本發(fā)明涉及電池管理系統(tǒng)技術(shù)，尤其涉及一種帶充電階段限流功能的電池管理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

磷酸鐵鋰動力電池因其循環(huán)使用壽命長、安全性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為儲能裝置的理想動力源。在世界各國科研機(jī)構(gòu)共同努力下，鋰動力電池技術(shù)得到迅猛發(fā)展，在近幾年中，鋰動力電池的市場銷售量成井噴之勢，而應(yīng)用鋰動力電池最多的領(lǐng)域?yàn)殡妱悠囶I(lǐng)域。由于電動汽車因其動態(tài)性能要求較高，電池容量下降到80%以后就要被替換掉，因此可以想象到未來幾年替換下來的二手鋰動力電池?cái)?shù)目將非常巨大，如何處理這些電池是各國政府不得不面臨的課題。由于儲能裝置特別是通信基站后備電源因其使用環(huán)境較好，對能量比要求不高，安裝空間相對寬松，正是適得其所。

電池管理系統(tǒng)主要就是為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過度充電和過度放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。隨著電池管理系統(tǒng)的發(fā)展，電池管理系統(tǒng)的功能相比早期更趨于完善，檢測精度及可靠性方面也有很大提高，尤其是基站鋰動力儲能電池管理系統(tǒng)。然而，目前的基站鋰動力儲能電池管理系統(tǒng)還沒有帶充電階段限流功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種帶充電階段限流功能的電池管理系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種帶充電階段限流功能的電池管理系統(tǒng)，包括：

主控模塊、溫度檢測模塊、模擬前端模塊、開關(guān)電源控制器、限流模塊。其中，模擬前端模塊包括用于監(jiān)測電池電壓的電壓監(jiān)測單元、用于監(jiān)測電池充放電電流的充放電電流監(jiān)測單元、用于監(jiān)測電池充放電短路的短路電流監(jiān)測單元。溫度檢測模塊用于檢測電池的溫度以及環(huán)境的溫度。限流模塊用于限制電池的充電電流大小。主控模塊根據(jù)所述電壓監(jiān)測單元的監(jiān)控信息與充放電電流監(jiān)測單元的監(jiān)控信息發(fā)送相應(yīng)的控制信息至開關(guān)電源控制器，開關(guān)電源控制器根據(jù)控制信息控制限流模塊，從而實(shí)現(xiàn)控制電池的充電電流大小。

進(jìn)一步地，所述限流模塊包括檢測電阻、儲能電感、MOS管、MOS管驅(qū)動、PWM控制器、第一隔離器、第二隔離器、運(yùn)放、精密電阻、分壓電阻。電池的負(fù)極分兩路，其中一路依次與檢測電阻、儲能電感、MOS管連接后接地，另一路連接運(yùn)放的反相輸入端；運(yùn)放的輸出端依次與第一隔離器、PWM控制器、MOS管驅(qū)動、MOS管連接；精密電阻的一端接入基準(zhǔn)電壓，另一端與分壓電阻連接后接地；第二隔離器的輸入端接入信號端子A與信號端子B，第二隔離器的輸出端與分壓電阻的兩端相連接；精密電阻與分壓電阻的節(jié)點(diǎn)連接運(yùn)放的同相輸入端；檢測電阻與儲能電感的節(jié)點(diǎn)接地。

進(jìn)一步地，所述主控模塊根據(jù)所述電壓監(jiān)測單元的監(jiān)控信息與充放電電流監(jiān)測單元的監(jiān)控信息發(fā)送相應(yīng)的控制信息至開關(guān)電源控制器，開關(guān)電源控制器根據(jù)控制信息控制限流模塊，從而實(shí)現(xiàn)控制電池的充電電流大小，具體為：如果最低單節(jié)電池電壓低于3.0V，則啟動15A充電限流，開關(guān)電源控制器調(diào)整PWM頻率，從而控制開關(guān)管導(dǎo)通或截止實(shí)現(xiàn)15A恒流充電；如果最低單節(jié)電池電壓達(dá)3.2V，則啟動10A充電限流，開關(guān)電源控制器調(diào)整PWM頻率，從而控制開關(guān)管導(dǎo)通或截止實(shí)現(xiàn)10A恒流充電；如果某節(jié)電池電壓充至3.5V，則啟動5A限流充電，開關(guān)電源控制器調(diào)整PWM頻率，從而控制開關(guān)管導(dǎo)通或截止實(shí)現(xiàn)5A恒流充電。

進(jìn)一步地，所述主控模塊還用于接收短路電流監(jiān)測單元的監(jiān)控信息，如果電池的充電電流大于預(yù)設(shè)值，則判斷為短路，并且直接終止充電，防止短路造成起火、爆炸事故。此外，所述主控模塊還用于接收溫度檢測模塊的溫度檢測信息，并且根據(jù)溫度檢測信息對電池的充電電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，有效實(shí)現(xiàn)電池高低溫保護(hù)。

進(jìn)一步地，本電池管理系統(tǒng)采用恒流充電庫侖計(jì)積分及ΔQ/ΔV極值修正法對電池荷電狀態(tài)SOC進(jìn)行估算。

進(jìn)一步地，所述主控模塊為32位高速低功耗ARM芯片。所述模擬前端模塊為模擬前端ML5238芯片。

本發(fā)明帶充電階段限流功能的基站鋰動力儲能電池管理系統(tǒng)的有益效果有：

主控模塊采用32位高速低功耗ARM芯片，模擬前端ML5238芯片，并且采用開關(guān)電源恒流原理輔以主芯片控制，能夠?qū)崿F(xiàn)電池在不同充電階段以不同充電恒流進(jìn)行充電，有效防止短路及過流造成起火、爆炸事故，以及過流發(fā)熱造成的電池劣化和損壞。

附圖說明

圖1是本發(fā)明帶充電階段限流功能的電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明帶充電階段限流功能的電池管理系統(tǒng)限流模塊的電路原理圖；

圖中：1為主控模塊、2為溫度檢測模塊、3為模擬前端模塊、4為開關(guān)電源控制器、5為限流模塊、31為電壓監(jiān)測單元、32為充放電電流監(jiān)測單元、33為短路電流監(jiān)測單元。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1所示，帶充電階段限流功能的電池管理系統(tǒng)包括主控模塊1、溫度檢測模塊2、模擬前端模塊3、開關(guān)電源控制器4、限流模塊5。其中，模擬前端模塊3包括用于監(jiān)測電池電壓的電壓監(jiān)測單元31、用于監(jiān)測電池充放電電流的充放電電流監(jiān)測單元32、用于監(jiān)測電池充放電短路的短路電流監(jiān)測單元33。主控模塊1為32位高速低功耗ARM芯片，模擬前端模塊3為模擬前端ML5238芯片，開關(guān)電源控制器4采用TL494，方案簡潔高效，性價比優(yōu)勢明顯。

溫度檢測模塊2用于檢測電池的溫度以及環(huán)境的溫度，并且將檢測信息發(fā)送至主控模塊1。通過6路溫度探頭，分別監(jiān)測電芯、環(huán)境、功率的溫度，通過上位機(jī)設(shè)置不同保護(hù)值及延時，ARM通過相應(yīng)算法，決策執(zhí)行對應(yīng)動作。所述電芯為4路分布式。

電壓監(jiān)測單元31對電池電壓進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測信息實(shí)時發(fā)送至主控模塊1。同理，充放電電流監(jiān)測單元32對電池充放電電流進(jìn)行檢測，將監(jiān)測到的信息實(shí)時發(fā)送至主控模塊1。短路電流監(jiān)測單元33對電池充放電時短路進(jìn)行監(jiān)測，并且將監(jiān)測信息實(shí)時發(fā)送至主控模塊1。通過對電壓、電流、溫度這三個物理量的監(jiān)測，實(shí)時分析電池狀態(tài)，執(zhí)行過壓、過溫、過流及短路保護(hù)，實(shí)現(xiàn)充放電能量及均衡管理。

如圖2所示，限流模塊5包括檢測電阻、儲能電感、MOS管、MOS管驅(qū)動、PWM控制器、第一隔離器、第二隔離器、運(yùn)放、精密電阻、分壓電阻。電池的負(fù)極分兩路，其中一路依次與檢測電阻、儲能電感、MOS管連接后接地，另一路連接運(yùn)放的反相輸入端；運(yùn)放的輸出端依次與第一隔離器、PWM控制器、MOS管驅(qū)動、MOS管連接；精密電阻的一端接入基準(zhǔn)電壓，另一端與分壓電阻連接后接地；第二隔離器的輸入端接入信號端子A與信號端子B，第二隔離器的輸出端與分壓電阻的兩端相連接；精密電阻與分壓電阻的節(jié)點(diǎn)連接運(yùn)放的同相輸入端；檢測電阻與儲能電感的節(jié)點(diǎn)接地。

控制原理為兩路控制，A路低電平，光耦隔離輸出，控制接入分壓電阻，輸出PWM1脈寬信號，驅(qū)動MOS開關(guān)實(shí)現(xiàn)5A恒流充電。在A路低電平同時，B路低電平，隔離輸出，控制并入分壓電阻，輸出PWM2脈寬信號，驅(qū)動MOS開關(guān)實(shí)現(xiàn)10A恒流充電。所述信號端子A輸入的是A路低電平，信號端子B輸入的是B路低電平。

主控模塊1根據(jù)所述電壓監(jiān)測單元31的監(jiān)控信息與充放電電流監(jiān)測單元32的監(jiān)控信息發(fā)送相應(yīng)的控制信息至開關(guān)電源控制器4，開關(guān)電源控制器4根據(jù)控制信息控制限流模塊5，從而實(shí)現(xiàn)控制電池的充電電流大小。具體為：如果最低單節(jié)電池電壓低于3.0V，則啟動15A充電限流，即A路置低電平隔離輸出，開關(guān)電源控制器4調(diào)整PWM頻率，從而控制開關(guān)管導(dǎo)通或截止實(shí)現(xiàn)15A恒流充電；如果最低單節(jié)電池電壓達(dá)3.2V，則啟動10A充電限流，即A路與B路均隔離輸出低電平，開關(guān)電源控制器4調(diào)整PWM頻率，從而控制開關(guān)管導(dǎo)通或截止實(shí)現(xiàn)10A恒流充電；如果某節(jié)電池電壓充至3.5V，則啟動5A限流充電，此時B路置高，僅A路隔離輸出低電平，開關(guān)電源控制器4調(diào)整PWM頻率，從而控制開關(guān)管導(dǎo)通或截止實(shí)現(xiàn)5A恒流充電。

主控模塊1還用于接收短路電流監(jiān)測單元33的監(jiān)控信息，如果電池的充電電流大于預(yù)設(shè)值，則判斷為短路，并且直接終止充電，防止短路造成起火、爆炸事故。此外，主控模塊1還用于接收溫度檢測模塊2的溫度檢測信息，并且根據(jù)溫度檢測信息對電池的充電電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，有效實(shí)現(xiàn)電池高低溫保護(hù)。

本電池管理系統(tǒng)采用恒流充電庫侖計(jì)積分及ΔQ/ΔV極值修正法對電池荷電狀態(tài)SOC進(jìn)行估算。業(yè)內(nèi)大家SOC估算普遍采用庫侖計(jì)積分和開路電壓結(jié)合的辦法。磷酸鐵鋰電壓平臺比較低，充放電曲線中間比較平坦，所以開路電壓無法做到準(zhǔn)確。由于電流是動態(tài)的，庫侖計(jì)積分存在誤差，隨著時間的增加累計(jì)誤差越來越大，所以采用庫侖計(jì)積分也必然會誤差越來越大。本電池管理系統(tǒng)充電管理采用恒流方式，本身已經(jīng)排除了庫侖計(jì)積分過程中電流的動態(tài)性，除去電池自耗電、極化電壓及內(nèi)阻變化因素，基本保證庫侖計(jì)積分的精度。在電池包匹配組裝完成后，放完電，完成一次恒流限流充電自學(xué)習(xí)過程，ARM獲取ΔQ/ΔV極值點(diǎn)，庫侖計(jì)積分得極值點(diǎn)SOC以及FCC，SOC/FCC得ΔQ/ΔV極值點(diǎn)容量所占百分比，存儲其SOC及百分比。根據(jù)ΔQ/ΔV極值點(diǎn)SOC占比，極值點(diǎn)SOC值及滿充容量FCC進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整SOC。

本發(fā)明ARM設(shè)置有三級保護(hù)參數(shù)，即Ｉ級過流，Ⅱ級過流及短路三級過流保護(hù)，Ⅱ級過流及短路Ⅱ級過流由上位機(jī)軟件設(shè)置保護(hù)電流及延時時間，可以說萬無一失。短路保護(hù)由ARM設(shè)置保護(hù)電流參數(shù)，硬件設(shè)置延時，硬件保護(hù)快速準(zhǔn)確及時，有效避免火災(zāi)及爆炸的發(fā)生，完全避免純軟件功能實(shí)現(xiàn)的短路保護(hù)動作因干擾失效的風(fēng)險(xiǎn)。

本電池管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)2級休眠：待機(jī)3分鐘后仍為無充放電、無通信狀態(tài)則進(jìn)入Ｉ級休眠；電流500多微安，通信及充放電可激活；過放保護(hù)無充電狀況下，BMS系統(tǒng)及電芯自耗電會讓電池電壓進(jìn)一步降低，如果降低到休眠電壓時，系統(tǒng)進(jìn)入深度休眠。深度休眠時，電流1微安左右，大大降低BMS系統(tǒng)自耗電，大大延遲電池待機(jī)時長。