一种具有冗余设计的电池组内和组间均衡管理系统技术方案

本发明专利技术提供了一种具有冗余设计的电池组内和组间均衡管理系统，包括至少两个依次串联的电池组、冗余电池组、MCU处理单元、检测采集模块、驱动模块、译码电路、与电池组个数相同的第一级开关矩阵、与电池组个数相同的变压器、两个第二级开关矩阵；每个电池组内含有至少两个串联的单体电池。本发明专利技术设计成本更低，实现难度跟小，均衡效果更强。可以在缓解电池管理系统开发成本的同时，还能达到很好的均衡效果。

A battery pack internal and inter group equalization management system with redundancy design

The invention provides a battery pack and inter group equalization management system with redundant design, including at least two battery groups, redundant batteries, MCU processing units, detection and acquisition module, driver module, decoding circuit, the same first stage switch matrix with the number of battery groups, and the same number of battery groups. Transformer, two second level switch matrix, each battery pack contains at least two series battery. The invention has lower design cost, smaller difficulty and better balance effect. It can alleviate the development cost of battery management system, and achieve a good balance effect.

【技术实现步骤摘要】
一种具有冗余设计的电池组内和组间均衡管理系统
本专利技术涉及电池密封
，尤其涉及一种具有冗余设计的电池组内和组间均衡管理系统。
技术介绍
目前储能电源主要采用磷酸铁锂电池，锂离子电池具有体积小，能量密度较高，无记忆效应，循环寿命高，自放电率低，安全性高等优点。锂电池的充放电、性能和安全问题均由电池管理系统来进行控制。电池管理系统是储能变流器PCS和电池之间的重要枢纽，主要用于电池物理参数实时监测、电池状态估计、在线诊断与预警、充电机放电与预充控制、均衡管理和热管理等。锂电池在初期成组时相关参数可控制在一定区间内（尽量让参数接近相同），但电池组使用一段时间后各单体电池件一致性就会发生变化，尤其经过大电流充放电后单体参数不一致的问题尤为明显，电池组各个参数后期变化会更大，短板效应更为突出，导致电池组充放电可用容量越来越少，使用寿命也随之降低。为了打破电池组水桶短板效应，现有技术一般采用被动均衡和主动均衡的方式，但均存在一定的缺点：1.被动均衡电流较小，均衡速度慢、效率低，对于高容量的储能电池效果几乎为零；2.被动均衡采用的是电阻放电的形式，损失能量，电阻发热，会对BMS硬件电路板造成一定影响，严重时会对电池造成损坏，影响电池使用寿命；3.目前主动均衡主要采用电容，电感，双向DC-DC等形式来实现，均衡电流大，效果较为明显，但是硬件电路成本较高，控制策略复杂，相对较难实现，并且主要用于组内均衡。并且在一些降低成本的解决方案中难以采用。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种具有冗余设计的电池组内和组间均衡管理系统，包括至少两个依次串联的电池组、冗余电池组、MCU处理单元、检测采集模块、驱动模块、译码电路、与电池组个数相同的第一级开关矩阵、与电池组个数相同的变压器、两个第二级开关矩阵；每个电池组内含有至少两个串联的单体电池；MCU处理单元与检测采集模块、驱动模块、译码电路连接；每个电池组对应设置一个第一级开关矩阵、一个变压器，每个单体电池的正极与负极连接到第一级开关矩阵，该第一级开关矩阵再与对应变压器的初级侧连接，该变压器的次级侧两端通过一个第二级开关矩阵与冗余电池组连接；一个第二级开关矩阵的一侧连接至电池组或者变压器，另一侧连接至冗余电池组；另一个第二级开关矩阵的一侧连接至变压器的次级侧，另一侧连接至冗余电池组；驱动模块用于控制第一级开关矩阵和第二级开关矩阵中所有开关的正常导通和断开；译码电路用于控制第一级开关矩阵和第二级开关矩阵的工作；检测采集模块用于检测单体电池、电池组的电量情况，采集单体电池、电池组信息。MCU处理单元用于控制译码电路、驱动模块、检测采集模块工作，还对检测采集模块传输回来的数据进行处理、并控制其存储。进一步的，变压器的初级侧至少有一个限流电路。进一步的，单体电池与第一级开关矩阵的各个连接导线上设置有保险丝。进一步的，电池组与第二级开关矩阵之间的各个连接导线上设置有保险丝。进一步的，所述第一级开关矩阵、第二级开关矩阵均由可控开关构成，所述的可控开关采用场效应管或者是光耦继电器。进一步的，译码电路是通过使用74HC138译码器搭建。进一步的，检测采集模块传输回来的数据包括运行数据、电池状态信息、故障信息。本专利技术的有益效果为：本专利技术综合采用现有技术做基础，采用冗余电池组的设计思想，实现组内组间均衡功能。较现有技术相比，设计成本更低，实现难度跟小，均衡效果更强。可以在缓解电池管理系统开发成本的同时，还能达到很好的均衡效果。附图说明图1为电池组、单体电池与第一级开关矩阵、第二级开关矩阵、变压器的连接示意图。图2为第一级开关矩阵、第二级开关矩阵内部结构图。具体实施方式本专利技术所述系统包括电池组、冗余电池组、MCU处理单元、检测采集模块（AFE）、驱动模块、译码电路。MCU处理单元与检测采集模块（AFE）、驱动模块、译码电路连接。下面结合图1介绍电池组与各个开关矩阵、变压器的连接关系。本专利技术设置有具有两个以上且依次串联的电池组。每个电池组里有依次串联的两个及其以上的单体电池。开关矩阵包括与电池组个数相同的第一级开关矩阵、两个第二级开关矩阵。变压器也与电池组个数相同。电池、电池组、变压器、第一级开关矩阵、第二级开关矩阵之间的连接关系为：每个电池组对应设置一个第一级开关矩阵、一个变压器，每个单体电池的正极与负极经对应的第一级开关矩阵与对应的变压器的初级侧连接，变压器的次级侧两端通过一个第二级开关矩阵与冗余电池组连接。每个电池组的正极经第二级开关矩阵与冗余电池组的正极连接，每个电池组的负极经第二级开关矩阵与冗余电池组的负极连接。所述每个电池组中的N个单体电池通过N+1根导线连接至对应的第一级开关矩阵。M个电池组通过M+1根导线连接至另一个第二级开关矩阵。其中，各个电池组之间的连接线也连接都第二级开关矩阵。其中，N和M均为整数。电池或电池组的正负极与冗余电池组或变压器的并联通过开关矩阵的选通实现。第一级开关矩阵与第二级开关矩阵的内部结构相同（如图2所示）。第一级开关矩阵的一侧连接至单体电池，另一侧连接至变压器。第二级开关矩阵的一侧连接至电池组或者变压器，另一侧连接至冗余电池组。优选的，在每个变压器的初级侧至少有一个限流电路，当为多个限流电路，各个限流电路串联。优选的，在单体电池与第一级开关矩阵的各个连接导线上，优选设置有保险丝用于放过流。优选的，在电池组与第二级开关矩阵之间的各个连接导线上，优选设置至少有一个保险丝用于放过流。驱动模块是通过使用场效应管驱动电路来控制第一级开关矩阵和第二级开关矩阵中所有开关的正常导通和断开。该模块采用的是现有技术中的成熟电路。译码电路用于控制第一级开关矩阵和第二级开关矩阵的工作。译码电路是通过使用74HC138译码器搭建的译码电路来控制。如图1所示，每个电池组有8个单体电池，则第一级开关矩阵或者第二级开关矩阵中的开关K1-K8各连接一个单电池，K9-K12均连接K1-K8，译码电路控制两组开关的导通和断开，实现单体电池或电池组的正负极两侧到变压器初级侧或冗余电池组正负极的导通。所有开关矩阵均由可控开关构成，所述的可控开关采用场效应管（MOSFET）或者是光耦继电器。检测采集模块（AFE）采用的是现有的成熟模块，用于检测单体电池、电池组的电量情况，采集单体电池、电池组信息。MCU处理单元与驱动模块、译码电路、检测采集模块连接，用于控制译码电路、驱动模块、检测采集模块工作，还对检测采集模块传输回来的数据进行处理、并控制其存储。所述数据包括运行数据（电压、电流、温度、实时充放电功率）、电池状态信息（充电、放电、待机状态等）、故障信息（单体电池过压、欠压、过流、过温、低温等故障信息）。优选的,MCU处理单元还会根据处理后的数据进行故障诊断，并与告警装置连接，当诊断出故障后，控制告警装置进行警报。下面对本专利技术的工作方法进行说明。1）充电均衡：电池组内：检测采集模块实时测量每一个单体电池的电压和电流，综合估算每个单体电池剩余电量（SOC），根据SOC判断最接近充满的单体电池，通过选通第一级开关矩阵的相应开关将最接近充满的电池旁路出充电回路，与对应变压器连接，把充电回路的充电负荷分流一部分至变压器初级侧，经变压器升压之后选通第二级开关矩阵的相应开关向冗余电池组充电，承担部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有冗余设计的电池组内和组间均衡管理系统，其特征在于，包括至少两个依次串联的电池组、冗余电池组、MCU处理单元、检测采集模块、驱动模块、译码电路、与电池组个数相同的第一级开关矩阵、与电池组个数相同的变压器、两个第二级开关矩阵；每个电池组内含有至少两个串联的单体电池；MCU处理单元与检测采集模块、驱动模块、译码电路连接；每个电池组对应设置一个第一级开关矩阵、一个变压器，每个单体电池的正极与负极连接到第一级开关矩阵，该第一级开关矩阵再与对应变压器的初级侧连接，该变压器的次级侧两端通过一个第二级开关矩阵与冗余电池组连接；一个第二级开关矩阵的一侧连接至电池组或者变压器，另一侧连接至冗余电池组；另一个第二级开关矩阵的一侧连接至变压器的次级侧，另一侧连接至冗余电池组；驱动模块用于控制第一级开关矩阵和第二级开关矩阵中所有开关的正常导通和断开；译码电路用于控制第一级开关矩阵和第二级开关矩阵的工作；检测采集模块用于检测单体电池、电池组的电量情况，采集单体电池、电池组信息；MCU处理单元用于控制译码电路、驱动模块、检测采集模块工作，还对检测采集模块采集回来的数据进行处理、并控制其存储。

【技术特征摘要】
1.一种具有冗余设计的电池组内和组间均衡管理系统，其特征在于，包括至少两个依次串联的电池组、冗余电池组、MCU处理单元、检测采集模块、驱动模块、译码电路、与电池组个数相同的第一级开关矩阵、与电池组个数相同的变压器、两个第二级开关矩阵；每个电池组内含有至少两个串联的单体电池；MCU处理单元与检测采集模块、驱动模块、译码电路连接；每个电池组对应设置一个第一级开关矩阵、一个变压器，每个单体电池的正极与负极连接到第一级开关矩阵，该第一级开关矩阵再与对应变压器的初级侧连接，该变压器的次级侧两端通过一个第二级开关矩阵与冗余电池组连接；一个第二级开关矩阵的一侧连接至电池组或者变压器，另一侧连接至冗余电池组；另一个第二级开关矩阵的一侧连接至变压器的次级侧，另一侧连接至冗余电池组；驱动模块用于控制第一级开关矩阵和第二级开关矩阵中所有开关的正常导通和断开；译码电路用于控制第一级开关矩阵和第二级开关矩阵的工作；检测采集模块用于检测单体电池、电池组的电量情况，采集单体电池、电池组信息；MCU处理单元用...

【专利技术属性】
技术研发人员：瞿祥忠，邹才华，蒲彦宁，
申请(专利权)人：成都特隆美储能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51