專利名稱：串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電池組管理系統(tǒng)，尤其是一種基于輔助電池的串聯(lián)電池組均 衡管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
術(shù)語定義單電池非串聯(lián)的基本電池單元。單電壓單電池的電壓。串聯(lián)數(shù)電池組中串聯(lián)方式連接的單電池的個數(shù)或用N表示。均衡電流調(diào)節(jié)單電池電量時的電流。單節(jié)電池的使用，電池管理系統(tǒng)最簡單，串聯(lián)使用時情況則不同。電池的一致性決 定了電池的性能，壽命和安全性，即只要有一個電池的性能變差，整個電池組的性能都將變差。1、其中有一個電池的容量偏低，結(jié)果是充電時這個電池首先達(dá)到充電上限截止電 壓，而放電時首先達(dá)到放電下限截止電壓。那么這個電池的容量決定這個電池組的容量。2、如果初始狀態(tài)有一個電池的電壓偏低，充電時這個電池達(dá)不到截止電壓而不能 充滿。放電時這個電池首先到達(dá)放電截止。電池沒充滿電又提前把電放完，實際可用的電 量由這個電池的容量決定。3、如果一個電池的極化阻抗和內(nèi)阻偏高，充電時電池電壓上升快，放電時電池電 壓下降快。就某一次測試的表現(xiàn)來看就是這個電池的容量不足，負(fù)載能力下降。充放電時 的溫度偏高。電池制造過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)致電池價格高而不利于電動汽車產(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)出可見的差別。放電的中值電壓在一開始就有較大差 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性。電池的工作條件和環(huán)境也會對一致性產(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 愈顯示出重要性。均衡管理通過電量轉(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題，而且能夠使串聯(lián)電池組中性能最差的那個電池的壽命得到延 長，同時電池性能的改進(jìn)也將使得電池安全性得到改善，因為電池性能變差后，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汽車的命運(yùn)。均衡管理正是涉 及到電動汽車性能攸關(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，制造過程 簡單化，成本也會大幅下降，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)用不單能提高中國電池的地位，而且能使更多企業(yè)有能力加入到電動汽車及其相關(guān)行業(yè)的競爭中，讓整個行業(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)電動汽車的發(fā)展。其本身有將成為隨電動汽車，電動公 交，包括電動自行車，電動摩托車，大型蓄能裝置，電動工具，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題尚未得到有效解決。電池均衡的實現(xiàn)大多基于兩個基本 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1A，只適合小容量，串聯(lián)電池數(shù)少的場 合。而且只用于充電時的均衡，放電時無實際意義。目前在電池容量l_3Ah，串聯(lián)電池數(shù)2-5 的電動工具產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。MAXIM，Intersil，02等美國公司都有專用的產(chǎn)品，也可由MCU 技術(shù)實現(xiàn)。電量轉(zhuǎn)移方法的典型電路結(jié)構(gòu)是美國TI公司提義，并在業(yè)界被普遍推崇的雙向 無損概念。但這個思路更復(fù)雜，分立元器件多，控制的復(fù)雜程度也更高。要求每個電池配備 一個均衡回路，(每個電池配備一個均衡電路的設(shè)計很多，包括每個電池配備一個DC-DC轉(zhuǎn) 換器)，可靠性下降，成本上升，幾乎無法維護(hù)。如果要求較大的均衡電流則各種問題將會更 加突出。每節(jié)電池需要兩個功率M0S，一旦有一路器件損壞，產(chǎn)生短路的風(fēng)險極高。這對電 池和整車的安全性是極為不利的。雙向無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 是要通過鄰接的電池逐個傳遞電量，這種多次能量傳遞回導(dǎo)致更大的能量損失，這對放電 過程的均衡不利。這個方法同樣難以實現(xiàn)大電流均衡的問題。電動汽車電池容量常都在 IOOAh左右，電動公交達(dá)到200Ah。過小的均衡電流將失去均衡的意義，特別是要求快速充 電時，更是要求大電流均衡。大電流均衡的各種原理并不復(fù)雜。困難在于可實現(xiàn)性差，可靠 性低，安全風(fēng)險大，成本高。因此目前的電動汽車電池管理系統(tǒng)多為數(shù)據(jù)檢測采集為主，少 有管理的功能。本實用新型提出能夠?qū)崿F(xiàn)充電和放電都能進(jìn)行大電流均衡，簡單可靠易于 實現(xiàn)的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計方案和裝置，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)存在的問題。
實用新型內(nèi)容為了克服上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種串聯(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，其特征在于，還包括與電源相連的控制器，依次相連的電機(jī)、臺 架運(yùn)動機(jī)構(gòu)、移動臺架，移動臺架上安裝觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)，觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動，觸點運(yùn) 動機(jī)構(gòu)上設(shè)有至少兩個均衡觸點，串聯(lián)電池組每節(jié)電池均連接兩個電池觸點，電源1分別 與觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)上的均衡觸點、電源、控制器相連。優(yōu)選的，所述控制器為單片機(jī)、PLC控制電路、DSP中的任意一種。優(yōu)選的，所述觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)上設(shè)有觸點開關(guān)。優(yōu)選的，所述控制器連接上位機(jī)。 優(yōu)選的，所述控制器連接有充電開關(guān)。優(yōu)選的，所述控制器連接有放電開關(guān)。優(yōu)選的，所述充電開關(guān)為晶體管、M0SFET、IGBT、電磁接觸器、繼電器或其他電子或 機(jī)械開關(guān)中的任意一種。優(yōu)選的，所述放電開關(guān)為晶體管、M0SFET、IGBT、電磁接觸器、繼電器或其他電子或機(jī)械開關(guān)中的任意一種。優(yōu)選的，所述控制器與電源之間連接有電源2。串聯(lián)電池組開始工作的同時，控制器同時檢測電池組中每節(jié)電池電壓、溫度，當(dāng)任 意一節(jié)電池電壓低于或高于標(biāo)準(zhǔn)值時，控制器通過控制電機(jī)驅(qū)動移動臺架移動，直至均衡 觸點與電池觸點相接，同時控制電源1減小或增加電流均衡該電池達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。例如，一節(jié) 電池電壓偏低時，控制器按照預(yù)先設(shè)定和存儲的各個電池觸點的位置，控制電機(jī)驅(qū)動移動 臺架移動，找到該電池的正、負(fù)觸點位置，然后控制移動觸點與之相接，對該電池進(jìn)行均衡。 根據(jù)電池的各種狀態(tài)或工作條件，控制器可以調(diào)節(jié)電源1的輸出電流，從而改變均衡電流。 例如，均衡開始用小電流，然后大電流，后期再用小電流的工作方式可以減少對觸點的大電 流沖擊，延長觸點的壽命，并使均衡控制更加精確等。在電池充電時，控制器可根據(jù)電池組 的狀態(tài)控制充電電流，例如，電池組或某個電池接近充滿電時，控制充電開關(guān)(包括PWM方 法)減小充電電流或停止充電，待適當(dāng)均衡后，再開始充電或加大充電電流。觸點開關(guān)由控制器控制，可以起到安全保護(hù)作用，例如觸點粘連或DC-DC轉(zhuǎn)換器 故障，則開關(guān)關(guān)閉隔離電池組與均衡系統(tǒng)電的聯(lián)系。采用觸點接觸后再打開觸點開關(guān)進(jìn)行 均衡，觸點分離前關(guān)閉觸電開關(guān)切斷均衡電流的工作方式，可以防止接觸電火花的產(chǎn)生，達(dá) 到保護(hù)觸點的目的。這對大電流均衡是必要的。電源2不是實現(xiàn)本專利原理必須的，但它可以提供一個標(biāo)準(zhǔn)的12V直流電源，對于 電動汽車這是必須的。再將12V電源經(jīng)電源2變?yōu)檫m合均衡的電源會更容易一些。電源1也可有旁路放電控制裝置，即通過開關(guān)，電阻，風(fēng)扇，泵或其他類型的負(fù)載 進(jìn)行放電。例如在充電時，如果某個電池的電壓偏高，為保證快速均衡充電充電的最佳方法 是將電壓高的電池的電壓調(diào)低，把電壓低的電池的電壓調(diào)高。這個過程為，對高電壓電池， 停止電源1的逆變，打開旁路放電。對于低電壓電池，過程相反。如果采用多組觸點的裝置 這兩個過程可同時進(jìn)行。如圖2，一對觸點連接電源1給低壓電池充電增壓，另一對觸點連 接旁路放電裝置給高壓電池放電降壓。這要求系統(tǒng)要有兩套獨立的移動臺架和驅(qū)動裝置。如圖3，兩套獨立的移動臺架和驅(qū)動裝置。兩套運(yùn)動機(jī)構(gòu)分別找到電壓最高的電池 和電壓最低的電池，通過升壓器(DC-DC)將高電壓電池的電量轉(zhuǎn)移到低電壓的電池中去。 升壓器的電壓和電流由控制器根據(jù)電池組的狀態(tài)和控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)。這一方法均衡消耗 的能量少，并且有最高的均衡效率。

圖1為本實用新型一種具體實施例的控制系統(tǒng)框圖；圖2為本實用新型另一種具體實施例的控制系統(tǒng)框圖；圖3為本實用新型另一種具體實施例的控制系統(tǒng)框具體實施方式
結(jié)合附圖，下面對本實用新型作進(jìn)一步描述。一種串聯(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 相連的控制器，依次相連的電機(jī)、臺架運(yùn)動機(jī)構(gòu)、移動臺架，移動臺架上安裝觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)， 觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動，觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)上設(shè)有至少兩個均衡觸點，串聯(lián)電池組每節(jié)電池均連接兩個電池觸點，電源1分別與觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)上的均衡觸點、電源、控制器相連。所述 控制器為單片機(jī)。所述觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)上設(shè)有觸點開關(guān)。所述控制器連接上位機(jī)。所述控制 器與串聯(lián)電池組之間連接有充電開關(guān)。所述控制器與串聯(lián)電池組之間連接有放電開關(guān)。優(yōu) 選的，所述充電開關(guān)為MOS開關(guān)。所述放電開關(guān)為MOS開關(guān)。所述控制器與電源之間連接 有電源2。串聯(lián)電池組開始工作的同時，控制器同時檢測電池組中每節(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，控制器通過控制電機(jī)驅(qū)動移動臺架移動，直 至均衡觸點與電池正、負(fù)相接，同時控制電源1減小或增加電流均衡該電池達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)上的均衡觸點與電池節(jié)點上的電池觸點采用接觸式連接，電機(jī)帶動 臺架運(yùn)動機(jī)構(gòu)控制移動臺架移動，從一節(jié)電池的電池觸點上移動到待均衡的電池的電池觸 點上進(jìn)行均衡管理。上述描述僅為本實用新型的一種具體實施例，其中串聯(lián)電池組的觸點整體布局可 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)動方式也 可以為環(huán)形循環(huán)運(yùn)動、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還可以采 用其他方式連接，例如采用滑動接觸方式。當(dāng)串聯(lián)電池組的電池觸點排列為環(huán)形或多環(huán)，移 動臺架單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)的工作方式時，電源和上位機(jī)的信號線可以通過安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的導(dǎo) 電滑環(huán)引到檢測單元和控制器。信號或數(shù)據(jù)的發(fā)送與接受也可用無線或紅外方式實現(xiàn)，以 減少滑環(huán)的數(shù)量。也可正反兩個方向非整圈旋轉(zhuǎn)，這樣就可使用導(dǎo)線而不用滑環(huán)。觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)可以省略，固定在移動臺架上的均衡觸點與電池節(jié)點上的電池觸點 還可以采用其他方式連接，例如可以采用滑動接觸方式，減少運(yùn)動部件。還可以設(shè)置多個相互獨立的觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)，可用于同時均衡多個電池，提高效 率；在觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)上還可以設(shè)置開關(guān)，單片機(jī)控制觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)的開關(guān)；當(dāng)串聯(lián)電池組為環(huán)形時，觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)可通過滑環(huán)安裝在移動臺架上轉(zhuǎn)動檢測電 壓，也可以通過單圈往復(fù)檢測；控制器向計算機(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，控制器控制充電開關(guān)間歇式開、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)閉充電開關(guān)。本實用新型可通過檢測電池電壓、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，由于僅用一路或少數(shù)幾路均衡電路就可實現(xiàn)對整個電 池組進(jìn)行均衡，因此容易實現(xiàn)大電流均衡管理同時簡化了設(shè)計。本實用新型原理直觀簡單， 容易實現(xiàn)，可靠性高成本低。維修維護(hù)更換方便。檢測到的數(shù)據(jù)可以通過總線或無線或紅 外方式傳送。本實用新型的應(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 電容器組等類似電能存儲裝置中的每個儲能元件的均衡管理同時進(jìn)行電壓，溫度，內(nèi)阻，變 形等電池參數(shù)的檢測和數(shù)據(jù)處理與發(fā)送。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本實用新型的具體實施例子，顯然，本實 用新型不限于以上實施例子，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本實用新型 公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本實用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種串聯(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，其特征在于，還 包括與電源相連的控制器，依次相連的電機(jī)、臺架運(yùn)動機(jī)構(gòu)、移動臺架，移動臺架上安裝觸 點運(yùn)動機(jī)構(gòu)，觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動，觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)上設(shè)有至少兩個均衡觸點，串聯(lián)電池 組每節(jié)電池均連接兩個電池觸點，電源1分別與觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)上的觸點、電源、控制器相 連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器為單片 機(jī)、PLC控制電路、DSP中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu) 與觸點之間設(shè)有觸點開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器連接上 位機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器連接有 充電開關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器連接有 放電開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述充電開關(guān)為晶 體管、MOSFET、IGBT、電磁接觸器、繼電器的任意一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述放電開關(guān)為晶 體管、MOSFET、IGBT、電磁接觸器、繼電器的任意一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器與電源 之間連接有電源2。
專利摘要本實用新型提供一種串聯(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，其特征在于，還包括與電源相連的控制器，依次相連的電機(jī)、臺架運(yùn)動機(jī)構(gòu)、移動臺架，移動臺架上安裝觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)，觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動，觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)上設(shè)有至少兩個均衡觸點，串聯(lián)電池組每節(jié)電池均連接兩個電池觸點，電源1分別與觸點運(yùn)動機(jī)構(gòu)上的均衡觸點、電源、主控制器相連。
文檔編號H02J7/00GK201887489SQ20102022663
公開日2011年6月29日 申請日期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 申請人:李小平