本實(shí)用新型涉及電氣控制領(lǐng)域，具體涉及一種用于對(duì)電池組進(jìn)行BMS管理的控制裝置。

背景技術(shù)：

隨著移動(dòng)設(shè)備和儲(chǔ)能電源的需求增加，鋰電池作為能源的場(chǎng)合越來(lái)越普遍。由于鋰電池電解液成分的限制，一般鋰電池為了保持其使用壽命和充電安全，將充電倍率控制在0.3~1C左右，以這樣的充電倍率對(duì)充分放電的鋰電池充電大約需要1~3小時(shí)，而常用的控制裝置(BMS)往往在充電管理環(huán)節(jié)也以不大于1C的充電倍率為管理目標(biāo)。

新型的鈦酸鋰電池突破的傳統(tǒng)鋰電池的充電倍率限制，可以將充電倍率提高到6C以上，而當(dāng)電池單體容量增加后充電電流會(huì)進(jìn)一步增大，市面上常用的控制裝置不適用于這種高倍率大電流的充電條件。

目前市面上常用的控制裝置多采用集成模擬芯片(例如ML5235或其他精工電子的同類產(chǎn)品)進(jìn)行硬件控制，所有的過(guò)欠壓判斷與保護(hù)動(dòng)作都由芯片自動(dòng)控制，相應(yīng)的參數(shù)也由芯片出廠時(shí)預(yù)定好，只能在一定范圍內(nèi)微調(diào)。這類方案往往也具有充電/放電過(guò)流保護(hù)功能，同樣，其保護(hù)值是芯片出廠時(shí)預(yù)定好的。

但是，上述方案在應(yīng)對(duì)大電流充電環(huán)境時(shí)有明顯的缺陷，主要原因是其檢測(cè)/保護(hù)充放電電流的方式。

如圖1所示，此類方案采用輸出負(fù)極串聯(lián)電阻對(duì)充放電電流進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)串聯(lián)在輸出負(fù)極的NMOS管來(lái)進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作控制。這種做法的缺陷在于:由于充放電檢測(cè)共用一個(gè)檢流電阻，當(dāng)充電電流遠(yuǎn)大于放電電流時(shí)，將無(wú)法選取合適的電阻值。如果檢流電阻值以放電電流保護(hù)為目標(biāo)計(jì)算，那么大電流充電時(shí)檢流電阻兩端的電壓差將會(huì)快速增加，在充電電流沒(méi)有達(dá)到足夠大時(shí)就會(huì)被芯片檢測(cè)為充電電流過(guò)大而截至。反之亦然。

如圖1所示，運(yùn)放電路通過(guò)電流流過(guò)檢流電阻兩端時(shí)產(chǎn)生的電位差來(lái)檢測(cè)電流值。這樣，當(dāng)流過(guò)檢流電阻的電流值過(guò)大時(shí)，檢流電阻將產(chǎn)生過(guò)多的功耗。減小檢流電阻的阻值可以減小其功耗，但過(guò)小的電阻值其精度難以保證，而且在流過(guò)電流較小時(shí)產(chǎn)生的壓差太小也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放電路無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)電流值。

目前常用的另一類方案為使用數(shù)字電壓檢測(cè)芯片，通過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)讀取電池電壓，然后進(jìn)行軟件判斷后進(jìn)行各個(gè)保護(hù)動(dòng)作。這類方案的保護(hù)參數(shù)設(shè)置較為靈活，基本不受電池類型與電流大小的影響。

但是這種方案在應(yīng)用于大電流高倍率充電時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)一些不適用的情況：

1、由于這類方案的電流檢測(cè)方式基本也是通過(guò)串聯(lián)在放電回路上的檢流電阻來(lái)檢測(cè)，在充放電電流差距過(guò)大時(shí)，如果檢流電阻設(shè)置過(guò)大可能會(huì)使相應(yīng)的充電檢流電壓超過(guò)單片機(jī)ADC量程，或者由于檢流電阻設(shè)置過(guò)小而不能準(zhǔn)確檢測(cè)放電電流，而此類控制裝置方案的主要作用之一就是進(jìn)行SOC計(jì)算，放電電流的檢測(cè)誤差會(huì)極大的影響SOC計(jì)算。

2、由于這類方案與現(xiàn)有技術(shù)一中所述的方案一樣，采用通用開(kāi)關(guān)電源或限壓限流電源進(jìn)行充電，所以不能根據(jù)電池狀況對(duì)充電過(guò)程中的電壓電流進(jìn)行控制，無(wú)法針對(duì)不同的電池特性對(duì)其進(jìn)行最優(yōu)化的充電控制。

而且現(xiàn)有的電池容量的計(jì)算方式也存在其缺點(diǎn)?，F(xiàn)有電量計(jì)算方式有如下兩種:1、根據(jù)電池電壓與電量的測(cè)試曲線，通過(guò)采樣得到的電壓計(jì)算對(duì)應(yīng)的電量值。這種計(jì)算方式只在工作條件與實(shí)驗(yàn)條件一致時(shí)才準(zhǔn)確，當(dāng)放電電流、電池健康狀況、溫度等條件改變時(shí)原有曲線將不再成立，計(jì)算結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。2、在完全充電后將電量置為100%，通過(guò)計(jì)算放電電流與時(shí)間的積分計(jì)算已放出電量，相減得到剩余容量。這種方式在電池狀況較好時(shí)比較準(zhǔn)確，但當(dāng)電池健康狀況下降時(shí)置為100%電量后實(shí)際電量無(wú)法達(dá)到預(yù)設(shè)值，容量計(jì)算結(jié)果就會(huì)比實(shí)際值偏大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本實(shí)用新型希望提供一種適用于大電流充放電電池及充電機(jī)、能夠準(zhǔn)確測(cè)量電池剩余容量并且對(duì)電池組進(jìn)行足量充放電的電池充電控制裝置。

具體而言，本實(shí)用新型提供一種用于電池組的控制裝置，其特征在于，所述控制裝置包括：采樣及充電控制模塊、放電控制模塊，所述采樣及充電控制模塊包括電壓采樣芯片、MCU、存儲(chǔ)模塊、充電電流檢測(cè)模塊、充電電流控制模塊，

所述電壓采樣芯片分別與電池組中的各個(gè)電池節(jié)點(diǎn)相連，用于測(cè)量每節(jié)電池兩端的電壓；

所述MCU分別與所述電壓采樣芯片、存儲(chǔ)模塊、充電電流檢測(cè)模塊以及所述充電電流控制模塊相連；

所述存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)所述電池組的充放電信息；

所述充電電流檢測(cè)模塊安裝在所述充電機(jī)的充電回路中，用于實(shí)時(shí)測(cè)量充電電流，并且將所述充電電流值發(fā)送給所述MCU和所述存儲(chǔ)模塊；

所述充電電流控制模塊用于對(duì)所述充電機(jī)的充電電流進(jìn)行控制。

進(jìn)一步地，所述放電控制模塊包括檢流電阻和檢流芯片，所述檢流電阻串聯(lián)連接在所述電池組的正極，所述檢流芯片與所述檢流電阻并聯(lián)，用于在所述電池組進(jìn)行放電時(shí)測(cè)量流過(guò)所述檢流電阻的電流。

進(jìn)一步地，所述存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)有所述電池組的預(yù)設(shè)容量，所述MCU基于所述電池組的實(shí)際電池容量相對(duì)于所述預(yù)設(shè)容量之間的衰減幅度控制所述充電機(jī)在不同充電模式之間切換。

進(jìn)一步地，所述控制裝置還包括均衡模塊，所述均衡模塊包括：均衡電源模塊、均衡總線、均衡電阻、繼電器組、保護(hù)電路。

進(jìn)一步地，所述電壓采樣芯片為L(zhǎng)T6803，所述檢流芯片為L(zhǎng)T6101。

有益效果

本實(shí)用新型主要用于高倍率、大電流充電的電池組管理。

本實(shí)用新型的控制裝置在大電流充電的情況下，能夠更加準(zhǔn)確高效地實(shí)現(xiàn)電池充放電的管理，使得電池容量的測(cè)量更加準(zhǔn)確。

此外，本實(shí)用新型還在充放電管理中增加了均衡模塊，可以在充放電過(guò)程中對(duì)電池組進(jìn)行均衡，保證整組電池的一致性。并且，本實(shí)用新型可以根據(jù)電池狀態(tài)選擇不同的充電流程，延長(zhǎng)電池使用壽命。可以根據(jù)電池狀態(tài)選擇不同的保護(hù)時(shí)機(jī)，最大限度利用電量。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中所采用的一種電池管理電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例所采用的控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型控制裝置的電壓采樣部分的原理示意圖；

圖4為本實(shí)用新型控制裝置中所采用的放電檢流部分的電路示意圖；

圖5為本實(shí)用新型控制裝置中所采用充電檢流過(guò)程的簡(jiǎn)化電路圖。

圖6為本實(shí)用新型一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中所采用的均衡模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其主要包括采樣及充電控制模塊、放電控制模塊兩部分。在本實(shí)施例中為了更好地對(duì)電池充放電進(jìn)行均衡還添加了均衡模塊。三個(gè)模塊以電路板的形式實(shí)現(xiàn)，通過(guò)各連接端腳與電池組連接。本實(shí)用新型的控制裝置在使用時(shí)需要首先將電池組的各個(gè)節(jié)點(diǎn)用導(dǎo)線依次與控制裝置的各個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行連接，將電池組的放電正負(fù)極用可適應(yīng)最大電池組充放電電流的導(dǎo)線與控制裝置的功率節(jié)點(diǎn)連接，將電池組的功率輸出節(jié)點(diǎn)與需要電池組進(jìn)行供電的負(fù)載或者充電器連接。充電時(shí)將控制裝置與充電機(jī)的CAN總線連接，并將功率線連接。

圖3示出了采樣及充電控制模塊中的采樣芯片進(jìn)行采樣的示意圖。在本實(shí)施例中通過(guò)兩片級(jí)聯(lián)的LTC6803芯片進(jìn)行電壓采樣，MCU從LTC6803芯片獲取所有電池單體的當(dāng)前電壓。電池組中每節(jié)電池兩端都設(shè)置有連接點(diǎn)，這些連接點(diǎn)作為電池組的節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)與LTC6803芯片的采樣點(diǎn)相連，MCU通過(guò)SPI總線通信對(duì)LTC6803進(jìn)行控制并讀取各個(gè)電池單體的電壓。MCU可以通過(guò)所獲取的電池單體電壓，控制均衡模塊對(duì)電池組進(jìn)行均衡。

圖4示出了對(duì)電池組進(jìn)行放電時(shí)，對(duì)電池組進(jìn)行電流測(cè)量的過(guò)程。檢流電阻和LTC6101轉(zhuǎn)換芯片接入到電池組的充放電回路中。檢流電阻串聯(lián)連接在電池組的正極處，LTC6101與檢流電阻并聯(lián)在電池組輸出回路正極進(jìn)行電流采樣，以避免干擾。在電池組進(jìn)行放電時(shí)，由MCU從LTC6101獲取當(dāng)前電池組的輸出電流，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中。這種檢流方式可以避免檢流過(guò)程中在電池地和負(fù)載地之間產(chǎn)生電位差，使控制裝置在對(duì)外通信時(shí)的穩(wěn)定性更高。

相比之下，圖1中的現(xiàn)有方案會(huì)在負(fù)載地和電池地之間產(chǎn)生電位差，使控制裝置在通信時(shí)可靠性下降。

圖5示出了在對(duì)電池組進(jìn)行充電時(shí)，對(duì)電池組所流過(guò)的充電電流的檢測(cè)方法。如圖所示，在對(duì)電池組進(jìn)行充電時(shí)，MCU通過(guò)CAN總線與充電器通信，控制充電器的當(dāng)前充電電流/電壓。充電機(jī)使用可通信控制的開(kāi)關(guān)電源。充電機(jī)中包含電流測(cè)量芯片或檢流電阻，由充電機(jī)對(duì)充電電流進(jìn)行測(cè)量。本實(shí)用新型主要適用于采用大電流進(jìn)行充電的情況，因?yàn)槌潆婋娏鬟^(guò)大，且同時(shí)受可用空間及散熱條件限制，現(xiàn)有的方式已經(jīng)難以適應(yīng)。而本實(shí)用新型巧妙的實(shí)現(xiàn)了充電過(guò)程和放電過(guò)程電流檢測(cè)的分離，并且在充電時(shí)將開(kāi)關(guān)控制與充電電流檢測(cè)功能由充電機(jī)完成，同時(shí)由控制裝置通信控制?？梢赃m應(yīng)充放電電流差異較大的情況。

現(xiàn)有方案的充電開(kāi)關(guān)控制與充電電流檢測(cè)都由控制裝置完成，并且充電機(jī)采用恒壓源或限壓限流電源，不能由控制裝置控制充電電壓電流，本方案中的BMS通過(guò)通信控制充電電機(jī)的電壓電流輸出。

MCU基于從充電機(jī)獲得的充電電流信息以及LTC6101獲得的放電電流信息，可以對(duì)電池組容量進(jìn)行計(jì)算。

本實(shí)用新型通過(guò)控制裝置與充電機(jī)通信取得充電電流，在充電時(shí)計(jì)算充電電流與時(shí)間的積分，放電時(shí)計(jì)算放電電流與時(shí)間的積分，得出實(shí)際電池內(nèi)的電荷存量，不受電池容量變化的影響，計(jì)算過(guò)程的初值在電池組出廠時(shí)由廠家設(shè)置好即可。

圖6示出了均衡模塊的電路示意圖。均衡模塊包括：均衡電源模塊、均衡總線、均衡電阻、繼電器組、保護(hù)電路。電池組的總正、負(fù)極分別連接到均衡電源模塊的兩個(gè)輸入端；均衡總線包括第一均衡總線和第二均衡總線；繼電器組包括節(jié)點(diǎn)繼電器7、8、9、10和奇偶繼電器13，電池組中每節(jié)電池1、2、3、4的兩端各連接一個(gè)節(jié)點(diǎn)繼電器，任意相鄰的兩節(jié)電池之間共用一個(gè)節(jié)點(diǎn)繼電器，奇數(shù)的節(jié)點(diǎn)繼電器連接至第一均衡總線，偶數(shù)的節(jié)點(diǎn)繼電器連接至第二均衡總線。

奇偶繼電器的兩個(gè)固定端分別連接至均衡電源的正極和負(fù)極，奇偶繼電器的活動(dòng)端可以與端子A側(cè)的兩個(gè)接線端搭接，也可以與端子B側(cè)的兩個(gè)接線端搭接。當(dāng)奇偶繼電器的活動(dòng)端與端子A側(cè)的兩個(gè)接線端搭接時(shí)，第一均衡總線11連接至均衡電源的負(fù)極，第二均衡總線12連接至均衡電源的正極；反之，當(dāng)奇偶繼電器的活動(dòng)端與端子B側(cè)的兩個(gè)接線端搭接時(shí)，第一均衡總線11連接至均衡電源的正極，第二均衡總線12連接至均衡電源的負(fù)極。

這里所提到的均衡電源模塊主要用于連接至電池組的正負(fù)極，并對(duì)電池組的輸出進(jìn)行穩(wěn)壓、控制等處理。均衡電源與電池組正極之間通過(guò)充電均衡開(kāi)關(guān)6相連接，并且充電均衡開(kāi)關(guān)受保護(hù)電路的反饋控制。

第一均衡總線11和第二均衡總線12之間還連接有放電電阻和放電控制開(kāi)關(guān)5，用于在對(duì)電池組充電時(shí)，對(duì)最差的電池單體（或者可以說(shuō)是充電電壓迅速上升的電池單體）進(jìn)行放電。

電池1、2、3、4中任意相鄰的兩節(jié)電池之間連接一個(gè)節(jié)點(diǎn)繼電器（電池最前端和最后端也可以具有節(jié)點(diǎn)繼電器），奇數(shù)的節(jié)點(diǎn)繼電器連接至第一根均衡總線，偶數(shù)的節(jié)點(diǎn)繼電器連接至第二根均衡總線。相鄰的節(jié)點(diǎn)繼電器吸合后會(huì)將相應(yīng)電池接入奇偶繼電器兩端。電池均衡設(shè)備的控制器能夠根據(jù)當(dāng)前吸合的節(jié)點(diǎn)繼電器編號(hào)驅(qū)動(dòng)奇偶繼電器，以選擇吸合方向，確保均衡總線上的正負(fù)極不會(huì)與均衡電源的正負(fù)極不匹配。

雖然上面結(jié)合本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的原理進(jìn)行了詳細(xì)的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述實(shí)施例僅僅是對(duì)本實(shí)用新型的示意性實(shí)現(xiàn)方式的解釋，并非對(duì)本實(shí)用新型包含范圍的限定。實(shí)施例中的細(xì)節(jié)并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型范圍的限制，在不背離本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下，任何基于本實(shí)用新型技術(shù)方案的等效變換、簡(jiǎn)單替換等顯而易見(jiàn)的改變，均落在本實(shí)用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。