CN111129619A - 一种动力电池簇管理*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力电池簇管理***，由DC/DC变换单元、预充电单元、高压继电器、熔断器以及电池簇管理单元等组成；DC/DC变换单元拓扑采用基于功率器件的多重Buck‑Boost电路；预充电单元由预充电继电器、预充电电阻以及功率器件的反并联二极管组成；高压继电器并联在预充电继电器和预充电电阻的两端；熔断器串联在高压继电器和预充电电阻后方；电池簇管理单元包括中央处理器以及AD转换模块、绝缘检测模块、通讯接口、光耦隔离模块、继电器输出模块以及功率模块驱动单元。本发明能够实现电池簇灵活运行，不同型号、不同容量、不同电压的电池簇可以任意组合并联，同时方便电池簇的管理及维修。对电池簇进行全方面的充/放电管理、状态监测、性能评估及安全保护。

Description

一种动力电池簇管理***
技术领域
本发明属于动力电池管理技术领域，更具体地，涉及一种动力电池簇管理***。
背景技术
由于环境保护、能源危机等因素，采用动力电池供电的领域越来越多，对大功率电池***需求也越来越多，目前常采用多路电池簇并联来增大功率，并联方式有两种：
一种是电池簇直接并联。这种方式对各路电池簇的一致性要求较高，同时电池簇间易出现环流，长期使用会加剧部分电池的衰减，影响电池簇寿命。
一种是电池簇通过DC/DC变换器装置并联。各路电池簇型号、容量等可不一致，但电池簇与DC/DC变换器两者各有各的管理控制单元，分别与整个电气***不同设备进行通讯，缺乏直接联系，造成电气资源上的浪费，影响电池簇安全使用。
发明内容
为解决现有大功率电池簇并联问题，本发明提供了一种动力电池簇管理***，将DC/DC变换单元集成到电池簇管理单元中，以减少公共资源，降低成本，提高电池簇管理水平。
本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：一种动力电池簇管理***，主回路由DC/DC变换单元、预充电单元、高压继电器、熔断器以及电池簇管理单元等组成，实现对电池簇的全方面的充/放电管理、状态监测、性能评估及各种保护；所述的DC/DC变换单元拓扑采用基于功率器件的多重Buck-Boost电路，根据电池簇管理单元指令实现对电池簇的充电及放电功能，保证电池簇电压、电流处于安全区域，由负载侧支撑电容、电流传感器、滤波电抗器、滤波电容和多个功率器件组成，所述的功率器件可以为带反并联二极管的IGBT模块、MOSFET模块或者SiC功率器件；所述的预充电单元是由预充电继电器、预充电电阻以及功率器件的反并联二极管组成的预充电电路，主要实现对支撑电容和滤波电容的预充电，当达到电池簇电压时再闭合高压继电器、断开预充电继电器；所述的高压继电器并联在由预充电继电器和预充电电阻构成的支路两端，主要实现高压主回路的接入及断开；所述的熔断器串联在高压继电器和预充电电阻后方，主要对电池簇进行短路保护；所述的电池簇管理单元包括中央处理器以及分别与中央处理器连接的AD转换模块和绝缘检测模块，用于实现电压、电流、温度、绝缘等电气参数的监测；还包括与中央处理器连接的通讯接口，用于收集单体电池信息、接收外部控制器指令并上传电池簇状态；还包括与中央处理器连接的光耦隔离模块和继电器输出模块，用于分别作为数字输入口和数字输出口控制预充电继电器、高压继电器及声光提醒模块；还包括与中央处理器连接的功率模块驱动单元，用于驱动DC/DC变换单元，实现对电池簇的充、放电控制及电压调节功能；电池簇管理单元根据电池簇状态估算电池簇寿命、剩余容量等，同时根据电池簇状态出现故障时断开主回路、声光报警，保护电池簇安全。
所述的一种动力电池簇管理***，其Buck-Boost电路为多个功率器件桥接而成的多重非隔离型拓扑结构，具体根据电池簇工作电流决定；三重非隔离型拓扑结构由六个功率器件桥接而成，两重非隔离型拓扑结构由四个功率器件桥接而成。
所述的一种动力电池簇管理***，其电池簇管理单元还包括与中央处理器连接的电源芯片和信息存储模块。
与现有的电池簇管理***相比，本发明主要特点如下：
1，电池簇主回路不同：由于集成了DC/DC变换单元，可以实现电池簇电压调节，方便与其它电池簇并联，即使其它电池簇电池型号、容量、电压不同；
2，电池簇管理单元不同：本发明的电池簇管理单元自带DC/DC变换控制功能，可以自动控制DC/DC变换单元工作，其工作电压、电流等均在电池簇安全工作区域内，保证电池簇使用寿命；
3，采用新型的动力电池簇管理技术以及高性能DC/DC变换技术，能够实现不同型号、不同容量、不同电压的电池簇任意组合并联，组成大功率电池动力***，且电池簇之间不会产生内部电流循环、不会加剧电池一致性问题等；
4，多路电池簇并联时，各路电池簇均能独立管理，不受其它路的影响，当一路电池簇有异常时，其管理***会自动使该电池簇断开，对整个电池***实现不断电维修。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2 为本发明的主回路原理图；
图3 为本发明电池簇管理单元的结构示意图。
各附图标记为：1—支撑电容，2—功率器件，3—电流传感器，4—滤波电抗器，5—滤波电容，6—预充电继电器，7—高压继电器，8—预充电电阻，9—熔断器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种动力电池簇管理***，对用于电池簇的状态监测、充/放电管理、性能评估及安全保护等，适用于新能源动力***，可用于新能源汽车、船舶等大功率动力电池供电等领域。
如图1所示，作为一种具体实施例，本发明提供的一种适用于新能源船舶的动力电池簇管理***示意图，包括：DC/DC变换单元、预充电单元、高压继电器7、熔断器9以及电池簇管理单元，实现对电池簇的全方面的充/放电管理、状态监测、性能评估及各种保护。
所述电池簇管理***主回路如图2所示，电池簇管理单元示意图如图3所示。
为减少纹波电流，DC/DC变换单元拓扑采用基于功率器件2的多重非隔离型Buck-Boost电路拓扑，多个功率器件2桥接而成的多重非隔离型拓扑结构，具体根据电池簇工作电流决定：三重非隔离型拓扑结构由六个功率器件2桥接而成，两重非隔离型拓扑结构由四个功率器件2桥接而成，DC/DC变换单元由支撑电容1、电流传感器3、滤波电抗器4、滤波电容5和多个功率器件2组成，根据电池簇管理单元指令实现对电池簇的充电及放电功能，保证电池簇电压、电流处于安全区域；预充电单元主要实现对DC/DC变换单元的电容进行预充电，由预充电继电器6、预充电电阻8、功率器件2内部二极管组成的预充电电路给主回路支撑电容1和滤波电容5充电，当达到电池簇电压时再闭合高压继电器7、断开预充电继电器6；在由预充电继电器6和预充电电阻8构成的支路两端并联一个高压继电器7，主要实现高压主回路的接入及断开；熔断器9主要对电池簇起短路保护。
所述的Buck-Boost电路为多个功率器件2桥接而成的多重非隔离型拓扑结构，具体根据电池簇工作电流决定；三重非隔离型拓扑结构由六个功率器件2桥接而成，两重非隔离型拓扑结构由四个功率器件2桥接而成。
如图3所示，电池簇管理单元包括中央处理器以及分别与中央处理器连接的电源芯片、声光提醒模块、信息存储模块、通讯接口（CAN/RS485/以太网）、驱动模块、绝缘检测模块、AD转换模块、光耦隔离模块、继电器输出模块等，通过AD转换模块、绝缘检测模块主要实现电压、电流、温度、绝缘等电气参数监测；通过通讯接口收集单体电池信息、接收外部控制器指令并上传电池簇状态；以光耦隔离模块和继电器输出模块分别作为数字输入口和数字输出口控制预充电继电器6、高压继电器7及声光提醒模块；通过功率模块驱动单元驱动DC/DC变换单元，实现对电池簇的充、放电控制及电压调节功能；中央处理器根据电池簇状态估算电池簇寿命、剩余容量等，同时根据电池簇状态出现故障时断开主回路、声光报警，保护电池簇安全。
因每路电池簇都有独立的管理单元及电压调节功能，故多路电池簇可直接并联，构成功率更大的电池***，而且不受型号、容量、电压影响，只需将各自的保护参数设置合理即可。
本发明提出的一种动力电池簇管理***，采用独立的动力电池簇管理技术以及高性能电能变换技术，能够实现不同型号、不同容量、不同电压的电池簇可以任意组合并联，组成大功率动力电池***，且具有电池簇运行在安全区域内、各簇之间无内部电流循环等优点，适合于锂电池、铅酸电池等各种需要并联的动力电池***。
具体而言，本专利的管理***具有如下功能：
（1）电池参数检测。包括并不限于总电压、总电流、环境温度检测、绝缘检测，同时通过通讯，收集电池簇各个单体电池电压及单体温度。
（2）电池状态估计。包括并不限于剩余电池电量（SOC）、健康状态（SOH）等。
（3）具备充放电管理功能。能够根据电池簇的特性、温度高低以及相关指令，控制DC/DC变换单元给电池簇进行安全充放电。
（4）与外部控制器实现通讯。接收外部控制器指令，并上传电池簇参数及状态。
（5）出现异常时，比如电池簇过压、欠压、过流、过温、电池绝缘过低、高压继电器故障、通讯故障等，DC/DC变换单元停止工作，同时断开正、负极的高压继电器，使电池簇完成断开。
本发明能够实现电池簇灵活运行，不同型号、不同容量、不同电压的电池簇可以任意组合并联，同时方便电池簇的管理及维修。对电池簇进行全方面的充/放电管理、状态监测、性能评估及安全保护。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种动力电池簇管理***，其特征在于：包括DC/DC变换单元、预充电单元、高压继电器（7）、熔断器（9）以及电池簇管理单元；
所述的DC/DC变换单元采用多重Buck-Boost电路，实现对电池簇的充电及放电并保证电池簇电压、电流处于安全区域，由支撑电容（1）、电流传感器（3）、滤波电抗器（4）、滤波电容（5）和多个功率器件（2）组成，所述的功率器件（2）IGBT模块、MOSFET模块或者SiC功率器件；
所述的预充电单元由预充电继电器（6）、预充电电阻（8）以及功率器件（2）的反并联二极管组成，实现对支撑电容（1）和滤波电容（5）的预充电，以及达到电池簇电压时再闭合高压继电器（7）、断开预充电继电器（6）；
所述的高压继电器（7）并联在由预充电继电器（6）和预充电电阻（8）构成的支路两端，实现高压主回路的接入及断开；
所述的熔断器（9）串联在高压继电器（7）和预充电电阻（8）后方，对电池簇起短路保护；
所述的电池簇管理单元包括中央处理器以及分别与中央处理器连接的AD转换模块和绝缘检测模块，用于实现电压、电流、温度、绝缘的监测；还包括与中央处理器连接的通讯接口，用于收集单体电池信息、接收外部控制器指令并上传电池簇状态；还包括与中央处理器连接的光耦隔离模块和继电器输出模块，用于控制预充电继电器（6）、高压继电器（7）；还包括与中央处理器连接的功率模块驱动单元，用于驱动DC/DC变换单元，实现对电池簇的充、放电控制及电压调节。
2.根据权利要求1所述的一种动力电池簇管理***，其特征在于，所述的Buck-Boost电路为六个功率器件（2）桥接而成的三重非隔离型拓扑结构。
3.根据权利要求1所述的一种动力电池簇管理***，其特征在于，所述的Buck-Boost电路为四个功率器件（2）桥接而成的两重非隔离型拓扑结构。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种动力电池簇管理***，其特征在于，所述的电池簇管理单元还包括与中央处理器连接的电源芯片和信息存储模块。
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