CN102412601A - 一种小容量高功率锂电池组的保护控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小容量高功率锂电池组的保护控制方法，所述的系统实时监测电池模块的电压、电流及温度等参数，能对电池组内各单体电池进行监控和协调，对电池状态作出自动判断，通过控制器控制每个均衡单元对一节电池或一组电池进行保护与动态均衡管理，电路工作开始时间可以涵盖电池组的整个充电或放电周期。系统采用微处理器作为控制核心，完成数据的采集、计算、控制输出等功能，具有控制精确，扩展简便的特点。

Description

一种小容量高功率锂电池组的保护控制方法

【技术领域】

本发明涉及动力型锂离子蓄电池组的保护与控制方法，可用作电动工具等小容量高功率锂离子蓄电池组应用场合的保护与均衡。 

【背景技术】

为满足电动工具的电压和功率要求，电动工具用锂离子电池组通常由多个单体电池串联而成。在大多数情况下，由于锂离子本身的电化学特性偏差、工艺控制和检测手段的不完善，以及工作条件的不一致，各单体电池之间必然存在差异，造成各单体的荷电状态(SOC)和容量/能量(C/E)失配，影响整个电池包的容量。放电时SOC或C/E低的电池最先达到低压保护门限而终止放电，造成其余单体电池容量的浪费；充电时C/E低或SOC高的电池先达到高压保护门限停止充电，容量低的单体电池不能继续补充电量，经过多次充、放电循环，单体电池的两极分化现象愈发明显，整体电池组容量急剧下降，电池包的总容量都只能达到最弱电池的容量，使电池组不能发挥其最大功效，并影响电池组的寿命。 

采用电池均衡处理技术可解决SOC和C/E失配问题，从而改进串联锂电池包的性能。但现有的专用控制芯片，包括以前所有的均衡方法不管是提出电容、电感或者是其他电阻的均衡方法，实际上都是基于电压的这种基本方法。事实上单体电池的电压差异是在SOC较高或较低的时候才会出现一个比较明显的差异，如果仅通过判别电压对电池进行均衡的话，只有在这个时候才能确定哪个电池该进行均衡，如精工的芯片多是在电芯电压达4.2V时才能启动均衡。而且这个时候均衡时间较短，达不到理想的效果。 

本发明方法采用一种高效的动态充放电均衡控制策略，均衡电路工作开始时间可以涵盖电池组的整个充电或放电周期。动态均衡系统采用微处理器作为控制电路核心，完成数据的采集、计算、控制输出等功能。另外控制系统通过软件设计，大大提高控制精度，扩展非常简便。 

目前小功率锂电池组中的运用硬件保护系统，如果运用于高功率场合，则容易出现保护误动作，精度不高，大批量生产时一致性误差比较大。我们通过测试，本文介绍的保护控制方法与硬件相比，主要优点体现在以下方面。 

(1)软件保护延时精度高，误差≤±5％ 

对比硬件保护： 

硬件保护系统的误差＝硬件控制电路的误差+延时电容误差＝+130％～-70％误差。 

(2)与相同电动工具做对比测试，扭矩比硬件保护普遍大2～3N.m。 

(3)完善的温度保护，设置6个温度保护点： 

允许充电温度的上限、下限； 

允许放电温度的上限、下限； 

充电最高温度上限； 

放电最高温度上限； 

对比硬件保护，需要安装6个温度开关才能实现，并且体积大，成本高。 

(4)动态均衡效率高；单体电池容量有差异时才启动均衡；均衡功能不受单体电池容量差异限制对比硬件的末端均衡：效率低(只在充电末期才开始均衡)；均衡功能受单体电池容量差异限制；损失容量(比如4.1V启动均衡，电压低至4.0V才终止均衡)；充电末期始终有80～100mA均衡电流消耗。 

(5)参数更改方便：只需要更改软件，硬件部分不需要任何改动。对比硬件保护：任何参数调整都需要更改器件，繁琐；批量生产的一致性不能保障(例如+130％～-70％的延时误差)。 

【发明内容】

动态均衡技术是对容量高的单体电池进行分流实现的。通过对单体电池电压及变化量的实时监控，判断其在整个电池组所处的状态，通过控制器控制每个均衡单元对一节电池或一组电池进行均衡管理，如果单支电池之间电压差值超过50mV启动均衡。在充电时，将该电池的充电电流分流，减小该电池的实际充电电流；在放电情况下，将增加该电池的放电电流，两种情况都将使该电池电压降低，趋近于整组电池的平均电压，从而达到荷电状态的均衡。 

分流电路是由一个功率晶体管和限流电阻组成。充电时，导通容量高的单体电池分流电路，充电电流部分分流，从而使它的充电速度比其它电池慢；放电时也导通容量高单体电池分流电路，增加高容量单体电池的负载，使它的放电速度比其它电池快，从而实现了单体电池之间的均衡。当单体电池都达到同样的荷电状态时，解决低容量电池充不进电、高容量电池放不出电的问题，相比之下增加了电池组容量，同时又避免了单体电池的过充和过放，延长了电池组的使用寿命。 

附图说明

图1为本发明的结构框图。 

图2为本发明中微处理器的结构框图。 

图3为本发明中单体电压采样原理图。 

图4为本发明中分流电路图。 

【具体实施方式】

动态均衡电路结构框图如图1所示：系统采用微处理器作为控制电路核心，通过采样各个单体电池电压，判断其变化状态，控制各个分流电路的状态，实现动态均衡。 

控制方式由软件完成，实现了使用灵活性。根据不同的单体电池、不同的使用环境，优化均衡控制。 

本套系统采用FreeScale公司的微处理器MC9S08作为核心控制元件，完成电压的采集，计算，控制输出等功能，具有控制精确，扩展简便的特点。该芯片具有10个通道10bitA/D、8KB Flash、28个IO，满足系统设计要求。芯片框图如图2。 

由于控制系统始终连接在电池组系统，必须考虑低功耗。微处理器仅在电池组充、放电过程中满负荷工作，其余时间都处于休眠状态，最大程度降低系统功耗。 

电池组由多个单体电池串联而成。为了实现精确测量每节电池电压，采用差分电压放大电路，去除共模电压，然后送入微处理器内部10Bit ADC完成数模转换。电路原理框图如图3所示。 

采样电路器件的选择关系到整个系统的精度：电阻采用精度±0.5％，运算放大器选用低温飘、低输入电流的TL084。 

分流电路由功率MOSFET和分流电阻组成，如图4所示。电路工作时，电流从单体电池正极流出，经过一个限流电阻，一个功率晶体管。在充电过程中控制功率MOSFET导通，将高电压电池的电流部分分流，从而降低改电池的充电速度；在放电过程中导通功率MOSFET，使它的放电速度比其它电池快，从而实现了电池均衡。由于均衡电流较大，必须考虑分流时的线路压降对电压采样精度的影响，可以通过软件对线路损耗进行补偿。 

Claims (4)

1.一种小容量高功率锂电池组的保护控制方法，其特征在于包括：基于MCU的高效动态充放电均衡控制策略与保护，电路工作开始时间可以涵盖电池组的整个充电或放电周期，系统采用微处理器作为控制电路核心，完成数据的采集、计算、控制输出等功能，具有控制精确，扩展简便的特点。

2.根据权利要求1所述，其特征在于所述的动态均衡技术是对容量高的单体电池进行分流实现的，通过对单体电池电压及变化量的实时监控，判断其在整个电池组所处的状态，控制单体电池分流电路的导通和关断。

3.根据权利要求1所述，其特征在于所述的动态均衡电路包括数据采集电路和均衡电路。

4.根据权利要求1所述，其特征在于所述系统是以单片机MCU作为控制电路核心，实现保护与控制。

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