CN102655346B - 具有自动平衡能力的智能电池模块及电池组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能电池模块，旨在提供一种具有自动平衡能力的智能电池模块及电池组。该智能电池模块包括一个电池单体，或一个由n个电池单体串联组成的电池组；所述电池单体或电池组的正极和负极接至一个DC/DC变流器的输入端，所述DC/DC变流器的两个输出端作为智能电池模块输出；所述智能电池模块还包括一个控制电路，该控制电路有一通信接口电路，用于向控制电路提供指示信号，且控制电路基于该指示信号调节智能电池模块的输出电压。本发明提供可用通过DC/DC变流器实现对外的供电以及对内的充电，方便串联以及实现电池模块之间的均衡，实现电池储存能量的最大化利用以及寿命最大化。

Description

具有自动平衡能力的智能电池模块及电池组

技术领域

本发明涉及一种智能电池模块，特别是利用智能电池模块具有的输出调节功能，实现电池模块之间的均衡以及储存能量的最大利用。

背景技术

在新能源汽车(电动汽车或者混合动力汽车)以及储能等应用场合，蓄电池作为储能单元或者功能单元，由于其较高的储能密度和性价比，得到了广泛的应用。由于单个电池所能提供的电压较低，大多数情况下不能满足实际应用的需要，故在许多情况下需要多个电池串联或者并联来满足系统使用的要求。由于串联的电池单体之间存在差异，故每个单体的使用寿命也不相同。当串联电池组中有一个单体出现故障，会导致整个串联电池组工作的性能下降甚至报废。

假设一个电池组内，有一个故障电池，故障电池的内阻很大，稍微有一点充电电流就会使电池两端电压急剧上升。同样，只要一开始放电，电池两端电压就会迅速下降。在串联电池组中，一旦出现了一节故障电池，则整个电池组的充放电特性会变差。比如充电时，电池组端电压会很快上升至满充电压，充电器根据电池组端电压进行判断，认为电池组已经充满电了，不需要再对其进行充电操作，导致正常的电池欠充、故障电池过充电的情况，进一步导致故障电池的恶化。在放电阶段，由于整个电池组储存的电量很少，故没过多久电就放光了。换句话说：整个电池组实际被使用的容量因为故障电池的出现而变得很小，可以供电的时间也缩短了很多。可以这样理解：大多数串联电池组的故障往往只是由于其中一个供能单元发生故障造成的。

因此，在生产中，对串联使用的电池组，需要进行性能的匹配，即尽量使用性能接近的电池单体进行串联，以保证电池组的寿命。这种方法在串联电池数量较小的时候，尚具有一定的可行性。但在串联数量较多的情况下，几乎不可实现，而且额外筛选带来的高额费用会带来成本的急剧上升。如在电动汽车中，串联电池单体可能会达到100个左右，而在新能源储能应用上，数量更是巨大，可以达到数千个。

因此，如何充分发挥电池组的能效，实现电池的均衡，避免单个失效对整个电池组的影响，仍然是这些应用场合的一个重要挑战。

申请号为02109341.5的发明专利“电池切换装置”，该发明其公开了一种用于串联电池组的电池切换装置，可以“将工作正常的电池串联在电池组内，将工作不正常的电池剔除电池组，继续维持电池组的供电。”采用该方法对故障电池进行处理后，电池组的端电压会下降，比较适用于“各类不间断供电电源”之中，但是对于对串联供能单元组端电压要求较高的场合(比如笔记本电池等)并不适用。申请号为03109241.1的发明专利“一种具有冗余单元的电池”，该发明的“电池组中具有冗余电池单元，该电路可以切除工作不正常的电池，同时通过设置冗余的电池单元，在切除故障电池时仍然能够保证提供足够的电压”。该方法可以使笔记本电池的性能有所提高，但是因为存放了冗余电池，电池组的体积会有所增加，冗余电池越多则体积越大，成本越高，不适合大容量场合。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种具有自动平衡能力的智能电池模块及电池组。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种具有自动平衡能力的智能电池模块，包括一个电池单体，或一个由n个电池单体串联组成的电池组；所述电池单体或电池组的正极和负极接至一个DC/DC变流器的输入端，所述DC/DC变流器的两个输出端作为智能电池模块输出；所述智能电池模块还包括一个控制电路，该控制电路有一通信接口电路，用于向控制电路提供指示信号，且控制电路基于该指示信号调节智能电池模块的输出电压。

本发明中，所述指示信号是下述信号中的至少一种：电池组内所有智能模块内部电池的平均电压信号、平均电池容量信号、最大电压信号或最大电池容量信号。

本发明中，所述DC/DC变流器为双向DC/DC变流器。

本发明中，所述双向DC/DC变流器的输出端有一反并联二极管，所述二极管阴极连接至所述变流器输出正端，所述二极管阳极连接至所述变流器输出负端。

本发明中，所述双向DC/DC变流器是下述非隔离型变流器中的任意一种：双向BUCK变流器、双向BOOST变流器、双向BUCK-BOOST变流器、双向CUK变流器、双向SEPIC变流器或双向ZETA变流器。

进一步地，本发明还提供了一种具有自动平衡能力的电池组，该电池组包括至少2个智能电池模块；所述智能电池模块均包括：一个DC/DC变流器、一个控制电路、一个电池单体或一个由若干个电池单体串联组成的电池组；电池单体或电池组的正负极接至DC/DC变流器，所述DC/DC变流器的两个输出端作为智能电池模块输出；所述控制电路包含一个通信接口电路；各智能电池模块的通信接口电路通过通信线相互连接，用于交换智能电池模块的内部信息，并提供指示信号给各自智能电池模块内部的控制电路，且控制电路基于该指示信号调节智能电池模块输出电压。

本发明中，所述指示信号是下述信号中的至少一种：电池组内所有智能模块内部电池的平均电压信号、平均电池容量信号、最大电压信号或最大电池容量信号。

本发明中，所述DC/DC变流器为双向DC/DC变流器，是下述非隔离型变流器中的任意一种：双向BUCK变流器、双向BOOST变流器、双向BUCK-BOOST变流器、双向CUK变流器、双向SEPIC变流器或双向ZETA变流器。

本发明中，所述双向DC/DC变流器的输出端有一反并联二极管，所述二极管阴极连接至所述变流器输出正端，所述二极管阳极连接至所述变流器输出负端。

本发明中，所述各智能电池模块的通信接口电路通过通信线相互连接后，还与系统电池管理单元连接用于实现信息交换。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供的智能电池模块及电池组，可用通过DC/DC变流器实现对外的供电以及对内的充电，方便串联以及实现电池模块之间的均衡，实现电池储存能量的最大化利用以及寿命最大化。

附图说明

图1为本发明所述智能电池模块(BM)示意图；

图2为智能电池模块组成的电池组系统；

图3为另一种智能电池模块组成的电池组系统；

图4为智能电池模块内部框图一个具体实施例；

图5为放电状态下智能电池模块输出电压调节示意图；

图6为基于电压差别调整输出电压的控制方法的一个具体实施例；

图7为基于电压差别调整输出电压的控制方法的另一具体实施例；

图8为充电状态下智能模块充电电压控制示意图；

图9为双向BOOSTDC/DC变流器电路示意图；

图10为双向BUCK-BOOSTDC/DC变流器电路示意图；

图11为双向CUK变流器电路示意图；

图12为双向SEPICDC/DC变流器电路示意图；

图13为双向ZETADC/DC变流器电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

如在背景技术中所介绍的，当电池组中串联的电池单体数量较大的时候，通过筛选匹配的方式来提高电池组的寿命几乎没有可能。因此，本发明的目的就是在这种应用场合，如何确保电池组的整体寿命，保证其可靠性。

图1所示是本发明的智能电池模块的一个具体实施例。在一个智能电池模块中，包括有限的电池单体，如1～5个，相互串联而成。这样，可以基于一定的筛选方法，用相互匹配程度很好的电池单体构建，保证其一致性。如前面所述，在电池单体较少的场合，相互的匹配是切实可行的。如果内部仅包括一个电池单体，就无所谓匹配的问题。智能电池模块内部的相互串联的电池，通过一个直流/直流(DC/DC)变流器，实现对外供电及充电。这样，一个智能电池模块可以看成是一个智能电池单元。多个智能电池模块再相互串联组成电池组，对系统进行供电或者储能，此时，智能电池模块相当于一个电池单体，智能电池模块之间无需进行匹配，这样，对大容量应用场合，避免了大规模电池匹配不可能实现的问题，同时，又可以实现了只有在完全匹配情况下才可能实现的系统性能。一个智能电池模块除了传统的两个输出端以外，还需要包括一个通信接口电路，实现相互间数据通信以及信息交换，实现系统的匹配及控制。

下面进一步说明智能电池模块在相互之间不匹配的情况下的系统工作情况，以说明如何提高可靠性以及自动实现智能电池模块之间的匹配及平衡。

图1所示为一智能电池模块(BM)示意图。图1所示智能电池模块内部包括若干电池单元相互串联(图1中为3个电池串联)。串联的电池单元通过一个DC/DC变流器对外供电。DC/DC变流器内部有一控制电路(或控制器)，包括一个通信接口电路。通信接口电路与由智能电池模块组成的电池组系统内的电池管理单元(BMS)或者其他智能电池模块通信，交换信息。内部的控制电路根据通信的信息以及采集到的模块内部的电池信息，调节输出。图1所示智能电池模块内部的DC/DC变流器，由于电池充放电，功率需要双向流动，是一个双向DC/DC变流器(或者称为双向DC/DC电路)。可以是常见的各类DC/DC变流器，如BUCK，BOOST，BUCK-BOOST，CUK，SEPIC或者ZETA等非隔离型变流器拓扑，如图9-13所示，这些拓扑的选择不影响本发明的本质。

图2、3是基于图1所示智能电池模块组成的电池组。在图2、3中，每个智能电池模块相当于传统电池组内的电池单体。基于通信的方式不同，图2、图3分别示出了两种系统结构。图2中，所有智能电池模块的通信口相互连接在一起，模块之间组成通信网络实现信息交换。如传统的CAN通信方式等。需要说明的是，在图2中各个智能电池模块的通信接口电路的通信线COM相互连接在一起，在有多根通信线的情况下，表示对应的通信线连接在一起。如2根，A和B，就表示每个模块的A连接在一起，B连接在一起，在通信上，这是一个常用的表示方法。在图3中，智能电池模块的所有通信线连接在一起后，基于一定的通信协议，与系统电池管理单元(BMS)实现信息的交互。系统电池管理单元(BMS)是电池管理领域的一种常用设备的简称。BMS一般由传感器(用于测量电压、电流和温度等)、控制单元和输入输出接口组成。BMS最基本的功能是采集以及监控电池的工作状态(电池的电压、电流和温度)、计算并预测电池的容量(SOC)，进行电池管理以避免出现过放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象，最大限度地利用电池存储能力和循环寿命。在这里，BMS可以将采集到的各个智能电池模块的状态发送到其他模块，实现信息的交换。

上述2种系统结构，仅仅是不同的实施方式，不影响本发明中智能电池模块通过通信接口电路实现智能电池模块间信息的交换。对此，本领域技术人员可以在不违背发明本质的前提下，采用其他的结构或者方式实现相同的功能。

图4所示为一智能电池模块详细结构，内部的DC/DC变流器是双向DC/DC变流器，既功率可以双向流动，其输出端并联有一个旁路二极管DF，旁路二极管DF的阴极连接到DC/DC变流器输出的正端，阳极连接到输出的负端。在双向DC/DC变流器有输出的情况下，旁路二极管DF反偏不导通，仅在异常情况下提供电流通路。图5是图4所示实施例中控制电路(也称控制器)的一个具体实施例。为方便描述，其内部的DC/DC变流器以一个双向BUCK变流器电路(也可简称电路或者拓扑)为例进行说明。

双向BUCKDC/DC变流器中Q1以及Q2的开关控制信号互补(Q1开通时候，Q2关断；反之亦然)。在实际应用中，由于器件非理想(开通关断需要一定时间)，为防止Q1/Q2共通，通常在两者的互补的开关控制信号之间插入一小段死区时间(即Q1关断，Q2等一小段时间再开通；Q2关断，Q1等一小段时间再开通)，这个死区时间通常很短，不影响其互补的本质，有关互补的开关控制信号的死区时间对本领域技术人员而言是常识，这里不再详细叙述。

假设智能电池模块B1内部的电池由于各种原因，其性能相对其他智能电池模块有差异，如内阻增大(容量偏小)，这就意味着在放电时，智能电池模块B1更容易耗尽，而在充电时，更容易充满(其他电池模块尚未充满)，影响整个电池组的性能。

在放电状态下，开始时Q1导通，智能电池模块中的电池与其他智能电池模块串联向负载供电。控制器实时采样蓄电池电流和电压，通过合适的算法，计算蓄电池的容量。有关蓄电池容量预测的方法有较多实现方法，如安时积分法、内阻法、端电压法、查表法等，这不属于本发明需要讨论的范畴。

智能模块内部的控制电路包括一个通信接口电路，通过通信的方式，获取电池组系统中其他智能模块的信息，这些信息包括各个智能模块内部的电池电压、或电池容量、或者所有智能模块内部电池的平均电压、平均电池容量等信息。在图2所示结构中，通过通信环路，智能电池模块之间实现信息的交换。在图3所示结构中，智能电池模块间可以通过系统电池管理单元BMS实现信息的共享。通信接口电路可以基于现有的通信方法，如CAN总线、串行、局域网络等，不是本发明所关注的重点，这里不再展开描述。

通信接口电路可以通过数字电路(如单片机)实现，基于通信得到的信息，通信接口电路输出一个电压信号给智能电池模块内部的控制电路，该电压信号指示采集到的其他智能电池模块的状态信息，如电池电压、容量等，用于与智能模块自身对应的信号比较，以调整智能模块的输出，实现均衡以及能量的最大化利用。在图5所示的一个具体实施例中，通信接口电路通过通信的方式，获取其他智能电池模块的内部电池电压信息，输出一电压信号指示电池组系统中所有智能电池模块的内部电池电压平均值Vavg。

控制电路内部的采样电路，采样自身电池的电压、电流信息(如采用单片机的A/D采样等)，可以获得智能模块自身内部电池的容量等信息。在图5所示的具体实施例中，采样电路将智能电池模块自身的电池电压信号与通信所获取的其他智能模块电池电压的平均电压信号Vavg比较，根据两者的差别，智能电池模块内部的控制电路(控制器)产生一输出电压基准信号Vo_ref，该基准信号与DC/DC变流器(如双向BUCK变流器)输出电压采样信号Vo_FB进行闭环控制，产生一个误差信号Vea，该误差信号通过PWM调制(即误差信号Vea与一锯齿波或者三角波比较产生Q1的PWM信号，Q2控制信号与Q1互补，Q1/Q2控制信号由一定的死区，在图5中未示出)，产生DC/DC变流器内部开关(图4中Q1以及Q2)的控制信号，实现DC/DC变流器输出电压的控制，使之达到Vo_erf的设定值，实现系统的均衡及能量最大化利用。

通信接口电路以及控制电路内部的采样电路在物理上不一定是完全分割的，在一些实施方式中，可以采用一个单片机(MCU)或者数字信号处理芯片(DSP)来实现。因为MCU或者DSP含有通信接口、A/D以及D/A等丰富接口，各种通信方式可以方便地通过软件编程实现。智能电池模块内部的电池信息采样(如电压、电流)可以通过A/D转换的方式转变为数字信号，通信得到的其他智能电池模块的信息也直接以数字信号的方式存储，这样可以在单片机内部直接实现比较，产生输出电压的基准信号，如通过单片机的D/A输出一模拟电压信号。

对图4而言，降低Q1的占空比，使得输出电压降低，维持输出电流不变，这样降低其对负载提供的能量。在其容量不足的情况下，能够维持与其他智能模块相等的供电时间。在一些简单的应用场合，电池的端电压可以近似代表电池容量，智能电池模块的控制器将自身电池电压与其他智能电池模块电压的平均值Vavg相比，其差用来等控制其输出电压，这对DC/DC而言是非常容易实现的。这样可以维持各个智能电池模块持续对负载供电，各个模块基于自己的容量(或者电压)等比例对负载供电)。基于电压差调节输出一个实施示意图如图6、图7所示。

在图6、7中，当智能电池模块内部电池自身的电压(即DC/DC变流器的输入电压Vin)小于智能电池模块电池组的平均电压Vavg，两者之差Vdif(Vdif＝Vavg-Vin)超过一个设定的阈值(图6所示Vth)时，控制器等比例降低变流器的输出电压Vo(也就是输出能量)。在一个实施例中，输出电压可以表示为Vo＝Vin*(Vin+Vth)/Vavg。在图7所示的实施方式中，控制器基于两者的差等比例降低变流器的输出电压，可以表示为Vo＝Vin*(Vin)/Vavg。这样，如果智能电池模块自身的电压较小，其输出电压也变小，其输出能量也等比降低，延长其放电时间，实现能量的最大利用。本领域技术人员也可以有其他的实施方式，但总体上，但两者出现差别时，调整其输出能量的大小以调整其放电时间，维持整个蓄电池组的整体放电时间。

在极端情况下，如智能电池模块内部电池损坏或者无法放电(Vin＝O的情况)，内部DC/DC变流器不再工作，智能电池模块内部的Q1关断，旁路二极管DF导通(在电池损坏情况下)，整个电池组仍可对外持续供电，大大提高系统的可靠性，这一点对电池供电的交通工具而言尤为重要。

当智能电池模块内部电池自身的电压(即DC/DC变流器的输入电压Vin)高于智能电池模块电池组的平均电压Vavg时，通常无需特殊处理。只能电池模块内部的Q1持续导通，对外提供电能。

同样，通过通信接口电路通信得到的信号可以是其他智能电池模块的内部电池容量信息，输出一电压信号指示电池组系统中所有智能电池模块的内部电池容量平均值，与智能模块自身的电池容量信息进行比较，控制智能电池模块的输出，类似于上述基于电池电压的控制方式。在一些实施方式中，控制电路采样的智能电池模块内部的电池信息(如电压或容量等)可以与通过通信获得的电池组内其他智能电池模块的对应信息的最大值比较，以调整自身的输出电压。本领域技术在不违背本发明的实质的前提下，可以有多种实现方式。

充电状态相对放电状态而言是个逆过程。在充电状态下，智能电池模块在电池充电状态下，同样具备了均衡功能。对于放电控制输出电压，在充电状态下，智能电池模块内部仅需要控制其充电最终的终止电压。通常，外部给电池组充电的充电器具有恒流特性(即按照电池组规定的电流恒流给电池充电)。如图4所示的智能电池模块，在初始充电后状态下，Q1恒导通，系统给电池组进行恒流充电。智能电池模块内部的控制器实时采样电池电压，当电池电压达到设定的终止电压时，如果停止充电，由于充电电流在电池内阻上的压降，电流为0时，电池电压会下降(电池仍未充满)，此时智能电池模块需要将电池转到恒压充电，需要减小充电电流。智能电池模块内部控制器通过调节Q1的占空比(也就是Q2的占空比)，减小充电电流，使得电池的端电压维持在设定值。这样，无论任意智能电池模块间内部电池匹配如何，智能电池模块总能确保其内部电池可以充到设定的阈值(也就意味着容量最大化)。蓄电池充电电压控制电路示意图如图8所示。图8所示的Vin_ref为系统设定的电池充满状态下的充电电压。Vin_FB是智能电池模块内部电池电压。当Vin_FB越来越接近参考电压Vin_ref时，误差信号Vea越小，导致Q1的占空比变小。在智能电池模块内部电池充满时，智能电池模块调节Q1的占空比最小(到0)，也就是Q2全导通，电池终止充电，其他智能电池模块可以继续充电。

图9-13所示为一些常用双向DC/DC变流器拓扑示意图，同样适用于本发明所述智能电池模块。但图9-13所示双向DC/DC变流器并非穷举各种可能的双向DC/DC变流器，在不影响发明本质的前提下，本领域技术人员可以有其他的双向DC/DC变流器实施方式。

从上面实施例及具体的充放电过程看，就算蓄电池模块之间出现任何不匹配的情况下，系统均可以实现持续供电以及实现电池最大容量充电，无需额外的均衡电路等，极大简化系统的结构，提高系统可靠性。

Claims (1)

1.一种具有自动平衡能力的电池组，其特征在于，该电池组包括至少2个智能电池模块；所述智能电池模块均包括：一个DC/DC变流器、一个控制电路、一个电池单体或一个由若干个电池单体串联组成的电池组；电池单体或电池组的正负极接至DC/DC变流器，所述DC/DC变流器的两个输出端作为智能电池模块输出，多个所述智能模块的DC/DC变流器输出相串联，串联后的输出作为整个电池组的输出为负载供电；各智能电池模块的通信接口电路通过通信线相互连接后，还与系统电池管理单元连接用于实现信息交换；

所述控制电路包含一个通信接口电路；各智能电池模块的通信接口电路通过通信线相互连接，用于交换智能电池模块的内部信息，通过获取其他智能电池模块的信息，提供指示信号给各自智能电池模块内部的控制电路，且控制电路基于该指示信号调节智能电池模块输出电压；

所述指示信号是下述信号中的一种：电池组内所有智能模块内部电池的平均电压信号、平均电池容量信号、最大电压信号或最大电池容量信号；

控制电路内部的采样电路，采样自身电池的电压、电流信息，采样电路将智能电池模块自身的电池信号与通信所获取的其他智能电池模块的指示信号比较，根据两者的差别，智能电池模块内部的控制电路产生一输出电压基准信号，该基准信号与DC/DC变流器输出电压采样信号进行闭环控制，产生一个误差信号，该误差信号通过PWM调制，产生DC/DC变流器内部开关的控制信号，实现DC/DC变流器输出电压的控制，使之达到输出电压基准信号的设定值，以调整智能电池模块的输出能量大小及放电时间，实现各个智能电池模块持续对负载供电；

所述DC/DC变流器为双向DC/DC变流器，是下述非隔离型变流器中的任意一种：双向BUCK变流器、双向BOOST变流器、双向BUCK-BOOST变流器、双向BCUK变流器、双向SEPIC变流器或双向ZETA变流器；

所述双向DC/DC变流器的输出端有一反并联旁路二极管，所述旁路二极管阴极连接至所述变流器输出正端，所述旁路二极管阳极连接至所述变流器输出负端，在双向DC/DC变流器有输出的情况下，旁路二极管反偏不导通，仅在异常情况下提供电流通路。