CN102237556A - 锂离子电池组均衡充放电管理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池组均衡充放电管理装置，有多个分机管理模块(1)，主控模块(2)与各分机管理模块(1)之间有隔离式CAN总线信号连接，主控模块(2)与各分机管理模块(1)之间还有功率线连接，每一待充放电的电池单元(3)与一对应的分机管理模块(1)之间有功率线连接，各电池单元(3)串联构成的电池组与主控模块(2)连接。本发明可实现锂离子电池组中各个电池单元的充电和放电双向同步能量直接转移均衡，实现了均衡电流与充电电流一样，且达到了电池组中各个电池单元在充电过程的大电流均衡充电和放电过程中的能量均衡转移充电，使电池组的使用效率与寿命提高。

Description

锂离子电池组均衡充放电管理装置

技术领域：

本发明涉及一种多单元串联使用的锂离子动力和储能电池组的充、放电分布式、数字化和系统集成化的动态的电池管理装置。

背景技术：

随着对国家对新能源及新能源汽车，特别是电动汽车鼓励扶持政策的相继出台，可充电锂离子储能和动力电池组的应用越来越广泛，作为一种新型的化学电源，锂离子电池具有轻重量、体积小、无记忆效应、循环寿命长、安全、无污染、适应温度广等优势，是替代目前主流应用的镍镉、镍氢电池的最理想的动力电池和储能电池。

但是，由于目前国产的锂离子电池材料性能和批次性能不稳定，电池生产工艺从混桨、涂膜、辊压、切片制片、组装、焊接、注液、化成和分容到成品过程中的湿度、温度、粘度、加工精度和控制工艺的不尽完善，即使经过严格的检测程序，每个电池单元的电压、电阻、容量也基本一致，但在组成几串、几十串甚至上百串以上的电池组在一段时间循环使用后，由于其特殊电化学特性，电池的内阻、电压、容量等参数也会产生波动，形成不一致的状态，造成电池单元之间的差异。这种差异体表现为电池组充满或放完时的串联电池芯之间的电压和容量不相同。这种情况直接导致了电池组在充电的过程中电压过高的电池芯提早触发电池组过充电保护；而在放电过程中电压过低的电池芯会导致电池组过放电保护，从而使电池组的整体容量明显下降。整个电池组体现出来的容量实际为电池组中性能最差的电池芯的容量，从而进一步加剧过充和过放现象的出现，埋下安全隐患，减少电池组的整体循环寿命，导致其提前失效。因此，锂离子电池组的单元之间的差异要求运行的电路能够完成对电池单元的均衡操作，精确管理锂离子电池组的充电和放电。

均衡充放电技术主要是为了解决锂离子电池组中的各个单元在长期充放电循环过程中的电化学特性的偏差现象。锂离子电池替代镉镍、氢镍电池不能套用传统的简单的“即插即用”方式。这是因为锂离子电池与镉镍、氢镍电池有一个最大的不同点，即锂离子电池须严禁过充电和过放电。因此，必须结合锂离子电池特性设计新的充放电管理电路结构和控制管理技术。

在工程化应用中，锂离子电池的电池单体并联组成的电池单元必然要串联成电池组，故必须考虑充电过程中各电池单元或电池单元模块的失衡现象。随着时间的推移，这种失衡现象会愈加严重，影响电池寿命和可靠性。因此，均衡充电和放电是锂离子充放电的关键核心技术，即充、放电过程中全过程的、动态的和智能化均衡管理技术。

所谓锂离子电池组均衡充电和放电就是使锂离子电池单元间的电压偏差保持在预设的范围内，从而保证每个电池单元在循环使用过程进行均衡充电和放电控制；且随着充放电循环的增加，减轻或减少各电池单元间的电压分化。

目前常用的均衡方法有储能均衡和电阻均衡。储能均衡是利用电池对电感或电容等储能元件的充放电功能，通过继电器或者开关器件实现储能元件在不均衡电池单元间的切换，达到电池间的能量转移。这种均衡充电方法控制网络一般比较复杂，对安全性管理要求较高，在使用时还需注意掌握好储能元件的充放电时间。其最大的优点是充、放电(工作)使用中，都可平衡各单元电池的功能，且不消耗锂离子电池组的电能；电阻均衡一般是通过控制器控制电阻网络的通断对电池组进行分流均衡，均衡的原理是在电池组充电的过程中，当某节电池充电速度较快，电压高于其他电池，系统通过控制开关控制均衡电阻的导通分流，降低电池的充电速度，以达到各节电池均衡充电的目的，这种方法可以同时对多节电池进行均衡，控制简单。但是均衡过程中如果电阻选的过大，则均衡电流太小，效果甚微；如果电阻选的过小，则电阻功率很大，系统能量损耗大，均衡效率低，系统对热管理要求较高，需要进行温度检测控制。

目前，已上市的电池管理系统主要功能是检测电池单元的电压、电池组的总电压、总电流等数据指标。但是，其设计的基本原理是依据多单元串联的电池组作为唯一的一个单元，在单元出现过充或过放情况时报警和(或降低)电流直至切断总正极和总负极，以实现对电池组简单的逻辑电路保护。

由于此类产品根本不具备对单元分布式的充放电均衡管理，整个充电和放电近乎“裸充或裸放”，无法使正常的电池单元高效率的充电或放电，持久循环下去会直接降低电池的整体运行能力和循环寿命，所以，从技术层面定义，属于初级的电池组检测装置。

另一类产品的最大特点是设置了若干电池单元组成的电池模块的控制模板，在检测该模块的电压或预先设定的控制指标大于设定指标时，停止该模块的充电，避免过充。该模式属于末端充电均衡，不具备放电均衡功能，且该模式下的控制模板体积大、重量大，还需与独立的充电系统进行信息交换通信，无法集成两个系统。该模式的另以弊端在于因该控制模块类似旁路电路技术方式，无法回避电池组单元串联造成的充电均衡电流过低，实际效果不佳，无法真正起到充电均衡的功能。

发明内容：

本发明的发明目的是公开一种可实现锂离子电池组中各个电池单元的充电和放电双向同步能量直接转移均衡，实现了均衡电流与充电电流一样，且达到了电池组中各个电池单元在充电过程的大电流均衡充电和放电过程中的能量均衡转移充电，使电池组的使用效率与寿命提高。

实现本发明的技术解决方案是：所述的装置有多个分机管理模块1，主控模块2与各分机管理模块1之间有隔离式CAN总线，该CAN总线为现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，其总线规范已被ISO国际标准化组织制定为国际标准，并被公认为是最有前途的现场总线之一，或其他相同类型的串行总线信号连接，主控模块2与各分机管理模块1之间还有功率线连接，每一待充放电的电池单元3与一对应的分机管理模块1之间有功率线连接，各电池单元3串联构成的电池组与主控模块2连接。

所述的主控模块2是一检测模块4与Q1～4(大功率igbt模块)构成的全桥电路连接，一Mcu单片微型计算机控制单元5与全桥电路连接，Mcu控制单元5还与检测模块4和通讯总线连接，全桥电路与分机管理模块1连接。

所述的分机管理模块1有一开关变压器6与整流电路7连接后再接Mcu控制单元5的PWM(脉冲宽度调制)控制处理器8，PWM控制处理器8接电池组的每个电池单元3。

上述的本发明利用已有技术的元器件集成而得出所述的锂离子电池组均衡充放电管理装置，其是通过主控模块对整个串联电池组的放电电流进行管理，对经隔离式CAN总线传输过来的数据进行统一整理计算，并对各分机管理模块发出指令信号，分机管理模块对各个连接的电池单元的相应的充电、停止、调整充电电流进行管理，使不均衡的各电池单元能够按各自技术指标进行相应的充电，放电过程中对接近放电截止电压的电池单元进行充电，以实现放电过程的放电均衡功能。本发明结构相对简单，充分利用已有技术的元器件而实现了锂离子电池组的均衡有效的充放电管理，有效提高了电池组的寿命并能提供高质量供电性能。

附图说明：

图1为本发明的一个实施例的分布式锂离子电池组的管理装置的电路原理框图。

图2为实施例中的主控管理模块的电路拓扑示意图。

图3为实施例中的分机管理模块的电路拓扑示意图。

具体实施方式：

请参见图1～图3，本发明的具体实施例如下：有多个分机管理模块1，多个分机管理模块1与对应的多个电池单元3构成的电池组并联，主控模块2与各分机管理模块1之间有隔离式CAN总线信号连接，每一模块都有各自的地址，主控模块2与各分机管理模块1之间还有功率线连接，各电池单元3串联构成的电池组与主控模块2连接；具体使用时，主控模块2中的检测模块4接电池组和电网并与Q1～4构成的全桥电路连接，检测模块4对系统供电进行切换并对各模块、电池单元的电流、电压、容量和温度等参数进行检测，经过初步计算整理，经隔离式CAN总线发送给主控模块2，有一Mcu控制单元5与全桥电路连接，Mcu控制单元5还与检测模块4和通讯总线连接，全桥电路与分机管理模块1连接；上述的主控模块2通过Mcu控制单元5的PWM控制处理器8将脉冲直流高压电源转换为高频高压电源提供给各分机管理模块1以提供各分机管理模块1自身工作、充电、平衡所需的能源电压，所述的分机管理模块1有一开关变压器6与整流电路7连接后再接Mcu控制单元的PWM控制处理器8，PWM控制处理器8接电池组的每一电池单元3；在检测模块4将检测并计算的结果发送给主控模块2后，再把主控模块2提供的高频高压脉冲电流隔离转换为各电池单元3能够接受的低压电流，通过Mcu控制单元的PWM控制处理器8处理后，给各电池单元3以一定的电流进行均衡充电，则可实现对每一电池单元3进行具针对性的特定充电，在充电过程中，以充电截止电压为标准、部分模块按照一定的电流充电、部分模块首次达到充电截止电压后自动停止充电，停止充电模块在检测到电池单元3电压自然下降并低于截止充电电压后会自动启动充电程序，重复循环至电池单元充满为止；在放电过程中，如检测出电池单元3间不均衡现象或某些电池单元接近放电终止电压时，自动启动主控制模块2对失衡的该部分电池单元3充电，以实现放电过程中的放电均衡。

本发明的结构简单，充分利用已有技术的各元器件或集成模块经独特集成设计得到本发明，可实现对串联电池组的各个电池单元进行实时检测，并在充放电过程中，根据各电池单元的具体技术指标，进行有针对性的充电电流的调整，实现对每一单元的单独管理，以保证各电池单元在工作状态下始终处于最佳状态。

Claims (3)

1.一种锂离子电池组均衡充放电管理装置，其特征在于有多个分机管理模块(1)，主控模块(2)与各分机管理模块(1)之间有隔离式CAN总线信号连接，主控模块(2)与各分机管理模块(1)之间还有功率线连接，每一待充放电的电池单元(3)与一对应的分机管理模块(1)之间有功率线连接，各电池单元(3)串联构成的电池组与主控模块(2)连接。

2.按权利要求1所述的锂离子电池组均衡充放电管理装置，其特征在于所述的主控模块(2)是一检测模块(4)与Q1-4构成的全桥电路连接，一Mcu控制单元(5)与全桥电路连接，Mcu控制单元(5)还与检测模块(4)和通讯总线连接，全桥电路与分机管理模块(1)连接。

3.按权利要求1所述的锂离子电池组均衡充放电管理装置，其特征在于所述的分机管理模块(1)有一开关变压器(6)与整流电路(7)连接后再接Mcu控制单元(5)的PWM控制处理器(8)，PWM控制处理器(8)接电池组的每个电池单元(3)。

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