一种电池组充放电控制系统的制作方法

本发明涉及一种电池组充放电控制系统，具体涉及一种可以根据电池组内各电池单元参数进行充放电电池单元选择及切换的电池控制系统。

背景技术：

现有电池充电系统内电池单元连接方式单一，不能同时满足电池组快速充电需求和高电压放电需求，也不能通过电池参数的检测实现故障电池的隔离，另外，对电池组充电时，没有考虑在充电时间或充电系统提供电量有限的情况下，对电池充电的问题，当充电时间或充电系统提供电量有限时，不可能使得电池组内每个电池单元达到满充，而随机进行充电电池单元的选择或依次对充电电池单元进行选择，容易造成电池组内电池电量不均衡问题，降低了电池寿命，电池长时间在较高温度条件下充电，容易发生电池爆炸等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，发明一种电池组充放电控制系统，既可以实现电池的并联充电，串联放电，并且在电池充放电时，对故障有效电池隔离，通过对充电电池单元的选择保证电池在充电后，能达到电量均衡，又可以使电池充电时，温度可控，提高了电池的寿命和保障了充电的安全。

本发明提供的技术方案为：一种电池组充放电控制系统，它包括：总开关、整流器、直流-直流变换器、控制器、电池电量检测装置、电池温度检测装置和直流-直流变换器检测装置、电池串联放电开关、电池旁路开关和电池并联充电开关，其特征在于：其中，总开关用于将充电系统输入的充电交流电源与整流器隔离，在故障情况或停止充电时，断开电源以对系统内元件进行保护，整流器用于将充电交流电转换成直流电，直流-直流变换器用于将整流器输出的直流电转换成适合大容量电池组充电的直流电，电池电量检测装置用于检测电池组内每个电池单元的电量，并将检测的电量值输入至控制器,电池温度检测装置用于检测电池组内每个电池单元的温度，并将检测的温度值输入至控制器,直流-直流变换器检测装置用于检测直流-直流变换器输出的电压和电流，并将检测到的电压值和电流值输入至控制器，电池串联放电开关、电池旁路开关和电池并联充电开关由控制器控制通断，当电池组放电时，控制器控制电池串联放电开关闭合，实现电池组内各电池单元串联放电，放电过程中，控制器实时检测电池组内各电池单元电量和温度，据此判断电池单元是否适合继续放电，当电池不适合继续放电时，控制器控制不适合继续放电的电池单元所对应的电池并联充电开关断开，并闭合所述不适合继续放电的电池单元所对应的电池旁路开关，当电池组充电时，控制器控制电池串联放电开关和电池旁路开关断开，并接收用户输入的充电允许时间和充电系统最大允许输出充电功率，并根据所述充电允许时间和所述最大允许输出充电功率计算出充电允许时间内充电系统最大输出电量，控制器还根据所述检测的电量值和电池组总电量值计算出电池充电需求电量，控制器根据所述充电允许时间内充电系统最大输出电量、所述电池充电需求电量和电池单元的温度，选择性投切电池并联充电开关以对充电电池单元进行选择，将被选中的充电电池单元所对应的并联充电开关闭合。

交流输入电源与总开关一端相连，总开关另一端与整流器一端相连，整流器另一端与直流-直流变换器一端相连，直流-直流变换器另一端分别与各电池单元对应的电池旁路开关和电池并联充电开关相连，控制器与直流-直流变换器相连，用于对直流-直流变换器的工作状态进行检测并对其输出控制指令，控制器分别与电池串联放电开关、电池旁路开关和电池并联充电开关相连，对开关通断进行控制，电池并联充电开关采用双极开关，其中一极连接在开关所对应的电池单元正极和直流-直流变换器正母线之间，另一极连接在开关所对应的电池单元负极和直流-直流变换器负母线之间，电池旁路开关一端连接在开关所对应的电池单元正极，另一端连接在开关所对应的电池单元负极，电池串联放电开关一端连接在相邻电池单元的正负极之间。

直流-直流变换器包括直流电正输入端201、直流电负输入端202、电容203、电容204、开关205、开关206、变压器207、二极管208、二极管209、二极管210、二极管211、电感212、电容213、直流电正输出端214和直流电负输出端215，其中，直流电正输入端201与整流器正输出端相连和直流电负输入端202与整流器负输出端相连，直流电正输入端201还分别与电容203和开关205一端相连，电容203另一端还分别与变压器207初级侧和电容204一端相连，电容204另一端分别与直流电负输入端202和开关206一端相连，开关205另一端分别与开关206和变压器207初级侧另一端相连，变压器207次级侧一端分别与二极管208的阳极和二极管209的阴极相连，变压器207次级侧另一端分别与二极管210的阳极和二极管211的阴极相连，电抗器212一端分别与二极管208的阴极和二极管210的阴极相连，电抗器212另一端分别与电容213和直流电正输出端214相连，电容213另一端分别与直流电负输出端215、二极管209的阳极、二极管211的阳极相连，直流电正输出端214分别与每个电池单元对应的电池并联充电开关相连、直流电负输出端215分别与每个电池单元对应的电池并联充电开关相连。

直流-直流变换器为保证在直流母线电压最低时仍能输出所要求的最大电压，变压器变比按照如下方式确定：，公式中：为直流母线电压最低时仍能输出的最大电压，为二极管208、二极管209、二极管210、二极管211的管压降，为直流母线最低电压，为初级侧绕组匝数，为次级侧绕组匝数。

直流-直流变换器中由二极管208、二极管209、二极管210和二极管211组成的不控整流桥按照如下方式进行参数选择：（1）电压：，为整流桥的额定工作电压，为整流桥输入的线电压；（2）电流：，为整流桥的额定工作电流，为负载平均电流。

直流-直流变换器中由电感212和电容213组成的输出滤波电路按照如下方式进行参数选择：，为变压器次级侧输出电压，为直流母线电压最大值，为变压器变比，，为直流-直流变换器开关占空比，，为滤波电路的电感值，为最小输出电流，为开关周期，，为滤波电路的电容值，为最大电压纹波。

按照如下方式对充电电池进行选择，(1)计算指定充电时间内充电器能提供的最大充电量，，其中，为充电器额定输出功率值，为指定的充电时间，为功率电量转化系数；（2）判断所述最大充电量能否使得所有电池单元满充，当所述最大充电量能使得所有电池单元满充电时，则进入步骤（3），当所述最大充电量不能使得所有电池单元满充电时，则进入步骤（8）；（3）同时对电池组内所有电池单元充电，保持充电，并检测所述电池单元充电后剩余电量是否超过电池单元额定电量，当所述电池单元充电后剩余电量未超过电池单元额定容量时，则进入步骤（4）；（4）检测所述电池单元温度是否超过指定温度阈值，当所述电池单元温度未超过指定温度阈值时，则返回步骤（3），当电池单元温度超过指定温度阈值时，则进入步骤（5）；（5）停止对所述电池单元充电，每隔时间后检测所述电池单元电量和所述电池单元温度，（6）当所述电池单元剩余电量未超过电池单元额定容量且所述电池单元温度未超过指定温度阈值时，则返回步骤（3）；（7）当所述电池单元剩余电量超过电池单元额定容量或所述电池单元温度超过指定温度阈值时，则返回步骤（5）；（8）检测电池组中每个电池单元的剩余电量，对每个电池单元的剩余电量从小到大进行排序；（9）判断电池单元个数，当电池单元个数为偶数时，进入步骤（10），当电池个数为奇数时，进入步骤（16）；（10）计算个电池单元的充电电量阈值，，其中，代表电池剩余电量最小的电池单元的剩余电量，代表电池剩余电量第二小的电池单元的剩余电量，代表电池剩余电量第2k小的电池单元的剩余电量；（11）对剩余电量较小的前k个电池电池单元充电；（12）保持充电，并检测所述电池单元充电后剩余电量是否超过电池单元额定电量，当所述电池单元充电后剩余电量未超过电池单元额定容量时，则进入步骤（13），当所述电池单元充电后剩余电量超过电池单元额定容量时，则进入步骤（14）；（13）检测所述电池单元温度是否超过指定温度阈值，当所述电池单元温度未超过指定温度阈值时，则返回步骤（12），当所述电池单元温度超过指定温度阈值时，则进入步骤（14）；（14）检测所述电池单元充电切换次数是否已经达到指定次数，当所述充电切换次数已经达到指定充电切换次数时，则停止对所述电池单元充电及充电切换，当所述充电切换次数未达到指定充电切换次数时，则进入步骤（15）；（15）按照电池单元切换对照表对正在充电的电池单元进行切换，电池单元切换完成后，返回步骤（12）；（16）计算个电池单元的充电电量阈值，，其中，代表电池剩余电量最小的电池单元的剩余电量，代表电池剩余电量第二小的电池单元的剩余电量，代表电池剩余电量第2k+1小的电池单元的剩余电量，进入步骤(11)。

电池单元切换对照表为，当电池单元个数为偶数个时，，电池单元剩余电量从小到大依次为，剩余电量为的电池单元充电切换对应剩余电量为的电池单元，剩余电量为的电池单元充电切换对应剩余电量为的电池单元，剩余电量为的电池单元充电切换对应剩余电量为的电池单元，从小到大依此类推，当电池单元个数为奇数个时，当电池单元个数为奇数个时，，电池单元剩余电量从小到大依次为，剩余电量为的电池单元充电切换对应剩余电量为的电池单元，剩余电量为的电池单元充电切换对应剩余电量为的电池单元，剩余电量为的电池单元充电切换对应剩余电量为的电池单元，从小到大依此类推，剩余电量为的电池单元不进行充电切换。

当剩余电量为的电池单元与剩余电量为的电池单元进行充电切换时，剩余电量为的电池单元对应的电池并联充电开关闭合时，则剩余电量为的电池单元对应的电池并联充电开关断开，剩余电量为的电池单元对应的电池并联充电开关断开时，则剩余电量为的电池单元对应的电池并联充电开关闭合，依此类推，当剩余电量为的电池单元与剩余电量为的电池单元进行充电切换时，剩余电量为的电池单元对应的电池并联充电开关闭合时，则剩余电量为的电池单元对应的电池并联充电开关断开，剩余电量为的电池单元对应的电池并联充电开关断开时，则剩余电量为的电池单元对应的电池并联充电开关闭合。

充电过程中，控制器控制电池串联放电开关、电池旁路开关全部断开，并实时检测各电池单元电量和温度，据此判断电池单元是否适合继续充电，当电池单元不适合继续充电时，控制器控制不适合继续充电电池单元对应的电池并联充电开关断开，以将故障电池单元隔离，同时实现其它电池单元继续充电。

实施本发明的电池组充放电控制系统，具有以下有益效果，电池组内电池单元的电量较低的时候，充电速率较快，优先选择电量较低的电池先进行充电，可以提高充电效率，电量较低的电池充电功率较大时，短时间内导致电池温升过大，降低了电池的寿命，为此，设定温度阈值，使得电池充电温度在安全范围内，实现了安全充电，充分考虑电池组充电需求采用独创的直流-直流变换器，保证了变换器内各元件在额定工况下可靠运行，并降低了充电器对电网造成的谐波，节约电能，同时保证为电池提供的充电电流和充电电压的质量，进一步延长了电池的使用寿命，通过开关控制可以实现电池并联快速充电和串联高电压放电，并利用电池并联充电开关实现故障电池的充电隔离，利用电池旁路开关实现故障电池的放电隔离，提升了电池充放电系统的安全性。

附图说明

图1为电池组充放电控制系统配置图。

图2为充电系统内直流-直流变换器的电路原理图。

图3为充电控制流程图。

图4为放电控制流程图。

具体实施方式

图1为电池组充放电控制系统配置图：图1中充放电控制系统包括总开关101、整流器102、直流-直流变换器103、控制器104、电池单元109对应的电池并联充电开关105和电池旁路开关113，电池单元110对应的电池并联充电开关106和电池旁路开关114，电池单元111对应的电池并联充电开关107和电池旁路开关115，电池单元112对应的电池并联充电开关108和电池旁路开关116，

电池电量检测装置、电池温度检测装置和直流-直流变换器检测装置，交流输入电源与总开关101一端相连，总开关101另一端与整流器102一端相连，整流器102另一端与直流-直流变换器103一端相连，直流-直流变换器103另一端分别与各电池单元对应的电池旁路开关113~116和电池并联充电开关105~108相连，控制器104与直流-直流变换器103相连，用于对直流-直流变换器103的工作状态进行检测并对其输出控制指令，控制器分别与电池串联放电开关117~119、电池旁路开关113~116和电池并联充电开关105~108，对开关通断进行控制，电池并联充电开关105~108采用双极开关，其中一极连接在开关所对应的电池单元正极和直流-直流变换器103正母线之间，另一极连接在开关所对应的电池单元负极和直流-直流变换器103负母线之间，电池旁路开关113~116一端连接在开关所对应的电池单元正极，另一端连接在开关所对应的电池单元负极，电池串联放电开关117~119一端连接在相邻电池单元的负极，另一端连接在相邻电池单元的正极，控制器104与直流-直流变换器103相连，用于对直流-直流变换器103的工作状态进行检测，并对其输出控制指令，控制器104与电池单元109~112相连，用于检测每个电池单元的剩余电量和温度，控制器与电池旁路开关113~116、电池并联充电开关105~108和电池串联放电开关117~119相连，用于控制开关的通断。

图2为充电系统内直流直流变换器的电路原理图：直流-直流变换器包括直流电正输入端201、直流电负输入端202、电容203、电容204、开关205、开关206、变压器207、二极管208、二极管209、二极管210、二极管211、电感212、电容213、直流电正输出端214、直流电负输出端215，其中，直流电正输入端201与整流器正输出端相连和直流电负输入端202与整流器负输出端相连，直流电正输入端201还分别与电容203和开关205一端相连，电容203另一端还分别与变压器207初级侧和电容204一端相连，电容204另一端分别与直流电负输入端202和开关206一端相连，开关205另一端分别与开关206和变压器207初级侧另一端相连，变压器207次级侧一端分别与二极管208的阳极和二极管209的阴极相连，变压器207次级侧另一端分别与二极管210的阳极和二极管211的阴极相连，电抗器212一端分别与二极管208的阴极和二极管210的阴极相连，电抗器212另一端分别与电容213和直流电正输出端214相连，电容213另一端分别与直流电负输出端215、二极管209的阳极、二极管211的阳极相连，直流电正输出端214分别与每个电池单元对应的分开关相连、直流电负输出端215分别与每个电池单元对应的分开关相连。

图3为充电控制流程图：按照如下方式对充电电池进行选择，(1)计算指定充电时间内充电器能提供的最大充电量，，其中，为充电器额定输出功率值，为指定的充电时间，为功率电量转化系数；（2）判断所述最大充电量能否使得所有电池单元满充，当所述最大充电量能使得所有电池单元满充电时，则进入步骤（3），当所述最大充电量不能使得所有电池单元满充电时，则进入步骤（8）；（3）同时对电池组内所有电池单元充电，保持充电，并检测所述电池单元充电后剩余电量是否超过电池单元额定电量，当所述电池单元充电后剩余电量未超过电池单元额定容量时，则进入步骤（4）；（4）检测所述电池单元温度是否超过指定温度阈值，当所述电池单元温度未超过指定温度阈值时，则返回步骤（3），当电池单元温度超过指定温度阈值时，则进入步骤（5）；（5）停止对所述电池单元充电，每隔时间后检测所述电池单元电量和所述电池单元温度，（6）当所述电池单元剩余电量未超过电池单元额定容量且所述电池单元温度未超过指定温度阈值时，则返回步骤（3）；（7）当所述电池单元剩余电量超过电池单元额定容量或所述电池单元温度超过指定温度阈值时，则返回步骤（5）；（8）检测电池组中每个电池单元的剩余电量，对每个电池单元的剩余电量从小到大进行排序；（9）判断电池单元个数，当电池单元个数为偶数时，进入步骤（10），当电池个数为奇数时，进入步骤（16）；（10）计算个电池单元的充电电量阈值，，其中，代表电池剩余电量最小的电池单元的剩余电量，代表电池剩余电量第二小的电池单元的剩余电量，代表电池剩余电量第2k小的电池单元的剩余电量；（11）对剩余电量较小的前k个电池电池单元充电；（12）保持充电，并检测所述电池单元充电后剩余电量是否超过电池单元额定电量，当所述电池单元充电后剩余电量未超过电池单元额定容量时，则进入步骤（13），当所述电池单元充电后剩余电量超过电池单元额定容量时，则进入步骤（14）；（13）检测所述电池单元温度是否超过指定温度阈值，当所述电池单元温度未超过指定温度阈值时，则返回步骤（12），当所述电池单元温度超过指定温度阈值时，则进入步骤（14）；（14）检测所述电池单元充电切换次数是否已经达到指定次数，当所述充电切换次数已经达到指定充电切换次数时，则停止对所述电池单元充电及充电切换，当所述充电切换次数未达到指定充电切换次数时，则进入步骤（15）；（15）按照电池单元切换对照表对正在充电的电池单元进行切换，电池单元切换完成后，返回步骤（12）；（16）计算个电池单元的充电电量阈值，，其中，代表电池剩余电量最小的电池单元的剩余电量，代表电池剩余电量第二小的电池单元的剩余电量，代表电池剩余电量第2k+1小的电池单元的剩余电量，进入步骤(11)。

电池单元切换对照表为，当电池单元个数为偶数个时，，电池单元剩余电量从小到大依次为，剩余电量为的电池单元充电切换对应剩余电量为的电池单元，剩余电量为的电池单元充电切换对应剩余电量为的电池单元，剩余电量为的电池单元充电切换对应剩余电量为的电池单元，从小到大依此类推，当电池单元个数为奇数个时，当电池单元个数为奇数个时，，电池单元剩余电量从小到大依次为，剩余电量为的电池单元充电切换对应剩余电量为的电池单元，剩余电量为的电池单元充电切换对应剩余电量为的电池单元，剩余电量为的电池单元充电切换对应剩余电量为的电池单元，从小到大依此类推，剩余电量为的电池单元不进行充电切换。

当剩余电量为的电池单元与剩余电量为的电池单元进行充电切换时，剩余电量为的电池单元对应的分开关闭合时，则剩余电量为的电池单元对应的分开关断开，剩余电量为的电池单元对应的分开关断开时，则剩余电量为的电池单元对应的分开关闭合，依此类推，当剩余电量为的电池单元与剩余电量为的电池单元进行充电切换时，剩余电量为的电池单元对应的分开关闭合时，则剩余电量为的电池单元对应的分开关断开，剩余电量为的电池单元对应的分开关断开时，则剩余电量为的电池单元对应的分开关闭合。

图4为放电控制流程图：图4中在电池组需要对外放电时，控制器控制总开关和电池旁路开关断开，全部电池并联充电开关和电池串联放电开关闭合，在电池组正在放电时，通过控制器实时检测正在放电电池单元剩余电量和温度，当电池单元剩余电量或温度是否超过预定值，当电池单元剩余电量超过阈值时，说明电池已经过放电，不适合继续放电，当电池单元温度超过阈值时，继续放电，将增加温度，导致电池烧毁，也不适合继续放电，此时，断开该电池单元对应的并联充电开关，闭合该电池单元对应的旁路开关，将该电池单元隔离，并返回电池检测步骤，继续检测正在运行电池的参数。

本发明不限于所公开的实施例和附图，旨在覆盖落入本发明精神和保护范围的各种变化和变形。