一种智能电池系统的制作方法

本发明涉及新能源电池管理领域，特别涉及一种智能电池系统。

背景技术：

电池自发明以来得到广泛应用，尤其是以锂电池为代表的动力型电池的应用范围越来越广，从工业储能、电动交通工具甚至扩展到家用储能。虽然得到了广泛应用，但是单个电池的状态评估和串联成组使用一直都是一个较为专业（困难，高成本）的事情。比如说电池的剩余电量（soc），需要用专业的放电仪恒流放电后才知道，但这时对应用已经没有意义了，因为电量已经放掉了；再比如说电池的健康度（soh），更是难有一个设备可以直接测量。如何可以很容易的以一个低成本快速知道它的剩余容量和健康度，这个问题一直无解。在动力型应用中，电池通常都是多个串联起来使用，在使用过程中，电池的不一致性不断趋向恶化也是一个影响使用的大问题，常常出现大部分电池还有电却因为某一串电池没电造成整组电池无法使用的情况。如果可以从工程上解决这些问题，每个电池既可以随时与用户进行数据交互，又可以方便的串联在一起均衡能量（主动均衡，即对整组电池来讲，可以做到高能量电池的能量转移给低能量电池的效果）解决不一致性的问题（甚至是电量都不相同的电池都可以串联在一起使用到每个电池都同时没电），那么从单独一串电池的角度来看，这个电池就是智能的，因为它可以让用户方便的知道电池的状态，也可以和其他电池串联成组并自动交换能量以保证整组最长的工作时间。智能电池的最大好处是电池可以成为标准电池，不管是工业应用还是民用，都可以大大降低成组使用的难度和成本。

现有技术中，也有通过能量转移的方法解决电池串联使用不一致的问题。但是现有的技术有3个缺陷，第一个缺陷是电池从成组状态拆分成单独无连接的状态时，每个电池的数据无法在电池本地获得；第二是需要事先知道要成组电池的串数，然后再按照这个串数定制一套电路才能适应这个电池组，也就是说电池没办法自适应成组；第三个缺陷是增加相关的电池管理设备（电路）需要定制，连线众多，无法标准化。以上三个缺陷使得在电池应用时，仍然需要专业人员和机构操作并付出较高的成本，无法实现智能电池的功能。比如说电动汽车的电池，参照燃油车，就是油箱汽油，应该是标准的可以方便获得，但是目前无法实现，选了哪个品牌的电动车，就必须得使用其配套的电池组，无法更换；而如果使用智能电池，只要是同一型号的，就可以方便的互换。再说电动汽车的退役电池（soh在70%左右，即充满电后的电量是标称的70%），目前无法梯次利用，因为重新成组的成本超过了用新电池，只能报废回收处理，浪费了资源。而如果使用智能电池，就可以迅速挑选出可用电池，方便的重组，降低了梯次利用的成本，节约了资源。

因而现有技术还有待改进和提高。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种智能电池系统，可直接通过两根总线管理一组电池，使电量高的电池给电量低的电池供电，实现能量均衡。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种智能电池系统，包括：

至少一个电池模块；

与电池模块的数量相同并安装在所述电池模块上的管理模块，用于记录与其连接的电池模块的剩余电量和健康度，并在检测到控制器发送的第一驱动信号或第二驱动信号合格时导通；

至少一个控制器，用于发出第一驱动信号至管理模块使各个管理模块导通并依次计算出各个电池模块的剩余电量，并发出第二驱动信号控制与指定的电池模块连接的管理模块导通，以使各个电池模块串联形成的电池串联组给指定的电池模块充电；

正负连接总线；

其中，所述电池模块串联形成的电池串联组的正极和负极均连接控制器，各个电池模块的正极和负极均与该电池模块连接的管理模块连接，各个管理模块和控制器还均通过正负连接总线并联。

所述的智能电池系统中，所述控制器包括：

第一驱动电路，用于发出第一驱动信号或第二驱动信号至负连接总线，并通过负连接总线将第一驱动信号或第二驱动信号发送至各个管理模块；

线性隔离电路，用于将电池模块的电压转换为与控制器同地的电压信号，并输送至第一控制芯片；

隔离dc/dc电路，用于导通使各个电池模块串联形成的电池串联组给指定的电池模块充电；

电流传感器，用于检测各个电池模块串联形成的电池串联组的放电电流；

第一控制芯片，用于控制第一驱动电路和隔离dc/dc电路的工作状态，并接收线性隔离电路发送的电压信号以及电流传感器检测的放电电流以计算出各个电池模块的剩余电量；

其中，所述第一驱动电路、线性隔离电路、隔离dc/dc电路和电流传感器均连接所述第一控制芯片，所述第一驱动电路和线性隔离电路均还连接负连接总线，所述隔离dc/dc电路还连接正负连接总线。

所述的智能电池系统中，所述管理模块包括：

第一开关；

第二开关；

检测电路，用于检测控制器发送的第一驱动信号或第二驱动信号是否合格；

第二驱动电路，用于控制第一开关和第二开关的导通与断开；

第二控制芯片，用于记录电池模块的剩余电量和健康度；

所述第一开关的一端连接正连接总线，所述第一开关的另一端连接电池模块的正极，所述第二开关的一端连接负连接总线，所述第二开关的另一端连接电池模块的负极，所述第一开关的控制端、第二开关的控制端和检测电路均连接第二驱动电路，所述检测电路还连接负连接总线，所述第二驱动电路还连接第二控制芯片。

优选的，所述的智能电池系统还包括用于与管理模块和控制器通信的人机交互设备，所述人机交互设备与所述管理模块和控制器通信连接。

所述的智能电池系统中，所述控制器还包括第一通讯接口和第一通讯处理电路，所述人机交互设备通过所述第一通讯接口与所述控制器通信，所述第一控制芯片连接所述第一通讯接口和第一通讯处理电路，所述第一通讯处理电路连接正连接总线。

所述的智能电池系统中，所述管理模块还包括第二通讯接口和第二通讯处理电路，所述人机交互设备通过所述第二通讯接口与所述管理模块通信，所述第二控制芯片连接所述第二通讯接口，所述第二通讯接口连接所述第二通讯处理电路，所述第二通讯处理电路连接正连接总线。

所述的智能电池系统中，所述控制器还包括用于将电池串联组输出的电压进行处理并输出给第一控制芯片的dc/dc电路，所述dc/dc电路与所述电池串联组的正极和负极相连，所述第一控制芯片还连接所述dc/dc电路。

所述的智能电池系统中，所述管理模块还包括用于检测电池模块的温度信息的温度传感器，所述温度传感器连接所述第二控制芯片。

所述的智能电池系统中，所述人机交互设备与所述控制器通信的内容至少包括电池类型、充电电压极限值、放电电压极限值、温度极限值、充电电流极限值和放电电流极限值。

所述的智能电池系统中，所述人机交互设备与所述管理模块通信的内容至少包括电池剩余电量、电池健康度、电池深度充放电次数、累计放电量和电池极限温度工作时间。

相较于现有技术，本发明提供的智能电池系统，包括至少一个电池模块、与电池模块的数量相同并安装在所述电池模块上的管理模块、至少一个控制器以及正负连接总线，其中，所述电池模块串联形成的电池串联组的正极和负极均连接控制器，各个电池模块的正极和负极均与该电池模块连接的管理模块连接，各个管理模块和控制器还均通过正负连接总线并联。本发明通过利用两根连接总线即实现了数据和能量传输，而且通过两根连接总线实现将高能量的电池的能量转移给低能量的电池，做到了主动均衡，可延长电池的寿命，而且成本较低，对电池利用率高。

附图说明

图1为本发明提供的智能电池系统的原理框图。

图2为本发明提供的智能电池系统中，所述管理模块的原理框图。

具体实施方式

本发明提供一种智能电池系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明提供的一种智能电池系统，包括至少一个电池模块1、与电池模块1的数量相同并安装在所述电池模块1上的管理模块2、至少一个控制器3以及正负连接总线4，所述正负连接总线4包括正连接总线41和负连接总线42，其中，所述电池模块1串联形成的电池串联组的正极和负极均连接控制器3，各个电池模块1的正极和负极均与该电池模块1连接的管理模块2连接，各个管理模块2和控制器3还均通过正负连接总线42并联。其中，管理模块是4端口设计，2个端口连接电池模块正负极，2个端口连接总线正负极，也就是说所有的电池管理模块和控制器都通过总线并联。

具体来说，各个电池模块1串联形成一个电池串联组，每个电池模块1一般是有多个单体电池并联形成，可以做到3.7v/3.2v(三元锂电/磷酸铁锂)、几十到几百ah的容量；所述管理模块2与电池模块1安装在一起成为一体化的结构，管理模块2安装在电池模块1上成为一体不再拆卸除非需要维修，即每一个电池模块1上都有一个管理模块2，管理模块2是一个四端口设备，两个端口连接电池模块1的正负极，两个端口分别连接正负连接总线，所述管理模块2用于记录与其连接的电池模块的剩余电量和健康度，并在检测到控制器3发送的第一驱动信号或第二驱动信号合格时导通；所述控制器3为独立在所述电池模块1和管理模块2之外的设备，具体用于发出第一驱动信号至管理模块2使各个管理模块2导通（依次与总线导通）并依次计算出各个电池模块的剩余电量（具体通过获得电压数据确定），并发出第二驱动信号控制与指定的电池模块连接的管理模块2导通（具体通过总线与隔离dc/dc模块导通），以使各个电池模块1串联形成的电池串联组给指定的电池模块1充电，其中，所述管理模块2和正负连接总线4、控制器3和正负连接总线4都通过螺丝螺孔连接；所述正负连接总线4用来传输信号和能量，可由普通合规电线分段构成，采用两线制，可由用户自己制作。指定的电池模块选择为电量最低的电池模块。

本发明通过利用两根连接总线即实现了数据和能量传输，而且通过利用控制器来发出信号至管理模块，可使得控制器获得各个电池模块的电压数据，再汇同电流数据计算出各个电池模块的剩余电量，然后控制器再分析处理后，发出信号至指定的电池模块的管理模块，实现将高能量的电池的能量（通过整组电池）转移给低能量的电池，做到了主动均衡，从而可延长电池的寿命，而且成本较低，对电池利用率高。

具体的，请继续参阅图1，所述控制器3包括第一驱动电路31、线性隔离电路32、隔离dc/dc电路33、电流传感器34和第一控制芯片35，其中，所述第一驱动电路31、线性隔离电路32、隔离dc/dc电路33和电流传感器34均连接所述第一控制芯片35，所述第一驱动电路31和线性隔离电路32均还连接负连接总线42，所述隔离dc/dc电路33还连接正负连接总线4。

具体来说，所述第一驱动电路31用于发出第一驱动信号或第二驱动信号至负连接总线，并通过负连接总线将第一驱动信号或第二驱动信号发送至每个管理模块2；所述线性隔离电路32用于将电池模块1的电压转换为与控制器3同地的电压信号，并输送至第一控制芯片35；所述隔离dc/dc电路33用于在和指定的管理模块导通时使各个电池模块1串联形成的电池串联组给该电池模块1充电，所述隔离dc/dc电路33平时为关闭状态，只有在需要进行均衡能量时才打开；所述电流传感器34用于检测各个电池模块串联形成的电池串联组的充放电电流，其为非接触式电流传感器，可不用直接接触即可获取电池串联组的放电或充电电流；所述第一控制芯片35用于控制第一驱动电路31和隔离dc/dc电路33的工作状态，并接收线性隔离电路32发送的电池模块电压信号以及电流传感器34检测的充放电电流以计算出各个电池模块1的剩余电量；所述第一驱动电路31、线性隔离电路32和隔离dc/dc电路33的具体电路原理为现有技术，可采取现有的多种方式进行实施，本发明在此不再对其进行详细描述，所述第一控制芯片35采用现有的控制芯片即可，本发明在此也不再对其进行详细描述。

请参阅图1和图2，所述管理模块2包括第一开关21、第二开关22、检测电路23、第二驱动电路24和第二控制芯片25，所述第一开关21的一端连接正连接总线41，所述第一开关21的另一端连接电池模块1的正极，所述第二开关22的一端连接负连接总线42，所述第二开关22的另一端连接电池模块1的负极，所述第一开关21的控制端、第二开关22的控制端和检测电路23均连接第二驱动电路24，所述检测电路23还连接负连接总线42，所述第二驱动电路24还连接第二控制芯片25。

具体来说，所述第一开关21用于控制电池模块1的正极与正连接总线41的导通状态；所述第二开关22用于控制电池模块1的负极与负连接总线42的导通状态，具体使用时，所述第一开关21和第二开关22可采用mos管等功率开关元件，另外，为了增加电路的安全性，所述第一开关21与电池模块1的正极之间、所述第二开关22与电池模块1的负极之间均还可设置一个保险丝，用来保护电器元件的安全；所述检测电路23用于检测控制器3发送的第一驱动信号或第二驱动信号是否合格；所述第二驱动电路24用于控制第一开关21和第二开关22的导通与断开；所述第二控制芯片25用于记录电池模块1的剩余电量和健康度以及累计放电量等数据；需要说明的是，本发明所采用的检测电路23和第二驱动电路24的电路原理均为现有技术，可采取现有的多种方式进行实施，本发明在此不再对其进行详细描述，所述第二控制芯片25采用现有的控制芯片即可，本发明在此也不再对其进行详细描述。

在具体应用时，针对多个电池模块1串联的电池组来说，控制器3首先依次检测各个电池模块1的电压，通过第一控制芯片35控制第一驱动电路31发出第一驱动信号至负连接总线42，本发明中，各个电池模块1的电压是依次检测的，即每次只检测一个电池模块1的电压，所以在第一驱动电路31发出第一驱动信号后，所有管理模块2通过其检测电路23检测第一驱动信号，如果检测通过（每个时刻最多只有一个管理模块2检测通过）则打开管理模块2上的第二驱动电路24，所述第二驱动电路24则发出信号控制第一开关21和第二开关22闭合，此时电池模块1的电压就可以输出至正负连接总线4上，控制器3的线性隔离电路32通过正负连接总线4接收到电池模块1的输出的电压，然后将电池模块1的电压转换为与控制器3同地的电压信号后输出至第一控制芯片35，由第一控制芯片35对其进行模数转换后得到当前电池模块1的电压，即表示一个电池模块1的电压检测完成，然后重复上述步骤检测另外的电池模块1的电压。

进一步来说，在电压检测的同时，控制器3的第一控制芯片35通过电流传感器34实时检测同一时刻的电池组充放电电流，然后通过各个电池模块1的电压和充放电电流数据即可计算出每个电池模块1的剩余电量（soc），在所有电池模块计算完成后即可进行能量转移。具体的转移方法为：首先通过第一控制芯片35控制第一驱动电路31发出针对最低电量电池模块的第二驱动信号至负连接总线42，并通过负连接总线42将第二驱动信号发送至指定的电池模块1连接的管理模块2，本发明中也只有第一控制芯片35指定的电池模块1连接的管理模块2可以检测到第二驱动信号，然后该管理模块2可以打开其第二驱动电路24，第二驱动电路24控制第一开关21和第二开关22闭合，使得低电量的电池模块1和控制器3的隔离dc/dc电路33输出相连，此时第一控制芯片35控制隔离dc/dc电路33开始工作，从而实现使电池串联组给指定的电池模块充电的功能，以达到主动均衡的目的。

进一步来说，本发明提供的智能电池系统还包括用于与管理模块2和控制模块3通信的人机交互设备（图中未示出），所述人机交互设备为手持式，所述人机交互设备与所述管理模块2和控制器3通信连接（即人机交互设备与所述管理模块2和控制器3连接并交换电池相关信息），在电池模块处于单独未成组的状态时，其剩余电量和健康度均可方便的通过将人机交互设备插入管理模块读出，优选的，所述人机交互设备与所述控制器3通信的内容至少包括电池类型、充电电压极限值、放电电压极限值、温度极限值、充电电流极限值和放电电流极限值，所述人机交互设备与所述管理模块2通信的内容至少包括电池剩余电量、电池健康度、电池深度充放电次数、累计放电量和电池极限温度工作时间。

请继续参阅图1，所述控制器3还包括第一通讯接口36和第一通讯处理电路37，所述人机交互设备通过所述第一通讯接口36与所述控制器3通信，所述第一控制芯片35连接所述第一通讯接口37和第一通讯处理电路37，所述第一通讯处理电路37连接正连接总线41。

具体来说，所述人机交互设备通过所述第一通讯接口36与所述控制器3通信，人机交互设备可通过插入控制器3的第一通讯接口36与控制器进行通讯，可以读出或设置电池类型、充电电压极限值、放电电压极限值、温度极限值、充电电流极限值、放电电流极限值等数据，增加了系统的智能化程度，所述第一通讯处理电路37用于处理通讯信号后实现数据的接收和发送，其具体的电路原理为现有技术，在此不再对其进行详细描述，另外，当控制器3检测到电池组处于极限温度值、放电到极限值、充电到极限值、放电电流或充电电流到极限值时，可以通过控制充电/放电回路里的断路器/接触器等开关元件或设备切断充电/放电主回路来保证电池组安全。

请继续参阅图2，所述管理模块2还包括第二通讯接口26和第二通讯处理电路27，所述人机交互设备通过所述第二通讯接口26与所述管理模块2通信，所述第二控制芯片25连接所述第二通讯接口26，所述第二通讯接口26连接所述第二通讯处理电路27，所述第二通讯处理电路27连接正连接总线。

具体来说，所述管理模块内的第二控制芯片25记录有该电池模块的soc（电池剩余电量），soh（电池健康度）数据，包括深度充放电次数，极限温度（高温，低温）工作时间等数据；人机交互设备插入管理模块2的通讯接口，就可以读出这些数据，这些数据可以作为电池模块串联成组的判据，也可以作为评估这个电池模块的现有价值的原始数据；另外，人机交互设备只能读出管理模块2的数据，无法写入更改这些数据。

进一步来说，当需要控制器与管理模块通讯时，管理模块2打开第一开关21，闭合第二开关22，此时正连接总线41为一浮地线，用来作为通讯信号的载体，管理模块2通过第二通讯处理电路27完成数据的接收和发送，另外，所述第二通讯处理电路27用于处理通讯信号后实现数据的接收和发送，其具体的电路原理为现有技术，在此不再对其进行详细描述。

优选的，请继续参阅图1，所述控制器3还包括用于将电池串联组输出的电压进行处理并输出给第一控制芯片35的dc/dc电路38，所述dc/dc电路38与所述电池串联组的正极和负极相连，所述第一控制芯片35还连接所述dc/dc电路38，即本实施例中，所述控制器3的供电可直接由电池组通过dc/dc电路38来提供，简单方便，当然，在其它的实施例中，所述控制器3也可以由外接电源供电，本发明对此不作限定，另外，所述dc/dc电路38的具体电路原理为现有技术，在此不再对其进行详细描述。

请继续参阅图2，所述管理模块2还包括用于检测电池模块的温度信息的温度传感器28，所述温度传感器28连接所述第二控制芯片25，以达到实时监测电池温度的目的。

为了更好的理解本发明，以下结合图1和图2对智能电池系统的工作原理进行详细说明：

在电池模块1处于单独未成组的情况下，其soc（剩余电量）、soh（健康度）等数据可以方便的通过将人机交互设备插入管理模块2读出。当电池模块被串联在一起成组使用时，正负连接总线4连接了管理模块2即管理模块2都并联在正负连接总线4上，控制器3也并联在正负连接总线4上，人机交互设备连接控制器3可以接入控制器3来对其设置工作参数，设置完成后即可断开连接。电池组工作时，控制器3通过正负连接总线4查询每个电池模块1的电压，并通过自带的非接触式电流传感器34获得电池组充电或放电的电流，计算每个电池模块的soc和soh，并通过正负连接总线4完成对低能量电池的能量转换，从而保证了电池组在任何工况下的一致性。也就是说电池组可以在电池模块1的电量并不一致的情况下也能持续工作直到每个电池模块1都能充分放出自己的电量，同样，即使电池模块的电量不一致的情况下充电也能保证每个模块都充满电。

综上所述，本发明提供的智能电池系统，包括至少一个电池模块、与电池模块的数量相同并安装在所述电池模块上的管理模块、至少一个控制器以及正负连接总线，其中，所述电池模块串联形成的电池串联组的正极和负极均连接控制器，各个电池模块的正极和负极均与该电池模块连接的管理模块连接，各个管理模块和控制器还均通过正负连接总线并联。本发明通过利用两根连接总线即实现了数据和能量传输，而且通过两根连接总线实现将高能量的电池的能量转移给低能量的电池，做到了主动均衡，可延长电池的寿命，而且成本较低，对电池利用率高。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。