一种基于电池组自重构的系统及其智能控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于电池组自重构的系统及其智能控制方法，其系统特征在于系统包括电池阵、控制部分及输出输入部分；其自重构控制方法特征在于在整个电池组充放电过程中，存在从“主路电池组集合”切入到“暂时切除电池组集合”的过程、从“主路电池组集合”切入到“故障电池组集合”的过程、从“暂时切除电池组集合”切入到“主路电池组集合”的过程、“均衡模式”过程；然后根据相应的切换条件，动态的将电池在“主路电池组集合”、“暂时切除电池组集合”、“故障电池组集合”之间进行切换。本发明的有益效果如下：解决电池组充放电的不均衡问题、能够灵活配置输出或者输入电压的等级、能够以灵活的电池组配置进行充放电、能够提高电池组的使用寿命。
【专利说明】
一种基于电池组自重构的系统及其智能控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于电池管理技术领域，尤其是涉及一种基于电池组自重构的系统及其智 能控制方法。
【背景技术】
[0002] 在电动汽车、月球车等移动设备中，需要电池作为其能量的主要供应源，但是由于 单体电池的端电压较低，需要对单体电池进行串联连接，这样才能达到用电设备的电压要 求。
[0003] 电池组在充放电过程中，存在着单体电池端电压参差不齐的不均衡的现象，这种 现象的结果是大大降低了系统的能量利用率。目前，解决电池组不均衡的方式主要有两种， 一种是采用并联电阻、电容进行电压均衡的无源解决方案；此方案中，由于电阻发热及器件 的分散性、连接方式固定，不能很好的解决不均衡、发热故障的问题；一种是采用电池组中 电压高的单体电池给电压低的单体电池供电的有源解决方案；此方案中，由于连接方式固 定，不能很好的解决发热等故障的问题。
[0004] 在目前的解决串联电池组充放电的方式中，虽然克服连接方式固定的问题，但是 串联电池组中，充放电过程中的不均衡问题仍然存在。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出一种基于电池组自重构的系统及其智能控制方法，它既可 以解决电池组不均衡的问题，同时又能灵活的配置充放电方式以及切除故障的电池组，提 商电池组的使用寿命。
[0006] 本发明通过以下技术方案实现：
[0007] -种基于电池组自重构的系统，其特征在于包括电池阵、控制部分及输出输入部 分；
[0008] 所述电池阵包括电池组、均衡单元；所述的电池组包括单体电池单元集合、开关 Sn(n = 1、2. . . N :电池阵的数目）；所述的单体电池为磷酸铁锂电池；所述的电池单元包括 单体电池及开关Kn(n = 1、2. . . N :电池阵的数目）；所述的单体电池与开关Kn串联连接；所 述的开关S与电池单元并联连接；所述的均衡单元包括DC模块1、二极管Dn(n = 1、2. . . 2Ν ; N:电池阵的数目）以及开关Cn(n= 1、2. ..2N;N:电池阵的数目）；所述的DC模块1输出 端的正极与二极管D2n+1 (η = 0、1、2. . . N-1 ;N :电池阵的数目）的正极连接；所述的二极 管D2n+l(n = 0、l、2.…N-1 ;N:电池阵的数目）的负极与开关C2n+l(n = 0、l、2.…N-1 ;N: 电池阵的数目）的一端串联连接；所述的开关C2n+l(n = 0、1、2. . . N-1 ;N :电池阵的数目） 另一端与所述的电池单元的正极连接；所述的DC模块1输出端的负极与二极管D2n (η = 1、2. ..N-1 ;Ν:电池阵的数目）的负极连接；所述的二极管D2n(n = 1、2. ..Ν;Ν:电池阵的 数目）的正极与开关C2n(n= 1、2...Ν;Ν:电池阵的数目）的一端串联连接；所述的开关 C2n(n = 1、2...Ν;Ν:电池阵的数目）另一端与所述的电池单元的负极连接；所述的开关 Kn、开关Sn、开关Cn为MOSFET ;所述开关的控制端通过驱动与控制器的10管脚相连；所述 开关Κη、开关Sn是互斥的；所述开关C2n、开关C2n+1是联动的。
[0009] 所述控制部分包括控制器、触摸屏；所述温度传感器放在所述电池阵中每节单体 电池的表面；所述控制器通过温度传感器检测所述电池阵中每节单体电池的表面温度；所 述电压传感器与所述电池阵中的电池单元并联连接；所述控制器通过电压传感器检测所述 电池阵中每节单体电池的端电压；所述电流传感器与电池阵的输出端的正极串联连接；所 述控制器通过电流传感器检测所述电池阵的电流；所述触摸屏与所述控制器相连；所述控 制器还通过电压传感器检测输出输入部分的输出端电压。
[0010] 所述输出输入部分包括宽电压范围的DC-DC模块2、换向开关；所述的输出输入部 分的输入端的正极为Vin(+)、负极为Vin(-)，输出端的正极为Vout(+)、负极为Vout(-);所 述的宽电压范围的DC-DC模块2的输入端的正极为Vi (+)、负极为Vi (-);所述的宽电压范 围的DC-DC模块2的输出端的正极为Vo (+)、负极为Vo (-);所述的输出输入部分的Vin (+) 通过所述的电流传感器与所述的电池阵的正极连接；所述的输出输入部分的Vin(-)与所 述电池阵的负极连接；所述的换向开关包括JM_i、JM_i'（i = 1、2、3、4);所述的开关JM_4 的一端与Vin (+)连接，另一端与Vi (+)连接；所述的开关JM_2的一端与Vout (+)连接，另 一端与Vi (+)连接；所述的开关JM_3的一端与Vin (+)连接，另一端与Vo (+)连接；所述的 开关JM_1 -端与Vout (+)连接，另一端与Vo (+)连接；所述的开关JM_4'的一端与Vin (-) 连接，另一端与Vi (-)连接；所述的开关JM_3'的一端与Vout (-)连接，另一端与Vi (-)连 接；所述的开关JM_2'的一端与Vin (-)连接，另一端与Vo㈠连接；所述的开关JM_1' 一端 与 Vout(-)连接，另一端与 Vo(-)连接；所述的开关 （i = 1、2、3、4)为 MOSFET ; 所述的开关为联动开关。
[0011] -种基于电池组自重构的智能控制方法，其特征在于：
[0012] 整个电池组被分为"主路电池组集合"、"暂时切除电池组集合"、"故障电池组 集合"；其中，"主路电池组集合"--电池阵中正常工作的电池组；"暂时切除电池组集 合"电池阵暂时切除的电池组，适当时再将其切入"主路电池组集合"中；"故障电池组 集合"--电池阵中永久切除的电池组，需要维修人员及时的更换。在电池组的充放电过 程中，存在四个子过程，以放电过程为例：
[0013] 1)从"主路电池组集合"切入到"暂时切除电池组集合"的过程：预先根 据单体电池的放电特性，设置一个电压下降速率阀值按照一定的时间间隔 Τ检测单体电池的端电压，然后按照下述公式计算每个单体电池的电压下降速率：
当Vn_dmm > 时，将这节单体电池从"主路电池组集合"中 切除到"暂时切除电池组集合"中。
[0014] 2)从"主路电池组集合"切入到"故障电池组集合"的过程：当"主路电池组集合" 中的总电压小于DC模块的最低电压要求时，将"暂时切除电池组集合"中的所有电池切入 到 "主路电池组集合"中。
[0015] 3)从"暂时切除电池组集合"切入到"主路电池组集合"的过程：当"主路电池组 集合"中的总电压小于DC模块的最低电压要求时，将"暂时切除电池组集合"中的所有电池 切入到"主路电池组集合"中。
[0016] 4) "均衡模式"过程：一种方式采用由"主路电池组集合"中端电压高的电池给端 电压低的电池供电，在此过程中，动态监测"主路电池组集合"中每节电池的端电压，然后按 照端电压由低高的顺序编号，使最高号给最低号供电、次高号给次低号供电等等依此类推； 另一种方式采用由外部（可以是"主路电池组集合"经DC模块的输出电压）给端电压低的 电池供电，在此过程中，动态监测"主路电池组集合"中每节电池的端电压，然后计算其平均 值，对低于平均值的电池进行供电。
[0017] -种基于电池组自重构的智能控制方法，根据上述的各种条件，动态的将电池在 "主路电池组集合"、"暂时切除电池组集合"、"故障电池组集合"之间进行切换，其自重构方 法的步骤如下：
[0018] 步骤1 :首先判断是否满足从"主路电池组集合"切除到"暂时切除电池组集合"的 条件，如果满足，将单体电池从"主路电池组集合"中切除到"暂时切除电池组集合"中。
[0019] 步骤2 :判断是否满足从"主路电池组集合"切除到"故障电池组集合"的条件，如 果满足，将单体电池从"主路电池组集合"中切除到"故障电池组集合"中。
[0020] 步骤3 :判断是否满足从"暂时切除电池组集合"切入"主路电池组集合"条件，如 果满足，将"暂时切除电池组集合"中的所有电池都切入到"主路电池组集合"中。
[0021] 步骤4:判断是否满足"均衡模式"条件，如果满足条件，"主路电池组集合"中的电 池进入"均衡模式"过程。
[0022] 步骤5 :在整个放电过程中，上述过程不断的重复步骤1、2、3、4、5,直到放电结束。
[0023] 本发明的优点在于：
[0024] 1)解决电池组充放电的不均衡问题；
[0025] 2)能够灵活配置输出或者输入电压的等级；
[0026] 3)能够以灵活的电池组配置进行充放电；
[0027] 4)能够提高电池组的使用寿命；
【附图说明】
[0028] 图1为本发明实施例的系统框图。
[0029] 图2为本发明实施例的放电过程流程图。
[0030] 图3为本发明实施例中的"均衡模式"过程流程图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图和实例对本发明做进一步说明，本发明的保护范围不限于以下所 述。
[0032] 实施例：
[0033] 图1为本发明实施例的系统框图；它包括"电池阵"、"控制部分"、"输入/输出部 分";它实现的功能为：
[0034] 1)实时监测电池组的电压、温度、电流；
[0035] 2)可以动态切除/加入某几节电池；
[0036] 3)通过"DC模块1"可以动态的给某节电池充电；
[0037] 4)保证整个系统既能充电又能放电；
[0038] 下面,针对上述功能，陈述如下：
[0039] 电池阵中每个端点处连接电压、温度传感器，在电池阵的输出端连接电流传感器 (霍尔传感器），"控制部分"的控制器通过采集这些传感器的数值，从而实现实时监测电池 组的电压、温度、电流。在图1 "控制部分"中，实线代表电压传感器的连接线；虚线箭 头"--z代表温度传感器的连接线；虚线椭圆代表电流传感器的连线（霍尔传感 器）。
[0040] 电池组正常工作时，K1KN是闭合的，相应的开关S1SN、C1C2N是断开的； 当发生故障或者动态的将电池切除时，例如，想切除电池2,只需要通过控制器给开关K2、 S2发送控制信号，断开开关K2、闭合开关S2即可，其他的与之类同；当想将某节电池切入电 池组时，例如，将电池3切入电池组，只需通过控制器给开关K3、S3发送控制信号，闭合开关 K3、断开开关S3即可，其他的与之类同；通过上述方式，从而实现动态切除/加入某几节电 池。
[0041] 如果"DC模块1"给相应的电池η进行供电，则将开关C2n-l、C2n同时闭合；如果 停止供电，则将开关C2n-l、C2n同时断开；从而实现通过"DC模块1"可以动态的给某节电 池进行充电。为了防止线路间短路同时又保证供电通路的正常工作，在开关Cx(x代表了开 关的编号，从1到2N)的通路上加入了正向连接的二极管。
[0042] 为了保证整个系统既能充电又能放电，其"宽输入电压DC模块2"的整体连接图如 "输入/输出部分"所示；当系统进入充电模式时，开关JM_2、JM_2'、JM_3、JM_3'闭合，开关 JM_1、JM_1'、JM_4、JM_4'断开；当系统进入放电模式时，开关JM_1、JM_1'、JM_4、JM_4'闭 合，开关 JM_2、JM_2'、JM_3、JM_3' 断开。
[0043] 图1中的"1号开关"代表电池阵内部Sn、Kn(n = 1、2...N:电池阵的数目）开关 的具体硬件实现，开关Kn是N型开关管、Sn是P型开关管，其工作原理为：当给"驱动板控 制管脚"写1时，则打开开关Kn，断开开关Sn ;写0时，则打开开关Sn，断开开关Kn ;"2号 开关"代表电池阵内部C2n、C2n-l开关的具体硬件实现，C2n-l、C2n、是Ν型开关管，其工作 原理为：当给"驱动板控制管脚"写1时，则闭合开关C2n、C2n+l ;写0时，则打开开关C2n、 C2n+1 ;"3号开关"代表JM_i、JM_i'（i = 1、2、3、4)开关的具体硬件实现，它与"2号开关" 类同。
[0044] 基于上述硬件设计，在控制器上实现一种自重构的控制方法；为了便于叙述放电 过程，将整个放电流程拆分成图2、图3两部分；其中，图2为本发明实施例的放电过程流程 图；图3为本发明实施例中的"均衡模式"过程流程图。下面对图2、图3分述如下：
[0045] 1)整个系统的放电过程流程图如图2所示，其中，各个标记表示的含义如下：
[0046] ①"Vdown"代表"主路电池组集合"中电池端电压的电压下降率，其值按照公式 (1)进行计算。
[0047] ②"V阀值"代表根据单体电池的放电特性设定的端电压下降率阀值。
[0048] ③"BT"代表"主路电池组集合"中电池的温度。
[0049] ④"B阀值"代表"主路电池组集合"中设定的温度上限值。
[0050] ⑤"Vleft"代表"主路电池组集合"中的电池总电压。
[0051] ⑥"Vdc_min"代表图1中"输入/输出部分" DC模块的输入电压范围下限值。
[0052] ⑦"N暂时切除电池组集合"代表"暂时切除电池组集合"中电池的数目。
[0053] 工作过程为：首先闭合开关 JM_1、JM_1'、JM_4、JM_4'，断开 JM_2、JM_2'、JM_3、 JM_3'开关，进入放电模式中；在放电模式开始时，将电池组中所有的电池放入"主路电池组 集合"中，然后进行如下步骤：
[0054] a)每隔一定的时间间隔动态的扫描"主路电池组集合"中每节电池的电压下降速 率是否大于预先设定的下降速率阀值，如果为真，将此节电池由"主路电池组集合"切除到 "暂时切除电池组集合"中；等"主路电池组集合"中所有电池扫描完毕后，进入步骤b)。
[0055] b)每隔一定的时间间隔动态的扫描"主路电池组集合"中每节电池的温度是否大 于预先设定的温度上限值，如果为真，将此节电池由"主路电池组集合"切除到"故障电池组 集合"中；等"主路电池组集合"中所有电池扫描完毕后，进入步骤c)。
[0056] c)判断"主路电池组集合"中的电池的总电压是否小于DC模块输入电压的下限 值，如果为真，将"暂时切除电池组集合"中的多有电池切入到"主路电池组"集合中；然后 进入步骤d)中。
[0057] d)判断"主路电池组集合"中的电池的总电压是否小于DC模块输入电压的下限 值，同时"暂时切除电池组集合"中的电池数目是否为零，如果为真，则进入"均衡模式"过 程；否则重复步骤a)、b)、c)、d)。
[0058] 2) "均衡模式"过程流程图如图3所示，其中，各个标记表示的含义如下：
[0059] ①"Vmean"代表"主路电池组集合"中电池的平均电压。
[0060] ②"N1"代表"主路电池组集合"中电池的数量。
[0061] ③"i" =代表变量，用来存储循环的次数。
[0062] ④" VB_i "代表放电电池组的第i节电池端电压。
[0063] ⑤"V过放"代表放电过程中对每节电池设置的过放电压。
[0064] 工作过程为：放电开始时，首先将变量i置为1 ;然后按照如下步骤进行：
[0065] a)判断第i节电池的端电压VB_i是否小于设定的电池过放保护电压V过放，如果 小于，直接将此电池从"主路电池组集合"中切除；然后进入步骤b)。
[0066] b)判断"主路电池组集合"中的总电压Vleft是否小于DC模块输入电压的下限值 Vdc_min，如果小于，直接结束放电过程；否则进入步骤c)。
[0067] c)按照公另
计算"主路电池组集合"中的平均电压Vmean ;然后 判断"主路电池组集合"中的电池端电压VB_i是否小于Vmean，如果为真，则闭合开关C2i、 C2i+1，并使变量i增加1 ;如果为假，则断开开关C2i、C2i+l，并使变量i增加1。
[0068] d)判断i是否等于N1，如果为真则将变量i置为1 ;然后进入步骤e)。
[0069] e)重复执行步骤 a)、b)、c)、d)。
【主权项】
1. 一种基于电池组自重构的系统，其特征在于：包括电池阵、控制部分及输出输入部 分； 所述电池阵包括电池组、均衡单元；所述的电池组包括单体电池单元集合、开关Sn (η =1、2· · ·Ν :电池阵的数目）； 所述的电池单元包括单体电池及开关Kn(n = 1、2. . . N :电池阵的数目）； 所述的单体电池与开关Kn串联连接； 所述的开关S与电池单元并联连接； 所述的均衡单元包括DC模块1、二极管Dn(n = 1、2. . . 2Ν ;Ν :电池阵的数目）以及开关 〇1(11=1、2...2~#:电池阵的数目）； 所述的DC模块1输出端的正极与二极管D2n+1 (n = 0、1、2. . . N-I ;Ν :电池阵的数目） 的正极连接； 所述的二极管D2n+l(n = 0、1、2…N-I ;Ν:电池阵的数目）的负极与开关C2n+l(n = 0、1、2. ..N-I ;N:电池阵的数目）的一端串联连接； 所述的开关C2n+l(n = 0、1、2. . .N-I ;N :电池阵的数目）另一端与所述的电池单元的 正极连接； 所述的DC模块1输出端的负极与二极管D2n (n = 1、2. . . N-I ;N :电池阵的数目）的负 极连接； 所述的二极管D2n(n = 1、2. ..N;N:电池阵的数目）的正极与开关C2n(n = 1、2. ..N; N :电池阵的数目）的一端串联连接；所述的开关C2n(n = 1、2. . . N ;N :电池阵的数目）另一 端与所述的电池单元的负极连接；所述的开关Kn、开关Sn、开关Cn为MOSFET ; 所述开关Kn、开关Sn是互斥的；所述开关C2n、开关C2n+1是联动的。2. 如权利要求1 一种基于电池组自重构的系统所述的控制部分包括控制器、触摸屏； 所述温度传感器放在所述电池阵中每节单体电池的表面； 所述控制器通过温度传感器检测所述电池阵中每节单体电池的表面温度； 所述电压传感器与所述电池阵中的电池单元并联连接； 所述控制器通过电压传感器检测所述电池阵中每节单体电池的端电压； 所述电流传感器与电池阵的输出端的正极串联连接； 所述控制器通过电流传感器检测所述电池阵的电流； 所述触摸屏与所述控制器相连； 所述控制器还通过电压传感器检测输出输入部分的输出端电压。3. 如权利要求1 一种基于电池组自重构的系统所述的输出输入部分包括宽电压范围 的DC-DC模块2、换向开关； 所述的输出输入部分的输入端的正极为Vin (+)、负极为Vin (-)，输出端的正极为 Vout (+)、负极为 Vout (-); 所述的宽电压范围的DC-DC模块2的输入端的正极为Vi (+)、负极为Vi (-); 所述的宽电压范围的DC-DC模块2的输出端的正极为Vo (+)、负极为Vo (-); 所述的输出输入部分的Vin (+)通过所述的电流传感器与所述的电池阵的正极连接； 所述的输出输入部分的Vin (-)与所述电池阵的负极连接； 所述的换向开关包括（i = 1、2、3、4); 所述的开关JM_4的一端与Vin (+)连接，另一端与Vi (+)连接； 所述的开关JM_2的一端与Vout (+)连接，另一端与Vi (+)连接； 所述的开关JM_3的一端与Vin (+)连接，另一端与Vo (+)连接； 所述的开关JM_1 -端与Vout (+)连接，另一端与Vo (+)连接； 所述的开关JM_4'的一端与Vin (-)连接，另一端与Vi (-)连接； 所述的开关JM_3'的一端与Vout (-)连接，另一端与Vi (-)连接； 所述的开关JM_2'的一端与Vin(-)连接，另一端与Vo(-)连接； 所述的开关JM_1' 一端与Vout (-)连接，另一端与Vo (-)连接； 所述的开关（i = 1、2、3、4)为M0SFET;所述的开关为联动开 关。4. 一种基于电池组自重构的智能控制方法，其特征在于： 电池组被分为"主路电池组集合"、"暂时切除电池组集合"、"故障电池组集合";其中， "主路电池组集合"--电池阵中正常工作的电池组；"暂时切除电池组集合"--电池阵 暂时切除的电池组，适当时再将其切入"主路电池组集合"中；"故障电池组集合"电池 阵中永久切除的电池组，需要维修人员及时的更换。在电池组的充放电过程中，存在四个子 过程：从"主路电池组集合"切入到"暂时切除电池组集合"的过程、从"主路电池组集合"切 入到"故障电池组集合"的过程、从"暂时切除电池组集合"切入到"主路电池组集合"的过 程、"均衡模式"过程； 其步骤如下： 步骤1 :首先判断是否满足从"主路电池组集合"切除到"暂时切除电池组集合"的条 件，如果满足，将单体电池从"主路电池组集合"中切除到"暂时切除电池组集合"中； 步骤2 :判断是否满足从"主路电池组集合"切除到"故障电池组集合"的条件，如果满 足，将单体电池从"主路电池组集合"中切除到"故障电池组集合"中； 步骤3 :判断是否满足从"暂时切除电池组集合"切入"主路电池组集合"条件，如果满 足，将"暂时切除电池组集合"中的所有电池都切入到"主路电池组集合"中； 步骤4 :判断是否满足"均衡模式"条件，如果满足条件，"主路电池组集合"中的电池进 入"均衡模式"过程； 步骤5 :在整个放电过程中，上述过程不断的重复步骤1、2、3、4、5,直到放电结束。5. 如权利4 一种基于电池组自重构的智能控制方法所述的从"主路电池组集合"切入 到 "暂时切除电池组集合"的过程的条件，以放电为例：预先根据单体电池的放电特性，设置 一个电压下降速率阀值^_;按照一定的时间间隔T检测单体电池的端电压，然后按照下述 公式计算每个单体电池的电压下降速_当> V _时，将这节 单体电池从"主路电池组集合"中切除到"暂时切除电池组集合"中。6. 如权利4 一种基于电池组自重构的智能控制方法所述的从"主路电池组集合"切入 到"故障电池组集合"的过程的条件，以放电为例：当"主路电池组集合"中的总电压小于DC 模块的最低电压要求时，将"暂时切除电池组集合"中的所有电池切入到"主路电池组集合" 中。7. 如权利4 一种基于电池组自重构的智能控制方法所述的从"暂时切除电池组集合" 切入到"主路电池组集合"的过程的条件，以放电为例：当"主路电池组集合"中的总电压小 于DC模块的最低电压要求时，将"暂时切除电池组集合"中的所有电池切入到"主路电池组 集合"中。8.如权利4 一种基于电池组自重构的智能控制方法所述的"均衡模式"过程，以放电 为例：一种方式采用由"主路电池组集合"中端电压高的电池给端电压低的电池供电，在此 过程中，动态监测"主路电池组集合"中每节电池的端电压，然后按照端电压由低高的顺序 编号，使最高号给最低号供电、次高号给次低号供电等等依此类推；另一种方式采用由外部 (可以是"主路电池组集合"经DC模块的输出电压）给端电压低的电池供电，在此过程中， 动态监测"主路电池组集合"中每节电池的端电压，然后计算其平均值，对低于平均值的电 池进行供电。
【文档编号】H02J7/00GK105896627SQ201410654747
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年11月5日
【发明人】董云卫, 孙朋朋, 葛永琪, 张健
【申请人】西北工业大学