一種電池陣列的均衡控制系統及方法
2023-09-17 12:31:55 2
專利名稱：一種電池陣列的均衡控制系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種電池陣列裝置，特別涉及一種電池陣列的均衡控制系統及方法。
背景技術：
電動汽車以節能環保、結構簡單、易於普及等優點得到了很大的發展，得到廣泛應用。電動汽車是全部或者部分由電能驅動電機作為動力系統的汽車，因此，電池管理系統作為電動汽車的動力系統在整個電動汽車中具有舉足輕重的作用。一個好的電池管理系統可以確保車輛的行駛安全、增加電池使用壽命、提供給駕駛員有用的信息、減少能源消耗等。在本發明之前，已有的一些電動車的電池管理系統能夠對單個電池的溫度、電壓和電流進行檢測，對單組電池性能進行監控維護，也能對整個電池組的使用情況進行分析、 SOC估測顯示等，從而進行智能充電管理，延長電池壽命等。但是，這些電池管理系統通常只能在電池出現故障的時候才進行提示和報警功能，以提醒使用者進行更換或處理等，如果使用者處在必須使用電動車的情況下繼續使用， 則勢必將會對電池組造成損壞。另外，電動車需要許多的電池組成電池組，使用過程中出現的溫度過高的情況也時有發生，僅僅依靠風扇進行降溫顯然是不夠的。
發明內容
本發明的目的就在於克服上述缺陷，設計、研製一種電動車電池陣列的均衡控制系統及方法。本發明的技術方案是一種電池陣列的均衡控制系統，電池陣列由M*N個電池組成，其主要技術特徵在於在每一列的末尾曾加一個備用電池，再增加一列電池作為備用電池組，BMS 二級模塊中電池管理晶片採集溫度、電流、電壓信號，經K線輸送至BMS —級模塊。本發明的另一技術方案是電池陣列的均衡控制方法，其主要技術步驟在於(I)BMS 二級模塊將電池的電壓、電流、溫度數據通過K線傳輸到一級模塊；(2)BMS—級模塊將接收到的數據與存儲在其內部的歷史數據進行比較若沒有出現問題，則發出指令讓電池組正常運轉；若通過比較發現有故障的電池後，給BMS 二級模塊發送替換指令；(3)BMS 二級模塊接收到BMS —級模塊的替換指令後，利用繼電器對故障電池進行切換，將有故障的電池斷開，同時將備用電池接上；(4)切換完成後達到一個單個電池替換均衡功能；(5)當BMS—級模塊發現一列電池中有2個及以上電池出現故障時，向BMS 二級模塊發送單組電池切換指令，通過繼電器切斷故障電池組，把備用電池組接上；(6)在正常運行中，BMS 二級模塊將控制單個電池輪換，BMS 一級模塊控制電池組輪換。
本發明的優點和效果在於一旦某電池出現故障，則另一備用電池立即自動替換之，當電池組中二個及以上的電池出現故障，則立即自動替換這一電池組；在電池未出現故障時，則備用單個電池替換另一正常使用的電池，稱為輪換；備用的一組電池組替換另一正常使用的電池組，以此預防電池出現故障。由此可知，本發明的應用大大提高了電池使用壽命，並能夠保證長時間正常運行，出現故障可自動消除，從而解決了電動車發展過程電池管理的瓶頸。本發明的其他優點和效果將在下面繼續說明。
圖1——本發明中BMS備用電池(含備用電池)方框原理示意圖。圖2——本發明中(電池陣列)每一行、列增加備用電池的示意圖。圖3——本發明中(電池陣列含風扇)每一矩陣中增加一行、一列備用電池組示意圖。圖4——本發明中先串後並單個電池替換示意圖(A為出現故障電池、B為備用電池替換故障電池後)。圖5——本發明中先並後串單個電池替換示意圖(C為出現故障電池、D為備用電池替換故障電池後)。圖6——本發明中先串後並整組電池替換示意圖(E為出現故障電池組、F為備用電池組替換故障電池組後)。圖7——本發明中先並後串整組電池替換示意圖(G為出現故障電池組、H為備用電池組替換故障電池組後)。圖8——本發明中BMS —級模塊軟體流程示意圖。圖9——本發明中BMS 二級模塊軟體流程示意圖。
具體實施例方式本發明的系統原理如圖1 (電動車應用)所示首先，每節電池連接到BMS 二級模塊中的電池管理晶片的電壓、電流測量引腳；接著帶溫度傳感器的電池管理晶片將會採集單個電池的電壓、電流、溫度等參數，並將其通過 K線上傳到BMS —級模塊。在BMS —級模塊中，系統將採集到的數據與系統中事先存儲的歷史數據比較，並將比較判斷的結果再通過K線傳給BMS 二級模塊。BMS —級模塊分別連接上位機軟體和設備、電池組檢測模塊。BMS —級模塊通過車身CAN總線系統連接BMS診斷模塊、充電模塊、儀表顯示模塊。BMS 二級模塊根據收到的處理結果，採取相應的措施，如有故障則控制繼電器將單個故障電池斷開，同時將備用電池接上。另外在一段時間後，BMS 二級模塊將使單個工作電池輪換。BMS —級模塊負責測量整組的電池組的電壓、電流、溫度等參數，並且管理整組電池組的輪換工作，同時將測量的數據和接收到的BMS 二級模塊數據進行比較。若判斷有整組電池組出現故障，則由BMS—級模塊負責整組電池組的替換工作。 BMS包括BMS —級模塊、BMS 二級模塊及控制裝置，BMS 一級模塊還包括BMS診斷模塊。本發明適用於(M+1)*(N+1)的電池陣列。電池陣列的組成如附件圖2所示M代表電池陣列的行數，N代表電池陣列的列數。在I-N列每列增加一個備用電池，同時在電池陣列中再增加一列備用電池組。所以整個電池陣列將由M*N個工作電池和 M+N+1個輪換備用電池組成。電池陣列由6*8個工作電池和15個輪換備用電池組成。其組成方式有兩種見圖 2、3，第一種為先串後並，也就是說先由6個12V的電池串成一組72V的電池，再由8組這樣的電池組組成工作所需的電池陣列。另外每一組電池配有一個備用電池，然後再在電池陣列中配備一組備用電池組；第二種方式為先並後串，每一組電池由8個電池並聯而成，再將 6組這樣的電池組串在一起組成工作電池陣列。備用電池的放置同第一種方式類似。下面是具體說明。如圖2所示在一電池陣列中，每列從1、2、3、-—至N;每行從1、2、3、-—至M ；第N+1則為備用電池組，第M+1行為單個備用電池。如圖3所示本例中，取8列、6行，當然不受此限；在每一列的末尾增加一個備用電池，同時再增加一列作為備用電池組，從第一組到第八組為列，第一組到第六組為行。每個電池旁設置散熱風扇。如圖4所示先串後並單個電池的替換情形說明A為出現故障電池的情形，舉例說明是從上至下第2個電池出現故障，故障原因是該電池出現工作電壓或電流或溫度超出了正常範疇，BMS 二級模塊中的電池管理晶片將出現溫度或電流或電壓故障的信號採集到後傳送至BMS —級模塊，即報警是由BMS 二級模塊測量得到，送至BMS —級模塊來判斷，決定是否替換；具體分析是，首先將對其首次報警並標記為黃色或紅色警告，如果其屬於物理性毀壞，就必須用好的備用電池將其替換下來，B 為備用電池替換故障電池後的情形，BMS —級模塊通過BMS 二級模塊中的電池管理晶片，給繼電路線圈通電，使原來接通的繼電器的常閉觸頭斷開，出現故障的電池被斷開，同時使繼電器常開觸頭接通，使備用電池被接通，從而實現備用電池替換出現故障電池的功能和作用。這裡的繼電器也可以用MOS管代替。但被標記為黃色警告的電池還可以將其作為備用電池參與下一次的充電和輪換；如果再次充電後，該電池恢復其特性並在使用過程中沒有出現問題，則該電池將參與正常的工作和輪換。但是如果該電池第二次依然出現故障，則直接將其標記為紅色使其退出輪換。並且發出報警和更換提示，提醒用戶維修或更換該電池。如圖5所示先並後串單個電池替換情形說明C為出現故障電池的情形，舉例說明是從左至右第2個電池出現故障，故障原因是該電池出現工作電壓、電流、溫度超出了正常範疇，BMS將對其首次報警並標記為黃色或紅色警告，如果其屬於物理性毀壞，就必須用好的備用電池將其替換下來，D為備用電池替換故障電池後的情形。但被標記為黃色警告的電池還可以將作為備用電池參與下一次的充電和輪換；如果再次充電後，該電池恢復其特性並在使用過程中沒有出現問題，則該電池將參與正常的工作和輪換。但是如果該電池第二次依然出現故障，則直接將其標記為紅色使其退出輪換。並且發出報警和更換提示，提醒用戶維修或更換該電池。如圖6所示
先串後並整個電池組替換情形說明E為出現故障電池組的的情形，從本例中可以看出，有八組(列)，從左至右，第二組出現二個或二個以上電池故障，則用備用電池組將此一組電池組全部替換，F為備用電池組替換故障電池組後的情形。其他的情形如圖4、5的說明。如圖7所示先並後串整個電池組替換情形說明G為出現故障電池組的情形，從本例中可以看出，有六組(行)，從上向下，第二組出現二個或二個以上電池故障，則用備用電池組將此一組電池組全部替換，H為備用電池組替換故障電池組後的情形。其他的情形如圖4、5的說明。在電池沒有出現故障情形下，本發明將對電池及電池組進行輪換休息，以降低出現故障的可能性。在每個電池組中安裝有一個備用電池，與此同時在整個電池陣列中再設有一個備用的電池組。備用電池和電池組，在正常的運行狀態下不參與工作，處於待命或是替補的狀態。電池陣列工作了一段時間並且完成充電後，用備用電池將先前處於工作狀態的電池輪換下來。這樣可以保證整個電池陣列中每個電池特性後致性，且使每個電池都參與工作並且得到休息。輪換的機制如下，整個電池陣列組成如圖3所示。當工作了一段時間後並且完成了一次充電，用單個的備用電池輪換本組電池中的1號電池，在下一個循環再將2號電池輪換，接下來2號電池在正常充電完好後就成為該組的備用電池。依次類推循環輪換，整組電池的輪換機制同單個電池一樣，但是輪換周期可定義為5到7天。另外，充分輪換後可確保每個電池的化學特性和壽命的一致性。因此，可以說大大提高了電池的壽命，並保證電池及電池組長時間正常工作。再次說明並分析本發明備用電池替換原理及方法當電池管理系統判斷有單個的電池或是電池組出現故障時，系統將用備用電池或電池組將其替換下來。替換方法如下，二級控制模塊首先將有問題的那組電池和整個電池陣列斷開。接下來二級控制模塊會確定具體是本組電池中的哪一個電池出現了故障，將出故障的電池斷路掉，也就是將此電池退出工作狀態。最後再將備用電池加入到電池組中，待檢測沒有問題後二級控制模塊會將原先出故障的電池組加入到整個電池陣列中。但是如果控制模塊檢測到同一個電池組中2個或是2個以上電池同時出現問題時，這時就需要將整個電池組從工作狀態退出，用備用電池組將其整體替換，以保證整個電池陣列工作正常。替換的步驟同單個電池一樣。備用電池策略提高了系統的可靠性，在有少數電池出現故障的情況下仍然可以保證整個系統正常工作。可以簡單的計算一下普通電池陣列和加備用電池的電池陣列之間可靠性差別假設普通電池陣列是由6*8 (也就是8列，一列6個)個電池組成，單個電池的故障率為0. 1%。則整個電池陣列的故障率將為4. 69%，因為只要有一個電池出現故障，整個電池陣列都會受到影響，同時損壞的面積將會逐漸的擴大。下面再來看一下加了備用電池的電池陣列的可靠性。電池陣列同樣由6*8個電池組成，單個電池的故障率同為 0. 1%，所不同的是在電池陣列的每一組增加一個備用電池。正常情況下備用電池是不參與工作的，備用電池可以使單列的故障率降低到0. 00359%，整個電池陣列的故障率降低到
0. 000288% ο所以即使電池陣列出現了故障，經過備用電池的替換，仍然可以保證整個系統正常工作，可靠性和原來相比有了很大程度的提高，同時也阻止了故障電池的進一步損壞。與此同時，電池組每一次的輪換和故障情況都將存儲到EEPROM中以備查詢或是在上位機軟體中進行分析。再次說明電池組內一個電池故障處理過程當一組電池中的一個電池有故障後先斷開整組電池，然後把故障電池斷開，這樣故障電池就被退出了工作狀態。同時把備用電池接上，如果檢測沒有問題的話，再將整個電池組接入到工作組中。此替換策略適用於先串後並和先並後串兩種電池組連接方式，見圖 4和圖5。整個替換過程是由模塊自動控制進行的，並不需要用戶的參與。經過替換後，電池組仍然可以正常工作，同時將故障電池隔離保護起來，避免其進一步的受到損壞，並且阻止了受損的面積進一步的擴大。再次說明整個電池組故障處理過程當一組電池中有多個電池出現故障後，整個電池組就成為故障電池組，替換單個電池不足以解決整個問題。這個時候就要將故障電池組斷開，同時把備用電池組接上去。見圖6和圖7。整個替換過程同替換單個電池步驟一樣，不同之處在於替換的是整個備用電池組。此替換方案可以用在中高檔的電動車電池管理系統中，和第一種替換方案形成高低搭配。備用電池組將整個電池組的可靠性提高到了一個很高的水平，即使發生了同一組電池中出現多個電池損壞的這種小概率情況，仍然可以保證整個系統正常工作，不會影響用戶的使用。再次說明電池組溫度過高降溫處理過程在每個電池上加一個散熱的風扇，如圖4所示當BMS系統檢測到電池組的環境溫度T環境過高時，會對整個電池組配套的可變速風扇進行驅動，風扇的驅動電流是可控的， 利用風扇對電池組進行降溫，溫度越高驅動電流越大，風扇轉的越快，增加空氣流動。將整個電池組的溫度控制在一個合理的範圍，避免電池因溫度過高而損壞。當檢測到環境溫度低於12°C時關閉通風口，保證電池組的溫度。另外如果單個電池的溫度高於整個電池組平均溫度10 %以上，就驅動此電池的風扇對其進行獨立降溫。工作溫度是電池的重要參數，在一定程度上可以反映電池的健康狀況。所以在電池損壞進行替換之前，電池降溫系統可以保證整個電池組工作在適合的溫度，降低其損壞的可能性。BMS軟體流程圖簡要說明如圖8、圖9所示。BMS 一級模塊流程圖說明上電以後進行一些初始化的工作，接著開始接收由BMS 二級模塊的測量數據。BMS 一級模塊負責SOC的估測、濾波和數據處理等工作。並將判斷結果返回給BMS 二級模塊，同時BMS—級模塊的測量控制單元將負責整組電池的監測和替換工作。此外用戶可以通過觸控螢幕或是PC和主模塊進行交互。BMS 二級模塊流程圖說明
上電後，BMS 二級模塊開始自檢，接著開始測量單個電池的電壓、電流、溫度等參數並和一級模塊進行交互。根據收到的判斷結果，對單個電池進行替換或是輪換操作。增加備用電池和溫度控制的電池管理系統可以顯著的提高整個電池組的可靠性和壽命。提出備用電池策略這個概念在業界來說也是一種創新的發明。相比較普通的電池組而言加了備用電池和溫度控制的電池組，雖然在成本和體積上有所增加，但解決了業界鋰電池在使用過程中的管理和均衡控制問題。由於鋰電池的體積本身就不大，所以體積上的增加對於整個系統而言並沒有太大的影響。至於增加的30%左右的成本相對於提高了幾個數量級的可靠性也是可以接受的。本電池管理系統和先前提出的大多數電池管理系統最大的不同之處在於提出了故障的處理。此前的電池管理系統只能給出故障提示和報警功能，但是無法處理故障。在有少數電池損壞的情況下可能直接導致整個電池組都不能正常的工作。不過用戶需要在少數電池出故障的情況下，仍然要能保持整個系統正常工作，而不是提心弔膽關注電池的黃色報警及其壽命問題。也就是說用戶希望整個系統有一個高的可靠性和一定的冗餘性。基於備用電池策略的電池管理系統正是在這樣的背景下提出的。備用電池策略具有以下優點1.電池組的輪換機制是每個電池都參與到工作之中，同時又可以輪換休息使電池保持一致性和良好的工作狀態。2.在備用電池之前，電池降溫系統是一個重要的環節。相當於起到一個預防的作用，減小了電池損壞的可能性。3.當電池降溫系統不能解決問題時，BMS將會啟用備用電池策略。備用電池使整個電池組的可靠性提高几個數量級，而且少數幾個電池損壞不會影響用戶正常的使用。4.備用電池策略提供了高低搭配的方案，在低檔的電動車中只提供單個的備用電池即可，而在中高檔的電動車中可以提供整組的備用電池進一步的提高整個系統的可靠性。通過以上的分析可知，採用備用電池的控制方法對於電池管理系統的可靠性提升是非常顯著的。更為重要的是它可以自動處理故障和預防故障，不影響用戶的正常使用而延長使用壽命，這在電動車電池管理中是非常重要的。本發明的原理可以延伸運用於新能源中的風力、光伏等電力設備的儲能櫃方面， 具有廣闊的應用前景。
權利要求
1.一種電池陣列的均衡控制系統，電池陣列由M*N個電池組成，其特徵在於在每一列的末尾曾加一個備用電池，再增加一列電池作為備用電池組，BMS 二級模塊中電池管理晶片採集溫度、電流、電壓信號，經K線輸送至BMS —級模塊。
2.根據權利要求1所述的一種電池陣列的均衡控制系統，其特徵在於BMS—級模塊分別連接上位機監控軟體及設備、電池組檢測模塊。
3.電池陣列的均衡控制方法，其步驟在於(DBMS 二級模塊將電池的電壓、電流、溫度數據通過K線傳輸到一級模塊；(2)BMS—級模塊將接收到的數據與存儲在其內部的歷史數據進行比較若沒有出現問題，則發出指令讓電池組正常運轉；若通過比較發現有故障的電池後，給BMS 二級模塊發送替換指令；(3)BMS二級模塊接收到BMS —級模塊的替換指令後，利用繼電器對故障電池進行切換，將有故障的電池斷開，同時將備用電池接上；(4)切換完成後達到一個單個電池替換均衡功能；(5)當BMS—級模塊發現一列電池中有2個及以上電池出現故障時，向BMS二級模塊發送單組電池切換指令，通過繼電器切斷故障電池組，把備用電池組接上；(6)在正常運行中，BMS二級模塊將控制單個電池輪換，BMS —級模塊控制電池組輪換。
4.根據權利要求3所述的電池陣列的均衡控制方法，其特徵在於在步驟( 中，電池故障屬於物理性毀壞，用紅色報警，用備用電池進行替換後不再使用；如果電池故障屬於非物理性毀壞，用黃色報警，用備用電池進行替換後，當作備用電池進行輪換。
5.根據權利要求4所述的電池陣列的均衡控制方法，其特徵在於如果電池故障屬於非物理性毀壞並被當作備用電池輪換時，該電池第二次依然出現故障，則直接將其標記為紅色使其退出輪換。
全文摘要
本發明涉及一種電池陣列的均衡控制系統及方法。本發明是在每一列的末尾曾加一個備用電池，再增加一列電池作為備用電池組，BMS二級模塊中電池管理晶片採集溫度、電流、電壓信號，經K線輸送至BMS一級模塊；電池的電壓、電流、溫度數據通過K線傳輸到一級模塊進行比較，發現有故障即替換，在正常運行中，BMS二級模塊將控制單個電池輪換，BMS一級模塊控制電池組輪換。本發明解決了過去只能在電池出現故障的時候進行提示和報警以及仍必須使用的情況下給電池組造成破壞的缺陷。本發明一旦發現某電池出現故障，則備用電池立即自動替換，未出現故障時備用單個電池替換另一正常使用的電池，稱為輪換，從而解決了電動車發展過程電池管理的瓶頸。
文檔編號H01M10/42GK102361099SQ20111021925
公開日2012年2月22日 申請日期2011年7月29日 優先權日2011年7月29日
發明者周劍明, 時慶春, 朱雷雷 申請人:南京華博科技有限公司