專利名稱：一種串聯(lián)電池組管理系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種串聯(lián)電池組管理系統(tǒng)，應用于鋰離子電池和鉛酸電池等作為儲能介質的新能源發(fā)電系統(tǒng)、智能電網(wǎng)、微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、銀行ATM機和UPS等。
背景技術：
在儲能領域，電池作為動力來源，必須串聯(lián)使用才能達到電壓要求，電池串聯(lián)成組使用一段時間后，單體電池之間的狀態(tài)差異逐漸顯現(xiàn)，不斷循環(huán)的充放電過程又加劇了其不一致性。電池成組后，充放電過程中，電池組發(fā)熱，在電池包內形成一定的溫度梯度，使各單體電池處于不同的環(huán)境溫度下，也會降低電池組整體的充放電能力。就成本而言，電池占據(jù)著大規(guī)模儲電系統(tǒng)總成本的1/3，串聯(lián)的電池組中只要一個單體失效，在沒有配備電池管理系統(tǒng)的情況下，整組電池很快報廢，極大地影響了電池組利用率，增加了成本負擔；并且電池狀態(tài)的不確定性會造成系統(tǒng)癱瘓、數(shù)據(jù)丟失。為確保電池性能良好，延長電池使用壽命，需要使用電池管理系統(tǒng)，對電池組在使用過程中進行管理，避免因為單體電池使用狀態(tài)的差異造成電池組整體性能的加速衰退。因此電池管理技術成為儲能技術實用化和市場化的關鍵技術?，F(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)主要適用于電動汽車領域，而應用于儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)則相對較少，而且目前的電池管理系統(tǒng)還存在如下一些問題:(I)采集數(shù)據(jù)的可靠性不高，準確率低，溫度采集點少，不能充分反映電池包內的溫度階梯；⑵SOC (荷電狀態(tài))的估算精度不高；(3)電池均衡通常只有 充電均衡，且常采用電阻耗散型均衡方式，在均衡過程中產(chǎn)生大量熱，不利于電池壽命，也給熱管理增加了負擔。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對目前電池管理系統(tǒng)存在的問題，提高系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準確性和可靠性以及SOC估算精度，通過合理的均衡控制方式來改善常用均衡方案存在的能量損耗和熱問題，并擴展了溫度采樣通道。為達到上述目的，本發(fā)明采取以下的技術方案:一種串聯(lián)電池組管理系統(tǒng)，由PACK保護單元、集中控制單元、CAN總線和上位機組成。PACK保護單元采集各單體電池的電壓和溫度信號，并控制各單體電池的均衡信號，同時估算各單體電池的剩余容量(SOC) ;PACK保護單元采集的電壓、溫度以及(SOC)估算的剩余容量數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)郊锌刂茊卧刑幚聿⑼ㄟ^與集中控制單元通訊連接的上位機顯示。每個電池管理系統(tǒng)根據(jù)實際應用情況，管理多個標準電池包，每個標準電池包對應一個PACK保護單元，采集標準電池包中各單體電池的電壓信號，負責各單體電池之間的均衡功能，同時采集溫度信號；PACK保護單元計算各單體電池的剩余容量，并根據(jù)采集到的溫度信號做出相應的熱管理操作。每個電池管理系統(tǒng)包含一個集中控制單元，集中處理所有PACK保護單元傳輸?shù)碾妷?、溫度、剩余容量?shù)據(jù)，并與上位機通訊。PACK保護單元包括標準電池包、第一微控制器、電壓采集模塊、溫度采集模塊、SOC估算模塊、熱管理模塊、均衡控制模塊，電壓采集模塊、溫度采集模塊和均衡控制模塊都與標準電池包中各單體電池正負極對應電連接；第一微控制器與溫度采集模塊、均衡控制模塊對應電連接，第一微控制器與電壓采集模塊通過SPI總線通訊連接；第一微控制器通過CAN隔離收發(fā)器、CAN總線與集中控制單元通訊連接。電壓采集模塊由電壓信號采集芯片和濾波電路組成，采集標準電池包中各單體電池的電壓信號，通過SPI總線傳輸?shù)降谝晃⒖刂破?；溫度采集模塊由包含負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC的溫度采集電路和多路選擇開關組成，第一微控制器控制多路選擇開關來采集標準電池包中各單體電池的極耳溫度和不同點空氣溫度；第一微控制器通過SOC估算模塊計算各單體電池的剩余容量，并根據(jù)采集到的溫度信號通過熱管理模塊作出相應的熱管理操作；PACK保護單元的數(shù)據(jù)經(jīng)CAN隔離收發(fā)器通過CAN總線傳輸?shù)郊锌刂茊卧榱藢崿F(xiàn)電池管理系統(tǒng)中的電池均衡控制，上述技術方案作如下改進:均衡控制模塊包含補電均衡控制部分和耗散均衡控制部分。補電均衡控制部分包括DC-DC隔離電源模塊，DC-DC隔離電源模塊的輸入端通過補電控制開關與補電電源對應電連接，DC-DC隔離電源模塊的輸出端與各單體電池的正負極對應電連接，在充電、靜置和放電時，PACK保護單元的微控制器將采集到的標準電池包中各單體電池的電壓信號與平均電壓(平均電壓=電池組端電壓/電池個數(shù))相比較，當某單體電池電壓低于平均電壓一定值，第一微控制器啟動該單體電池的補電均衡電路，打開補電控制開關，使補電電源通過DC-DC隔離電源模塊給該電池補電。耗散均衡控制部分包括耗散電阻和耗散控制開關，耗散控制開關與耗散電阻串聯(lián)后與各單體電池的正負極對應電連接，在充電、靜置和放電時，當某單體電池電壓高于平均電壓一定值，PACK保護單兀的第一微控制器啟動該單體電池的耗散均衡電路,打開耗散控制開關，使該單體電池的部分能量通過耗散電阻釋放。上述補電電源可以是串聯(lián)電池組本身，也可以是外部獨立電源；耗散均衡控制部分可由第一微控制器控制，也可由帶有均衡控制功能的電池管理芯片控制。集中控制單元負責電流信號采集、數(shù)據(jù)處理、告警和通訊。集中控制單元包括第二微控制器、電流采集模塊、告警模塊、液晶顯示模塊、總線開關控制模塊和通訊模塊。第二微控制器通過CAN總線與PACK保護單元通訊連接，第二微控制器由通訊模塊通過485總線與上位機通訊連接；各PACK保護單元的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)郊锌刂茊卧ㄟ^液晶顯示模塊和上位機顯示各單體電池的電壓、電流、溫度、剩余容量信息。電流信號采集模塊包括霍爾電流傳感器和信號調理電路，霍爾電流傳感器的電壓信號通過信號調理電路和A/D變換器傳輸?shù)降诙⒖刂破?，由第二微控制器計算出總線電流大小，判斷總線開關是否需要動作。上位機用于顯示管理系統(tǒng)中所有單體電池的狀態(tài)，包括電壓、電流、溫度信息、均衡信息、告警信息、充放電情況和剩余容量。本發(fā)明提供一種適用于鋰離子電池和鉛酸電池等作為儲能介質的新能源發(fā)電、微網(wǎng)發(fā)電和智能電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的串聯(lián)電池組管理系統(tǒng)，能夠實時對儲能系統(tǒng)進行監(jiān)控和保護，克服了常用均衡控制方式的能量損耗和熱問題，最大程度地延長電池壽命，充分發(fā)揮了電池的儲能作用。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結構框圖；圖2為電池均衡控制電路圖；圖3為電池均衡控制流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明內容作進一步說明。如圖1所示,本發(fā)明由PACK保護單元1、PACK保護單元2、集中控制單元、CAN總線和上位機組成。PACK保護單元I包括由單體電池I 12串聯(lián)的標準電池包，PACK保護單元2包括由單體電池13 24串聯(lián)的標準電池包；PACK保護單元I和PACK保護單元2均由第一微控制器、電壓采集模塊、溫度采集模塊、均衡控制模塊、SOC估算模塊、熱管理模塊以及CAN隔離收發(fā)器構成。電壓采集模塊、溫度采集模塊、均衡控制模塊都與標準電池包中各單體電池正負極對應電連接；第一微控制器與溫度采集模塊、均衡控制模塊對應電連接，第一微控制器與電壓采集模塊通過SPI總線通訊連接；第一微控制器通過CAN隔離收發(fā)器、CAN總線與集中控制單元通訊連接。集中控制單元包括第二微控制器、電流采集模塊、告警模塊、液晶顯示模塊、總線開關控制模塊和通訊模塊。第二微控制器通過CAN總線與PACK保護單元通訊連接，第二微控制器由通訊模塊通過485總線與上位機通訊連接。如圖1所示，電壓采集模塊由電壓信號采集芯片和濾波電路組成，采集標準電池包中各單體電池的電壓信號，通過SPI總線傳輸?shù)降谝晃⒖刂破?；溫度采集模塊由包含負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC的溫度采集電路和多路選擇開關組成，第一微控制器控制多路選擇開關來采集標準電池包中各單體電池的極耳溫度和不同點空氣溫度；第一微控制器通過SOC估算模塊計算各單體電池的剩余容量，并根據(jù)采集到的溫度信號通過熱管理模塊作出相應的熱管理操作；PACK保護單元的數(shù)據(jù)經(jīng)CAN隔離收發(fā)器通過CAN總線傳輸?shù)郊锌刂茊卧?。集中控制單元負責電流信號采集、?shù)據(jù)處理、告警和通訊。各PACK保護單元的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)郊锌刂茊卧?，通過液晶顯示模塊顯示各單體電池的電壓、電流、溫度、剩余容量信息。電流信號采集模塊包括霍爾電流傳感器和信號調理電路，霍爾電流傳感器的電壓信號通過信號調理電路和A/D變換器傳輸?shù)降谝晃⒖刂破鳎傻谝晃⒖刂破饔嬎愠隹偩€電流大小，判斷總線開關是否需要動作。上位機用于顯示管理系統(tǒng)中所有單體電池的狀態(tài)，包括電壓、電流、溫度信息、均衡信息、告警信息、充放電情況和剩余容量。如圖2所示，均衡控制模塊包含補電均衡控制部分和耗散均衡控制部分。補電均衡控制部分包括DC-DC隔離電源模塊，DC-DC隔離電源模塊的輸入端通過補電控制開關與補電電源對應電連接，DC-DC隔離電源模塊的輸出端與各單體電池的正負極對應電連接；耗散均衡控制部分包括耗散電阻和耗散控制開關，耗散控制開關與耗散電阻串聯(lián)后與各單體電池的正負極對應電連接。如圖3所示，在充電、靜置和放電時，PACK保護單元的第一微控制器將采集到的標準電池包中各單體電池的電壓信號與平均電壓(平均電壓=電池組端電壓/電池個數(shù))相比較，當某單體電池電壓低于平均電壓0.05V，第一微控制器啟動該單體電池的補電均衡電路，打開補電控制開關，使補電電源通過DC-DC隔離電源模塊給該電池補電；當某單體電池電壓高于平均電壓0.05V, PACK保護單元的第一微控制器啟動該單體電池的耗散均衡電路，打開耗散控制開關，使該單體電池的部分能量通過耗散電阻釋放。顯然，本發(fā)明的上述具體實施方式
僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以容易的做出其它形式上的變化或者替代，而這些改變或者替代也將包含在本發(fā)明確定的保護范圍之內。
權利要求
1.一種串聯(lián)電池組管理系統(tǒng)，包括標準電池包，其特征是:還包括PACK保護單元、集中控制單元、CAN總線和上位機，所述PACK保護單元采集標準電池包中各單體電池的電壓、溫度信號，并控制各單體電池的均衡信號，同時完成各單體電池的剩余容量(SOC)估算，所述PACK保護單元采集的電壓、溫度以及(SOC)估算的剩余容量數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)郊锌刂茊卧刑幚聿⑼ㄟ^與集中控制單元通訊連接的上位機顯示。
2.如權利要求1所述的串聯(lián)電池組管理系統(tǒng)，其特征是:所述PACK保護單元包括SOC估算模塊、熱管理模塊、第一微控制器、電壓采集模塊、溫度采集模塊和均衡控制模塊，其中電壓采集模塊、溫度采集模塊、均衡控制模塊分別與標準電池包中各單體電池對應電連接，溫度采集模塊、均衡控制模塊還分別與第一微控制器對應電連接，電壓采集模塊通過SPI總線與第一微控制器通訊連接，第一微控制器則通過CAN隔離收發(fā)器、CAN總線與集中控制單元通訊連接。
3.如權利要求2所述的串聯(lián)電池組管理系統(tǒng)，其特征是:所述均衡控制模塊包含補電均衡控制部分和耗散均衡控制部分，其中補電均衡控制部分包括DC-DC隔離電源模塊、補電控制開關和補電電源，DC-DC隔離電源模塊的輸入端串聯(lián)補電控制開關并與補電電源并聯(lián)，DC-DC隔離電源模塊的輸出端與各單體電池并聯(lián)；耗散均衡控制部分包括耗散電阻和耗散控制開關，耗散控制開關與耗散電阻串聯(lián)并與各單體電池并聯(lián)。
4.如權利要求3所述的串聯(lián)電池組管理系統(tǒng)，其特征是:所述補電電源是標準電池包本身或外部獨立電源。
5.如權利要求3或4所述的串聯(lián)電池組管理系統(tǒng)，其特征是:所述耗散均衡控制部分由第一微控制器控制或由帶有均衡控制功能的電池管理芯片控制。
6.如權利要求2所述的串聯(lián)電池組管理系統(tǒng)，其特征是:所述溫度采集模塊由包含負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC的溫度采集電路和多路選擇開關組成。
7.如權利要求2所述的串聯(lián)電池組管理系統(tǒng)，其特征是:所述電壓采集模塊由電壓信號采集芯片和濾波電路組成。
8.如權利要求1所述的串聯(lián)電池組管理系統(tǒng)，其特征是:所述集中控制單元包括第二微控制器、電流采集模塊、告警模塊、液晶顯示模塊、總線開關控制模塊和通訊模塊，所述第二微控制器與PACK保護單元通過CAN總線通訊連接，所述第二微控制器由通訊模塊通過485總線與上位機通訊連接。
全文摘要
本發(fā)明針對目前電池管理系統(tǒng)存在的問題，提供一種適用于鋰離子電池和鉛酸電池等作為儲能介質的新能源發(fā)電、微網(wǎng)發(fā)電和智能電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的串聯(lián)電池組管理系統(tǒng)，包括標準電池包、PACK保護單元、集中控制單元、CAN總線和上位機，PACK保護單元采集標準電池包中各單體電池的電壓和溫度信號，并控制各單體電池的均衡信號，同時SOC估算各單體電池的剩余容量，PACK保護單元產(chǎn)生的電壓、溫度、剩余容量數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)郊锌刂茊卧刑幚聿⑼ㄟ^與集中控制單元通訊連接的上位機顯示。本發(fā)明實時對儲能系統(tǒng)進行監(jiān)控和保護，克服了常用均衡控制方式的能量損耗和熱問題，最大程度地延長電池壽命，充分發(fā)揮了電池的儲能作用。
文檔編號H02J7/00GK103208828SQ20121001648
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權日2012年1月17日
發(fā)明者呂杰, 馮自平, 宋文吉, 陳永珍, 林仕立, 韓穎 申請人:中國科學院廣州能源研究所