专利名称：锂离子电池组充放电全方位均衡管理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多单元串联使用的锂离子动カ和储能电池组的充、放电分布式、数字化和系统集成化的动态的电池管理系统及管理方法。
背景技术：
随着对国家对新能源及新能源汽车，特别是电动汽车鼓励扶持政策的相继出台，可充电锂离子储能和动カ电池组的应用越来越广泛，作为ー种新型的化学电源，锂离子电池具有轻重量、体积小、无记忆效应、循环寿命长、安全、无污染、适应温度广等优势，是替代目前主流应用的镍镉、镍氢电池的最理想的动カ电池和储能电池。但是，由于目前国产的锂离子电池材料性能和批次性能不稳定，电池生产エ艺从混桨、涂膜、辊压、切片制片、组装、焊接、注液、化成和分容到成品过程中的湿度、温度、粘度、加工精度和控制エ艺的不尽完善，即使经过严格的检测程序，每个电池単元的电压、电阻、容量也基本一致，但在组成几串、几十串甚至上百串以上的电池组在一段时间循环使用后，由于其特殊电化学特性，电池的内阻、电压、容量等參数也会产生波动，形成不一致的状态，造成电池单元之间的差异。这种差异体表现为电池组充满或放完时的串联电池芯之间的电压和容量不相同。这种情况直接导致了电池组在充电的过程中电压过高的电池芯提早触发电池组过充电保护；而在放电过程中电压过低的电池芯会导致电池组过放电保护,从而使电池组的整体容量明显下降。整个电池组体现出来的容量实际为电池组中性能最差的电池芯的容量，从而进一歩加剧过充和过放现象的出现，埋下安全隐患，减少电池组的整体 循环寿命，导致其提前失效。因此，锂离子电池组的単元之间的差异要求运行的电路能够完成对电池单元的均衡操作，精确管理锂离子电池组的充电和放电。一、锂离子电池组充放电关键技术——均衡技术均衡充放电技术主要是为了解决锂离子电池组中的各个单元在长期充放电循环过程中的电化学特性的偏差现象。锂离子电池替代镉镍、氢镍电池不能套用传统的简单的“即插即用”方式。这是因为锂离子电池与镉镍、氢镍电池有ー个最大的不同点，即锂离子电池须严禁过充电和过放电。因此，必须结合锂离子电池特性设计新的充放电管理电路结构和控制管理技木。在工程化应用中，锂离子电池的电池单体并联组成的电池单元必然要串联成电池组,故必须考虑充电过程中各电池单元或电池单元模块的失衡现象。随着时间的推移,这种失衡现象会愈加严重，影响电池寿命和可靠性。因此，均衡充电和放电是锂离子充放电的关键核心技术，即充、放电过程中全过程的、动态的和智能化均衡管理技木。所谓锂离子电池组均衡充电和放电就是使锂离子电池单元间的电压偏差保持在预设的范围内，从而保证每个电池单元在循环使用过程进行均衡充电和放电控制；且随着充放电循环的増加，减轻或減少各电池单元间的电压分化。ニ、现行的电池组充放电均衡目前常用的均衡方法有储能均衡和电阻均衡。
储能均衡是利用电池对电感或电容等储能元件的充放电功能，通过继电器或者开关器件实现储能元件在不均衡电池单元间的切換，达到电池间的能量转移。这种均衡充电方法控制网络一般比较复杂，对安全性管理要求较高，在使用时还需注意掌握好储能元件的充放电时间。其最大的优点是充、放电(工作)使用中，都可平衡各单元电池的功能，且不消耗锂离子电池组的电能。电阻均衡一般是通过控制器控制电阻网络的通断对电池组进行分流均衡，均衡的原理是在电池组充电的过程中，当某节电池充电速度较快，电压高于其他电池，系统通过控制开关控制均衡电阻的导通分流，降低电池的充电速度，以达到各节电池均衡充电的目的，这种方法可以同时对多节电池进行均衡，控制简单。但是均衡过程中如果电阻选的过大，则均衡电流太小，效果甚微；如果电阻选的过小，则电阻功率很大，系统能量损耗大，均衡效率低，系统对热管理要求较高，需要进行温度检测控制。三、现行锂离子电池组管理系统在控制电路和均衡技术的弊端
I、电池组检测目前，已上市的电池管理系统主要功能是检测电池单元的电压、电池组的总电压、总电流等数据指标。但是，其设计的基本原理是依据多単元串联的电池组作为唯一的ー个単元，在単元出现过充或过放情况时报警和(或降低)电流直至切断总正极和总负极，以实现对电池组简单的逻辑电路保护。由于此类产品根本不具备对单元分布式的充放电均衡管理，整个充电和放电近乎“裸充或裸放”，无法使正常的电池单元高效率的充电或放电，持久循环下去会直接降低电池的整体运行能力和循环寿命，所以，从技术层面定义，属于初级的电池组检测装置。2、单向充电末端均衡的电池管理系统此类产品的最大特点是设置了若干电池单元组成的电池模块的控制模板，在检测该模块的电压或预先设定的控制指标大于设定指标时，停止该模块的充电，避免过充。该模式属于末端充电均衡，不具备放电均衡功能，且该模式下的控制模板体积大、重量大，还需与独立的充电系统进行信息交換通信，无法集成两个系统。该模式的另以弊端在于因该控制模块类似旁路电路技术方式，无法回避电池组単元串联造成的充电均衡电流过低，实际效果不佳，无法真正起到充电均衡的功能。
发明内容
本发明的主要目的就是为了解决现有的电池管理系统技术弊端，突破充放电储能均衡和电阻均衡技术，大功率开关电源在锂离子电池组的应用技术和电池管理系统与独立式充电系统的集成技术，提供了一种锂离子电池组电池单元分布式、充放电均衡和集成充电系统的数字化电池管理系统(简称分布式锂离子电池组管理系统/DistributiveDigital Equalizer of Li-ion Battery Packs,DDE-BMS)。该发明涉及一种多单兀串联使用的锂离子动カ和储能电池组的充、放电分布式、数字化动态管理装置。此装置不仅解决了锂离子电池组中各个电池単元的充电和放电双向同步能量直接转移均衡，实现了均衡电流与充电电流ー样大，达到了电池组中各个电池单元在充电过程的大电流均衡充电和放电过程中的能量均衡转移放电；而且，该装置将独立的外置式充电机系统与电池単元管理模块集成为一体，使得充电系统更轻量化、微型化。
本发明所采用的技术解决方案在多单元电池串联的基础上设置整组电池主控管理模块，再在每个单元电池上并联ー个分机管理模块。每个模块都有各自的地址，且各模块之间采用隔离式485总线技术相互通讯。(具体结构见图I)主控管理模块的主要功能及原理管理整组电池的放电电流，为各分机管理模块提供一定功率的高压电流(这一部分相当于把传统开关电源的高压开关管之前的部分简化合并成主控管理模块的一部分，实现了各电池单元之间在不切断串联结构的情况下并联充电与均衡充放电的目的)，且把各分机模块通过隔离式485总线传过来的数据统一整理计算，然后给各分机管理模块发布指令，让分机管理模块执行相应的充电、停止以及调整充电电流等操作动作。电网供电充电模式下mcu控制切换单元接通电网并整流滤波后给整个系统提供电源，电池组供电模式下切换单元接通电池组直接给系统提供电源。辅助供电部分提供各分机模块自身工作、充电、平衡所需的能源电压。串联充电部分为电池组快速充电方式下提供传统的整组电池的串联充 电电流，当电池组中有某ー个单元达到充电截至电压，就立刻切断串联充电部分，剰余部分由各分机模块完成所有电池单元的充电过程。(见图2)分机模块的主要功能检测单元电池的电压、容量、温度等參数，经过初步计算整理，然后通过隔离式CAN总线发送给主控管理模块，再把主控管理模块提供的高压电流PWM调制隔离转换为各单元电池能够接受的低压电流后给各单元电池以一定的电流进行均衡充电。在充电操作过程中，以充电截至电压为标准，部分模块按照一定的电流充电、部分模块首次达到充电截止电压后自动停止充电操作。停止充电模块在检测到电池单元电压自然下降低于截止充电电压后自动启动，重新充电操作，如此重复循环直至该电池単元充满为止。(见图3)在放电过程中，如出现电池单元间不平衡现象或某些电池单元接近放电终止电压吋，自动启动主控管理模块的高频高压脉冲电路，使整组电池放电并向失衡的这部分电池单元充电，以实现放电过程中的放电均衡功能。本发明涉及的充放电均衡模式能够保证整个电池组的各个单元在任何情况下，同步对被检测到的失衡的电池单元进行直接能量转移式高效均衡。各功能模块以及电池组各単元之间的连接及关系为(见图I):整组串联电池组与主管理模块并联，通过主管理模块内部的切换电路给负载提供电流的同时也给各个分机模块提供并联的高压电流。电网的三相交流380V电カ或两相220V电カ通过主管理模块整流后也变换为高压电流提供给各分机模块。主控管理模块与各分机模块之间的高压电流采用2根功率线并联的方式，通过各分机模块的开关变压器实现串联电池组与并联高压电流隔离的目的。各模块之间采用隔离式485总线通讯(2根数据线、2根辅助供电线、2根高压供电线)全天候大电流均衡，以整组电池通过主控管理模块变换为高压电流提供给各分机模块放电，各分机模块通过检测电池单元的各种状态以决定各电池单元是否充电的方法实现的。
图I表示本发明的一个实施例分布式锂离子电池组管理系统示意图。(见图I)
图2表示本发明的主管理模块拓扑结构图。图3表示本发明的各电池单元的分级模块拓扑结构图。
具体实施例方式本发明涉及的分布式锂离子储能和动カ电池管理系统和技术可以广泛地应用大型エ业化风能、太阳能等新能源锂离子储能电池系统以及大容量大功率的移动式车载电动汽车锂离子动力电池组系统和 诸多应急电源UPS、通信基站电源、电动工具等电源系统。该发明已经陆续完成了电动汽车锂离子动カ电池组在不同容量和功率规格和不同エ况条件的实际测试。测试表明，实际数据基本达到了本发明设计的技术框架内各项技术指标的要求。
权利要求
1.一种多单元串联使用的锂离子动力和储能电池组的充、放电分布式、数字化和动态的电池管理系统，在多电池单元串联使用的锂离子动力和储能电池组的基础上增加了与整组电池并联的主控管理模块，以及与各电池单元并联的分机管理模块，主控管理模块及各分机管理模块之间并行连接大功率高压能量传递线路与隔离式485总线信号传递线路(也可用485等相同结构的总线线路)(见附图I)。
2.根据权利要求I所述的管理系统，其特征是主控管理模块与分机管理模块之间采用并联的方法，以开关变压器高频高压脉冲电流隔离传递能量的方式，实现串联电池组不改变串联结构的情况下每单元并联充电且每单元单独管理的目的。
3.根据权利要求I所述的管理系统，其特征是主控管理模块与分机管理模块之间的通讯采用隔离式485总线的方式(也可以是485等相似的总线方式)，主控管理模块内部采用大功率切换电路，把电池组的总输出以及电网电流转换为各分机管理模块所需的高压电流，各分机模块再把高压电流转换为各单元电池充电所需的低压脉冲直流，达到了集成充电器，实现了充电系统集成化和微型化的目的。
4.根据权利要求I所述的电池管理系统，其特征是主控管理模块内部采用MCU控制大功率IGBT的电路，严格控制整组电池的充电、放电过程，实现了各单元电池在工作状态下始终处于最佳均衡工作状态的目的。
5.根据权利要求I所述的电池管理系统，其特征是各分机管理模块采用双向DC-DCJI加MCU检测与控制单元的方法，实现了控制各单元电池充放电电流控制以及是否充放电的目的，真正实现了能量转移式全天候均衡的目的。
全文摘要
本发明的主要目的就是为了解决现有的电池管理系统技术弊端，突破充放电储能均衡和电阻均衡技术，大功率开关电源在锂离子电池组的应用技术和电池管理系统与独立式充电系统的集成技术，提供了一种锂离子电池组充放电均衡和集成充电系统的数字化电池管理系统。该发明涉及一种多单元串联使用的锂离子动力和储能电池组的充、放电分布式、数字化动态管理装置。此装置解决了锂离子电池组中各个电池单元的充电和放电双向同步能量直接转移均衡，达到了电池组中各个电池单元在充电过程的大电流均衡充电和放电过程中的能量均衡转移放电；而且，该装置将独立的外置式充电机系统与电池单元管理模块集成为一体，使得充电系统更轻量化、微型化。
文档编号H02J7/00GK102856942SQ20111018279
公开日2013年1月2日 申请日期2011年7月1日 优先权日2011年7月1日
发明者裴怀强, 吕佳屹 申请人:河南锂昂新能源科技有限公司