基于多通道受控储能单元网络的电池管理系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多通道受控储能单元网络的电池管理系统的设计。受控储能单元网络由多个受控储能单元构成，其中每个受控储能单元包括四组受控通路，两组总线，两个输出端以及储能元件。基于多通道受控储能单元网络的电池管理系统通过控制受控开关的断开和闭合，可以实现储能元件在多个主干通路之间跨通道自由移动，能够灵活适应不同的应用场合，尤其可以实现储能元件的智能均衡。

Battery management system based on multi channel controlled energy storage unit network

The invention discloses a battery management system based on a multi-channel controlled energy storage unit network. The controlled energy storage unit network is composed of a plurality of controlled energy storage units, wherein each controlled energy storage unit comprises four groups of controlled paths, a group of two buses, a plurality of output terminals and an energy storage element. Battery management system for multi channel controlled storage unit network by opening and closing controlled switch based on energy storage can be achieved free mobile cross channel among a plurality of main path components, can flexibly adapt to different applications, especially intelligent equalization can achieve the storage element.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及储能元件管理领域，具体来说涉及一种新型的基于多通道受控储能单元网络的电池管理系统。
技术介绍
目前随着储能元件如电池技术的不断发展，储能元件组如电池组得到了广泛应用。电池组由多个电池单元(电池单芯或者电池模块)通过串并联组成。常见的结构为xSyP结构(电路含x个电池串，每串有y个电池单元)。虽然在出厂之初，电池单元之间的个体差异不大，但是在使用过程中差异会逐渐变大，能充满的电量以及放电的时间都有差别，使用中电压下降的速度也不同，这种差异会影响电池组的整体性能和使用寿命。为了解决这种差异，传统电池管理系统BMS(battery management system)中电池均衡主要采用两种策略，被动均衡和主动均衡。如图1所示，被动均衡就是通过对较高电压的电池增加旁路电阻进行放电，从而使得较高电压的电池电压降低而达到与低电压电池基本一致。主要的优点是设计简单，缺点是将电池能量转换为电阻的热能，浪费了电能，降低了电池整体效率。主动均衡的原理是当电池组中的各个电池单体之间出现不一致时，用储能器件将能量从电压较高的电池单体转移到较低的电池单体中，从而实现延长电池组使用时间的目的。主动均衡的优点是效率较被动均衡有所提高，能量被转移，损耗相对被动均衡小。缺点是结构复杂、成本高、可靠性相对较低。图2显示了使用变压器来进行能量转移的一种方案示意图。
技术实现思路
综上所述，传统BMS中的主动均衡和被动均衡技术的本质都是电量转移，被动均衡是将电量转移到电池组外部耗散掉，而主动均衡是将电量从健康度高的电池转移到健康度低的电池，在这个电池互充的过程中，能量需要经过化学能到电能再到化学能的转变，损耗在20％左右。本专利技术的目的是通过动态重配置(本质上是储能元件转移)来解决储能元件不均衡等问题，可以尽量解决互充问题和能量损耗。通过对储能元件外部指标或内部指标的监测，将某一指标或某些指标相同或类似的储能元件动态连接到一个串里，解决储能元件的不均衡等问题。现有方案中，以储能单元为电池、电池健康度作为衡量指标的情况为例，如果一串电池里面健康度出现差异，一个健康度为100％，另外一个为90％，那么传统BMS只能通过前述的均衡技术来解决问题。而本专利技术可以改变储能元件的连接结构，将预定的储能单元如健康度相似的储能元件放在一个串里面去，从而不需要额外的电路去解决均衡问题。相比于传统的主动和被动均衡技术，本专利技术的智能均衡方案无能量损耗，而且本产品的均衡方案的实现也比传统主动均衡方案简单。本专利技术的电路结构以及管理系统除了电池以外，同样可以应用于储能元件如电感、电容等的管理场合。通过下例可以更清楚的说明智能均衡方案。假设初始电池组如图4所示，有9个电芯组成3S3P的结构。假设使用一段时间后电芯B，D和E的指标如健康度变差(变为90％)，运用智能均衡方案，可以将电芯B(1,2)移动到第2串，电芯F(2,3)移动到第1串，从而实现将健康度相似的电池放到一串里面。图5和图6展示了两种具体实现的连接拓扑结构，都满足要求。也就是说，将电芯移动到目标串之后，在目标串内的相对位置是不重要的。值得指出的是，这里的电芯“移动”实质上是电芯拓扑连接结构的改变，也就是电芯连接到的电池串发生了改变，而电芯本身的物理位置并不一定发生改变。为实现本专利技术之目的，采用以下技术方案予以实现：一种多通道受控储能单元网络，包括通道接线端，通道选择开关，受控储能单元网络。其中，受控储能单元网络一般由M行N列受控储能单元以网状连接(参见图7)，每一行组成一个主干通路，每列之间通过总线连接。每个受控储能单元包括储能元件、两个输出端、四组受控通路和两组总线(参见图8)。更详细的：所述的储能元件，包括：电芯、电池模块、电感、电容。两个输出端nL和nR作为该受控储能单元和同一行其它的受控储能单元相连的端点。第一组受控通路由受控开关和受控开关控制。受控开关的第一端与储能元件的第一端连接，受控开关的第一端与储能元件的第二端连接，受控开关的另外一端连接到nL端点，受控开关的另外一端连接到nR端点(见图8)；第二组受控通路由受控开关SB控制，SB的两端分别连接nL和nR端点；两组总线包含第一总线和第二总线。第一总线和第二总线各包括M条线路，第一总线中的一条线路与储能元件的第一端相连；第二总线中的一条线路与储能元件的第二端相连；第一总线中除了与储能元件的第一端相连的线路以外，其它线路(比如线路i)均通过各自的受控开关(比如)与nL相连,构成M-1条受控通路；第二总线中除了与储能元件的第二端相连的线路以外，其它线路(比如线路i)均通过各自的受控开关(比如)与nR相连，构成M-1条受控通路；上述与总线相连的2(M-1)条受控通路统称为第三组受控通路(图8)；第四组受控通路由M-1个受控开关控制，该M-1个受控开关中的每一个受控开关的第一端仅连接第一总线中除了与储能元件的第一端相连的总线中的一条线路，所有该M-1个受控开关中的第二端都连接到储能元件的第二端(图8)。上文详细介绍了单个受控储能单元内部构造，下面介绍多通道受控储能单元网络的构造特征：每个通道由两个接线端以及连接在中间的主干通路组成，哪条主干通路连接到哪个通道由通道选择开关的断开和闭合决定。通道接线端的第一端与一个或者多个通道选择开关的第一端连接，第二端跟所有主干通路的一个端点(比如，最右侧受控储能单元的nR端点)直接连接；上述通道选择开关的第二端分别连接一条主干通路的一个端点(比如，最左侧受控储能单元的nL端点)；每条主干通路对应受控储能单元网络中的一行，包括多个串联的受控储能单元(串联是指一个受控储能单元的nL端点和另外一个受控储能单元的nR端点通过一条导线连接)，最外侧的两个受控储能单元的不与其它受控储能单元相连的输出端分别连接通道接线端的第二端和某个通道选择开关的第二端；主干通路中同一列的受控储能单元共用第一总线和第二总线,而且第一总线和第二总线贯穿该列将所有受控储能单元模块纵向连接起来。所述的受控储能单元网络，优选的：至少一条主干通路中最外侧的一个受控储能单元的不与其它受控储能单元相连的输出端(比如，nL端点)通过通道选择受控开关连接到一对通道接线端中的第一端。所述的受控储能单元网络，优选的：该主干通路中最外侧的另一个受控储能单元的不与其它受控储能单元相连的输出端(比如，nR端点)直接或者通过受控开关连接上述通道接线端中的第二端。所述的受控储能元件网络，优选的：多对接线端中的每对接线端的第一端之间(通过开关或者没有开关)互相连接、互相不连接或者部分连接；多对接线端中每对接线端的第二端之间(通过开关或者没有开关)互相连接、互相不连接或者部分连接。上文所述的受控开关是任何能够实现开关功能的开关器件，例如可以是继电器，或者是开关晶体管等。每个受控开关都由开关信号单独控制，可以单独导通或者切断。开关信号可以由用户通过计算机输入，或者根据要连接的电路的结构由控制装置计算得到。图9展示了一个受控开关的示意图，当信号E为设定的闭合电位时，u和v之间的开关闭合，线路连通，否则当信号E为设定的断开电位时，u和v之间的开关打开，线路断开。当然上述信号E也可以是设定的闭合电流，或任意的信号，只要通过该信号E的变化能够实现开关的打开和闭合即可。附图说本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种受控储能单元模块，包括：储能元件，第一受控通路，第二受控通路，第三受控通路，第四受控通路，第一总线，第二总线，第一输出端和第二输出端；其特征在于：第一受控通路包括受控开关和受控开关该受控通路由受控开关和受控开关控制，受控开关的第一端与储能元件的第一端连接，受控开关的第一端与储能元件的第二端连接，受控开关的第二端和受控开关的第二端分别与受控储能单元模块的第一输出端和第二输出端连接；第二受控通路包括受控开关SB，该受控通路由受控开关SB控制，受控开关SB的两端分别与受控储能单元模块的第一输出端和第二输出端连接；第一总线和第二总线各包括M条总线，第一总线中的一条与储能元件的第一端相连；第二总线中的一条与储能元件的第二端相连，所述M为不小于2的整数；第三受控通路包括2(M‑1)个受控开关，该受控通路由所述2(M‑1)个受控开关控制，第一总线中除了与储能元件的第一端相连的线路以外，其他线路均通过所述第三受控通路中的一个受控开关与受控储能单元的第一输出端相连；第二总线中除了与储能元件的第二端相连的线路以外，其他线路均通过所述第三受控通路中的一个受控开关与受控储能单元模块的第二输出端相连；第四受控通路包括M‑1个受控开关，该受控通路由所述M‑1个受控开关控制，该M‑1个受控开关中的每一个受控开关的第一端仅连接第一总线中除了与储能元件的第一端相连的总线中的一条线路，该受控开关中的第二端连接到储能元件的第二端。...

【技术特征摘要】
1.一种受控储能单元模块，包括：储能元件，第一受控通路，第二受控通路，第三受控通路，第四受控通路，第一总线，第二总线，第一输出端和第二输出端；其特征在于：第一受控通路包括受控开关和受控开关该受控通路由受控开关和受控开关控制，受控开关的第一端与储能元件的第一端连接，受控开关的第一端与储能元件的第二端连接，受控开关的第二端和受控开关的第二端分别与受控储能单元模块的第一输出端和第二输出端连接；第二受控通路包括受控开关SB，该受控通路由受控开关SB控制，受控开关SB的两端分别与受控储能单元模块的第一输出端和第二输出端连接；第一总线和第二总线各包括M条总线，第一总线中的一条与储能元件的第一端相连；第二总线中的一条与储能元件的第二端相连，所述M为不小于2的整数；第三受控通路包括2(M-1)个受控开关，该受控通路由所述2(M-1)个受控开关控制，第一总线中除了与储能元件的第一端相连的线路以外，其他线路均通过所述第三受控通路中的一个受控开关与受控储能单元的第一输出端相连；第二总线中除了与储能元件的第二端相连的线路以外，其他线路均通过所述第三受控通路中的一个受控开关与受控储能单元模块的第二输出端相连；第四受控通路包括M-1个受控开关，该受控通路由所述M-1个受控开关控制，该M-1个受控开关中的每一个受控开关的第一端仅连接第一总线中除了与储能元件的第一端相连的总线中的一条线路，该受控开关中的第二端连接到储能元件的第二端。2.根据权利要求1所述的受控储能单元，其特征在于：所述储能元件包括：电芯、电池模块、电感、电容。3.一种多通道受控储能单元网络，包括多对接线端以及多条主干通路，其特征在于：每条主干通路均包括多个串联的如权利要求1或2所述的受控储能单元模块，其中每条主干通路中的多个受控储能单元模块依次通过其输出端与相邻的受控储能单元模块串联连接，最外侧的两个受控储能单元模块中的不与其他受控储能单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷里鹏，魏耀蕊，胡浩，
申请(专利权)人：胡浩，
类型：发明
国别省市：北京;11