CN102122832A

CN102122832A - 锂离子电池管理系统

Info

Publication number: CN102122832A
Application number: CN201110028753XA
Authority: CN
Inventors: 陈冠豪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2011-07-13
Also published as: WO2012100540A1

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池管理系统，包括：多个电池电压采样模块，测量电池模块内各电池串中的各单体电池的电压值V；温度采样模块，测量所述电池模块的温度值T；微控制器，接收所述电池电压采样模块测得的所述各单体电池的电压值V和温度采样模块测得的电池模块的温度值T，判断需要均衡的单体电池；PWM充电控制器和多个均衡选通控制模块，受所述微控制器控制对所述需要均衡的单体电池进行能量转移均衡。

Description

锂离子电池管理系统

技术领域

本发明涉及用于电动汽车动力锂离子蓄电池、通信蓄能大容量锂离子蓄电池及储能电站大容量锂离子蓄电池等需求两节以上串联的电池的大容量锂离子电池组的锂离子电池管理系统。

背景技术

锂离子电池由于寿命长，大电流充放电特性好，安全性高，无记忆效应，技术相应成熟而被认为是最有潜力的电池，并得到了应用。业界普遍认为单体锂离子电池制作技术已基本成熟，但至今没得到广泛应用的主要原因之一是由多节锂离子电池组成的锂离子电池模块由于电池的一致性差，极易造成某一只或某几只单体电池出现过充过放，致使失效，从而引起连锁反应，使整个电池组寿命提前结束或极端情况下会引起爆炸、起火等灾难性后果，所以锂离子电池管理系统必不可少。目前市场上采用锂离子电池保护板对电池组进行过充过放控制及对单体电池进行过充过放控制；也有锂离子电池管理系统同时把均衡功能、保护功能及监视功能集成一体，这些都在一定程度上提高了锂离子电池的安全性及使用寿命。但现有的电池保护板或电池管理系统还普遍存在功能单一、功能作用不大、精度不高、电路复杂的问题，势必造成电池组使用寿命降低，成本上升，系统安全性降低。

上述电池保护板或电池管理系统功能单一、功能作用不大表现为：

1.电池保护板无均衡功能及其它辅助功能；

2.电池管理系统有电池过充过放保护及均衡功能，但均衡功能采用能量消耗方式，均衡电流小，一般在0.3A以内，对大容量电池形同虚设；

精确不高、电路复杂表现在电池电压采样中，一般采用差分运放阵列或线性光耦加运算放大器处理后送入微控制器，由于大容量电池组一般都有数十节或数百节电池串联组成，电路复杂元件较多，势必造成成本上升，稳定性下降，同时差分运放阵列受电阻误差影响及线性光耦加运算放大器受光耦线性度影响，采样精度不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种均衡效果好、精度高、稳定性好的锂离子电池管理系统。

本发明的一种锂离子电池管理系统，包括：多个电池电压采样模块，测量电池模块内各电池串中的各单体电池的电压值V；温度采样模块，测量所述电池模块的温度值T；微控制器，接收所述电池电压采样模块测得的所述各单体电池的电压值V和温度采样模块测得的电池模块的温度值T，判断需要均衡的单体电池；PWM充电控制器和多个均衡选通控制模块，受所述微控制器控制对所述需要均衡的单体电池进行能量转移均衡。

所述各电池串的电压通过电阻分压输入到所述微控制器。

该系统还包括设置在所述PWM充电控制器和多个均衡选通控制模块之间的隔离变压器。

该系统还包括过充保护模块，在满足过充条件时，所述微处理器送出过充信号到充电装置切断充电，所述过充条件为OC＜V*(1+ppm％*T)，其中OC为假定的过充值，ppm％为电池温度系数。

该系统还包括过放保护模块，在满足过放条件时，所述微处理器送出过放信号到放电装置切断放电，所述过放条件为OV＞V*(1+ppm％*T)，其中OV为假定的过放值，ppm％为电池温度系数。

该系统还包括过温保护模块，在满足过温条件时，所述微处理器送出过温信号到充电装置和放电装置分别切断充电与放电，所述过温条件为OT＞T，其中OT为假定的过温值。

该系统还包括接收来自放电装置的放电电流及输出电压电流并发送至所述微处理器的放电装置采样模块。

该系统还包括显示报警存储模块，其通过数字接口接收来自所述微控制器的数据以存储并显示。

所述显示报警存储模块以压缩方式存储所述数据。

该系统还包括与所述微控制器相连的总线扩展接口以通过总线方式扩展更多电池模块。

本发明的锂离子电池管理系统与现有技术相比有以下优点：

1、本发明采取主动式能量转移均衡，均衡效果是传统的约0.3A均衡电流的8倍，均衡电流达2.2-2.5A，能量转移效率达80％以上，彻底解决大容量电池容量不一致问题。

2、电池电压采样通过简单电阻分压输入到微控制器，通过外界校准及软件算法使精度在10mV以内，比传统的用线性光耦加运算放大器与差分运放阵列的采样少50％-80％，节约系统成本5％以上，并提高了稳定性。

3、数据经过压缩可存储10年以上的电池信息量，保证整个电池使用周期，对系统的维护及改进提供一手资料，特别对目前锂离子电池还不够成熟的情况下，需要大量的数据分析电池的失效模式，直接从使用终端所取数据，比实险室进行多种模拟及假想测试更直接、更清楚，对电池技术的提升有不可估量的作用。

4、大量研究表明，电池组的寿命是单体电池的1/2，甚至更低，一个完善功能的电池保护系统可以保证单体电池的寿命非常接近电池组的寿命。本发明把锂离子电池组过充过放及单体电池过充过放保护功能、均衡功能、电池组温度检测功能、电池电量(SOC)估算功能、监视报警功能、存储功能、模块化设计可扩展功能集成一体，最大限度的防止电池发生灾难性后果并可延长电池使用寿命近一倍。

附图说明

图1示出了本发明锂离子电池管理系统与外界设备电气连接的方框图；

图2示出了本发明锂离子电池管理系统的主控制原理方框图；

图3示出了图2中电池电压采样模块的电路原理图；

图4示出了图2中温度采样模块的电路原理图；

图5示出了图2中均衡选通控制模块的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细描述。

本锂离子电池管理系统采用模块化设计，在以下实施例中采用16个单体电池串联为一个电池串，16个电池串构成一个电池组，即电池模块，可通过总线方式扩展更多电池模块。

图1示出了本发明锂离子电池管理系统与外界设备的电气连接，包括：主控制板1；总线扩展接口2；显示报警存储模块3；过温信号4；过放信号5；放电电流及输出电压电流6；放电装置7；过充信号8；充电装置9；电池组接口10；模块111；模块N 12。

图2示出了本发明锂离子电池管理系统的主控制原理方框图，包括：微控制器21；PWM充电控制器22；与16个电池串一一对应的16个电池电压采样模块，例如电池电压采样123，电池电压采样224，…电池电压采样1625；温度采样模块26；放电装置采样模块27；与16个电池串一一对应的16个均衡选通控制模块，例如均衡选通控制1628，…均衡选通控制229，均衡选通控制1210；隔离变压器211；输出1212，输出2213，…输出16214；电池串1215，电池串2216，…电池串16217。

本发明锂离子电池管理系统的具体工作原理如下：

电池电压采样模块，用于测量每个电池串内串联的各单体电池的电压值V。各电池串的电压通过电阻分压输入到微控制器21，如图2中所示，电池电压采样共16路。举其中电池串1说明其原理：在校准模式下，接入对应于电池串1，2…16的标准电源V1，V2…V16，测得各电池串的实际电压V1′，V2′…V16′并存入微控制器存储器内；在正常测试模式下，接入所管理的电池串，测得电池串的电压V1″V2″…V16″，根据如下公式计算电池串1内单体电池1的电压值＝V1″/V1′*V1，单体电池2的电压值＝V1″/V1′*V1*2，依此类推，单体电池16的电压值＝V1″/V1′*V1*16。具体如图3所示，各电池电压采样模块包括例如并联在第一与第二单体电池之间的串联的电阻R1和R3，以及与电阻R3并联的电容C1，简单的电阻分压只需三个元件即可完成一串电池电压采样。

电池组温度采样模块，具体如图4所示，包括多组并联的相串联的电阻和温度电阻以及与每个温度电阻并联的电容。该电池组温度采样模块把温度电阻随温度变化的各个电阻值转换成电压值，做成基准表，存入微控制器存储器内，实际测试时以查表方式得出电池组温度值T。

判断均衡条件：从电池电压采样模块得到的各单体电池的电压值V求出平均值V_A，最大值V_Max，最小值V_Min，再进行温度补偿，用温度采样模块得到的电池组温度值T，电池温度系数ppm％(该系数可从电池厂商所推荐的电性规格书获得)，判断是否满足均衡条件：V_Max*(1+ppm％*T)＜设定值，V_Min*(1+ppm％*T)＞设定值，V_A*(1+ppm％*T)-V*(1+ppm％*T)＞设定值，设定值根据电池厂商所推荐的电性规格书设定。

进行电池均衡：对满足上述均衡条件的单体电池开始均衡，打开PWM充电控制器22，通过隔离变压器输出1212，输出2213…输出16214…共16路输出至相应的均衡选通控制模块(具体如图5所示)，打开均衡选通控制模块，对所需均衡的单体电池进行能量转移均衡，其中隔离变压器211用于能量传输及电气隔离。

判断过放、过充、过温条件：根据电池电压采样模块所得的单体电池的电压值V、温度采样模块得出的温度值T、电池温度系数ppm％、假设的过放值OV、过充值OC、过温值OT，判断是否满足：OV＞V*(1+ppm％*T)，OC＜V*(1+ppm％*T)，OT＞T，其中过放值OV、过充值OC、过温值OT依电池厂商所推荐的电性规格书设定；

电池保护：当上述过放、过充、过温条件分别成立时，微控制器21送出过放信号5到放电装置7，切断放电；送出过充信号8到充电装置9切断充电；送出过温信号4时则分别切断充电装转置9与放电装置7。本管理系统系统还包括放电装置采样模块27，接收来自放电装置7的放电电流及输出电压电流6，由微处理器21采集分析后再送出，用于检测电池放电状态及电池放电所驱动设备产生的信息，在异常时可关断或优化控制，以保护电池及保护设备。

通过数字接口把来自微控制器21外理得到的单体电池的电压值、电池组电压、放电装置输入电流、输出电压、输出电流及温度信息数据传输到显示报警存储模块3，记录并显示。存储模块3用超过2G的大容量存储器，同时采用压缩功能(即相邻的两个值如果相同就不保存)，使记录数据达10年以上。

通过总线扩展接口2可扩展更多模块，如模块111，模块N 12，每个模块包括扩展的其它电池串，把从模块的值传到主模块实现电池状态监控显示及电池数据存储。

以上实施例仅用于说明但不限制本发明。在权利要求的范围内本发明还有多种变形和改进。凡是依据本发明的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims

1.一种锂离子电池管理系统，其特征在于，包括：

多个电池电压采样模块，测量电池模块内各电池串中的各单体电池的电压值V；

温度采样模块，测量所述电池模块的温度值T；

微控制器，接收所述电池电压采样模块测得的所述各单体电池的电压值V和温度采样模块测得的电池模块的温度值T，判断需要均衡的单体电池；

PWM充电控制器和多个均衡选通控制模块，受所述微控制器控制对所述需要均衡的单体电池进行能量转移均衡。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述各电池串的电压通过电阻分压输入到所述微控制器。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括设置在所述PWM充电控制器和多个均衡选通控制模块之间的隔离变压器。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括过充保护模块，在满足过充条件时，所述微处理器送出过充信号到充电装置切断充电，所述过充条件为OC＜V*(1+ppm％*T)，其中OC为假定的过充值，ppm％为电池温度系数。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括过放保护模块，在满足过放条件时，所述微处理器送出过放信号到放电装置切断放电，所述过放条件为OV＞V*(1+ppm％*T)，其中OV为假定的过放值，ppm％为电池温度系数。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括过温保护模块，在满足过温条件时，所述微处理器送出过温信号到充电装置和放电装置分别切断充电与放电，所述过温条件为OT＞T，其中OT为假定的过温值。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括接收来自放电装置的放电电流及输出电压电流并发送至所述微处理器的放电装置采样模块。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括显示报警存储模块，其通过数字接口接收来自所述微控制器的数据以存储并显示。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述显示报警存储模块以压缩方式存储所述数据。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括与所述微控制器相连的总线扩展接口以通过总线方式扩展更多电池模块。