專利名稱：電池柔性組合控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動力電池組的控制系統(tǒng)，特別涉及一種動力電池組柔性組合控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
動力電池組的壽命遠(yuǎn)小于單體電池的壽命，導(dǎo)致動力電池組性能下降較快、使用成本上升，嚴(yán)重制約了電動汽車的發(fā)展。實驗表明，循環(huán)壽命500次以上的單體電池組合成10串電池組，則電池組壽命約為200次左右。如果串聯(lián)數(shù)量增大，則電池組壽命更短。單體電池間的不一致性，以及在行駛工況下串聯(lián)電池組不一致性的逐步擴(kuò)大，是導(dǎo)致電池組壽命遠(yuǎn)小于單體電池壽命的主要因素?？紤]安全性等因素，串聯(lián)電池組的容量是按“短板原理”來確定的，電池組中容量最小電池的容量決定了總體容量。經(jīng)過長時間的 循環(huán)，當(dāng)電池組不一致性很大時，最小容量電池的容量會遠(yuǎn)小于平均容量(即單體容量)，所以電池組總體容量遠(yuǎn)小于單體容量，導(dǎo)致電池組壽命遠(yuǎn)小于單體壽命。為了減小不一致性的影響，努力使各電池單體在工作中保持一致，均衡技術(shù)成為了必然的選擇。電池均衡技術(shù)可分為兩種類型，化學(xué)均衡和物理均衡。只集中于電池本身，沒有額外電路的均衡為化學(xué)均衡。但化學(xué)均衡的實用性和安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實際應(yīng)用的需求。傳統(tǒng)的物理均衡，主要依賴于外部的均衡電路，電路的性能直接影響均衡的效果，其可靠性與效率也得不到保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了減小電池組中電池不一致性的影響，努力使各電池單體在工作中保持一致，或者把容量的差別控制在一定的范圍內(nèi)。本發(fā)明基于的原理是由于單體電池工作電壓不恒定，所以動力電池組工作電壓具有較大的波動范圍。如將工作電壓為3. OV至3. 8V之間100塊單體串聯(lián)，該電池組的工作電壓將在300V和380V之間波動，最低工作電壓僅為最高工作電壓的80%。如果斷開其中2塊電池，則電壓僅下降2%，完全能夠滿足電動汽車的行駛要求。實際行駛中，完全可以選擇非峰值功率需求時進(jìn)行均衡。相關(guān)研究表明，在實踐中導(dǎo)致電池組容量較低的“短板”電池，往往只有一塊或幾塊。因此，可以通過柔性組合技術(shù)，突破串聯(lián)電池組中傳統(tǒng)的電池間剛性連接，適時暫停最低電壓電池的放電或最高電壓電池的充電，調(diào)節(jié)各單體電池容量的差異，起到均衡作用，滿足電動汽車的動力需求。借鑒柔性制造的思想，研究柔性連接技術(shù)，使極端電池從電池組中斷開,暫時停止工作，當(dāng)其狀態(tài)與其他工作中的電池相近時,再接入電池組工作。這個過程始終動態(tài)的進(jìn)行，以智能化的方式進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)一定的精度要求。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種電池柔性組合控制系統(tǒng)，包括由電池單元串聯(lián)而成的柔性電池組，電池單元由一個單體電池分別串聯(lián)和并聯(lián)一個開關(guān)元件組成；每個電池單元連接有一個電壓檢測電路，檢測電池電壓并傳輸?shù)娇刂菩酒?；控制芯片對采集到的單體電池的參數(shù)通過寫入到控制芯片的控制策略進(jìn)行計算，并將得到的控制結(jié)果輸出到與每個開關(guān)元件連接的開關(guān)元件驅(qū)動電路，從而控制電池組中開關(guān)元件的通斷。有益效果本發(fā)明提供的電池柔性組合控制系統(tǒng)，可以迅速實現(xiàn)精度更高的電池組均衡，延長放電時間；并且能進(jìn)行對單個電池的精確監(jiān)控和控制，當(dāng)某一塊電池出現(xiàn)問題時，可以立即從電池組中斷開，杜絕安全隱患。


圖I是電池柔性組合控制系統(tǒng)的總體框圖；圖2是電池單元示意圖；
圖3是電池柔性組合控制系統(tǒng)的功能框圖；圖4是動力電池柔性組合控制系統(tǒng)運行通用流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，具體說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。圖I是電池柔性組合控制系統(tǒng)的總體框圖。電池柔性組合控制系統(tǒng)，包括由電池單元串聯(lián)而成的柔性電池組，電池單元由一個單體電池分別串聯(lián)和并聯(lián)一個開關(guān)元件組成；每個電池單元連接有一個電壓檢測電路，檢測電池電壓并傳輸?shù)娇刂菩酒?；控制芯片對采集到的單體電池的參數(shù)通過寫入到控制芯片的控制策略進(jìn)行計算，并將得到的控制結(jié)果輸出到與每個開關(guān)元件連接的開關(guān)元件驅(qū)動電路，從而控制電池組中開關(guān)元件的通斷，根據(jù)電池單元中的兩個開關(guān)元件的通斷狀態(tài)使單體電池動態(tài)的從電池組中接入或斷開?？刂菩酒梢允怯休斎胼敵龆丝诤虯DC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的可編程芯片；開關(guān)元件可以是MOSFET，IGBT和繼電器等能通過電平高低進(jìn)行通斷的元件；開關(guān)元件驅(qū)動電路則是開關(guān)元件對應(yīng)的驅(qū)動電路。在電池單元中，一塊單體電池與兩個開關(guān)元件相連，如圖2所示，其中I個開關(guān)元件(設(shè)為Ml)與單體電池串聯(lián)，另I個開關(guān)元件(設(shè)為M2)與單體電池并聯(lián)。當(dāng)單體電池標(biāo)記為“接入”時，控制芯片通過開關(guān)元件驅(qū)動電路驅(qū)動Ml導(dǎo)通，驅(qū)動M2斷開，使單體電池接入到柔性電池組中；當(dāng)單體電池標(biāo)記為“斷開”時，控制芯片通過開關(guān)元件驅(qū)動電路驅(qū)動Ml斷開，驅(qū)動M2導(dǎo)通，使單體電池從柔性電池組中斷開。在電池單元工作期間，電池單元中同一個單體電池的兩個開關(guān)元件不能同時導(dǎo)通和同時斷開，并且單體電池從柔性電池組中接入或斷開時，兩個開關(guān)元件必須同時改變其開關(guān)狀態(tài)，保證電池組中不會出現(xiàn)局部短路和斷路現(xiàn)象。控制芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC,Analog-to_Digital Converter)與電壓檢測電路相連，實現(xiàn)對單體電池電壓的實時監(jiān)測；控制芯片對采集到的單體電池的參數(shù)通過寫入到控制芯片的控制策略進(jìn)行計算；根據(jù)策略結(jié)果標(biāo)記柔性電池組中的單體電池“斷開”或“聯(lián)通”狀態(tài)；根據(jù)單體電池的通斷標(biāo)記狀態(tài)控制芯片改變輸出端口的高低電平傳輸給開關(guān)元件驅(qū)動電路；驅(qū)動電路將傳過來的高低電平進(jìn)行隔離和信號放大，驅(qū)動開關(guān)元件的通斷，進(jìn)而控制單體電池在柔性電池組中的通斷；控制策略將本次的操作中的單體電池電壓、單體電池通斷狀態(tài)、輸出總電壓等信息進(jìn)行實時記錄。本發(fā)明可以根據(jù)實際應(yīng)用采取靈活的控制策略，例如設(shè)定電池的電壓閾值，低于該閾值就將對應(yīng)的電池斷開，暫停電池的放電，并對電池進(jìn)行充電；或者設(shè)定一個電池的電壓范圍，低于該范圍就暫停電池的放電，高于該范圍就暫停電池的充電；或者每隔一定時間間隔檢測出電壓最低的電池和電壓最高的電池，并暫停最低電壓電池的放電以及最高電壓電池的充電。每個開關(guān)元件都與控制芯片相連，由控制芯片控制開關(guān)元件的通斷狀態(tài)；每個單體電池兩端都與控制芯片的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連，實現(xiàn)電壓的實時檢測?？刂菩酒c電壓檢測電路之間使用線性光耦隔離元件實現(xiàn)電氣隔離；控制芯片與開關(guān)元件驅(qū)動電路之間使用光耦隔離元件實現(xiàn)電氣隔離。柔性電池組兩端有兩組開關(guān)元件，根據(jù)控制策略可在直流和交流之間切換輸出，并根據(jù)控制策略可以實時控制交流電的頻率。本發(fā)明電池柔性組合控制系統(tǒng)的功能框圖為圖3，控制系統(tǒng)主要由控制芯片、開關(guān)元件、單體電池、電壓檢測電路、開關(guān)元件驅(qū)動電路以及通訊電路組成；單體電池與電壓檢測電路相連，通過隔離再與控制芯片相連，實現(xiàn)電壓測量；單體電池與兩個開關(guān)元件并聯(lián)和串聯(lián)，成為一個電池單元，電池單元之間串聯(lián)形成柔性電池組，開關(guān)元件和開關(guān)元件驅(qū)動電路相連，再通過隔離與控制芯片相連，實現(xiàn)單體電池在電池組中實時、動態(tài)地接入和斷開。 本發(fā)明動力電池柔性組合控制系統(tǒng)的控制芯片為可編程芯片，控制策略可通過控制芯片專用的程序燒寫模塊燒寫到控制芯片中，使控制策略靈活化和多樣化，控制芯片連接有控制策略調(diào)試下載模塊，方便對控制芯片中的控制策略進(jìn)行靈活定制。本發(fā)明動力電池柔性組合控制系統(tǒng)的一般控制流程圖如圖4所示。電池柔性組合控制系統(tǒng)一般控制流程為一、系統(tǒng)上電，進(jìn)行初始化操作，加載控制策略；二、檢測電池組中單體電池的電壓并做電壓修正；三、燒寫到控制芯片的控制策略根據(jù)電池組單體電池的電壓等參數(shù)進(jìn)行策略控制，根據(jù)策略結(jié)果控制開關(guān)元件驅(qū)動模塊；記錄控制結(jié)果以及電池組單體電池信息；四、等待一段時間后，重復(fù)步驟二。本發(fā)明不僅限于以上實施例，凡是利用本發(fā)明的設(shè)計思路，做一些簡單變化的設(shè)計，都應(yīng)計入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電池柔性組合控制系統(tǒng)，包括由電池單元串聯(lián)而成的柔性電池組，其特征在于，電池單元由一個單體電池分別串聯(lián)和并聯(lián)一個開關(guān)元件組成；每個電池單元連接有一個電壓檢測電路，檢測電池電壓并傳輸?shù)娇刂菩酒豢刂菩酒瑢Σ杉降膯误w電池的參數(shù)通過寫入到控制芯片的控制策略進(jìn)行計算，并將得到的控制結(jié)果輸出到與每個開關(guān)元件連接的開關(guān)元件驅(qū)動電路，從而控制電池組中開關(guān)元件的通斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電池柔性組合控制系統(tǒng)，其特征在于，一塊單體電池與兩個開關(guān)元件相連，其中I個開關(guān)元件Ml與單體電池串聯(lián)，另I個開關(guān)元件M2與單體電池并聯(lián)；當(dāng)單體電池標(biāo)記為“接入”時，控制芯片通過開關(guān)元件驅(qū)動電路驅(qū)動Ml導(dǎo)通，驅(qū)動M2斷開，使單體電池接入到柔性電池組中；當(dāng)單體電池標(biāo)記為“斷開”時，控制芯片通過開關(guān)元件驅(qū)動電路驅(qū)動Ml斷開，驅(qū)動M2導(dǎo)通，使單體電池從柔性電池組中斷開。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種電池柔性組合控制系統(tǒng)，其特征在于，在電池單元工作期間，電池單元中同一個單體電池的兩個開關(guān)元件不能同時導(dǎo)通和同時斷開，并且單體電池從柔性電池組中接入或斷開時，兩個開關(guān)元件必須同時改變其開關(guān)狀態(tài)，保證電池組中不會出現(xiàn)局部短路和斷路現(xiàn)象。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種電池柔性組合控制系統(tǒng)，其特征在于，控制芯片與電壓檢測電路之間使用線性光耦隔離元件實現(xiàn)電氣隔離，控制芯片與開關(guān)元件驅(qū)動電路之間使用光耦隔離元件實現(xiàn)電氣隔離。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種電池柔性組合控制系統(tǒng)，其特征在于，柔性電池組兩端有兩組開關(guān)元件，根據(jù)控制策略可在直流和交流之間切換輸出，并根據(jù)控制策略可以實時控制交流電的頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種電池柔性組合控制系統(tǒng)，其特征在于，電池柔性組合控制系統(tǒng)一般控制流程為 一、系統(tǒng)上電，進(jìn)行初始化操作，加載控制策略； 二、檢測電池組中單體電池的電壓并做電壓修正； 三、燒寫到控制芯片的控制策略根據(jù)電池組單體電池的電壓等參數(shù)進(jìn)行策略控制，根據(jù)策略結(jié)果控制開關(guān)元件驅(qū)動模塊；記錄控制結(jié)果以及電池組單體電池信息； 四、等待一段時間后，重復(fù)步驟二。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電池柔性組合控制系統(tǒng)，包括由電池單元串聯(lián)而成的柔性電池組，電池單元由一個單體電池分別串聯(lián)和并聯(lián)一個開關(guān)元件組成；每個電池單元連接有一個電壓檢測電路，檢測電池電壓并傳輸?shù)娇刂菩酒?；控制芯片對采集到的單體電池的參數(shù)通過寫入到控制芯片的控制策略進(jìn)行計算，并將得到的控制結(jié)果輸出到與每個開關(guān)元件連接的開關(guān)元件驅(qū)動電路，從而控制電池組中開關(guān)元件的通斷。本發(fā)明可以迅速實現(xiàn)精度更高的電池組均衡，延長放電時間；并且能進(jìn)行對單個電池的精確監(jiān)控和控制，當(dāng)某一塊電池出現(xiàn)問題時，可以立即從電池組中斷開，杜絕安全隱患。
文檔編號H02J7/00GK102723758SQ20121021246
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者關(guān)正, 王震坡, 羅澄曦, 陳婷, 陳旵明 申請人:北京理工大學(xué)