[發(fā)明專利]一種電池管理系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910454233.1
• 申請日: 2019-05-29
• 公開（公告）號: CN110021985B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 甫日甫才仁;霍群海;尹靖元;吳理心;韋統(tǒng)振
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院電工研究所
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 關(guān)玲

1.一種電池管理系統(tǒng)，其特征在于：所述的電池管理系統(tǒng)包括電源模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、均衡模塊、驅(qū)動模塊、顯示模塊及通信模塊；多節(jié)電池單體串聯(lián)或并聯(lián)組成電池模塊，多個(gè)電池模塊串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組；所述數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊的輸入端與每一個(gè)電池單體相連，數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊的輸出端與通信模塊的輸入端相連，所述通信模塊的輸出端分別與控制模塊輸入端和顯示模塊輸入端相連；所述的控制模塊的輸出端與驅(qū)動模塊的輸入端連接，控制模塊的輸入端與數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端相連；所述的均衡模塊由底層均衡單元和頂層均衡單元兩部分組成，底層均衡單元和頂層均衡單元的輸入端均與驅(qū)動模塊的輸出端相連，底層均衡單元的輸出端與電池單體連接，頂層均衡單元的輸出端和電池模塊相連；所述的電池管理系統(tǒng)電池單體之間通過底層均衡單元進(jìn)行能量均衡，電池模塊之間通過頂層均衡單元進(jìn)行能量的均衡；所述的電源模塊分別與控制模塊、驅(qū)動模塊、均衡模塊、顯示及通信模塊相連；拓?fù)淇刂葡到y(tǒng)還包括欠壓保護(hù)、過壓過流保護(hù)、顯示模塊；

所述的底層均衡單元由多個(gè)均衡支路組成，每個(gè)均衡支路為一個(gè)支路臂；其中，支路臂的上臂由電力電子快速開關(guān)與二極管相連組成，支路臂的下臂由二極管與電力電子快速開關(guān)相連組成；支路臂的上臂和下臂串聯(lián)形成一個(gè)均衡支路，同一個(gè)均衡支路中的支路臂的上臂和下臂的連接點(diǎn)為均衡支路的中點(diǎn)；每一個(gè)電池單體的正極和負(fù)極分別與相鄰的均衡支路的中點(diǎn)相連；多個(gè)儲能電感與多個(gè)均衡支路并聯(lián)，儲能電感的兩端分別與支路臂的上臂和下臂相連；所述的底層均衡單元中，第一電力電子快速開關(guān)(M1)和第一二極管(D1)相連組成第一支路臂的上臂，第二二極管(D2)與第二電力電子快速開關(guān)(M2)相連組成第一支路臂的下臂，第一支路臂的上臂和第一支路臂的下臂串聯(lián)組成第一均衡支路，同一個(gè)均衡支路中的支路臂的上臂和下臂的連接點(diǎn)為均衡支路的中點(diǎn)；第一電池單體(B1)的正極和負(fù)極分別與第一均衡支路中點(diǎn)和第二均衡支路中點(diǎn)連接，第二電池單體(B2)的正極和負(fù)極分別與第二均衡支路的中點(diǎn)和第三均衡支路的中點(diǎn)連接，第三電池單體(B3)的正極和負(fù)極分別與第三均衡支路的中點(diǎn)和第四均衡支路的中點(diǎn)連接，第四電池單體(B4)的正極和負(fù)極分別與第四均衡支路和第五均衡支路連接；所述的底層均衡單元中，每一個(gè)儲能電感與電力電子快速開關(guān)串聯(lián)，用于控住儲能電感存儲能量或釋放能量；每個(gè)儲能電感能夠?qū)蓚€(gè)電壓不同的電池單體進(jìn)行能量的傳遞，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電壓不同的電池單體電壓均衡；多個(gè)儲能電感(L1，L2，L3)和電力電子快速開關(guān)(M15，M16，M17)串聯(lián)后，再分別與均衡支路并聯(lián)；所述的底層均衡單元中，儲能電感(L1，L2，L3) 首先通過某一均衡支路儲存電壓高的電池單體的部分能量，然后再通過其他均衡支路將能量傳遞至電壓低的電池單體；每個(gè)單體電池進(jìn)行充電或放電時(shí)經(jīng)過均衡支路與儲能電感(L1，L2，L3) 進(jìn)行能量交換；選擇合適的儲能電感，并通過控制不同電力電子快速開關(guān)元件的持續(xù)開通和關(guān)斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)均衡電流轉(zhuǎn)移方向和大小的控制；電壓高的電池單體的部分能量通過均衡支路儲存在電感中，然后通過其他的均衡支路將電感中的能量轉(zhuǎn)移至電壓低的電池單體，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移；

所述的底層均衡單元中，底層均衡單元中二極管和電力電子快速開關(guān)的數(shù)量與需要均衡的電池單體的數(shù)量有關(guān)，當(dāng)?shù)讓泳鈫卧鈔節(jié)電池時(shí)，需要n+1個(gè)均衡支路，需要2(n+1)個(gè)二極管,需要2(n+1)+n/2個(gè)電力電子快速開關(guān)，需要n/2個(gè)儲能電感，其中n的取值范圍為大于等于2的整數(shù)；

所述的底層均衡單元中，在充電或放電均衡回路上串聯(lián)一只二極管，或在每個(gè)含電力電子快速開關(guān)均衡支路上串聯(lián)一只二極管；

所述的頂層均衡單元由三輸入正/反激式變壓器、雙刀雙擲開關(guān)、繼電器和電力電子快速開關(guān)組成；三輸入正/反激式變壓器原邊每個(gè)繞組的兩端通過繼電器和電力電子快速開關(guān)與電池模塊相連,變壓器的副邊連接雙刀雙擲開關(guān)，用于切換工作模式；

所述的頂層均衡單元中,多個(gè)相鄰電池模塊(N1、N2、N3……)對應(yīng)第一多輸入正/反激式變壓器(T1)的原邊繞組，第一多輸入正/反激式變壓器(T1)原邊第一繞組的兩端分別連接第一繼電器(S1)、第十一電力電子快速開關(guān)(M11)和第一電池模塊(N1),第一多輸入正/反激式變壓器(T1)原邊第二繞組的兩端分別連接第二繼電器(S2)、第十二電力電子快速開關(guān)和第二 電池模塊(N2)，第一多輸入正/反激式變壓器(T1)原邊第三繞組的兩端分別連接第三繼電器(S3)、第十三電力電子快速開關(guān)(M13)和第三電池模塊(N3)；第一多輸入正/反激式變壓器(T1)的副邊連接第一雙刀雙擲繼電器(Sa)；第二多輸入正/反激式變壓器(T2)原邊第一繞組的兩端分別連接第四繼電器(S4)、第十四電力電子快速開關(guān)(M14)和第四電池模塊(N4),第二多輸入正/反激式變壓器(T2)原邊第二繞組的兩端分別連接第五繼電器(S5)、第十五電力電子快速開關(guān)(M15)和第五電池模塊(N5)，第二多輸入正/反激式變壓器(T2)原邊第三繞組的兩端分別連接第六繼電器(S6)、第十六電力電子快速開關(guān)(M16)和第六電池模塊(N6)；第二多輸入正/反激式變壓器(T2)的副邊連接第二雙刀雙擲繼電器(Sb)；多個(gè)正/反激式變壓器依次把所有電池模塊連接起來；

所述的頂層均衡單元之間均衡步驟如下：

第一繼電器(S1)、第二繼電器(S2)閉合，第十一電力電子快速開關(guān)(M11)和第十二電力電子快速開關(guān)(M12)同時(shí)開啟后同時(shí)關(guān)斷，第一多輸入正/反變壓器(T1)的第一原邊繞組和第二原邊繞組工作處于正激變換模式,能量在第一電池模塊(N1)、第二電池模塊(N2)之間傳遞：第十一電力電子快速開關(guān)(M11)和第十二電力電子快速開關(guān)(M12)同時(shí)開啟時(shí)，第一多輸入正/反變壓器(T1)的第一原邊繞組和第二原邊繞組直接對副邊進(jìn)行能量傳遞，第十一電力電子快速開關(guān)(M11)和第十二電力電子快速開關(guān)(M12)同時(shí)關(guān)斷時(shí)，磁復(fù)位；

當(dāng)?shù)谝浑姵啬K(N1)的電壓高于第二電池模塊(N2)的電壓，且同時(shí)開啟第十一電力電子快速開關(guān)(M11)和第十二電力電子快速開關(guān)(M12)時(shí)，第一電池模塊(N1)放電，第二電池模塊(N2)充電；當(dāng)同時(shí)關(guān)斷第十一電力電子快速開關(guān)(M11)和第十二電力電子快速開關(guān)(M12)時(shí)，第一多輸入正/反變壓器(T1)的第一原邊繞組和第二原邊繞組的電流為零，副邊繞組進(jìn)行磁復(fù)位，第一電池模塊(N1)和第二電池模塊(N2)充電；通過一個(gè)開關(guān)周期的充電過程和放電過程，能量由第一電池模塊(N1)轉(zhuǎn)移到第二電池模塊(N2)上；

當(dāng)?shù)谝浑姵啬K(N1)的電壓高于第二電池模塊(N2)的電壓,且第一繼電器(S1)和第二繼電器(S2)一個(gè)閉合一個(gè)開啟，則第十一電力電子快速開關(guān)(M11)和第十二電力電子快速開關(guān)(M12)一個(gè)開啟一個(gè)關(guān)斷，第一多輸入正/反變壓器(T1)的原邊和副邊繞組均工作于反激變換模式：開啟第十一電力電子快速開關(guān)(M11)時(shí)，第一電池模塊(N1)放電，第一多輸入正/反變壓器 (T1)的原邊繞組電流上升，副邊繞組儲能；當(dāng)?shù)谑浑娏﹄娮涌焖匍_關(guān)(M11)關(guān)斷時(shí)，第一多輸入正/反變壓器(T1)副邊繞組釋放能量，第一電池模塊(N1)和第二電池模塊(N2)充電；通過一個(gè)周期原副邊繞組的充放電過程，能量由第一電池模塊(N1)轉(zhuǎn)移到第一電池模塊(N1)和第二電池模塊(N2)；

若第一多輸入正/反變壓器 (T1)副邊的切換繼電器(Sa)向下閉合至b點(diǎn)，通過反激變換實(shí)現(xiàn)第一電池模塊(N1)、第二電池模塊(N2)、第三電池模塊(N3)向電池模塊第四電池模塊(N4)、第五電池模塊(N5)、第六電池模塊(N6)的能量轉(zhuǎn)移；若第二雙刀雙擲開關(guān)(S_b)向上切換至a檔，則第二多輸入正/反激式變壓器(T2)副邊繞組兩端與原邊所連接的第四電池模塊(N4)，第五電池模塊(N5)和第六電池模塊(N6)相連，實(shí)現(xiàn)多個(gè)電池模塊之間均衡工作；若第二雙刀雙擲開關(guān)(S_b)向下切換至b檔，則第二多輸入正/反激式變壓器(T2)副邊繞組兩端與第一多輸入正/反激式變壓器(T1)原邊所連接的第一電池模塊(N1)、第二電池模塊(N2)和第三電池模塊(N3)相連，如此使得均衡過程中的能量在多個(gè)模塊之間轉(zhuǎn)移。