CN101950995A - 一种锂离子动力电池组均衡放电管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子动力电池组均衡放电管理系统。该系统包含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，均衡放电模块，电池散热模块、电池模块和高压动力母线：电压、电流和温度监控模块监测到的信息反馈至MCU中央控制单元，MCU中央控制单元分析后，控制电池散热模块和均衡放电模块的运行，电池模块通过高压动力母线得以均衡地放电；其中，均衡放电模块由若干个电阻阻抗和若干个模拟开关组成；电池模块中的每节电池均与电阻阻抗和模拟开关连接，电阻阻抗用于对电池电流进行分流，模拟开关用于控制电阻阻抗的运行。本发明具有如下优点：均衡放电控制精确、安全性更高以及支持大电流放电。
Description
技术领域
本发明属于电池管理技术领域，特别涉及一种锂离子动力电池组均衡放电管理系统。
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)管理放电：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管理放电：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。传统的通过测量电池的开路电压来判断是否进行均衡放电的方式，不能准确的反应单个电池的荷电状态，电池往往出现过放电等现象。
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放电管理系统。该系统电路简化，便于维修，具有过压、过温、过流保护功能，能支持大电流均衡放电，放电完成时间短，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放电管理系统，包含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，均衡放电模块，电池散热模块、电池模块和高压动力母线；电压、电流和温度监控模块监测到的信息反馈至MCU中央控制单元，MCU中央控制单元分析后，控制电池散热模块和均衡放电模块的运行，电池模块通过高压动力母线得以均衡地放电；其中，均衡放电模块由若干个电阻阻抗和若干个模拟开关组成；电池模块中的每节电池均与电阻阻抗和模拟开关连接，电阻阻抗用于对电池电流进行分流，模拟开关用于控制电阻阻抗的运行；
所述的信息指的是锂离子电池的电流值、电压值和温度值；
所述电池与电阻阻抗的连接方式为并联；
所述电阻阻抗与模拟开关的连接方式为串联；
所述MCU中央控制单元优选通过红外发射器与电压、电流和温度监控模块连接；
所述MCU中央控制单元优选通过线路与电池散热模块连接；
所述MCU中央控制单元优选通过红外放射器与均衡放电模块连接；
所述的电池模块优选为由1～13节电池串联组成；
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；
所述的电池散热模块由风扇和相应的电路组成，风扇设置在电池模块的一侧，风扇的作用为送风散热；
所述高压动力母线的正端与电池模块中电池组的正端相连，高压动力母线的负端与电池模块中电池组的负端相连，从而对外供电。
本发明的原理：电池组均衡放电的方法是通过实时监控单个电池的可用剩余容量，当某个电池的可用剩余容量低于或等于可用剩余容量的规定值的时候，通过MCU中央控制单元(1)，开启电阻阻抗R和模拟电路开关K，使经过该电池的电流减少，而不是关闭该电池输出，确保整个电池组的电压在一定范围之内。直至单体电池的电压达到规定的最低值V2时，关闭电流输出，发出警报信号。电池组在进行放电，尤其是进行大电流放电的情况下，势必会形成很大的温升Δt。当Δt超过某规定值时，可通过电池散热模块对电池组进行散热，即当某个电池的温升Δt大于规定值或当电池的温度大于规定值t1时，开启散热系统，当温度大于规定值t2(t2＞t1)时，开启散热和均衡放电电路，减少电流输出，确保电池安全，当电池的温度恢复到正常值时，关闭散热系统和均衡放电系统，继续这样循环检测。单个电池的温度数据的获得通过多点设置、多通道获取，确保获得的数据具有可靠性。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)均衡放电控制更精确：通过监控单个电池的剩余可用容量来进行均衡放电，而不是简单的通过检测电池的电压来判断均衡放电管理。
(2)多点多通道检测电池温度：当一个电池的体积很大的时候，单个温度检测点检测的温度具有局限性，通过多点多通道检测电池温度，使获得的温度数据可信度更高。
(3)安全性更高：当某个电池的温升Δt大于规定值时，或者当电池的温度大于规定值a时，开启散热系统，当温度大于规定值b时，开启散热和均衡放电电路，减少电流输出，当电池的温度大于c时，关闭电池电流输出，确保电池安全，当电池的温度恢复到正常值时，开启电池输出电路，继续这样循环检测。
(5)支持大电流放电：汽车在进行爬坡或者加速的时候，汽车电机所需的电流较大，将产生较大的温升，通过比较温升，开启散热系统，确保汽车和电池组安全工作。
(6)易于批量生产或自动化生产，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明的示意图。
图2是本发明的均衡放电示意图。
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
本发明是一种锂离子动力电池组均衡放电管理系统，如图1所示，包含MCU中央控制单元(1)，电压、电流和温度监控模块(2)，均衡放电模块(3)，电池散热模块(4)、电池模块(5)和高压动力母线；电压、电流和温度监控模块(2)用于监测电池模块中每节电池的电压、电流和温度等信息，并将此信息反馈至MCU中央控制单元(1)，MCU中央控制单元(1)分析后，控制电池散热模块(4)和均衡放电模块(3)的运行。高压动力母线的正端与电池模块中电池组的正端相连，高压动力母线的负端与电池模块中电池组的负端相连，从而对外供电。
电池模块(5)通过线路进行串联，每节电池与一个电阻阻抗R并联，电阻阻抗R与模拟开关K串联，如图2所示。在电池组开始供电初期，高压动力母线正负端与动力电机相连。当电池组放电的时候，尤其是进行大电流放电的时候，会放出热量，使电池的温度升高。电池的电压、电流和温度监控模块(2)实时监测电池的电压、电流和温度，将数据通过红外发射器送外MCU中央控制单元，当发现某个电池的温升Δt高于规定值时t，开启电池散热模块(4)进行散热。当发现电池温升Δt继续且温度达到规定值t2时，开启电池散热模块(4)和通过MCU控制闭合均衡放电模块(3)中连接该电池的模拟开关K，使经过该电池的电流减少，减少电池的散热。当检测到电池的温度恢复到正常值时，关闭电池散热模块(4)和均衡放电模块(3)。MCU中央控制单元(1)将电池的开路电压、温度值进行函数计算，得到电池的剩余可用容量，当判断到某个电池的剩余可用容量的值低于或等于规定的值时A，通过MCU控制闭合均衡放电中与该电池相连的模拟开关，使经过该电池的电流减少，而不是关闭该电池放电，确保整体电压值都在一定值范围内。当检测到该电池的电压V达到最低规定的值V2时，通过断开动力母线中的开关，关闭整个电池组的电池输出，发出警报信号。
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放电管理系统，包含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，均衡放电模块，电池散热模块、电池模块和高压动力母线，其特征在于：电压、电流和温度监控模块监测到的信息反馈至MCU中央控制单元，MCU中央控制单元分析后，控制电池散热模块和均衡放电模块的运行，电池模块通过高压动力母线得以均衡地放电；其中，均衡放电模块由若干个电阻阻抗和若干个模拟开关组成；电池模块中的每节电池均与电阻阻抗和模拟开关连接，电阻阻抗用于对电池电流进行分流，模拟开关用于控制电阻阻抗的运行。
2.根据权利要求1所述锂离子动力电池组均衡放电管理系统，其特征在于：所述的信息指的是锂离子电池的电流值、电压值和温度值。
3.根据权利要求1所述锂离子动力电池组均衡放电管理系统，其特征在于：所述电池与电阻阻抗的连接方式为并联。
4.根据权利要求1所述锂离子动力电池组均衡放电管理系统，其特征在于：所述电阻阻抗与模拟开关的连接方式为串联。
5.根据权利要求1所述锂离子动力电池组均衡放电管理系统，其特征在于：所述MCU中央控制单元通过红外发射器与电压、电流和温度监控模块连接。
6.根据权利要求1所述锂离子动力电池组均衡放电管理系统，其特征在于：所述MCU中央控制单元通过线路与电池散热模块连接。
7.根据权利要求1所述锂离子动力电池组均衡放电管理系统，其特征在于：所述MCU中央控制单元通过红外放射器与均衡放电模块连接。
8.根据权利要求1所述锂离子动力电池组均衡放电管理系统，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1所述锂离子动力电池组均衡放电管理系统，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，风扇设置在电池模块的一侧。
10.根据权利要求1所述锂离子动力电池组均衡放电管理系统，其特征在于：所述高压动力母线的正端与电池模块中电池组的正端相连，高压动力母线的负端与电池模块中电池组的负端相连。
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