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鋰離子電池管理系統(tǒng)的制作方法

文檔序號(hào):7344100閱讀:183來(lái)源:國(guó)知局
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
本實(shí)用新型涉及用于電動(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(zhǎng),大電流充放電特性好,安全性高,無(wú)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(méi)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(guò)充過(guò)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(chǎng)上采用鋰離子電池保護(hù)板對(duì)電池組進(jìn)行過(guò)充過(guò)放控制及對(duì)單體電池進(jìn)行過(guò)充過(guò)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(wèn)題,勢(shì)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(wú)均衡功能及其它輔助功能;2.電池管理系統(tǒng)有電池過(guò)充過(guò)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(duì)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(shì)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。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)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)。本實(shí)用新型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(cè)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(cè)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(cè)得的所述各單體電池的電壓值V和溫度采樣模塊測(cè)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(duì)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(guò)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。[0011]該系統(tǒng)還包括過(guò)充保護(hù)模塊,在滿足過(guò)充條件時(shí),所述微處理器送出過(guò)充信號(hào)到充電裝置切斷充電,所述過(guò)充條件為OC < V*(l+ppm% *T),其中OC為假定的過(guò)充值,ppm% 為電池溫度系數(shù)。該系統(tǒng)還包括過(guò)放保護(hù)模塊,在滿足過(guò)放條件時(shí),所述微處理器送出過(guò)放信號(hào)到放電裝置切斷放電,所述過(guò)放條件為OV > V*(l+ppm% *T),其中OV為假定的過(guò)放值,ppm% 為電池溫度系數(shù)。該系統(tǒng)還包括過(guò)溫保護(hù)模塊,在滿足過(guò)溫條件時(shí),所述微處理器送出過(guò)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(guò)溫條件為OT > T,其中OT為假定的過(guò)溫值。該系統(tǒng)還包括接收來(lái)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(guò)數(shù)字接口接收來(lái)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(guò)總線方式擴(kuò)展更多電池模塊。本實(shí)用新型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、本實(shí)用新型采取主動(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(wèn)題。2、電池電壓采樣通過(guò)簡(jiǎn)單電阻分壓輸入到微控制器,通過(guò)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(guò)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(duì)系統(tǒng)的維護(hù)及改進(jìn)提供一手資料,特別對(duì)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(cè)試更直接、更清楚,對(duì)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。本實(shí)用新型把鋰離子電池組過(guò)充過(guò)放及單體電池過(guò)充過(guò)放保護(hù)功能、均衡功能、電池組溫度檢測(cè)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(zhǎng)電池使用壽命近一倍。

圖1示出了本實(shí)用新型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示出了本實(shí)用新型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)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(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(guò)總線方式擴(kuò)展更多電池模塊。圖1示出了本實(shí)用新型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(guò)溫信號(hào)4 ;過(guò)放信號(hào)5 ;放電電流及輸出電壓電流6 ;放電裝置7 ;過(guò)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示出了本實(shí)用新型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(duì)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(duì)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。本實(shí)用新型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(cè)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(guò)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(shuō)明其原理在校準(zhǔn)模式下,接入對(duì)應(yīng)于電池串1,2…16的標(biāo)準(zhǔn)電源V1,V2…V16, 測(cè)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(cè)試模式下,接入所管理的電池串,測(cè)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(jiǎn)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(cè)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(duì)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(guò)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(duì)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(guò)放、過(guò)充、過(guò)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T、電池溫度系數(shù)ppm%、假設(shè)的過(guò)放值0V、過(guò)充值0C、過(guò)溫值 0T,判斷是否滿足0V > V*(l+ppm% *T),0C< V*(l+ppm% *T),0T > T,其中過(guò)放值 0V、過(guò)充值0C、過(guò)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(guò)放、過(guò)充、過(guò)溫條件分別成立時(shí),微控制器21送出過(guò)放信號(hào)5 到放電裝置7,切斷放電;送出過(guò)充信號(hào)8到充電裝置9切斷充電;送出過(guò)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(lái)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(cè)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(guò)數(shù)字接口把來(lái)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(guò)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(guò)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(shuō)明但不限制本實(shí)用新型。在權(quán)利要求的范圍內(nèi)本實(shí)用新型還有多種變形和改進(jìn)。凡是依據(jù)本實(shí)用新型的權(quán)利要求書及說(shuō)明書內(nèi)容所作的簡(jiǎn)單、等效變化與修飾,皆落入本實(shí)用新型專利的權(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(cè)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(cè)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(cè)得的所述各單體電池的電壓值V和溫度采樣模塊測(cè)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(duì)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(guò)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(guò)充保護(hù)模塊,在滿足過(guò)充條件時(shí),所述微處理器送出過(guò)充信號(hào)到充電裝置切斷充電,所述過(guò)充條件為OC < V*(l+ppm% *T),其中OC為假定的過(guò)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(guò)放保護(hù)模塊,在滿足過(guò)放條件時(shí),所述微處理器送出過(guò)放信號(hào)到放電裝置切斷放電,所述過(guò)放條件為OV > V*(l+ppm% *T),其中OV為假定的過(guò)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(guò)溫保護(hù)模塊,在滿足過(guò)溫條件時(shí),所述微處理器送出過(guò)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(guò)溫條件為OT > T,其中OT為假定的過(guò)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(lái)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(guò)數(shù)字接口接收來(lái)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(guò)總線方式擴(kuò)展更多電池模塊。
專利摘要本實(shí)用新型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(cè)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(cè)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(cè)得的所述各單體電池的電壓值V和溫度采樣模塊測(cè)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(duì)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)H02J7/00GK202019034SQ201120026718
公開日2011年10月26日 申請(qǐng)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(qǐng)人:陳冠豪
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