智能均衡配电设备、智能均衡配电系统和复合能源系统的制作方法

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及智能均衡配电设备、智能均衡配电系统和复合能源系统。

背景技术：

随着我国混合电动汽车、纯电动汽车和储能电源的发展，对高能量的电池组及能源设备的需求日益增长。目前，大多电池组通过一系列的电池串、并联来提高电池组的容量，满足大功率的需求。为了满足大功率设备功率需求的变大，这就需要在电源设计时并联更多的电池组，而单体电池性能参数的不一致性，使得电池组间的直接并联会产生环流现象，电池内部形成环流电流，而且电池组中电池与电池之间都会产生不可控制和无法预期的充放电，造成电池或超级电容的过充过放现象，影响电池使用寿命。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种智能均衡配电设备、智能均衡配电系统和复合能源系统，能有效电池组间的防止环流问题，均衡控制电池组间的电压，提高电池寿命和行车安全。

为实现上述目的，本发明实施例提供了智能均衡配电设备，用于实现电池组单元中的若干电池分组模块间电压均衡，所述电池组单元包括若干电池分组模块；所述智能均衡配电系统包括：若干第一电极接入端、第二电极接入端、若干预充回路模块、若干主支路模块、正总接口单元和负总接口单元；其中，

每一所述第一电极接入端用于连接对应的所述电池分组模块的第一电极端，所述第二电极接入端，用于连接所述电池分组模块的第二电极端；所述负总接口单元连接所述第二电极接入端；

每一所述主支路模块的第一端分别连接对应的所述第一电极接入端和对应的所述预充回路模块的第一端，每一所述主支路模块的第二端分别连接所述正总接口单元和对应的所述预充回路模块的第二端；

每一所述预充回路模块均包括第一开关元件和功率电阻，所述第一开关元件的第一端作为所述预充回路模块的第一端，所述第一开关的第二端连接所述功率电阻的第一端，所述功率电阻的第二端作为所述预充回路模块的第二端；

每一所述主支路模块均包括第二开关元件，所述第二开关元件的第一端作为所述主支路模块的第一端，所述第二开关元件的第二端作为所述主支路模块的第一端的第二端。

进一步的，还包括第一电容接入端，用于接入超级电容单元的第一电极端；所述第二电极接入端还用于连接所述超级电容单元的第二电极端；

其中，所述超级电容单元包括超级电容和dc/dc转换器，所述超级电容和所述dc/dc转换器并联，所述dc/dc转换器的第一端作为超级电容单元的第一电极端，所述dc/dc转换器的第二端作为所述超级电容单元的第二电极端。

与现有技术相比，本发明公开的智能均衡配电设备，通过设有若干主支路模块，每一主支路模块用于控制对应电池分组模块的对外充放电的通断，而与主支路模块相对应预充回路模块用于实现电池分组模块间的电压均衡，通过断开主支路模块且闭合预充回路模块，以实现电池分组模块间的端电压基本相等，以消除环流现象的技术方案，解决了现有技术电池内部形成环流电流，而且电池组中电池与电池之间都会产生不可控制和无法预期的充放电，造成电池或超级电容的过充过放现象，影响电池使用寿命的问题。

进一步的，还包括：

第一通讯接入端，用于接入预充回路模块控制信号以控制所述预充回路模块的开启和关闭，所述预充回路模块的控制端连接至所述第一通讯接入端；

第二通讯接入端，用于接入主支路模块控制信号以控制所述主支路模块开启和关闭，所述主支路模块的控制端连接至所述第二通讯接入端；

第三通讯接入端，用于接入正总接口单元控制信号以控制所述正总接口单元的开启和关闭，所述正总接口单元的控制端连接至所述第三通讯接入端；

第四通讯接入端；用于接入负总接口单元控制信号以控制所述负总接口单元的开启和关闭，所述负总接口单元的控制端连接至所述第四通讯接入端。

进一步的，所述正总接口单元包括充电正接口和放电正接口，所述负总接口单元包括充电负接口和放电负接口。

进一步的，还包括若干电流检测模块和第五通讯输出端，每一所述主支路模块的第一端通过对应的电流检测模块连接对应所述第一电极接入端；所述电流检测模块的反馈端连接所述第五通讯输出端；每一所述电流检测模块用于获取所在支路上的电流；

每一所述电流检测模块包括一分流器，所述分流器的第一端连接对应的所述第一电极接入端，所述分流器的第二端连接对应的所述主支路模块的第一端，所述分流器的反馈端作为所述电流检测模块的反馈端连接所述第五通讯输出端。

进一步的，还包括：若干第一熔断器，每一所述主支路模块通过对应的所述第一熔断器连接所述正总接口单元。

进一步的，所述正总接口单元还包括第一总继电器，所述负总接口单元还包括第二总继电器；

所述充电正接口和所述放电正接口均用于通过所述第一总继电器连接每一所述主支路模块的第二端，所述第一总继电器的控制端作为所述正总接口单元的控制端；

所述充电负接口和所述放电负接口均用于通过所述第二总继电器连接每一所述电池片单元的第二电极端，所述第二总继电器的控制端作为所述负总接口单元的控制端。

相应的，本发明实施例还提供智能均衡配电系统，包括上述所述的智能均衡配电设备，还包括管理单元，所述管理单元包括第一通讯端、第二通讯端、第三通讯端、第四通讯端、第五通讯端和第六通讯端，；其中，所述第一通讯端连接所述第一通讯接入端，所述第二通讯端连接所述第一通讯接入端，所述第三通讯端连接所述第三通讯接入端，所述第四通讯端连接所述第四通讯接入端，所述第五通讯端连接所述第五通讯输出端；第六通讯端，用于连接每一所述电池分组模块的控制端。

进一步的，所述管理单元还包括：

第七通讯端，用于连接超级电容单元的控制端；其中，所述超级电容单元包括超级电容和dc/dc转换器，所述超级电容和所述dc/dc转换器并联，所述超级电容单元的控制端分别连接所述超级电容的控制端和所述dc/dc转换器的控制端。

相应的，本发明实施例还提供复合能源系统，包括上述所述的智能均衡配电系统，还包括：

电池组单元，所述电池组单元还包括若干电池分组模块；每一所述第一电极接入端连接所述电池分组模块的第一电极端，所述第二电极接入端连接所述电池分组模块的第二电极端；每一所述电池分组模块的控制端均连接所述第六通讯端；进一步的，电池分组模块除了必要的电池进行供电外，通常还可以包括电池管理系统bms对电池分组模块内的电池进行相应的管理控制；

超级电容单元，所述超级电容单元的第一电极端连接所述第一电容接入端，所述超级电容单元的第二电极端连接所述第二电极接入端，所述超级电容单元的控制端连接所述第七通讯端；

所述超级电容单元包括超级电容和dc/dc转换器，所述超级电容和所述dc/dc转换器并联，所述dc/dc转换器的第一端作为所述超级电容单元的第一电极端，所述dc/dc转换器的第二端作为所述超级电容单元的第二电极端；所述超级电容单元的控制端分别连接所述超级电容的控制端和所述dc/dc转换器的控制端。

附图说明

图1是本发明实施例中智能均衡配电设备的结构示意图；

图2是本发明实施例中智能均衡配电系统的结构示意图；

图3是本发明实施例中复合能源系统的结构示意图。

具体实施方式

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、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明实施例提供的智能均衡配电设备的结构示意图，用于实现电池组单元中的若干电池分组模块间电压均衡，所述电池组单元包括若干电池分组模块；另外，还可以参见图2中智能均衡配电设备连接管理单元ems的一种可实现方式，参见图3中可以智能均衡配电设备连接电池组单元的一种可实现方式。

本实施例的智能均衡配电系统包括：若干第一电极接入端、第二电极接入端、若干预充回路模块、若干主支路模块、正总接口单元和负总接口单元；其中，

每一所述第一电极接入端用于连接对应的所述电池分组模块的第一电极端，所述第二电极接入端，用于连接所述电池分组模块的第二电极端；所述负总接口单元连接所述第二电极接入端；

每一所述主支路模块的第一端分别连接对应的所述第一电极接入端和对应的所述预充回路模块的第一端，每一所述主支路模块的第二端分别连接所述正总接口单元和对应的所述预充回路模块的第二端；

每一所述预充回路模块均包括第一开关元件和功率电阻，所述第一开关元件的第一端作为所述预充回路模块的第一端，所述第一开关的第二端连接所述功率电阻的第一端，所述功率电阻的第二端作为所述预充回路模块的第二端；

每一所述主支路模块均包括第二开关元件，所述第二开关元件的第一端作为所述主支路模块的第一端，所述第二开关元件的第二端作为所述主支路模块的第一端的第二端。

进一步的，还包括第一电容接入端，用于接入超级电容单元的第一电极端；所述第二电极接入端还用于连接所述超级电容单元的第二电极端；

其中，所述超级电容单元优选包括超级电容sc和dc/dc转换器，所述超级电容sc和所述dc/dc转换器并联，所述dc/dc转换器的第一端作为超级电容单元的第一电极端，所述dc/dc转换器的第二端作为所述超级电容单元的第二电极端。用dc/dc转换器连接端电压不同的两种储能元件，对每种储能设备直接控制，电池组和超级电容可以深度放电因此其储能量可以充分利用，延长电池使用寿命。

功率电阻与和功率电阻串联的第一开关元件组成一个预充回路模块，用来避免电池组间环流现象产生，在电池组单元准备开始对外放电之前，先闭合各个预充回路模块中的第一开关元件，这样就使得电池组单元中的各电池分组模块形成了并联关系，并且，电压较高的电池分组模块支路将会对电压较低的电池分组模块支路充电，直至所有的电池分组模块电压基本平衡，电路中不再存在环流现象。接着通过断开各电池分组模块的预充回路的第一开关元件，闭合各个电池分组模块支路上的第二开关元件，开始对外放电。

进一步的，第一开关元件和第二开关元件均采用继电器作为开关元件；继电器是一种电控制器件的“自动开关”，当输入量(激励量)的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

进一步的，还包括：

第一通讯接入端，用于接入预充回路模块控制信号以控制所述预充回路模块的开启和关闭，所述预充回路模块的控制端连接至所述第一通讯接入端；

第二通讯接入端，用于接入主支路模块控制信号以控制所述主支路模块开启和关闭，所述主支路模块的控制端连接至所述第二通讯接入端；

第三通讯接入端，用于接入正总接口单元控制信号以控制所述正总接口单元的开启和关闭，所述正总接口单元的控制端连接至所述第三通讯接入端；

第四通讯接入端；用于接入负总接口单元控制信号以控制所述负总接口单元的开启和关闭，所述负总接口单元的控制端连接至所述第四通讯接入端。

需要说明的是，本实施例中的不同通讯接入端和通讯输出端在实际电路图或者运用中，如图1中第一通讯接入端和第二通讯接入端可以结合为一个信号输出口，第三通讯接入端和第四通讯接入端可以结合为一个信号输出口，采用通讯电缆/串口或其它形式的信号线进行连接。

进一步的，所述正总接口单元包括充电正接口和放电正接口，所述负总接口单元包括充电负接口和放电负接口。

正总接口单元和负总接口单元作为输入输出端口单元，除了主要有充电接口和放电接口(负载接口)，另外，还可以包括空调接口和dc/dc接口。即正总接口单元还可以包括空调正接口和dc/dc正接口；负总接口单元还可以包括空调负接口和dc/dc负接口。

优选的，预充回路模块上设有继电器，为更好地发挥继电器的作用，本实施例中设置正总接口单元与预充回路模块连接，；当然，在其它实施例中根据电路需求调整，将正总接口单元相应替换为负总接口单元，将负总接口单元相应替换为正总接口单元的实施方式也在本实施例的保护范围内。

进一步的，还包括若干电流检测模块和第五通讯输出端，每一所述主支路模块的第一端通过对应的电流检测模块连接对应所述第一电极接入端；所述电流检测模块的反馈端连接所述第五通讯输出端；每一所述电流检测模块用于获取所在支路上的电流。

每一所述电流检测模块包括一分流器fl，所述分流器fl的第一端连接对应的所述第一电极接入端，所述分流器fl的第二端连接对应的所述主支路模块的第一端，所述分流器fl的反馈端作为所述电流检测模块的反馈端连接所述第五通讯输出端。

第五通讯输出端主要包含从分流器fl读取到各电池分组模块对应的支路上的电流数据，第五通讯输出端把接收到的电流数据反馈给相应的管理单元ems。

进一步的，还包括：若干第一熔断器fuse1，每一所述主支路模块通过对应的所述第一熔断器fuse1连接所述正总接口单元。

第一熔断器fuse1与主支路模块串联，当主支路上的电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，从而使电路断开，作为短路和过电流的保护器。

进一步的，所述正总接口单元还包括第一总继电器，所述负总接口单元还包括第二总继电器；

所述充电正接口和所述放电正接口均用于通过所述第一总继电器连接每一所述主支路模块的第二端，所述第一总继电器的控制端作为所述正总接口单元的控制端；

所述充电负接口和所述放电负接口均用于通过所述第二总继电器连接每一所述电池分组模块的第二电极端，所述第二总继电器的控制端作为所述负总接口单元的控制端。

通过智能均衡配电设备，放电时，通过闭合各预充回路模块的继电器，使得电池组单元中每一电池分组模块的所在支路的端电压基本相等，消除环流现象，在环流现象消除后，断开预充回路模块的继电器并闭合各主支路模块的继电器，电池组单元对外供电。

进一步的，正总接口单元的第一总继电器均通过一相应的一第二熔断器fuse2连接每一分接口(包括充电正接口、放电正接口、空调正接口和dc/dc正接口)，负总接口单元的第二总继电器通过另一相应的第二熔断器fuse2连接每一分接口(包括充电负接口、放电负接口、空调负接口和dc/dc负接口)，实现过流保护。

另外，通过智能均衡配电设备还可以控制每一电池分组模块之间、电池分组模块与超级电容之间均可以相互充放电，电池均衡性好。当电池组中各电池片之间电压不相等，为避免环流现象产生，通过控制相应继电器，控制荷电状态高于电池组参考荷电状态的电池分组模块给超级电容供电，或者给其他荷电状态低于电池组单元的参考荷电状态的电池分组模块充电；而当超级电容的荷电状态高于超级电容的参考荷电状态时，也可以通过超级电容给其他荷电状态低于电池组单元的参考荷电状态的电池分组模块充电。因为超级电容具有充放电速率快，效率高等，所以优先使用超级电容给电池分组模充电，然后用高于电池组参考荷电状态的电池分组模给荷电状态低于电池组单元的参考荷电状态电池分组模充电。最后使各电池组分组模块之间、电池组分组模块与超级电容之间均衡性好，端电压相等。

本实施例能有效电池组间的防止环流问题，均衡控制电池组间的电压，提高电池寿命和行车安全。

相应的，本发明实施例还提供智能均衡配电系统，参见图2，本实施例包括上述所述的智能均衡配电设备，还包括管理单元ems，所述管理单元ems包括第一通讯端、第二通讯端、第三通讯端、第四通讯端、第五通讯端和第六通讯端；其中，所述第一通讯端连接所述第一通讯接入端，所述第二通讯端连接所述第一通讯接入端，所述第三通讯端连接所述第三通讯接入端，所述第四通讯端连接所述第四通讯接入端，所述第五通讯端连接所述第五通讯输出端；第六通讯端，用于连接每一所述电池分组模块的控制端。

进一步的，所述管理单元ems还包括：

第七通讯端，用于连接超级电容单元的控制端；其中，所述超级电容单元包括超级电容sc和dc/dc转换器，所述超级电容sc和所述dc/dc转换器并联，所述超级电容单元的控制端分别连接所述超级电容sc的控制端和所述dc/dc转换器的控制端。

需要说明的是，由于本实施例中的不同通讯接入端和通讯输出端在实际电路图或者运用中，如图1和图2中的第一通讯接入端和第二通讯接入端可以结合为一个信号输出口，第三通讯接入端和第四通讯接入端可以结合为一个信号输出口，那么相应地，第一通讯端和第二通讯端可以结合为一个信号输入端，第三通讯端和第四通讯端可以结合为一个信号输入口。信号输出口和信号输入口之间采用通讯电缆/串口或其它形式的信号线进行连接。

相应的，本发明实施例还提供复合能源系统，参见图3，本实施例包括上述所述的智能均衡配电系统，还包括：

电池组单元，所述电池组单元还包括若干电池分组模块；每一所述第一电极接入端连接所述电池分组模块的第一电极端，所述第二电极接入端连接所述电池分组模块的第二电极端；每一所述电池分组模块的控制端均连接所述第六通讯端；

超级电容单元，所述超级电容单元的第一电极端连接所述第一电容接入端，所述超级电容单元的第二电极端连接所述第二电极接入端，所述超级电容单元的控制端连接所述第七通讯端；

所述超级电容单元包括超级电容sc和dc/dc转换器，所述超级电容和所述dc/dc转换器并联，所述dc/dc转换器的第一端作为所述超级电容单元的第一电极端，所述dc/dc转换器的第二端作为所述超级电容单元的第二电极端；所述超级电容单元的控制端分别连接所述超级电容sc的控制端和所述dc/dc转换器的控制端。

另外，本发明实施例的复合能源系统还可以包括主控制单元vcs：主控制单元vcs主要控制对象有主控制器、电机控制器、电池管理系统、多能源管理系统、车身控制管理系统、信息显示系统和通信系统。各系统之间的信息传递通过网络通信系统网络化实现，本系统中，管理单元ems通过can与主控制单元连接，进行数据交流和指令传递。

优选的，本实施例可以适用于电动汽车，作为汽车的能源系统，满足汽车提供功率输入输出需求。当然，本实施例还可以适用于其它大功率电设备，如充电桩。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。