CN102624058A - 具备故障电池隔离功能的电池管理***和方法 - Google Patents

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何亮明
杜翀
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Abstract

本发明涉及一种具备故障电池隔离功能的电池管理***和方法，其特征在于所述的管理***包括健康状态诊断模块、故障电池隔离模块以及分别与这两个模块相连的控制模块。利用电池组中每个电池单体本身具有的独立性特点，通过开关网络隔离故障电池，兼顾了电池组的安全性与使用效率。本发明所述的电池管理***可以同时适用以下两种情况，有效保证电池组的安全性和充分利用电池组的容量。①可能是由于电池单体产生了结构性缺陷，如内部出现断路，必须立即隔离该电池并在适当的时机进行替换；②可能是部分电池单体出现过充或者过放等现象，此时只要停止继续充电或者放电即可。

Description

具备故障电池隔离功能的电池管理***和方法
技术领域
本发明涉及一种具备故障电池隔离功能的电池管理***和方法，更确切点说本发明涉及一种故障电池实时检测与隔离方法。属于电池管理技术领域。
背景技术
蓄电池是国家新能源发展的重要技术，在国民经济各个领域中应用广泛。现有技术中汽车、电动车、船舶、潜水艇、通讯机站备用直流电源、UPS电源、电动工具、视听电子产品等很多设备都需要使用蓄电池。随着各种电池相关新型材料的开发和商用，电池的容量日益增加，例如与目前以钴酸锂为正极材料的普通锂离子电池相比，各种三元正极材料与硅基负极材料锂离子电池可以提高一倍以上的容量。但是随着电池能量密度与功率密度的提高，电池带来的潜在危险也在急剧增加，如经常报道的手机电池***以及电动车着火事故等。因此非常必要针对电池和电池组设计专用的保护与管理***。当前的电池管理***主要利用电池单体的电压、阻抗等信息判断电池的安全状态，一旦某个电池单体出现故障可能引起安全问题，则往往直接切断整个电池组不对外供电。这种方法虽然保障了电池***的安全性，但是过于粗暴，会对整个***的用电可靠性以及电池组本身的效率带来极大的负面作用。一些新型电池管理***采用阻塞式二极管可以单独隔离故障电池，这往往导致***灵活性差，使能隔离的电池单体数量严重受限。本发明拟在传统电池管理***技术的基础上，提出利用开关网络隔离故障电池，控制灵活，有利于满足电动车等对大型电池组的需求。本发明电池组中其它非故障电池继续正常供电，在确保电池组安全性的前提下，提高了整个***工作的连贯性与效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具备故障电池隔离功能的电池管理***。本发明利用电池组中每个电池单体本身具有的独立性特点，通过开关网络隔离故障电池，兼顾了电池组的安全性与使用效率。电池的故障可能是由于电池单体产生了结构性缺陷，如内部出现断路，此时必须立即隔离该电池并在适当的时机进行替换；另一种可能是部分电池单体出现过充或者过放等现象，此时只要停止继续充电或者放电即可。本发明所述的电池管理***可以同时适用以上两种情况，有效保证电池组的安全性和充分利用电池组的容量。
为了达到上述目标，本发明采用的技术方案是：
一种具备故障电池隔离功能的新型电池管理***，所述电池组至少由两个电池单体串联构成。所述***包括对所述电池组安全性问题评估的健康状态诊断模块，利用高效开关网络实现的故障电池隔离模块，用于控制开关网络中各个开关状态和负责各个模块之间协调通信的控制模块；所述控制模块分别与电池健康状态诊断模块与故障电池隔离模块相连，根据诊断模块确定的故障电池计算并控制电池隔离模块中所有开关的状态。
上述用于隔离故障电池的开关网络，可以使用机械开关或者继电器、MOSFET等电子开关以导通网络的形式实现。通过控制每个开关的开闭来形成不同的通路，隔离故障电池的同时继续保留剩余电池对外供电。
上述电池健康诊断模块主要通过单体电池的电压、电流、阻抗、温度、内部压力等状态参数判断对应电池单体是否发生故障。其中每个单体电池电压值的测量，可以使用单独的测量模块，如采用电阻分压与单刀多掷开关等。其它参数也可用类似相关方法测量。电池健康诊断模块需要把故障电池的标号以及故障的种类发送到控制模块。
上述控制模块是整个***的控制核心，它需要同时和电池健康诊断模块和故障电池隔离模块进行通信，并针对不同的应用需求显示电池组的相关信息。为了控制整个电池管理***的功耗水平，控制模块也可以对相关模块应用一定的睡眠机制。
上述电池组管理***的运行过程，主要包含如下步骤：
步骤1、电池健康诊断模块通过分析整个电池组模块各个单体电池的状态信息来判断其安全性，例如利用单体电池端电压的大小、同其它电池电压的偏差、电池表面温度高低、交流/直流阻抗的变化等，实时评估每个电池单体的安全状况，比如过充、过放、严重老化、内部短路等。电池安全状态诊断模块最后把每个故障电池的标号与相应的故障种类发送给控制模块。
步骤2、控制模块根据诊断模块提供的故障电池标号与故障种类，确定对外的报警方式与所需要的隔离方法，最后把所需改变的每个开关状态发送到故障电池隔离模块。
步骤3、故障电池隔离模块收到控制模块关于每个开关的工作状态后，改变相关开关的控制信号，完成故障电池的隔离功能。
本发明在传统电池管理***的基础上引入故障电池隔离功能，利用开关网络隔离发生故障或者其它不适合继续使用的电池，但不影响电池组中其它单体电池串联继续对外供电。通过故障电池隔离功能，一方面可以最大限度的减少已经受到损害的单体电池进一步使用时对其它正常单体电池产生的连锁反应。例如某个单体电池发生外部短路而引起过热，可能引起周围其它单体电池也产生热失控，造成严重***等事故。另一方面，在电池组充电时发现某个单体电池即将过充或者电池组放电时某个单体电池可能过放时，也可以通过电池隔离***切断该单体电池，能够克服电池不一致带来的安全性问题。而其它电池单体可以继续正常工作，从而延长了电池组的使用时间。对于电池组来说，虽然总电压会稍微降低，但是这个问题可以轻易通过直流/直流稳压器(DC/DC)来解决。
总之，本发明充分利用了电池组模块中每个单体电池本身具有独立性特点，通过开关网络隔离故障电池，兼顾了电池组的安全性与使用效率。本发明提供的电池管理***可以同时适用于以下两种情况，有效保证整个电池组模块的安全性和充分利用电池组的容量。两种情况分别是：①单体电池产生的结构性缺陷，如内部出现断路，立即隔离故障电池并在适当时机进行替换；②另一种可能是部分单体电池出现过充或过放等现象，只要停止继续充电或放电即可。
附图说明
图1为本发明提供的具备故障电池隔离功能的电池管理***结构图。
图2为一种故障电池隔离模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的保护范围和实施不限于此。
参见图1，图1给出了本发明示例的总体结构图，其中，电池模块由C1、C2、C3......、Cn等n个电池单体组成，n＞1，即至少由两个单体电池串联组成。电压健康诊断模块由单体电池状态参数采集部分和健康状态综合评估部分组成。控制模块主要负责各个模块间的协调通信以及对外信息显示与报警。
图2为故障电池隔离模块的一种实现方式结构示意图，整个电池组模块是由C1的正极和Cn的负极引出对外供电，且n＞1。每个单体电池的负极同下一个单体电池的正极相连处的中间放置一个开关(用五角星表示)，同时横向和纵向连线的交点处也设置一个开关。***运行初始化阶段，交点处所有开关处于断开状态，其它正负极连线间开关闭合。当发现某个电池出现故障可能产生危险时，则相应故障电池正负极连接中间的开关断开，交点处两个开关闭合。
整个***的工作实施过程如图2所示。假设在放电过程中电池诊断模块测得各单体电池的温度依次为T1、T2......、Tn，其中T2大于70摄氏，可能发生热失控，应该隔离。则通过控制模块对电池隔离模块发送指令，各开关控制状态改变如下：开关中3、5闭合，开关4断开。经过上述过程后，电池组由C1C3......Cn串联对负载继续供电，并给外部***发送关于故障电池C2的报警信号。

Claims (8)

1.一种具备故障电池隔离功能的电池管理***，其特征在于所述***包括对电池组模块安全性问题评估的健康状态诊断模块，利用开关网络实现的故障电池隔离模块以及用于控制开关网络中各个开关状态和负责各个模块之间协调通信的控制模块；控制模块分别与电池健康状态诊断模块与故障电池隔离模块相连，根据电池健康状态诊断模块确定的故障电池计算并控制电池隔离模块中所有开关的状态：
其中，所述的电池组模块由C1、C2、C3......、Cn n个电池单体组成，n＞1，即至少由两个单体电池串联组成。
2.按权利要求1所述的***，其特征在于用于故障电池隔离的开关网络，可使用机械开关或者继电器、MOSFET的电子开关以导通网络的形式实现；通过控制每个开关的开闭来形成不同的通路，故障电池隔离的同时继续保留剩余电池对外供电。
3.按权利要求1所述的***，其特征在于电池健康状态诊断模块主要通过单体电池的电压、电流、阻抗、温度或内部压力状态参数判断对应电池单体是否发生故障，电池健康诊断模块需要将发生故障电池的标号以及故障的种类发送到控制模块。
4.按权利要求1所述的***，其特征在于控制模块是整个***的控制核心，它需要同时和电池健康诊断模块和故障电池隔离模块进行通信，并针对不同的应用需求显示电池组的相关信息。
5.按权利要求3所述的***，其特征在于单体电池的电压值测量使用电阻分压式单刀多掷开关单独的测量模块测量。
6.按权利要求4所述的***，其特征在于控制模块应用睡眠机制，以控制整个电池管理***的功耗水平。
7.使用权利要求1-4中任一项所述的***的运行方法，其特征在于通过开关网络隔离故障电池，运行方法包括一下步骤：
步骤1、电池健康诊断模块通过分析整个电池组模块中各个单体电池的状态信息来判断其安全性，电池安全状态诊断模块最后把每个故障电池的标号与相应的故障种类发送给控制模块；
步骤2、控制模块根据诊断模块提供的故障电池标号与故障种类，确定对外的报警方式与所需要的隔离方法，最后把所需改变的每个开关状态发送到故障电池隔离模块；
步骤3、故障电池隔离模块收到控制模块关于每个开关的工作状态后，改变相关开关的控制信号，完成故障电池的隔离功能。
8.按权利要求7所述的运行方法，其特征在于整个电池组模块是由C1的正极和Cn的负极引出对外供电，且n＞1，每个单体电池的负极同下一个单体电池的正极相连处的中间放置一个开关，同时横向和纵向连线的交点处也设置一个开关，***运行初始化阶段，交点处所有开关处于断开状态，其它正负极连线间开关闭合，当发现某个电池出现故障可能产生危险时，则相应故障电池正负极连接中间的开关断开，交点处两个开关闭合。
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