CN107134597A - 一种储能电池组诊断和维护***及方法 - Google Patents

一种储能电池组诊断和维护***及方法 Download PDF

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钟伟东
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金山红
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陈其
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孙东方
姚云飞
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Abstract

本发明公开了一种储能电池组诊断和维护***及方法，包括储能电池组模块，由若干节单体电池串联组成；BMU模块，用于采集储能电池组模块的总电压和各单体电池的单体电压、主电路电流、电池温度，并向主控模块传送单体电压、主电路电流、电池温度信息；主控模块，用于接收单体电压、主电路电流、电池温度信息，并根据单体电压、主电路电流、电池温度信息筛选单体电池，筛选的单体电池包括合格电池和不合格电池；维护模块，用于接收主控模块发出的不合格电池的信息并对不合格电池进行维护，并将维护的信息返回发送至主控模块。可以根据电池功率特性辨别电池当前性能能否满足储能***要求，对不合格电池发出报警，合格电池应及时充电维护。

Description

一种储能电池组诊断和维护***及方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车电池技术领域，尤其是指一种储能电池组诊断和维护***及方法。
背景技术
大型电池储能在电力、后备电源和电动汽车上应用规模大，往往是数百节电池串联使用。经过多年的发展，一部分电池在服役，一部分电池已经面临退运或已经退运。无论是在役电池还是退运电池，都存在电池闲置、缺乏有效管理现象。
当电池管理***故障致使电池出现过充、过放等现象，或电池本身由于短路、热失控等意外情况发生，以及缺乏有效管理的长期闲置电池，都会使电池出现低电压现象。虽然有管理***存在，但电池组整体电压很低时管理***只能发出报警信号，不能进一步阻止电池性能恶化。此时储能***安全性和可靠性大幅度下降。
而退运电池一般会拆除电池管理***，电池因自放电容量下降而无法及时补充电，电池濒临报废，二次利用价值可能丧失。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中储能电池串联的电池有部分在长时间使用后会有面临退运或已经退运的情况，现有的电池管理***无法及时维护或维护效果较差的缺点，提供一种储能电池组诊断和维护***及方法。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：
一种储能电池组诊断和维护***，包括：
储能电池组模块，由若干节单体电池串联组成；
BMU模块，用于采集储能电池组模块的总电压和各单体电池的单体电压、主电路电流、电池温度，并向主控模块传送单体电压、主电路电流、电池温度信息；
主控模块，用于接收单体电压、主电路电流、电池温度信息，并根据单体电压、主电路电流、电池温度信息筛选单体电池，筛选的单体电池包括合格电池和不合格电池；
维护模块，用于接收主控模块发出的不合格电池的信息并对不合格电池进行维护，并将维护的信息返回发送至主控模块。
作为一种优选方案，主控模块内还设有存储单元，存储单元用于储存主控模块的筛选信息。
作为一种优选方案，维护模块包括控制芯片、控制电路、功率传输电路、开关阵列、电流采集电路和温度采集电路，控制芯片与控制电路相连接，控制电路同时与功率传输电路、开关阵列、电流采集电路和温度采集电路相连接。
作为一种优选方案，功率传输包括一个反激变压器和若干个开关管，其中开关管组成开关阵列，反激变压器的原边绕组N1连接到功率总线，副边绕组N2与开关阵列连接，开关管串接到原边绕组的非同名端，开关阵列与电池组连接。
作为一种优选方案，反激变压器为单向反激变压器。
单向反激变压器的参数如下：
匝数比
式中n1、n2分别为原、副线圈匝数，V1、V2分别为反激电压和输出电压；
***采用充电直流内阻表征电池脉冲功率特性；维护模块脉冲充电电流为BMS***均衡电流的2倍，对低电压电池的维护电流与BMS(电池管理***)***均衡电流相同，以减小对电池组的损伤，最大限度利用BMS***资源，降低本发明***复杂度。
维护模块通过控制PWM占空比实现功率传输电路输出不同电流，能分别满足充电直流内阻测试和充电维护所要求的电流输出，同时降低了电路复杂度，节约了成本。
主控模块与维护模块、主控模块与BMU之间通过CAN通讯，并接入BMS通讯网络，实现了***内部模块之间及与外部***的快速、实时信息交互。
一种储能电池组诊断和维护方法，包括以下步骤：
步骤1，BMU模块采集储能电池组模块的各单体电池的电压，让后BMU模块将各单体电池的电压信息传送至主控模块；
步骤2，主控模块根据各单体电池的电压信息，将单体电池进行分类，根据设定的分界阈值电压，将电压大于或等于分界阈值电压的单体电池定为合格电池，将电压小于分界阈值电压的单体电池判定为不合格电池；
步骤3，主控模块计算不合格电池的单个直流内阻值，并计算合格电池的平均直流内阻值，并将单个直流内阻值和平均直流内阻值相比较，若单个直流内阻值和平均直流内阻值的比值大于设定的值，则判断该直流内阻值对应的不合格电池为需要报废处理的电池，然后主控模块发出报警，若单个直流内阻值和平均直流内阻值的比值小于设定的值，则判断该直流内阻值对应的不合格电池为可维护的电池，主控模块发送信号至维护模块，跳转至步骤4；
主控模块根据传送的电压和电流计算出该节电池的直流内阻r1。
式中，ΔU1为脉冲放电结束瞬间电池的电压变化差值，取三次测试的平均值；I为脉冲充电电流，取为BMS***均衡电流的2倍。
然后按此步骤完成电池模块内第2节单体电池的直流内阻r2的测试，依次完成所有电池直流内阻测试，得到数组R＝[r1，r2，r3，...，rn]。
将合格电池所测的直流内阻平均值rA作为参考值，不合格电池中内阻大于等于1.5rA的电池作为需要报废处理的电池，由主控模块发出报警，同时将该类电池归类为需要报废处理的电池；不合格电池中内阻小于1.5rA的电池由主控模块向维护模块4发出充电维护信号，执行充电维护。
步骤4，维护模块对可维护的电池进行维护。
作为一种优选方案，步骤4具体为：将合格电池的平均电压作为充电维护的阈值，维护模块收到主控模块的充电维护指令后，通过PWM信号控制开关管，以控制策略控制反激变压器原边绕组和副边绕组上串接的开关管顺序导通，实现能量从功率总线转移至低压单体电池，经过多次循环后，最终将低电压电池的电压恢复至阈值；每个可维护的电池重复步骤4的过程，直到所有可维护的电池最低电压均恢复至阈值，充电维护过程结束。
本发明的有益效果是，
1、可以根据电池功率特性辨别电池当前性能能否满足储能***要求，对不合格电池发出报警，合格电池应及时充电维护。
2、主控模块通过PWM信号控制维护模块中的反激变压器原边绕组上串接的开关管的导通或关断，同时根据控制策略控制反激变压器副边绕组上串接的开关管阵列的有序导通，实现能量从功率总线转移至电压较低的单体电池，及时补充了电池能量。
3、本发明的储能电池组诊断和维护***，对低电压电池向BMS***发出报警信号，及时通知管理人员进行维护处理。
4、本发明的储能电池组诊断和维护***，还可以根据***需求辅助电池管理***对电池组进行均衡维护，缩短均衡时间，提高均衡效率。
5、本发明的储能电池组诊断和维护***，对低电压电池进行及时的有效处理，提高了储能***的安全性和可靠性。。
附图说明
图1是本发明的功能示意框图；
图2是本发明的一种流程图；
图3是本发明维护模块的部分拓扑结构示意图。
其中：1、储能电池组模块，2、BMU模块，3、主控模块，4、维护模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
一种储能电池组诊断和维护***，如图1所示，包括：
储能电池组模块1，由若干节单体电池串联组成；
BMU模块2，用于采集储能电池组模块的总电压和各单体电池的单体电压、主电路电流、电池温度，并向主控模块传送单体电压、主电路电流、电池温度信息；
主控模块3，用于接收单体电压、主电路电流、电池温度信息，并根据单体电压、主电路电流、电池温度信息筛选单体电池，筛选的单体电池包括合格电池和不合格电池；
维护模块4，用于接收主控模块发出的不合格电池的信息并对不合格电池进行维护，并将维护的信息返回发送至主控模块。
主控模块内还设有存储单元，存储单元用于储存主控模块的筛选信息。
维护模块包括控制芯片、控制电路、功率传输电路、开关阵列、电流采集电路和温度采集电路，控制芯片与控制电路相连接，控制电路同时与功率传输电路、开关阵列、电流采集电路和温度采集电路相连接。
如图3所示，功率传输包括一个反激变压器T和若干个开关管，其中开关管Q1、Q2、...、Q2n组成开关阵列，反激变压器T的原边绕组N1连接到功率总线，副边绕组N2与开关阵列连接，开关管K串接到原边绕组的非同名端，开关阵列与电池组连接。
反激变压器为单向反激变压器，单向反激变压器的参数如下：
匝数比
式中n1、n2分别为原、副线圈匝数，V1、V2分别为反激电压和输出电压；
以磷酸铁锂电池为例，反激电压V1取24V直流电压，即功率总线电压；输出电压V2设定为3.7V，则变压器匝数比为：
以n节单体储能离子电池串联成组为例，最上方电池为B1，最下方电池为Bn，串联的电池个数不限。图3中反激变压器副边绕组通过开关阵列连接到低压单体电池的正极和负极，反激变压器原边绕组连接到功率总线。主控模块与维护模块之间通过CAN总线进行通信。
如图2所示，一种储能电池组诊断和维护方法，包括以下步骤：
步骤1，BMU模块采集储能电池组模块的各单体电池的电压，让后BMU模块将各单体电池的电压信息传送至主控模块；
步骤2，主控模块根据各单体电池的电压信息，将单体电池进行分类，根据设定的分界阈值电压，将电压大于或等于分界阈值电压的单体电池定为合格电池，将电压小于分界阈值电压的单体电池判定为不合格电池；
步骤3，主控模块计算不合格电池的单个直流内阻值，并计算合格电池的平均直流内阻值，并将单个直流内阻值和平均直流内阻值相比较，若单个直流内阻值和平均直流内阻值的比值大于设定的值，则判断该直流内阻值对应的不合格电池为需要报废处理的电池，然后主控模块发出报警，若单个直流内阻值和平均直流内阻值的比值小于设定的值，则判断该直流内阻值对应的不合格电池为可维护的电池，主控模块发送信号至维护模块，跳转至步骤4；
主控模块根据传送的电压和电流计算出该节电池的直流内阻r1。
式中，ΔU1为脉冲放电结束瞬间电池的电压变化差值，取三次测试的平均值；I为脉冲充电电流，取为BMS***均衡电流的2倍。
然后按此步骤完成电池模块内第2节单体电池的直流内阻r2的测试，依次完成所有电池直流内阻测试，得到数组R＝[r1，r2，r3，...，rn]。
将合格电池所测的直流内阻平均值rA作为参考值，不合格电池中内阻大于等于1.5rA的电池作为需要报废处理的电池，由主控模块发出报警，同时将该类电池归类为需要报废处理的电池；不合格电池中内阻小于1.5rA的电池由主控模块向维护模块4发出充电维护信号，执行充电维护。
步骤4，将合格电池的平均电压作为充电维护的阈值，维护模块收到主控模块的充电维护指令后，通过PWM信号控制开关管，以控制策略控制反激变压器原边绕组和副边绕组上串接的开关管顺序导通，实现能量从功率总线转移至低压单体电池，经过多次循环后，最终将低电压电池的电压恢复至阈值；每个可维护的电池重复步骤4的过程，直到所有可维护的电池最低电压均恢复至阈值，充电维护过程结束。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种储能电池组诊断和维护***，其特征是，包括：
储能电池组模块，由若干节单体电池串联组成；
BMU模块，用于采集储能电池组模块的总电压和各单体电池的单体电压、主电路电流、电池温度，并向主控模块传送单体电压、主电路电流、电池温度信息；
主控模块，用于接收单体电压、主电路电流、电池温度信息，并根据单体电压、主电路电流、电池温度信息筛选单体电池，筛选的单体电池包括合格电池和不合格电池；
维护模块，用于接收主控模块发出的不合格电池的信息并对不合格电池进行维护，并将维护的信息返回发送至主控模块。
2.根据权利要求1所述的一种储能电池组诊断和维护***，其特征是，所述的主控模块内还设有存储单元，存储单元用于储存主控模块的筛选信息。
3.根据权利要求1或2所述的一种储能电池组诊断和维护***，其特征是，所述的维护模块包括控制芯片、控制电路、功率传输电路、开关阵列、电流采集电路和温度采集电路，控制芯片与控制电路相连接，控制电路同时与功率传输电路、开关阵列、电流采集电路和温度采集电路相连接。
4.根据权利要求3所述的一种储能电池组诊断和维护***，其特征是，所述的功率传输电路包括一个反激变压器和若干个开关管，其中开关管组成开关阵列，反激变压器的原边绕组N1连接到功率总线，副边绕组N2与开关阵列连接，开关管串接到原边绕组的非同名端，开关阵列与电池组连接。
5.根据权利要求4所述的一种储能电池组诊断和维护***，其特征是，所述的反激变压器为单向反激变压器。
6.一种储能电池组诊断和维护方法，基于权利要求5所述的一种储能电池组诊断和维护***，其特征是，包括以下步骤：
步骤1，BMU模块采集储能电池组模块的各单体电池的电压，让后BMU模块将各单体电池的电压信息传送至主控模块；
步骤2，主控模块根据各单体电池的电压信息，将单体电池进行分类，根据设定的分界阈值电压，将电压大于或等于分界阈值电压的单体电池定为合格电池，将电压小于分界阈值电压的单体电池判定为不合格电池；
步骤3，主控模块计算不合格电池的单个直流内阻值，并计算合格电池的平均直流内阻值，并将单个直流内阻值和平均直流内阻值相比较，若单个直流内阻值和平均直流内阻值的比值大于设定的值，则判断该直流内阻值对应的不合格电池为需要报废处理的电池，然后主控模块发出报警，若单个直流内阻值和平均直流内阻值的比值小于设定的值，则判断该直流内阻值对应的不合格电池为可维护的电池，主控模块发送信号至维护模块，跳转至步骤4；
步骤4，维护模块对可维护的电池进行维护。
7.根据权利要求6所述的一种储能电池组诊断和维护方法，其特征是，所述的步骤4具体为：将合格电池的平均电压作为充电维护的阈值，维护模块收到主控模块的充电维护指令后，通过PWM信号控制开关管，以控制策略控制反激变压器原边绕组和副边绕组上串接的开关管顺序导通，实现能量从功率总线转移至低压单体电池，经过多次循环后，最终将低电压电池的电压恢复至阈值；每个可维护的电池重复步骤4的过程，直到所有可维护的电池最低电压均恢复至阈值，充电维护过程结束。
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Inventor after: Chen Qi

Inventor after: Gu Weijie

Inventor after: Sun Dongfang

Inventor after: Yao Yunfei

Inventor after: Fang Xinyong

Inventor after: Liu Aihua

Inventor after: Shen Jun

Inventor after: Zhu Xin

Inventor after: Wang Yahai

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Application publication date: 20170905

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