本发明涉及电动船电源管理技术领域，特别是涉及一种纯电动船用超级锂电容电池管理系统平衡装置。
背景技术：
纯电动船在不同的用途、不同载重吨位、不同航速以及不同续航里程的条件下，其所配置的动力锂电池数量差异是非常大的。
在考虑与燃油船相匹配的前提下，大多数的船舶电池使用量在100节乃至5000多节的使用量。本发明的发明人发现面对如此之大的电池使用量，只能强化对电池单体管理，保证电池使用容量的一致性，切实采用有效的技术手段，做到大数量电池下的容量均衡，其它没有办法可循。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种纯电动船用超级锂电容电池管理系统平衡装置，能够使得系统内各个电池容量保持均衡。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种纯电动船用超级锂电容电池管理系统平衡装置，包括数字控制器、动力锂电池组、电池管理系统，所述动力锂电池组由N节依次串联的锂电池组成，所述电池管理系统与每节锂电池相连，所述数字控制器与电池管理系统相连，所述数字控制器还与能量转移装置相连，所述能量转移装置在数字控制器的控制下将动力锂电池组中容量较多的锂电池的能量转移到动力锂电池组中容量较少的锂电池中。
所述能量转移装置包括超级锂电容、逆变转换器、数位开关控制矩阵、电池单体开关和极性转换开关；所述电池单体开关共有N+1个并依次排序，所述N+1个电池单体开关的一端依次分别连接在串联的动力锂电池的各个节点上，其中，序号为奇数的电池单体开关的另一端与第一母排相连，序号为偶数的电池单体开关的另一端与第二母排相连，所述极性转换开关包括第一正极性开关、第二正极性开关、第一负极性开关和第二负极性开关，所述第一正极性开关的一端和第一负极性开关的一端均与第一母排相连，所述第二正极性开关的一端和第二负极性开关的一端均与第二母排相连，所述第一正极性开关的另一端和第二正极性开关的另一端与超级锂电容的一端相连，所述第一负极性开关和第二负极性开关的另一端与超级锂电容的另一端相连；所述超级锂电容还通过与数字控制器相连的逆变转换器与动力锂电池组相连；所述数字控制器通过数位开关控制矩阵连接电池单体开关和极性转换开关。
所述逆变转换器为DC/DC处理单元。
所述电池单体开关为FATMOS构成的直接联接式电子开关。
所述数字控制器采用DSP和FPGA实现。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过BMS电池管理系统找出最高容量单体电池和最低容量单体电池，利用控制开关，将有多于部份电池容量取下，这部分容量将被传递至超级锂电容上后，再传递至缺少容量的锂电池上，从而使得系统内各个电池容量保持均衡。
附图说明
图1是本发明的结构方框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种纯电动船用超级锂电容电池管理系统平衡装置，如图1所示，包括数字控制器、动力锂电池组、电池管理系统，所述动力锂电池组由N节依次串联的锂电池组成，所述电池管理系统与每节锂电池相连，所述数字控制器与电池管理系统相连，所述数字控制器还与能量转移装置相连，所述能量转移装置在数字控制器的控制下将动力锂电池组中容量较多的锂电池的能量转移到动力锂电池组中容量较少的锂电池中。其中，所述能量转移装置包括超级锂电容、逆变转换器、数位开关控制矩阵、电池单体开关和极性转换开关；所述电池单体开关共有N+1个并依次排序，所述N+1个电池单体开关的一端依次分别连接在串联的动力锂电池的各个节点上，其中，序号为奇数的电池单体开关的另一端与第一母排相连，序号为偶数的电池单体开关的另一端与第二母排相连，所述极性转换开关包括第一正极性开关、第二正极性开关、第一负极性开关和第二负极性开关，所述第一正极性开关的一端和第一负极性开关的一端均与第一母排相连，所述第二正极性开关的一端和第二负极性开关的一端均与第二母排相连，所述第一正极性开关的另一端和第二正极性开关的另一端与超级锂电容的一端相连，所述第一负极性开关和第二负极性开关的另一端与超级锂电容的另一端相连；所述超级锂电容还通过与数字控制器相连的逆变转换器与动力锂电池组相连；所述数字控制器通过数位开关控制矩阵连接电池单体开关和极性转换开关。
所述数字控制器由DSP+FPGA器件构成，以此构成本系统装置的核心要件，本核心部件完成嵌入式内部网络以及与数据总线的联接，并由网络系统实现与外部系统的联接。数字控制器向BMS电池管理系统提取数据，将每一次循环采集获得的数据进行比较分析，确定所需要处理的单体电池：原则上是具有最高容量和最低容量的二个单体电池，该二个单体电池将作为本次处置的选择对象，通过计算还获得需要转移的能量数。数字控制器根据这一信息，确定转移能量的起始容量数量和终止容量数量，依照这一数量，完成对逆变转换器的控制，以获得合适的初始容量。通过所联接的数位开关控制矩阵，发出所确定的具体开关位置。一个能量转移过程在毫秒级的时间段内即可完成，完成能量转移后的测量值，通过BMS电池管理系统再次得以修正。系统因此可以进入下一个轮次的循环，周而复始进行下去，直到将所有单体电池能量获得新的平衡。
动力锂电池组由B1～Bn-1的电池，构成的电池组，是本系统需要平衡的对象，n的取值是取决于电池管理系统芯片的处理能力，本实施方式中，BMS电池管理系统的芯片解析能力是12个，因此取n＝13。值得一提的是，本系统可以对12、24、36，48等电池数进行平衡管理，随着芯片的更新，其数量是可以变更。
BMS电池管理系统通过前后13根联接线，完成对12节电池的数据采集，采集参数为单体电池的电压和电流，通过计算所获得单体电池的电量。本装置所获得的参数通过内部网络完成向数字控制器的数据传输，由数字控制器对这些参数进行比较分析，做出相应的操作处理。
数字控制器在完成数据分析后，即确定了本周期中所需完成的能量转移目标，在本实施方式中，假设系统经过比较分析后，需要将锂电池B2的多余能量转移到锂电池B5中去，实现本轮的能量平衡。数字控制器则依照所设置的时序，通过数位开关控制矩阵完成对电池单体开关K2、K3和K5、K6的操作开通。为了获得正确的电压极性，在配合上述动作时，还需要通过数位开关控制矩阵控制极性开关以进行辅助。
配合平衡过程，本次操作的时序如下(注：未提及的开关均处于断路状态)：
①、极性开关KJ2+、KJ1-闭合：为取锂电池B2上的能量获得正确的电压极性(保持)。
②、单体电池开关K2、K3闭合：开通锂电池B2的联接，此时，能量通过逆变转换器传递至超级锂电容，完成后即断开所有开关。
③、单体电池开关K5、K6闭合：开通锂电池B5的联接(保持)。
④、极性开关KJ1+、KJ2-闭合：为给锂电池B5上传输能量获得正确的电压极性。
以上四个通断过程即为完成电池一对一的能量传递，此类的动作将周而复始，直到将所有电池处于平衡状态为止。上述过程即为数位开关控制矩阵的操作流程。
逆变转换器采用DC/DC处理单元，完成将12节电池的能量取出所需的部份，发送给超级锂电容，传输后的电压等级，传输的能量，由数字控制器给出。
超级锂电容是传输能量的载体，由于出现了超级锂电容，其外部特性具有超级电容和动力锂电池的双重特征，既有功率特性，又能满足动力锂电池的能量传递特性，因此，采用这一电器装置作为能量传输的中继器具，具有稳定性好，电特性参数匹配，控制开关简洁等优势。
为了使第一母排和第二母排能够符合要求的正负极性，通过4极性转换开关完成对电压极性的正确切换，用以保证在所有锂电池单体与超级锂电容的联接时，所对应的极性准确不误。从图1可知，第一母排的电压极性是可以依照KJ1+、KJ2+、KJ1-、KJ2-所不同的联通组合所变化，其极性将与第二母排所互为反向，此目的是为了实现电池单体(B1～B12)，与超级锂电容的电压极性正确。同理第二母排的电压极性也可以依照KJ1+、KJ2+、KJ1-、KJ2-所不同的联通组合所变化。
电池单体开关采用了FATMOS构成的直接联接式电子开关，其结构简单，操控容易，控制电流大(200A),通过选择电压，即能满足所控制的电流，在数位开关控制矩阵的操控下，其顺序是通过数字控制器算法控制，按照顺序实现循环操作，直至所有电池能量获得平衡。
整个控制系统在运行中，将分成如下几个步骤：
第一步，由BMS完成对锂电池组连续动态测试，在数字控制器获得这些参数后，获取最高电压对应的单体电池的容量、并选择相匹配的低容量的单体电池。
第二步，根据所选择的配对电池，数字控制器将给出相对应需要闭合的开关，除了这些需要闭合开关以外，其余所有的开关均处于断开状态(不导通的高阻状态)。
第三步，依照本装置所约定的开关导通时序，完成能量的转换。
第四步，完成此动作后，数字控制器将再一次采集BMS电池管理系统所获得的新容量数据、电压数据。
上述能量传递的方式称之为“主动式能量传递”均衡方式，其优点是，基本无需增加额外的补充能量，在有限范围内就能实现能量的平衡，由于超级锂电容的瞬间功率相对与锂电池大很多，因此，整个传递过程将是在非常短的瞬间完成，当一次平衡完成，又可以进入新的一轮平衡，最后直至将所有管辖的电池全部完成均衡。
本装置是针对了动力锂电池的特性，充分利用锂电池的能量转移特性，采用超级锂电容作为能量转移的载体，又因为超级锂电容兼备了超级电容大功率瞬间转移能量的能力，同时具有长寿命循环寿命长的特点，在本装置利用了超级锂电容作为能量的载体快速进行动态能量传输。
采用“超级锂电容”作为平衡能量载体还有个好处是，其电压值是可以浮动的，采用浮动均衡电压后，其控制接通的开关就变得非常的简捷，只需完成简单的通断即可达到所需目的(在本发明中，采用了单个的FATMOS器件)，这对于本发明中的众多开关数量来说，系统将变得简单可靠。