，擊碎極板上形成的硫酸鉛結晶顆粒，將其還原到電池的電解液中，並阻止在負極板上形成新的硫酸鉛，從而延長了單節蓄電池的使用壽命，此外，該模塊包含有穩壓電路，可以穩定電池電壓，不但在充電時消除電路中紊亂雜波保護蓄電池，並為電池組均衡控制提供最精確的電壓數值。對於2V電池，另含有升壓電路，藉助2V電池本身電源，將電壓升至6V以上，達到 MOS管的5V工作電壓，使電池修復模塊及均衡模塊正常工作。電池組均衡控制模塊用於實現相鄰電池間的能量平衡，與電池修復模塊並聯在電池上。均衡模塊啟動後，通過對電池電壓進行實進採集，一旦發現電池間電壓差異達一定值，即給相應的MOS管送出觸發信號，使其導通，電壓高的電池給電感充電，MOS管截止時， 電感儲存的能量給電壓低的電池補充充電，實現動態均衡。雖然能量只在相鄰電池間傳遞， 但由於能量的傳遞趨勢總是由電壓高的電池傳遞到電壓低的電池上，因而最終實現整組電池能量的無損均衡。本發明有效的效果1、對串聯電池組實現無損均衡充放電，並且不間斷的去除硫酸鹽化生成的硫酸鉛，保持蓄電池與新品的同等能量，恢復蓄電池最佳狀態。2、對2V蓄電池實現單節維護，成組均衡控制，從而真正延長鉛酸蓄電池的使用壽命。3、電池靜置或放電時無自耗電，提高了單體鉛酸蓄電池的使用效率。4、改善鉛酸蓄電池的充放電特性曲線，穩定鉛酸蓄電池的電壓，確保電池組均衡控制採集數據的準確性，並防止在連接用電器時出現電壓的急劇波動，抗幹擾能力強。5、充電時消除電路中紊亂雜波保護蓄電池。


圖1為電池組管理系統⑵除外)圖2為單節蓄電池與其對應的電池修復模塊圖3為電池均衡模塊框4為2V單節電池與其對應的電池修復模塊5為2V電池組管理系統示意圖
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施作進一步說明本發明是一種串聯電池組電池管理系統。圖1為串聯電池組(2V除外)管理系統示意圖，本系統包括一組N節串聯蓄電池組，N個電池修復模塊和n-1個電池均衡模塊。每節蓄電池並接一個電池修復模塊，N節電池與之對應有N個電池修復模塊。兩節電池與一個均衡模塊相接，N節電池有N-I個均衡模塊。圖2為單節蓄電池與其對應的電池修復模塊串聯蓄電池組由N個蓄電池串聯，其中每個單體電池接一個電池修復模塊。每個電池修復模塊由電壓識別電路，脈衝維護電路和穩壓電路組成，其特徵在於蓄電池正極接電壓識別電路的輸入端，電壓識別電路輸出端與脈衝維護電路連接，脈衝維護電路輸出端與穩壓電路相接，穩壓電路的輸出端與電池負極相接。充電時，本發明裝置自帶電壓識別電路，當電壓> 14V時，電池修復模塊從蓄電池獲得電力，此時脈衝維護電路輸出方波信號，經移相及功率放大處理後，整形轉換成脈衝信號，並由穩壓電路穩壓後加在蓄電池正負極上，不但擊碎極板上形成的硫酸鉛結晶顆粒，將其還原到電池的電解液中，並阻止在負極板上形成新的硫酸鉛，從而延長了單節蓄電池的使用壽命。脈衝信號經穩壓電路後可以有效地穩定電池電壓，使其在充電時消除電路中紊亂雜波保護蓄電池，並且為電池組的均衡控制提供了一個電壓測量精確點，確保採集的電池端電壓精確，真正做到電池組的均衡性，避免了由於充電時的浮電造成的電壓誤差。當電壓低於13. 8V時，電池修復模塊自動斷開，停止工作，確保電池在放電或靜置時不耗用電池電能，不額外增加電池的功率消耗。圖3為電池均衡模塊框圖，每個電池均衡模塊由兩個場效應管、兩個二極體和一個儲能元件電感組成。均衡模塊以電壓為比較參數，通過單片機的控制，對電池狀態實時檢測，當發現電池間電壓差異達0. 3V時，即給相應的場效應管送出觸發脈衝，使其導通，電壓高的電池給電感充電，場效應管截止時，電感儲存的能量給電壓低的電池補充充電。由於能量的傳遞趨勢總是由電壓高的電池傳遞到電壓低的電池上，因而最終實現整組電池的均衡。放電時，原理與充電時基本相同。均衡模塊工作時只需將(N-I)個模塊連接在個數為N 的電池組裡，容易實現且方便維護，此外，在充放電過程中其自動地平衡相鄰電池間的容量差異，保證了電池組中所有的電池在充放電過程中都處在同一水平，從而防止了單節電池的過充、過放，因而延長了電池組的工作壽命。另外，具有電路簡單，控制方便，容易實現和成本低廉等優點。由於所有的均衡電路結構都是相同的，所以容易實現模塊化的設計。圖4為2V單節電池與其對應的電池修復模塊框圖，包括一節蓄電池，1個2V升壓電路，1個電壓識別及脈衝維護電路，1個穩壓電路，1個均衡模塊。2V升壓電路的輸入端與電池正極相連，電壓升壓至6V後，輸出端分別接電池修復模塊及均衡模塊的輸入端，電池修復模塊包括識別電路，脈衝修復電路和穩壓電路。識別電路的輸入端與2V升壓電路的輸出端，電壓識別電路的輸出端與脈衝修復電路的輸入端連接，脈衝修復電路的輸出端接穩壓電路的輸入端，穩壓電路的輸出端接電池負極。圖5為2V串聯電池組管理系統示意圖，包括一組N節2V串聯蓄電池，N個2V升壓電路，N個電池修復模塊，N-I個均衡模塊。每節蓄電池與一個電池升壓模塊連接，N節電池與之對應有N個升壓模塊，電池升壓處理後，分別與電池修復模塊和均衡模塊連接，N節電池與之對應有有N個電池修復模塊。兩節電池與一個均衡模塊相接，N節電池有N-I個均衡模塊。升壓模塊本系統先由升壓電路升至5V以上(當1. 2V時升壓後為5V)，再分別與電池修復模塊和均衡模塊相接。電池修復模塊本發明裝置自帶電壓識別電路，當電壓> 2. 2V時，電池修復模塊由蓄電池經升壓電路獲得電力，此時脈衝維護電路輸出方波信號，經移相放大和功率放大處理後，整形轉換成脈衝信號，並由穩壓電路穩壓後加在蓄電池正負極上，不但擊碎極板上形成的硫酸鉛結晶顆粒，將其還原到電池的電解液中，並阻止在負極板上形成新的硫酸鉛， 從而延長了單節蓄電池的使用壽命。脈衝信號經穩壓電路後可以有效地穩定電池電壓，使其在充電時消除電路中紊亂雜波保護蓄電池，並且為電池組的均衡控制提供了一個電壓測量精確點，確保採集的電池端電壓精確，真正做到電池組的均衡性，避免了由於充電時的浮電造成的電壓誤差。當電壓低於2. IV時，電池修復模塊自動斷開，停止工作，確保電池在放電或靜置時不耗用電池電能，不額外增加電池的功率消耗。電池均衡模塊蓄電池正極接升壓電路進行升壓處理後再接電池均衡模塊，每個電池均衡模塊由兩個場效應管、兩個二極體和一個儲能元件電感組成。一旦發現電池間電壓差異達1. 5V時(壓差1. 5V為升壓後的電壓差，實差異為0. 3V)，即給相應的場效應管送出觸發脈衝，使其導通，電壓高的電池給電感充電；場效應管截止時，電感儲存的能量給電壓低的電池補充充電。由於能量的傳遞趨勢總是由電壓高的電池傳遞到電壓低的電池上， 因而最終實現整組電池的均衡。放電時，原理與充電時基本相同。均衡模塊工作時只需將 (N-I)個模塊連接在個數為N的電池組裡，容易實現且方便維護，此外，在充放電過程中其自動地平衡相鄰電池間的容量差異，保證了電池組中所有的電池在充放電過程中都處在同一水平，從而防止了電池的過充、過放，因而延長了電池組的工作壽命。另外，具有電路簡單，控制方便，容易實現和成本低廉等優點。由於所有的均衡電路結構都是相同的，所以容易實現模塊化的設計。目前單體電池一般為2V和12V，少數有6V和8V電壓，根據多次實驗，對於6V電池CN 102201682 A說明書6/6 頁
組，按圖1連接，電池修復模塊的開關電壓可設置為7V啟動，6. 9V關斷。對於8V電池組，按圖1連接，電池修復模塊的開關電壓可設置為9. 2V啟動，9. IV關斷，其它相同。
權利要求
1.一種電池管理系統，其特徵在於它包括一組N節串聯蓄電池，N個電池修復模塊和 (N-I)個電池均衡模塊。每節蓄電池並接一個電池修復模塊，N節電池與之對應有N個電池修復模塊。兩節電池與一個均衡模塊相接，N節電池有(N-I)個均衡模塊。
2.根據權利要求1所述電池管理系統，其特徵在於所述的每節蓄電池包括兩大模塊 電池修復模塊和電池均衡模塊。每個電池修復模塊由電壓識別電路，脈衝維護電路和穩壓電路組成，其特徵在於蓄電池正極接電壓識別電路，電壓識別電路輸出端與脈衝維護電路連接輸入端連接，脈衝維護電路輸出端與穩壓電路相接，穩壓電路的輸出端與電池負極相接。每個均衡模塊由兩個場效應管、兩個二極體和一個儲能元件電感組成。其特徵在於每個均衡模塊分別與相鄰兩電池的正負極連接。
3.一種2V電池組管理系統，其特徵在於它包括一組N節2V串聯蓄電池，N個2V升壓電路，N個電池修復模塊，N-I個均衡模塊。其特徵在於每節蓄電池接一個電池升壓電路， N節電池與之對應有有N個升壓電路，電池升壓處理後，分別與電池修復模塊和均衡模塊連接，每節電池並有一個電池修復模塊模塊，N節電池與之對應有有N個電池修復模塊。兩節電池與一個均衡模塊相接，N節電池有N-I個均衡模塊。4、根據權利要求3所述的2V電池管理系統，其特徵在於它包括三大基本模塊2V升壓電路，電池修復模塊和電池均衡模塊。每節電池包含1個2V升壓電路，其特徵在於電池正極與升壓電路的輸入端相連，升壓電路的輸出端與電池修復模塊和電池均衡模塊相連。每個電池修復模塊包括1個電壓識別電路，1個脈衝維護電路和1個穩壓電路。其特徵在於識別電路的輸入端與2V升壓電路的輸出端相連，電壓識別電路的輸出端與脈衝修復電路的輸入端連接，脈衝修復電路的輸出端接穩壓電路的輸入端，穩壓電路的輸出端接電池負極。每個電池均衡模塊包括由兩個場效應管、兩個二極體和一個儲能元件電感組成。每個均衡模塊有三個埠，分別與電池的升壓電路輸出端、電池的負極連接，另一埠與相鄰電池的負極連接。
全文摘要
電池管理系統，包括一組N節串聯蓄電池，N個電池修復模塊和(N-1)個電池均衡模塊。每節蓄電池並接一個電池修復模塊，N節電池與之對應有N個電池修復模塊。兩節電池與一個均衡模塊相接，N節電池有(N-1)個均衡模塊。其用於鉛酸蓄電池組，包括2V電池組的修復及均衡管理，是一種不僅能夠改善單體鉛酸蓄電池充放電特性，防止極板硫化，同時又可實現串聯電池組雙向無損均衡充放電的電源管理系統，從而真正延長鉛酸蓄電池的使用壽命。
文檔編號H02J7/00GK102201682SQ20101013293
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月25日 優先權日2010年3月25日
發明者不公告發明人 申請人:威海中創國際貿易有限公司