模块化电池系统及均衡控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种模块化电池系统及均衡调度方法，包括有一个电池模组或多个相互串联的电池模组，每个电池模组具有多个蓄电池、开关阵列与驱动电路、电池状态参数检测与充放电均衡调度模块。其中，开关阵列可让每个蓄电池独立接入或者脱出功率主回路；电池状态参数检测模块实现电池单体电压与模组电流等信号的测量、处理与存储；充放电均衡调度模块利用该模组本地的电池状态信息进行电池调度优化，运用电池实时电量与容量信息或者多次充放电循环的电压信息确定电池空置参数，达到电池均衡的目的。所述电池系统模组之间完全独立，无需任何通信功能与系统总控，可跟传统铅酸蓄电池一对一替换，兼容性强，对电芯一致性要求低，适用于动力电池梯次利用等广泛领域。于动力电池梯次利用等广泛领域。于动力电池梯次利用等广泛领域。

【技术实现步骤摘要】
模块化电池系统及均衡控制方法


[0001]本专利技术涉及用于电池组的控制系统，具体地涉及，运用开关阵列与分布式控制方法构建高可靠、可扩展、模块化的电池系统，并且降低对电芯一致性要求，适用于动力电池梯次利用等广泛领域。

技术介绍

[0002]电池管理系统(BMS)通过监测电池的各种状态参数，确保电池各项参数处于安全范围以内，避免电池过充、过放或过热等安全风险。通常，串联电池组中各个电池的容量会略有不同，或者因为自放电原因其荷电状态(SOC)存在差异。目前已有的大部分电池管理系统方案，当电池组中某个电池放电耗尽时，整个电池组即要停止放电，尽管其它电池可能仍未完全放电；或电池组中某个电池充电充满时，整个电池组即要停止充电，尽管其它电池可能仍未完全充满。因此，存在明显的“木桶短板效应”，降低了电池组的实际可用容量。
[0003]为了降低电池不一致的影响，可以使用被动均衡或者主动均衡技术。被动均衡存在均衡电流小，散热困难等问题；而主动均衡往往需要使用大容量电容、电感或者变压器等功率器件，电路复杂，控制难度大，可靠性较差。运用开关阵列技术，可动态调整电池之间的连接关系，成为解决电池“短板效应”的另外一个新型途径。专利US6140799提供了一种电池开关阵列拓扑结构，每个电池(组合)使用3个开关，可实现电池的串联、并联与旁路等动态连接功能。专利US8330419B2提供了一种更复杂的由6个开关构成的开关阵列，可以实现更丰富的动态电池连接方式。毫无疑问，开关数量越多，电池连接越灵活，但是实现复杂，往往不具备经济性，不利于商业化运用推广。此外，电池需要进行充电和放电，存在双向电流，这对开关器件选型带来了很大的挑战。机械开关具有电流双向可控的优势，但是体积大，寿命较短。MOSFET等半导体固体开关往往体积小，驱动控制方便，但是只能控制一个方向的电流，因此需要运用2个器件来实现一个开关功能。例如，专利CN103915656B提供了一种基于4个MOSFET开关器件的电池模组方案，可以实现电池串联与旁路功能，并提供了一种基于电池参数阈值比较的电池保护方法。
[0004]并且，当前大部分现有技术都属于集中式一体化方案，内部模组之间有大量电源功率线与通信信号线，不利于生产、运输与售后维护。同时，产品可扩展性差，往往电池系统的电压规格变化后就必须重新立项开发，导致企业研发与生产的型号管控复杂，成本高。

技术实现思路

[0005]为了进一步解决上述问题，本专利技术提供一种模块化电池系统及均衡控制调度方法，充分利用开关阵列的旁路功能与分布式控制方法，实现电池系统的标准模块化，可串联扩展构建高压系统，便于生产与售后维护。
[0006]本专利技术的目的是提供一种由一个电池模组或者多个电池模组互相串联构成的电池系统，所述电池模组包括F(F≥1)个蓄电池、开关阵列与驱动电路、电池状态参数检测与充放电均衡调度模块；所述开关阵列包含2*F个MOSFET器件，可以让每个蓄电池从功率主回
路中独立接入或者脱出；所述电池状态参数检测模块实现电池电压、电流、电量与容量等电池状态信息的采集、处理与存储；所述充放电均衡调度模块仅仅利用该模组本地的电池状态信息进行空置参数计算与电池时域调度，达到电池均衡的目的；所述电池模组完全独立，模组之间无需任何通信功能，也无需额外的电池系统总控。
[0007]所述蓄电池可以是锂金属电池、锂离子电池、钠离子电池、燃料电池、镍氢电池、镍镉电池或太阳能电池等各类物理或化学蓄电池的单体电芯或者串并联后的电池组。
[0008]所述电池系统由软硬件完全一致的标准化电池模组构成，电池模组之间除了正负极电源引线之外无需其他通信线缆，跟传统铅酸蓄电池类似的串联运用方式，上述特性为产品设计、生产、现场安装与售后维护等带来了巨大的便利。例如，若电池模组标称电压为12V，那么使用不同数量的电池模组进行串联即可形成24V、36V、48V等不同电压规格的丰富产品型谱。而且，采用小模组积木堆积式搭建大型电池系统，也便于生产管理与运输搬运。尤其是对于一些电池仓分散在多个不同位置的设备车辆，常规一体化电池往往无法匹配放置，此时就凸显出本专利技术方案的优势。此外，所述电池模组无需对外通信，也无需编码，由自身供电，相关均衡调度算法只需本地电池信息，属于完全“自治”的系统。所以，售后维修时可以直接替换其中的故障模组，而不用考虑系统软件更新。由于电池模组具有强大均能性能，替换时甚至无需电量匹配，极其方便。
[0009]在一个优选实施方案中，所述电池模组电堆由5个蓄电池B1、B2、B3、B4、B5组成；所述开关阵列由10个N型MOSFET器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10构成，其中Q1的漏极与电池B1的正极相连，Q1的源极与Q2的漏极相连，Q2的源极与电池B1的负极相连，Q3的源极与电池B2的负极相连，Q3的漏极与Q4的源极相连，Q4的漏极与电池B2的正极相连，Q5的漏极与电池B3的正极相连，Q5的源极与Q6的漏极相连，Q6的源极与电池B3的负极相连，Q7的源极与电池B4的负极相连，Q7的漏极与Q8的源极相连，Q8的漏极与电池B4的正极相连，Q9的漏极与电池B5的正极相连，Q9的源极与Q10的漏极相连，Q10的源极与电池B5的负极相连，Q1的源极与Q3的漏极相连，电池B2的正极与电池B3的负极相连，Q5的源极与Q7的漏极相连，电池B4的正极与电池B5的负极相连，电池模组的正极与Q9的源极相连，电池模组的负极从电池B1的负极引出。
[0010]所述开关阵列平均每个电池只需两个MOSFET器件，电堆与BMS之间平均只需1.8根功率引线，而且在确保每个电池可单独接入与脱出功率主回路这一“柔性”功能的前提下，电池模组的电堆内部形成了固定连接的具有较高电压的“刚性”小型电池组，为驱动电路设计提供了便利。
[0011]在一个优选实施方案中，所述开关阵列由五组互补开关Q1/Q2、Q3/Q4、Q5/Q6、Q7/Q8、Q9/Q10构成。每组互补开关由均衡调度模块的两个输出信号经电平转移电路控制，其中一个信号直接控制一个开关，另一个信号经双输入或非门后控制另外一个开关。所述互补开关中的两个MOSFET器件处于反相状态，开关状态切换时需要引入死区控制时间，以免两个开关同时导通，导致电池外部短路。所述双输入或非门，当其中一个输入信号为高电平时，不管另外一个输入信号为高电平还是低电平，或非门都输出低电平，起到关断对应MOSFET的作用。
[0012]在一个优选实施方案中，所述开关阵列驱动电路的电平转移电路高压信号来源于电池B4与B5串联后电池组的倍压电路。
[0013]电池模组中各个电池在功率主回路的位置是随开关阵列不同配置状态动态变化的，因此相关MOSFET器件的源极与漏极经常处于浮地状态，对地电位变化幅度大。为了确保MOSFET在各种情形下都能可靠控制，驱动电路的高压电源必须比所有MOSFET器件的源极电位还高。为了满足上述要求，选择靠近电池模组正极的B4与B5串联后的电池组，运用电荷泵控制器实现倍压电路生成驱动电路高压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种由一个电池模组或者多个电池模组互相串联构成的电池系统，其特征在于，所述电池模组包括F(F≥1)个蓄电池、开关阵列与驱动电路、电池状态参数检测与充放电均衡调度模块；所述开关阵列包含2*F个MOSFET器件，可以使得每个蓄电池从功率主回路中独立接入或者脱出；所述电池状态参数检测模块实现电池状态信息的采集、处理与存储；所述电池状态信息包括电池电压、电流、电量与容量；所述充放电均衡调度模块利用所述电池状态参数检测模块获得的电池状态信息进行空置参数计算与电池时域调度，达到电池均衡的目的；所述电池模组完全独立，电池充放电保护与均衡调度功能都仅需利用电池模组自身状态信息独立实现。2.根据权利要求1所述的一种电池系统，其特征在于，电堆中的电池优先两个一组配对，第一电池的负极与第二电池的正极相连；第一MOSFET、第二MOSFET与第一电池形成串联环路，其中第一MOSFET的寄生二极管阴极与第一电池正极相连，第二MOSFET的寄生二极管阳极与第一电池的负极相连；第三MOSFET、第四MOSFET与第二电池形成串联环路，其中第三MOSFET器件的寄生二极管阳极与第二电池的负极相连，第四MOSFET的寄生二极管阴极与第二电池的正极相连。3.根据权利要求1所述的一种电池系统，其特征在于，所述电池模组电堆包括5个蓄电池B1、B2、B3、B4与B5；所述电池模组开关阵列包括10个N型MOSFET器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9与Q10，其中Q1的漏极与电池B1的正极相连，Q1的源极与Q2的漏极相连，Q2的源极与电池B1的负极相连，Q3的源极与电池B2的负极相连，Q3的漏极与Q4的源极相连，Q4的漏极与电池B2的正极相连，Q5的漏极与电池B3的正极相连，Q5的源极与Q6的漏极相连，Q6的源极与电池B3的负极相连，Q7的源极与电池B4的负极相连，Q7的漏极与Q8的源极相连，Q8的漏极与电池B4的正极相连，Q9的漏极与电池B5的正极相连，Q9的源极与Q10的漏极相连，Q10的源极与电池B5的负极相连，Q1的源极与Q3的漏极相连，电池B2的正极与电池B3的负极相连，Q5的源极与Q7的漏极相连，电池B4的正极与电池B5的负极相连，电池模组的正极与Q9的源极相连，电池模组的负极从电池B1的负极引出。4.根据权利要求3所述的一种电池系统，其特征在于，所述开关阵列包括五组互补开关Q1/Q2、Q3/Q4、Q5/Q6、Q7/Q8、Q9/Q10；每组互补开关中的两个开关不能同时导通，由充放电均衡调度模块的两路输出信号经电平转移电路控制，其中一路信号直接控制一个开关，另外一路信号经双输入或非门后控制另外一个开关。5.根据权利要求4所述的一种电池系统，其特征在于，所述开关阵列驱动电路的电平转移电路高压信号来源于电池B4与B5串联后电池组的倍压电路。6.根据权利要求1所述的一种电池系统，其特征在于，所述电池模组电堆包括5个蓄电池B11、B12、B13、B14与B15；所述开关阵列包括10个P型MOSFET器件Q11、Q12、Q13、Q14、Q15、Q16、Q17、Q18、Q19与Q20，其中Q11的漏极与电池B11的负极相连，Q11的源极与Q12的漏极相连，Q12的源极与电池B11的正极相连，Q13的源极与电池B12的正极相连，Q13的漏极与Q14的源极相连，Q14的漏极与电池B12的负极相连，Q15的漏极与电池B13的负极相连，Q15的源极与Q16的漏极相连，Q16的源极与电池B13的正极相连，Q17的源极与电池B14的正极相连，Q17的漏极与Q18的源极相连，Q18的漏极与电池B14的负极相连，Q19的漏极与电池B15的负极相连，Q19的源极与Q20的漏极相连，Q20的源极与电池B15的正极相连，Q15的源极与Q13的漏极相连，电池B11的正极与电池B12的负极相连，Q19的源极与Q17的漏极相连，电池B13的正极
与电池B14的负极相连，电池模组的负极与Q11的源极相连，电池模组的正极从电池B15的正极引出。7.根据权利要求6所述的一种电池系统，其特征在于，所述开关阵列包括五组互补开关Q11/Q12、Q13/Q14、Q15/Q16、Q17/Q18、Q19/Q20，每组互补开关中的两个开关不能同时导通，由充放电均衡调度模块的两路输出信号经电平转移电路控制，其中一路信号直接控制一个开关，另外一路信号经双输入与非门后控制另外一个开关。8.根据权利要求7所述的一种电池系统，其特征在于，所述开关阵列驱动电路的电平转移电路负电源由电池B11与B12串联构成的电池组经负压电路生成。9.一种电池系统的充放电均衡调度方法，用于实现上述权利要求1至8任意一项所述电池系统或模组，其特征在于，包括：参数初始化，确定电池模组所需接入功率主回路的电池数量为M，对电池状态参数持续实时监测；特征变量选取，根据电流方向判断电池模组的充放电状态，当电池模组放电时，令变量R＝电池电量，而当电池充电时，令R＝电池所需充电量；电池模组所有F个电池的R值进行降序排列后依次为R1、R2…
R
M
…
R
F
；以特征变量R排序后的第M个电池为中心，经过不断依次选择电池进行空置轮休，使得越来越多的电池其数值R朝中心靠拢，最后所有电池完全一样，达到均衡状态。10.根据权利要求9所...

【专利技术属性】
技术研发人员：何亮明，
申请(专利权)人：嘉兴永续新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：