專利名稱：基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)及其管理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電池組管理系統(tǒng)，尤其是一種基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系 統(tǒng)及其管理方法。
背景技術(shù)：
術(shù)語(yǔ)定義單電池非串聯(lián)的基本電池單元。單電壓?jiǎn)坞姵氐碾妷?。串?lián)數(shù)電池組中串聯(lián)方式連接的單電池的個(gè)數(shù)或用N表示。均衡電流調(diào)節(jié)單電池電量時(shí)的電流。單節(jié)電池的使用，電池管理系統(tǒng)最簡(jiǎn)單，串聯(lián)使用時(shí)情況則不同。電池的一致性決 定了電池的性能，壽命和安全性，即只要有一個(gè)電池的性能變差，整個(gè)電池組的性能都將變差。1、其中有一個(gè)電池的容量偏低，結(jié)果是充電時(shí)這個(gè)電池首先達(dá)到充電上限截止電 壓，而放電時(shí)首先達(dá)到放電下限截止電壓。那么這個(gè)電池的容量決定這個(gè)電池組的容量。2、如果初始狀態(tài)有一個(gè)電池的電壓偏低，充電時(shí)這個(gè)電池達(dá)不到截止電壓而不能 充滿。放電時(shí)這個(gè)電池首先到達(dá)放電截止。電池沒(méi)充滿電又提前把電放完，實(shí)際可用的電 量由這個(gè)電池的容量決定。3、如果一個(gè)電池的極化阻抗和內(nèi)阻偏高，充電時(shí)電池電壓上升快，放電時(shí)電池電 壓下降快。就某一次測(cè)試的表現(xiàn)來(lái)看就是這個(gè)電池的容量不足，負(fù)載能力下降。充放電時(shí) 的溫度偏高。電池制造過(guò)程中提高電池的一致性還有相當(dāng)大的難度且需要較大投入并將大幅 度提高電池的制造費(fèi)用導(dǎo)致電池價(jià)格高而不利于電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。目前電池制造 商或電池組合工廠采用嚴(yán)格的篩選方法進(jìn)行電池匹配來(lái)提高電池的一致性。但即使是嚴(yán)格 匹配后的電池，在循環(huán)的初期就表現(xiàn)出可見(jiàn)的差別。放電的中值電壓在一開(kāi)始就有較大差 別。采用電池匹配的有效性不盡人意。尤其需要強(qiáng)調(diào)的是隨電池循環(huán)次數(shù)的增加，電池一 致性改變程度的不可檢測(cè)性。電池的工作條件和環(huán)境也會(huì)對(duì)一致性產(chǎn)生影響?？傊?，復(fù)雜 多樣的影響因素使得決定論的普遍和精確的規(guī)律難以獲得。除了在電池本身的一致性方面下功夫外，另一種解決方案——電池均衡管理愈來(lái) 愈顯示出重要性。均衡管理通過(guò)電量轉(zhuǎn)移的方式調(diào)節(jié)每節(jié)電池的電量。原則上均衡管理不 僅能解決電池一致性的問(wèn)題，而且能夠使串聯(lián)電池組中性能最差的那個(gè)電池的壽命得到延 長(zhǎng)，同時(shí)電池性能的改進(jìn)也將使得電池安全性得到改善，因?yàn)殡姵匦阅茏儾詈?，安全性也隨 之降低。電池的續(xù)航里程和使用期限及電池成本決定了電動(dòng)汽車的命運(yùn)。均衡管理正是涉 及到電動(dòng)汽車性能攸關(guān)的重要一環(huán)。采用均衡管理，電池的一致性要求明顯降低，制造過(guò)程 簡(jiǎn)單化，成本也會(huì)大幅下降，只要單電池的性能滿足要求，電池組的性能就能滿足要求。中 國(guó)電池企業(yè)眾多，層次參差不齊。均衡管理技術(shù)的應(yīng)用不單能提高中國(guó)電池的地位，而且能使更多企業(yè)有能力加入到電動(dòng)汽車及其相關(guān)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)中，讓整個(gè)行業(yè)更加繁榮興旺。有 效可靠的均衡管理系統(tǒng)將極大促進(jìn)電動(dòng)汽車的發(fā)展。其本身有將成為隨電動(dòng)汽車，電動(dòng)公 交，包括電動(dòng)自行車，電動(dòng)摩托車，大型蓄能裝置，電動(dòng)工具，通訊基站備用電源，軍事電源 等電池應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展而壯大的新興產(chǎn)業(yè)。但是目前均衡管理的問(wèn)題尚未得到有效解決。電池均衡的實(shí)現(xiàn)大多基于兩個(gè)基本 物理概念電流分流與電量轉(zhuǎn)移。電流分流是將電壓高的電池的電量經(jīng)由電阻放掉。這個(gè)方法的電路結(jié)構(gòu)和控制 都比較復(fù)雜，電阻發(fā)熱量大，均衡電流受限制，很難超過(guò)1A，只適合小容量，串聯(lián)電池?cái)?shù)少的 場(chǎng)合。而且只用于充電時(shí)的均衡，放電時(shí)無(wú)實(shí)際意義。目前在電池容量l_3Ah，串聯(lián)電池?cái)?shù) 2-5的電動(dòng)工具產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。MAXIM，Intersil，02等美國(guó)公司都有專用的產(chǎn)品，也可由 MCU技術(shù)實(shí)現(xiàn)。電量轉(zhuǎn)移方法的典型電路結(jié)構(gòu)是美國(guó)TI公司提義，并在業(yè)界被普遍推崇的 雙向無(wú)損概念。但這個(gè)思路更復(fù)雜，分立元器件多，控制的復(fù)雜程度也更高。要求每個(gè)電池 配備一個(gè)均衡回路，可靠性下降，成本上升，幾乎無(wú)法維護(hù)。如果要求較大的均衡電流則各 種問(wèn)題將會(huì)更加突出。每節(jié)電池需要兩個(gè)功率M0S，一旦有一路器件損壞，產(chǎn)生短路的風(fēng)險(xiǎn) 極高。這對(duì)電池和整車的安全性是極為不利的。雙向無(wú)損概念的誘人之處是把電壓高的電池的電量轉(zhuǎn)移到電壓低的電池上去，但 是要通過(guò)鄰接的電池逐個(gè)傳遞電量，這種多次能量傳遞回導(dǎo)致更大的能量損失，這對(duì)放電 過(guò)程的均衡不利。這個(gè)方法同樣難以實(shí)現(xiàn)大電流均衡的問(wèn)題。電動(dòng)汽車電池容量常都在 IOOAh左右，電動(dòng)公交達(dá)到200Ah。過(guò)小的均衡電流將失去均衡的意義，大電流均衡的各種 原理并不復(fù)雜。困難在于可實(shí)現(xiàn)性差，可靠性低，安全風(fēng)險(xiǎn)大，成本高。因此目前的電動(dòng)汽 車電池管理系統(tǒng)多為數(shù)據(jù)檢測(cè)采集為主，少有管理的功能。本發(fā)明提出能夠?qū)崿F(xiàn)充電和放 電都能進(jìn)行大電流均衡，簡(jiǎn)單可靠易于實(shí)現(xiàn)的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和裝置，能夠有效 解決目前大容量多節(jié)電池串量電池組管理系統(tǒng)存在的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)， 包括電源，電源與串聯(lián)電池組相連，還包括與電源相連的主控制器，依次相連的電機(jī)、臺(tái)架 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)臺(tái)架，移動(dòng)臺(tái)架上安裝移動(dòng)控制器及電容均衡裝置，移動(dòng)控制器連接至少兩 個(gè)觸點(diǎn)檢測(cè)觸點(diǎn)，移動(dòng)控制器與電容均衡裝置連接，電容均衡裝置的電容兩端設(shè)有管理觸 點(diǎn)，串聯(lián)電池組每節(jié)電池均連接兩個(gè)觸點(diǎn)，電機(jī)與主控制器連接。優(yōu)選的，所述主控制器和移動(dòng)控制器為單片機(jī)、PLC控制電路、DSP中的任意一種。優(yōu)選的，所述電容均衡裝置上設(shè)有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。優(yōu)選的，所述主控制與移動(dòng)控制器連接。優(yōu)選的，所述主控制器與串聯(lián)電池組之間連接有充電開(kāi)關(guān)。
優(yōu)選的，所述主控制器與串聯(lián)電池組之間連接有放電開(kāi)關(guān)。優(yōu)選的，所述充電開(kāi)關(guān)為MOS開(kāi)關(guān)、IGB開(kāi)關(guān)、繼電器中的任意一種。優(yōu)選的，所述放電開(kāi)關(guān)為MOS開(kāi)關(guān)、IGB開(kāi)關(guān)、繼電器中的任意一種。優(yōu)選的，所述主控制器和步進(jìn)電機(jī)均通過(guò)電源連接。優(yōu)選的，所述電容為普通電容器或超級(jí)電容器或任何類型的電池。
本發(fā)明還提供一種基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)的管理方法，串聯(lián)電池組 開(kāi)始工作的同時(shí)，移動(dòng)控制器順序檢測(cè)電池組中每節(jié)電池電壓、電流、溫度，當(dāng)任意一節(jié)電 池電壓低于或高于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，移動(dòng)控制器將信息傳給上位機(jī)，上位機(jī)向主控制器發(fā)送指令 使電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)臺(tái)架移動(dòng)，直至管理觸點(diǎn)與待均衡電池正、負(fù)相接，電容管理裝置為待均衡 電池充或者放電。


圖1為本發(fā)明一種具體實(shí)施例的控制系統(tǒng)框圖；圖2為本發(fā)明另一種具體實(shí)施例的電容均衡裝置的排列分布簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖，下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。一種基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，包括電源，電源與串聯(lián)電池組相連，還 包括與電源相連的主控制器，依次相連的電機(jī)、臺(tái)架運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)臺(tái)架，移動(dòng)臺(tái)架上安裝 移動(dòng)控制器及電容均衡裝置，移動(dòng)控制器連接至少兩個(gè)觸點(diǎn)檢測(cè)觸點(diǎn)，移動(dòng)控制器與電容 均衡裝置連接，電容均衡裝置的電容兩端設(shè)有管理觸點(diǎn)，串聯(lián)電池組每節(jié)電池均連接兩個(gè) 觸點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)與主控制器連接。所述主控制器和移動(dòng)控制器為單片機(jī)。所述電容均衡裝 置上設(shè)有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。所述主控制與移動(dòng)控制器連接，主控制器可以是上位機(jī)。所述主控制 器與串聯(lián)電池組之間連接有充電開(kāi)關(guān)。所述主控制器與串聯(lián)電池組之間連接有放電開(kāi)關(guān)。 所述充電開(kāi)關(guān)為MOS開(kāi)關(guān)、IGB開(kāi)關(guān)、繼電器中的任意一種。所述放電開(kāi)關(guān)為MOS開(kāi)關(guān)、IGB 開(kāi)關(guān)、繼電器中的任意一種。所述主控制器和步進(jìn)電機(jī)均通過(guò)電源連接。所述電容為普通 電容器或超級(jí)電容器或任何類型的電池。本發(fā)明還提供一種基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)的管理方法，串聯(lián)電池組 開(kāi)始工作的同時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)臺(tái)架運(yùn)動(dòng)，安裝在臺(tái)架上電容器和管理觸點(diǎn)隨之運(yùn)動(dòng)，管理 觸點(diǎn)與電池觸點(diǎn)接觸后就實(shí)現(xiàn)了電池與電容器之間的能量轉(zhuǎn)移，不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程即實(shí)現(xiàn) 了電池組的均衡。一個(gè)臺(tái)架上可攜帶多個(gè)電容加快均衡的進(jìn)度，同時(shí)也可用體積小的小容量電容 器，節(jié)省尺寸空間。其實(shí)施例之一見(jiàn)圖1。在上述的基本實(shí)施例的基礎(chǔ)上，還可在移動(dòng)臺(tái)架上安裝電容器觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)和移動(dòng)控 制器?？刂破髂軐㈦姵氐碾妷?，溫度，內(nèi)阻，變形等參數(shù)檢測(cè)出來(lái)，并根據(jù)電池的狀態(tài)控制觸 點(diǎn)開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)有選擇的均衡。加設(shè)電源后，可對(duì)主控制器和電機(jī)供電。上述描述僅為本發(fā)明的一種具體實(shí)施例，其中串聯(lián)電池組的觸點(diǎn)整體布局可為環(huán) 形結(jié)構(gòu)或多環(huán)形式、直線結(jié)構(gòu)、矩陣結(jié)構(gòu)、層疊結(jié)構(gòu)中的任意一種。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方式也可以 為環(huán)形循環(huán)運(yùn)動(dòng)、直線形往復(fù)循環(huán)均衡、矩陣循環(huán)方式。管理觸電與電池觸點(diǎn)還可以采用其 他方式連接，例如采用伸縮式觸點(diǎn)，控制器控制臺(tái)架運(yùn)動(dòng)到指定位置，再由控制器控制觸點(diǎn) 的動(dòng)作。這樣可以實(shí)現(xiàn)跳躍式的，重點(diǎn)對(duì)某些電池進(jìn)行均衡和檢測(cè)。當(dāng)串聯(lián)電池組的觸點(diǎn) 排列為環(huán)形或多環(huán)，移動(dòng)臺(tái)架單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)的工作方式時(shí)，電源和上位機(jī)的信號(hào)線可以通 過(guò)安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的導(dǎo)電滑環(huán)引到檢測(cè)單元和控制器。信號(hào)或數(shù)據(jù)的發(fā)送與接受也可用無(wú) 線或紅外方式實(shí)現(xiàn)，以減少滑環(huán)的數(shù)量。也可正反兩個(gè)方向非整圈旋轉(zhuǎn)，這樣就可使用導(dǎo)線而不用滑環(huán)。還可以設(shè)置多個(gè)相互獨(dú)立的移動(dòng)臺(tái)架，可用于同時(shí)均衡多個(gè)電池，提高效率；在電容管理裝置上設(shè)置開(kāi)關(guān)，移動(dòng)控制器控制電容的開(kāi)關(guān)；當(dāng)串聯(lián)電池組為環(huán)形時(shí)，可通過(guò)安裝滑環(huán)使移動(dòng)臺(tái)架上轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到均衡管理的目 的，也可以通過(guò)單圈往復(fù)檢測(cè)；主控制器和移動(dòng)控制器可向計(jì)算機(jī)或其他類型的上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或者接收指令。在串聯(lián)電池組電量接近充滿時(shí)，主控制器控制充電開(kāi)關(guān)間歇式開(kāi)、關(guān)，以提高電池 均衡管理的安全性，并在串聯(lián)電池組電量充滿后關(guān)閉充電開(kāi)關(guān)。本發(fā)明可通過(guò)檢測(cè)電池電壓、電流、溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析判斷，根據(jù)數(shù)據(jù)的 具體情況進(jìn)行相應(yīng)的均衡管理，由于采用電容器的均衡原理簡(jiǎn)單直觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)?？煽啃愿叱杀镜?。維 修維護(hù)更換方便。電容器充放電速度快，因此容易實(shí)現(xiàn)大電流均衡。檢測(cè)到的數(shù)據(jù)可以通 過(guò)總線或無(wú)線或紅外方式傳送。檢測(cè)到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)總線或無(wú)線或紅外方式傳送。本發(fā)明的應(yīng)用適合于任何類型電池構(gòu)成的串聯(lián)電池組，串聯(lián)電容器組或超級(jí)電容 器組等類似電能存儲(chǔ)裝置中的每個(gè)儲(chǔ)能元件的均衡管理同時(shí)進(jìn)行電壓，溫度，內(nèi)阻，變形等 電池參數(shù)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理與發(fā)送。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例子，顯然，本發(fā)明不 限于以上實(shí)施例子，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容直 接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，包括電源，電源與串聯(lián)電池組相連，還包括與電源相連的主控制器，依次相連的電機(jī)、臺(tái)架運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)臺(tái)架，移動(dòng)臺(tái)架上安裝移動(dòng)控制器及電容均衡裝置，移動(dòng)控制器連接至少兩個(gè)觸點(diǎn)檢測(cè)觸點(diǎn)，移動(dòng)控制器與電容均衡裝置連接，電容均衡裝置的電容兩端設(shè)有管理觸點(diǎn)，串聯(lián)電池組每節(jié)電池均連接兩個(gè)觸點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)與主控制器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述主 控制器和移動(dòng)控制器為單片機(jī)、PLC控制電路、DSP中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電 容均衡裝置上設(shè)有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述主 控制與移動(dòng)控制器連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述主 控制器與串聯(lián)電池組之間連接有充電開(kāi)關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述主 控制器與串聯(lián)電池組之間連接有放電開(kāi)關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述充 電開(kāi)關(guān)為MOS開(kāi)關(guān)、IGB開(kāi)關(guān)、繼電器中的任意一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述放 電開(kāi)關(guān)為MOS開(kāi)關(guān)、IGB開(kāi)關(guān)、繼電器中的任意一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述主 控制器和步進(jìn)電機(jī)均通過(guò)電源連接。所述電容為普通電容器或超級(jí)電容器或f任何類型的電 池。
10.一種如權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)的管理方法，其特 征在于，串聯(lián)電池組開(kāi)始工作的同時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)臺(tái)架運(yùn)動(dòng)，安裝在臺(tái)架上電容器和管理 觸點(diǎn)隨之運(yùn)動(dòng)，管理觸點(diǎn)與電池觸點(diǎn)接觸后就實(shí)現(xiàn)了電池與電容器之間的能量轉(zhuǎn)移，不斷 重復(fù)這個(gè)過(guò)程即實(shí)現(xiàn)了電池組的均衡。一個(gè)臺(tái)架上可攜帶多個(gè)電容加快均衡的進(jìn)度，同時(shí) 也可用體積小的小容量電容器，節(jié)省尺寸空間。還可在移動(dòng)臺(tái)架上安裝電容器觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)和 移動(dòng)控制器?？刂破髂軐㈦姵氐碾妷?，溫度，內(nèi)阻，變形等參數(shù)檢測(cè)出來(lái)，并根據(jù)電池的狀態(tài) 控制觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)有選擇的均衡。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，包括電源，電源與串聯(lián)電池組相連，還包括與電源相連的主控制器，依次相連的電機(jī)、臺(tái)架運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)臺(tái)架，移動(dòng)臺(tái)架上安裝移動(dòng)控制器及電容均衡裝置，移動(dòng)控制器連接至少兩個(gè)觸點(diǎn)檢測(cè)觸點(diǎn)，移動(dòng)控制器與電容均衡裝置連接，電容均衡裝置的電容兩端設(shè)有管理觸點(diǎn)，串聯(lián)電池組每節(jié)電池均連接兩個(gè)觸點(diǎn)，電機(jī)與主控制器連接。串聯(lián)電池組開(kāi)始工作的同時(shí)，移動(dòng)控制器順序檢測(cè)電池組中每節(jié)電池電壓，當(dāng)任意一節(jié)電池電壓低于或高于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，移動(dòng)控制器將信息傳給上位機(jī)，上位機(jī)向主控制器發(fā)送指令使電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)臺(tái)架移動(dòng)，直至管理觸點(diǎn)與待均衡電池正、負(fù)相接，電容管理裝置為待均衡電池充或者放電。
文檔編號(hào)H01M10/42GK101882803SQ201010201088
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者李小平 申請(qǐng)人:李小平