一種鋰電池組管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種鋰電池組管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括N組鋰電池、N個從控制板卡、一個主控制板卡及一個上位機。該系統(tǒng)可實時監(jiān)測鋰電池單體的電壓、充放電電流、工作溫度及環(huán)境溫度。根據(jù)檢測的鋰電池電壓，及提出的均衡算法，可對狀態(tài)差異大的電池單體進行均衡控制，提高電池的一致性。主控制板卡根據(jù)采集的參數(shù)，可給出SOC估算值，并提供充放電管理策略，提高電池的使用壽命。上位機會將采集的鋰電池組狀態(tài)信息、控制信息、異常及報警信息進行顯示，提供友好的人機交互。同時，本實用新型對系統(tǒng)的硬件開發(fā)提出一種類模塊化設計方案，可以有效的降低維護成本。
【專利說明】—種鋰電池組管理系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及變電站直流后備電源的管理系統(tǒng)領域，具體說是一種鋰電池組管理系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]當前在我國變電站中，直流電源系統(tǒng)是一種與電力系統(tǒng)運行無關的獨立電源系統(tǒng)，保證變電站在交流電完全失效的情況下，仍能可靠正常工作。電池組是直流電源系統(tǒng)的重要組成部分。目前市場上常用的為鉛酸電池組，但其有一些固有缺點，如壽命短、安全性能難以達到要求、放電性能差等。而鋰電池組具有體積小、壽命長、能量密度高、無記憶效應、高電壓和自放電率低等優(yōu)良性能。
[0003]另外，為了最大限度的發(fā)揮鋰電池組的優(yōu)越性能，并保證電池組長期安全可靠運行，需要一套完善的鋰電池組管理方案。一套優(yōu)秀的鋰電池管理方案通常要滿足以下幾點:一,提供鋰電池組準確的狀態(tài)信息。如鋰電池單體電壓、電池總電壓、充放電電流值、電池溫度及環(huán)境溫度、電池的荷電狀態(tài)(即S0C)等。二，保證安全可靠準確的管理措施。如均衡管理、充放電安全管理等。另外，實現(xiàn)管理的前提是系統(tǒng)能夠提供可靠及時的通信。三，提供錯誤報警信息及異常處理機制。如電池電壓異常、充放電電流異常、通信異常等，并將異常進行顯示和記錄。
[0004]當前，現(xiàn)有的鋰電池管理系統(tǒng)的技術仍存在以下幾方面的缺點:
[0005]一、從結(jié)構上說，當前鋰電池組管理系統(tǒng)主要有集中式和分布式兩種。集中式在電池單體數(shù)量較大時，難以實現(xiàn)，缺點較為明顯，已較少使用。分布式有很多優(yōu)點，如具有較好的擴展性，能夠方便的擴充從控制板卡，從而能滿足電池數(shù)量較大的環(huán)境、分工工作，能夠減少主控制板卡的負擔，較好的實現(xiàn)監(jiān)控和管理等。但也存在一定的缺點:系統(tǒng)龐大復雜，實現(xiàn)難度大；成本高，特別是每個從控制板卡只能管理一節(jié)電池的系統(tǒng)；體積大，應用于實際工況環(huán)境中受限制。
[0006]二、從功能上說，當前鋰電池組管理系統(tǒng)通常能夠提供電池的電壓、溫度、充放電電流等信息，但是均衡管理方面的處理尚不完善。由于鋰電池存在不一致性，若電池組中的電池長期保持不一致，一方面會導致電池可用容量降低，另一方面也會降低電池使用壽命。
實用新型內(nèi)容
[0007]針對現(xiàn)有的鋰電池組管理系統(tǒng)成本高、實現(xiàn)難度大、均衡管理不完善等問題，本實用新型提供了一種可對電池組進行實時監(jiān)控、成本較低且具有均衡管理功能的鋰電池組管理系統(tǒng)。
[0008]為了解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案是:一種鋰電池組管理系統(tǒng)，應用于變電站的直流后備電源中，包括一個主控制板卡、N個從控制板卡和一臺上位機；
[0009]所述主控制板卡通過CAN總線連接各個從控制板卡；
[0010]所述N個從控制板卡，用于連接N組鋰電池，每個從控制板卡連接一組鋰電池；[0011]所述上位機通過串口連接主控制板卡。
[0012]所述每組鋰電池由4?6節(jié)單體電池組成。
[0013]所述主控制板卡由核心控制板卡加設串口和IO擴展接口構成，所述串口用于主控制板卡和上位機的通訊，所述核心控制板卡用于將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，接受上位機的控制命令，并對鋰電池組進行SOC估算和充放電控制。
[0014]所述從控制板卡包括核心控制板卡及其連接的電流檢測模塊、電壓檢測模塊和均
衡管理模塊；
[0015]所述核心控制板卡用于與主控制板卡進行通信，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制板卡，接受主控制板卡的控制命令，并對該組電池提供均衡管理；
[0016]所述電流檢測模塊用于檢測電路干路上的充放電電流；
[0017]所述電壓檢測模塊用于每一節(jié)鋰電池單體電壓；
[0018]所述均衡管理模塊為電池均衡器，用于管理鋰電池組內(nèi)各鋰電池單體之間的電池均衡。
[0019]所述核心控制板卡包括MCU及其連接的溫度檢測模塊、CAN收發(fā)器模塊、指示燈、通訊模塊，以及用于為上述各個模塊供電的電源管理模塊；
[0020]所述MCU用于進行信息的匯總及處理；
[0021]所述CAN收發(fā)器模塊用于主控制板卡和從控制板卡的通信；
[0022]所述溫度檢測模塊用于監(jiān)測鋰電池的溫度和環(huán)境溫度，為分析鋰電池的健康狀態(tài)提供溫度參數(shù)；
[0023]所述通訊模塊用于主控制板卡和上位機的通信，以實現(xiàn)鋰電池的狀態(tài)信息、控制信息和異常信息的傳遞；
[0024]所述指示燈用于指示電池的工作狀態(tài)和異常信息。
[0025]所述均衡管理模塊包括開關控制單元和保護電路；所述開關控制單元根據(jù)均衡算法進行開通和關斷，使部分鋰電池實現(xiàn)放電，最終達到均衡目的。
[0026]本實用新型具有如下優(yōu)點及有益效果:
[0027]1.實現(xiàn)了對鋰電池組的實時監(jiān)控。能夠?qū)γ恳还?jié)鋰電池的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，如鋰電池的電壓、充放電電流、溫度等。
[0028]2.實現(xiàn)了對鋰電池組的安全管理，增長了電池壽命。一方面用鋰電池代替了傳統(tǒng)的鉛酸電池；另一方面提供了安全管理策略和均衡管理，使電池保持較好的一致性，可有效提聞電池的壽命。
[0029]3.直觀顯示，提供了友好的交互界面。一方面，控制板卡上有指示燈，能直觀的顯示出電池的工作狀態(tài)；另一方面，上位機軟件將鋰電池管理系統(tǒng)的狀態(tài)信息、控制管理信息、異常及報警信息等，清楚的顯示在上位機軟件上，提供了一個友好的交互界面。
[0030]4.降低了成本。一個從控制板卡可管理4-6節(jié)單體電池，有效降低了直接成本；采用類模塊化設計思想，有效降低了開發(fā)成本和管理維護成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本實用新型鋰電池組管理系統(tǒng)的拓撲結(jié)構圖；
[0032]圖2為本實用新型鋰電池組管理系統(tǒng)的核心模塊結(jié)構框圖；[0033]圖3為本實用新型鋰電池組管理系統(tǒng)的主控制板卡結(jié)構框圖；
[0034]圖4為本實用新型鋰電池組管理系統(tǒng)的從控制板卡結(jié)構框圖；
[0035]圖5為本實用新型鋰電池組管理系統(tǒng)的均衡管理單元結(jié)構框圖；
[0036]圖6為本實用新型鋰電池組管理系統(tǒng)的均衡管理控制開關單元。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
[0038]如圖1所示為本實用新型鋰電池組管理系統(tǒng)的拓撲結(jié)構圖。本實用新型提供了一種鋰電池組管理方案，該方案采用主從式分布結(jié)構，共同管理N組鋰電池，每組鋰電池由4-6節(jié)單體電池組成，這樣可有效減少體積和系統(tǒng)成本。為了管理方便，盡量保證每個從控制板卡管理相同節(jié)數(shù)的鋰電池，例如若要提供220V的電壓，大約需要68節(jié)鋰電池，可以分為12組，其中10組為每組6節(jié)，另外兩組為每組4節(jié)。每組鋰電池由一塊從控制板卡(即圖中的數(shù)據(jù)采集板卡)進行直接管理。主控制板卡協(xié)調(diào)管理各從控制板卡，實現(xiàn)對全部電池的間接管理。其中，主控制板卡與從控制板卡之間采用CAN接口進行通訊，從控制板卡與從控制板卡之間不通訊。另一方面，主控制板卡通過串口與上位機進行通訊，將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)傳送給上位機，上位機經(jīng)過處理進行顯示，實現(xiàn)友好人機交互。
[0039]如圖2所示為本實用新型鋰電池組管理系統(tǒng)的核心控制板卡。本實用新型分析了整個系統(tǒng)設計，提出了一種類模塊化設計方案，分析提取了主控制板卡和從控制板卡的共有設計需求，并預留了合適的接口，構成了設計的核心控制板卡。這樣，只需搭配不同的外圍模塊即可分別構成主控制板卡和從控制板卡。如此設計有如下好處:一，降低了開發(fā)難度。主控制板卡和從控制板卡將采用相同的MCU，設計開發(fā)主控制板卡和從控制板卡的程序時，有明顯的優(yōu)勢。可以有效降低系統(tǒng)的開發(fā)難度和縮短開發(fā)周期；二，降低了開發(fā)維護成本。開發(fā)周期縮短，將減少人力資源成本；硬件模塊化之后，硬件版本更新的成本會降低；若某個模塊意外損壞，可方便更換模塊，減少維護成本。
[0040]核心控制板卡包括MCU、CAN收發(fā)模塊、狀態(tài)指示燈、溫度檢測模塊、電源管理模塊，其中MCU采用相同的控制芯片，但是在主控制板卡和從控制板卡中所運行的軟件程序并不相同，主控制板卡中MCU主要實現(xiàn)SOC估算和充放電管理策略以及協(xié)調(diào)管理從控制板卡，及與上位機軟件進行通訊，從控制板卡主要實現(xiàn)均衡管理算法等；CAN收發(fā)模塊用于實現(xiàn)主從控制板卡間的通訊，所有控制板卡均連接到CAN總線以進行CAN通訊；狀態(tài)指示燈模塊用于顯示鋰電池和鋰電池管理系統(tǒng)的工作狀態(tài)，及異常顯示；溫度檢測模塊用于檢測電池的工作溫度和環(huán)境溫度，為SOC估算和鋰電池管理提供必要參數(shù)，SOC估算可用改進的卡爾曼濾波算法實現(xiàn)；電源管理模塊用于為主控制板卡和從控制板卡提供安全可靠的電源保障。
[0041]如圖3所示為本實用新型鋰電池組管理系統(tǒng)的主控制板卡結(jié)構圖。該板卡由核心控制板卡、串口模塊、必要的外圍接口組成。所述串口模塊用于與上位機通訊，將采集到的單體鋰電池電壓、充放電電流、溫度等信息傳給上位機軟件；同時接受來自上位機發(fā)送過來的命令，從而實現(xiàn)人機交互。充放電策略:當充電時，根據(jù)檢測到的電池電壓，判斷充電處于何種狀態(tài)，當鋰電池電壓較低時，采用大電流充電；當電壓達到相對穩(wěn)定的平臺時，減小充電電流；當接近電壓飽和值時，采用涓電流充電；當達到飽和狀態(tài)時，電池組進入浮充狀態(tài)。在整個過程中，始終監(jiān)視變電站的工作狀態(tài)，當變電站需要直流電源供電時，切換至負載放電狀態(tài)。
[0042]如圖4所示為本實用新型鋰電池組管理系統(tǒng)的從控制板卡結(jié)構圖。該板卡主要由核心控制板卡、電壓檢測模塊、電流檢測模塊、均衡管理模塊組成。其中，電壓檢測模塊用于監(jiān)測鋰電池的單體電壓，一方面用于檢測電池的健康狀況，另一方面為電池估算S0C、均衡管理等提供參考數(shù)據(jù)。電流檢測模塊用于監(jiān)測鋰電池管理系統(tǒng)中干路充放電電流，一方面確保系統(tǒng)安全，另一方面可提供管理參數(shù)。均衡管理模塊用于實現(xiàn)鋰電池組間的電池均衡。其中均衡管理模塊還包括開關控制單元，從控制板卡的MCU根據(jù)采集的電壓數(shù)據(jù)信息，制定相應的均衡管理算法，輸出開關控制信號給所述的開關控制單元，實現(xiàn)電壓較高的鋰電池進行放電，直至實現(xiàn)均衡的目的。
[0043]如圖5所示為本實用新型鋰電池組管理系統(tǒng)的均衡管理單元。均衡控制的目的是降低鋰電池的不一致性，提高鋰電池總的可用容量，提高鋰電池的使用壽命。當檢測到鋰電池組內(nèi)的電池差異達到開啟均衡的閾值時，通過電壓判斷，排除電壓最大或最小的鋰電池損壞的可能性，判斷電池健康狀態(tài)正常后，開啟均衡，否則發(fā)出異常報警。開啟均衡后，控制器根據(jù)檢測到的鋰電池電壓和預設的均衡控制邏輯算法，控制開關單元的開通與關斷，使高電壓電池處于放電狀態(tài)，直到相鄰兩節(jié)電池的電位差達到關斷閾值，再由邏輯控制算法判斷，是否已完成組內(nèi)所有電池的均衡管理，若沒有，繼續(xù)執(zhí)行直到組內(nèi)電池都滿足一致性條件，從而實現(xiàn)對鋰電池的均衡控制。由于均衡控制的放電電阻阻值較小，有可能出現(xiàn)短時電流較大的情況，故增加了必要的保護電路，以使均衡管理單元安全可靠運行。
[0044]如圖6所示為本實用新型鋰電池組管理系統(tǒng)的均衡管理開關控制單元。其中，Q2-Q7為場效應管，控制器通過輸出CB1-CB6電平，來控制場效應管的柵極G的電平，從而控制場效應管的開通與關斷，起到開關作用。R18-R19、R23-R24等電阻為放電電阻，兩個電阻之所以并聯(lián)，是因為電阻較小，放電電流較大，以防某一個電阻損壞之后，仍能正?？煽抗ぷ?。D3-D8為保護二極管，防止場效應管被擊穿。
【權利要求】
1.一種鋰電池組管理系統(tǒng)，應用于變電站的直流后備電源中，其特征在于:包括一個主控制板卡、N個從控制板卡和一臺上位機； 所述主控制板卡通過CAN總線連接各個從控制板卡； 所述N個從控制板卡，用于連接N組鋰電池，每個從控制板卡連接一組鋰電池； 所述上位機通過串口連接主控制板卡。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種鋰電池組管理系統(tǒng)，其特征在于:所述每組鋰電池由4?6節(jié)單體電池組成。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種鋰電池組管理系統(tǒng)，其特征在于:所述主控制板卡由核心控制板卡加設串口和IO擴展接口構成，所述串口用于主控制板卡和上位機的通訊，所述核心控制板卡用于將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，接受上位機的控制命令，并對鋰電池組進行SOC估算和充放電控制。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種鋰電池組管理系統(tǒng)，其特征在于:所述從控制板卡包括核心控制板卡及其連接的電流檢測模塊、電壓檢測模塊和均衡管理模塊； 所述核心控制板卡用于與主控制板卡進行通信，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制板卡，接受主控制板卡的控制命令，并對該組電池提供均衡管理； 所述電流檢測模塊用于檢測電路干路上的充放電電流； 所述電壓檢測模塊用于每一節(jié)鋰電池單體電壓； 所述均衡管理模塊為電池均衡器，用于管理鋰電池組內(nèi)各鋰電池單體之間的電池均衡。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的一種鋰電池組管理系統(tǒng)，其特征在于:所述核心控制板卡包括MCU及其連接的溫度檢測模塊、CAN收發(fā)器模塊、指示燈、通訊模塊，以及用于為上述各個模塊供電的電源管理模塊； 所述MCU用于進行信息的匯總及處理； 所述CAN收發(fā)器模塊用于主控制板卡和從控制板卡的通信； 所述溫度檢測模塊用于監(jiān)測鋰電池的溫度和環(huán)境溫度，為分析鋰電池的健康狀態(tài)提供溫度參數(shù)； 所述通訊模塊用于主控制板卡和上位機的通信，以實現(xiàn)鋰電池的狀態(tài)信息、控制信息和異常信息的傳遞； 所述指示燈用于指示電池的工作狀態(tài)和異常信息。
6.根據(jù)權利要求4所述的一種鋰電池組管理系統(tǒng)，其特征在于:所述均衡管理模塊包括開關控制單元和保護電路；所述開關控制單元根據(jù)均衡算法進行開通和關斷，使部分鋰電池實現(xiàn)放電，最終達到均衡目的。
【文檔編號】H02J7/00GK203481887SQ201320604697
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權日:2013年9月29日
【發(fā)明者】王英男, 楊志家, 王忠鋒, 王笑天, 韓峰利, 李朝順, 金鵬, 李力剛, 黃劍龍 申請人:國網(wǎng)遼寧省電力有限公司沈陽供電公司, 中國科學院沈陽自動化研究所, 國家電網(wǎng)公司