CN104201735A - 小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置。装置包括智能电池模组和控制系统，智能电池模组包括电池串、电池监测与均衡系统；控制系统包括MCU模块、LCD单元、存储单元、保护报警单元。智能电池模组可依次叠加在控制系统上以扩大或减少动力系统的容量，可更换损坏的智能电池模组，控制系统根据智能电池模组传送的信息，计算出电池状态信息显示并存储，必要时产生保护报警动作。根据智能电池模组的不均衡度选择切入或切出某一个智能电池模组既决定智能电池模组在线或离线的均衡方式。

Description

小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置

技术领域

本发明属于动力电池应用领域，特别涉及动力电池组监测与均衡技术。

背景技术

动力电池因其高功率和高能量密度，能在效率和环境影响之间取得最佳平衡等优点，而在电动交通工具中广泛使用。但能量越高越不稳定的限制使得动力电池应用暂时还不能完全保证运行安全。单体电池的性能以及安全性能已经基本能够满足动力应用需求，但成组应用容易降低电池组容量、减少电池组使用寿命、引发火灾、爆炸等安全问题，主要由于单体电池之间性能不均衡引起，而在动力电池应用领域必须多个电池成组应用才能满足容量和功率需求，所以，动力电池应用需要良好的均衡及保护技术以提高与完善电池组的性能。

电池组监测与均衡装置便是为了保证电池组在运行中的安全和优势的充分体现，也即是电池组监测与均衡装置通过采集电池外部信息准确估算电池的内部状态；准确定位差异较大的电池进行快速均衡，使电池单体之间性能保持较高一致性；产生电池保护命令，防止可能对电池有损害的情况来最大限度提高电池组的寿命；记录历史信息方便查找故障电池。

考虑系统成本和集成度，目前大部分电池组监测与均衡装置采用专用电池管理芯片，如凌特公司的LTC6801、LTC6802、LTC6803、LTC6804；凹凸公司的OZ890、OZ8920、OZ8940；TI公司的BQ76pl536、EM1451；其他公司如AD7280、DS2438、BM3318、BM3328等。基于集成芯片的监测与均衡装置例如：中国专利ZL201010162444.7公开了一种电动汽车车用电池监测与均衡系统，可精确监测电压、温度、电流并计算SOC，同时监测绝缘状态和故障状态，并对电池组进行能耗均衡，从文中可判断出是基于凌特公司的一款专用电池管理芯片；中国专利ZL201010140237公开了一种基于凹凸公司OZ8920的对锂电池充电和放电双重控制的动力电池监测与均衡系统；中国专利ZL201110335313公开了一种分布式监测与均衡控制电路，能克服普通光耦线性度不高的双层控制管理系统；中国专利CN201110098028公开了一种蓄电池组在线均衡系统，能够对蓄电池组的电压、内阻、容量进行在线均衡；中国专利CN200720059575公开了一种蓄电池在线均衡仪，可选择性对不均衡的单体电池充放电以提高在线运行蓄电池组的性能。

但现有应用于小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置的技术普遍存在一些不完善的方面：监测与均衡装置只适用于特定电池组，当电池组达到使用年限时，监测与均衡装置也随之完成历史使命；不方便扩容或更换已损坏的电池，结构复杂，成本高；只有在线均衡方式，均衡效果不理想。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种应用于小型电动交通工具的动力电池组监测与均衡装置，能通过端口设置增加或减少智能电池模组，即改变容量应用于不同功率需求的交通工具；可更换智能电池模组，增加控制系统的使用周期；可根据智能电池模组的不均衡度选择在线均衡、离线均衡的方式，采用离线均衡方式补救不均衡度超过最大阈值的智能电池模组。

本发明的目的通过如下手段来实现。

一种小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置，包括控制系统100和至少两个智能电池模组：即第一智能电池模组200和第二智能电池模组(300)；控制系统100与第一智能电池模组200相连，所有智能电池模组(200、300)通过电池监测与均衡系统(220、320)上连接端口处的信号总线(230、330)依次串行连接，智能电池模组串行连接为：第一智能电池模组200的底层连接端口228与控制系统100相连，第二智能电池模组300的底层连接端口与第一智能电池模组200的顶层连接端口229相连，依次类推。各底层连接端口与顶层连接端口相连构成串行的信号总线(230、330)，完成智能电池模组之间的电压、电流、温度信号以及均衡控制信号的传递；智能电池模组200中的电池串210与智能电池模组300中的电池串310并联在动力母线500上为交通工具400提供所需功率。

所述小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置中控制系统100由MCU模块110，保护报警单元120、存储单元130、LCD单元140构成，其中保护报警单元120、存储单元130、LCD单元140分别与MCU模块110相连。

所述第一智能电池模组200包括电池串210、电池监测与均衡系统220、信号总线230，电池串210由12节单体电池串联组成，电池监测与均衡系统220包括热敏电阻221、电压采集总线222、温度采集总线223、保护切换开关224、电流传感器225、电压监测单元226、设置端口227、底层连接端口228、顶层连接端口229，电池串210和电池监测与均衡系统220相连，电池监测与均衡系统220和控制系统100或者电池监测与均衡系统320和下一个智能电池模组200相连。

所述第二智能电池模组可并联设置多个。

这样，本发明装置，包括智能电池模组和控制系统。智能电池模组包括电池串和电池监测与均衡系统，电池串由12节单体电池串联组成，电池监测与均衡系统包括热敏电阻、电压采集总线、温度采集总线、保护切换开关、电流传感器、电压监测单元、设置端口、底层连接端口、顶层连接端口，电池串和电池监测与均衡系统相连，电池监测与均衡系统和控制系统或者电池监测与均衡系统和下一个智能电池模组相连。所述热敏电阻采集4路温度信息；所述的电压监测单元采集电池串中12节单体电池的电压，根据单体电池电压进行均衡控制及欠压、过压保护动作；所述电流传感器采集智能电池模组的电流。

控制系统包括了MCU模块，存储单元，LCD单元，保护报警单元。所述的MCU模块接收所述电压监测单元传送过来的电压信息，接收所述热敏电阻传送过来的温度信息，接收所述电流传感器传送过来的电流信息，根据所述的电压、温度、电流等外部电气信息，估算电池SOC，并实现对电池的一系列保护功能，针对不同的电池状态，决定允许和禁止的操作，选择智能电池模块离线或在线的均衡方式，并将上述信息传送到所述LCD单元上显示；所述的存储单元可以记录电池使用历史记录，包括循环次数、电压、电流、温度等信息；所述的保护报警单元对电池组进行欠压、过压、过流、过温等保护和报警。

智能电池模组包括有设置端口、底层连接端口、顶层连接端口，设置端口可设置智能模组处于动力系统的底端、中间位置、顶端。控制系统通过检测端口设置判断智能电池模组的数目从而得到动力系统的总容量，利用公式1进行SOC估计。同时，控制系统根据端口设置通知智能电池模组是否需要接受来自上一智能电池模组传送的数据以及将自身采集的数据发送给下一智能电池模组还是发送给控制系统。

$\mathrm{SOC}={\mathrm{SOC}}_0-\frac{{\∫}_0^t\mathrm{\ηIdt}}{C_N}---\left(1\right)$

SOC-电池组当前荷电状态

SOC₀-电池组初始荷电状态

η–电池组充、放电库仑效率

I-电池组运行总电流

C_N-电池组额度容量

当需要增加容量时，将新加入智能电池模组的底层连接端口与原顶端智能电池模组的顶层连接端口相连，并把新加入的模组设置为顶端位置，将原顶端智能电池模组设置为中间位置；当需要减少容量时，将顶端智能电池模组脱离动力系统，并将次顶端智能电池模组设置为顶端位置；当某个模组损坏时，通过连接端口更换智能电池模组并进行相应的位置设置。控制系统通过监测各智能电池模组中单体电池电压，计算出各智能电池模组的不均衡度，控制相应保护切换开关决定智能电池模组采用在线或离线的均衡方式。离线均衡不受交通工具运行过程中的快速变化的电流影响故均衡效果比在线均衡好，均衡电路可采用控制简单、成本低的被动均衡方法，也可采用高效率的主动均衡方法。

作为本发明应用于小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置的一种改进：以离线均衡作为电池组不均衡度超过设定最大阈值的一种补救方式。智能电池模组相对于交通工具功率需求而言，多并联一个智能电池模组作为备用智能电池模组进行离线均衡，控制系统可根据智能电池模组的状态进行其中某一智能电池模组的切出与备用智能电池模组的切入，从而选择离线或在线均衡的方式。默认最顶端智能电池模组作为备用智能电池模组，当系统检测到某一智能电池模组不均衡度超过设定最大阈值时，则将该智能电池模组切出作为备用智能电池模组进行离线均衡，并将顶端智能电池模组切入，此后实时监测各智能电池模组的不均衡度，当备用智能电池模组进行离线均衡使不均衡度降低到最小阈值以下，同时另一智能电池模组不均衡度超过最大阈值时，将超过最大阈值的智能电池模组切出作为备用智能电池模组进行离线均衡同时将已完成离线均衡的智能电池模组切入。

作为本发明应用于小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置的一种改进：通过端口设置可监测和控制并联数目不同的智能电池模组，即可应用于容量和功率不同的动力系统。可方便增加或减少智能电池模组数，增加了监测与均衡装置的应用范围，可方便更换故障智能电池模组，避免某一个智能电池模组出现故障时，整个监测与均衡装置也必须更换，延长了监测与均衡装置的使用周期。

作为本发明应用于小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置的一种改进：所述智能电池模组中的保护切换开关，既可以作为过流、过温等保护，也可以作为离线与在线均衡方式选择的切换开关。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1、可进行在线均衡、离线均衡方式之间的切换，均衡效果更好；2、智能电池模组之间预设有连接端口，可方便扩展动力系统容量，也可方便更换故障智能电池模组。

附图说明：

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置总体示意图

图2是图1中智能电池模组200的详细示意图

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明进行详细描述：应当理解，详细描述的特定实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明提供一种小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置，包括控制系统100和若干个智能电池模组(200、300)，控制系统100与第一智能电池模组200相连，所有智能电池模组(200、300)通过电池监测与均衡系统(220、320)上连接端口处的信号总线(230、330)依次串行连接，所述的若干智能电池模组串行连接为：第一智能电池模组200的底层连接端口228与控制系统100相连，第二智能电池模组300的底层连接端口与第一智能电池模组200的顶层连接端口229相连，依次类推。各底层连接端口与顶层连接端口相连构成串行的信号总线(230、330)，完成智能电池模组之间的电压、电流、温度信号以及均衡控制信号的传递。

智能电池模组并联在动力母线上，智能电池模组并行连接为：所有智能电池模组中的电池串并联在动力母线上，为交通工具提供所需功率。如图1所示：智能电池模组200中的电池串210与智能电池模组300中的电池串310并联在动力母线500上为交通工具400提供所需功率。

所述小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置中控制系统100由MCU模块110，保护报警单元120、存储单元130、LCD单元140构成，其中保护报警单元120、存储单元130、LCD单元140分别与MCU模块110相连。

所述小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置中智能电池模组200包括电池串210、电池监测与均衡系统220、信号总线230，电池串210由12节单体电池串联组成，电池监测与均衡系统220包括热敏电阻221、电压采集总线222、温度采集总线223、保护切换开关224、电流传感器225、电压监测单元226、设置端口227、底层连接端口228、顶层连接端口229，电池串210和电池监测与均衡系统220相连，电池监测与均衡系统220和控制系统100或者电池监测与均衡系统320和下一个智能电池模组200相连。

所述智能电池模组200中的电池监测与均衡系统220采集电池串的电流、12节单体电池的电压、4路温度信息，通过连接端口处的信号总线230传送给控制系统100，控制系统100根据上述信息估算动力系统的剩余电量，并判定是否需要报警或者保护，是否需要切入与切出进行均衡方式切换，同时将这些信息显示在LCD单元140上和存储在存储单元130中。

所述的保护切换开关224作为保护和切入切出选择均衡方式的开关，这里建议采用大电流继电器。当智能电池模组出现过压、过流、过温时断开224以保护智能电池模组，当在线均衡不能满足均衡需求时断开224使智能电池模组选择离线均衡方式，同时导通备用智能电池模组的保护切换开关224进行在线均衡以及为系统提供动力。例如：在只有两个智能电池模组的动力系统中，默认智能电池模组300处于离线均衡方式，而当智能电池模组200不均衡度超过设定最大阈值时断开其保护切换开关224使智能电池模组200进入离线均衡方式直到不均衡度达到最小阈值以下，同时开通智能电池模组300的保护切换开关使其进行在线均衡同时为交通工具提供所需功率。

所述的报警与保护是指，根据工况测试以及电池特性在控制系统100内部设定合理开启保护的温度、电流、电压阈值，实时和电池监测与均衡系统采集到的相应信息比较，当其接近阈值时启动报警，当其值超过阈值时则断开保护切换开关关闭智能电池模组输出，使智能电池模组工作在不损害电池性能和保护用户安全的范围内。

所述的智能电池模组设置端口227可设置智能电池模组在整个动力系统中串行连接的位置，在底端、中间位置和顶端分别进行不同设置。本发明建议采用一个三端开关，三个端分别可设置为表示智能电池模组在底端、中间位置、顶端，控制系统100通过检测端口设置判断动力系统的智能电池模组数目从而得到动力系统的总容量、通知各智能电池模组是否需要接收来自上一智能电池模组传送的数据以及将自身采集的数据发送给下一智能电池模组还是发送给控制系统，从而保证控制系统对所有智能电池模组的有效管理；当某一智能电池模组损坏时，通过连接端口更换智能电池模组并进行相应位置设置，如当需要更换的智能电池模组位于动力系统的顶端时，更换智能电池模组之后应将新的智能电池模组端口设置为顶端位置；当需要增加容量时，将新加入智能电池模组的底层连接端口与原顶端智能电池模组的顶层连接端口相连，并把新加入的智能电池模组设置为顶端位置，将原顶端智能电池模组设置为中间位置；当需要减少容量时，将顶端智能电池模组脱离动力系统，并将次顶端智能电池模组设置为顶端位置。

虽然本发明的部分实施例已经说明和描述过，但很清楚本发明并不限定于此，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置，包括控制系统(100)和至少两个智能电池模组：第一智能电池模组(200)和第二智能电池模组(300)；控制系统与第一智能电池模组相连，所有智能电池模组(200和300)通过电池监测与均衡系统上连接端口处的信号总线(230和330)依次串行连接，智能电池模组串行连接为：第一智能电池模组(200)的底层连接端口(228)与控制系统(100)相连，第二智能电池模组(300)的底层连接端口与第一智能电池模组(200)的顶层连接端口(229)相连，依次类推；各底层连接端口与顶层连接端口相连构成串行的信号总线(230和330)，完成智能电池模组之间的电压、电流、温度信号以及均衡控制信号的传递；智能电池模组(200)中的电池串(210)与智能电池模组(300)中的电池串(310)并联在动力母线(500)上为交通工具(400)提供所需功率。 

2.根据权利要求1所述之小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置，其特征在于，所述小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置中控制系统(100)由MCU模块(110)、保护报警单元(120)、存储单元(130)、LCD单元(140)构成，其中保护报警单元(120)、存储单元(130)、LCD单元(140)分别与MCU模块(110)相连。 

3.根据权利要求1所述之小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置，其特征在于，所述第一智能电池模组(200)包括电池串(210)、电池监测与均衡系统(220)、信号总线(230)，电池串(210)由12节单体电池串联组成，电池监测与均衡系统(220)包括热敏电阻(221)、电压采集总线(222)、温度采集总线(223)、保护切换开关(224)、电流传感器(225)、电压监测单元(226)、设置端口(227)、底层连接端口(228)、顶层连接端口(229)、电池串(210)和电池监测与均衡系统(220)相连，电池监测与均衡系统(220) 和控制系统(100)或者电池监测与均衡系统(320)和下一个智能电池模组(200)相连。 

4.根据权利要求1所述之小型电动交通工具动力电池组监测与均衡装置，其特征在于，所述第二智能电池模组可并联设置多个。