CN206992265U - 兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置，包括主控制器和多个监控终端；所述主控制器包括第一控制单元、第一通信单元；每一所述监控终端包括第二控制单元、第二通信单元、检测单元和均衡单元；其中：所述第一控制单元与第一通信单元连接，并根据第一通信单元接收的数据生成控制指令；在每一监控终端及对应的电池小组中，所述检测单元和均衡单元分别与电池小组中的每一节单体电池连接；所述第二控制单元与第二通信单元连接，并根据第二通信单元接收的控制指令执行使监控终端进入休眠模式或执行主动均衡操作。本实用新型通过主控制器与多个监控终端的结构，使得均衡装置的结构更加安全、安装更加方便、均衡更加有效。

Description

兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置

技术领域

本实用新型涉及蓄电池管理与维护领域，更具体地说，涉及一种兼具主动均衡与被动均衡的蓄电池均衡装置。

背景技术

大型的蓄电池组在电力、通讯等领域有着非常广泛且重要的应用。例如，电力***变电站的操作电源、基站通信设备电源、数据机房不间断电源***(UPS)等，都大量使用蓄电池组作为后备电源***和直流***的电源。特别是在后备电源***或者通信基站直流电源***中，都需使用多组蓄电池，每组蓄电池有54节到上百节。

由于电池制造工艺造成的单体电池之间的客观差异，将导致在蓄电池全寿命使用周期内，总电压符合条件情况下，单体电池之间的状态也出现差异，具体体现在电压、容量状态的不均衡性。此时的蓄电池组在使用过程中极易出现过充与欠充现象，并可能造成状态最差的电池失效或者电压过高的热失衡，给后备电源***造成安全隐患，甚至出现重大供电事故。

目前，单节蓄电池出厂设计的寿命为8到10年，实际使用过程中由于蓄电池成组使用，随着时间的推移，单节蓄电池之间由于客观原因出现不均衡现象，整组蓄电池普遍的使用寿命只能达到5年左右，超过5年的电池组，这批蓄电池就要被全部更换掉。此外，由于运维条件以及成本问题，电池不均衡问题没有得到及时关注与处理，这样加速了状态差的蓄电池的老化或者失容，造成蓄电池使用效率降低，产生了极大的资产浪费，从节约、节能、环保方面看造成负面影响。

为提高蓄电池组的使用寿命，可对蓄电池进行均衡管理。例如通过人工筛选落后电池或者电压过高电池，进行单节充放电，使之达到既定的电压水平。但人工均衡工作量大，实际操作起来不方便，可行性不是很高。

此外，还可通安装均衡设备，实现半自动或者自动均衡。这类均衡设备从结构上分为集中式和分布式两种。其中集中式均衡设备中，所有功能单元都设计在一起，合成一台主机设备，有集中通道接口，从每个通道引线，接入每个单节电池的正负极；分布式均衡设备将均衡电路单独做成一个封装模块，直接安装在每节电池两端，通过独立的通信线与主机通信，实现均衡控制。目前，无论是集中式均衡设备还是分布式均衡设备，其输入端的均衡线接在电池组的总正负极，输出端的均衡线则接在对应单体电池的正负极，通过对单体电压检测，并对测得电压较低的电池进行小电流充电，以升高单体电压，即所谓主动均衡；对测得电压过高的电池进行小电流放电，拉低单体电池电压，即所谓被动均衡，以达到个整个电池组所有电池电压均衡的目的。

然而，上述集中式均衡装置在安装时需大量冗长的布线，并且在出现故障时，线路排查困难，只要有一路均衡电路出现故障，整个设备就无法使用。对于电池节数较多蓄电池组，一次处理电池节数有限，整体均衡时间效率不高。

对于上述分布式均衡装置，需对每节电池安装均衡电路模块，接线虽然比集中式均衡装置方便，但是每个均衡电路模块都需使用独立的通信线接线，且若通信线路有一处断开，则整个通信线路就断开。

并且在上述均衡装置中，整个蓄电池组只依靠电压来判断实现单一主动均衡，但有些电池实际电压无法达到本组中单体电压较高的电池电压水平，虽然放电能把各单体电池电压拉低到一致的水平，但是在后继整组均充后，由于电池客观差异，将再次出现新的不均衡现象。

此外，无论是集中式均衡设备还是分布式均衡设备，其均衡电路输入端均衡线接入整个电池组的总正负极，输出端均衡线接入单节电池，处于高压差状态，如果模块出现短路等故障，将使单体电池直接接入高压并损毁，从而造成安全事故。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对上述均衡装置布线繁琐、功能单一的问题，提供一种兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置及方法。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是，提供一种兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置，所述蓄电池为由多节单体电池串联而成的电池组，所述蓄电池均衡装置包括主控制器和多个分别连接到主控制器的监控终端，且多个监控终端分别连接到多个电池小组，每一电池小组包括多节串联连接的单体电池；所述主控制器包括第一控制单元、第一通信单元；每一所述监控终端包括第二控制单元、第二通信单元、检测单元和均衡单元；其中：所述第一通信单元分别与各个监控终端的第二通信单元连接；所述第一控制单元与第一通信单元连接，并根据第一通信单元接收的数据生成控制指令；

在每一监控终端及对应的电池小组中，所述检测单元与电池小组中的每一节单体电池连接，并在第二控制单元控制下检测对应的电池小组中的每一节单体电池的性能参数；所述均衡单元与电池小组中的每一节电池连接，并在第二控制单元控制下从所述电池小组取电并为荷电状态低于电池小组的平均荷电状态的单体电池充电；所述第二控制单元与第二通信单元连接，并将所述检测单元的检测数据通过第二通信单元发送到主控制器以及根据第二通信单元接收的控制指令执行使监控终端进入休眠模式或执行主动均衡操作。

在本实用新型所述的兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置中，所述监控终端包括供电单元，且所述供电单元经由供电开关连接到对应的电池小组的供电端；所述第二控制单元通过断开所述供电开关使所在的监控终端进入休眠模式。

在本实用新型所述的兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置中，所述监控终端包括定时器，且该定时器在监控终端处于休眠模式下每隔预设时间向所述供电开关发送导通信号，使所述监控终端进入工作模式。

在本实用新型所述的兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置中，所述检测单元分别经由多个检测开关与对应电池小组中的每一节单体电池连接；所述检测单元依次使每一节单体电池两端的检测开关闭合以检测对应的单体电池的性能参数。

在本实用新型所述的兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置中，所述主控制器包括在任一节单体电池的健康状态低于第二预设值时发出报警信号的报警单元。

在本实用新型所述的兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置中，所述蓄电池均衡装置包括分别设置在每一节单体电池的多个温度传感器，所述第二控制单元通过第二通信单元将所述温度传感器的温度信号发送到主控制器，且所述主控制器的第一控制单元在任一单体电池的电池温度超过预设温度时使连接到该单体电池所在的电池小组的监控终端进入休眠模式。

在本实用新型所述的兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置中，所述第一通信单元和第二通信单元之间通过电力线载波通信方式通信。

本实用新型的兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置具有以下技术效果：通过多个监控终端分别检测多个电池小组中的单节电池的性能参数，并通过主控制器获得电池小组及单节电池的荷电状态，从而对相应电池小组进行被动均衡处理以及对相应的单体电池进行主动均衡处理。

本实用新型提供了一种结构更加安全、安装更加方便、均衡更加有效的电池均衡管理装置与方法，解决大规模使用蓄电池(组)的蓄电池不均衡问题，最终达到在电池全寿命周期内，延长电池使用寿命，减少对蓄电池不必要的浪费，从供电安全、节约成本、节能环保，经济效益上都是有着重要意义。

本实用新型还通过电力线载波通信技术，无需额外的通信线路，可大大减少通信线接线操作，进一步精简了安装过程，单个监控终端出现故障也不影响其它监控终端的通信，而且很容易从各个监控终端的通信状态定位出故障的监控终端，检修更换方便。

附图说明

图1是本实用新型兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置实施例的示意图。

图2是图1中主控制单元和监控终端的示意图。

图3是图1中检测单元与电池小组的连接示意图。

图4是图1中均衡单元与电池小组的连接示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1-3所示，是本实用新型兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置实施例的示意图，该蓄电池均衡装置兼具主动均衡和被动均衡，可对现有的蓄电池进行管理与运维。上述蓄电池为由多节单体电池串联而成的电池组，本实施例中的蓄电池均衡装置包括主控制器3和多个监控终端2，且多个监控终端2分别连接到主控制器3。本实施例中的蓄电池分为多个电池小组1，且每一电池小组包括多节串联连接的单体电池。各个监控终端2分别连接到一个电池小组1。

在具体实现时，上述电池小组1和与该电池小组1连接的监控终端2可位于同一个盒体内，且该盒体上具有正极接线端子、负极接线端子以及信号线接线端子，其中通过正、负极接线端子可实现蓄电池的串联连接，通过信号线接线端子可与主控制器3实现连接。

上述主控制器3包括第一控制单元31和第一通信单元32；每一监控终端2包括第二控制单元21、第二通信单元22、检测单元23和均衡单元24。具体地，上述主控制器3上的第一控制单元31可由控制芯片和***电路构成，第一通信单元32可由通讯芯片及***电路构成，且第一控制单元31和第一通信单元32可集成到同一电路板；而监控终端2上的第二控制单元21可由控制芯片和***电路构成，第二通信单元22可由通讯芯片及***电路构成，检测单元23和均衡单元24可由相应的电路构成，且上述第二控制单元21、第二通信单元22、检测单元23和均衡单元24也可集成到同一电路板。

检测单元23用于在其所在的监控终端2处于工作状态时，在第二控制单元21的控制下检测对应的电池小组1中的每一节单体电池的性能参数。一个检测单元23有多条监测通道，根据检测通道数n(n为大于或等于1的整数)，从蓄电池的一端第一节单体电池开始，以通道的数目n为基准，每n个相邻的单体电池为一小组，从而蓄电池就被分割成若干电池小组1串联的结构(最后一个电池小组1的电池节数可能小于n)，检测单元23所在的监控终端2分别被安装到对应每个电池小组1上。例如，参考图1，检测单元23可具有六个测试通道，按照检测单元23的测试的通道数量，从左至右，将相邻单体电池按照六节分成一个电池小组1，从而将具有共24节单体电池的蓄电池划分为四个电池小组1串联的结构，每个电池小组1对应安装监控终端2。

如图3所示，上述检测单元23分别经由多个检测线和检测开关(该检测开关具体可采用三极管、MOSFET等半导体开关器件)与对应电池小组1中的每一节单体电池连接；检测单元23在监控终端处于工作状态下，依次使每一连接单体电池的正、负极的两个检测开关闭合(其他检测开关断开)，以获得对应的单体电池的性能参数。当然，检测单元23也可直接检测电池小组1的小组电压及小组电流，并将上述小组电压和小组电流经由第二通信单元22发送给主控制器3.

第一控制单元31用于根据每一节单体电池的性能参数(来自各个监控终端2的检测单元23)计算获得各个电池小组的平均荷电状态(SOC)以及每一节单体电池的荷电状态(SOC)，并在任一电池小组的平均荷电状态低于第一预设值时，向连接到该电池小组1的监控终端2发送被动均衡指令、在任一节单体电池的荷电状态低于该节单体电池所在的电池小组1的平均荷电状态且电池小组处于工作模式时，向对应的监控终端2发送主动均衡指令(该主动均衡指令包括对应电池小组1中荷电状态过低的单节电池的编号)。具体地，第一控制单元31包括MCU及存储设备，其中存储这边中具有供MCU执行的指令代码，执行上述指令代码可实现相应的计算以及生成相应的指令。

第一通信单元32和第二通信单元22用于实现主控制器3与监控终端2之间的数据传输，具体包括由监控终端2向主控制器3发送的单体电池的性能参数、由主控制器3向监控终端2发送的被动均衡指令以及主动均衡指令等。特别地，为简化主控制器3与监控终端之间的连线，上述第一通信单元32和第二通信单元22可采用电力线载波通信方式通信。

第二控制单元21用于在接收到被动均衡指令(来自主控制器3的第一控制单元31)时使所在的监控终端2进入休眠模式、在所在的监控终端2处于工作模式并接收到主动均衡指令(来自主控制器3的第一控制单元31)时使均衡单元24进行均衡操作。具体地，第二控制单元21包括MCU及存储设备，其中存储这边中具有供MCU执行的指令代码，执行上述指令代码可实现相应的控制过程。

对于每一监控终端2而言，其处于工作模式的耗电要远大于处于休眠模式的耗电。因此上述蓄电池均衡装置可通过使对应监控终端2处于工作模式，实现对应电池小组1的被动均衡。

均衡单元24在第二控制单元21控制下从其所在的电池小组1取电，并为荷电状态低于电池小组的平均荷电状态的单体电池充电。上述均衡单元24具体可包括直流变换电路(DC/DC)，如图4所示，上述直流变换电路的输入端连接到电池小组1的正、负极(例如第一节单体电池的正极和最后一节单体电池的负极)、输出端分别经由多个充电开关(该充电开关具体可采用三极管、MOSFET等半导体开关器件)与对应电池小组1中的每一节单体电池连接；均衡单元24(直流变换电路)在主动均衡操作时，通过第二控制单元21使荷电状态过低的单体电池的正、负极的两个充电开关闭合(其他充电开关断开)，以将取自其所在电池小组1的直流电做直流变换后为该荷电状态过低的单体电池充电。

上述蓄电池均衡装置将整组蓄电池分若干电池小组1，以一个监控终端2负责一电池小组1，与每节电池都加均衡器相比，减少了均衡器的使用数量，减少了电线数量，安装精简，同时均衡单元24取电直接上溯到电池小组的电压，使得均衡单元24取电电压与单节电池之间压差极大降低，避免了直接从蓄电池两端取电造成高压差状态，极大提高运行的安全系数。并且上述蓄电池均衡装置通过监控终端在工作模式和休眠模式间转换，利用功耗控制实现被动均衡，与单纯以热能消耗的被动均衡方式相比，节约了电能。

上述监控终端2还可包括供电单元，该供电单元经由供电开关(可控开关，例如三极管、MOSFET等)连接到对应的电池小组1的供电端(例如电池小组1中第一节电池的正极与最后一节电池的负极)，并将取得的直流电转换为合适的电压，为第二控制单元21、检测单元23、第二通信单元22供电。第二控制单元21通过断开上述供电开关使所在的监控终端2进入休眠模式。

此外，监控终端2还可包括定时器，且该定时器在监控终端2处于休眠模式下每隔预设时间使供电开关闭合，从而唤醒相应的监控终端2。上述定时器的预设时间可通过第二控制单元21设置，且该定时器在监控终端2处于工作模式时关闭。当然，上述定时器可向不与供电开关连接，而通过向第二控制单元21发送唤醒信号，由第二控制单元21在接收到唤醒信号时使供电开关闭合，从而使监控终端2进入工作模式。

上述主控制器3也可包括一个检测电路，用于检测整个蓄电池的性能参数，例如总电压、总电流、主控制器温度等，从而辅助进行电池小组1的平均荷电状态计算以及单体电池荷电状态计算。

特别地，由于蓄电池是一个复杂的电化学能量转换***，其最重要的参数是其荷电状态(SOC)以及健康状态(SOH)，即使电压相同，其容量状态未必相同，因此，需要更加完善的蓄电池模型参数来进行判断衡量，根据Thevenin电池模型理论，检测出电池的电压U、欧姆内阻R1、极化内阻R2、极化电容C2等参数，做实时SOC、SOH预估，联合电压参数作为均衡判断依据，是一种更加合理的判断方法。基于此，本实用新型中的单体电池的性能参数包括电池电压、电池欧姆电阻、电池极化内阻及电池极化电容等；主控制器3的第一控制单元31根据每一节单体电池的上述性能参数计算每一节电池的健康状态，并在任一节单体电池的健康状态低于第二预设值时发出报警信号，从而通知工作人员更换对应的单体电池。并且，单体电池的荷电状态也可由主控制器3的第一控制单元31根据单体电池的电池电压、电池欧姆电阻、电池极化内阻及电池极化电容等计算获得(可采用任一现有的计算模型)。

此外，单体电池的性能参数还可包括电池温度，具体可在电池小组1内为每一单体电池配置一个温度传感器，并由温度传感器来获取每一单体电池的电池温度，主控制器3的第一控制单元31在任一单体电池的电池温度超过预设温度时使连接到该单体电池所在的电池小组的监控终端2进入休眠模式。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置，所述蓄电池为由多节单体电池串联而成的电池组，其特征在于：所述蓄电池均衡装置包括主控制器和多个分别连接到主控制器的监控终端，且多个监控终端分别连接到多个电池小组，每一电池小组包括多节串联连接的单体电池；所述主控制器包括第一控制单元、第一通信单元；每一所述监控终端包括第二控制单元、第二通信单元、检测单元和均衡单元；其中：所述第一通信单元分别与各个监控终端的第二通信单元连接；所述第一控制单元与第一通信单元连接，并根据第一通信单元接收的数据生成控制指令；

在每一监控终端及对应的电池小组中，所述检测单元与电池小组中的每一节单体电池连接，并在第二控制单元控制下检测对应的电池小组中的每一节单体电池的性能参数；所述均衡单元与电池小组中的每一节电池连接，并在第二控制单元控制下从所述电池小组取电并为荷电状态低于电池小组的平均荷电状态的单体电池充电；所述第二控制单元与第二通信单元连接，并将所述检测单元的检测数据通过第二通信单元发送到主控制器以及根据第二通信单元接收的控制指令执行使监控终端进入休眠模式或执行主动均衡操作。

2.根据权利要求1所述的兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置，其特征在于：所述监控终端包括供电单元，且所述供电单元经由供电开关连接到对应的电池小组的供电端；所述第二控制单元通过断开所述供电开关使所在的监控终端进入休眠模式。

3.根据权利要求2所述的兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置，其特征在于：所述监控终端包括定时器，且该定时器在监控终端处于休眠模式下每隔预设时间向所述供电开关发送导通信号，使所述监控终端进入工作模式。

4.根据权利要求1所述的兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置，其特征在于：所述检测单元分别经由多个检测开关与对应电池小组中的每一节单体电池连接；所述检测单元依次使每一节单体电池两端的检测开关闭合以检测对应的单体电池的性能参数。

5.根据权利要求1所述的兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置，其特征在于：所述主控制器包括在任一节单体电池的健康状态低于第二预设值时发出报警信号的报警单元。

6.根据权利要求1所述的兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置，其特征在于：所述蓄电池均衡装置包括分别设置在每一节单体电池的多个温度传感器，所述第二控制单元通过第二通信单元将所述温度传感器的温度信号发送到主控制器，且所述主控制器的第一控制单元在任一单体电池的电池温度超过预设温度时使连接到该单体电池所在的电池小组的监控终端进入休眠模式。

7.根据权利要求1所述的兼具主动均衡与被动均衡的分布式蓄电池均衡装置，其特征在于：所述第一通信单元和第二通信单元之间通过电力线载波通信方式通信。