CN105162215B - 一种用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统及方法，多个铅酸蓄电池串联形成串联铅酸蓄电池单元，多个串联铅酸蓄电池单元并联后形成一个铅酸蓄电池组，铅酸蓄电池组的输出端连接到主控单元，每个铅酸蓄电池均连接有一从控单元，主控单元中的恒流/恒压均衡装置通过从控单元的均衡开关与对应的铅酸蓄电池相连；各个从控单元实时采集对应铅酸蓄电池的输出电压信号并发送给主控单元，主控单元得到多个铅酸蓄电池中的最大电压信号与最小电压信号，当最大电压信号与最小电压信号之间的电压差值大于预设阈值时，主控单元控制恒流/恒压均衡装置以及均衡开关对最小电压信号对应的铅酸蓄电池进行均衡操作。本发明实现了成本和电路可靠性的有机结合。

Description

一种用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统及方法

技术领域

本发明属于新能源技术领域，尤其涉及一种用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统及方法。

背景技术

在新能源市场，铅酸蓄电池(包括铅炭蓄电池)一直占据重要地位。铅酸蓄电池的电化学反应原理就是充电时将电能转化为化学能在电池内储存起来，放电时将化学能转化为电能供给外系统。

由于铅酸蓄电池本身的电化学特性，它对于电流的过充、过放行为并不敏感，一般不会出现燃烧和爆炸现象，这一点与锂电池不同。因此，一般认为，锂电池组需要外部管理或者保护电路，而铅酸蓄电池并不需要这样的外部管理或保护而采用一种粗放式使用模式。

(1)但是批量生产的铅酸蓄电池单体的质量一致性常常难以确保，例如内部硫酸浓度不同直接影响电池循环寿命不同，这使得每个电池单体在性能上存在差异；特别是当电池使用一段时间后，电池单体之间的差异性更加明显。

(2)在粗放式使用过程中，某铅酸蓄电池单体遭遇过放时，此铅酸蓄电池单体寿命也会受到严重影响，电池单体之间差异更加明显；

(3)在粗放式使用过程中，某铅酸蓄电池单体遭遇过大的电流时，可能加速电池正极二氧化铅的松散脱落，此铅酸蓄电池单体寿命也会受到严重影响，电池单体之间差异更加明显；

(4)在粗放式使用过程中，某铅酸蓄电池单体遭遇过充时，内部温度升高，且有大量气体析出，可能导致正极板活性物质遭遇气体冲击而脱落，同时正极板栅合金可能遭受阳极氧化而腐蚀，此铅酸蓄电池单体寿命也会受到严重影响，电池单体之间差异更加明显；

(5)在高温或者低温条件下，在粗放式使用过程中，某铅酸蓄电池单体如果进行工作，内部电化学成分损失，此铅酸蓄电池单体寿命也会受到严重影响，电池单体之间差异更加明显；

(6)在铅酸蓄电池存储期间，电池的自放电现象也使得电池单体之间产生差别；

(4)尽管在铅酸蓄电池使用中应防止铅酸蓄电池有新、旧混用，但是在许多场合新旧电池混用的现象依旧存在，导致电池组中单体差异明显；

综上所述，当出现电池单体差异时，在没有外部管理的条件下，整个电池串的性能将受制于最差的电池单体，从而整体使用效率和使用寿命都被拉低。严重的情况，在差异明显的两组电池的实际负荷电流不一样，由于整个供电系统开关电源的熔丝与电池组是一一对应的，就有可能出现有一组电池电流过大而先断开，尔后另一组电池也可能因负荷过大而断开，进而导致整个供电系统被迫停止运行。

传统上多组铅酸蓄电池的连接方式如图1所示(以3串2并为例)，即串联组内的铅酸蓄电池首先通过正负极相互连接形成串联，然后不同串联电池整组之间正正相连、负负相连从而形成整组的并联，对外充放电接口由整组总正极、总负极端子分别引出。很明显它存于一种粗放式“裸用”状态，即没有任何的外部管理或保护电路。因此一组铅酸蓄电池组中“最差”铅酸蓄电池模块将严重制约整个电池组的性能和使用寿命，这种“短板效应”在目前的铅酸蓄电池使用方式中是无法解决的。只能在使用维护上进行定期检查替换性能差的电池单体，但是这样导致维护工作量增加，特别是在大量使用时，维护成本高。

而有些研究机构借助锂电池保护板的方式，对铅酸蓄电池的放电和充电过程进行限制，从而对铅酸蓄电池起到一定的保护作用，但是这并不会提升电池组的整体性能；

另外，有些研究机构借助锂电池管理系统的方式，对铅酸蓄电池进行均衡，但是就像锂电管理系统一样，它们采取集中式方案，即管理系统作为一个集中的部件与电池组完全独立，他们之间使用线束进行连接，这种方式虽然可以保证电池管理系统与电池组的界线分明，但是线束较多，这将显著改变当前铅酸蓄电池的组装习惯，紧凑性和继承性不好，给施工带来负担，而且系统可扩展性不好，即不同串数的电池组需要不同的电池管理系统。虽然其很大程度上解决了电池组的“短板效应”，提高电池组的整体效率和使用寿命。然而，将这种用于锂电池的电池管理系统，用于铅酸蓄电池则显得特别昂贵，与价格低廉的铅酸蓄电池不配套。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统及方法。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统，包括铅酸蓄电池、主控单元以及从控单元，主控单元和从控单元之间通过主从机数据总线通信连接；所述主控单元包括恒流/恒压均衡装置，所述从控单元包括均衡开关，多个铅酸蓄电池串联形成串联铅酸蓄电池单元，多个串联铅酸蓄电池单元并联后形成一个铅酸蓄电池组，铅酸蓄电池组的输出端连接到主控单元，从控单元的数目与铅酸蓄电池的数目相同，每个铅酸蓄电池均连接有一从控单元，所述恒流/恒压均衡装置通过从控单元的均衡开关与对应的铅酸蓄电池相连；各个从控单元负责实时采集对应铅酸蓄电池的输出电压信号并发送给主控单元，所述主控单元得到多个铅酸蓄电池中的最大电压信号与最小电压信号，并判断最大电压信号与最小电压信号之间的电压差值是否大于预设阈值，当电压差值大于预设阈值时，所述主控单元控制所述恒流/恒压均衡装置以及均衡开关对最小电压信号对应的铅酸蓄电池进行均衡操作。

进一步地，本发明所述主控单元包括主控单片机以及恒流/恒压均衡装置，所述恒流/恒压均衡装置包括电压转换电路、恒压电源电路、恒流电源电路以及互锁开关，所述电压转换电路的输入端与所述铅酸蓄电池组的输出端相连，电压转换电路的输出端分别与所述恒压电源电路的输入端以及恒流电源的输入端相连，所述恒压电源电路的输出端以及恒流电源电路的输出端均通过一互锁开关与所述从控单元的均衡开关相连。

进一步地，本发明所述从控单元包括从控单片机、均衡开关和分压电路，所述分压电路的输入端与对应的铅酸蓄电池正负极连接，分压电路的输出端连接到从控单片机上的AD转换电路上，所述均衡开关为继电器开关，铅酸蓄电池正负极通过继电器开关与主控单元的恒流/恒压均衡装置连接。

进一步地，本发明所述从控单元还包括与从控单片机连接的继电器粘连检测电路。

进一步地，本发明还包括上位机，所述主控单元引出上传数据总线与上位机相连。

本发明提供一种用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理方法，包括以下步骤：

在铅酸蓄电池组正常运行时，采集铅酸蓄电池组中各个铅酸蓄电池的实时输出电压信号；

在铅酸蓄电池组中得到到最大电压值以及最小电压值，并计算两者之间电压差值；

当电压差值大于预设阈值时，对最小电压值对应的铅酸蓄电池进行均衡操作以保证铅酸蓄电池组的均衡运行。

其中，所述均衡操作的过程为：

当最小电压值对应的铅酸蓄电池的输出电压值小于预设值时，进行恒流充电；

当铅酸蓄电池的输出电压值大于预设值时，由恒流充电切换至恒压充电。

本发明的有益技术效果是：

(1)本发明一种用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统采取主控单元和从控单元两个分离的部分；

(2)从控单元与铅酸蓄电池(或其并联组合)紧凑的连接在一起，并且根据电池串数的不同可以任意扩展；

(3)专注于铅酸蓄电池组在充放电、使用过程中电池单体的差异性，从电池组整体获取能量，通过先恒流在恒压的模式，对于最差的电池单体进行均衡；

(4)主从控之间的数据总线根据电池串数的不同而采取LIN总线或485总线之一，控制整体成本；

(5)从控机上的均衡开关使用继电器，同时包含有继电器检测电路，实现整体成本和电路可靠性的有机结合。

附图说明

图1为传统上多组铅酸蓄电池的连接方式图

图2为本发明的结构原理图；

图3为主控单元的结构原理图；

图4为从控单元的结构原理图；

图5为主控单片机控制的逻辑流程图；

图6为从控单片机控制的逻辑流程图。

具体实施方式

参照图2，为本发明的结构原理图，本发明一种用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统，包括铅酸蓄电池、上位机、主控单元以及从控单元，主控单元和从控单元之间通过主从机数据总线通信连接；所述主控单元引出上传数据总线与上位机相连，所述主控单元包括恒流/恒压均衡装置，所述从控单元包括均衡开关，多个铅酸蓄电池串联形成串联铅酸蓄电池单元，多个串联铅酸蓄电池单元并联后形成一个铅酸蓄电池组，铅酸蓄电池组的输出端连接到主控单元，从控单元的数目与铅酸蓄电池的数目相同，每个铅酸蓄电池均连接有一从控单元，所述恒流/恒压均衡装置通过从控单元的均衡开关与对应的铅酸蓄电池相连；各个从控单元负责实时采集对应铅酸蓄电池的输出电压信号并发送给主控单元，所述主控单元得到多个铅酸蓄电池中的最大电压信号与最小电压信号，并判断最大电压信号与最小电压信号之间的电压差值是否大于预设阈值，当电压差值大于预设阈值时，所述主控单元控制所述恒流/恒压均衡装置以及均衡开关对最小电压信号对应的铅酸蓄电池进行均衡操作。

参照图3，为主控单元的结构原理图，所述主控单元包括主控单片机以及恒流/恒压均衡装置，所述恒流/恒压均衡装置包括电压转换电路、恒压电源电路、恒流电源电路以及互锁开关，所述电压转换电路的输入端与所述铅酸蓄电池组的输出端相连，电压转换电路的输出端分别与所述恒压电源电路的输入端以及恒流电源的输入端相连，所述恒压电源电路的输出端以及恒流电源电路的输出端均通过一互锁开关与所述从控单元的均衡开关相连。

其中：主控单片机作为主控单元的运算核心，很多单片机都可以满足功能，本实施例中采用LQFP44封装的STM8S208S6单片机。

铅酸蓄电池组的主电压的正负两端连接主控单元上的电压转换电路，电压转换电路的功能是实现由总电压变压输出稳定的5V和大约14.5V两种电压，其中5V电压给主控单片机上5V电压网络供电，而大约14.5V电压输给恒压电源电路和恒流电源电路，作为两者的电压参考。电压转换电路是基于变压器构建，现有技术中有很多的实现方式，在此不再赘述；

电压转换电路输出的大约14.5V的电压输给恒压电源电路和恒流电源电路，其中恒流电源电路的功能是根据需要输出固定的电流，而恒压电源电路的功能是输出稳定的14.5V电压。对于恒压电源电路和恒流电源电路，在现有技术中有很多的实现方式，在此不再赘述。

主控单片机和从控单片机之间的数据通信是通过485总线实现。主控单片机上的上的程序烧写接口，是基本的通用配置。另外主控单片机上配有两个NTC热敏电阻器作为探头，目的是双采样地探索铅酸蓄电池组的温度，进行热量检测。

主控单片机同时负责与上位机进行通信，主控单片机引出上传数据总线与上位机相连，上传数据总线采取CAN总线。

参照图4，为从控单元的结构原理图，所述从控单元包括从控单片机、均衡开关、分压电路以及与从控单片机连接的继电器粘连检测电路，所述分压电路的输入端与对应的铅酸蓄电池正负极连接，分压电路的输出端连接到从控单片机上的AD转换电路上，所述均衡开关为继电器开关，铅酸蓄电池正负极通过继电器开关与主控单元的恒流/恒压均衡装置连接。

其中：从控单元上的从控单片机作为运算核心，很多单片机都可以满足功能，本实施例采用TSSOP20封装的STM8S003F3单片机。从控单片机上的程序烧写接口，是基本的通用配置。

所述从控单元还包括电压转换模块，铅酸蓄电池的正负极连接到电压转换模块，这个模块使用常用的LM7805稳压芯片系统及其滤波电容网络即可，模块输出电压为+5V电压，接到STM8S003F3单片机的VDD脚，作为从控单片机的供电电压。

铅酸蓄电池的正负极同时连接到分压电路输入端，此处的目的是因为单片机的模数转化器AD的输入电压是0-5V之间，这样需要将铅酸蓄电池的正负极电压(其最高可以达到14.5V)进行分压，这个分压电路只要保证三分之一的电压，同时确保对地电流较小即可，实现这样功能的分压电路很多，本处采取简单的电阻式分压，分出来电压接入STM8S003F3单片机的AD脚。

参照图5，为主控单片机控制的逻辑流程图，描述如下：

包括两个部分，一个是主函数，一个是定时器中断函数。

1、主函数先对从控单片机的时钟，外设等进行初始化，然后把均衡开关断开，报警等复位，开启定时器中断，之后进入主循环，开始给序号为i的从控单片机发送指令，并判断从控单片机是否返回数据，如果30s没返回数据，那么记录为通信异常，如果收到数据，那么对接收到的数据进行数据处理，对各个从控单片机上报的铅酸蓄电池电压大小进行比较排序，找出最大值和最小值，如果差值大于设定值，那么给电压最低的那个铅酸蓄电池发送开始均衡指令，并打开相应的从机均衡开关。

2、均衡过程是当从控单片机上报的需要被均衡的铅酸蓄电池电压低于某个设定值(如14V)时，那么首先启动恒流均衡，当这个铅酸蓄电池电压高于某个设定值时转换为恒压均衡。

3、如果差值小于设定值，那么检测铅酸蓄电池组的总电压，电流，并进行故障检测(如从控板继电器粘连或者电源故障)和故障处理，最后把铅酸蓄电池的信息通过CAN总线发送给整车。

4、定时器中断函数固定10ms中断一次，主要判断是否进入均衡状态，并计时，当均衡时间超过60s时，发送关闭均衡指令给对应的从控单片机。

参照图6，为从控单片机控制的逻辑流程图，描述如下：

包括两个部分，一个是主函数，一个是定时器中断函数。

1、主函数先对从控单片机的时钟，外设等进行初始化，然后把均衡开关断开，报警等复位，开启定时器中断，之后进入主循环，循环判断是否接收到主控单片机指令，接收到应答，没接收到开始通信超时计数。与此同时，依据主控单片机的指令进行开关均衡开关，并检测继电器故障，铅酸蓄电池电压过低故障检测。

2、定时器中断函数固定10ms中断一次，主要任务是对铅酸蓄电池电压的采样，计算平均值，通信异常计数并存储异常次数到EEPROM。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统，其特征在于，包括铅酸蓄电池、主控单元以及从控单元，主控单元和从控单元之间通过主从机数据总线通信连接；所述主控单元包括恒流/恒压均衡装置，所述从控单元包括均衡开关，多个铅酸蓄电池串联形成串联铅酸蓄电池单元，多个串联铅酸蓄电池单元并联后形成一个铅酸蓄电池组，铅酸蓄电池组的输出端连接到主控单元，从控单元的数目与铅酸蓄电池的数目相同，每个铅酸蓄电池均连接有一从控单元，所述恒流/恒压均衡装置通过从控单元的均衡开关与对应的铅酸蓄电池相连；各个从控单元负责实时采集对应铅酸蓄电池的输出电压信号并发送给主控单元，所述主控单元得到多个铅酸蓄电池中的最大电压信号与最小电压信号，并判断最大电压信号与最小电压信号之间的电压差值是否大于预设阈值，当电压差值大于预设阈值时，所述主控单元控制所述恒流/恒压均衡装置以及均衡开关对最小电压信号对应的铅酸蓄电池进行均衡操作。

2.根据权利要求1所述的用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统，其特征在于，所述主控单元包括主控单片机以及恒流/恒压均衡装置，所述恒流/恒压均衡装置包括电压转换电路、恒压电源电路、恒流电源电路以及互锁开关，所述电压转换电路的输入端与所述铅酸蓄电池组的输出端相连，电压转换电路的输出端分别与所述恒压电源电路的输入端以及恒流电源的输入端相连，所述恒压电源电路的输出端以及恒流电源电路的输出端均通过一互锁开关与所述从控单元的均衡开关相连。

3.根据权利要求1或2所述的用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统，其特征在于，所述从控单元包括从控单片机、均衡开关和分压电路，所述分压电路的输入端与对应的铅酸蓄电池正负极连接，分压电路的输出端连接到从控单片机上的AD转换电路上，所述均衡开关为继电器开关，铅酸蓄电池正负极通过继电器开关与主控单元的恒流/恒压均衡装置连接。

4.根据权利要求3所述的用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统，其特征在于，所述从控单元还包括与从控单片机连接的继电器粘连检测电路。

5.根据权利要求4所述的用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统，其特征在于，主控单片机采用LQFP44封装的STM8S208S6单片机。

6.根据权利要求5所述的用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统，其特征在于，从控单片机采用TSSOP20封装的STM8S003F3单片机。

7.根据权利要求6所述的用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理系统，其特征在于，还包括上位机，所述主控单元引出上传数据总线与上位机相连。

8.一种用于铅酸蓄电池组均衡的分布式电池管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

在铅酸蓄电池组正常运行时，采集铅酸蓄电池组中各个铅酸蓄电池的实时输出电压信号；

在铅酸蓄电池组中得到到最大电压值以及最小电压值，并计算两者之间电压差值；

当电压差值大于预设阈值时，对最小电压值对应的铅酸蓄电池进行均衡操作以保证铅酸蓄电池组的均衡运行；其中所述均衡操作的过程：

当最小电压值对应的铅酸蓄电池的输出电压值小于预设值时，进行恒流充电；

当铅酸蓄电池的输出电压值大于预设值时，由恒流充电切换至恒压充电。