CN106571661A - 一种高压隔离型锂离子蓄电池组管理***研制 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压隔离型锂离子蓄电池组管理***，包括4个高压充电控制器（BCR），4组高压锂离子蓄电池组，4个均衡管理分模块(BSU)和1个均衡管理总模块（BMU），一组高压锂离子蓄电池组对应一个BCR和一个BSU；一组高压锂离子蓄电池组包含48串高压锂离子蓄电池单体，4组高压锂离子蓄电池组之间使用外部线缆进行叠加串联。本发明提供的高压隔离型锂离子蓄电池组管理***保证了长串锂离子蓄电池组充放电的安全性，有效提高了锂离子蓄电池的寿命及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电池组管理***领域，特别涉及一种高压隔离型锂离子蓄电池组管理***研制。
背景技术
为确保高压锂离子蓄电池组的安全性，在使用时都会配备一套锂离子蓄电池组管理***。针对锂离子蓄电池组管理***而言，又以前端数据采集、电池均衡管理、SOC电量计量、实时通信以及电池绝缘监测最为关键。其中，数据采集是整个电池管理***的基础和关键，尤其是对于锂电池而言，采集的精度和速度对电池的使用寿命乃至整个***的安全可靠运行至关重要。采集的数据主要包括：各电池电压值、总电压值、充放电电流值以及温度信息。其中电压采集除了有以上作用外，还涉及到电池均衡的方面，所以电压采集是数据采集中的重中之重。然而，在电池数据采集***中，需要解决的一个共性问题就是多个电池串联使用时高电压、测量***等问题有可能会引起危险。为了排除这些危险，在电池数据采集***中要用到隔离电路。进行现场测量时，也会有各种电磁干扰信号迭加在有用的被测信号上，会使测量的准确度降低。为了保证***工作的安全性，并且减少环境噪声对测试电路的影响，往往将高压锂离子蓄电池组与测量电路进行隔离。
对于锂电池来说，在使用过程中为了获得较大的电压通常将多个电池串联使用。除此之外，在使用过程中，可能会面临单体电池充放电不平衡的情况。为了延长电池组的寿命，设备中还需要有电池均衡电路，让电池在充放电过程中单体电池电压保持在一个很小的范围内，从而使整个电池组的使用时间增长。
因此在整个基于锂电池应用***中，需要开发一个高压隔离型的锂离子蓄电池组管理***，以用来解决电池充放电过程中出现过温、过压、欠压、过流及电池不平衡、环境噪声等问题，以最大程度地降低电池的成本和延长电池寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压隔离型锂离子蓄电池组管理***，以解决高压锂离子蓄电池组在使用过程中出现的单体电压不均衡以及减少环境噪声对测试电路的影响，保证高压锂离子蓄电池组的安全性并延长其寿命。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种高压隔离型锂离子蓄电池组管理***，包括4个BCR，4组高压锂离子蓄电池组，4个BSU和1个BMU，一组高压锂离子蓄电池组对应一个BCR和一个BSU；4组高压锂离子蓄电池组之间采用外部电缆进行叠加串联；每组高压锂离子蓄电池组分别对应一个BCR，每个高压锂离子蓄电池组与其所对应的BCR组成隔离充电控制单元，所述隔离充电控制单元内部供电的实际电压为对应的高压锂离子蓄电池组确定的电压，每个BCR对其所对应的高压锂离子蓄电池组进行充电。
进一步地，所述BSU包括高压锂离子蓄电池单体电压采集电路、温度采集电路和均衡控制电路；所述电压采集电路采用差分采样电路，对蓄电池单体分压后经差分放大，实现对单体电压的测量。
进一步地，所述高压隔离型锂离子蓄电池组管理***包括4组高压锂离子蓄电池组、每组包括48只高压锂离子蓄电池，所述的48只高压锂离子蓄电池单体为串联连接，分四排竖立排列，每排12只单体电池。
进一步地，BMU通过CAN总线接收4个BSU发送的单体电压数据以及温度数据。
本发明还提供了一种高压隔离型锂离子蓄电池组管理***的均衡方法，包括以下步骤：
步骤一、BSU对相应的高压锂离子蓄电池组中的单体电压和温度数据进行实时测量，获得单体电压最大值和最小值以及单体温度数据，通过CAN总线上传到BMU；
步骤二、BMU将接受的数据进行处理，并通过CAN总线上传到上位机监视***；
步骤三、在每个采样周期内，将单体电压进行比较，当高压锂离子蓄电池组中各单体电压相对于单体平均电压差值大于40mV以上时， 对相应单体进行隔离均衡控制，均衡旁路分流电流值不小于30mA；在后续采样周期内，当相应单体电压相对于单体平均电压差值小于40mV以下时，BSU控制关断所述开通的隔离均衡控制电路；
步骤四、在每个采样周期内，当最大单体温度数据出现高于60℃的值时，切断整个***的高压锂离子蓄电池组的充放电电路，经检查排除故障后才能再次接通。
本发明提供的高压隔离型锂离子蓄电池组管理***，保证了长串锂离子蓄电池组充电及放电的安全性，有效提高锂离子蓄电池的寿命及可靠性，将大量锂离子蓄电池进行分组进行管理，管理方法清晰简单，便于管理及工程实现，保证了实现途径的可靠性。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1为本发明高压隔离型锂离子蓄电池组管理***供配电框图；
图2为本发明蓄电池组均衡管理器总体方案图；
图3为本发明实施例中高压隔离型锂离子蓄电池组管理***的排列图；
图4为中储能***高压充电控制器总体方案图；
图5为本发明蓄电池电压差分采样电路原理图；
图6为本发明蓄电池单体均衡分流电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种空间高压锂离子蓄电池组管理***及管理方法做进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
如图1所示，本发明中的高压隔离型锂离子蓄电池组管理***包括4个BCR，4组高压锂离子蓄电池组、每组包括48只高压锂离子蓄电池，4个BSU，1个BMU，1个软启动控制器。软启动控制器用来防止初放电瞬间的大电流冲击，单体锂离子蓄电池间通过带有熔断链的电缆串联连接，连接点靠近电池接头。
如图2所示，4组高压锂离子蓄电池组每组组成一个基本模块，4个基本模块之间使用外部线缆进行叠加串联。每个基本模块中对应一个BCR，每个高压锂离子蓄电池组与其所对应的BCR组成隔离充电控制单元，所述控制单元内部供电的实际电压为对应的基本模块确定的电压，每个BCR对其所对应的高压锂离子蓄电池组进行充电。
在本实施例中，每组高压锂离子蓄电池组构成一个基本模块，即基本模块由48只电池单体串联而成，如图3所示，分四排竖立排列，每排为12只。所有的192只单体电池共设计为4个基本模块，模块之间使用外部线缆叠加串联。
BCR对蓄电池组进行充电。蓄电池组充电***设计成分组充电模式，4个BCR分别对应4组蓄电池组，其中每组蓄电池组和其对应的BCR组成一个隔离充电控制单元，控制单元内部的实际电压为对应基本模块所确定的电压。高压锂离子蓄电池组在充满电后，能够为载荷提供1min、频率200Hz、最大电流约110A的输出。高压锂离子蓄电池组的输出正负极各配置了一个蓄电池组熔断器，在蓄电池组发生短路时，熔断器迅速断开，防止蓄电池组过放发生危险。
同时，4个BSU分别对应4组高压锂离子蓄电池组。在BSU内，设置有单体电压隔离采集电路，用来采集电池单体的电压；温度采集电路，用来采集电池单体的温度；和隔离均衡控制电路，通过接通和关断来实现电池组的均衡管理。BSU和BMU内部DSP控制器均采用TMS320F28335。温度采集电路采用热敏电阻PT100进行温度采集。本实施例中，如图5所示，为了实现蓄电池单体电压的高精度采样，基于高精度INA148。隔离均衡控制电路采用电阻分流方式，每个电池组包含48个分流电路，分流开关和驱动开关采用双极晶体管实现。如图6所示，分流开关选择Q4-1、Q5-1和Q1-1、Q2-1两个串联，可以防止分流开关短路故障；分流电阻R24-1、R25-1采用200Ω/1W电阻并联，最大分流电流为41mA（单体电压4.1V，最大充电电流为0.47A），对应每个单体分流功率为0.168W。
本发明还提供了一种使用上述高压隔离型锂离子蓄电池组管理***的管理方法，包括以下步骤：
步骤一、BSU对相应的高压锂离子蓄电池组中的单体电压和温度数据进行实时测量，获得单体电压最大值和最小值以及单体温度数据，通过CAN总线上传到BMU；
步骤二、BMU将接受的数据进行处理，并通过CAN总线上传到上位机监视***；
步骤三、在每个采样周期内，当单体电压的最大值和最小值之差超过40mV时，BSU控制开通最大值对应的单体旁的隔离均衡控制电路，其余单体的均衡控制电路保持关断状态；在后续采样周期内，当单体电压的最大值和最小值之差小于40mV时，BSU控制关断所述开通的隔离均衡控制电路。
步骤四、在每个采样周期内，当单体温度数据出现高于60℃的值时，切断整个***的高压锂离子蓄电池组的充放电电路，经检查排除故障后才能再次接通。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (12)
1.一种高压隔离型锂离子蓄电池组管理***，其特征在于，包括4个BCR，4组高压锂离子蓄电池组，4个BSU和1个BMU，一组高压锂离子蓄电池组对应一个BCR和一个BSU；4组高压锂离子蓄电池组之间使用外部线缆进行叠加串联；
每个基本模块中的高压锂离子蓄电池组对应一个BCR，每个高压锂离子蓄电池组与其所对应的BCR组成隔离充电控制单元，所述隔离充电控制单元内部供电的实际电压为对应的基本模块确定的电压，每个BCR对其所对应的高压锂离子蓄电池组进行充电。
2.如权利要求1所述的高压隔离型锂离子蓄电池组管理***，其特征在于，所述BSU包括高压锂离子蓄电池单体电压隔离采集电路、温度采集电路和隔离均衡控制电路；所述电压隔离采集电路采用差分采样电路，对蓄电池单体分压后经差分放大，然后经过隔离后进入A/D转换，从而实现高压与低压完全隔离开来；所述温度采集电路采用NTC热敏电阻进行温度采集。
3.如权利要求1所述的高压隔离型锂离子蓄电池组管理***，其特征在于，所述BMU和BSU中内部DSP控制器均采用TMS320F28335。
4.如权利要求1所述的高压隔离型锂离子蓄电池组管理***，其特征在于，所述高压锂离子蓄电池组中，单体锂离子蓄电池间通过带有熔断链的电缆串联连接。
5.如权利要求4所述的高压隔离型锂离子蓄电池组管理***，其特征在于，所述串联连接的连接点靠近电池接头。
6.如权利要求1所述的高压隔离型锂离子蓄电池组管理***，其特征在于，所述高压锂离子蓄电池组的输出正负极各配置了一个蓄电池组熔断器，在蓄电池组发生短路时，熔断器迅速断开，防止蓄电池组过放发生危险。
7.如权利要求2所述的高压隔离型锂离子蓄电池组管理***，其特征在于，所述差分采样电路中分压电阻为高精度排阻。
8.如权利要求1所述的高压隔离型锂离子蓄电池组管理***，其特征在于，所述高压锂离子蓄电池组每组包括48只高压锂离子蓄电池，所述48只高压锂离子蓄电池单体分四排竖立排列，每排12只单体电池。
9.如权利要求2所述的高压隔离型锂离子蓄电池组管理***，其特征在于，所述均衡控制电路为电阻分流电路，每个模块包括48个分流电路，分流开关和驱动开关为双极晶体管。
10.如权利要求1所述的高压隔离型锂离子蓄电池组管理***，其特征在于，所述BMU通过CAN总线接收各个BSU发送的单体电压数据以及温度数据，CAN总线控制器为SJA1000，BSU的CAN总线为隔离总线，采用ADUM1201进行隔离后信号传递给PCA82C250。
11.基于权利要求10所述的高压隔离型锂离子蓄电池组管理***的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、BSU对相应的高压锂离子蓄电池组中的单体电压和温度数据进行实时测量，获得单体电压最大值和最小值以及单体温度数据，通过CAN总线上传到BMU；
步骤二、BMU将接受的数据进行处理，并通过CAN总线上传到上位机监视***；
步骤三、在每个采样周期内，将单体电压进行比较，当高压锂离子蓄电池组中各单体电压相对于单体平均电压差值大于40mV以上时， 对相应单体进行均衡控制，均衡旁路分流电流值不小于30mA；在后续采样周期内，当相应单体电压相对于单体平均电压差值小于40mV以下时，BSU控制关断所述开通的均衡控制电路；
步骤四、在每个采样周期内，当单体温度数据出现高于60℃的值时，切断整个***的高压锂离子蓄电池组的充放电电路，经检查排除故障后方能再次接通。
12.如权利要求11所述的高压隔离型锂离子蓄电池组管理***的管理方法，其特征在于，所述采样周期为300ms。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170419 |