專利名稱：鋰離子電池管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰離子蓄電池、通信蓄能大容量鋰離子蓄電池及儲(chǔ) 能電站大容量鋰離子蓄電池等需求兩節(jié)以上串聯(lián)的電池的大容量鋰離子電池組的鋰離子 電池管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
鋰離子電池由于壽命長，大電流充放電特性好，安全性高，無記憶效應(yīng)，技術(shù)相應(yīng) 成熟而被認(rèn)為是最有潛力的電池，并得到了應(yīng)用。業(yè)界普遍認(rèn)為單體鋰離子電池制作技術(shù) 已基本成熟，但至今沒得到廣泛應(yīng)用的主要原因之一是由多節(jié)鋰離子電池組成的鋰離子電 池模塊由于電池的一致性差，極易造成某一只或某幾只單體電池出現(xiàn)過充過放，致使失效， 從而引起連鎖反應(yīng)，使整個(gè)電池組壽命提前結(jié)束或極端情況下會(huì)引起爆炸、起火等災(zāi)難性 后果，所以鋰離子電池管理系統(tǒng)必不可少。目前市場上采用鋰離子電池保護(hù)板對電池組進(jìn) 行過充過放控制及對單體電池進(jìn)行過充過放控制；也有鋰離子電池管理系統(tǒng)同時(shí)把均衡功 能、保護(hù)功能及監(jiān)視功能集成一體，這些都在一定程度上提高了鋰離子電池的安全性及使 用壽命。但現(xiàn)有的電池保護(hù)板或電池管理系統(tǒng)還普遍存在功能單一、功能作用不大、精度不 高、電路復(fù)雜的問題，勢必造成電池組使用壽命降低，成本上升，系統(tǒng)安全性降低。上述電池保護(hù)板或電池管理系統(tǒng)功能單一、功能作用不大表現(xiàn)為1.電池保護(hù)板無均衡功能及其它輔助功能；2.電池管理系統(tǒng)有電池過充過放保護(hù)及均衡功能，但均衡功能采用能量消耗方 式，均衡電流小，一般在0. 3A以內(nèi)，對大容量電池形同虛設(shè)；精確不高、電路復(fù)雜表現(xiàn)在電池電壓采樣中，一般采用差分運(yùn)放陣列或線性光耦 加運(yùn)算放大器處理后送入微控制器，由于大容量電池組一般都有數(shù)十節(jié)或數(shù)百節(jié)電池串聯(lián) 組成，電路復(fù)雜元件較多，勢必造成成本上升，穩(wěn)定性下降，同時(shí)差分運(yùn)放陣列受電阻誤差 影響及線性光耦加運(yùn)算放大器受光耦線性度影響，采樣精度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種均衡效果好、精度高、穩(wěn)定性好的鋰離 子電池管理系統(tǒng)。本發(fā)明的一種鋰離子電池管理系統(tǒng)，包括多個(gè)電池電壓采樣模塊，測量電池模塊 內(nèi)各電池串中的各單體電池的電壓值V;溫度采樣模塊，測量所述電池模塊的溫度值T ；微 控制器，接收所述電池電壓采樣模塊測得的所述各單體電池的電壓值V和溫度采樣模塊測 得的電池模塊的溫度值T，判斷需要均衡的單體電池；PWM充電控制器和多個(gè)均衡選通控制 模塊，受所述微控制器控制對所述需要均衡的單體電池進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移均衡。所述各電池串的電壓通過電阻分壓輸入到所述微控制器。該系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述PWM充電控制器和多個(gè)均衡選通控制模塊之間的隔離 變壓器。
該系統(tǒng)還包括過充保護(hù)模塊，在滿足過充條件時(shí)，所述微處理器送出過充信號(hào)到 充電裝置切斷充電，所述過充條件為OC < V*(l+ppm% *T)，其中OC為假定的過充值，ppm% 為電池溫度系數(shù)。該系統(tǒng)還包括過放保護(hù)模塊，在滿足過放條件時(shí)，所述微處理器送出過放信號(hào)到 放電裝置切斷放電，所述過放條件為OV > V*(l+ppm% *T)，其中OV為假定的過放值，ppm% 為電池溫度系數(shù)。該系統(tǒng)還包括過溫保護(hù)模塊，在滿足過溫條件時(shí)，所述微處理器送出過溫信號(hào)到 充電裝置和放電裝置分別切斷充電與放電，所述過溫條件為OT > T，其中OT為假定的過溫值。該系統(tǒng)還包括接收來自放電裝置的放電電流及輸出電壓電流并發(fā)送至所述微處 理器的放電裝置采樣模塊。該系統(tǒng)還包括顯示報(bào)警存儲(chǔ)模塊，其通過數(shù)字接口接收來自所述微控制器的數(shù)據(jù) 以存儲(chǔ)并顯示。所述顯示報(bào)警存儲(chǔ)模塊以壓縮方式存儲(chǔ)所述數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還包括與所述微控制器相連的總線擴(kuò)展接口以通過總線方式擴(kuò)展更多電 池模塊。本發(fā)明的鋰離子電池管理系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采取主動(dòng)式能量轉(zhuǎn)移均衡，均衡效果是傳統(tǒng)的約0. 3A均衡電流的8倍， 均衡電流達(dá)2. 2-2. 5A，能量轉(zhuǎn)移效率達(dá)80%以上，徹底解決大容量電池容量不一致問題。2、電池電壓采樣通過簡單電阻分壓輸入到微控制器，通過外界校準(zhǔn)及軟件算 法使精度在IOmV以內(nèi)，比傳統(tǒng)的用線性光耦加運(yùn)算放大器與差分運(yùn)放陣列的采樣少 50% -80%，節(jié)約系統(tǒng)成本5%以上，并提高了穩(wěn)定性。3、數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮可存儲(chǔ)10年以上的電池信息量，保證整個(gè)電池使用周期，對系統(tǒng) 的維護(hù)及改進(jìn)提供一手資料，特別對目前鋰離子電池還不夠成熟的情況下，需要大量的數(shù) 據(jù)分析電池的失效模式，直接從使用終端所取數(shù)據(jù)，比實(shí)險(xiǎn)室進(jìn)行多種模擬及假想測試更 直接、更清楚，對電池技術(shù)的提升有不可估量的作用。4、大量研究表明，電池組的壽命是單體電池的1/2，甚至更低，一個(gè)完善功能的電 池保護(hù)系統(tǒng)可以保證單體電池的壽命非常接近電池組的壽命。本發(fā)明把鋰離子電池組過充 過放及單體電池過充過放保護(hù)功能、均衡功能、電池組溫度檢測功能、電池電量(SOC)估算 功能、監(jiān)視報(bào)警功能、存儲(chǔ)功能、模塊化設(shè)計(jì)可擴(kuò)展功能集成一體，最大限度的防止電池發(fā) 生災(zāi)難性后果并可延長電池使用壽命近一倍。


圖1示出了本發(fā)明鋰離子電池管理系統(tǒng)與外界設(shè)備電氣連接的方框圖；圖2示出了本發(fā)明鋰離子電池管理系統(tǒng)的主控制原理方框圖；圖3示出了圖2中電池電壓采樣模塊的電路原理圖；圖4示出了圖2中溫度采樣模塊的電路原理圖；圖5示出了圖2中均衡選通控制模塊的電路原理圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本鋰離子電池管理系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，在以下實(shí)施例中采用16個(gè)單體電池串 聯(lián)為一個(gè)電池串，16個(gè)電池串構(gòu)成一個(gè)電池組，即電池模塊，可通過總線方式擴(kuò)展更多電池 模塊。圖1示出了本發(fā)明鋰離子電池管理系統(tǒng)與外界設(shè)備的電氣連接，包括主控制板 1 ；總線擴(kuò)展接口 2 ；顯示報(bào)警存儲(chǔ)模塊3 ；過溫信號(hào)4 ；過放信號(hào)5 ；放電電流及輸出電壓電 流6 ；放電裝置7 ；過充信號(hào)8 ；充電裝置9 ；電池組接口 10 ；模塊111 ；模塊N 12。圖2示出了本發(fā)明鋰離子電池管理系統(tǒng)的主控制原理方框圖，包括微控制器21 ； PWM充電控制器22 ；與16個(gè)電池串一一對應(yīng)的16個(gè)電池電壓采樣模塊，例如電池電壓采樣 123，電池電壓采樣224，…電池電壓采樣1625 ；溫度采樣模塊沈；放電裝置采樣模塊27 ； 與16個(gè)電池串一一對應(yīng)的16個(gè)均衡選通控制模塊，例如均衡選通控制16 ，…均衡選通 控制229，均衡選通控制1210 ；隔離變壓器211 ；輸出1212，輸出2213，…輸出16214;電池 串1215，電池串2216，...電池串16217。本發(fā)明鋰離子電池管理系統(tǒng)的具體工作原理如下電池電壓采樣模塊，用于測量每個(gè)電池串內(nèi)串聯(lián)的各單體電池的電壓值V。各電池 串的電壓通過電阻分壓輸入到微控制器21，如圖2中所示，電池電壓采樣共16路。舉其中 電池串1說明其原理在校準(zhǔn)模式下，接入對應(yīng)于電池串1，2…16的標(biāo)準(zhǔn)電源V1，V2…V16， 測得各電池串的實(shí)際電壓Vl' , V2'…V16'并存入微控制器存儲(chǔ)器內(nèi)；在正常測試模式 下，接入所管理的電池串，測得電池串的電壓VI" V2" -V16"，根據(jù)如下公式計(jì)算電池串 1內(nèi)單體電池1的電壓值=V1〃 /Vl' *V1，單體電池2的電壓值=V1〃 /Vl' *V1*2，依此 類推，單體電池16的電壓值=Vl" /Vl' *V1*16。具體如圖3所示，各電池電壓采樣模塊 包括例如并聯(lián)在第一與第二單體電池之間的串聯(lián)的電阻Rl和R3，以及與電阻R3并聯(lián)的電 容Cl，簡單的電阻分壓只需三個(gè)元件即可完成一串電池電壓采樣。電池組溫度采樣模塊，具體如圖4所示，包括多組并聯(lián)的相串聯(lián)的電阻和溫度電 阻以及與每個(gè)溫度電阻并聯(lián)的電容。該電池組溫度采樣模塊把溫度電阻隨溫度變化的各個(gè) 電阻值轉(zhuǎn)換成電壓值，做成基準(zhǔn)表，存入微控制器存儲(chǔ)器內(nèi)，實(shí)際測試時(shí)以查表方式得出電 池組溫度值T。判斷均衡條件從電池電壓采樣模塊得到的各單體電池的電壓值V求出平均值 Va,最大值VMax，最小值VMin，再進(jìn)行溫度補(bǔ)償，用溫度采樣模塊得到的電池組溫度值T，電池 溫度系數(shù)ppm% (該系數(shù)可從電池廠商所推薦的電性規(guī)格書獲得)，判斷是否滿足均衡條 件:VMax*(l+ppm% *T) <設(shè)定值，￥_*(1+口口111% *Τ) >設(shè)定值，VA* (l+ppm% *T)-V*(l+ppm% *T) >設(shè)定值，設(shè)定值根據(jù)電池廠商所推薦的電性規(guī)格書設(shè)定。進(jìn)行電池均衡對滿足上述均衡條件的單體電池開始均衡，打開PWM充電控制器 22，通過隔離變壓器輸出1212，輸出2213…輸出16214…共16路輸出至相應(yīng)的均衡選通控 制模塊(具體如圖5所示)，打開均衡選通控制模塊，對所需均衡的單體電池進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移 均衡，其中隔離變壓器211用于能量傳輸及電氣隔離。判斷過放、過充、過溫條件根據(jù)電池電壓采樣模塊所得的單體電池的電壓值V、 溫度采樣模塊得出的溫度值Τ、電池溫度系數(shù)ppm%、假設(shè)的過放值0V、過充值0C、過溫值0T，判斷是否滿足0V > V*(l+ppm% *T)，0C < V*(l+ppm% *T)，0T > T，其中過放值 0V、過 充值0C、過溫值OT依電池廠商所推薦的電性規(guī)格書設(shè)定；電池保護(hù)當(dāng)上述過放、過充、過溫條件分別成立時(shí)，微控制器21送出過放信號(hào)5 到放電裝置7，切斷放電；送出過充信號(hào)8到充電裝置9切斷充電；送出過溫信號(hào)4時(shí)則分 別切斷充電裝轉(zhuǎn)置9與放電裝置7。本管理系統(tǒng)系統(tǒng)還包括放電裝置采樣模塊27，接收來 自放電裝置7的放電電流及輸出電壓電流6，由微處理器21采集分析后再送出，用于檢測電 池放電狀態(tài)及電池放電所驅(qū)動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生的信息，在異常時(shí)可關(guān)斷或優(yōu)化控制，以保護(hù)電池 及保護(hù)設(shè)備。通過數(shù)字接口把來自微控制器21外理得到的單體電池的電壓值、電池組電壓、放 電裝置輸入電流、輸出電壓、輸出電流及溫度信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示報(bào)警存儲(chǔ)模塊3，記錄并 顯示。存儲(chǔ)模塊3用超過2G的大容量存儲(chǔ)器，同時(shí)采用壓縮功能(即相鄰的兩個(gè)值如果相 同就不保存)，使記錄數(shù)據(jù)達(dá)10年以上。通過總線擴(kuò)展接口 2可擴(kuò)展更多模塊，如模塊111，模塊N 12，每個(gè)模塊包括擴(kuò)展 的其它電池串，把從模塊的值傳到主模塊實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)監(jiān)控顯示及電池?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)。以上實(shí)施例僅用于說明但不限制本發(fā)明。在權(quán)利要求的范圍內(nèi)本發(fā)明還有多種變 形和改進(jìn)。凡是依據(jù)本發(fā)明的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落 入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種鋰離子電池管理系統(tǒng)，其特征在于，包括多個(gè)電池電壓采樣模塊，測量電池模塊內(nèi)各電池串中的各單體電池的電壓值V;溫度采樣模塊，測量所述電池模塊的溫度值T ；微控制器，接收所述電池電壓采樣模塊測得的所述各單體電池的電壓值V和溫度采樣 模塊測得的電池模塊的溫度值T，判斷需要均衡的單體電池；PWM充電控制器和多個(gè)均衡選通控制模塊，受所述微控制器控制對所述需要均衡的單 體電池進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移均衡。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述各電池串的電壓通過電阻分壓輸入到 所述微控制器。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述PWM充電控制器和 多個(gè)均衡選通控制模塊之間的隔離變壓器。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括過充保護(hù)模塊，在滿足過充條 件時(shí)，所述微處理器送出過充信號(hào)到充電裝置切斷充電，所述過充條件為OC < V*(l+ppm% *T)，其中OC為假定的過充值，ppm%為電池溫度系數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括過放保護(hù)模塊，在滿足過放條 件時(shí)，所述微處理器送出過放信號(hào)到放電裝置切斷放電，所述過放條件為OV > V*(l+ppm% *T)，其中OV為假定的過放值，ppm%為電池溫度系數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括過溫保護(hù)模塊，在滿足過溫條 件時(shí)，所述微處理器送出過溫信號(hào)到充電裝置和放電裝置分別切斷充電與放電，所述過溫 條件為OT > T，其中OT為假定的過溫值。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括接收來自放電裝置的放電電 流及輸出電壓電流并發(fā)送至所述微處理器的放電裝置采樣模塊。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括顯示報(bào)警存儲(chǔ)模塊，其通過數(shù) 字接口接收來自所述微控制器的數(shù)據(jù)以存儲(chǔ)并顯示。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述顯示報(bào)警存儲(chǔ)模塊以壓縮方式存儲(chǔ)所 述數(shù)據(jù)。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括與所述微控制器相連的總線 擴(kuò)展接口以通過總線方式擴(kuò)展更多電池模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋰離子電池管理系統(tǒng)，包括多個(gè)電池電壓采樣模塊，測量電池模塊內(nèi)各電池串中的各單體電池的電壓值V；溫度采樣模塊，測量所述電池模塊的溫度值T；微控制器，接收所述電池電壓采樣模塊測得的所述各單體電池的電壓值V和溫度采樣模塊測得的電池模塊的溫度值T，判斷需要均衡的單體電池；PWM充電控制器和多個(gè)均衡選通控制模塊，受所述微控制器控制對所述需要均衡的單體電池進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移均衡。
文檔編號(hào)H02J7/00GK102122832SQ20111002875
公開日2011年7月13日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)明者陳冠豪 申請人:陳冠豪