專利名稱：基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)及其管理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電池組管理系統(tǒng)，尤其是一種基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系 統(tǒng)及其管理方法。
背景技術(shù)：
術(shù)語定義單電池非串聯(lián)的基本電池單元。單電壓單電池的電壓。串聯(lián)數(shù)電池組中串聯(lián)方式連接的單電池的個數(shù)或用N表示。均衡電流調(diào)節(jié)單電池電量時的電流。單節(jié)電池的使用，電池管理系統(tǒng)最簡單，串聯(lián)使用時情況則不同。電池的一致性決 定了電池的性能，壽命和安全性，即只要有一個電池的性能變差，整個電池組的性能都將變差。1、其中有一個電池的容量偏低，結(jié)果是充電時這個電池首先達到充電上限截止電 壓，而放電時首先達到放電下限截止電壓。那么這個電池的容量決定這個電池組的容量。2、如果初始狀態(tài)有一個電池的電壓偏低，充電時這個電池達不到截止電壓而不能 充滿。放電時這個電池首先到達放電截止。電池沒充滿電又提前把電放完，實際可用的電 量由這個電池的容量決定。3、如果一個電池的極化阻抗和內(nèi)阻偏高，充電時電池電壓上升快，放電時電池電 壓下降快。就某一次測試的表現(xiàn)來看就是這個電池的容量不足，負載能力下降。充放電時 的溫度偏高。電池制造過程中提高電池的一致性還有相當(dāng)大的難度且需要較大投入并將大幅 度提高電池的制造費用導(dǎo)致電池價格高而不利于電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。目前電池制造 商或電池組合工廠采用嚴格的篩選方法進行電池匹配來提高電池的一致性。但即使是嚴格 匹配后的電池，在循環(huán)的初期就表現(xiàn)出可見的差別。放電的中值電壓在一開始就有較大差 別。采用電池匹配的有效性不盡人意。尤其需要強調(diào)的是隨電池循環(huán)次數(shù)的增加，電池一 致性改變程度的不可檢測性。電池的工作條件和環(huán)境也會對一致性產(chǎn)生影響?？傊?，復(fù)雜 多樣的影響因素使得決定論的普遍和精確的規(guī)律難以獲得。除了在電池本身的一致性方面下功夫外，另一種解決方案——電池均衡管理愈來 愈顯示出重要性。均衡管理通過電量轉(zhuǎn)移的方式調(diào)節(jié)每節(jié)電池的電量。原則上均衡管理不 僅能解決電池一致性的問題，而且能夠使串聯(lián)電池組中性能最差的那個電池的壽命得到延 長，同時電池性能的改進也將使得電池安全性得到改善，因為電池性能變差后，安全性也隨 之降低。電池的續(xù)航里程和使用期限及電池成本決定了電動汽車的命運。均衡管理正是涉 及到電動汽車性能攸關(guān)的重要一環(huán)。采用均衡管理，電池的一致性要求明顯降低，制造過程 簡單化，成本也會大幅下降，只要單電池的性能滿足要求，電池組的性能就能滿足要求。中 國電池企業(yè)眾多，層次參差不齊。均衡管理技術(shù)的應(yīng)用不單能提高中國電池的地位，而且能使更多企業(yè)有能力加入到電動汽車及其相關(guān)行業(yè)的競爭中，讓整個行業(yè)更加繁榮興旺。有 效可靠的均衡管理系統(tǒng)將極大促進電動汽車的發(fā)展。其本身有將成為隨電動汽車，電動公 交，包括電動自行車，電動摩托車，大型蓄能裝置，電動工具，通訊基站備用電源，軍事電源 等電池應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展而壯大的新興產(chǎn)業(yè)。但是目前均衡管理的問題尚未得到有效解決。電池均衡的實現(xiàn)大多基于兩個基本 物理概念電流分流與電量轉(zhuǎn)移。電流分流是將電壓高的電池的電量經(jīng)由電阻放掉。這個方法的電路結(jié)構(gòu)和控制 都比較復(fù)雜，電阻發(fā)熱量大，均衡電流受限制，很難超過1A，只適合小容量，串聯(lián)電池數(shù)少的 場合。而且只用于充電時的均衡，放電時無實際意義。目前在電池容量l_3Ah，串聯(lián)電池數(shù) 2-5的電動工具產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。MAXIM，Intersil，02等美國公司都有專用的產(chǎn)品，也可由 MCU技術(shù)實現(xiàn)。電量轉(zhuǎn)移方法的典型電路結(jié)構(gòu)是美國TI公司提義，并在業(yè)界被普遍推崇的 雙向無損概念。但這個思路更復(fù)雜，分立元器件多，控制的復(fù)雜程度也更高。要求每個電池 配備一個均衡回路，可靠性下降，成本上升，幾乎無法維護。如果要求較大的均衡電流則各 種問題將會更加突出。每節(jié)電池需要兩個功率M0S，一旦有一路器件損壞，產(chǎn)生短路的風(fēng)險 極高。這對電池和整車的安全性是極為不利的。雙向無損概念的誘人之處是把電壓高的電池的電量轉(zhuǎn)移到電壓低的電池上去，但 是要通過鄰接的電池逐個傳遞電量，這種多次能量傳遞回導(dǎo)致更大的能量損失，這對放電 過程的均衡不利。這個方法同樣難以實現(xiàn)大電流均衡的問題。電動汽車電池容量常都在 IOOAh左右，電動公交達到200Ah。過小的均衡電流將失去均衡的意義，大電流均衡的各種 原理并不復(fù)雜。困難在于可實現(xiàn)性差，可靠性低，安全風(fēng)險大，成本高。因此目前的電動汽 車電池管理系統(tǒng)多為數(shù)據(jù)檢測采集為主，少有管理的功能。本發(fā)明提出能夠?qū)崿F(xiàn)充電和放 電都能進行大電流均衡，簡單可靠易于實現(xiàn)的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計方案和裝置，能夠有效 解決目前大容量多節(jié)電池串量電池組管理系統(tǒng)存在的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)， 包括電源，電源與串聯(lián)電池組相連，還包括與電源相連的主控制器，依次相連的電機、臺架 運動機構(gòu)、移動臺架，移動臺架上安裝移動控制器及電容均衡裝置，移動控制器連接至少兩 個觸點檢測觸點，移動控制器與電容均衡裝置連接，電容均衡裝置的電容兩端設(shè)有管理觸 點，串聯(lián)電池組每節(jié)電池均連接兩個觸點，電機與主控制器連接。優(yōu)選的，所述主控制器和移動控制器為單片機、PLC控制電路、DSP中的任意一種。優(yōu)選的，所述電容均衡裝置上設(shè)有觸點開關(guān)。優(yōu)選的，所述主控制與移動控制器連接。優(yōu)選的，所述主控制器與串聯(lián)電池組之間連接有充電開關(guān)。
優(yōu)選的，所述主控制器與串聯(lián)電池組之間連接有放電開關(guān)。優(yōu)選的，所述充電開關(guān)為MOS開關(guān)、IGB開關(guān)、繼電器中的任意一種。優(yōu)選的，所述放電開關(guān)為MOS開關(guān)、IGB開關(guān)、繼電器中的任意一種。優(yōu)選的，所述主控制器和步進電機均通過電源連接。優(yōu)選的，所述電容為普通電容器或超級電容器或任何類型的電池。
本發(fā)明還提供一種基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)的管理方法，串聯(lián)電池組 開始工作的同時，移動控制器順序檢測電池組中每節(jié)電池電壓、電流、溫度，當(dāng)任意一節(jié)電 池電壓低于或高于標(biāo)準(zhǔn)值時，移動控制器將信息傳給上位機，上位機向主控制器發(fā)送指令 使電機驅(qū)動移動臺架移動，直至管理觸點與待均衡電池正、負相接，電容管理裝置為待均衡 電池充或者放電。


圖1為本發(fā)明一種具體實施例的控制系統(tǒng)框圖；圖2為本發(fā)明另一種具體實施例的電容均衡裝置的排列分布簡圖。
具體實施例方式結(jié)合附圖，下面對本發(fā)明作進一步描述。一種基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，包括電源，電源與串聯(lián)電池組相連，還 包括與電源相連的主控制器，依次相連的電機、臺架運動機構(gòu)、移動臺架，移動臺架上安裝 移動控制器及電容均衡裝置，移動控制器連接至少兩個觸點檢測觸點，移動控制器與電容 均衡裝置連接，電容均衡裝置的電容兩端設(shè)有管理觸點，串聯(lián)電池組每節(jié)電池均連接兩個 觸點，步進電機與主控制器連接。所述主控制器和移動控制器為單片機。所述電容均衡裝 置上設(shè)有觸點開關(guān)。所述主控制與移動控制器連接，主控制器可以是上位機。所述主控制 器與串聯(lián)電池組之間連接有充電開關(guān)。所述主控制器與串聯(lián)電池組之間連接有放電開關(guān)。 所述充電開關(guān)為MOS開關(guān)、IGB開關(guān)、繼電器中的任意一種。所述放電開關(guān)為MOS開關(guān)、IGB 開關(guān)、繼電器中的任意一種。所述主控制器和步進電機均通過電源連接。所述電容為普通 電容器或超級電容器或任何類型的電池。本發(fā)明還提供一種基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)的管理方法，串聯(lián)電池組 開始工作的同時，電機驅(qū)動移動臺架運動，安裝在臺架上電容器和管理觸點隨之運動，管理 觸點與電池觸點接觸后就實現(xiàn)了電池與電容器之間的能量轉(zhuǎn)移，不斷重復(fù)這個過程即實現(xiàn) 了電池組的均衡。一個臺架上可攜帶多個電容加快均衡的進度，同時也可用體積小的小容量電容 器，節(jié)省尺寸空間。其實施例之一見圖1。在上述的基本實施例的基礎(chǔ)上，還可在移動臺架上安裝電容器觸點開關(guān)和移動控 制器?？刂破髂軐㈦姵氐碾妷?，溫度，內(nèi)阻，變形等參數(shù)檢測出來，并根據(jù)電池的狀態(tài)控制觸 點開關(guān)，從而實現(xiàn)有選擇的均衡。加設(shè)電源后，可對主控制器和電機供電。上述描述僅為本發(fā)明的一種具體實施例，其中串聯(lián)電池組的觸點整體布局可為環(huán) 形結(jié)構(gòu)或多環(huán)形式、直線結(jié)構(gòu)、矩陣結(jié)構(gòu)、層疊結(jié)構(gòu)中的任意一種。相應(yīng)的運動方式也可以 為環(huán)形循環(huán)運動、直線形往復(fù)循環(huán)均衡、矩陣循環(huán)方式。管理觸電與電池觸點還可以采用其 他方式連接，例如采用伸縮式觸點，控制器控制臺架運動到指定位置，再由控制器控制觸點 的動作。這樣可以實現(xiàn)跳躍式的，重點對某些電池進行均衡和檢測。當(dāng)串聯(lián)電池組的觸點 排列為環(huán)形或多環(huán)，移動臺架單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)的工作方式時，電源和上位機的信號線可以通 過安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的導(dǎo)電滑環(huán)引到檢測單元和控制器。信號或數(shù)據(jù)的發(fā)送與接受也可用無 線或紅外方式實現(xiàn)，以減少滑環(huán)的數(shù)量。也可正反兩個方向非整圈旋轉(zhuǎn)，這樣就可使用導(dǎo)線而不用滑環(huán)。還可以設(shè)置多個相互獨立的移動臺架，可用于同時均衡多個電池，提高效率；在電容管理裝置上設(shè)置開關(guān)，移動控制器控制電容的開關(guān)；當(dāng)串聯(lián)電池組為環(huán)形時，可通過安裝滑環(huán)使移動臺架上轉(zhuǎn)動達到均衡管理的目 的，也可以通過單圈往復(fù)檢測；主控制器和移動控制器可向計算機或其他類型的上位機發(fā)送數(shù)據(jù)或者接收指令。在串聯(lián)電池組電量接近充滿時，主控制器控制充電開關(guān)間歇式開、關(guān)，以提高電池 均衡管理的安全性，并在串聯(lián)電池組電量充滿后關(guān)閉充電開關(guān)。本發(fā)明可通過檢測電池電壓、電流、溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)，進行分析判斷，根據(jù)數(shù)據(jù)的 具體情況進行相應(yīng)的均衡管理，由于采用電容器的均衡原理簡單直觀，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)?？煽啃愿叱杀镜?。維 修維護更換方便。電容器充放電速度快，因此容易實現(xiàn)大電流均衡。檢測到的數(shù)據(jù)可以通 過總線或無線或紅外方式傳送。檢測到的數(shù)據(jù)可以通過總線或無線或紅外方式傳送。本發(fā)明的應(yīng)用適合于任何類型電池構(gòu)成的串聯(lián)電池組，串聯(lián)電容器組或超級電容 器組等類似電能存儲裝置中的每個儲能元件的均衡管理同時進行電壓，溫度，內(nèi)阻，變形等 電池參數(shù)的檢測和數(shù)據(jù)處理與發(fā)送。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實施例子，顯然，本發(fā)明不 限于以上實施例子，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直 接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認為是本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，包括電源，電源與串聯(lián)電池組相連，還包括與電源相連的主控制器，依次相連的電機、臺架運動機構(gòu)、移動臺架，移動臺架上安裝移動控制器及電容均衡裝置，移動控制器連接至少兩個觸點檢測觸點，移動控制器與電容均衡裝置連接，電容均衡裝置的電容兩端設(shè)有管理觸點，串聯(lián)電池組每節(jié)電池均連接兩個觸點，步進電機與主控制器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述主 控制器和移動控制器為單片機、PLC控制電路、DSP中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電 容均衡裝置上設(shè)有觸點開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述主 控制與移動控制器連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述主 控制器與串聯(lián)電池組之間連接有充電開關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述主 控制器與串聯(lián)電池組之間連接有放電開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述充 電開關(guān)為MOS開關(guān)、IGB開關(guān)、繼電器中的任意一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述放 電開關(guān)為MOS開關(guān)、IGB開關(guān)、繼電器中的任意一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述主 控制器和步進電機均通過電源連接。所述電容為普通電容器或超級電容器或f任何類型的電 池。
10.一種如權(quán)利要求1所述的基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)的管理方法，其特 征在于，串聯(lián)電池組開始工作的同時，電機驅(qū)動移動臺架運動，安裝在臺架上電容器和管理 觸點隨之運動，管理觸點與電池觸點接觸后就實現(xiàn)了電池與電容器之間的能量轉(zhuǎn)移，不斷 重復(fù)這個過程即實現(xiàn)了電池組的均衡。一個臺架上可攜帶多個電容加快均衡的進度，同時 也可用體積小的小容量電容器，節(jié)省尺寸空間。還可在移動臺架上安裝電容器觸點開關(guān)和 移動控制器。控制器能將電池的電壓，溫度，內(nèi)阻，變形等參數(shù)檢測出來，并根據(jù)電池的狀態(tài) 控制觸點開關(guān)，從而實現(xiàn)有選擇的均衡。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于電容的串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，包括電源，電源與串聯(lián)電池組相連，還包括與電源相連的主控制器，依次相連的電機、臺架運動機構(gòu)、移動臺架，移動臺架上安裝移動控制器及電容均衡裝置，移動控制器連接至少兩個觸點檢測觸點，移動控制器與電容均衡裝置連接，電容均衡裝置的電容兩端設(shè)有管理觸點，串聯(lián)電池組每節(jié)電池均連接兩個觸點，電機與主控制器連接。串聯(lián)電池組開始工作的同時，移動控制器順序檢測電池組中每節(jié)電池電壓，當(dāng)任意一節(jié)電池電壓低于或高于標(biāo)準(zhǔn)值時，移動控制器將信息傳給上位機，上位機向主控制器發(fā)送指令使電機驅(qū)動移動臺架移動，直至管理觸點與待均衡電池正、負相接，電容管理裝置為待均衡電池充或者放電。
文檔編號H01M10/42GK101882803SQ201010201088
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者李小平 申請人:李小平