CN101938015A - 一种锂离子动力电池组均衡充电管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种锂离子动力电池组均衡充电管理系统。该系统包含外部电压交流转换器，MCU中央控制单元，用于监测电池信息的电压、电流和温度监控模块，若干个均衡充电模块，电池散热模块和若干个电池模块；电压、电流和温度监控模块将监测到的信息反馈至MCU，MCU对信息进行分析，再对均衡充电模块和电池散热模块发送指令，控制电池模块中的每节电池充电均衡；其中，每个电池模块连接一个均衡充电模块；均衡充电模块由控制开关、绕流器和变压器组成，控制开关分别与绕流器和变压器连接，控制开关与外部电压交流转换器连接，绕流器与电池模块并联，变压器与电池模块并联。本发明采用前期恒流+后期绕流方式，实现大电流均衡充电。

Description

一种锂离子动力电池组均衡充电管理系统

技术领域

本发明属于电池管理技术领域，特别涉及一种具有均衡充电、快速充电、过压、过流和过温保护功能的锂离子动力电池组均衡充电管理系统。

背景技术

出于能源和环境的考虑，电动汽车在各国政府和汽车制造商的共同推动下取得了快速的发展。纯电动汽车因能真正的实现“零排放″而成为电动汽车的重要发展方向之一。电动汽车作为绿色交通工具，将在21世纪给人类社会带来巨大的变化。锂离子电池以其能量密度大、电压平台高等优良的性能成为纯电动汽车的理想动力源。然而，锂离子电池的抗滥用能力较差。锂离子电池，特别是成组锂离子电池的安全性和长寿命成为锂离子电池使用管理中急需解决的问题。人们试图通过有效的锂离子动力电池组管理系统改善锂离子电池组的安全性和使用寿命。

目前，锂离子动力电池组的管理方法有：

(1)专用IC(集成电路)管理充电：这种基于芯片的简单管理方式难以实现均衡管理，功能不够全面，例如无法驱动液晶，无法实现复杂的逻辑操作，无法满足客户的个性化需求等等，因此已经不能满足各式各样的要求。而且，多串联数的专用IC处在开发测试阶段，目前国内还只能生产单电池的IC。

(2)混合IC管理充电：一个混合IC最多可以管理串联数为13的电池。市场上的混合IC主要以O2、TI、Intersil、MAX、凌特等为主。其中O2是比较早生产可以管理较多电池串数的混合IC的，开始主要以OZ890为主，后来又相应的推出了最多8串的OZ8920，再通过两片级连做到16串，但其电路比较复杂，价格相对都比较高；TI主要以早期的笔记本电池管理芯片为主，该系列芯片主要是电量平衡的处理方法不同，是采用能量转移的方式来进行电池平衡的，而不是传统的分流的方式，但其价格昂贵，电路相对复杂；Intersil产品主要以9208，9216，9217等芯片为主，其中9216和9217可以配对使用，构成最多12串的电池管理系统，但是9208、9216和9217均属于被动器件，都需要外挂MCU来控制其工作，因此开发难度相对较大，其系统成本也相对较高；MAX产品也主要是以可以管理10串电池的芯片为主，其功能和操作模式与O2和TI的类似，价格与TI的10串的芯片相当；凌特产品主要以电池的模拟前端为主，最多也可以达到10多串，但其价格相当昂贵，一般民用都很难接受。

(3)采用MCU(微控制器或单片机)管理方式，MCU在锂电池管理系统方面的应用是非常适合的，可以非常方便的根据电池充电的状态实现实时电池均衡管理，目前主要的均衡管理方法是双向无损均衡技术，即给每一个电池配备一个均衡回路，需要两个功率的MOS，但它的问题在于均衡管理系统的控制变得复杂，可靠性下降，成本上升，一旦有一路器件损坏，产生短路的风险极高，几乎无法维护，如果要求较大的均衡电流则各种问题将会更加突出。传统的前期恒流充电+后期恒压充电模式，不仅不能对电池进行均衡充电，而且充电时间最快在2-3小时。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种锂离子动力电池组均衡充电管理系统。该系统电路简化，便于维修，具有过压、过温、过流保护功能，能支持大电流均衡充电，充电完成时间短，提高电池组的使用寿命和安全性能。

该发明的目的通过下述技术方案实现：一种锂离子动力电池组均衡充电管理系统，包含外部电压交流转换器，MCU中央控制单元，用于监测电池模块中每节电池信息的电压、电流和温度监控模块，若干个均衡充电模块，电池散热模块和若干个电池模块；电压、电流和温度监控模块将监测到的信息反馈至MCU中央控制单元，MCU中央控制单元对信息进行分析，再对均衡充电模块和电池散热模块发送指令，控制电池模块中的每节电池充电均衡；其中，每个电池模块连接一个均衡充电模块；均衡充电模块由控制开关、绕流器和变压器组成，控制开关分别与绕流器和变压器连接，控制开关与外部电压交流转换器输出电流的正负端连接，通过控制开关，在前期充电的时候接通变压器，在后期充电的时候接通绕流器，绕流器与电池模块并联，变压器与电池模块并联；绕流器输出绕流电流，当电池组中某个电池的电压达到规定值时，绕流器输出的电流绕过这个电池，对其他电池充电，变压器提供恒流电流。

所述的信息指的是锂离子电池的电流、电压和温度；

所述MCU中央控制单元优选通过单片机的输入引脚与电压、电流和温度监控模块连接，电压、电流和温度监控模块将电池模块中每节电池的信息反馈到MCU中央控制单元；MCU中央控制单元通过单片机的输出引脚分别与电池散热模块和均衡充电模块连接，从而分别将指令输送到电池散热模块和均衡充电模块；

所述电压、电流和温度监控模块与电池模块通过监测芯片连接；该监测芯片包含电流传感器、电压传感器和温度传感器；

所述的电压、电流和温度监控模块由电压传感器、电流传感器、温度传感器和PWM串联组成，电压传感器、电流传感器和PWM通过外接电路与电池模块中的每节电池并联，温度传感器贴在每个电池的外部，温度传感器连接在温度测量引脚上；

所述电池模块中的每节电池连接有监测芯片，监测芯片测得的数值通过电压、电流和温度监控模块中的PWM(脉冲宽度调制)进行DC-DC转换，传输至MCU中央控制单元，继而控制电池散热模块和均衡充电模块；

所述电流传感器优选为电流互感器；

所述电压传感器优选为电压互感器；

所述的电池模块优选为由10～13节电池串联组成；

所述传输的方式优选红外通信方式，即通过红外发射器传输；

所述红外发射器优选设置在电压、电流和温度监控模块上，与PWM连接；

所述的控制开关优选为继电器；

所述的电池散热模块由风扇和相应的电路组成，风扇进行送风散热。

本发明的原理：本发明均衡充电方式是采用集中式变压器进行前期的恒流充电+后期的绕流充电。前期的恒流充电可以实现电池SOC(总可用容量)80％左右，后期的绕流充电的实现形式是按照这样一种方式进行的：如果一个电池的电压达到规定最高值V1或者一个电池充电的温升Δt超过了规定值时，则充电电流绕过这个电池继续对其他电池进行充电，不断的进行循环检测和绕流充电，直至全部电池的电压达到最高值V1为止。这样不仅能实现均衡充电的目的，而且还缩短了充电的时间，满足了电池快速充电的要求。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明采用前期恒流+后期绕流方式进行均衡充电，这样不仅能实现均衡充电的目的，而且还缩短了充电的时间，满足了电池快速充电的要求。

(2)本发明简化了电路结构。本发明采用集中式变压器、PWM进行DC-DC转换，每节电池用一个功率MOS。这便于产业化批量生产或自动化生产，既能保证生产效率又能保证产品品质。

(3)本发明能实现大电流均衡充电。电动汽车电池容量大，充电的电流也很大，充电也有时间限制。特别是追求快速充电时，均衡电流不能太小，否则就失去了均衡的意义。大均衡电流也会带来一系列问题，如复杂程度增加，成本增加，可实现性差，这样的系统也少见实例，缺少验证的实际数据。本发明采用集中式变压器解决了大电流的均衡的问题。

(4)本发明采用红外通信方式，不仅提高系统的抗干扰性、可靠性和安全性，而且均衡与信息和指令系统相互独立，因此即便是均衡部分失灵或损坏，都不至于影响系统的工作，不会导致电池大面积的损坏和严重的安全问题。

(5)本发明成本低。电动汽车的成本大头集中在电池部分，目前车企普遍认为电池管理系统的价格偏高，进口的管理系统的价格更高，成本是限制电动汽车发展的环节之一。

附图说明

图1是本发明的示意图。

图2是本发明的均衡充电示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本发明的一种锂离子动力电池组均衡充电管理系统，包含外部电压交流转换器(9)，MCU中央控制单元(1)，电压、电流和温度监控模块(2)，若干个均衡充电模块(3)，电池散热模块(4)和若干个电池模块(5)，如图1所示。电压、电流和温度监控模块用于监控电池模块中每节电池的电压、电流和温度等信息，同时将监测到的信息反馈至MCU中央控制单元，MCU中央控制单元对信息进行分析，再对均衡充电模块和电池散热模块发送指令，电池模块中的每节电池得以均衡地充电；其中，MCU中央控制单元(1)通过单片机的输入引脚与电压、电流和温度监控模块(2)连接；MCU中央控制单元(1)通过单片机的输出引脚分别与电池散热模块(4)和均衡充电模块(3)连接；每个电池模块(5)由10～13节电池串联形成，每节电池上有监测芯片，通过外接线路与电压、电流和温度监控模块(2)连接；均衡充电模块(3)由控制开关(6)、绕流器(7)和变压器(8)组成，控制开关(6)分别与绕流器(7)和变压器(8)并联，控制开关(6)与外部电压交流转换器(9)输出电流的正负端连接，通过控制开关，在前期充电的时候接通变压器，在后期充电的时候接通绕流器，绕流器与电池模块并联，变压器与电池模块并联；绕流器输出绕流电流，当电池组中某个电池的电压达到规定值时，绕流器输出的电流绕过这个电池，对其他电池充电，绕流器与电池模块并联，变压器与电池模块并联。

如图2所示，开始充电的时候，均衡充电模块的控制开关(6)接通变压器，对电池模块(5)中的电池进行恒流充电。电压、电流和温度监控模块(2)不断对单个电池进行数据采集和转换，将得到的数据通过红外发射器(设置在电压、电流和温度监控模块上，与PWM连接)，送往MCU中央控制单元(1)。当检测到电池当前温度低于规定值t时，MCU中央控制单元(1)根据内部设定好的程序，控制变压器，降低充电电流，防止电池在低温下出现过电流充电，当发现电池充电线路中的电流超出了保护电流时，线路中的保护开关自动断开，防止由于外部线路短路造成过电流充电。MCU中央控制单元不断地判断单个电池的电压是否达到预定值，或者温度的变化值超过或达到了预定值Δt1，选择是否开启绕流器(7)进行绕流充电和电池散热模块(4)对电池模块进行散热，当电池的温升或温度达到预定值时，开启散热系统进行散热，当单个电池的温度继续增加，并且达到最高值时，关闭这个电池的充电电路。绕流器(7)进行绕流充电的时候，则绕过这个电池，对其他电池进行充电。当检测到电池的温度恢复到正常值时，关闭绕流器，开启变压器，重新开启这个电池的充电电路。当某个电池的电压达到预定值时，也是关闭这个电池的充电电路，开启绕流器(7)进行绕流充电。直到该模块的全部电池的电压达到设定值。关闭该电池模块，断开充电。其他模块充电继续。直到全部电池的电压值都达到设定值时，发出警报信息，断开充电电流。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子动力电池组均衡充电管理系统，包含外部电压交流转换器，MCU中央控制单元，用于监测电池信息的电压、电流和温度监控模块，若干个均衡充电模块，电池散热模块和若干个电池模块，其特征在于：电压、电流和温度监控模块将监测到的信息反馈至MCU中央控制单元，MCU中央控制单元对信息进行分析，再对均衡充电模块和电池散热模块发送指令，控制电池模块中的每节电池充电均衡；其中，每个电池模块连接一个均衡充电模块；均衡充电模块由控制开关、绕流器和变压器组成，控制开关分别与绕流器和变压器连接，控制开关与外部电压交流转换器连接，绕流器与电池模块并联，变压器与电池模块并联。

2.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于：所述MCU中央控制单元通过单片机的输入引脚与电压、电流和温度监控模块连接；

所述MCU中央控制单元通过单片机的输出引脚分别与电池散热模块和均衡充电模块连接。

3.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于：所述的电池模块由10～13节电池串联组成。

4.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于：所述的控制开关为继电器。

5.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于：所述的电池散热模块由风扇和相应的电路组成，风扇进行送风散热。

6.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于：所述电压、电流和温度监控模块与电池模块通过监测芯片连接；该监测芯片包含电流传感器、电压传感器和温度传感器

7.根据权利要求6所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于：所述电流传感器为电流互感器；所述电压传感器为电压互感器。

8.根据权利要求6所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于：所述的电压、电流和温度监控模块由电压传感器、电流传感器、温度传感器和PWM串联组成，电压传感器、电流传感器和PWM通过外接电路与电池模块中的每节电池并联，温度传感器贴在每个电池的外部，温度传感器连接在温度测量引脚上。

9.根据权利要求6所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于：所述电池模块中的每节电池连接有监测芯片，监测芯片测得的数值通过电压、电流和温度监控模块中的PWM进行DC-DC转换，传输至MCU中央控制单元，继而控制电池散热模块和均衡充电模块。

10.根据权利要求9所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于：所述传输的方式为红外通信方式。

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