模块化锂动力电池及其管理系统和管理方法技术方案

本发明专利技术提供了一种模块化锂动力电池及其管理系统和管理方法，通过独立的两种方式将重要的电芯电压、电流参数进行采集；充放电保护开关控制模块采用独立的两条路径传输，从而通过提供冗余大大提高系统的可靠性。此外通过同时使用参数阈值和参数梯度(单位时间变化率)作为控制状态判断依据，具有一定故障预测性；根据不同参数之间的相关性对获得的参数进行分析，具有一定容错能力；CAN总线通信使用中继和动态设定通信优先级的算法，保证故障状态迅速传递至系统主控端。模块化锂动力电池的连接扩展方式包括系统间的电气连接和通信连接。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种动力电池及其配套电源管理，尤其是指一种。
技术介绍
大功率锂动力电池具有能量密度高、充放电循环次数多、使用寿命长、温度特性好、清洁无污染的特点，现已广泛应用于电动汽车、储能电站、通信备用电源等诸多领域，并在不久的将来会取代铅酸电池，成为新一代大功率储能电池的首选。目前,锂电池牛产厂家的产品多数是所谓的电芯，而锂电芯特别是大功率锂动力电芯在生产环节和使用过程中会产生不一致性，这种不一致性会导致由多个电芯组成的电池在充放电的使用过程中性能最弱的电芯首先达到充放电的保护条件，而往往此时从外部看，电池系统的整体指标还一切正常，若不加以控制再继续对其整体进行充放电工作，该性能最弱的电芯将很快进入故障状态，轻则导致电池工作不稳定，性能下降，重则还有可能引发爆炸、起火等严重事故。综上所述，在实际应用中，生产厂商制造的电芯是不能直接拿来组合成电池进行应用的，必须还为其搭配电池管理(BMQ系统，以保证实现对每个电芯的监测管理，从而保障整个电池系统的性能指标和可靠性，其构成的整体才能应用到各种不同的储能需求场合中。传统电池管理系统根据应用场合的不同，选择不同类型的电池芯进行管理方法的设计，所使用的管理方法针对特定的应用环境，可移植性差，每次设计均需要较大工作量， 系统的可靠性难以保证。而就电力电子行业来说，其不同于信息电子的一大特点是特别强调系统工作的可靠性。举例来说，民用计算机系统如果出现软件故障甚至出现死机，可以通过重启软件或者重启操作系统来解决，通常不会造成严重后果。而大功率的电力电子系统如果出现短暂的失控就可能造成非常严重的后果。虽然任何系统的可靠性都无法达到100%，比如在电动汽车领域，某些国内外企业的产品都曾经发上过汽车起火、爆炸等严重事故。这些严重后果的发生，与过于依赖一种方法的来保证系统的可靠性有很大关系。比如在电压检测环节，一旦电压传感器失效就可能依据错误数据做出错误的控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服了上述缺陷，提供一种可适应不同应用场合中各类电芯形成的模块型单元电池，通过引入冗余来提高系统可靠性，且电压测量、温度测量、保护开关系统控制，及在重要环节引入多种采样途径及控制路径从而提高系统强壮性和可靠性的锂动力电池及应用其上的管理系统和管理方法。本专利技术的目的是这样实现的一种模块化锂动力电池管理系统，它包括多个点温度传感器，用于对电芯中多处温度采样点进行实时测温并将数据传输至主控制器；第一 CAN总线模块及第二 CAN总线模块，用于为主控制器提供以CAN总线中继方式对外进行信息传输通道；电流传感器，用于采集电芯电流数值将数据传输至主控制器；电压采集模块，用于将电芯电压数值送至主控制器进行采集；充电均衡模块，用于连接电芯，实现同容量串联电芯的充电同步，并自适应电芯衰老带来的不一致性；所述充电均衡模块包括基于负反馈的电芯充电旁路电路单元；充放电保护开关控制模块，用于分别接收来自主控制器及外部控制的控制信号， 在外部控制信号控制失效时，独立接收主控制器的控制信号，控制切断/联通系统与外部的电气连接；供电模块，用于为系统运作供电；用于测量系统温度场的光纤温度传感器及外测温传感器；主控制器，用于采集电芯的温度、电流、电压信息，通过A/D转换采集电芯总电压信息，并由CAN总线中继方式对外进行信息交互，同时可通过充放电保护开关控制模块独立控制电池系统与外部的电气通/断；上述多个点温度传感器、电流传感器、电压采集模块、充放电保护开关控制模块、 供电模块和第一 CAN总线模块及第二 CAN总线模块均接入主控制器，而供电模块、电流传感器、电压采集模块、多个点温度传感器则还连接外部电芯；上述充电均衡模块连接于外部电芯上；所述主控制器通过A/D转换与外部电芯相连；所述主控制器包括与中央控制器相连的温度传感器接口单元、电流传感器接口单元、第一 CAN总线驱动单元、第二 CAN总线驱动单元、开关保护控制接口单元、及电压传感器，用于采集来自电压采集模块的每个电芯电压数值后传送至中央处理器；工作状态指示单元，用于对外显示主控制器当下的工作状态和故障信息；RTC时钟，为系统提供准确时间信息，并可通过CAN总线提供系统在线的时钟同步更新；大容量非易失性存储器，用于记录中央控制器处理的模块型锂动力电池单元的电芯信息、模块型锂动力电池单元充放电过程数据，以及系统出现异常情况发生的时刻和持续时间信息；上述电压传感器、工作状态指示单元、RTC时钟、大容量非易失性存储器均与中央控制器相连，电压传感器还连接电压采集模块；所述电芯信息包括生产厂家、出厂日期、型号以及电芯维护更换信息；所述异常情况包括过电流、过电压、高温、低温情况；中央控制器，用于获取电芯的温度、电流、电压信息，并设有A/D转换口与电芯直接相连以采集其电压信息；由CAN总线中继方式对外进行信息交互；同时根据控制算法独立控制充放电保护开关控制模块通/断系统与外部的电气连接；通过控制工作状态指示单元指示工作状态和故障信息；将信息存储于大容量非易失性存储器中。中央控制器引出有 JATG在线编程接口 ；本专利技术还涉及一种基于上述系统的管理方法，它包括步骤A)、初始化，为系统设定唯一的身份ID号，并预设电池电压的上、下限值，电压误差范围值，工作温度范围值及温度和电压变化梯度关系表；B)、上电自检，读取系统RTC时钟及系统ID号；6C)、通过A/D转换采集电芯总电压，与预设电池电压的上、下限值进行比较是否超限，是则跳至步骤I，否则继续步骤；D)、读取来自电压传感器的每个电芯电压，计算其总电压，与上一步采集的电芯总电压进行比较，两者电压误差范围是否在设定的电压误差范围值内，是则继续步骤，否则跳至步骤I ；E)、依次采集多个点温度传感器的温度信息，判断是否在设定的工作温度范围值内，是则继续步骤，否则跳至步骤I ；F)、根据温度与电压监测系统状态并形成信息数据；步骤F包括一下一项或多项步骤Fl)、根据相邻电芯的温度相关性算法，查找多温度点的温度是否存在可疑数据， 是则形成警告字段，而后继续步骤；此处需要细化说明的是，根据不同温度测量参数之间的相关性做出控制判断可以实现一定容错能力，当电芯的测温点在电极的引出端上，由于电芯的电路连接为铜导体，具有非常好的导热性，电芯之间的距离也比较近，当一个电芯发热时，会将温度传导给相邻的测温点，温度数据间有相关性。我们利用实验室获得的相关性模型可以判断测温数据的可靠性，发现可能的错误数据，比如一个测温点的数据孤立临近测温点升高或降低，此数据可能出错，此时中央处理器将做出系统维护报警。F2)、计算温度和电压变化梯度，对比温度和电压变化梯度关系表，查找是否存在故障，是则形成警告字段，并发送预警信息而后继续步骤；此处需要细化说明的是，温度和电压变化梯度(单位时间变化率)作为控制状态判断依据是非常有效的预测控制方法，以电芯电压梯度变化举例说明，在正常情况下，放电过程单位时间电芯的电压下降值是基本平稳的，当电芯接近于放电保护下限时，单位时间电芯电压下降值明显增加，此时电芯电压还未达到放电保护阈值，但通过梯度算法可以提前预知此电芯已经接近需要保护的状态，需要加强监测防止出现故障。因此梯度算法并非简单通过参数梯度做出判断，以上例说明，因为不同的放电率也会产本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种模块化锂动力电池管理系统，其特征在于：它包括多个点温度传感器，用于对电芯中多处温度采样点进行实时测温并将数据传输至主控制器；第一ＣＡＮ总线模块及第二ＣＡＮ总线模块，用于为主控制器提供以ＣＡＮ总线中继方式对外进行信息传输通道；电流传感器，用于采集电芯电流数值将数据传输至主控制器；电压采集模块，用于将电芯电压数值送至主控制器进行采集；充电均衡模块，用于连接电芯，实现同容量串联电芯的充电同步，并自适应电芯衰老带来的不一致性；充放电保护开关控制模块，用于分别接收来自主控制器及外部控制的控制信号，在外部控制信号控制失效时，独立接收主控制器的控制信号，控制切断／联通系统与外部的电气连接；供电模块，用于为系统运作供电；主控制器，用于采集电芯的温度、电流、电压信息，通过Ａ／Ｄ转换采集电芯总电压信息，并由ＣＡＮ总线中继方式对外进行信息交互，同时可通过充放电保护开关控制模块独立控制电池系统与外部的电气通／断；上述多个点温度传感器、电流传感器、电压采集模块、充放电保护开关控制模块、供电模块和第一ＣＡＮ总线模块及第二ＣＡＮ总线模块均接入主控制器，而供电模块、电流传感器、电压采集模块、多个点温度传感器则还连接外部电芯；上述充电均衡模块连接于外部电芯上；所述主控制器通过Ａ／Ｄ转换与外部电芯相连。...

【技术特征摘要】
1.一种模块化锂动力电池管理系统，其特征在于它包括多个点温度传感器，用于对电芯中多处温度采样点进行实时测温并将数据传输至主控制器；第一 CAN总线模块及第二 CAN总线模块，用于为主控制器提供以CAN总线中继方式对外进行信息传输通道；电流传感器，用于采集电芯电流数值将数据传输至主控制器； 电压采集模块，用于将电芯电压数值送至主控制器进行采集； 充电均衡模块，用于连接电芯，实现同容量串联电芯的充电同步，并自适应电芯衰老带来的不一致性；充放电保护开关控制模块，用于分别接收来自主控制器及外部控制的控制信号，在外部控制信号控制失效时，独立接收主控制器的控制信号，控制切断/联通系统与外部的电气连接；供电模块，用于为系统运作供电；主控制器，用于采集电芯的温度、电流、电压信息，通过A/D转换采集电芯总电压信息， 并由CAN总线中继方式对外进行信息交互，同时可通过充放电保护开关控制模块独立控制电池系统与外部的电气通/断；上述多个点温度传感器、电流传感器、电压采集模块、充放电保护开关控制模块、供电模块和第一 CAN总线模块及第二 CAN总线模块均接入主控制器，而供电模块、电流传感器、 电压采集模块、多个点温度传感器则还连接外部电芯；上述充电均衡模块连接于外部电芯上；所述主控制器通过A/D转换与外部电芯相连。2.如权利要求1所述的锂动力电池管理系统，其特征在于所述主控制器包括电压传感器，用于采集来自电压采集模块的每个电芯电压数值后传送至中央处理器； 工作状态指示单元，用于对外显示主控制器当下的工作状态和故障信息；RTC时钟，为系统提供准确时间信息，并可通过CAN总线提供系统在线的时钟同步更新；大容量非易失性存储器，用于记录中央控制器处理的模块型锂动力电池单元的电芯信息、模块型锂动力电池单元充放电过程数据，以及系统出现异常情况发生的时刻和持续时间信息；中央控制器，用于获取电芯的温度、电流、电压信息，并设有A/D转换口与电芯直接相连以采集其电压信息；由CAN总线中继方式对外进行信息交互；同时根据控制算法独立控制充放电保护开关控制模块通/断系统与外部的电气连接；通过控制工作状态指示单元指示工作状态和故障信息；将信息存储于大容量非易失性存储器中；上述电压传感器、工作状态指示单元、RTC时钟、大容量非易失性存储器均与中央控制器相连，电压传感器还连接电压采集模块。3.如权利要求2所述的锂动力电池管理系统，其特征在于所述电芯信息包括生产厂家、出厂日期、型号以及电芯维护更换信息。4.如权利要求2所述的锂动力电池管理系统，其特征在于所述异常情况包括过电流、 过电压、高温或低温情况。5.如权利要求2所述的锂动力电池管理系统，其特征在于所述主控制器还包括与中央控制器相连的温度传感器接口单元、电流传感器接口单元、第一 CAN总线驱动单元、第二 CAN总线驱动单元及开关保护控制接口单元，同时中央控...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋越，
申请(专利权)人：福州天和新能电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：35