一種雙模全功能電池管理系統及其充放電方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙模全功能電池管理系統及其充放電方法，在電池組充電過程中，電池模組系統采用統一模式進行充電，對整組電池組充電，當電池組中有一個單體電池達到設定充電閾值時，雙模系統立即停止整組電池充電模式，然后切換電池單元的充電模式，對各電池組中的每一個單體電池獨立充電，保證所有單體電池獨立控制充電，互不干涉影響，避免電池過充，確保電池充電安全、充電效率和電池使用效率；在放電過程中，當電池模組中任一單體電池放電低于設定閾值時，整組電池模組停止放電狀態，避免電池模組中的單體電池過放，造成電池組一致性差，提高電池安全和使用效率。
【專利說明】
一種雙模全功能電池管理系統及其充放電方法
技術領域
[0001 ] 本發明屬于電池管理系統(BMS，Battery Management System)的技術領域，具體涉及一種雙模全功能電池管理系統及其充放電方法。
【背景技術】
[0002]新能源汽車產業以零排放和節能環保優點在全球得到越來越多的重視和應用。根據我國十三五和《節能與新能源汽車產業規劃(2012-2020年)》規劃，2020年，新能源汽車累計產銷量達到500萬輛，中/重度混合動力乘用車占車年產銷量的50%以上。
[0003]新能源汽車動力和儲能系統目前以采用鋰離子二次電池為主。鋰離子電池安全性對鋰電池動力電池和儲能電池系統應用普及具有首要作用。由于鋰電池在充電過程中，因為電池管理系統和電池一致性問題，易導致電池過充和過放，導致電池起火燃燒爆炸安全事故。
[0004]從國內外最近幾年新能源鋰離子電動汽車安全事故統計，鋰電池過充造成電池短路起火燃燒和爆炸安全事故是電動汽車安全事故主要原因。
[0005]目前在電池管理系統中，充電系統全部采用系統對整組電池充電模式。當整組電池中全部單體電池都達到滿電狀態時，電池管理系統充電模塊才停止對電池組充電。在此條件下，當在整組電池充電過程中，一個單體電池達到充滿電狀態(100%S0C，State ofCharge)，其余電池還未達到滿電狀態時，電池管理系統仍會繼續對整組電池充電。在電池一致性差異較大情況下，造成電池健康狀況(SOH，State of Health)較好電池在滿電狀態下，電池組其他電池還未充滿電時，仍然繼續充電狀況，易造成電池過充，電池起火燃燒和爆炸安全事故。
[0006]同時，在電池組放電過程中，現有電池管理系統采用整組電池監測模式，當整組電池輸出達到設定閾值時，系統才停止電池組放電模式。但是，當電池組中單體電池達到單體電池放電閾值時，電池組仍會處在放電狀態，在此條件下，造成單體電池過放、電池組一致性差異增大和電池使用效率和安全降低問題。
【發明內容】
[0007]針對現有技術中電池管理系統缺陷，本發明提供一種雙模全功能電池管理系統及其充放電方法，有效避免單體電池過充和過放的發生，防止電池使用過程中產生一致性不良的情形。
[0008]本發明采用如下技術方案:
一種雙模全功能電池管理系統，包括，
雙模系統，包括電池模組和電池單元；
電池模組，用于對電池組進行整體充電；電池單元，用于對電池組的單體電池分別進行獨立充電，所述電池單元由電池模組控制；
放電偵測模塊，用于對電池模組和電池單元放電檢測；以及， 總輸入電源管理模塊，為電池模組和電池單元提供輸入電源。
[0009]優選的，所述電池模組包括電池模組充電管理模塊、電池單元充電管理模塊、電池模組輸入電源模塊、電池模組輸出電源模塊、電池模組CAN通訊模塊、電池單元CAN通訊模塊、電池模組充電信息模塊和電池單元充電信息模塊，所述電池模組充電管理模塊通過電池模組充電信息模塊和電池單元充電信息模塊分別獲取電池組和單體電池的電池信息，所述電池模組充電管理模塊通過電池單元充電管理模塊連接電池單元，所述電池模組輸入電源模塊和總輸入電源管理模塊連接，所述電池模組輸出電源模塊輸出對電池模組整體充電，所述電池模組充電管理模塊通過電池模組CAN通訊模塊和電池單元CAN通訊模塊發送電池模組和電池單元的通訊數據。
[0010]優選的，所述電池信息包括充電電壓、電流、容量、電池充電狀態、電池健康狀態、
溫度和異常信息。
[0011]優選的，所述電池單元包括電池單元輸入電源模塊和電池單元輸出電源模塊，所述電池單元輸入電源模塊和電池單元輸出電源模塊受控于所述電池單元充電管理模塊，所述電池單元充電管理模塊通過電池單元輸出電源模塊對單體電池進行充電。
[0012]優選的，所述放電偵測模塊包括電池模組放電信息模塊、電池單元放電信息模塊、放電預警模塊和電池組溫度控制模塊，所述電池模組放電信息模塊和電池單元放電信息模塊用于獲取包括單體電池放電電壓、電流、容量、溫度和異常信息。
[0013]優選的，所述電池模組、電池單元與放電偵測模塊共用電池信息采集點。
[0014]優選的，所述電池模組充電管理模塊和電池單元充電管理模塊分別包括電壓充電模塊和電流充電模塊，所述電池模組輸出電源模塊和電池單元輸出電源模塊分別包括電壓輸出模塊和電流輸出模塊。
[0015]優選的，所述電池單元輸出電源模塊包括串聯脈沖充電模式、串聯恒流充電模式和并聯單點恒壓獨立充電模式。
[0016]優選的，所述總輸入電源管理模塊提供電源方式包括直流電源和交流電源，所述總輸入電源管理模塊包括欠壓、高壓和短路保護模塊。
[0017]另外，一種基于雙模全功能電池管理系統的充放電方法，包括，
充電時，首先電池模組對電池組采用統一模式充電；
當電池組任一單體電池達到設定充電閾值時，停止電池模組整組電池統一充電模式，切換至電池單元充電模式，電池單元分別對各電池組內的單體電池獨立充電；
當單體電池達到設定充電閾值時，電池單元停止對單體電池充電，當所有單體電池充滿電時，電池單元停止充電模式；
放電時，放電偵測模塊監測電池模組和電池單元放電狀態信息，當單體電池達到設定放電閾值時，放電偵測模塊停止電池組放電。
[0018]本發明的有益效果是:在電池組充電過程中，電池模組采用統一模式進行充電，對整組電池組充電，雙模系統監測電池模組和每個電池單元充放電狀態信息參數；當電池模組中有一個單體電池達到設定充電閾值時，立即停止電池模組整組電池充電模式，確保單體電池在電池模組充電過程中不會造成單體電池過充;然后切換至電池單元控制，對各電池組中的每一個單體電池獨立充電。
[0019]當電池組中的單體電池達到滿電狀態時，停止對滿電單體電池充電，繼續對其它未滿電狀態的單體電池充電，直到全部電池單元滿電為止，這樣確保所有電池單元獨立充電控制，互不干涉影響，避免單體電池過充。
[0020]在放電時，放電偵測模塊監測電池模組和單電池單元放電信息，當電池模組中任一單體電池放電低于設定閾值時，整組電池模組停止放電狀態，避免電池模組中的單體電池過放，造成電池組一致性差，提高電池安全和使用效率。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明中雙模全功能電池管理系統的原理框圖；；
圖2是本發明中電池模組的原理框圖；
圖3是本發明中電池單元的原理框圖；
圖4是本發明中實施例一的原理框圖；
圖5是本發明中實施例二的原理框圖；
圖6是本發明中放電偵測模組與電池模組和電池單元共用電池信息采集點的結構示意圖；
圖7是本發明中單個電池模組的立體結構示意圖；
圖8是本發明中電池模組和電池單元運行的邏輯示意圖。
[0022]其中，電池單元I，電池模組2，放電偵測模塊3，信息采集點4。
【具體實施方式】
[0023]下面結合具體的實施例對本發明作進一步的說明，但并不局限于此。
[0024]參見圖1，一種雙模全功能電池管理系統，該電池管理系統(BMS ,BatteryManagement System)包括雙模系統、放電偵測模塊和總輸入電源管理模塊，其中，雙模系統包括電池模組2(BGn，Battery Group)和電池單元I (BUn—m，Battery Unit)；電池模組2(BGn)用于對電池組進行整體充電；電池單元l(BUn-m)用于對電池組的單體電池分別進行獨立充電，所述電池單元I ( BUn-m)由電池模組2 ( BGn)控制管理；放電偵測模塊用于對電池模組2(BGn)和電池單元I (BUm)放電偵測；總輸入電源管理模塊為電池模組2(BGn)和電池單元I(BUn-m)提供輸入電源，其中，η和m為彡I的整數。總輸入電源為市電交流電AC 100?240V，通過電源管理模塊轉換成多組隔離輸出的直流電DC60V/8.6A。
[0025]參見圖2，電池模組2包括電池模組充電管理模塊、電池單元充電管理模塊、電池模組輸入電源模塊、電池模組輸出電源模塊、電池模組CAN通訊模塊、電池單元CAN通訊模塊、電池模組充電信息模塊和電池單元充電信息模塊，所述電池模組充電管理模塊通過電池模組充電信息模塊和電池單元充電信息模塊分別獲取電池組和單體電池的電池信息，所述電池模組充電管理模塊通過電池單元充電管理模塊連接電池單元I，所述電池模組輸入電源模塊和總輸入電源管理模塊連接，所述電池模組輸出電源模塊輸出對電池模組整體充電，所述電池模組充電管理模塊通過電池模組CAN通訊模塊和電池單元CAN通訊模塊發送電池模組和電池單元的通訊數據。其中，電池信息包括充電電壓、電流、容量、電池充電狀態、電池健康狀態、溫度和異常信息。對電池組整體充電時，由電池模組充電管理模塊控制電池模組輸入電源模塊和電池模組輸出電源模塊，通過電池模組輸出電源模塊對電池模組進行整體充電。
[0026]參見圖3，電池單元I包括電池單元輸入電源模塊和電池單元輸出電源模塊，電池單元充電管理模塊分別連接電池單元輸入電源模塊、電池單元輸出電源模塊和電池單元CAN通訊模塊。對電池組的單體電池進行獨立充電時，電池單元充電管理模塊通過電池單元輸入電源模塊連接總輸入電源管理模塊獲取電源，通過電池單元輸出電源模塊對各單體電池進行獨立充電。
[0027]其中，電池模組充電管理模塊和電池單元充電管理模塊分別包括電壓充電模塊和電流充電模塊，同時電池模組輸出電源模塊和電池單元輸出電源模塊分別包括電壓輸出模塊和電流輸出模塊，采用電壓充電時，通過電壓輸出模塊輸出電壓方式進行充電，采用電流充電時，通過電流輸出模塊輸出電流方式進行充電，即電池模組充電管理模塊和電池單元充電管理模塊分別具有電壓充電和電流充電兩種模式。進一步的，電池單元輸出電源模塊包括串聯脈沖充電模式、串聯丨旦流充電模式和并聯單點丨旦壓獨立充電模式。
[0028]實施例一，參見圖4所示，該雙模全功能電池管理系統具有一個電池模組2(BG)，該電池模組2連接控制η個電池單元(BUn)，電池模組2由總輸入電源管理模塊提供電源輸入，充電時，電池模組2采用統一模式對電池組充電，當電池組中任一單體電池達到設定充電閾值時，電池模組2停止整組電池統一充電模式，切換至電池單元I充電模式，電池單元I對電池組內各單體電池獨立充電，直至所有單體電池充滿電。
[0029]實施例二，參見圖5所示，雙模全功能電池管理系統具有η個電池模組2(BGn)，各個電池模組2分別連接控制m個電池單元(BUn-m)。
[0030]參見圖8，在充電過程中，電池模組2(BGn)采用統一模式對電池組充電，雙模系統監測電池模組2和每個單體電池的充電狀態S0C、S0H、電壓、電流、容量和溫度參數；當電池組任一單體電池達到設定充電閾值時，停止整組電池統一充電模式，切換至電池單元I充電模式，電池單元I分別對各電池組內單體電池獨立充電；當單體電池達到設定充電閾值時，電池單元I停止對單體電池充電，當所有單體電池充滿電時，電池單元I停止充電模式，確保所有單體電池獨立充電，互不干涉影響，避免電池過充。電池單元I對每一單體電池獨立充電，可以采取小電流充電，提高單體電池充電、使用和安全效率。
[0031]實施例二中，具體的示例為:電動汽車電池組總壓為330V，電池模組2(BGn)輸出7組DC60V/8.6A的電源應用在電池單元UBUn-13)，每個電池單元UBUn-13)包含13串單體電池，單體電池為三元鎳鈷錳酸鋰電池，單體電芯容量為10Ah。其中，n=l，2，……，13，n為整數。上述的電池SOC計算方法包括安時積分法、人工神經網絡法、卡爾曼濾波法和開路電壓法。本實施例中采用安時積分法。
[0032]在接通外部電源時，電池模組2(BGn)12V或24V輔助電源先給雙模全功能電池管理系統供電，然后電池模組2(BGn)的CAN網絡將各組電池信息傳遞給用電系統網絡，該傳輸過程基于電池模組CAN通訊模塊和電池單元CAN通訊模塊實現。其中，電池信息包括充電電壓、電流、容量、電池充電狀態、電池健康狀態、溫度和異常信息等。CAN線路采用雙絞屏蔽線，保證信號傳輸穩定和可靠性。
[0033]電池單元l(BUn—13)輸入端連接電池模組2(BGn)的輸出電源60V，將電池模組2(BGn)靜止一段時間，檢測每串電池的總電壓;每串電池的總電壓為開路電壓。
[0034]當電池組中的單體電池的電壓彡3V時，通過CAN網絡進行廣播報警，同時以充5S停IS的脈沖形式進行串充； 當單體電池的電壓值為3V〈電壓彡4.15V時，取消報警，電池單元I (BUn-13)繼續以串聯恒流充電模式充電；
當其中任意一單體電池的電壓彡4.15V時，電池單元I (BUn-13)切斷串充模式，啟動并聯單點恒壓獨立充電模式充電；
當單體電池的電壓彡4.18V時，停止充電；
上述過程中以500ms(或按車廠要求)的間隔將數據進行CAN網絡廣播，充電通訊協議符合國標。
[0035]參見圖6和7，放電偵測模塊3采用CAN2.0協議進行模組與模組通訊、模組與用電系統網絡通訊、模組與電池單元I (BUn-13)通訊。放電偵測模塊3與電池模組2和電池單元I共用電池信息采集點4，但通訊網絡采用物理層隔離，參見圖6。
[0036]在放電時，放電偵測模塊監測電池模組和單電池單元放電信息，當電池模組中任一單體電池放電低于設定閾值時，整組電池模組停止放電狀態。電池模組2內每串單體電池的信息采集和計算，并通過CAN網絡進行廣播。放電的電壓與電流保護采用三個等級，一級預警、二級報警、三級強制切斷。還有，可外接顯示器進行實時監控每串電池電壓、溫度、電流、S0C、絕緣性能等。
[0037]本發明的雙模全功能電池管理系統采用獨立硬件模塊，便于動力電源系統和儲能電源系統安裝使用，提高產品安全、適應和可維護性，具有很高應用價值。
[0038]以上所述，只是本發明比較典型的實施例而已，本發明并不局限于上述實施方式，只要其以相同的技術手段達到本發明的實用效果，都應屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種雙模全功能電池管理系統，其特征在于:包括， 雙模系統，包括電池模組和電池單元； 電池模組，用于對電池組進行整體充電；電池單元，用于對電池組的單體電池分別進行獨立充電，所述電池單元由電池模組控制； 放電偵測模塊，用于對電池模組和電池單元放電檢測；以及， 總輸入電源管理模塊，為電池模組和電池單元提供輸入電源。2.根據權利要求1所述的雙模全功能電池管理系統，其特征在于:所述電池模組包括電池模組充電管理模塊、電池單元充電管理模塊、電池模組輸入電源模塊、電池模組輸出電源模塊、電池模組CAN通訊模塊、電池單元CAN通訊模塊、電池模組充電信息模塊和電池單元充電信息模塊，所述電池模組充電管理模塊通過電池模組充電信息模塊和電池單元充電信息模塊分別獲取電池組和單體電池的電池信息，所述電池模組充電管理模塊通過電池單元充電管理模塊連接電池單元，所述電池模組輸入電源模塊和總輸入電源管理模塊連接，所述電池模組輸出電源模塊輸出對電池模組整體充電，所述電池模組充電管理模塊通過電池模組CAN通訊模塊和電池單元CAN通訊模塊發送電池模組和電池單元的通訊數據。3.根據權利要求2所述的雙模全功能電池管理系統，其特征在于:所述電池信息包括充電電壓、電流、容量、電池充電狀態、電池健康狀態、溫度和異常信息。4.根據權利要求2所述的雙模全功能電池管理系統，其特征在于:所述電池單元包括電池單元輸入電源模塊和電池單元輸出電源模塊，所述電池單元輸入電源模塊和電池單元輸出電源模塊受控于所述電池單元充電管理模塊，所述電池單元充電管理模塊通過電池單元輸出電源模塊對單體電池進行充電。5.根據權利要求1-4任一所述的雙模全功能電池管理系統，其特征在于:所述放電偵測模塊包括電池模組放電信息模塊、電池單元放電信息模塊、放電預警模塊和電池組溫度控制模塊，所述電池模組放電信息模塊和電池單元放電信息模塊用于獲取包括單體電池放電電壓、電流、容量、溫度和異常信息。6.根據權利要求5所述的雙模全功能電池管理系統，其特征在于:所述電池模組、電池單元與放電偵測模塊共用電池信息采集點。7.根據權利要求4所述的雙模全功能電池管理系統，其特征在于:所述電池模組充電管理模塊和電池單元充電管理模塊分別包括電壓充電模塊和電流充電模塊，所述電池模組輸出電源模塊和電池單元輸出電源模塊分別包括電壓輸出模塊和電流輸出模塊。8.根據權利要求7所述的雙模全功能電池管理系統，其特征在于:所述電池單元輸出電源模塊包括串聯脈沖充電模式、串聯恒流充電模式和并聯單點恒壓獨立充電模式。9.根據權利要求7所述的雙模全功能電池管理系統，其特征在于:所述總輸入電源管理模塊提供電源方式包括直流電源和交流電源，所述總輸入電源管理模塊包括欠壓、高壓和短路保護模塊。10.一種基于雙模全功能電池管理系統的充放電方法，其特征在于:包括， 充電時，首先電池模組對電池組采用統一模式充電； 當電池組任一單體電池達到設定充電閾值時，停止電池模組整組電池統一充電模式，切換至電池單元充電模式，電池單元分別對各電池組內的單體電池獨立充電； 當單體電池達到設定充電閾值時，電池單元停止對單體電池充電，當所有單體電池充滿電時，電池單元停止充電模式； 放電時，放電偵測模塊監測電池模組和電池單元放電狀態信息，當單體電池達到設定放電閾值時，放電偵測模塊停止電池組放電。
【文檔編號】H02J7/00GK106067570SQ201610560567
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年7月15日
【發明人】李志行
【申請人】李志行