一种电池组应用节点及矩阵电池管理系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种电池组应用节点及矩阵电池管理系统，所述节点是由第一开关、第二开关和第三开关线路连接组成的电路板，在该电路板上设有五个连接点，其中A、B、C、D四个连接点为单接点，用于连接动力线路；Z为复合接点，用于连接通讯总线以及选择性连接传感器，所述矩阵电池管理系统中节点两侧分别连接有电池单体，其中该电池组应用节点的第一连接点连接左端电池单体的正极，其第二连接点连接右端电池单体的负极，所述电池组应用节点的第五连接点通过通讯总线与总控制器线路连接，通过统一切换所述节点的3个开关来实现并联或组合充电、组合放电的操作，当电池组由多组串联组所组成时，通过灵活的控制各个节点状态，可以实现对任意串联组的充电、放电以及断开操作。
【专利说明】—种电池组应用节点及矩阵电池管理系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及中大规模电池组管理应用领域，尤其是一种电池组应用节点及矩阵电池管理系统。
【背景技术】
[0002]电池组在我们的日常生活中应用十分广泛，小到电视遥控器、电子玩具和，手电筒大到电动汽车、银行备用电源、通信机房、雷达站和广电机房等等都需要使用电池组。然而，随着中大规模电池组的应用使得现有电池管理系统的弊端显现出来。
[0003]在电池组中，单体之间的差异总是存在的，以容量为例，其差异性永不会趋于消失，而是逐步恶化的，电池组中流过同样电流，相对而言，容量大者总是处于相对小电流浅充浅放、趋于容量衰减缓慢、寿命延长，而容量小者总是处于相对大电流过充过放、趋于容量衰减加快、寿命缩短，两者之间性能参数差异越来越大，形成正反馈特性，小容量提前失效，导致电池组寿命缩短。
[0004]可见，电池组无论采用先并联后串联还是先串联后并联的连接方式，都会涉及到如下问题:对于串联方式的连接，现阶段无法对每一个串联单元进行电流控制，因而充电完成时，不能保证每个串联单元都达到充满状态，而电池组总容量将由容量最小的串联单元决定，这直接影响整个电池组的工作效能和使用寿命。而对于电池组寿命缩短后的使用问题，现阶段也只有通过更换新的电池组来解决，这不可避免的增加了使用成本。
[0005]矩阵电池组即对电池组进行矩阵形布置，申请号200910096144.0、201010161351.2,201210136094.6的专利申请文件中分别对电池组的性能做了优化，但上述技术问题仍然无法得到很好的解决。
实用新型内容
[0006]本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种电池组应用节点。
[0007]本实用新型所要解决的另一技术问题在于提供具有上述电池组应用节点的矩阵电池管理系统。
[0008]为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是:
[0009]一种电池组应用节点，是由第一开关(K1)、第二开关(K2)和第三开关(K3)线路连接组成的电路板，在该电路板上设有五个连接点，其中第一连接点(A)、第二连接点(B)、第三连接点(D)、第四连接点(C)为单接点，用于连接动力线路，第五连接点(Z)为复合接点，用于连接通讯总线以及选择性连接传感器，所述第一连接点(A)和第二连接点(B)设置于所述第一开关两端，即所述第一开关用于联通该第一连接点和第二连接点，进而分别联通其左右两端的待连接电池的正极和负极，第三连接点(D)设置于第一连接点(A)和第二连接点(B)之间近第二开关(K2)、远第一开关(Kl)端，即所述第二开关用于联通该第三连接点，进而联通充电电源的正极，第四连接点(C)设置于第一连接点(A)和第二连接点(B)之间近第三开关(K3)、远第一开关(Kl)端，即所述第三开关用于联通该第四连接点，进而联通充电电源的负极，所述第五连接点(Z)设置于所述第二连接点(B)和第三连接点(D)之间。
[0010]上述系电池组应用节点基础结构，可在此基础结构之上附加测量电路以连接传感器，所述传感器用于实现对所管辖区域里电池的保护以及参数的测量(比如温度、电流、电压等)，优选为温度传感器，所述传感器控制线路与第五连接点(Z)连接。
[0011]具有上述电池组应用节点的矩阵电池管理系统，包括总控制器、电池组应用节点和电池单体，所述电池组应用节点两侧分别连接有电池单体，其中该电池组应用节点的第一连接点(A)连接左端电池单体的正极，其第二连接点(B)连接右端电池单体的负极，所述电池组应用节点的第五连接点(Z)通过通讯总线与总控制器通讯。
[0012]优选的，上述矩阵电池管理系统，所述电池单体可以是单一电池也可以是由单一电池并联而成的电池组。
[0013]优选的，上述矩阵电池管理系统，包括若干由电池单体和电池组应用节点交替排列形成的串联单元、总控制器(所述总控制器是一种可以执行逻辑程序的执行单元，该控制器内设有单片机)和电源，所述各串联单元之间并联连接，每个串联单元上的各电池组应用节点均通过其第五连接点(Z)通过通讯总线与总控制器线路连接。
[0014]优选的，上述矩阵电池管理系统，所述电源为可变输出电压电源；所述总控制器负责整个电池系统与外部环境的链接，其主要功能包括:测量电池系统的电压、电流；控制可变输出直流开关电源(比如台湾MEANWELL品牌的SPV-300-SPEC，以后简称电源)的输出电压；通过判断外部供电状况以切换电池系统与负载还是电源进行链接；提供短路、过载、反接、欠压、过压等保护功能，其内部设置有用于测量整个电池系统总的电压、电流的测量电路，与各串联单元进行控制的控制电路，提供短路、过载、反接、欠压、过压等保护功能的保护电路。
[0015]优选的，上述矩阵电池管理系统，所述总控制器可控制充电电源的输出电压以配合电池系统组态变化对充电电压的要求。
[0016]上述矩阵电池管理系统的充放电的实现方法，具体实现步骤如下:通过统一切换上述所有电池组应用节点的3个开关来实现并联或组合充电、组合放电的操作，即放电时:第一开关Kl闭合，第二开关K2、第三开关K3断开；充电时:第一开关Kl断开，第二开关K2、第三开关K3闭合，所述切换开关的指令以及每个电池组应用节点的工作数据扫描由总控制器通过通讯总线下发指令完成。
[0017]上述矩阵电池管理系统的充放电的实现方法，具体实现步骤如下:
[0018]放电过程:
[0019](I)总控制器通过网络广播，通知所有节点切换到放电状态，即Kl闭合，K2、K3断开，此时整个电池系统状态切换完毕；
[0020](2)总控制器对电池组的状态进行扫描，包括电压、电流、温度和/或节点异常，在确定电池组正常后，接通负载，对外供电；
[0021](3)供电过程中总控制器继续扫描电池组的状态，包括电压、电流、温度和/或节点异常，并通过测量电池组电压推算其剩余电量、通过测量温度和电流提供保护和/或通过节点异常扫描确定某个电池单体的失效；
[0022](4)当总控制器测量到电池组电压过低时，表明电池组需要充电，此时总控制器将切断负载，等待充电；
[0023]充电过程:
[0024](I)总控制器检测到充电电源已正确连接后，测量整个电池系统的开路电压，如果开路电压较低，则说明电池组剩余电量较少；反之，则说明电池组还有较多的剩余电量。
[0025](2)如果剩余电量较多或者用户希望直接进行低压并联充电时可跳至下述步骤
(7)，否则将先行高压恒流充电；
[0026](3)步骤(2)所述高压恒流充电过程:总控制器保持电池组中各个电池组应用节点的连接状态不变，测量整个电池系统的开路电压并控制可变输出电压电源输出一个相同的电压，此时电路中没有宏观电流流通；
[0027](4)总控制器控制可变输出电压电源逐步提高输出电压，此时电池系统处于充电状态，在电源逐步提高输出电压的过程中，充电电流也在逐步提升，当总控制器检出充电电流达到电池组的预设充电电流时，将保持电源的输出电压，此时充电电流趋于稳定；
[0028](5)电池组在继续充电过程中，自身电压也会升高，由于充电电压不变，电池组的充电电流会下降，此时，总控制器会继续提升电源的输出电压以保持充电电流稳定在预设值；
[0029]( 6 )如此往复上述步骤(4)、( 5 )的控制过程，直到电池组的充电电压达到某一预设值，标志着该电池组的高压恒流充电过程结束；
[0030](7)总控制器将断开充电电源，通过网络广播，通知所有电池组应用节点切换到低压充电状态，即Kl断开，K2、K3闭合，此时所有电池单体都并联在一起，准备低压并联充电；
[0031](8)低压并联充电过程:总控制器测量整个电池系统的开路电压并控制可变输出电压电源输出一个相同的电压，此时电路中没有宏观电流流通；
[0032](9)总控制器控制可变输出电压电源逐步提高输出电压，此时电池系统处于充电状态，在电源逐步提高输出电压的过程中，充电电流也在逐步提升，当总控制器检出充电电流达到电池组的预设充电电流或达到电源最大输出电流时，将保持电源的输出电压，此时充电电流趋于稳定；
[0033](10)电池组在充电过程中，自身电压也会升高，由于充电电压不变，电池组的充电电流会下降，此时，总控制器会继续提升电源的输出电压以保持充电电流的稳定；
[0034]( 11)当充电电压达到整个并联电池组的最大允许充电电压时，总控制器不再提升电源电压，此时，电池组进入恒压充电状态，进入此状态后，充电电流将逐步减小；
[0035](12)当总控制器检出充电电流小于某一预设值时，即可判定电池系统充电完毕，总控制器将首先断开充电电源，而后通过网络广播，通知所有节点切换到放电状态，即Kl闭合，Κ2、Κ3断开，至此电池组又实现对外放电。
[0036]优选的，上述矩阵电池管理系统的充放电的实现方法，所述放电过程的步骤(I)中Κ2、Κ3先行断开，在确认断开无误后再闭合Kl。
[0037]优选的，上述矩阵电池管理系统的充放电的实现方法，所述充电过程的步骤(7)中Kl先行断开，在确认断开无误后再闭合Κ2、Κ3。
[0038]本实用新型的有益效果是:
[0039]本实用新型所述电池组应用节点结构简单，体积小巧，易于制造，所有元件都可采用固态电子元件，可靠性很高，完全可以与电池单体集成，可以与电池集成封装为智能电池，只需预留简单的通讯接口，就可以使未来出厂的电池以任何组态方式接受总控制器的控制，非常适合于规模化工业生产的需要；所述矩阵电池管理系统的系统架构为节点-总控制器，节点可以与电池单体集成，使得电池厂家的生产工作和电池管理系统的研发制造工作得以分开进行，且该系统可以使矩阵电池系统内的每个电池单体都在充电过程结束时同时充满，真正实现了电池矩阵的恒流-恒压-浮充过程，大大提高了整个电池组的工作效能和使用寿命，当发现个别电池单体出现故障时，可以轻松去除并更换新的电池单体，不需要对整个电池组进行更换，节约了使用成本。特别值得注意的是，当电池组由多组串联组所组成时，通过灵活的控制各个节点状态，可以实现对任意串联组的充电、放电以及断开操作，这意味着对某一串联组进行放电时，另一串联组可以同时进行并联充电或者更换电池的操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1是本实用新型所述电池组应用节点(电路板)的线路连接关系示意图；
[0041]图2是本实用新型所述矩阵电池管理系统的线路连接关系示意图。
[0042]图中:Kl-第一开关K2-第二开关K3-第三开关
[0043]A-第一连接点B-第二连接点C-第四连接点
[0044]D-第三连接点Z-第五连接点T-通讯总线
【具体实施方式】
[0045]为了使本领域的技术人员更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图及【具体实施方式】(3 X 6的电池矩阵系统为例)对本实用新型所述技术方案作进一步的详细说明。
[0046]实施例1
[0047]如图1所示，所述电池组应用节点，是由第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3线路连接组成的电路板，在该电路板上设有五个连接点，其中第一连接点A、第二连接点B、第三连接点D、第四连接点C为单接点，用于连接动力线路，第五连接点Z为复合接点，用于连接通讯总线，所述第一连接点A和第二连接点B设置于所述第一开关两端，即所述第一开关Kl用于联通该第一连接点A和第二连接点B，进而分别联通其左右两端的两块待连接电池的正极和负极，第三连接点D设置于第一连接点A和第二连接点B之间近第二开关K2、远第一开关Kl端，即所述第二开关用于联通该第三连接点，进而联通充电电源的正极，第四连接点C设置于第一连接点A和第二连接点B之间近第三开关K3、远第一开关Kl端，即所述第三开关用于联通该第四连接点C，进而联通充电电源的负极，所述第五连接点Z设置于所述第二连接点B和第三连接点D之间，用于连接通讯总线T，进而与总控制器进行信息交互。
[0048]此外，上述系电池组应用节点，可在此基础结构之上附加测量电路以连接传感器，所述传感器用于实现对所管辖区域里电池的保护以及参数的测量(比如温度传感器，用于过热保护)，所述传感器控制线路与第五连接点(Z)连接。
[0049]整个工作过程简述如下:
[0050]使用所述电池组应用节点时，节点有以下几个连接点，分别是:
[0051]第一连接点A:连接左端电池正极；[0052]第二连接点B:连接右端电池负极；
[0053]第四连接点C:连接充电电源负极；
[0054]第三连接点D:连接充电电源正极；
[0055]第五连接点Z:连接通讯总线T ；
[0056]节点内有3个开关，分别是:
[0057]第一开关Kl:负责联通AB端，既左右电池正负极；
[0058]第二开关K2:负责联通D端，即充电电源正极；
[0059]第三开关K3:负责联通C端，即充电电源负极。
[0060]充电时:第一开关Kl断开，第二开关K2、第三开关K3闭合；
[0061]放电时:第一开关Kl闭合，第二开关K2、第三开关K3断开。
[0062]此外，上述节点由单片机控制，可以附加温度、电压、电流等检测和保护功能并通过通讯总线T上传相关数据。
[0063]实施例2
[0064]如图2所示，具有实施例1所述电池组应用节点的矩阵电池管理系统，包括总控制器、电池组应用节点和电池单体，所述电池组应用节点两侧分别连接有电池单体，该电池组应用节点的第一连接点A连接左端电池单体的正极，其第二连接点B连接右端电池单体的负极，所述电池组应用节点的第五连接点Z通过通讯总线T与总控制器线路连接，所述矩阵电池管理系统包括若干由电池单体和电池组应用节点交替排列形成的串联单元、总控制器和可变输出直流开关电源(台湾MEANWELL SPV-300-SPEC)，所述总控制器(PLC)是一种可以执行逻辑程序的执行单元，该控制器内设有单片机(西门子200系列CPU)，可控制充电电源的输出电压以配合电池系统组态变化对充电电压的要求，所述总控制器负责整个电池系统与外部环境的链接，其主要功能包括:测量电池系统的电压、电流；控制电源的输出电压；通过判断外部供电状况以切换电池系统与负载还是电源进行链接；提供短路、过载、反接、欠压、过压等保护功能，其内部设置有用于测量整个电池系统总的电压、电流的测量电路，与各串联单元进行控制的控制电路，提供短路、过载、反接、欠压、过压等保护功能的保护电路，所述各串联单元之间并联连接，每个串联单元上的各电池组应用节点均通过其第五连接点Z利用通讯总线T与总控制器线路连接。
[0065]实施例3
[0066]实施例2所述矩阵电池管理系统的充放电的实现方法，实现步骤如下:
[0067]通过统一切换上述所有电池组应用节点的3个开关来实现并联或组合充电、组合放电的操作，即放电时:第一开关Kl闭合，第二开关K2、第三开关K3断开；充电时:第一开关Kl断开，第二开关K2、第三开关K3闭合，所述切换开关的指令以及每个电池组应用节点的工作数据扫描由总控制器通过通讯总线T下发指令完成。
[0068]具体工作过程包括如下步骤:
[0069]放电过程:
[0070](I)总控制器通过网络广播，通知所有节点切换到放电状态，即第二开关K2、第三开关K3先行断开，在确认断开无误后再闭合第一开关K1，此时整个电池系统状态切换完毕；
[0071](2)总控制器对电池组的状态进行扫描，包括电压、电流、温度和/或节点异常，在确定电池组正常后，接通负载，对外供电；
[0072](3)供电过程中总控制器继续扫描电池组的状态，包括电压、电流、温度和/或节点异常，并通过测量电池组电压推算其剩余电量、通过测量温度和电流提供保护和/或通过节点异常扫描确定某个电池单体的失效；
[0073](4)当总控制器测量到电池组电压过低时，表明电池组需要充电，此时总控制器将切断负载，等待充电；
[0074]充电过程:
[0075](I)总控制器检测到充电电源已正确连接后，测量整个电池系统的开路电压，如果开路电压较低，则说明电池组剩余电量较少；反之，则说明电池组还有较多的剩余电量。
[0076](2)如果剩余电量较多或者用户希望直接进行低压并联充电时可跳至下述步骤
(7)，否则将先行高压恒流充电；
[0077](3)步骤(2)所述高压恒流充电过程:总控制器保持电池组中各个电池组应用节点的连接状态不变，测量整个电池系统的开路电压并控制可变输出电压电源输出一个相同的电压，此时电路中没有宏观电流流通；
[0078](4)总控制器控制可变输出电压电源逐步提高输出电压，此时电池系统处于充电状态，在电源逐步提高输出电压的过程中，充电电流也在逐步提升，当总控制器检出充电电流达到电池组的预设充电电流时，将保持电源的输出电压，此时充电电流趋于稳定；
[0079](5)电池组在继续充电过程中，自身电压也会升高，由于充电电压不变，电池组的充电电流会下降，此时，总控制器会继续提升电源的输出电压以保持充电电流稳定在预设值；
[0080](6 )如此往复上述步骤(4 )、( 5 )的控制过程，直到电池组的充电电压达到某一预设值，标志着该电池组的高压恒流充电过程结束；
[0081](7)总控制器将断开充电电源，通过网络广播，通知所有电池组应用节点切换到低压充电状态，即第一开关Kl先行断开，在确认断开无误后再闭合第二开关K2、第三开关K3，此时所有电池单体都并联在一起，准备低压并联充电；
[0082](8)低压并联充电过程:总控制器测量整个电池系统的开路电压并控制可变输出电压电源输出一个相同的电压，此时电路中没有宏观电流流通；
[0083](9)总控制器控制可变输出电压电源逐步提高输出电压，此时电池系统处于充电状态，在电源逐步提高输出电压的过程中，充电电流也在逐步提升，当总控制器检出充电电流达到电池组的预设充电电流或达到电源最大输出电流时，将保持电源的输出电压，此时充电电流趋于稳定；
[0084](10)电池组在充电过程中，自身电压也会升高，由于充电电压不变，电池组的充电电流会下降，此时，总控制器会继续提升电源的输出电压以保持充电电流的稳定；
[0085]( 11)当充电电压达到整个并联电池组的最大允许充电电压时，总控制器不再提升电源电压，此时，电池组进入恒压充电状态，进入此状态后，充电电流将逐步减小；
[0086](12)当总控制器检出充电电流小于某一预设值时，即可判定电池系统充电完毕，总控制器将首先断开充电电源，而后通过网络广播，通知所有节点切换到放电状态，即第一开关Kl闭合，第二开关K2、第三开关K3断开，至此电池组又实现对外放电。
[0087]上述参照【具体实施方式】对该一种电池组应用节点及矩阵电池管理系统进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，例如，在上述电池组应用节点基础结构之上附加测量电路以连接传感器，所述传感器用于实现对所管辖区域里电池的保护以及温度、电流、电压等参数的测量，因此在不脱离本实用新型总体构思下的变化和修改，应属本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种电池组应用节点，其特征在于:是由第一开关(K1)、第二开关(K2)和第三开关(K3 )线路连接组成的电路板，在该电路板上设有五个连接点，其中第一连接点(A)、第二连接点(B)、第三连接点(D)、第四连接点(C)为单接点，用于连接动力线路，第五连接点(Z)为复合接点，用于连接通讯总线以及选择性连接传感器，所述第一连接点(A)和第二连接点(B)设置于所述第一开关两端，即所述第一开关用于联通该第一连接点和第二连接点，进而分别联通其左右两端待连接的两块电池的正极和负极，第三连接点(D)设置于第一连接点(A)和第二连接点(B)之间近第二开关(K2)、远第一开关(Kl)端，即所述第二开关用于联通该第三连接点，进而联通充电电源的正极，第四连接点(C)设置于第一连接点(A)和第二连接点(B)之间近第三开关(K3)、远第一开关(Kl)端，即所述第三开关用于联通该第四连接点，进而联通充电电源的负极，所述第五连接点(Z)设置于所述第二连接点(B)和第三连接点(D)之间。
2.具有权利要求1所述电池组应用节点的矩阵电池管理系统，其特征在于:包括总控制器、电池组应用节点和电池单体，所述电池组应用节点两侧分别连接有电池单体，其中该电池组应用节点的第一连接点(A)连接左端电池单体的正极，其第二连接点(B)连接右端电池单体的负极，所述电池组应用节点的第五连接点(Z)通过通讯总线与总控制器通讯。
3.根据权利要求2所述的矩阵电池管理系统，其特征在于:所述电池单体可以是单一电池也可以是由单一电池并联而成的电池组。
4.根据权利要求2所述的矩阵电池管理系统，其特征在于:包括若干由电池单体和电池组应用节点交替排列形成的串联单元、总控制器和电源，所述各串联单元之间并联连接，每个串联单元上的各电池组应用节点均通过其第五连接点(Z)通过通讯总线与总控制器线路连接。
5.根据权利要求2所述的矩阵电池管理系统，其特征在于:所述电源为可变输出电压电源；所述总控制器负责整个电池系统与外部环境的链接，其主要功能包括:测量电池系统的电压、电流；控制可变输出直流开关电源的输出电压；通过判断外部供电状况以切换电池系统与负载还是电源进行链接；提供短路、过载、反接、欠压、过压等保护功能，其内部设置有用于测量整个电池系统总的电压、电流的测量电路，与各串联单元进行控制的控制电路，提供短路、过载、反接、欠压、过压等保护功能的保护电路。
6.根据权利要求2所述的矩阵电池管理系统，其特征在于:所述总控制器可控制充电电源的输出电压以配合电池系统组态变化对充电电压的要求。
【文档编号】H02J7/00GK203574408SQ201320682578
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】薛可扬 申请人:薛可扬