CN102522788A - 电池管理系统及采用该系统进行电池充电模式控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池管理系统，包括微控制器、具有若干个串联电池的串联电池组、对电池充电电量进行平衡的平衡控制模组、对电池电压进行检测的电压检测模组、及进行普通的大电流充电控制的普通充电关断单元。所述电池管理系统还包括一与普通充电模式相转换、并以涓流充电模式进行充电控制的涓流充电模块。该涓流充电模块的充电电流可在平衡控制模组开启时被完全耗散掉，从而更有效地控制电池的充电量平衡，防止电池的损坏，更好地保护电池。

Description

电池管理系统及采用该系统进行电池充电模式控制的方法

技术领域

本发明涉及串联电池组充电技术，尤其涉及一种用于管理电池组中的电池充电状态的电池管理系统及采用该系统进行电池充电模式控制的方法。

背景技术

电池管理系统负责管理电池、电池组之电量计算、控制、保护，各电池或电池组间的电量平衡、各种电性检测、以及系统内外的讯号通讯。一般而言，只要是使用到电池的产品，都需要搭配电池管理系统来控制，尤其是使用电池串联数目越高的电池组，越需要复杂的电池管理功能。以交通工具而言，串数由少到多可分为电动自行车、电动摩托车、电动高尔夫球车、电动汽车等层次。串联数目越高，代表所需伏特数越高。

电池管理系统通常包括电压、温度、电流等讯号侦测、各电池或电池组间的平衡控制等各种技术与相应的电子电路及软硬体。针对串联电池的电压检测，可用扫描式，即在一区段时间内分别依序侦测各电池的电压，并透过放大器与A/D转换器将讯号提供给微处理器。针对串联电池的电池平衡，分为主动式平衡与被动式平衡两种：主动式平衡是使用能量转移的方式，将电池组或单颗电池中多余的电量转移到电量不足的电池，从而在充电、静止或放电时均可平衡；被动式平衡是使用能量耗散的方式，将各电池中多余的电量以电阻方式耗散成热，并且仅在充电时可以平衡。该种被动式平衡可参考于2011年3月16日公开的中国发明专利申请第CN 101986508 A号，该专利申请公开了一种电池均衡装置，该电池均衡装置采用在电池组旁安装一电阻，以便在某电池充电量快于其他电池时，将该电池的充电电流旁路到该电阻上，以阻止该电池充电，并将其充电电能转换成热能耗散出去。

一般电动自行车与电动摩托车的电池管理系统，由于成本考虑，大多采用被动式平衡的电池管理系统来平衡各电池的电量，同时又必须周期性地采集各电池的电压、电流、温度等参数。但是由于被动式平衡的电池管理系统与外部的充电器之间往往没有通讯，从而在使用被动式平衡时，该种电池管理系统仍然无法做到很好的电量控制以平衡各电池的电量。例如，以已经分别充至5Ahr跟8Ahr的电池来比较，如果需要平衡，就必须在充电时开始以电阻耗散8Ahr电池的电量，但是往往用被动式平衡无法将电完全耗散掉。因此8Ahr的电池或多或少还是会充到电，从而无法真正达成电池的平衡，且容易导致电池的损坏。

因此，有必要提供一种新的电池管理系统及采用该系统进行电池充电模式控制的方法以克服上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可准确地平衡电池组中各电池充电量的电池管理系统。

本发明的另一目的在于一种采用该电池管理系统进行电池充电模式控制的方法。

相应地，一种电池管理系统，包括微控制器、具有若干个串联电池的串联电池组、对电池充电电量进行平衡的平衡控制模组、对电池电压进行检测的电压检测模组、及进行普通的大电流充电控制的普通充电关断单元，所述电池管理系统还包括一与普通充电模式相转换、并以涓流充电模式进行充电控制的涓流充电模块，该涓流充电模块的充电电流可在平衡控制模组开启时被完全耗散掉。

作为本发明的进一步改进，所述微控制器根据电压检测模组检测到的电池的最大电压大于或者等于保护电压时进行控制普通充电单元及涓流充电模块的充电模式转换。

作为本发明的进一步改进，所述涓流充电模块包括场效应管及两个三极管，所述两个三极管包括一个PNP型三极管和一个NPN型三极管。

作为本发明的进一步改进，所述平衡控制模组包括若干分别对每颗电池以电阻耗散多余电量的方式进行被动式平衡的被动平衡子模块。

作为本发明的进一步改进，所述电池管理系统还包括一个放电关断单元。

作为本发明的进一步改进，采用所述的电池管理系统进行电池充电模式控制的方法，包括如下步骤：

首先，开启普通充电模式，微控制器通过电压检测模块将各电池的电压读入并进行比较；

其次，在微控制器读入的电池电压中最大电压与最小电压之差大于或等于一第一电压阈值时，对具有最大电压的电池开启平衡；

再次，在普通充电模式下微控制器读入的电压中最大电压大于或者等于保护电压时，将充电模式切换到涓流充电模式；

最后，在微控制器读入的电压中最小电压大于或等于上述保护电压时切断充电。

作为本发明的进一步改进，在开启平衡前还包括如下步骤：对微控制器读入的电池电压中大于或等于一第二电压阈值的电池设置允许平衡。

本发明的有益效果是：通过在电池管理系统中增加设置一涓流充电模块，使得电池在充电至保护电压时可启动涓流充电模式，从而减小电流的输入量，使得平衡控制模组可将该多余的细小的输入电流完全平衡掉，进而有效控制电池的充电量平衡，防止电池的损坏，更好地保护电池。

附图说明

图1是本发明电池管理系统一具体实施方式的电路模块图；

图2是图1中电池组、平衡控制模组中的被动平衡子模块及电压检测开关模组的部分详细电路图；

图3是图1中电池管理系统中的关断电路模块的详细电路图；

图4是图1中电池管理系统中的涓流充电模块的详细电路图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

请参阅图1所示为本发明电池管理系统的一具体实施方式，本发明电池管理系统100包括具有多个串联电池的电池组、连接至该电池组的平衡控制模组BLS和电压检测模组CH_SELECT、微控制器MCU、连接于微控制器MCU与电压检测模组CH_SELECT之间的信号放大模组AMP、及连接于微控制器MCU与电池组之间的短路检测与自锁模组S_LOCK及其他驱动电路模组7。微控制器MCU内设置有模数转换器。其他驱动电路模组7包括关断电路模块及以涓流充电模式进行充电控制的涓流充电模块，该涓流充电模块的充电电流可在平衡控制模组BLS开启时被完全耗散掉。

请参阅图1及图2所示，本实施方式中电池组包括八个串联连接的电池，所述电池为锂离子电池，也可为磷酸铁锂电池。所述平衡控制模组BLS采用以电阻实现被动式平衡之方式，用以在电池充电过程中若有电池电量充太快，则以电阻消耗的方式将多余的能量耗散以使各电池间达到充电电量平衡。本发明平衡控制模组BLS包括一个被动平衡模块21，该被动平衡模块21包括分别与每一块电池对应连接的若干被动平衡子模块，从而包括有八条输入线路，对应八个平衡控制信号，分别为BLS00~BLS07。该BLS00~BLS07线路信号由微控制器MCU所控制，并通过由微控制器MCU提供RCK、SCK及MOSI信号，然后进行脚位扩充得以形成。

请结合图2所示的被动平衡模块21部分的电路图，该被动平衡模块21的动作过程如下：其中位于最下端的第一通道对应的被动平衡子模块使用NMOSFET Q15作为控制开关，由于第一通道的一侧与GROUND电平一致，从而在微控制器MCU经由第一移位暂存器U2送出的控制信号BLS00高电平时可直接开启NMOSFET Q15，使得平衡电阻R44有电流流过，即对位于图2中最下侧的电池BAT1开启平衡；反之，当控制信号BLS00低电平时NMOSFET Q15关闭，电阻R44无电流流过，即该被动平衡子模块关闭。

位于第二、三通道的被动平衡子模块使用的是PMOSFET，并以一三极管的基极作为控制开关。以第二通道为例说明：当微控制器MCU经由第一移位暂存器U2送出的控制信号BLS01高电平时，三极管Q20饱和导通，从而使得PMOSFET Q19导通，对应的平衡电阻R50有电流流过，则该被动平衡子模块开启；反之，当控制信号BLS01低电平时，三极管Q20截止，PMOSFET关闭，此时R50无电流流过，则该被动平衡子模块关闭。第三信道与上述第二通道对应的被动平衡子模块动作过程相同。

位于第四至第八通道的被动平衡子模块相同，均采用PMOSFET，并以一三极管的基极作为控制开关。以第四通道为例说明：当微控制器MCU经由第一移位暂存器U2送出的控制信号BLS03高电平时，三极管Q30处于放大状态，使得电阻R61两端具有一定的压差以足以使PMOSFET Q29导通，对应的平衡电阻R62有电流流过，则该被动平衡子模块开启；反之，当控制信号BLS03低电平时，三极管Q30截止，电阻R61两端压差等于0V，PMOSFET Q29关闭，此时电阻R62无电流流过，则该被动平衡子模块关闭。

请结合图1及图2所示，电压检测模组CH_SELECT包括分别控制九颗电池电压检测的控制信号MSU00~MSU08。该控制信号由微控制器MCU所控制，并通过由微控制器MCU提供RCK、SCK、MOSI及MSU08信号，然后进行脚位扩充得以形成。

所述关断电路模块包括进行普通的大电流充电控制的普通充电关断单元和放电关断单元。从而使得本发明电池管理系统100包括普通充电和涓流充电两种模式。所述微控制器MCU设置有分别控制普通充电关断单元的普通模式充电信号CHG，和控制涓流充电模块的涓流模式充电信号BCH。结合图1至图4所示，所述普通充电关断单元设置有用以控制普通充电模式通断的场效应管Q6，所述涓流充电模块设置有用以控制涓流充电模式通断的场效应管 Q11，所述放电关断单元设有用以控制放电通断的场效应管 Q5。所述涓流充电模块还包括两个三极管，所述两个三极管包括一个PNP型三极管Q10和一个NPN型三极管Q9，微控制器MCU连接至PNP型三极管Q10的基极。

假设本发明中电池的保护电压为3.8V，在充电时先采用大电流充电的普通充电模式，当电池组内各电池充电电量差异较大时，会有部分电池先冲到保护电压，此时关断普通充电关断单元，并使涓流充电模块输入高电平，即开启涓流充电模式，涓流充电模块会将整个电池组的充电电流限制在320mA左右（其中电动自行车在普通充电模式的电流约为3A至10A，电动摩托车在普通充电模式的电流约为10A至30A），同时对先充到3.8V的电池开启对应的被动平衡子模块进行电量平衡，即将采用涓流充电模式的充电电流从平衡电阻完全被泄放掉，使得该种已达到保护电压的电池电压不再上升，而未开启平衡的电池继续以320mA的充电电流进行充电。

由以上可得，本发明电池管理系统100进行电池充电模式控制的方法，包括如下步骤：首先，开启普通充电模式，微控制器通过电压检测模块将各电池的电压读入并进行比较；其次，对微控制器读入的电池电压中大于或等于一第二电压阈值的电池设置允许平衡，该第二电压阈值小于保护电压并接近保护电压；再次，在微控制器读入的电池电压中最大电压与最小电压之差大于或等于一第一电压阈值时，对具有最大电压的电池开启对应的被动平衡子模块进行电量平衡；然后，在普通充电模式下微控制器读入的电压中最大电压大于或者等于保护电压时，将充电模式切换到涓流充电模式；最后，在微控制器读入的电压中最小电压大于或等于保护电压时切断充电。举例来说，当电池的保护电压为3.8V时，该微控制器MCU的进行电池充电模式的判断及操作步骤如下：首先，微控制器MCU根据电压检测模组CH_SELECT获得的各电池的电压通过微控制器MCU内的模数转换器读入并进行比较；其次，对满足充电电量大于或等于3.45V的电池设置允许进行平衡，该3.45V即为上述第二电压阈值，对任何电池电压减去最小的电池电压的差值大于50mV的电池开启对应的被动平衡子模块，该50mV即为上述第一电压阈值；再次，对进行普通充电模式且充电电量大于或等于3.8V的电池切换到涓流充电模式；最后，在涓流充电模式下，具有最小电压的电池充电电量大于或等于3.8V时通过控制关断电路模块切断充电。

请参阅图2所示为本发明中涓流充电模块的电路图。该涓流充电模块的工作过程如下：当微控制器MCU对涓流模式充电信号BCH输出高电平或高阻态时，PNP型三极管Q10截止，则无电流流过旁路二极管D3和电阻R33；电池组的总的正极节点B8通过电组R35给场效应管Q11栅级供电，并由齐纳二极管Z3稳压至12V，此时场效应管Q11导通，电阻R36有电流流过；当电阻 R36的电流大于320mA时，其两端产生一定的压差，使得电阻R34给NPN型三极管Q9提供基极偏置，则NPN型三极管Q9开始进入放大状态，并且NPN型三极管Q9的集电极电流将场效应管Q11栅级电压拉低，使场效应管Q11工作状态进入可变电阻区，流过场效应管Q11、电阻R36电流减小，则形成一个负反馈电流控制电路。 

而当微控制器MCU对涓流模式充电信号BCH送出低电平时，PNP型三极管Q10导通，电流流过旁路二极管D3和电阻R33并给NPN型三极管Q9提供基极偏置，NPN型三极管Q9的集电极电流将场效应管Q11的栅级电压拉低，使场效应管Q11关闭。此时，不管电阻R36有没有通过电阻R34给NPN型三极管Q9提供基极偏置，旁路二极管D3和电阻R33给NPN型三极管Q9提供的基极偏置总是使场效应管Q11的栅极电压为0V，即场效应管Q11关闭。

综上所述，本发明通过在电池管理系统100中增加设置一涓流充电模块，使得电池在充电至保护电压时可启动涓流充电模式，从而减小电流的输入量，使得平衡控制模组BLS可将该多余的细小的输入电量完全平衡掉，进而有效控制电池的充电量平衡，防止电池的损坏，更好地保护电池。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电池管理系统，包括微控制器、具有若干个串联电池的串联电池组、对电池充电电量进行平衡的平衡控制模组、对电池电压进行检测的电压检测模组、及进行普通的大电流充电控制的普通充电关断单元，其特征在于，所述电池管理系统还包括一与普通充电模式相转换、并以涓流充电模式进行充电控制的涓流充电模块，该涓流充电模块的充电电流可在平衡控制模组开启时被完全耗散掉。

2.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述微控制器根据电压检测模组检测到的电池的最大电压大于或者等于保护电压时进行控制普通充电单元及涓流充电模块的充电模式转换。

3.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述涓流充电模块包括场效应管及两个三极管，所述两个三极管包括一个PNP型三极管和一个NPN型三极管。

4.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述平衡控制模组包括若干分别对每颗电池以电阻耗散多余电量的方式进行被动式平衡的被动平衡子模块。

5.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述电池管理系统还包括一个放电关断单元。

6.采用权利要求1至4项中任意一项所述的电池管理系统进行电池充电模式控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先，开启普通充电模式，微控制器通过电压检测模块将各电池的电压读入并进行比较；

其次，在微控制器读入的电池电压中最大电压与最小电压之差大于或等于一第一电压阈值时，对具有最大电压的电池开启平衡；

再次，在普通充电模式下微控制器读入的电压中最大电压大于或者等于保护电压时，将充电模式切换到涓流充电模式；

最后，在微控制器读入的电压中最小电压大于或等于上述保护电压时切断充电。

7.根据权利要求6所述的进行电池充电模式控制的方法，其特征在于，在开启平衡前还包括如下步骤：对微控制器读入的电池电压中大于或等于一第二电压阈值的电池设置允许平衡。

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