專(zhuān)利名稱(chēng)：具有自動(dòng)平衡能力的智能電池模塊及電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種智能電池模塊，特別是利用智能電池模塊具有的輸出調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)電池模塊之間的均衡以及儲(chǔ)存能量的最大利用。
背景技術(shù)：
在新能源汽車(chē)(電動(dòng)汽車(chē)或者混合動(dòng)カ汽車(chē))以及儲(chǔ)能等應(yīng)用場(chǎng)合，蓄電池作為儲(chǔ)能單元或者功能単元，由于其較高的儲(chǔ)能密度和性?xún)r(jià)比，得到了廣泛的應(yīng)用。由于單個(gè)電池所能提供的電壓較低，大多數(shù)情況下不能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要，故在許多情況下需要多個(gè)電池串聯(lián)或者并聯(lián)來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)使用的要求。由于串聯(lián)的電池單體之間存在差異，故每個(gè)単體的使用壽命也不相同。當(dāng)串聯(lián)電池組中有ー個(gè)單體出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)串聯(lián)電池組工作的性能下降甚至報(bào)廢。假設(shè)ー個(gè)電池組內(nèi)，有ー個(gè)故障電池，故障電池的內(nèi)阻很大，稍微有一點(diǎn)充電電流就會(huì)使電池兩端電壓急劇上升。同樣，只要ー開(kāi)始放電，電池兩端電壓就會(huì)迅速下降。在串聯(lián)電池組中，一旦出現(xiàn)了ー節(jié)故障電池,則整個(gè)電池組的充放電特性會(huì)變差。比如充電時(shí)，電池組端電壓會(huì)很快上升至滿(mǎn)充電壓，充電器根據(jù)電池組端電壓進(jìn)行判斷，認(rèn)為電池組已經(jīng)充滿(mǎn)電了，不需要再對(duì)其進(jìn)行充電操作，導(dǎo)致正常的電池欠充、故障電池過(guò)充電的情況，進(jìn)ー步導(dǎo)致故障電池的惡化。在放電階段，由于整個(gè)電池組儲(chǔ)存的電量很少，故沒(méi)過(guò)多久電就放光了。換句話(huà)說(shuō)整個(gè)電池組實(shí)際被使用的容量因?yàn)楣收想姵氐某霈F(xiàn)而變得很小，可以供電的時(shí)間也縮短了很多?？梢赃@樣理解大多數(shù)串聯(lián)電池組的故障往往只是由于其中一個(gè)供能單元發(fā)生故障造成的。因此，在生產(chǎn)中，對(duì)串聯(lián)使用的電池組，需要進(jìn)行性能的匹配，即盡量使用性能接近的電池單體進(jìn)行串聯(lián)，以保證電池組的壽命。這種方法在串聯(lián)電池?cái)?shù)量較小的時(shí)候，尚具有一定的可行性。但在串聯(lián)數(shù)量較多的情況下，幾乎不可實(shí)現(xiàn)，而且額外篩選帶來(lái)的高額費(fèi)用會(huì)帶來(lái)成本的急劇上升。如在電動(dòng)汽車(chē)中，串聯(lián)電池単體可能會(huì)達(dá)到100個(gè)左右，而在新能源儲(chǔ)能應(yīng)用上，數(shù)量更是巨大，可以達(dá)到數(shù)千個(gè)。因此，如何充分發(fā)揮電池組的能效，實(shí)現(xiàn)電池的均衡，避免單個(gè)失效對(duì)整個(gè)電池組的影響，仍然是這些應(yīng)用場(chǎng)合的ー個(gè)重要挑戰(zhàn)。申請(qǐng)?zhí)枮?2109341. 5的發(fā)明專(zhuān)利“電池切換裝置”，該發(fā)明其公開(kāi)了ー種用于串聯(lián)電池組的電池切換裝置，可以“將工作正常的電池串聯(lián)在電池組內(nèi)，將工作不正常的電池剔除電池組，繼續(xù)維持電池組的供電?！辈捎迷摲椒▽?duì)故障電池進(jìn)行處理后，電池組的端電壓會(huì)下降，比較適用干“各類(lèi)不間斷供電電源”之中，但是對(duì)于對(duì)串聯(lián)供能單元組端電壓要求較高的場(chǎng)合(比如筆記本電池等)并不適用。申請(qǐng)?zhí)枮?3109241. I的發(fā)明專(zhuān)利“ー種具有冗余単元的電池”，該發(fā)明的“電池組中具有冗余電池單元，該電路可以切除工作不正常的電池，同時(shí)通過(guò)設(shè)置冗余的電池單元，在切除故障電池時(shí)仍然能夠保證提供足夠的電壓”。該方法可以使筆記本電池的性能有所提高，但是因?yàn)榇娣帕巳哂嚯姵?，電池組的體積會(huì)有所增加，冗余電池越多則體積越大，成本越高，不適合大容量場(chǎng)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供ー種具有自動(dòng)平衡能力的智能電池模塊及電池組。為解決技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的解決方案是提供ー種具有自動(dòng)平衡能力的智能電池模塊，包括ー個(gè)電池單體，或ー個(gè)由n個(gè)電池單體串聯(lián)組成的電池組；所述電池単體或電池組的正極和負(fù)極接至ー個(gè)DC/DC變流器的輸入端，所述DC/DC變流器的兩個(gè)輸出端作為智能電池模塊輸出；所述智能電池模塊還包括一個(gè)控制電路，該控制電路有一通信接ロ電路，用于向控制電路提供指示信號(hào)，且控制電路基于該指示信號(hào)調(diào)節(jié)智能電池模塊的輸出電壓。 本發(fā)明中，所述指示信號(hào)是下述信號(hào)中的至少ー種電池組內(nèi)所有智能模塊內(nèi)部電池的平均電壓信號(hào)、平均電池容量信號(hào)、最大電壓信號(hào)或最大電池容量信號(hào)。本發(fā)明中，所述DC/DC變流器為雙向DC/DC變流器。本發(fā)明中，所述雙向DC/DC變流器的輸出端有一反并聯(lián)ニ極管，所述ニ極管陰極連接至所述變流器輸出正端，所述ニ極管陽(yáng)極連接至所述變流器輸出負(fù)端。本發(fā)明中，所述雙向DC/DC變流器是下述非隔離型變流器中的任意ー種雙向BUCK變流器、雙向BOOST變流器、雙向BUCK-B00ST變流器、雙向CUK變流器、雙向SEPIC變流器或雙向ZETA變流器。進(jìn)ー步地，本發(fā)明還提供了ー種具有自動(dòng)平衡能力的電池組，該電池組包括至少2個(gè)智能電池模塊；所述智能電池模塊均包括ー個(gè)DC/DC變流器、ー個(gè)控制電路、一個(gè)電池單體或ー個(gè)由若干個(gè)電池單體串聯(lián)組成的電池組；電池單體或電池組的正負(fù)極接至DC/DC變流器，所述DC/DC變流器的兩個(gè)輸出端作為智能電池模塊輸出；所述控制電路包含ー個(gè)通信接ロ電路；各智能電池模塊的通信接ロ電路通過(guò)通信線(xiàn)相互連接，用于交換智能電池模塊的內(nèi)部信息，并提供指示信號(hào)給各自智能電池模塊內(nèi)部的控制電路，且控制電路基于該指示信號(hào)調(diào)節(jié)智能電池模塊輸出電壓。本發(fā)明中，所述指示信號(hào)是下述信號(hào)中的至少ー種電池組內(nèi)所有智能模塊內(nèi)部電池的平均電壓信號(hào)、平均電池容量信號(hào)、最大電壓信號(hào)或最大電池容量信號(hào)。本發(fā)明中，所述DC/DC變流器為雙向DC/DC變流器，是下述非隔離型變流器中的任意ー種雙向BUCK變流器、雙向BOOST變流器、雙向BUCK-B00ST變流器、雙向CUK變流器、雙向SEPIC變流器或雙向ZETA變流器。本發(fā)明中，所述雙向DC/DC變流器的輸出端有一反并聯(lián)ニ極管，所述ニ極管陰極連接至所述變流器輸出正端，所述ニ極管陽(yáng)極連接至所述變流器輸出負(fù)端。本發(fā)明中，所述各智能電池模塊的通信接ロ電路通過(guò)通信線(xiàn)相互連接后，還與系統(tǒng)電池管理單元連接用于實(shí)現(xiàn)信息交換。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明提供的智能電池模塊及電池組，可用通過(guò)DC/DC變流器實(shí)現(xiàn)對(duì)外的供電以及對(duì)內(nèi)的充電，方便串聯(lián)以及實(shí)現(xiàn)電池模塊之間的均衡，實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)存能量的最大化利用以及壽命最大化。


圖I為本發(fā)明所述智能電池模塊(BM)示意圖；圖2為智能電池模塊組成的電池組系統(tǒng)；圖3為另ー種智能電池模塊組成的電池組系統(tǒng)；圖4為智能 電池模塊內(nèi)部框圖ー個(gè)具體實(shí)施例；圖5為放電狀態(tài)下智能電池模塊輸出電壓調(diào)節(jié)示意圖；圖6為基于電壓差別調(diào)整輸出電壓的控制方法的ー個(gè)具體實(shí)施例；圖7為基于電壓差別調(diào)整輸出電壓的控制方法的另一具體實(shí)施例；圖8為充電狀態(tài)下智能模塊充電電壓控制示意圖；圖9為雙向BOOST DC/DC變流器電路示意圖；圖10為雙向BUCK-B00ST DC/DC變流器電路示意圖；圖11為雙向CUK變流器電路示意圖；圖12為雙向SEPIC DC/DC變流器電路示意圖；圖13為雙向ZETADC/DC變流器電路示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。如在背景技術(shù)中所介紹的，當(dāng)電池組中串聯(lián)的電池單體數(shù)量較大的時(shí)候，通過(guò)篩選匹配的方式來(lái)提高電池組的壽命幾乎沒(méi)有可能。因此，本發(fā)明的目的就是在這種應(yīng)用場(chǎng)合，如何確保電池組的整體壽命,保證其可靠性。圖I所示是本發(fā)明的智能電池模塊的ー個(gè)具體實(shí)施例。在ー個(gè)智能電池模塊中，包括有限的電池單體，如I 5個(gè)，相互串聯(lián)而成。這樣，可以基于一定的篩選方法，用相互匹配程度很好的電池單體構(gòu)建，保證其一致性。如前面所述，在電池單體較少的場(chǎng)合，相互的匹配是切實(shí)可行的。如果內(nèi)部?jī)H包括一個(gè)電池単體，就無(wú)所謂匹配的問(wèn)題。智能電池模塊內(nèi)部的相互串聯(lián)的電池，通過(guò)ー個(gè)直流/直流(DC/DC)變流器，實(shí)現(xiàn)對(duì)外供電及充電。這樣，ー個(gè)智能電池模塊可以看成是ー個(gè)智能電池單元。多個(gè)智能電池模塊再相互串聯(lián)組成電池組，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電或者儲(chǔ)能，此時(shí)，智能電池模塊相當(dāng)于ー個(gè)電池單體，智能電池模塊之間無(wú)需進(jìn)行匹配，這樣，對(duì)大容量應(yīng)用場(chǎng)合，避免了大規(guī)模電池匹配不可能實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，同時(shí)，又可以實(shí)現(xiàn)了只有在完全匹配情況下才可能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)性能。ー個(gè)智能電池模塊除了傳統(tǒng)的兩個(gè)輸出端以外，還需要包括ー個(gè)通信接ロ電路，實(shí)現(xiàn)相互間數(shù)據(jù)通信以及信息交換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的匹配及控制。下面進(jìn)ー步說(shuō)明智能電池模塊在相互之間不匹配的情況下的系統(tǒng)工作情況，以說(shuō)明如何提高可靠性以及自動(dòng)實(shí)現(xiàn)智能電池模塊之間的匹配及平衡。圖I所示為一智能電池模塊(BM)示意圖。圖I所示智能電池模塊內(nèi)部包括若干電池單元相互串聯(lián)(圖I中為3個(gè)電池串聯(lián))。串聯(lián)的電池單元通過(guò)ー個(gè)DC/DC變流器對(duì)外供電。DC/DC變流器內(nèi)部有ー控制電路(或控制器)，包括ー個(gè)通信接ロ電路。通信接ロ電路與由智能電池模塊組成的電池組系統(tǒng)內(nèi)的電池管理單元(BMS)或者其他智能電池模塊通信，交換信息。內(nèi)部的控制電路根據(jù)通信的信息以及采集到的模塊內(nèi)部的電池信息，調(diào)節(jié)輸出。圖I所示智能電池模塊內(nèi)部的DC/DC變流器，由于電池充放電，功率需要雙向流動(dòng)，是ー個(gè)雙向DC/DC變流器(或者稱(chēng)為雙向DC/DC電路)?？梢允浅Ｒ?jiàn)的各類(lèi)DC/DC變流器，如BUCK，BOOST, BUCK-BOOST, CUK, SEPIC或者ZETA等非隔離型變流器拓?fù)?，如圖9-13所示，這些拓?fù)涞倪x擇不影響本發(fā)明的本質(zhì)。圖2、3是基于圖I所示智能電池模塊組成的電池組。在圖2、3中，每個(gè)智能電池模塊相當(dāng)于傳統(tǒng)電池組內(nèi)的電池單體?；谕ㄐ诺姆绞讲煌瑘D2、圖3分別示出了兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖2中，所有智能電池模塊的通信ロ相互連接在一起，模塊之間組成通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換。如傳統(tǒng)的CAN通信方式等。需要說(shuō)明的是，在圖2中各個(gè)智能電池模塊的通信接ロ電路的通信線(xiàn)COM相互連接在一起，在有多根通信線(xiàn)的情況下，表示對(duì)應(yīng)的通信線(xiàn)連接在一起。如2根，A和B，就表示每個(gè)模塊的A連接在一起，B連接在一起，在通信上，這是*ー個(gè)常用的表示方法。在圖3中，智能電池模塊的所有通信線(xiàn)連接在一起后，基于一定的通信協(xié)議，與系統(tǒng)電池管理単元(BMS)實(shí)現(xiàn)信息的交互。系統(tǒng)電池管理単元(BMS)是電池管理領(lǐng)域的ー種常用設(shè)備的簡(jiǎn)稱(chēng)。BMS—般由傳感器(用于測(cè)量電壓、電流和溫度等)、控制單元和輸入輸出接ロ組成。BMS最基本的功能是采集以及監(jiān)控電池的工作狀態(tài)(電池的電壓、電流和溫度)、計(jì)算并預(yù)測(cè)電池的容量(SOC)，進(jìn)行電池管理以避免出現(xiàn)過(guò)放電、過(guò)充、過(guò)熱和單體電池之間電壓嚴(yán)重不平衡現(xiàn)象，最大限度地利用電池存儲(chǔ)能力和循環(huán)壽命。在這里，BMS可以將采集到的各個(gè)智能電池模塊的狀態(tài)發(fā)送到其他模塊，實(shí)現(xiàn)信息的交換。上述2種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，僅僅是不同的實(shí)施方式，不影響本發(fā)明中智能電池模塊通過(guò)通信接ロ電路實(shí)現(xiàn)智能電池模塊間信息的交換。對(duì)此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背發(fā)明本質(zhì)的前提下，采用其他的結(jié)構(gòu)或者方式實(shí)現(xiàn)相同的功能。圖4所示為一智能電池模塊詳細(xì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的DC/DC變流器是雙向DC/DC變流器，既功率可以雙向流動(dòng)，其輸出端并聯(lián)有一個(gè)旁路ニ極管DF，旁路ニ極管DF的陰極連接到DC/DC變流器輸出的正端，陽(yáng)極連接到輸出的負(fù)端。在雙向DC/DC變流器有輸出的情況下，旁路ニ極管DF反偏不導(dǎo)通，僅在異常情況下提供電流通路。圖5是圖4所示實(shí)施例中控制電路(也稱(chēng)控制器)的ー個(gè)具體實(shí)施例。為方便描述，其內(nèi)部的DC/DC變流器以ー個(gè)雙向BUCK變流器電路(也可簡(jiǎn)稱(chēng)電路或者拓?fù)?為例進(jìn)行說(shuō)明。雙向BUCK DC/DC變流器中Ql以及Q2的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)互補(bǔ)(Ql開(kāi)通時(shí)候，Q2關(guān)斷；反之亦然)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于器件非理想(開(kāi)通關(guān)斷需要一定時(shí)間)，為防止Q1/Q2共通，通常在兩者的互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)之間插入一小段死區(qū)時(shí)間(即Ql關(guān)斷，Q2等一小段時(shí)間再開(kāi)通；Q2關(guān)斷，Ql等一小段時(shí)間再開(kāi)通)，這個(gè)死區(qū)時(shí)間通常很短，不影響其互補(bǔ)的本質(zhì)，有關(guān)互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的死區(qū)時(shí)間對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是常識(shí)，這里不再詳細(xì)敘述。假設(shè)智能電池模塊BI內(nèi)部的電池由于各種原因，其性能相對(duì)其他智能電池模塊有差異，如內(nèi)阻増大(容量偏小)，這就意味著在放電時(shí)，智能電池模塊BI更容易耗盡，而在充電時(shí)，更容易充滿(mǎn)(其他電池模塊尚未充滿(mǎn))，影響整個(gè)電池組的性能。在放電狀態(tài)下，開(kāi)始時(shí)Ql導(dǎo)通，智能電池模塊中的電池與其他智能電池模塊串聯(lián)向負(fù)載供電。控制器實(shí)時(shí)采樣蓄電池電流和電壓，通過(guò)合適的算法，計(jì)算蓄電池的容量。有關(guān)蓄電池容量預(yù)測(cè)的方法有較多實(shí)現(xiàn)方法，如安時(shí)積分法、內(nèi)阻法、端電壓法、查表法等，這不屬于本發(fā)明需要討論的范疇。智能模塊內(nèi)部的控制電路包括ー個(gè)通信接ロ電路，通過(guò)通信的方式，獲取電池組系統(tǒng)中其他智能模塊的信息，這些信息包括各個(gè)智能模塊內(nèi)部的電池電壓、或電池容量、或者所有智能模塊內(nèi)部電池的平均電壓、平均電池容量等信息。在圖2所示結(jié)構(gòu)中，通過(guò)通信環(huán)路，智能電池模塊之間實(shí)現(xiàn)信息的交換。在圖3所示結(jié)構(gòu)中，智能電池模塊間可以通過(guò)系統(tǒng)電池管理単元BMS實(shí)現(xiàn)信息的共享。通信接ロ電路可以基于現(xiàn)有的通信方法，如CAN總線(xiàn)、串行、局域網(wǎng)絡(luò)等，不是本發(fā)明所關(guān)注的重點(diǎn)，這里不再展開(kāi)描述。通信接ロ電路可以通過(guò)數(shù)字電路(如單片機(jī))實(shí)現(xiàn)，基于通信得到的信息，通信接ロ電路輸出一個(gè)電壓信號(hào)給智能電池模塊內(nèi)部的控制電路，該電壓信號(hào)指示采集到的其他智能電池模塊的狀態(tài)信息，如電池電壓、容量等，用干與智能模塊自身對(duì)應(yīng)的信號(hào)比較，以調(diào)整智能模塊的輸出，實(shí)現(xiàn)均衡以及能量的最大化利用。在圖5所示的ー個(gè)具體實(shí)施例中，通信接ロ電路通過(guò)通信的方式，獲取其他智能電池模塊的內(nèi)部電池電壓信息，輸出ー電壓信號(hào)指示電池組系統(tǒng)中所有智能電池模塊的內(nèi)部電池電壓平均值Vavg?？刂齐娐穬?nèi)部的采樣電路，采樣自身電池的電壓、電流信息(如采用單片機(jī)的A/D采樣等)，可以獲得智能模塊自身內(nèi)部電池的容量等信息。在圖5所示的具體實(shí)施例中，采樣電路將智能電池模塊自身的電池電壓信號(hào)與通信所獲取的其他智能模塊電池電壓的平 均電壓信號(hào)Vavg比較，根據(jù)兩者的差別，智能電池模塊內(nèi)部的控制電路(控制器)產(chǎn)生ー輸出電壓基準(zhǔn)信號(hào)Vo_ref，該基準(zhǔn)信號(hào)與DC/DC變流器(如雙向BUCK變流器)輸出電壓采樣信號(hào)Vo_FB進(jìn)行閉環(huán)控制，產(chǎn)生ー個(gè)誤差信號(hào)Vea，該誤差信號(hào)通過(guò)PWM調(diào)制(即誤差信號(hào)Vea與一鋸齒波或者三角波比較產(chǎn)生Ql的PWM信號(hào)，Q2控制信號(hào)與Ql互補(bǔ)，Q1/Q2控制信號(hào)由一定的死區(qū)，在圖5中未示出)，產(chǎn)生DC/DC變流器內(nèi)部開(kāi)關(guān)(圖4中Ql以及Q2)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)DC/DC變流器輸出電壓的控制，使之達(dá)到Vo_erf的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的均衡及能量最大化利用。通信接ロ電路以及控制電路內(nèi)部的采樣電路在物理上不一定是完全分割的，在一些實(shí)施方式中，可以采用一個(gè)單片機(jī)(MCU)或者數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)镸CU或者DSP含有通信接ロ、A/D以及D/A等豐富接ロ，各種通信方式可以方便地通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。智能電池模塊內(nèi)部的電池信息采樣(如電壓、電流)可以通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，通信得到的其他智能電池模塊的信息也直接以數(shù)字信號(hào)的方式存儲(chǔ)，這樣可以在單片機(jī)內(nèi)部直接實(shí)現(xiàn)比較，產(chǎn)生輸出電壓的基準(zhǔn)信號(hào)，如通過(guò)單片機(jī)的D/A輸出ー模擬電壓信號(hào)。對(duì)圖4而言，降低Ql的占空比，使得輸出電壓降低，維持輸出電流不變，這樣降低其對(duì)負(fù)載提供的能量。在其容量不足的情況下，能夠維持與其他智能模塊相等的供電時(shí)間。在一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，電池的端電壓可以近似代表電池容量，智能電池模塊的控制器將自身電池電壓與其他智能電池模塊電壓的平均值Vavg相比，其差用來(lái)等控制其輸出電壓，這對(duì)DC/DC而言是非常容易實(shí)現(xiàn)的。這樣可以維持各個(gè)智能電池模塊持續(xù)對(duì)負(fù)載供電，各個(gè)模塊基于自己的容量(或者電壓)等比例對(duì)負(fù)載供電)?；陔妷翰钫{(diào)節(jié)輸出一個(gè)實(shí)施示意圖如圖6、圖7所示。在圖6、7中，當(dāng)智能電池模塊內(nèi)部電池自身的電壓(即DC/DC變流器的輸入電壓Vin)小于智能電池模塊電池組的平均電壓Vavg，兩者之差Vdif(Vdif = Vavg-Vin)超過(guò)ー個(gè)設(shè)定的閾值(圖6所示Vth)時(shí)，控制器等比例降低變流器的輸出電壓Vo(也就是輸出能量)。在一個(gè)實(shí)施例中，輸出電壓可以表示為Vo = Vin* (Vin+Vth) /Vavg。在圖7所示的實(shí)施方式中，控制器基于兩者的差等比例降低變流器的輸出電壓，可以表示為Vo = Vin*(Vin)/Vavgo這樣，如果智能電池模塊自身的電壓較小，其輸出電壓也變小，其輸出能量也等比降低，延長(zhǎng)其放電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)能量的最大利用。本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以有其他的實(shí)施方式，但總體上，但兩者出現(xiàn)差別時(shí)，調(diào)整其輸出能量的大小以調(diào)整其放電時(shí)間，維持整個(gè)蓄電池組的整體放電時(shí)間。
在極端情況下，如智能電池模塊內(nèi)部電池?fù)p壞或者無(wú)法放電(Vin = 0的情況)，內(nèi)部DC/DC變流器不再工作，智能電池模塊內(nèi)部的Ql關(guān)斷，旁路ニ極管DF導(dǎo)通(在電池?fù)p壞情況下)，整個(gè)電池組仍可對(duì)外持續(xù)供電，大大提高系統(tǒng)的可靠性，這一點(diǎn)對(duì)電池供電的交通工具而言尤為重要。當(dāng)智能電池模塊內(nèi)部電池自身的電壓(即DC/DC變流器的輸入電壓Vin)高于智能電池模塊電池組的平均電壓Vavg時(shí)，通常無(wú)需特殊處理。只能電池模塊內(nèi)部的Ql持續(xù)導(dǎo)通，對(duì)外提供電能。同樣，通過(guò)通信接ロ電路通信得到的信號(hào)可以是其他智能電池模塊的內(nèi)部電池容量信息，輸出ー電壓信號(hào)指示電池組系統(tǒng)中所有智能電池模塊的內(nèi)部電池容量平均值，與智能模塊自身的電池容量信息進(jìn)行比較，控制智能電池模塊的輸出，類(lèi)似于上述基于電池電壓的控制方式。在一些實(shí)施方式中，控制電路采樣的智能電池模塊內(nèi)部的電池信息(如電壓或容量等)可以與通過(guò)通信獲得的電池組內(nèi)其他智能電池模塊的對(duì)應(yīng)信息的最大值比較，以調(diào)整自身的輸出電壓。本領(lǐng)域技術(shù)在不違背本發(fā)明的實(shí)質(zhì)的前提下，可以有多種實(shí)現(xiàn)方式。充電狀態(tài)相對(duì)放電狀態(tài)而言是個(gè)逆過(guò)程。在充電狀態(tài)下，智能電池模塊在電池充電狀態(tài)下，同樣具備了均衡功能。對(duì)于放電控制輸出電壓，在充電狀態(tài)下，智能電池模塊內(nèi)部?jī)H需要控制其充電最終的終止電壓。通常，外部給電池組充電的充電器具有恒流特性(即按照電池組規(guī)定的電流恒流給電池充電)。如圖4所示的智能電池模塊，在初始充電后狀態(tài)下，Ql恒導(dǎo)通，系統(tǒng)給電池組進(jìn)行恒流充電。智能電池模塊內(nèi)部的控制器實(shí)時(shí)采樣電池電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定的終止電壓時(shí)，如果停止充電，由于充電電流在電池內(nèi)阻上的壓降，電流為0吋，電池電壓會(huì)下降(電池仍未充滿(mǎn))，此時(shí)智能電池模塊需要將電池轉(zhuǎn)到恒壓充電，需要減小充電電流。智能電池模塊內(nèi)部控制器通過(guò)調(diào)節(jié)Ql的占空比(也就是Q2的占空比)，減小充電電流，使得電池的端電壓維持在設(shè)定值。這樣，無(wú)論任意智能電池模塊間內(nèi)部電池匹配如何，智能電池模塊總能確保其內(nèi)部電池可以充到設(shè)定的閾值(也就意味著容量最大化)。蓄電池充電電壓控制電路示意圖如圖8所示。圖8所示的Vin_ref為系統(tǒng)設(shè)定的電池充滿(mǎn)狀態(tài)下的充電電壓。Vin_FB是智能電池模塊內(nèi)部電池電壓。當(dāng)Vin_FB越來(lái)越接近參考電壓Vin_ref時(shí)，誤差信號(hào)Vea越小，導(dǎo)致Ql的占空比變小。在智能電池模塊內(nèi)部電池充滿(mǎn)時(shí)，智能電池模塊調(diào)節(jié)Ql的占空比最小(到0)，也就是Q2全導(dǎo)通，電池終止充電，其他智能電池模塊可以繼續(xù)充電。圖9-13所示為ー些常用雙向DC/DC變流器拓?fù)涫疽鈭D，同樣適用于本發(fā)明所述智能電池模塊。但圖9-13所示雙向DC/DC變流器并非窮舉各種可能的雙向DC/DC變流器，在不影響發(fā)明本質(zhì)的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以有其他的雙向DC/DC變流器實(shí)施方式。從上面實(shí)施例及具體的充放電過(guò)程看，就算蓄電池模塊之間出現(xiàn)任何不匹配的情況下，系統(tǒng)均可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)供電以及實(shí)現(xiàn)電池最大容量充電，無(wú)需額外的均衡電路等，極大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性
權(quán)利要求
1.ー種具有自動(dòng)平衡能力的智能電池模塊，包括ー個(gè)電池單體，或ー個(gè)由n個(gè)電池單體串聯(lián)組成的電池組；其特征在于，所述電池単體或電池組的正極和負(fù)極接至ー個(gè)DC/DC變流器的輸入端，所述DC/DC變流器的兩個(gè)輸出端作為智能電池模塊輸出； 所述智能電池模塊還包括ー個(gè)控制電路，該控制電路有一通信接ロ電路，用于向控制電路提供指示信號(hào)，且控制電路基于該指示信號(hào)調(diào)節(jié)智能電池模塊的輸出電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能電池模塊，其特征在于，所述指示信號(hào)是下述信號(hào)中的至少ー種電池組內(nèi)所有智能模塊內(nèi)部電池的平均電壓信號(hào)、平均電池容量信號(hào)、最大電壓信號(hào)或最大電池容量信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能電池模塊，其特征在于，所述DC/DC變流器為雙向DC/DC變流器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能電池模塊，其特征在于，所述雙向DC/DC變流器的輸出端有一反并聯(lián)ニ極管，所述ニ極管陰極連接至所述變流器輸出正端，所述ニ極管陽(yáng)極連接至所述變流器輸出負(fù)端。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能電池模塊，其特征在于，所述雙向DC/DC變流器是下述非隔離型變流器中的任意ー種雙向BUCK變流器、雙向BOOST變流器、雙向BUCK-B00ST變流器、雙向CUK變流器、雙向SEPIC變流器或雙向ZETA變流器。
6.ー種具有自動(dòng)平衡能力的電池組，其特征在于，該電池組包括至少2個(gè)智能電池模塊；所述智能電池模塊均包括ー個(gè)DC/DC變流器、ー個(gè)控制電路、一個(gè)電池単體或ー個(gè)由若干個(gè)電池単體串聯(lián)組成的電池組；電池單體或電池組的正負(fù)極接至DC/DC變流器，所述DC/DC變流器的兩個(gè)輸出端作為智能電池模塊輸出； 所述控制電路包含ー個(gè)通信接ロ電路；各智能電池模塊的通信接ロ電路通過(guò)通信線(xiàn)相互連接，用于交換智能電池模塊的內(nèi)部信息，并提供指示信號(hào)給各自智能電池模塊內(nèi)部的控制電路，且控制電路基于該指示信號(hào)調(diào)節(jié)智能電池模塊輸出電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述電池組，其特征在于，所述指示信號(hào)是下述信號(hào)中的至少ー種電池組內(nèi)所有智能模塊內(nèi)部電池的平均電壓信號(hào)、平均電池容量信號(hào)、最大電壓信號(hào)或最大電池容量信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池組，其特征在干，所述DC/DC變流器為雙向DC/DC變流器，是下述非隔離型變流器中的任意ー種雙向BUCK變流器、雙向BOOST變流器、雙向BUCK-B00ST變流器、雙向CUK變流器、雙向SEPIC變流器或雙向ZETA變流器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電池組，其特征在于，所述雙向DC/DC變流器的輸出端有一反并聯(lián)ニ極管，所述ニ極管陰極連接至所述變流器輸出正端，所述ニ極管陽(yáng)極連接至所述變流器輸出負(fù)端。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9任意ー項(xiàng)中所述的電池組，其特征在于，所述各智能電池模塊的通信接ロ電路通過(guò)通信線(xiàn)相互連接后，還與系統(tǒng)電池管理單元連接用于實(shí)現(xiàn)信息交換。
全文摘要
本發(fā)明涉及智能電池模塊，旨在提供一種具有自動(dòng)平衡能力的智能電池模塊及電池組。該智能電池模塊包括一個(gè)電池單體，或一個(gè)由n個(gè)電池單體串聯(lián)組成的電池組；所述電池單體或電池組的正極和負(fù)極接至一個(gè)DC/DC變流器的輸入端，所述DC/DC變流器的兩個(gè)輸出端作為智能電池模塊輸出；所述智能電池模塊還包括一個(gè)控制電路，該控制電路有一通信接口電路，用于向控制電路提供指示信號(hào)，且控制電路基于該指示信號(hào)調(diào)節(jié)智能電池模塊的輸出電壓。本發(fā)明提供可用通過(guò)DC/DC變流器實(shí)現(xiàn)對(duì)外的供電以及對(duì)內(nèi)的充電，方便串聯(lián)以及實(shí)現(xiàn)電池模塊之間的均衡，實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)存能量的最大化利用以及壽命最大化。
文檔編號(hào)H02J7/34GK102655346SQ20121012565
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者張軍明 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)