CN104079017B - 一种电池管理装置、电源***及电池均衡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电池管理装置、电源***及电池均衡的方法，电池管理装置主要包括：电池检测模块，用于检测该电池包中各个电池的工作状态；均衡模块，用于根据检测的所述电池的工作状态将本电池包与其它电池包进行充电或放电，以使本电池包与其它电池包中的电池的能量一致；若干个模式选择模块，每个模式选择模块用于将电池包中的某个电池与其它电池包接通以进行充电或放电，模式选择模块的数量与本电池包中电池数量相同；主控模块，用于根据检测的所述电池的工作状态控制上述各模块的工作及与外界信息交互。本发明提供的电池管理装置、电源***及方法可以有效的对电池包进行能量均衡、进而提高电源的一致性及寿命。

Description

一种电池管理装置、电源***及电池均衡的方法

技术领域

本发明涉及一种管理装置，尤其涉及一种电池管理装置、电源***及电池均衡的方法。

背景技术

电动车等以电源为动能的设备使用的电源通常由多个电池包（也称为电池组）形成，例如，由5组电池组形成的电源，其中4组中每组由24个电池串联形成，另一组由18个电池串联而成，总共形成由114个电池串联而成的电源。在电动车工作时，所述114个电池同时进行放电，以提供电动车工作所需的电能，在电动车充电时，该114个电池同时充电，以储备能量。但随着电动车的使用，该114个电池会逐渐出现充电和/或放电不均匀的情况。这将直接导致某些电池重启处于过充或过放状态，从而降低了这些电池的使用寿命，进而114个电池的使用寿命不均匀。在电池组中，如果一组内的24或18个电池中有任何一个电池提前终止寿命，则该组电池需要整组替换，以致降低了整组电池的使用寿命。

所以，现有技术中电池包，尤其是二次电池形成的电池包会出现部分电池的能量不均衡以致影响整体电源的使用的情况。然而，随着能源危机的发展，二次电池得到了越来越广泛的应用。二次电池例如锂电池具有诸多的优势，但是其仍然存在一些缺点。例如，存储能量少、串并联使用、电池电量难估算、电池的性能复杂等。所以二次电池通常需要电池管理***（BMS，BATTERYMANAGEMENTSYSTEM）进行配套使用，以较好的监控及管理电池。BMS可以在电池充放电过程中，实时采集电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压等参数，以防止电池发生过充电或过放等现象。同时BMS能够及时给出电池状况，挑选出有问题的电池，以保持整组电池运行的可靠性和高效性。但是，现有技术中缺乏可以对电池包之间的能量进行均衡，以提高电池包形成的电源的使用寿命的电池管理***。

可以理解的是，本部分的陈述仅提供与本发明相关的背景信息，可能构成或不构成所谓的现有技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术中电池包中电池能量不均衡以致其寿命较短的缺陷，提供一种可以自动快捷的均衡电池包中各个电池的能量的电池管理装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种电池管理装置，其包括：电池检测模块，用于检测该电池包中各个电池的工作状态；均衡模块，用于根据检测的所述电池的工作状态将本电池包与其它电池包进行充电或放电，以使本电池包与其它电池包中的电池的能量一致；若干个模式选择模块，每个模式选择模块用于将电池包中的某个电池与其它电池包接通以进行充电或放电，模式选择模块的数量与本电池包中电池数量相同；主控模块，用于根据检测的所述电池的工作状态控制上述各模块的工作及与外界信息交互。

在上述电池管理装置中，所述均衡模块包括：

DC/DC转换器，用于本电池包与其它电池包之间的能量的转移；

均衡控制器，接收主控模块的指令并根据所述主控模块的指令控制DC/DC转换器的工作。

在上述电池管理装置中，所述均衡模块还包括均衡状态采集单元，用于采集DC/DC转换器的工作状态并将DC/DC转换器的工作状态反馈给均衡控制器。

在上述电池管理装置中，每个模式选择模块包括相互并联的二极管及开关。

在上述电池管理装置中，所述开关为继电器。

在上述电池管理装置中，所述电池的工作状态包括电池的工作电压、工作电流、及工作温度。

在上述电池管理装置中，所述电池的工作状态包括电池的工作电压、工作电流、及工作温度。

在上述电池管理装置中，还包括用于显示电池包的工作状态的显示器，所述显示器与所述主控模块电连接。

在上述电池管理装置中，还包括用于显示电池的工作状态的显示器，所述显示器与所述主控模块电连接。

为了更好的解决上述技术问题，本发明还提供了一种电源***，其包括：若干个串联的电池包、若干个用于管理电池包的电池管理装置、及用于控制所述若干个电池管理装置的中央控制器，每个电池包电连接一电池管理装置后通过总线与中央控制器电连接，所述电池管理装置为上述电池管理装置中的任意一种。

为了更好的解决上述技术问题，本发明还提供了一种电源***的电池均衡的方法，其依次包括以下步骤：

S10、每个电池管理装置检测与其连接的电池包中每个电池的电量并将所述电量反馈给中央控制器；

S20、中央控制器根据反馈的每个电池的电量判断出电源***是否需要进行电池均衡，若是，则执行步骤S30，若否，则返回步骤S10；

S30、中央控制器根据反馈的每个电池的电量计算出所有电池的平均电量、并根据平均电量判断出哪些电池需要均衡及每个电池达到平均电量所需的电量Q；

S40、中央控制器给需要均衡的电池包所在的电池管理装置中主控模块发出均衡指令，所述主控模块根据所述均衡指令对其所在的电池包中需要均衡的电池进行均衡处理，即所述主控模块根据上述均衡指令使其所在的电池包中需要均衡的电池所接的模式选择模块与总线接通，且主控模块根据上述均衡指令控制与该主控模块相连的均衡模块对总线放出电量Q或从总线处吸收电量Q。

在上述电池均衡的方法中，在步骤S40中进行均衡处理时，还包括采集所述均衡模块中充电或放电时的工作电压、工作电流及工作时间，而且，所述均衡模块根据采集的所述工作电压、工作电流及工作时间调节其充电或放电的方式。

在上述电池均衡的方法中，在步骤S40中进行均衡处理时，还包括显示每个电池的工作状态。

本发明提供的电池管理装置主要通过电池检测模块检测各个电池的工作状态，并通过均衡模块及模式选择模块在主控模块的控制下，可以自动有效的使本电池包与其它电池包相互进行充电或放电，进而实现电池包之间能量的均衡。且可以提高电池包形成的整体电源的一致性及使用寿命。

附图说明

图1是本发明提供的电池管理装置与电池包连接的结构示意图；

图2是本发明提供的均衡模块的结构示意图；

图3是本发明提供的一实施例中模式选择模块的结构示意图；

图4是本发明提供的一实施例中电源***应用于负载的原理框图；

图5是本发明提供的一实施例中均衡电池的流程图；

图6a至图6c是本发明提供的一实施例中电池能量流向示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的电池管理装置，其主要通过均衡模块、若干个模式选择模块及主控模块可以使电池包之间实现能量均衡。

参见图1至图6所示，本发明提供了一种电池管理装置，其主要用于管理电池包。电池管理装置主要包括：电池检测模块1、均衡模块4、若干个模式选择模块3、及主控模块2。其中，电池检测模块1与电池包相连，以用于检测与电池管理装置相连的电池包中各个电池的工作状态，例如检测电池的工作电压、工作电流、及工作温度等工作参数。均衡模块4在主控模块2的控制下将与电池管理装置连接的电池包（即本电池包）与其它的电池包进行充电或放电，以使电池包之间进行能量转移并使得电池包中各个电池的能量均衡一致。电池包中每个电池对应一个模式选择模块3，故模式选择模块3的数量与本电池包中电池数量相同。在主控模块2的控制下，模式选择模块3选择将某个电池与其它电池包是否接通，当模式选择模块3将某电池与其它电池包接通后，所述的某电池与所述的其它电池包即可通过均衡模块4进行充电或放电。主控模块2用于根据检测的所述电池的工作状态控制电池管理装置中各个模块的工作。所以，主控模块2根据各个电池的工作状态控制模式选择模块3接通后，主控模块2再控制均衡模块4使若干个电池包之间进行内部电池能量的转移及均衡。

在本发明的优选实施例中，均衡模块4包括DC/DC转换器41，用于本电池包与其它电池包之间的能量的转移；均衡控制器42，接收主控模块2的指令并根据所述主控模块2的指令控制DC/DC转换器的工作。由于模式选择模块3将某电池与其它电池包之间接通后，电池与电池之间不能直接电连接起来充放电，所以均衡模块4通过DC/DC转换器使电池之间进行能量的转移。具体的，DC/DC转换器41主要实现电压转换及电池之间的隔离以实现电池之间能量的转移。DC/DC转换器为本领域技术人员所熟知，故其具体结构在此不再赘述。均衡控制器42在主控模块2的控制下控制DC/DC转换器的转换方式，例如，控制其升压或降压，及升压或降压的时间。

由于电池管理装置中各部件不可避免的会受到外界的影响，例如，DC/DC转换器自身的工作参数也会随着其老化或外界的电磁等干扰而发生改变。所以优选地，均衡模块4还包括均衡状态采集单元43，以用于采集DC/DC转换器的工作状态并将DC/DC转换器的工作状态反馈给均衡控制器42。所以，均衡控制器42结合主控模块2的指令及反馈的DC/DC转换器的工作状态适时的调整DC/DC转换器的工作方式。例如，均衡状态采集单元43采集DC/DC转换器的工作电压、工作电流及工作时间等工作状态信息后，均衡控制器42适应性的改变DC/DC转换器升压时的工作电压及升压时间，进而改变DC/DC转换器两端的电池之间充放电的方式。这样，可以使电池之间更准确快速的进行能量转移及均衡。

在本发明的优选实施例中，每个模式选择模块3包括相互并联的二极管及开关。这样，当所述某个电池与其它电池包接通后，可以避免多个电源相互存在回流。例如，当某个电池能量偏高时，主控模块2使模式选择模块3中二极管导通，则所述某个电池对外界（即其它电池包）放电，当某个电池能量偏低时，主控模块2使模式选择模块3中开关闭合（二极管需要达到其阈值电压才能导通），此时，二极管处于截止状态，则外界对所述某个电池进行充电。所以，模式选择模块3通过并联的二极管及开关使得与其连接的电池通过两个不同的支路分别进行充电及放电，能有效的减少回流及混流带来的负面影响。所述开关通常为电控的，其可以为继电器或MOS管或IGBT管。优选地，开关为继电器，其成本较低，且寿命较长。进一步优选地，电池管理装置还包括用于显示电池包的工作状态的显示器，显示器与所述主控模块2电连接。显示器可以将与电池包中各个电池的工作状态显示出来，以供用户随时了解各个电池的工作状况，进而可以及时进行维护。

本发明提供的电池管理装置可以广泛的应用于各种需要管理的电池上，例如锂电池。本发明还提供了一种电源***，其包括：若干个串联的电池包、若干个用于管理电池包的电池管理装置、及用于控制所述若干个电池管理装置的中央控制器，每个电池包电连接一电池管理装置后通过总线与中央控制器电连接，所述电池管理装置为上述的电池管理装置中任意一种。本发明提供的电源***其通过每个电池包相应配置一个电池管理装置，且通过中央控制器管理协调各个电池管理装置。

再次参见图4至图6所示，本发明还提供了一种电源***的电池均衡的方法，其主要包括以下步骤：

S10、每个电池管理装置检测与其连接的电池包中每个电池的电量并将所述电量反馈给中央控制器；电池管理装置用于管理与其连接的电池包，电池管理装置中的电池检测模块长期检测与其连接的电池包中各个电池的工作状态，为了均衡电池，每个电池管理装置检测与其连接的电池包中每个电池的电量并将电量反馈给中央控制器。

S20、中央控制器根据反馈的每个电池的电量判断出电源***是否需要进行电池均衡，若是，则执行步骤S30，若否，则返回步骤S10；其中，若电源***中电池包中电池的能量不一致，则中央控制器判断为需要对电池进行能量均衡；

S30、中央控制器根据反馈的每个电池的电量计算出所有电池的平均电量、并根据平均电量判断出哪些电池需要均衡及每个电池达到平均电量所需的电量Q；具体的，中央控制器计算出当前所有电池的平均电量，平均电量即所有电池达到均衡时所需具有的电量，中央控制器根据平均电量即可判断出哪些电池没有达到平均电量即哪些电池需要均衡，且可计算出需均衡的电池达到平均电量所需的电量Q，电量过高的电池需要释放电量，电量过低的电池需要吸收电量。

S40、中央控制器给需要均衡的电池包所连接的电池管理装置中主控模块发出均衡指令，主控模块根据均衡指令对其所连接的电池包中需要均衡的电池进行均衡处理，中央控制器下达指令给主控模块需要对电池包中哪些电池进行均衡并需要改变多少电量及改变电量的方式。主控模块根据均衡指令使其所连接的电池包中需要均衡的电池所接的模式选择模块与总线接通，且主控模块根据上述均衡指令控制与该主控模块相连的均衡模块对总线放出电量Q或从总线处吸收电量Q。主控模块可以控制若干个模式选择模块依次接通总线或一起接通总线，电池包依次先对总线放电，其它的电池包再从总线处吸收电量（即对其它电池包进行充电）。或者，电池包同时对总线放电并从总线处吸收电量，即电池中需要均衡的电量汇集到总线处重新分配给需要充电的电池。

电池包之间能量转移的方式有多种。本发明主要通过电池包与电池包之间判断出需要均衡的能量并在电池包与电池包之间进行能量的转移。值得说明的是，判断电池的能量是否均衡，可以通过判断电池的电压或其它参数实现，但是，本领域通常通过电池上的电量是否相同来判断电池能量是否均衡，而且，电量、电压等参数之间通过计算即可转换得出。另外，虽然电池上的电量随着工作时间的改变会发生改变，但短时间内各电池上电量的变化量是一致的，所以，通过计算出某一时刻各个电池与平均电量的差值（及每个电池达到平均电量所需的电量Q）可以准确的将各电池均衡到电量一致的状况。优选地，在步骤S40中进行均衡处理时，还包括采集所述均衡模块中充电或放电时的工作电压、工作电流及工作时间，均衡模块根据采集的所述工作电压、工作电流及工作时间及中央控制器的指令调节自身充电或放电的方式。例如，电池管理装置中均衡状态采集单元采集DC/DC转换器的工作电压、工作电流及工作时间等工作状态信息后，均衡控制器适应性的改变DC/DC转换器升压时的工作电压及升压时间，进而改变DC/DC转换器两端的电池之间充放电的方式。这样，可以使电池之间更准确快速的进行能量转移及均衡。更优选地，在步骤S40中进行均衡处理时，还包括通过显示器将每个电池的工作状态显示出来，例如将每个电池的电量、温度、充放电电压、该电池连接的电池管理装置中DC/DC转换器的工作电压、工作时间、工作温度等工作信息显示出来，进而更有利于用户了解电源情况并及时进行维护。

再次参见图3至图5所示实施例，结合图3至图5所示实施例对本发明提供的电源***及其均衡方法进行说明如下：

在该实施例中，每个电池包连接一个电池管理装置（即BMU）后与总线连接，且总线连接中央控制器，例如该电源***包括三个串联的电池包。每个电池包包括四个串联的电池（电池包中的电池可以为串联或并联或两者的混合），每个电池管理装置中包括四个模式选择模块、一个电池检测模块、一个均衡模块及一个主控模块。每个均衡模块包括一DC/DC转换器、连接于DC/DC转换器与主控模块之间的均衡控制器、连接于DC/DC转换器与均衡控制器之间的均衡状态采集单元。每个模式选择模块一端连接一个电池，其另一端连接均衡模块中DC/DC转换器，以由DC/DC转换器对该电池进行能量的转移，且模式选择模块同时电连接主控模块以受控于主控模块。

每个BMU中的电池检测模块检测与该BMU电连接的电池包中每个电池的工作状态（包括每个电池上的电量）并将工作状态通过总线传送给中央控制器（即BECU，BECU还可用于电源***与上一级进行信息交互）。例如，BECU计算并判断出第一电池包中第一个电池离平均电量100库仑还需电量-20库仑（即该电池需要放电20库仑），第二个电池包中第二个电池离平均电量100库仑还需电量10库仑（即该电池需要吸收电量10库仑），第二个电池包中第三个电池离平均电量100库仑还需电量10库仑，第三个电池包均处于平均电量100库仑（即不需要被均衡的电池）。因此，BECU下达指令给第一个电池包及第二个电池包的BMU进行电池均衡。第一电池包连接的BMU根据指令控制其内的第一个电池所接的模式选择模块接通，例如使模式选择模块中二极管导通（而开关处于断开状态），则该电池对外界即对总线进行能量转移，且均衡模块中均衡控制器根据指令控制DC/DC转换器在10S之内对该电池进行电量转移，即通过DC/DC转换器在10S之内使该电池向总线放电。而且，第二电池包连接的BMU在BECU的指令下控制第二电池包中第二个电池及第三个电池所接的模式选择模块接通，例如使模式选择模块中的开关闭合（此时二极管处于截止状态），则总线上积累的由第一电池包释放的电能对第二电池包中第二个电池及第三个电池进行充电，以使第二电池包中第二个电池及第三个电池各自在10S内吸收到10库仑的电量。因此，10S后三个电池包中电池的能量一致，从而实现了所有的电池的能量的均衡。其中，双向DC转换器为均衡模块的功率部分，实现对电池的充放电维护。均衡状态采集单元监控双向DC转换器的输入输出电压和电流，以提供***均衡策略的数据，进而均衡控制器可以实现对双向DC转换器工作模式的切换以适应***的要求，例如可控制双向DC转换器的转换速度、方向以及功率。而且，模式选择模块通过开关和二极管的并联（即使开关和二极管通过两个不同的支路分别连接在电池与DC/DC转换器之间），使得电池之间的充电及放电通过不同的支路实现且可防止电池相互间的回流。

电池管理装置控制电池均衡的策略根据电池的一致性的状况通常可分为多种情况，例如图6a、6b、6c所示，箭头向上表示该电池可以作为电源向外输出能量，箭头向下表示电池可以作为负载吸收能量，吸收和输出的能量差值可以用来均衡电池。当处于图6c状态下不需要均衡电池，也就不用存在这样的能量差值，电池就可以作为电源安全的向外输出能量。图6a中少量电池容量偏高，可通过对这些偏高电池给其它电池包放电实现一致性提高，图6b中有少量电池容量偏低，通过其它电池包对这些电池充电实现一致性。当部分电池包出现图6a、及图6b两种情况时通过均衡模块的控制调节使所有电池可达到一致性，当电池达到图6c中的一致性状态时才达到电池均衡的要求。

本发明提供的电源***可以广泛的应用于各种需要供电装置的设备中，例如，带有电网及配电箱的储能***、电动车等各种设备中。总之，本发明提供的电池管理装置、电源***及其电池均衡的方法可以有效的管理电池包，使得若干个电池包之间相互能量转移，进而实现若干个电池包的能量均衡，进而提高电池包形成的整个电源的一致性及使用寿命，且便于对电池包进行维护。而且，其能自动快速的实现电池均衡，同时，便于用户了解电源所处的状态并便于用户及时对电池进行维护。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电源***的电池均衡的方法，其特征在于，

所述电源***包括：若干个串联的电池包、若干个用于管理电池包的电池管理装置、及用于控制所述若干个电池管理装置的中央控制器，每个电池包电连接一电池管理装置后通过总线与中央控制器电连接，

所述电池管理装置包括：

电池检测模块，用于检测该电池包中各个电池的工作状态；

均衡模块，用于根据检测的所述电池的工作状态将本电池包与其它电池包进行充电或放电，以使本电池包与其它电池包中的电池的能量一致；

若干个模式选择模块，每个模式选择模块用于将电池包中的某个电池与其它电池包接通以进行充电或放电，模式选择模块的数量与本电池包中电池数量相同；以及

主控模块，用于根据检测的所述电池的工作状态控制上述各模块的工作及与外界信息交互，

所述电源***的电池均衡的方法包括以下步骤：

S10、每个电池管理装置检测与其连接的电池包中每个电池的电量并将所述电量反馈给中央控制器；

S20、中央控制器根据反馈的每个电池的电量判断出电源***是否需要进行电池均衡处理，若是，则执行步骤S30，若否，则返回步骤S10；

S30、中央控制器根据反馈的每个电池的电量计算出所有电池的平均电量、并根据平均电量判断出哪些电池需要均衡及每个电池达到平均电量所需的电量Q；

S40、中央控制器给需要均衡的电池包所连接的电池管理装置中主控模块发出均衡指令，所述主控模块根据上述均衡指令使其所连接的电池包中需要均衡的电池所接的模式选择模块与总线接通，且主控模块根据上述均衡指令控制与该主控模块相连的均衡模块对总线放出电量Q或从总线处吸收电量Q。

2.如权利要求1所述的电池均衡的方法，其特征在于，所述均衡模块包括：

DC/DC转换器，用于本电池包与其它电池包之间的能量的转移；以及

均衡控制器，接收主控模块的指令并根据所述主控模块的指令控制DC/DC转换器的工作。

3.如权利要求2所述的电池均衡的方法，其特征在于，所述均衡模块还包括均衡状态采集单元，用于采集DC/DC转换器的工作状态并将DC/DC转换器的工作状态反馈给均衡控制器。

4.如权利要求1所述的电池均衡的方法，其特征在于，每个模式选择模块包括相互并联的二极管及开关。

5.如权利要求4所述的电池均衡的方法，其特征在于，所述开关为继电器。

6.如权利要求1所述的电池均衡的方法，其特征在于，所述电池的工作状态包括电池的工作电压、工作电流、及工作温度。

7.如权利要求3所述的电池均衡的方法，其特征在于，所述DC/DC转换器的工作状态包括DC/DC转换器的工作电压、工作电流及工作时间。

8.如权利要求1所述的电池均衡的方法，其特征在于，还包括用于显示电池的工作状态的显示器，所述显示器与所述主控模块电连接。

9.如权利要求1所述的电池均衡的方法，其特征在于，在步骤S40中进行均衡处理时，还包括采集所述均衡模块中充电或放电时的工作电压、工作电流及工作时间，且所述均衡模块根据采集的所述工作电压、工作电流及工作时间调节其充电或放电的方式。

10.如权利要求1所述的电池均衡的方法，其特征在于，在步骤S40中进行均衡处理时，还包括显示每个电池的工作状态。