CN100375365C - 一种电池组智能化管理电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于电化学技术领域，具体是一种动力电池组智能化管理电路结构。由于现在对动力电池的安全性和可靠性的要求越来越高，而目前应用最广的串联结构往往因为一块电池的损坏而使得整个电池组无法工作。本发明通过对串联电池组的改进，提出一种可靠性更高混联结构。即便电池组中几块电池损坏也不影响整个电池组的正常工作，本发明适用于对电池组可靠性要求较高的情况。

Description

一种电池组智能化管理电路结构

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种实现电池智能化管理的电路结构。

背景技术

动力电池组在大功率应用场合，如在动力车上的应用往往采用串联的方式，然后再使用高效DC-DC变换器进行降压，对负载供电。这样处理可以使得各个电池单元能比较均衡的供电，然而这对于DC-DC变换器提出了很高的要求，因为如在动力车上，所串联的电池多达几十块，电压为300V-400V。而工作在这种条件下的DC-DC变换器往往通过高频变压器进行电压变换。由于高频变压器磁芯的漏磁，散热的考虑以及开关管耐压和功率的要求，使得效率与其它各方面因素难以兼顾。而且在多块电池串联过程当中，如果有一块电池损坏，则整个电池组就无法工作。本发明所提出的电池组智能化管理模型则可以实现即便有几块电池单元损坏，仍可以继续工作。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电池组智能化管理的电路结构，使得电池组中某些电池单元损坏，仍可以继续工作。

本发明提出的电池智能化管理的电路结构，如图1所示，它由N个电池单元管理模型串联组成(N＞10，这里只给出N＝2的示意图)。每个电池单元管理结构如图2所示。它由单块锂电池E、热敏电阻R、CMOS管M1和M2以及控制模块M组成，其中，单块锂电池E通过控制模块M上的VDD脚和GND脚给控制模块M供电；控制模块M同时通过这两个端口对电池E进行电压检测；热敏电阻R通过控制模块M上的D1脚和D2脚连接到控制模块M，控制模块M根据热敏电阻R上的电压计算出电池的温度；电池E正负极与控制模块M之间分别接入CMOS管M1和M2，其连接方式为：CMOS管M1的栅极接控制模块M的C1脚，源极接电池E的正极；另一CMOS管M2的栅极接控制模块M的C2脚，源极接电池E的负极；而CMOS管M1的漏极接另一CMOS管M2的漏极；控制模块M通过C1脚和C2脚控制CMOS管M1和M2的通断；电池单元管理模块数N＞10。

在正常情况下，CMOS管M2导通而CMOS管M1截止，即控制模块M通过C2脚控制CMOS管M2导通，通过C1脚控制CMOS管M1截止。如果在充放电的情况下，电压过高或者过低，温度超过安全阈值的时候，控制模块M将关断CMOS管M2，而使CMOS管M1导通，即控制模块M通过C2脚控制CMOS管M2截止，通过C1脚控制CMOS管M1导通。电池E从而结束充放电而获得保护。由于是电池组，我们还需要一块协调模块来对每块电池的数据进行汇总、分析和更高一级的控制(譬如用单片机或为此特殊设计的芯片)。图中的I/O接口即是将所检测到的温度与电压信息传送给协调模块。

由于动力电池输出电流也很大，为减小在CMOS管M2上的电能损耗，要求CMOS管M1与M2有很小的导通电阻。目前由于半导体技术的发展，大功率(一般指最大集电极功耗大于1W)CMOS器件的导通电阻可以做到10mΩ以下。在成本允许的情况下，还可以通过COMS管并联来进一步降低导通电阻。

对于单块锂电池而言，其充电最高电压不能超过4.2V，放电最低电压不能低于2.5V，而上述电路所起到的作用可以用阶跃函数表达为：U＝E(h(E-2.5)-h(E-4.2))。其电压曲线图为图3所示.

当多个电池单元(十块到几十块)串联之后，为了实现即便有几块电池单元损坏，仍可以继续工作的目的，我们还需要在多串联输出进行电压变换，接入采用时分复用原理的DC-DC变换器，进行均流和电压变换，然后接入负载。结构如图4所示。

在串联电池组中，当一个电池单元损坏的时候.，该电池的控制模块检测到电压低于正常值，于是其CMOS管M2截止，CMOS管M1导通。损坏的电池被CMOS管M1和M2隔离，而其他的电池则通过CMOS管M2仍然构成供电通路。

在一个电池单元损坏的情况下，串联电池组的输出电压会减小，此时通过DC-DC变换器对其进行电压变换，使最后在负载上得到的电压维持稳定。

在其他情况下，如某一块电池在放电时温度过高，同样通过控制模块的检测将其隔离。图5为其中一块电池单元损坏时的电流流向图。

本发明的原理分析：

串联模块充电情况的考虑

以上我们已经分析了串联模块在供电情况下对电池的保护作用。同样，在充电情况下，由于电池相互之间有一定的差异，往往会出现某些电池已经充满电而其他电池仍未充满；或是一些电池在正常充电的情况下而一些块电池出现充电过热的现象。由于为串联充电，流过每块电池的电流相同，这样会导致先充满电的电池因为过充而损害(或者过热)。

本发明的电池单元模块则起到了防过充和过热的作用。当某些电池已经充满电时，控制模块检测到电池此时的端电压U略超过4.2V(端电压等于电池电动势与充电电流在内阻上的压降之和，此时电池尚未过充)，CMOS管M2截止，CMOS管M1导通。充电电流由CMOS管M1继续流向下一块电池。在恒流充电的条件下，电流保持不变。充满电的电池自动从充电电路中脱离，从而防止被过充。而当电池充电过热时其保护原理也大致相同。每一块电池的信息通过I/O接口传送给协调模块。通过分析，协调模块可以较早地分析出那些电池单元已经开始老化。

恒流源充电模块

为满足动力电池大电流快速充电的需要，传统的线性恒流源由于调整管耗散功率过大而无法适用，而只能采用PWM技术实现的恒流源。针对上述结构的充电电路如图6所示：

该充电电路采用普通的BUCK型降压结构。不同的是，电压检测端原来接在电感L的2端，本发明中接在电阻上。电路由电压反馈变为电流反馈。当某种原因造成充电电流增大的时候，电阻R上的压降增加。电压检测部分信号进行积分、放大，送入PWM控制部分。PWM比较信号与基准三角波信号的幅度大小，降低驱动开关管Q的方波的占空比，使输出电流下降，从而稳定电流。当对电池组大电流快速充电到一定程度时，通过协调模块收集到的电压信息，控制充电电流，进行多段逐减恒流充电，最后使电池组容量充满。开关管Q只工作在饱和区和截止区，所以本身消耗的电能很少，从而节省的能源，降低了发热量。

多串联模块并联工作

我们可以看到，在很多场合，电池组多半采用串联供电的方式。除串联供电本身的优势以外。究其原因，在于并联电池组无论在充电还是放电的控制都存在一定的困难。譬如说，一堆并联电池组对负载供电能取得很低的内阻，但是如果其中有一电池单元出现电压下降。当电压下降到一定程度时，其他电池组便开始对其充电。这时候这一电池单元不但没有为负载供电，相反地成为了该电池组的负担。

实际应用中，由于每一个电池单元无法做到完全一致，故在给负载供电的情况下往往每个电池单元相互之间都存在或多或少的端电压差异，再加之并联形式本身的内阻就很小，所以很容易导致各电池单元之间相互充放电，从而白白浪费掉所存储的电能。这一点是我们所不希望看到的。

但是，本发明中，由于采用了DC-DC变换器，则可以使得各串联模块的电压一致，从而解决了相互之间充放电的情况。其原理如图7所示。

以上模块通过DC-DC变换器虽然解决了端电压不一致的问题，但某些模块带负载能力较强，有些模块带负载能力较弱。如果进行均流控制，那么某些模块会因为过输出而损坏。无源均流方法具有高度的灵活性与易扩张性，但是会损失系统效率和负载调节。本发明采用时分复用的原理，利用协调模块对DC-DC变换器进行调节。

电路仍采用BUCK型降压结构，Q4为同步整流管，电阻R为负载。在这里电压检测、PWM和控制放大完全由MCU完成。MCU将一个工作周期等分为3等分，开关管Q1，Q2和Q3轮流在1/3个工作周期内导通。MCU根据I/O接口所得到的U1，U2，U3的电压和V端所检测到的输出电压来调整每1/3个周期内的脉冲宽度来调整输出电压的大小。在电路工作频率达到很高的情况下，U1，U2和U3等效于并联工作。

当并联数N达到比较大的情况下，如果其中一组电池损坏，这时候一个工作周期变为原来的(N-1)/N，其余电池组工作时间不变，此时一个工作周期为N-1等分。电路仍然可以继续工作，而损坏的电池组则被屏蔽。由于MCU的易扩充性，由3到N的情况，可以通过增加模块和MCU编程实现。

协调模块对信号的处理

通过I/O接口，协调模块得到的是每一块电池的电压与温度信息。在这里，如果将电池组视为矩阵的话，我们可以得到一个电压矩阵。以3×3的电池组为例：

$A=\left|\begin{array}{ccc}{E}_{11}(h(E_{11}-2.5)-h(E_{11}-4.2))& E_{12}(h(E_{12}-2.5)-h(E_{12}-4.2))& E_{13}(h(E_{13}-2.5)-h(E_{13}-4.2))\\ E_{21}(h(E_{21}-2.5)-h(E_{21}-4.2))& E_{22}(h(E_{22}-2.5)-h(E_{22}-4.2))& E_{23}(h(E_{23}-2.5)-h(E_{23}-4.2))\\ E_{31}(h(E_{31}-2.5)-h(E_{31}-4.2))& E_{32}(h(E_{32}-2.5)-h(E_{32}-4.2))& E_{33}(h(E_{33}-2.5)-h(E_{33}-4.2))\end{array}\right|$

第一个下标相同表示同为一个串联电池组。而要获得每个串联电池组的端电压，只需要乘以一个列向量：

另外在对DC-DC电路进行建模与分析的时候，往往采用Laplace变换。在这里，设L表示Laplace运算。那么对于上述一个矩阵的Laplace变换为：

$\left|\begin{array}{c}U1\\ U2\\ U3\end{array}\right|=A\left|\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right|$ $P=A\left|\begin{array}{c}L\\ L\\ L\end{array}\right|.$ 对于带阶跃函数的Laplace变换，有公式L[h(t-a)f(t-a)]＝e^-asF(s)

在对于协调模块均流和DC-DC变换结构的分析中，分析方法与传统DC-DC结构分析方法类似。只是上述结构将一个工作周期等分，让开关管轮流导通。所以分析的时候一个周期需要分段讨论。

DC-DC变换器的效率问题

最后再讨论一下DC-DC变换器的效率问题。如上所述，由于高压到低压的DC-DC变换器采用高频变压器进行电压调整。高频变压器本身的漏磁则是此种类型电路效率的关键。而目前的具有同步整流技术的BUCK降压器在效率上可以做到97％甚至更高(成本允许的话)。所采用混联形式的电池组在DC-DC变换器损失的能量没有串联的高。

附图说明

图1为多块电池单元串联结构，简便起见，这里只给出了两个电池单元串联的示意图；

图2为单个电池单元的结构原理图；

图3为单个电池单元的电压曲线图；

图4为多块电池单元串联后与负载的接线图；

图5位一块电池损坏后的电流流向图；

图6为串联电池组充电电路；

图7为采用时分复用原理的多块串联电池组均流兼稳压电路。

具体实施方式

在电池动力车上，采用串联方式得到的端电压为346V，由计算得，电池组总共由98块动力电池组成。在这里，我们将电池分为四组，每组由24块电池串联而成，其连接方式如以上所介绍的，每块动力电池都有一个控制模块进行监控，而最后四个串联电池组在MCU控制下轮流工作，完成一个工作周期。如果考虑成本的因素，这里的控制模块可以不使用AD，对电压和温度的检测通过电压比较器来完成，所以可以采用S8042-S8054系列电源监视专用IC电路来搭建。MCU通过四块AD检测最后电池组串联的端电压，然后调整充电与放电时的情况。在这里，电池采用天津电源研究所开发的电池100Ah，其参数为：容量：100AH；体积1.5L；电压：3.6V；寿命：＞200。AD和MCU根据要求的具体精度来选择，或是采用本身自带AD的MCU。

参考文献

1.《今日电子》2004年11期65页《模块化电源关键技术的研究》上海交通大学机电控制研究所  吴奎东

2.《今日电子》2004年9期50页《电源模块并联供电的无源均流技术》ArtesynTechnologies Barry Ehrman

3.Nazri：Cholamabbas，Lithium batteries：Science and technology：KlaunerAcademic piblicshers，C2004

4.《锂离子电池材料学》杨清河 编

Claims (2)

1.一种电池组智能化管理电路结构，其特征在于由N个电池单元管理模块串联组成；每个电池单元管理模块由单块锂电池(E)、热敏电阻(R)、第一CMOS管(M1)和第二CMOS管(M2)以及控制模块(M)组成，其中，单块锂电池(E)通过控制模块(M)上的VDD脚和GND脚给控制模块(M)供电；控制模块(M)同时通过这两个脚对单块锂电池(E)进行电压检测；热敏电阻(R)通过控制模块(M)上的第1脚(D1)和第2脚(D2)连接到控制模块(M)，控制模块(M)根据热敏电阻(R)上的电压计算出电池的温度；单块锂电池(E)正负极与控制模块(M)之间分别接入第一CMOS管(M1)和第二CMOS管(M2)，其连接方式为：第一CMOS管(M1)的栅极接控制模块(M)的第3脚(C1)，源极接单块锂电池(E)的正极；第二CMOS管(M2)的栅极接控制模块(M)的第4脚(C2)，源极接单块锂电池(E)的负极；而第一CMOS管(M1)的漏极接第二CMOS管(M2)的漏极；控制模块(M)通过第3脚(C1)和第4脚(C2)控制第一CMOS管(M1)和第二CMOS管(M2)的通断，其控制方式为：在正常情况下，控制模块(M)通过第4脚(C2)控制第二CMOS管(M2)导通，通过第3脚(C1)控制第一CMOS管(M1)截止；当电池电压过高或者过低，或者电池温度超过安全阈值的时候，控制模块(M)通过第3脚(C1)控制第一CMOS管(M1)导通，通过第4脚(C2)控制第二CMOS管(M2)截止；电池单元管理模块个数N＞10。

2.根据权利要求1所述的电路结构，其特征在于将电路结构的串联输出接入采用时分复用原理的DC-DC变换器，进行均流和电压变换，然后接入负载。

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