一种串联电池组模块化主动均衡系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种串联电池管理装置，包括变换单元,与多节串联单体电池分别电连接，其中所述变换单元包括开关组件，配置为控制与多节单体电池对应多条回路的闭合状态；以及充放电兼变压组件，配置为工作在充电、放电或变压模式，以实现相邻和不相邻的单体电池之间的电量调配；所述电池管理装置还包括控制单元,与所述变换单元电连接，配置为对电池状态进行检测，并控制所述开关组件的状态以及所述充放电兼变压组件的工作模式。在每个电池单元内部，通过控制功率开关管和变压器实现电池之间的电量交换，在相邻的电池单元之间通过共用一个单体电池实现电量交换，电量交换用时短，能量传递损耗少。

【技术实现步骤摘要】
一种串联电池组模块化主动均衡系统及方法
本专利技术涉及电池管理
，尤其涉及一种串联电池组模块化主动均衡系统及方法。
技术介绍
当使用多个单体电池串联形成电池组时，由于单体电池容量的不一致性，再加上单体电池在使用中的环境温度不同导致这种不一致性的加剧，会造成在电池组放电时，当容量最小的单体电池电量耗尽时，即使其它电池还有电量也无法使用；而在电池组充电时，电量最小的电池先充满电，即使其它电池还有空余容量，也无法再充电，从而导致电池组的总体容量利用率降低，因此需要使用电池管理系统对电池组内的所有单体电池进行管理。目前针对电池管理系统(BATTERYMANAGEMENTSYSTEM，简称BMS)的研究，主要集中于电动汽车
，汽车BMS作为连接车载动力电池组和电动汽车的重要纽带，其主要功能包括：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预警；充、放电与预充控制；均衡管理和热管理等。在均衡管理方面，传统的电池组均衡管理方式主要分为两大类：被动均衡和主动均衡。被动均衡的原理为能量消耗，通常在每只单体电池上并联一个可控分流电阻，当电池电压达到或者超过限制电流电压时，导通分流电阻回路，使流过单体电池的充电电流减小，从而使得单体电池的电压维持在限制值以内，流过电阻的电能则以热能的形式释放。主动均衡的原理为能量转移，通常需要一个电压转换器，当主控制器检测到某单体电池电压偏高时，将电压偏高单体电池的能量通过变换器转移到电压偏低的单体电池上，从而达到电压和能量的均衡。实际应用中，由于被动均衡管理的电路结构简单，易于实现，在能够做到单体电池一致性较好、电池热均衡管理较好、电池压力管理较好的应用场合一般采用被动均衡管理的方法，典型的应用实例为特斯拉电动汽车中的电池管理。而在单体电池一致性较差、电池热均衡管理较差，并且单体电池受到的机械应力不一致的应用场合一般采用主动均衡的管理方法。主动均衡管理方法较为典型的实现方案为利用开关电源来实现电池组的主动均衡，具体电路设计方案如图1所示，为实现N个电池的主动均衡，需要使用2(N-1)个功率开关以及(N-1)个电感，同时电池组的充放电只能在相邻的两个单体电池之间进行。这样一来，如果需要平衡的两个单体电池之间相隔有K个单体电池，它们之间的电量平衡需要通过K+1次的电量传递才能完成，整个传递过程不仅需要消耗较多的能量，而且需要较长的传递时间。针对上述利用开关电源实现主动均衡管理中存在的技术问题，一些研究人员提出了利用多绕组变压器实现单体电池能量传递的技术方案，如中国专利公告号为CN102684263B的专利技术专利就公开了一种基于对称多绕组变压器结构的串联电池组均衡电路及应用于该电路的控制方法，但是这种单磁芯多绕组的技术方案在绕组个数增多时，变压器的制作及机械可靠性都变得非常困难；同时变压器的维护和替换也非常昂贵。同时现有的BMS一般采用CAN总线传输的方式，不仅使得系统布线复杂，而且当应用于电动汽车时，汽车行驶过程中的环境因素，会对CAN总线传输的稳定性造成影响，大大降低整个BMS的稳定性和可靠性。
技术实现思路
针对现有技术中的问题，本专利技术提供一种模块化的、系统器件数量更少，体积更小，并且能够电池之间更加快速传递电量的串联电池组模块化主动均衡及方法。本申请提供了一种串联电池管理装置，包括变换单元,与多节串联单体电池分别电连接，其中所述变换单元包括开关组件，配置为控制与多节单体电池对应多条回路的闭合状态；以及充放电兼变压组件，配置为工作在充电、放电或变压模式，以实现相邻和不相邻的单体电池之间的电量调配；所述电池管理装置还包括控制单元,与所述变换单元电连接，配置为对电池状态进行检测并上报，并控制所述开关组件的状态以及所述充放电兼变压组件的工作模式。特别的，所述多节串联单体电池包括2n节单体电池，所述开关组件包括2n个开关，配置为分别控制与2n节单体电池相应的电池回路的闭合状态；以及所述充放电兼变压组件包括n个等效电感，所述n个等效电感中的任意两个电连接在彼此不相邻的所述电池回路中；其中n为大于等于2的整数。特别的，所述2n个开关为2n个晶体管，每个所述晶体管的控制极都电连接到所述控制单元，每个所述晶体管的第一极电连接到相应的单体电池的正极，第二极电连接到所述单体电池的负极，第x个晶体管的第二极电连接到第x+1个晶体管的第一极；任一所述n个等效电感的第一端电连接到相邻两节单体电池的正负电极的相连节点，其第二端电连接在与该相邻两节单体电池相应的相邻两个晶体管的第一极和第二极的相连节点；其中x是大于等于1且小于等于2n的整数。特别的，第y节电池与相邻的第y+1节电池发生电量均衡时，当第y个晶体管导通，且第y+1个晶体管断开时，第y节电池对应的回路导通，相应的等效电感处于被所述第y节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y个晶体管断开，且与第y+1个晶体管导通时，第y+1节电池对应的回路导通，该等效电感处于向所述第y+1节电池放电的模式以传输待均衡电量；或者，当第y节单体电池的电量低于第y+1节单体电池的电量时，当第y+1个晶体管导通，且第y个晶体管断开时，第y+1节电池对应的回路导通，该等效电感处于被所述第y+1节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y+1个晶体管断开，且与第y个晶体管导通时，第y节电池对应的回路导通，该等效电感处于向所述第y节电池放电的模式以传输待均衡电量；其中y为大于等于1且小于等于2n-1的整数。特别的，第y节电池与不相邻的第z节电池发生电量均衡时，当第y晶体管导通，第y节电池对应的回路导通，相应的等效电感处于被所述第y节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y晶体管导通，且第z晶体管导通时，第y节电池和z节电池对应的回路导通时，两个回路中的等效电感在所述控制单元的控制下一起工作在变压模式以传输待均衡电量；其中z为大于等于1小于等于2n的整数，但是不等于y+1，也不等于y-1。特别的，所述晶体管为功率晶体管。本申请还提供了一种串联电池管理系统，包括M个串联电池管理装置，配置为相应的管理由N个串联的单体电池组成的M个串联电池组，其中每个所述串联电池管理装置包括，变换单元,与多节串联单体电池分别电连接，其中所述变换单元包括开关组件，配置为控制与多节单体电池对应多条回路的闭合状态；以及充放电兼变压组件，配置为工作在充电、放电或变压模式，以实现相邻和不相邻的单体电池之间的电量调配；所述电池管理装置还包括控制单元,与所述变换单元电连接，配置为对电池状态进行检测并上报，并控制所述开关组件的状态以及所述充放电兼变压组件的工作模式；其中M和N均为大于等于2的整数，第P个电池组的最后一节单体电池也是第P+1个电池组的第一节单体电池，其中P为大于等于1且小于等于M-1的整数。特别的，所述多节单体电池包括2n节单体电池，相应的所述开关组件包括2n个开关，配置为分别控制与所述2n节单体电池相应的电池回路的闭合状态；以及所述充放电兼变压组件包括n个等效电感，所述n个等效电感中的任意两个电连接在彼此不相邻的所述电池回路中；其中N＝M*(2n-1)+1，n为大于等于2的整数。特别的，所述2n个开关为2n个晶体管，每个所述晶体管的控制极都电连接到所述控制单元，每个所述晶体管的第一极电连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种串联电池管理装置，包括：变换单元,与多节串联单体电池分别电连接，其中所述变换单元包括，开关组件，配置为控制与多节单体电池对应多条回路的闭合状态；以及充放电兼变压组件，配置为工作在充电、放电或变压模式，以实现相邻和不相邻的单体电池之间的电量调配；控制单元,与所述变换单元电连接，配置为对电池状态进行检测，并控制所述开关组件的状态以及所述充放电兼变压组件的工作模式。

【技术特征摘要】
2018.02.07 CN 2018101244567;2018.02.07 CN 201810121.一种串联电池管理装置，包括：变换单元,与多节串联单体电池分别电连接，其中所述变换单元包括，开关组件，配置为控制与多节单体电池对应多条回路的闭合状态；以及充放电兼变压组件，配置为工作在充电、放电或变压模式，以实现相邻和不相邻的单体电池之间的电量调配；控制单元,与所述变换单元电连接，配置为对电池状态进行检测，并控制所述开关组件的状态以及所述充放电兼变压组件的工作模式。2.根据权利要求1所述的电池管理装置，其中所述多节串联单体电池包括2n节单体电池，所述开关组件包括2n个开关，配置为分别控制与2n节单体电池相应的电池回路的闭合状态；以及所述充放电兼变压组件包括n个等效电感，所述n个等效电感中的任意两个电连接在彼此不相邻的所述电池回路中；其中n为大于等于2的整数。3.如权利要求2所述的电池管理装置，其中所述2n个开关为2n个晶体管，每个所述晶体管的控制极都电连接到所述控制单元，每个所述晶体管的第一极电连接到相应的单体电池的正极，第二极电连接到相应的单体电池的负极，第x个晶体管的第二极电连接到第x+1个晶体管的第一极；任一所述n个等效电感的第一端电连接到相邻两节单体电池的正负电极的相连节点，其第二端电连接在与该相邻两节单体电池相应的相邻两个晶体管的第一极和第二极的相连节点；其中x是大于等于1且小于等于2n的整数。4.如权利要求3所述的电池管理装置，其中当第y节电池与相邻的第y+1节电池发生电量均衡时当第y个晶体管导通，且第y+1个晶体管断开时，第y节电池对应的回路导通，相应的等效电感处于被所述第y节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y个晶体管断开，且与第y+1个晶体管导通时，第y+1节电池对应的回路导通，该等效电感处于向所述第y+1节电池放电的模式以传输待均衡电量；或者，当第y+1个晶体管导通，且第y个晶体管断开时，第y+1节电池对应的回路导通，该等效电感处于被所述第y+1节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y+1个晶体管断开，且与第y个晶体管导通时，第y节电池对应的回路导通，该等效电感处于向所述第y节电池放电的模式以传输待均衡电量；其中y为大于等于1且小于等于2n-1的整数。5.如权利要求4所述的电池管理装置，其中在第y节电池与不相邻的第z节电池发生电量均衡时，当第y晶体管导通，第y节电池对应的回路导通，相应的等效电感处于被所述第y节单体电池充电的模式以存储待均衡电量；当第y晶体管断开，且第z晶体管导通时，第y节电池和z节电池对应的回路导通时，两个回路中的等效电感在所述控制单元的控制下一起工作在变压模式以传输待均衡电量；其中z为大于等于1小于等于2n的整数，但是不等于y+1，也不等于y-1。6.如权利要求3-5中任一所述的电池管理装置，其中所述晶体管为功率晶体管。7.一种串联电池管理系统，包括M个串联电池管理装置，配置为相应的管理由N个串联的单体电池组成的M个串联电池组，其中每个所述串联电池管理装置包括，变换单元,与多节串联单体电池分别电连接，其中所述变换单元包括，开关组件，配置为控制与多节单体电池对应多条回路的闭合状态；以及充放电兼变压组件，配置为工作在充电、放电或变压模式，以实现相邻和不相邻的单体电池之间的电量调配；控制单元,与所述变换单元电连接，配置为对电池状态进行检测，并控制所述开关组件的状态以及所述充放电兼变压组件的工作模式；其中M和N均为大于等于2的整数，第P个电池组的最后一节单体电池也是第P+1个电池组的第一节单体电池，其中P为大于等于1且小于等于M-1的整数。8.根据权利要求7所述的电池管理系统，其中所述多节单体电池包括2n节单体电池，相应的所述开关组件包括2n个开关，配置为分别控制与所述2n节单体电池相应的电池回路的闭合状态；以及所述充放电兼变压组件包括n个等效电感，所述n个等效电感中的任意两个电连接在彼此不相邻的所述电池回路中；其中N＝M*(2n-1)+1，n为大于等于2的整数。9.如权利要求7所述的电池管理系统，其中所述2n个开关为2n个晶体管，每个所述晶体管的控制极都电连接到所述控制单元，每个所述晶体管的第一极电连接到相应的单体电池的正极，第二极电连接到所...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪川，陈劲泉，
申请(专利权)人：无锡瓴芯电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32