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CN107565183B - 面向全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统及方法 - Google Patents

面向全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统及方法，每个电池模块将自身的单体电压和温度数据上传，以此判断电池单体一致性以及控制均衡数据，根据电池组总电压、检测绝缘和收集各个从控模块和高压强电部分的数据，对电池数据进行集中分析和处理，判断当前电池的故障，进行电池预警，根据电池的数据进行电池的SOC/SOH估计，并预测电动汽车的剩余续航里程并判断各个电池模块间的一致性以及控制模块间的均衡。本发明提高了系统的可靠性，并且便于电池组的维护和更换。特别是，当动力电池组退役后，可将智能电池模块重组直接用于电池储能，从而实现了电池组的全生命周期应用，降低了电池组的使用成本。

Description

面向全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统及方法
技术领域
本发明涉及一种面向全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统及方法。
背景技术
能源危机和环境污染是当今世界面临的两大难题。电动汽车因节能环保已经成为未来汽车发展的必然趋势。与传统的燃油汽车不同，作为电动汽车的动力来源，动力电池及其管理系统对整车性能至关重要。目前锂离子动力电池因能量密度高，自放电率低，无记忆效应和单体电压高等优点，锂离子电池被认为是最具吸引力的可充电电池之一。
但是，锂离子电池的滥用能力差、充放电特性受环境条件影响较大，因此对于锂离子电池来说，电池管理策略更为复杂。如何在保证电池安全、可靠的基础上最大限度地发挥动力电池的充放电特性是电池管理系统的核心目标和技术难题。
中国发明专利(申请号：CN201610013291.7)，公开了一种分布式电池管理系统，该系统与电池包及整车控制系统连接，至少包括一个用于电池数据采集的前端数据采集单元，一个用于数据处理、显示和存储的数据处理单元以及一个用于高压部件控制的高压控制单元；各单元完成独立的功能，相互之间只进行通信，实现了高低压之间的隔离，扩展性和兼容性强。但是，对于分布式的电池管理系统来说，如何实现电池组的全生命周期应用，降低了电池组的使用成本，仅仅具有这些功能还远远不够。
为此，本发明根据电池建模、状态估计、均衡控制以及交流加热等一系列电池管理系统的关键技术，设计了面向电池全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统，为安全、合理、高效使用动力电池组提供了技术保障。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种面向全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统及方法，本发明可精准估计电池各种状态(SOC、SOH等)；具有均衡功能，能够有效抑制电池单体一致性恶化；具有过充、过放强制保护、温度保护和故障报警；具有低温加热高温冷却等功能；当动力电池组退役后，可将智能电池模块重组直接用于电池储能，从而实现了电池组的全生命周期应用，降低了电池组的使用成本。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种面向全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统，为分布式系统结构，包括一个主控模块和多个智能电池模块，其中：电池电芯、从控模块BMU和主动均衡电路组成一个完整的智能电池模块；每个智能电池模块通过一个从控模块连接主控模块，所述主控模块被配置为测量电池组总电压、检测绝缘和收集各个从控模块和高压强电部分的数据，对电池数据进行集中分析和处理，判断当前电池的故障，进行电池预警，根据电池的数据进行电池的SOC/SOH估计，并预测电动汽车的剩余续航里程；
所述每个智能电池模块都配置有主动均衡电路，所述主控模块判断各个电池模块间的一致性以及控制模块间的均衡；
所述从控模块被配置为采集所属电池模块的单体电压和温度数据、判断电池单体一致性以及控制均衡，并响应主控模块的命令，将该电池组的电压、温度信息定期返回主控模块。
所述主动均衡电路采用基于正反激变换的自动均衡电路，工作在正激变换和反激变换两种工作状态。
进一步的，所述主控模块根据各个电池单体的温度状态，对电池进行主动式冷热管理，实现降温或升温的温度控制，以提高电池效率、延长电池寿命。
进一步的，所述主控模块通过CAN总线与车辆集成控制单元ECU、车载仪表或充电机进行信息交互。
所述主动均衡电路将电池组分为两组，并且每个电池组内包括多个串联的电池单体。
每个电池组的每个电池单体连接一个MOSFET开关和变压器的一个绕组，同组的电池单体对应的绕组具有相同的极性，构成传统的正激变换，以实现组内电池单体的均衡；不同组内的绕组具有相反的极性，构成传统的反激变换，以实现两个电池组间的均衡，以及实现对变压器的自动消磁。
两组电池组的MOSFET开关分别由一对状态互补的PWM信号控制，即第一组电池组内的MOSFET开关由PWM+控制，第二组电池组内的MOSFET开关PWM-控制。通过使用一对状态互补的PWM信号驱动MOSFET开关，即可实现电池单体电压的自动均衡。
所述的智能电池模块间的均衡采用相邻结构的交流加热-自动均衡电路，每相邻的两个模块设置一个buck-boost变换。这样的设计，能够保证系统在低频下可实现整个电池组的低温加热，在高频下可实现模块间的自动均衡；因此，一机两用，极大提高了电池管理系统的功率密度。
所述的整个电池组外设有冷却风扇。在高温下可对电池组冷却，以保证动力电池组的高效、安全运行。
基于上述系统的工作方法，每个智能电池模块将自身的单体电压和温度数据上传，以此判断电池单体一致性以及控制均衡数据，根据电池组总电压、检测绝缘和收集各个从控模块和高压强电部分的数据，对电池数据进行集中分析和处理，判断当前电池的故障，进行电池预警，根据电池的数据进行电池的SOC/SOH估计，并预测电动汽车的剩余续航里程并判断各个智能电池模块间的一致性以及控制各个智能电池模块间的均衡。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提出的模块化分布式电池管理系统，电池电芯、从控模块(BMU)、主动均衡电路组成一个完整的智能电池模块。除了CAN、12V/24V电源线与外界交互外，智能电池模块外无电压、电流和温度等线束，提高了系统的可靠性，并且便于电池组的维护和更换。特别是，当动力电池组退役后，可将智能电池模块重组直接用于电池储能，从而实现了电池组的全生命周期应用，降低了电池组的使用成本；
(2)智能电池模块中已经集成了电池管理系统，电池重组时不需要再加储能用BMS，省却了梯次利用BMS采购和再次成组的成本；
(3)智能电池模块实现了对电池模组内电池单体及电池模组性能的准确诊断，使电动汽车电池组在梯次利用时只需要拆解到电池模组，而不必拆解到电池单体；
(3)智能电池模块内的均衡电路采用基于正反激变换的任意电池单体对任意电池单体的自动均衡电路，具有均衡速度快、效率高、体积小、成本低以及便于集成等优点。智能电池模块内的均衡电路由从控模块本地控制，从而减小了主控制器的控制任务，提高了系统可靠性。
(4)智能电池模块间使用相邻结构的交流加热-自动均衡电路，在低频下可实现对电池组的低温加热，在高频下可实现模块间的自动均衡，一机两用，极大提高了电池管理系统的功率密度。
(6)本发明模块化分布式电池管理系统可有效提高电池组的性能和寿命，并且实现了对电池组全寿命周期的管理。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的系统架构示意图；
图2是本发明的系统功能示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在对于分布式的电池管理系统来说，如何实现电池组的全生命周期应用，降低了电池组的使用成本，仅仅具有这些功能还远远不够的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种面向电池全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统，可精准估计电池各种状态(SOC、SOH等)；具有均衡功能，能够有效抑制电池单体一致性恶化；具有过充、过放强制保护、温度保护和故障报警；具有低温加热高温冷却等功能。电池电芯、从控模块、主动均衡电路组成一个完整的智能化电池模块，除了CAN、12V/24V电源线与外界交互，模块外无电压、电流和温度等线束，提高了系统的可靠性，并且便于电池组的维护和更换。特别是，当动力电池组退役后，可将智能电池模块重组直接用于电池储能，从而实现了电池组的全生命周期应用，降低了电池组的使用成本。本发明的一种面向电池全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统适用于混合/纯电动汽车(大巴车、乘用车)电池系统的管理及控制。
一种面向电池全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统，采用了分布式系统结构，由一个主控模块(CCU)和多个从控模块(BMU)组成；
电池管理系统的管理对象是整个电池组，整个电池组被分为若干个电池模块；
每个智能电池模块包括若干个串并联电池电芯、一个从控模块(BMU)、一个主动均衡电路等；
主控模块(CCU)的功能，包括：测量电池组总电压、检测绝缘、收集从控模块(BMU)和高压强电部分的数据，对电池数据进行集中分析和处理，判断当前电池的故障，进行电池系统的预警和报警；并综合利用电池的数据进行电池的SOC/SOH估计，并预测电动汽车的剩余续航里程；判断智能电池模块间的一致性以及控制模块间的均衡；热管理：可根据电池温度状态，对电池进行主动式冷热管理，实现降温或升温的温度控制功能，以提高电池效率、延长电池寿命；控制智能电池模块间的均衡—加热电路，实现智能电池模块间的均衡或整个电池组的低温加热；并通过CAN总线与车辆集成控制单元ECU、车载仪表或充电机进行信息交互，保障电动汽车高效、可靠、安全运行；
从控模块(BMU)的功能，包括采集该电池组的单体电压和温度等的数据、判断电池单体一致性以及控制均衡，并响应主控模块(CCU)的命令，将该电池组的电压、温度信息定期返回CCU。
智能电池模块内的均衡采用基于正反激变换的自动均衡电路，由从控模块(BMU)单独控制，可实现电池模块内任意电池单体对任意电池单体的自动均衡，具有均衡速度快、效率高且控制简单等优点。
智能电池模块间的均衡采用相邻结构的均衡-加热拓扑，在高频下可实现模块间的自动均衡；在低频下可实现整个电池组的低温加热，一机两用，极大提高了电池管理系统的功率密度。
整个电池组外设有冷却风扇，在高温下可对电池组冷却，以保证动力电池组的高效、安全运行。
以下结合说明书附图，对本发明的技术方案和具体实施作进一步的详细说明：
根据图1所示的一种面向电池全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统架构示意图，可知，本发明所述的电池管理系统，采用了分布式系统结构，由一个主控模块(CCU)和多个智能电池模块组成；所述的整个电池组被分为若干个智能电池模块；所述的每个智能电池模块包括若干个串并联电芯、一个从控模块(BMU)、一个主动均衡电路等；除了CAN、12V/24V电源线与外界交互，模块外无电压、电流和温度等线束，提高了系统的可靠性，并且便于电池组的维护和更换。特别是，当动力电池组退役后，可将智能电池模块重组直接用于电池储能，从而实现了电池组的全生命周期应用，降低了电池组的使用成本；
如图2所示，一种面向电池全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统功能示意图，可知，本发明所述的电池管理系统，可完成电池单体电压检测、单体温度检测、电流检测等电池外部参数检测；精准估计电池各种状态(荷电状态SOC、健康状态SOH等)及预测剩余寿命RUL；具有自动的任意单体对任意单体的均衡功能，能够有效抑制电池单体一致性恶化；具有过充过放保护、过流过温保护、多级故障诊断保护等电池安全管理；温度保护(低温加热、高温冷却功能)和信息存储、信息显示等功能；本发明的模块化分布式电池管理系统适用于混合/纯电动汽车(大巴车、乘用车)电池系统的管理及控制。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种面向全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统，其特征是：为分布式系统结构，包括一个主控模块和多个智能电池模块，其中：每个智能电池模块包括若干个串并联电池电芯、一个从控模块和一个主动均衡电路；
每个智能电池模块通过一个从控模块连接主控模块，所述主控模块被配置为测量电池组总电压、检测绝缘和收集各个从控模块和高压强电部分的数据，对电池数据进行集中分析和处理，判断当前电池的故障，进行电池预警，根据电池的数据进行电池的SOC/SOH估计，并预测电动汽车的剩余续航里程；
所述每个智能电池模块都配置有主动均衡电路，所述主控模块判断各个电池模块间的一致性以及控制模块间的均衡；
所述从控模块被配置为采集所属电池模块的单体电压和温度数据、判断电池单体一致性以及控制均衡，并响应主控模块的命令，将该电池组的电压、温度信息定期返回主控模块；所述主控模块根据各个电池单体的温度状态，对电池进行主动式冷热管理，实现降温或升温的温度控制；
所述主动均衡电路采用基于正反激变换的自动均衡电路，工作在正激变换和反激变换两种工作状态；
所述的电池模块间的均衡采用相邻结构的交流加热-自动均衡电路，每相邻的两个模块设置一个buck-boost变换；
所述主动均衡电路将电池组分为两组，并且每个电池组内包括多个串联的电池单体；每个电池组的每个电池单体连接一个MOSFET开关和变压器的一个绕组，同组的电池单体对应的绕组具有相同的极性，构成传统的正激变换，以实现组内电池单体的均衡；不同组内的绕组具有相反的极性，构成传统的反激变换，以实现两个电池组间的均衡，以及实现对变压器的自动消磁。
2.如权利要求1所述的一种面向全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统，其特征是：所述主控模块通过CAN总线与车辆集成控制单元ECU、车载仪表或充电机进行信息交互。
3.如权利要求1所述的一种面向全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统，其特征是：两组电池组的MOSFET开关分别由一对状态互补的PWM信号控制，即第一组电池组内的MOSFET开关由PWM+控制，第二组电池组内的MOSFET开关由 PWM-控制；通过使用一对状态互补的PWM信号驱动MOSFET开关，即可实现电池单体电压的自动均衡。
4.如权利要求1所述的一种面向全生命周期应用的模块化分布式电池管理系统，其特征是：所述的电池管理系统外设有冷却风扇。
5.基于如权利要求1-4中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：每个智能电池模块将自身的单体电压和温度数据上传，以此判断电池单体一致性以及控制均衡数据，根据电池组总电压、检测绝缘和收集各个从控模块和高压强电部分的数据，对电池数据进行集中分析和处理，判断当前电池的故障，进行电池预警，根据电池的数据进行电池的SOC/SOH估计，并预测电动汽车的剩余续航里程并判断各个电池模块间的一致性以及控制模块间的均衡。
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