一種智能電池、一種電量轉(zhuǎn)移總線系統(tǒng)及一種均衡充放電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及智能電池及電池組的充放電方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電池不一致性是當(dāng)前電池應(yīng)用中尤其是動(dòng)力電池編組應(yīng)用中始終無法徹底解決的難題。
[0003]電池的應(yīng)用一般是編組使用，少則3、4塊電池編組，多則幾百塊電池編組。由于制造工藝問題、材質(zhì)的不均勻及儲(chǔ)存能量物質(zhì)的密度/質(zhì)量不完全相同等多種因素，不一致性在電池的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的各電池間是絕對(duì)存在；在電池的使用環(huán)節(jié)，由于電池編組后每塊電池在電池組中的位置不同，電池組充放電時(shí)的熱場的不均勻性導(dǎo)致每塊電池在充放電時(shí)所處的環(huán)境溫度不同，不一致性在電池的使用環(huán)節(jié)中會(huì)逐漸擴(kuò)大甚至失控，導(dǎo)致個(gè)別電池的充放電深度相對(duì)較大，即充電時(shí)出現(xiàn)不受控的過充電和欠充電，并加劇放電時(shí)部分電池的過放電的現(xiàn)象，電池組中各電池的放電深度不一致將導(dǎo)致電池組的整體放電量下降及電池組的整體循環(huán)壽命隨著放電深度最大的部分電池的循環(huán)壽命下降而加速下降。
[0004]電池編組后一般需要配備昂貴的電池管理系統(tǒng)，但也只能起到診斷即檢測數(shù)據(jù)的功能，無法對(duì)電池組中的個(gè)別電池實(shí)施控制和修復(fù)，而且配備電池管理系統(tǒng)后有大量的布線及屏蔽處理，增加了成本，降低了系統(tǒng)可靠性。
[0005]近幾年出現(xiàn)了給電池組中的電池獨(dú)立充電的充電裝置，雖然還未大面積推廣應(yīng)用，但較之前普遍應(yīng)用的傳統(tǒng)串聯(lián)充電技術(shù)已經(jīng)有了質(zhì)地區(qū)別。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)獨(dú)立充電技術(shù)仍有不足之處:無法控制放電環(huán)節(jié)，無法保證電池組中所有電池保持相同的放電深度，充電器距離電池組有一定距離，導(dǎo)致充電線的線徑規(guī)格與數(shù)量相應(yīng)增加；大電流充電線和數(shù)據(jù)采集線的鋪設(shè)(包括屏蔽)也增加了額外的空間、成本和不安全因素；而且長距離的數(shù)據(jù)采集線降低了數(shù)據(jù)采集的精度。
[0006]現(xiàn)有的充電方法都是以“充滿”為目標(biāo)，在這個(gè)目標(biāo)下由于電池間的不一致性，傳統(tǒng)的串聯(lián)充電方式在充電或放電時(shí)都會(huì)導(dǎo)致電池組中的部分電池處于過充電及過放電的狀態(tài)，當(dāng)使用可對(duì)每塊電池進(jìn)行獨(dú)立充電的充電器對(duì)電池組充電時(shí)，電池組不會(huì)發(fā)生過充電的現(xiàn)象，但仍然無法避免放電過程中的部分電池的相對(duì)放電深度較大即出現(xiàn)相對(duì)過放電的現(xiàn)象，電池組中各電池的放電深度不一致將導(dǎo)致電池組的整體放電量下降及電池組的整體循環(huán)壽命隨著放電深度最大的部分電池的循環(huán)壽命下降而加速下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明公開的智能電池、電量轉(zhuǎn)移總線和均衡充放電方法克服現(xiàn)有技術(shù)不足，通過在傳統(tǒng)電池內(nèi)部加裝控制單元的方式制成智能電池，在電池內(nèi)部即完成本電池的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集及可控充電，通過控制單元的通訊模塊可與同一編組的所有智能電池及電池組的上級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行雙向通訊交換數(shù)據(jù)，并可在編組后實(shí)現(xiàn)電池間的電量轉(zhuǎn)移，充電時(shí)采用可動(dòng)態(tài)調(diào)整充電參數(shù)的充電方法，放電時(shí)采用可在電池間實(shí)現(xiàn)電量轉(zhuǎn)移的放電方法，達(dá)到充電時(shí)不過充、放電時(shí)不過放的均衡充放電，并可在有發(fā)電設(shè)備接入電量轉(zhuǎn)移總線時(shí)，對(duì)部分或全部電池進(jìn)行補(bǔ)充電，增加電池組的放電量。
[0008]本發(fā)明公開的一種智能電池的技術(shù)方案，包括控制單元、電池本體部分、連接線和傳感器、外殼，可參考圖1，智能電池的結(jié)構(gòu)示意框圖。
[0009]進(jìn)一步地，控制單元的主要功能是協(xié)調(diào)控制、獲取信息、統(tǒng)計(jì)分析、主動(dòng)控制和對(duì)外反饋，即協(xié)調(diào)控制同一編組內(nèi)所有電池及相連的發(fā)電設(shè)備/電氣負(fù)載協(xié)同工作；獲取編組內(nèi)的所有電池/設(shè)備的各種信息；對(duì)獲取的上述信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算處理；進(jìn)而對(duì)編組內(nèi)各電池及設(shè)備間進(jìn)行充電參數(shù)調(diào)整及電量再分配等控制；同時(shí)對(duì)外界的命令進(jìn)行被動(dòng)反饋和向外界主動(dòng)報(bào)告信息。
[0010]進(jìn)一步地，控制單元包括主控模塊、存儲(chǔ)模塊、采集模塊、電量轉(zhuǎn)移模塊、充電模塊、通訊模塊及交互模塊。
[0011 ] 進(jìn)一步地，主控模塊的功能是協(xié)調(diào)本電池的各模塊協(xié)同工作，并可通過通訊接口協(xié)調(diào)同一編組的其他智能電池的所有模塊及相連的發(fā)電設(shè)備/電氣負(fù)載工作，并可與電池組上級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，報(bào)告電池組的數(shù)據(jù)，接收電池組上級(jí)控制系統(tǒng)的命令并執(zhí)行，主控模塊的主要功能描述如下:
1.主控模塊包括處理器及程序，實(shí)現(xiàn)的主要功能是，可根據(jù)讀取的本電池的充放電數(shù)據(jù)及收到的電池組中每塊電池的充放電數(shù)據(jù)和電池組上級(jí)控制系統(tǒng)的命令，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算出電池組中每塊電池的充放電循環(huán)次數(shù)、充放電深度、劣化程度及相對(duì)劣化程度，計(jì)算出適合本電池及電池組中其他電池的充電參數(shù)并發(fā)給本電池的充電單元或通過通訊接口發(fā)送給其他電池，根據(jù)收到的電池組中每塊電池的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、上級(jí)控制系統(tǒng)的命令及來自交互模塊的命令動(dòng)態(tài)調(diào)整電池組中每塊電池的充電參數(shù)并發(fā)送給電池組中的其他電池的充電模塊，或接收同一編組中其他智能電池的主控模塊發(fā)來的命令及充電參數(shù)，驅(qū)動(dòng)本電池的充電模塊工作；根據(jù)電池組中各電池的剩余電量數(shù)據(jù)，適時(shí)啟動(dòng)電量轉(zhuǎn)移模塊，在電池組的各電池間實(shí)現(xiàn)電量轉(zhuǎn)移；根據(jù)電池組中的每塊電池的循環(huán)次數(shù)、充放電深度、劣化程度及剩余電量等數(shù)據(jù)分析每塊電池的相對(duì)劣化程度并向電池組的上級(jí)控制系統(tǒng)匯報(bào)；控制采集模塊的數(shù)據(jù)采集種類及采集頻率；讀取本電池及其他電池的存儲(chǔ)模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)；校準(zhǔn)時(shí)修正同一編組的各采集模塊的偏移量；程序可升級(jí)，升級(jí)方式包括通過本電池的程序升級(jí)接口(如USB或TF卡等存儲(chǔ)卡)升級(jí)、通過通訊模塊由電池組的上級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)升級(jí)，一塊電池升級(jí)后，可給同一編組的其他智能電池的主控模塊自動(dòng)升級(jí)，或接受電池組的其他電池的主控模塊的控制實(shí)現(xiàn)程序升級(jí)；
2.主控模塊帶有隔離電路，用來隔離采集模塊和充電模塊；
3.主控模塊帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，該時(shí)鐘可在與其他智能電池及電池組上級(jí)控制系統(tǒng)的通訊中實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，保持電池組及電池組上級(jí)控制系統(tǒng)的時(shí)鐘一致；
4.主控模塊帶有陀螺儀芯片，可感知電池當(dāng)前的加速度等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或可通過與電池組上級(jí)控制系統(tǒng)通訊獲取電池組的速度及加速度等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；
5.主控模塊帶有環(huán)境溫度采集功能，采集安裝在本模塊上的或電池外面的溫度傳感器來采集環(huán)境溫度，或可通過與電池組上級(jí)控制系統(tǒng)通訊獲取環(huán)境溫度數(shù)據(jù)；
6.主控模塊帶有自檢功能，并可把自檢結(jié)果向電池組控制系統(tǒng)報(bào)告； 7.主控模塊帶有加熱/降溫接口，向外界如電池組控制系統(tǒng)或附加的加熱/降溫設(shè)備發(fā)出加熱/降溫信號(hào)，可控制智能電池外部的加熱/降溫設(shè)備對(duì)電池組的全部或部分電池進(jìn)行加熱/降溫，以使所有電池工作在適宜的溫度；
8.在智能電池編組使用時(shí)，可自動(dòng)分配某塊智能電池的主控模塊作為整個(gè)電池組的主控模塊，協(xié)調(diào)整個(gè)電池組的所有模塊工作，整個(gè)電池組可只有一塊智能電池配備主控模塊，以節(jié)省成本。
[0012]進(jìn)一步地，存儲(chǔ)模塊的功能是存儲(chǔ)下列信息:本電池的品牌/型號(hào)/生產(chǎn)日期/序列號(hào)/質(zhì)檢編號(hào)在內(nèi)的部分或全部信息，本電池的采集模塊采集的充放電時(shí)的包括電壓/電流/內(nèi)阻/溫度在內(nèi)的充放電數(shù)據(jù)，通過通訊接口收到的信息，主控模塊存儲(chǔ)的信息，上述信息均帶有時(shí)間戳，以備調(diào)取。
[0013]進(jìn)一步地，采集模塊的功能是執(zhí)行主控模塊或來自通訊模塊的命令，按照規(guī)定的采集頻率及采集種類，采集本電池的電壓/電流/內(nèi)阻/溫度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)并加上時(shí)間戳保存在存儲(chǔ)模塊內(nèi)，以備讀取。采集模塊有校準(zhǔn)功能，通過校準(zhǔn)接口，用來校準(zhǔn)采集模塊的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度，修正采集偏移量，以保證同一編組的各電池的采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)的一致性。
[0014]進(jìn)一步地，電量轉(zhuǎn)移模塊的功能是在主控模塊控制下或通過通訊模塊收到的命令的控制下，用本電池的電能對(duì)外供電，如給其他電池進(jìn)行充電，或?qū)ζ渌姎庳?fù)載供電，對(duì)外供電的功率及時(shí)間均受控，用本電池的電能給其他電池進(jìn)行充電，電量轉(zhuǎn)移模塊內(nèi)有可控的切換開關(guān)及隔離元件如隔離變壓器或其他輸入端與輸出端非直接接觸式的電能轉(zhuǎn)換/傳送元件。
[0015]進(jìn)一步地，詳細(xì)介紹主控模塊、充電模塊及電量轉(zhuǎn)移模塊的協(xié)同工作，主控模塊可根據(jù)需要，把電池組中某塊電池的電能轉(zhuǎn)移至其他電池，即用電池組中的一塊電池給另外一塊電池充電，也就是說，在同一電池組中，無論電池組處于串聯(lián)充電/待機(jī)/放電的狀態(tài)，可在具有電勢關(guān)系的兩塊電池間實(shí)現(xiàn)電量轉(zhuǎn)移，或使用發(fā)電設(shè)備對(duì)全部或部分電池進(jìn)行充電，或使用某塊電池對(duì)外單獨(dú)供電。實(shí)現(xiàn)電量轉(zhuǎn)移的具體過程參見本說明書的電量轉(zhuǎn)移總線的技術(shù)方案部分。
[0016]結(jié)合附圖介紹智能電池電量轉(zhuǎn)移的工作模式:圖2~圖4中的I為智能電池，2為充電模塊的電量轉(zhuǎn)移受電開關(guān)，3為充電模塊的正常充電時(shí)的供電輸入，4為一組電量轉(zhuǎn)移總線，5為智能電池的其他模塊如采集/通訊/存儲(chǔ)/交互模塊的示意，6為電量轉(zhuǎn)移模塊，7為隔離變壓器(