小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置。裝置包括智能電池模組和控制系統(tǒng)，智能電池模組包括電池串、電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)；控制系統(tǒng)包括MCU模塊、LCD單元、存儲單元、保護報警單元。智能電池模組可依次疊加在控制系統(tǒng)上以擴大或減少動力系統(tǒng)的容量，可更換損壞的智能電池模組，控制系統(tǒng)根據(jù)智能電池模組傳送的信息，計算出電池狀態(tài)信息顯示并存儲，必要時產(chǎn)生保護報警動作。根據(jù)智能電池模組的不均衡度選擇切入或切出某一個智能電池模組既決定智能電池模組在線或離線的均衡方式。
【專利說明】小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于動力電池應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及動力電池組監(jiān)測與均衡技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]動力電池因其高功率和高能量密度，能在效率和環(huán)境影響之間取得最佳平衡等優(yōu)點，而在電動交通工具中廣泛使用。但能量越高越不穩(wěn)定的限制使得動力電池應(yīng)用暫時還不能完全保證運行安全。單體電池的性能以及安全性能已經(jīng)基本能夠滿足動力應(yīng)用需求，但成組應(yīng)用容易降低電池組容量、減少電池組使用壽命、引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全問題，主要由于單體電池之間性能不均衡引起，而在動力電池應(yīng)用領(lǐng)域必須多個電池成組應(yīng)用才能滿足容量和功率需求，所以，動力電池應(yīng)用需要良好的均衡及保護技術(shù)以提高與完善電池組的性能。
[0003]電池組監(jiān)測與均衡裝置便是為了保證電池組在運行中的安全和優(yōu)勢的充分體現(xiàn)，也即是電池組監(jiān)測與均衡裝置通過采集電池外部信息準(zhǔn)確估算電池的內(nèi)部狀態(tài)；準(zhǔn)確定位差異較大的電池進(jìn)行快速均衡，使電池單體之間性能保持較高一致性；產(chǎn)生電池保護命令，防止可能對電池有損害的情況來最大限度提高電池組的壽命；記錄歷史信息方便查找故障電池。
[0004]考慮系統(tǒng)成本和集成度，目前大部分電池組監(jiān)測與均衡裝置采用專用電池管理芯片，如凌特公司的 LTC6801、LTC6802、LTC6803、LTC6804 ;凹凸公司的 0Z890、0Z8920、0Z8940 ；TI 公司的 BQ76pl536、EM1451 ;其他公司如 AD7280、DS2438、BM3318、BM3328 等?；诩尚酒谋O(jiān)測與均衡裝置例如:中國專利ZL201010162444.7公開了一種電動汽車車用電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)，可精確監(jiān)測電壓、溫度、電流并計算S0C，同時監(jiān)測絕緣狀態(tài)和故障狀態(tài)，并對電池組進(jìn)行能耗均衡，從文中可判斷出是基于凌特公司的一款專用電池管理芯片；中國專利ZL201010140237公開了一種基于凹凸公司0Z8920的對鋰電池充電和放電雙重控制的動力電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)；中國專利ZL201110335313公開了一種分布式監(jiān)測與均衡控制電路，能克服普通光耦線性度不高的雙層控制管理系統(tǒng)；中國專利CN201110098028公開了一種蓄電池組在線均衡系統(tǒng)，能夠?qū)π铍姵亟M的電壓、內(nèi)阻、容量進(jìn)行在線均衡；中國專利CN200720059575公開了一種蓄電池在線均衡儀，可選擇性對不均衡的單體電池充放電以提高在線運行蓄電池組的性能。
[0005]但現(xiàn)有應(yīng)用于小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置的技術(shù)普遍存在一些不完善的方面:監(jiān)測與均衡裝置只適用于特定電池組，當(dāng)電池組達(dá)到使用年限時，監(jiān)測與均衡裝置也隨之完成歷史使命；不方便擴容或更換已損壞的電池，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高；只有在線均衡方式，均衡效果不理想。
實用新型內(nèi)容
[0006]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，提供一種應(yīng)用于小型電動交通工具的動力電池組監(jiān)測與均衡裝置，能通過端口設(shè)置增加或減少智能電池模組，即改變?nèi)萘繎?yīng)用于不同功率需求的交通工具；可更換智能電池模組，增加控制系統(tǒng)的使用周期；可根據(jù)智能電池模組的不均衡度選擇在線均衡、離線均衡的方式，采用離線均衡方式補救不均衡度超過最大閾值的智能電池模組。
[0007]本實用新型的目的通過如下手段來實現(xiàn)。
[0008]一種小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置，包括控制系統(tǒng)100和至少兩個智能電池模組:即第一智能電池模組200和第二智能電池模組(300);控制系統(tǒng)100與第一智能電池模組200相連，所有智能電池模組(200、300)通過電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)(220、320)上連接端口處的信號總線(230、330)依次串行連接，智能電池模組串行連接為:第一智能電池模組200的底層連接端口 228與控制系統(tǒng)100相連，第二智能電池模組300的底層連接端口與第一智能電池模組200的頂層連接端口 229相連，依次類推。各底層連接端口與頂層連接端口相連構(gòu)成串行的信號總線(230、330)，完成智能電池模組之間的電壓、電流、溫度信號以及均衡控制信號的傳遞；智能電池模組200中的電池串210與智能電池模組300中的電池串310并聯(lián)在動力母線500上為交通工具400提供所需功率。
[0009]所述小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置中控制系統(tǒng)100由MCU模塊110，保護報警單元120、存儲單元130、LCD單元140構(gòu)成，其中保護報警單元120、存儲單元130、LCD單元140分別與MCU模塊110相連。
[0010]所述第一智能電池模組200包括電池串210、電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)220、信號總線230，電池串210由12節(jié)單體電池串聯(lián)組成，電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)220包括熱敏電阻221、電壓采集總線222、溫度采集總線223、保護切換開關(guān)224、電流傳感器225、電壓監(jiān)測單元226、設(shè)置端口 227、底層連接端口 228、頂層連接端口 229，電池串210和電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)220相連，電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)220和控制系統(tǒng)100或者電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)320和下一個智能電池模組200相連。
[0011]所述第二智能電池模組可并聯(lián)設(shè)置多個。
[0012]這樣，本實用新型裝置，包括智能電池模組和控制系統(tǒng)。智能電池模組包括電池串和電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)，電池串由12節(jié)單體電池串聯(lián)組成，電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)包括熱敏電阻、電壓采集總線、溫度采集總線、保護切換開關(guān)、電流傳感器、電壓監(jiān)測單元、設(shè)置端口、底層連接端口、頂層連接端口，電池串和電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)相連，電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)和控制系統(tǒng)或者電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)和下一個智能電池模組相連。所述熱敏電阻采集4路溫度信息；所述的電壓監(jiān)測單元采集電池串中12節(jié)單體電池的電壓，根據(jù)單體電池電壓進(jìn)行均衡控制及欠壓、過壓保護動作；所述電流傳感器采集智能電池模組的電流。
[0013]控制系統(tǒng)包括了 MCU模塊，存儲單元，IXD單元，保護報警單元。所述的MCU模塊接收所述電壓監(jiān)測單元傳送過來的電壓信息，接收所述熱敏電阻傳送過來的溫度信息，接收所述電流傳感器傳送過來的電流信息，根據(jù)所述的電壓、溫度、電流等外部電氣信息，估算電池S0C，并實現(xiàn)對電池的一系列保護功能，針對不同的電池狀態(tài)，決定允許和禁止的操作，選擇智能電池模塊離線或在線的均衡方式，并將上述信息傳送到所述LCD單元上顯示；所述的存儲單元可以記錄電池使用歷史記錄，包括循環(huán)次數(shù)、電壓、電流、溫度等信息；所述的保護報警單元對電池組進(jìn)行欠壓、過壓、過流、過溫等保護和報警。
[0014]智能電池模組包括有設(shè)置端口、底層連接端口、頂層連接端口，設(shè)置端口可設(shè)置智能模組處于動力系統(tǒng)的底端、中間位置、頂端?？刂葡到y(tǒng)通過檢測端口設(shè)置判斷智能電池模組的數(shù)目從而得到動力系統(tǒng)的總?cè)萘?，利用公式I進(jìn)行SOC估計。同時，控制系統(tǒng)根據(jù)端口設(shè)置通知智能電池模組是否需要接受來自上一智能電池模組傳送的數(shù)據(jù)以及將自身采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給下一智能電池模組還是發(fā)送給控制系統(tǒng)。
[0015]SOC = SOC0 -(I)
[0016]SOC-電池組當(dāng)前荷電狀態(tài)
[0017]SOCtl-電池組初始荷電狀態(tài)
[0018]η -電池組充、放電庫侖效率
[0019]1-電池組運行總電流
[0020]Cn-電池組額度容量
[0021]當(dāng)需要增加容量時，將新加入智能電池模組的底層連接端口與原頂端智能電池模組的頂層連接端口相連，并把新加入的模組設(shè)置為頂端位置，將原頂端智能電池模組設(shè)置為中間位置；當(dāng)需要減少容量時，將頂端智能電池模組脫離動力系統(tǒng)，并將次頂端智能電池模組設(shè)置為頂端位置；當(dāng)某個模組損壞時，通過連接端口更換智能電池模組并進(jìn)行相應(yīng)的位置設(shè)置。控制系統(tǒng)通過監(jiān)測各智能電池模組中單體電池電壓，計算出各智能電池模組的不均衡度，控制相應(yīng)保護切換開關(guān)決定智能電池模組采用在線或離線的均衡方式。離線均衡不受交通工具運行過程中的快速變化的電流影響故均衡效果比在線均衡好，均衡電路可采用控制簡單、成本低的被動均衡方法，也可采用高效率的主動均衡方法。
[0022]作為本實用新型應(yīng)用于小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置的一種改進(jìn):以離線均衡作為電池組不均衡度超過設(shè)定最大閾值的一種補救方式。智能電池模組相對于交通工具功率需求而言，多并聯(lián)一個智能電池模組作為備用智能電池模組進(jìn)行離線均衡，控制系統(tǒng)可根據(jù)智能電池模組的狀態(tài)進(jìn)行其中某一智能電池模組的切出與備用智能電池模組的切入，從而選擇離線或在線均衡的方式。默認(rèn)最頂端智能電池模組作為備用智能電池模組，當(dāng)系統(tǒng)檢測到某一智能電池模組不均衡度超過設(shè)定最大閾值時，則將該智能電池模組切出作為備用智能電池模組進(jìn)行離線均衡，并將頂端智能電池模組切入，此后實時監(jiān)測各智能電池模組的不均衡度，當(dāng)備用智能電池模組進(jìn)行離線均衡使不均衡度降低到最小閾值以下，同時另一智能電池模組不均衡度超過最大閾值時，將超過最大閾值的智能電池模組切出作為備用智能電池模組進(jìn)行離線均衡同時將已完成離線均衡的智能電池模組切入。
[0023]作為本實用新型應(yīng)用于小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置的一種改進(jìn):通過端口設(shè)置可監(jiān)測和控制并聯(lián)數(shù)目不同的智能電池模組，即可應(yīng)用于容量和功率不同的動力系統(tǒng)?？煞奖阍黾踊驕p少智能電池模組數(shù)，增加了監(jiān)測與均衡裝置的應(yīng)用范圍，可方便更換故障智能電池模組，避免某一個智能電池模組出現(xiàn)故障時，整個監(jiān)測與均衡裝置也必須更換，延長了監(jiān)測與均衡裝置的使用周期。
[0024]作為本實用新型應(yīng)用于小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置的一種改進(jìn):所述智能電池模組中的保護切換開關(guān)，既可以作為過流、過溫等保護，也可以作為離線與在線均衡方式選擇的切換開關(guān)。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點在于:1、可進(jìn)行在線均衡、離線均衡方式之間的切換，均衡效果更好；2、智能電池模組之間預(yù)設(shè)有連接端口，可方便擴展動力系統(tǒng)容量， 也可方便更換故障智能電池模組。

【專利附圖】

【附圖說明】
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[0026]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中:
[0027]圖1是小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置總體示意圖
[0028]圖2是圖1中智能電池模組200的詳細(xì)示意圖

【具體實施方式】
[0029]以下將結(jié)合附圖，對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)描述:應(yīng)當(dāng)理解，詳細(xì)描述的特定實施例僅為了說明本實用新型，而不是為了限制本實用新型的保護范圍。
[0030]下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】做進(jìn)一步說明。
[0031]本實用新型提供一種小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置，包括控制系統(tǒng)100和若干個智能電池模組(200、300)，控制系統(tǒng)100與第一智能電池模組200相連，所有智能電池模組(200、300)通過電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)(220、320)上連接端口處的信號總線(230,330)依次串行連接，所述的若干智能電池模組串行連接為:第一智能電池模組200的底層連接端口 228與控制系統(tǒng)100相連，第二智能電池模組300的底層連接端口與第一智能電池模組200的頂層連接端口 229相連，依次類推。各底層連接端口與頂層連接端口相連構(gòu)成串行的信號總線(230、330)，完成智能電池模組之間的電壓、電流、溫度信號以及均衡控制信號的傳遞。
[0032]智能電池模組并聯(lián)在動力母線上，智能電池模組并行連接為:所有智能電池模組中的電池串并聯(lián)在動力母線上，為交通工具提供所需功率。如圖1所示:智能電池模組200中的電池串210與智能電池模組300中的電池串310并聯(lián)在動力母線500上為交通工具400提供所需功率。
[0033]所述小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置中控制系統(tǒng)100由MCU模塊110，保護報警單元120、存儲單元130、LCD單元140構(gòu)成，其中保護報警單元120、存儲單元130、LCD單元140分別與MCU模塊110相連。
[0034]所述小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置中智能電池模組200包括電池串210、電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)220、信號總線230，電池串210由12節(jié)單體電池串聯(lián)組成，電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)220包括熱敏電阻221、電壓采集總線222、溫度采集總線223、保護切換開關(guān)224、電流傳感器225、電壓監(jiān)測單元226、設(shè)置端口 227、底層連接端口 228、頂層連接端口 229，電池串210和電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)220相連，電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)220和控制系統(tǒng)100或者電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)320和下一個智能電池模組200相連。
[0035]所述智能電池模組200中的電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)220采集電池串的電流、12節(jié)單體電池的電壓、4路溫度信息，通過連接端口處的信號總線230傳送給控制系統(tǒng)100，控制系統(tǒng)100根據(jù)上述信息估算動力系統(tǒng)的剩余電量，并判定是否需要報警或者保護，是否需要切入與切出進(jìn)行均衡方式切換，同時將這些信息顯示在IXD單元140上和存儲在存儲單元130 中。
[0036]所述的保護切換開關(guān)224作為保護和切入切出選擇均衡方式的開關(guān)，這里建議采用大電流繼電器。當(dāng)智能電池模組出現(xiàn)過壓、過流、過溫時斷開224以保護智能電池模組，當(dāng)在線均衡不能滿足均衡需求時斷開224使智能電池模組選擇離線均衡方式，同時導(dǎo)通備用智能電池模組的保護切換開關(guān)224進(jìn)行在線均衡以及為系統(tǒng)提供動力。例如:在只有兩個智能電池模組的動力系統(tǒng)中，默認(rèn)智能電池模組300處于離線均衡方式，而當(dāng)智能電池模組200不均衡度超過設(shè)定最大閾值時斷開其保護切換開關(guān)224使智能電池模組200進(jìn)入離線均衡方式直到不均衡度達(dá)到最小閾值以下，同時開通智能電池模組300的保護切換開關(guān)使其進(jìn)行在線均衡同時為交通工具提供所需功率。
[0037]所述的報警與保護是指，根據(jù)工況測試以及電池特性在控制系統(tǒng)100內(nèi)部設(shè)定合理開啟保護的溫度、電流、電壓閾值，實時和電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)采集到的相應(yīng)信息比較，當(dāng)其接近閾值時啟動報警，當(dāng)其值超過閾值時則斷開保護切換開關(guān)關(guān)閉智能電池模組輸出，使智能電池模組工作在不損害電池性能和保護用戶安全的范圍內(nèi)。
[0038]所述的智能電池模組設(shè)置端口 227可設(shè)置智能電池模組在整個動力系統(tǒng)中串行連接的位置，在底端、中間位置和頂端分別進(jìn)行不同設(shè)置。本實用新型建議采用一個三端開關(guān)，三個端分別可設(shè)置為表示智能電池模組在底端、中間位置、頂端，控制系統(tǒng)100通過檢測端口設(shè)置判斷動力系統(tǒng)的智能電池模組數(shù)目從而得到動力系統(tǒng)的總?cè)萘?、通知各智能電池模組是否需要接收來自上一智能電池模組傳送的數(shù)據(jù)以及將自身采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給下一智能電池模組還是發(fā)送給控制系統(tǒng)，從而保證控制系統(tǒng)對所有智能電池模組的有效管理；當(dāng)某一智能電池模組損壞時，通過連接端口更換智能電池模組并進(jìn)行相應(yīng)位置設(shè)置，如當(dāng)需要更換的智能電池模組位于動力系統(tǒng)的頂端時，更換智能電池模組之后應(yīng)將新的智能電池模組端口設(shè)置為頂端位置；當(dāng)需要增加容量時，將新加入智能電池模組的底層連接端口與原頂端智能電池模組的頂層連接端口相連，并把新加入的智能電池模組設(shè)置為頂端位置，將原頂端智能電池模組設(shè)置為中間位置；當(dāng)需要減少容量時，將頂端智能電池模組脫離動力系統(tǒng)，并將次頂端智能電池模組設(shè)置為頂端位置。
[0039]雖然本實用新型的部分實施例已經(jīng)說明和描述過，但很清楚本實用新型并不限定于此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本實用新型的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
【權(quán)利要求】
1.一種小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置，包括控制系統(tǒng)(100)和至少兩個智能電池模組:第一智能電池模組(200)和第二智能電池模組(300);控制系統(tǒng)與第一智能電池模組相連，所有智能電池模組(200和300)通過電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)上連接端口處的信號總線(230和330)依次串行連接，智能電池模組串行連接為:第一智能電池模組(200)的底層連接端口(228)與控制系統(tǒng)(100)相連，第二智能電池模組(300)的底層連接端口與第一智能電池模組(200)的頂層連接端口(229)相連，依次類推；各底層連接端口與頂層連接端口相連構(gòu)成串行的信號總線(230和330)，完成智能電池模組之間的電壓、電流、溫度信號以及均衡控制信號的傳遞；智能電池模組(200)中的電池串(210)與智能電池模組(300)中的電池串(310)并聯(lián)在動力母線(500)上為交通工具(400)提供所需功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置，其特征在于，所述小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置中控制系統(tǒng)(100)由MCU模塊(110)、保護報警單元(120)、存儲單元(130)、LCD單元(140)構(gòu)成，其中保護報警單元(120)、存儲單元(130)、LCD單元(140)分別與MCU模塊(110)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述之小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置，其特征在于，所述第一智能電池模組(200)包括電池串(210)、電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)(220)、信號總線(230)，電池串(210)由12節(jié)單體電池串聯(lián)組成，電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)(220)包括熱敏電阻(221)、電壓采集總線(222)、溫度采集總線(223)、保護切換開關(guān)(224)、電流傳感器(225)、電壓監(jiān)測單元(226)、設(shè)置端口(227)、底層連接端口(228)、頂層連接端口(229)、電池串(210)和電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)(220)相連，電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)(220)和控制系統(tǒng)(100)或者電池監(jiān)測與均衡系統(tǒng)(320)和下一個智能電池模組(200)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述之小型電動交通工具動力電池組監(jiān)測與均衡裝置，其特征在于，所述第二智能電池模組可并聯(lián)設(shè)置多個。
【文檔編號】H02J7/00GK204046236SQ201420465962
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】戴朝華, 歐陽譽波, 歐陽家俊, 陳維榮, 劉志祥, 李奇, 張雪霞, 游志宇 申請人:西南交通大學(xué)