CN107425572A - 一种动力电池组的能量智能管理*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力电池组的能量智能管理***，包括主控制器和多个单电池智能管理模块；将动力电池组中的单电池分为多个小组，每个小组对应一单电池智能管理模块，每个小组包含至少一个单电池；单电池智能管理模块用于对组内单电池的状态进行监测，在监测结果异常时，将异常的单电池(小组)隔离，并保持动力电池组的连通；主控制器用于对各单电池智能管理模块管控后的总输出电压进行电压调节，持续输出预设稳定电流和总电压。通过智能在线自动剔除失效电池，确保整组电池在有不超过某比例的若干电池失效时，电池组还能持续和稳定输出正常的电压和电流。从而保障和提高动力电池组在规划的后备时间内的可靠性、可用性，延长电池组的使用寿命。

Description

一种动力电池组的能量智能管理***

技术领域

本发明涉及电池管理技术，特别涉及一种动力电池组的智能能量管理技术。

背景技术

动力电池组是指以组为单位，能向外界提供直流电力的电池组。如不间断电源***(以下简称UPS)的后备电池：在外电输入失效后，UPS一般通过释放(逆变)后备电池的能量并快速投入向用电设备供电，使用电设备在外电闪断或长时间断开时均不会掉电。动力电池组在各个行业均有大规模应用，如机房或控制室等的UPS，电动车辆的动力电池包、基站的直流通讯电源等。动力电池一般成组使用，如UPS的240V DC的直流母线***，采用20块12V的铅酸蓄电池通过串联为一组并输出标称240V的直流电压。

电池组中单电池常见问题包括：

i.鼓胀、开裂：如铅酸蓄电池外壳损坏，电池电解液泄漏等，发生这些情况则电池一般需提前报废；

ii.容量降低：电池容量“异常”降低；

iii.供电时间减少：甚至无法满足规划的电池后备供电时间要求；

iv.寿命减少：电池提早报废，造成了极大的经济损失，也对环境造成了损害。

电池失效，除去本身工艺的缺陷造成，很大一部分的原因是由于充放电过程没有管理好。

现有对电池管理技术的断代：

i.第一代技术：能持续检测、监测电池的单电池电压、组电压、电流；

ii.第二代技术：第一代技术+单电池内阻测量+温度测量；

iii.第三代技术：第二代技术+单电池容量估测；

然而，按现有的组充电和组放电方式下，因为电池的一致性无法持续保证，无法避免组内单个电池出现过充电、过放电、欠充电等现象。由于现有的动力电池普遍采用整组管理模式，从而对组内单电池的一致性欠佳以及单电池失效等问题难以进行有效兼容或自动处理。从而导致成组使用和管理电池存在最大弊端：木桶效应，单块电池失效，导致整组失效，电池组性能极大程度上取决于状态较差的单个电池。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力电池组的能量智能管理***，针对每个单电池小组进行独立的管理，并能在线动态排除失效单电池从而实现电池组的自动重组放电，保障和提高动力电池组在规划的后备时间内的可靠性、可用性，延长电池组的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种动力电池组的能量智能管理***，包括：主控制器和至少两个单电池智能管理模块；将动力电池组中的单电池分为至少两个小组，每个小组对应一单电池智能管理模块，每个小组至少包括一个单电池；

所述单电池智能管理模块用于对小组内单电池的状态进行持续监测，在监测结果满足单电池异常的判定条件时，将异常的单电池小组隔离，并保持所述动力电池组的连通；

所述主控制器用于对各所述单电池智能管理模块管控后的总输出电压进行电压调节，持续输出预设稳定电流和总电压。

本发明实施方式相对于现有技术而言，可以智能在线自动剔除失效电池，确保整组电池在有不超过某比例的若干电池失效时，电池组还能持续和稳定输出正常的电压和电流。从而保障和提高动力电池组在规划的后备时间内的可靠性、可用性，延长电池组的使用寿命。

作为进一步改进，所述单电池智能管理模块包括内侧端子和外侧端子，所述单电池智能管理模块的内侧端子的正负极与对应的单电池小组的正负极分别对应连接，各单电池智能管理模块的外侧端子的正负极分别依次正负串联，串联后的总正负极与所述主控制器连接；

所述单电池智能管理模块将异常的单电池小组隔离，并保持所述电池组的连通包括：将本单电池智能管理模块外侧端子的正负极短接，同时断开内侧端子与外侧端子之间的连接；

所述主控制器对各所述单电池智能管理模块管控后的总输出电压进行电压调节，持续输出预设稳定电流和总电压包括：所述主控制器根据各所述单电池智能管理模块的外侧端子串联后的总输出电压进行电压调节，输出预设稳定电流和总电压。

作为进一步改进，所述单电池智能管理模块还用于在监测结果正常时，将本单电池智能管理模块外侧端子的正极与内侧端子的正极连通，外侧端子的负极与内侧端子的负极连通。使得检测结果正常的单电池小组能正常供电。

作为进一步改进，所述单电池智能管理模块的内侧端子的正负极与对应的单电池小组的正负极分别对应连接的方式为：

所述单电池小组中包括一个单电池，所述单电池智能管理模块的内侧端子的正负极与该单电池的正负极分别对应连接；

所述单电池小组中包括至少两个单电池，所述小组内各所述单电池进行串联，所述单电池智能管理模块的内侧端子的正负极与单电池小组串联后的正负极分别对应连接。

从而可以为动力电池组内每个单电池分配一个单电池智能管理模块，进行一对一独立监测和管控，也可以对动力电池组中的单电池进行分组，将电池组的N个单电池，按M个为一个小电池组进行分组，并针对N/M个单电池小组分别部署单电池智能管理模块，每个单电池小组对应一单电池智能管理模块。

作为进一步改进，所述主控制器还用于为所述动力电池组提供充电电流和电压；每个所述单电池智能管理模块还用于管理其所连接的单电池小组的独立充电过程，监测其所连接的单电池小组的充电状态，控制其所连接的单电池小组的充电方式。通过单独充电管控，使得电池组充电效率和每个单电池充电质量均能达到最优。

作为进一步改进，所述单电池智能管理模块具体用于根据小组内单电池的状态调整该单电池小组的充电电流和电压，或以小组为单位分别独立提供充电控制策略。从而最大限度兼容单电池一致性的不同，最大限度确保单电池充电最优，从而确保电池设计寿命。

作为进一步改进，所述单电池智能管理模块还包括：

自检子模块，用于检测本单电池智能管理模块是否正常，在检测到本单电池智能管理模块异常时，屏蔽本单电池智能管理模块，或者，断开本单电池智能管理模块与对应的单电池小组之间的连接。

作为进一步改进，所述屏蔽本单电池智能管理模块包括：

将本单电池智能管理模块外侧端子的正极与内侧端子的正极短接，外侧端子的负极与内侧端子的负极短接。

作为进一步改进，所述断开本单电池智能管理模块与对应的单电池小组之间的连接包括：

将本单电池智能管理模块外侧端子的正级与内侧端子的正级断开，外侧端子的负极与内侧端子的负极断开。

作为进一步改进，各所述单电池智能管理模块与所述主控制器通讯连接。

作为进一步改进，所述主控制器还用于自检测主控制器是否正常，在检测到主控制器异常时，执行自动保护动作。

作为进一步改进，所述主控制器还用于通过与各所述单电池智能管理模块的通讯，确定各所述单电池智能管理模块及其对应的单电池小组是否正常，在发生异常的单电池小组和/或单电池智能管理模块的数量超出预设门限时，所述智能管理***执行自动保护动作并停止所述动力电池组放电。

作为进一步改进，所述主控制器包括：接收充电电流的充电端子、与各所述单电池智能管理模块串联的电池端子、与用电侧连接的总输出端子；

所述自动保护动作包括：将所述主控制器上的充电端子的正极和总输出端子的正极短接，充电端子的负极和总输出端子的负极短接，和/或，所述充电端子、所述总输出端子与所述电池端子之间断开连接。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的动力电池组的能量智能管理***结构示意图；

图2是根据本发明第二实施方式的动力电池组的能量智能管理***结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种动力电池组的能量智能管理***，如图1所示，包括：主控制器和多个单电池智能管理模块；主控制器安装于电池组旁；单电池智能管理模块安装于单个电池旁边，每个单电池对应一个单电池智能管理模块；主控制器和各单电池智能管理模块之间，通过总线方式通讯连接。

每个单电池智能管理模块包括：内侧正负极端子101、外侧正负极端子102、以及置于内侧端子和外侧端子之间的状态监测子模块、充电管理子模块、和投切控制子模块。

单电池智能管理模块的内侧正负极端子101与其对应的单电池的正负极分别对应连接；电池组内的各单电池智能管理模块的外侧端子102，依次按正负极进行串联，形成串联成组关系，串联后成组的高压正负极，连接到主控制器的电池端子104上。

其中，单电池智能管理模块的状态监测子模块，用于对单电池的状态进行监测和计算，单电池的状态包括单电池的电压、电流、内阻、容量、温度、剩余能量、以及其他的单电池某状态的评估值等等。

投切控制子模块，用于在状态监测子模块得到的监测(含计算)结果满足单电池异常的判定条件时，将本单电池智能管理模块外侧端子的正负极短接，同时断开内外侧端子之间的连接。即将本单电池智能管理模块对应的单电池投切为隔离状态，从而可以智能在线自动剔除失效电池。其中，单电池异常的判定条件至少包括以下之一或其任意组合：单电池的剩余能量达到预设的第一阈值；和/或，单电池的电压低于预设第二阈值；和/或，单电池的电流低于第三阈值；和/或，单电池的内阻高于第四阈值；和/或，单电池的容量低于第五阈值；和/或，单电池的温度高于第六阈值等等。

充电管理子模块，用于为单电池提供充电电流和电压，管理其所连接的单电池的独立充电过程，监测其所连接的单电池的充电状态，控制其所连接的单电池的充电方式，并且可以根据组内单电池的状态调整该单电池的充电电流和电压，或以小组为单位分别独立提供充电控制策略(本实施方式中一个小组中只包括一个单电池)。通过单独充电，使得电池组充电效率和每个单电池充电质量均能达到最优。通过根据对应单电池的状态调整该单电池的充电电流和电压，可以最大限度兼容单电池一致性的不同，最大限度确保单电池充电最优，从而确保电池设计寿命。

单电池智能管理模块上还提供一个通讯接口103，作为总线上的Slave节点与作为Master节点的主控制器的电池组管理模块建立双向通讯。

主控制器进一步包括：通讯接口104、整流模块、充电模块、输出电压调整模块、和电池组管理模块。

其中，整流模块用于将交流电转换为直流电。充电模块用于为各单电池智能管理模块提供充电电流和电压。从而可以从外部输入的电源(如外部市电或外部充电/整流机)获取能量，对每个单电池进行独立充电。整流模块和充电模块也可以合为一个整体模块。

输出电压调整模块用于根据各单电池智能管理模块的外侧端子串联后的总输出电压进行电压调节，并持续输出预设稳定电流和总电压。从而在智能自动剔除失效电池后，确保整组电池在有不超过某比例的若干电池失效时，电池组还能持续和稳定输出正常的电压和电流，实现提供电池组标称的电压和电流的能力。进而保障和提高动力电池组在规划的后备时间内的可靠性、可用性，延长电池组的使用寿命。

电池组管理模块用于通过总线与单电池智能管理模块进行通讯，接收各单电池智能管理模块的状态信息，包括单电池智能管理模块是否正常的状态信息、单电池智能管理模块是否隔离的状态信息等，对单电池智能管理模块进行管理，对所收到的数据进行集中分析，实现主控制器的自监测自诊断，还可以用于电池组控制策略实施(包括充放电管理与控制命令和其他模块的运行调整参数输出、及保护逻辑的实施)等。

主控制器共有三套直流端子，分别是连接到充电模块的输出的充电端子105，连接到各单电池智能管理模块串联后的高压正负极的电池端子106，以及连接到用电/需电侧的总输出端子107。

总输出端子107部署在主控制器的电池组输出电压调整模块之后，输出电压调整模块对各单电池智能管理模块的输出的总电压进行整体调压后输出到总输出端子上，实现提供电池组标称的电压和电流的能力。

三套直流端子之间通过开关进行控制，在充电模式下，开关1和开关2均接通，开关3断开，由充电模块对动力电池组进行充电供电。放电模式下，开关2和开关3均接通，开关1断开，由动力电池组通过输出电压调整模块输出供电。

作为进一步改进，上述单电池智能管理模块还可以包括：

自检子模块，用于检测本单电池智能管理模块是否正常，在检测到本单电池智能管理模块异常时，屏蔽本单电池智能管理模块，将本单电池智能管理模块内侧端子的正极与外侧端子的正极短接，内侧端子的负极与外侧端子的负极短接；或者，在检测到本单电池智能管理模块异常时，断开本单电池智能管理模块与对应的单电池之间的连接，即将本单电池智能管理模块内侧端子的正级与外侧端子的正级断开，内侧端子的负极与外侧端子的负极断开。

也就是说，单电池智能管理模块自身失效时，会自动将其内侧端子与外侧端子的正负极分别短接/连通(工作模式一)，也可能自动将其内侧端子与外侧端子的正负极分别断开/隔离并将外侧端子的正负极短接(工作模式二)。具体工作模式可以事先在单电池智能管理模块上拨码设定。

主控制器还包括：

自保护模块，用于自检测主控制器是否正常，在检测到主控制器异常时，智能管理***执行自动保护动作：将主控制器上的充电端子的正极和总输出端子的正极短接，充电端子的负极和总输出端子的负极短接，充电端子、总输出端子与电池端子之间完全断开连接，即将开关2断开，开关1和开关3均接通。此时单电池智能管理模块和主控制器均不发生作用。

该自保护模块还可以用于通过与各单电池智能管理模块的通讯，确定各单电池智能管理模块及其对应的单电池是否正常，在发生异常的单电池小组和/或单电池智能管理模块的数量超出预设门限时，智能管理***执行自动保护动作并停止动力电池组放电：即将主控制器上的充电端子的正极和总输出端子的正极短接，充电端子的负极和总输出端子的负极短接，充电端子、总输出端子与电池端子之间完全断开连接，即将开关2断开，开关1和开关3均接通。

图1中该自保护模块可以包含于电池组管理模块中，未独立标识出。

另外，充电模块和输出电压调整模块内除了一般线路外，还分别设置有旁路，用于在模块故障时，将模块输入端和输出端直接连通，绕过模块中出故障的电子电气部分。

自保护模块可以在输出电压调整模块故障时，将输出电压调整模块中的旁路接通，绕过模块中出故障的电子电气部分；在充电模块故障时，如果充电端子输入的是直流充电电压，则将充电模块旁路接通，***其它部分保持在正常态(充电或放电模式)；如果充电端子输入的是交流电压，则将开关1断开，***进入正常态之放电模式；动力电池组整体失效时，开关2断开，开关1和开关3均接通。

本发明第二实施方式同样涉及一种动力电池组的能量智能管理***，与第一实施方式大致相同，其区别在于，第一实施方式中，为每个单电池部署一个单电池智能管理模块，在本实施方式中，对单电池组中的单电池进行分组，如将动力电池组的N个单电池，按M个为一个小电池组进行分组，并针对N/M个单电池小组分别部署单电池智能管理模块，每个单电池小组对应一单电池智能管理模块，如图2所示。

小组内各单电池进行串联，单电池智能管理模块的内侧端子的正负极与单电池小组串联后的正负极分别对应连接。各单电池智能管理模块的外侧端子的正负极同样分别依次正负串联，串联后的总正负极与主控制器(的电池端子)连接。

通过对动力电池组中单电池进行分组管控，使得本实施方式的能量管理***的配置更为灵活，可以适用于不同场合各种设备。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块包含逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.一种动力电池组的能量智能管理***，其特征在于，包括：主控制器和至少两个单电池智能管理模块；将动力电池组中的单电池分为至少两个小组，每个小组包含至少一个单电池，每个小组对应一单电池智能管理模块；

所述单电池智能管理模块用于对小组内单电池的状态进行持续监测，在监测结果满足单电池异常的判定条件时，将异常的单电池小组隔离，并保持所述动力电池组的连通；

所述主控制器用于对各所述单电池智能管理模块管控后的总输出电压进行电压调节，持续输出预设稳定电流和总电压。

2.根据权利要求1所述的动力电池组的能量智能管理***，其特征在于，所述单电池智能管理模块包括内侧端子和外侧端子，所述单电池智能管理模块的内侧端子的正负极与对应的单电池小组的正负极分别对应连接，各单电池智能管理模块的外侧端子的正负极分别依次正负串联，串联后的总正负极与所述主控制器连接；

所述单电池智能管理模块将异常的单电池小组隔离，并保持所述电池组的连通包括：将本单电池智能管理模块外侧端子的正负极短接，同时断开内侧端子与外侧端子之间的连接；

所述主控制器对各所述单电池智能管理模块管控后的总输出电压进行电压调节，持续输出预设稳定电流和总电压包括：所述主控制器根据各所述单电池智能管理模块的外侧端子串联后的总输出电压进行电压调节，输出预设稳定电流和总电压。

3.根据权利要求2所述的动力电池组的能量智能管理***，其特征在于，所述单电池智能管理模块还用于在监测结果正常时，将本单电池智能管理模块外侧端子的正极与内侧端子的正极连通，外侧端子的负极与内侧端子的负极连通。

4.根据权利要求2所述的动力电池组的能量智能管理***，其特征在于，所述单电池智能管理模块的内侧端子的正负极与对应的单电池小组的正负极分别对应连接的方式为：

所述单电池小组中包括一个单电池，所述单电池智能管理模块的内侧端子的正负极与该单电池的正负极分别对应连接；

所述单电池小组中包括至少两个单电池，所述小组内各所述单电池进行串联，所述单电池智能管理模块的内侧端子的正负极与单电池小组串联后的正负极分别对应连接。

5.根据权利要求1所述的动力电池组的能量智能管理***，其特征在于，所述单电池的状态至少包括以下之一或其任意组合：

电压、电流、内阻、容量、温度、或剩余能量；

所述单电池异常的判定条件至少包括以下之一或其任意组合：

所述单电池的剩余能量低于第一阈值；和/或

所述单电池的电压低于第二阈值；和/或

所述单电池的电流低于第三阈值；和/或

所述单电池的内阻高于第四阈值；和/或

所述单电池的容量低于第五阈值；和/或

所述单电池的温度高于第六阈值。

6.根据权利要求1所述的动力电池组的能量智能管理***，其特征在于，所述主控制器还用于为所述动力电池组提供充电电流和电压；

每个所述单电池智能管理模块还用于管理其所连接的单电池小组的独立充电过程，监测其所连接的单电池小组的充电状态，控制其所连接的单电池小组的充电方式。

7.根据权利要求6所述的动力电池组的能量智能管理***，其特征在于，所述单电池智能管理模块具体用于根据小组内单电池的状态调整该单电池小组的充电电流和电压，或以小组为单位分别独立提供充电控制策略。

8.根据权利要求1所述的动力电池组的能量智能管理***，其特征在于，所述单电池智能管理模块还包括：

自检子模块，用于检测本单电池智能管理模块是否正常，在检测到本单电池智能管理模块异常时，屏蔽本单电池智能管理模块，或者，断开本单电池智能管理模块与对应的单电池小组之间的连接。

9.根据权利要求8所述的动力电池组的能量智能管理***，其特征在于，所述屏蔽本单电池智能管理模块包括：

将本单电池智能管理模块内侧端子的正极与外侧端子的正极短接，内侧端子的负极与外侧端子的负极短接。

10.根据权利要求8所述的动力电池组的能量智能管理***，其特征在于，所述断开本单电池智能管理模块与对应的单电池小组之间的连接包括：

将本单电池智能管理模块内侧端子的正级与外侧端子的正级断开，内侧端子的负极与外侧端子的负极断开，并将外侧端子的正负极短接。

11.根据权利要求1所述的动力电池组的能量智能管理***，其特征在于，各所述单电池智能管理模块与所述主控制器通讯连接。

12.根据权利要求1所述的动力电池组的能量智能管理***，其特征在于，所述主控制器还用于自检测主控制器是否正常，在检测到主控制器异常时，执行自动保护动作。

13.根据权利要求11所述的动力电池组的能量智能管理***，其特征在于，所述主控制器还用于通过与各所述单电池智能管理模块的通讯，确定各所述单电池智能管理模块及其对应的单电池小组是否正常，在发生异常的单电池小组和/或单电池智能管理模块的数量超出预设门限时，执行自动保护动作并停止所述动力电池组放电。

14.根据权利要求12或13所述的动力电池组的能量智能管理***，其特征在于，所述主控制器包括：接收充电电流的充电端子、与各所述单电池智能管理模块串联的电池端子、与用电侧连接的总输出端子；

所述自动保护动作包括：将所述主控制器上的充电端子的正极和总输出端子的正极短接，充电端子的负极和总输出端子的负极短接，和/或，所述充电端子、所述总输出端子与所述电池端子之间断开连接。