CN102692281B - 组合式锂电池温度检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合式锂电池温度检测电路，包括温度测量电路，在N个锂电池串接而成的模组中，将1个热敏电阻和N-1个温度开关串接在一起，其中热敏电阻用于检测1个锂电池的温度，N-1个温度开关分别监测其余N-1个锂电池的温度，热敏电阻和温度开关串联电路两端分别通过温度信号采集线与温度测量电路的第一端口和第二端口相连；所述温度开关的动作温度与锂电池工作上限温度一致，当温度低于锂电池上限温度，温度开关导通；当温度超过锂电池上限温度，温度开关断开。其优点是：只需要2根信号采集线连接至BMS的温度检测电路，就可以实现锂电池模组温度测量及对全部锂电池的温度保护。

Description

组合式锂电池温度检测电路

技术领域

本发明涉及一种检测锂电池温度的电路，具体是一种组合式锂电池温度检测电路。

背景技术

随着国家《节能与新能源汽车产业发展规划（2011～2020年）》出台，锂电池系统作为电动汽车的核心部分，将迎来一个快速发展的机遇。

安全问题是制约动力型锂电池在新能源汽车领域推广应用的技术瓶颈之一。锂电池的特性决定其存在电压、电流与温度的工作窗口，锂电池只能在规定的电压、电流与温度的窗口范围内工作，否则会对锂电池造成损害并可能产生安全隐患。在实际使用中，人们利用电源管理系统(BMS)对锂电池充放电的电压、电流与温度进行管理，避免造成锂电池组损伤与安全隐患。

BMS为了管理好锂电池的应用，首先必须能够精确检测锂电池系统的电压、电流与温度。BMS一般采用N+1方法测量由N个锂电池串接而成的电池模组内锂电池电压[详见胡信国等，动力电池技术与应用.化学工业出版社.2009，P221-224]，在此方法中，只要使用N+1根信号采集线就可以测量全部N个锂电池的电压。BMS中电流的测量一般采用精密电阻测量法（将精密电阻串接在电流回路中，通过测量电阻两端的电压计算出流过电流大小）或使用霍尔传感器进行测量。对于温度测量，大部分BMS均采用常规的热敏电阻测量方法，这种方法是将热敏电阻固定在对锂电池温度变化最敏感的地方，通过测量热敏电阻阻值变化来判断电池温度高低。利用这种方法，每个温度测量点都需要放置一个热敏电阻，并单独使用两根信号采集线将热敏电阻两端连接至BMS的温度测量电路。

在BMS实际应用中，除了检测锂电池模组电流回路中电流是否在限定的范围以内，也会使用N+1方法检测电池模组中每一个锂电池电压，确保没有过放与过充的现象发生。对于温度监测，从安全角度考虑，需要检测锂电池模组中每个电池的温度，因为任何一个锂电池都可能因为内部存在的缺陷导致短路或引起化学反应使得电池温度升高，甚至有可能会引起着火。但由于每个温度检测点都需要连接2根信号采集线至BMS的温度测量电路，在实际应用中一般仅仅选择性地测量锂电池模组中部分锂电池的温度，以减少锂电池连接至BMS的温度信号采集线数量，减小由于信号采集线连接不良带来问题的几率。在小型锂电池模组中，锂电池模组释放电流较小，锂电池体积也比较小，相互之间的距离也比较接近，上述温度测量方法并不会带来太大的安全隐患。但随着锂电池模组应用范围进一步拓宽，尤其是在动力系统的应用，其释放电流越来越高，电池模组的体积也迅速增加，锂电池的个数也越来越多，上述选择性地测量部分锂电池温度的方法有可能会给锂电池模组带来安全上的隐患。因此发明一种能够同时检测全部锂电池温度，但又不会增加温度信号采集线数量的温度检测方法对大型动力锂电池的安全使用就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种组合式锂电池温度检测电路，该电路只要使用2根信号采集线就可以对多个锂电池进行温度检测。

按照本发明提供的技术方案，所述组合式锂电池温度检测电路，包括温度测量电路，所述温度测量电路包括有依次连接的恒压源及电压检测电路、模数转换模块、温度计算模块和温度数据输出端口，或依次连接的恒流源及电压检测电路、模数转换模块、温度计算模块和温度数据输出端口；在N个锂电池串接而成的模组中，将1个热敏电阻和N-1个温度开关串接在一起，其中热敏电阻用于检测1个锂电池的温度，N-1个温度开关分别监测其余N-1个锂电池的温度，1个热敏电阻和N-1个温度开关的串联电路的两端分别通过温度信号采集线与温度测量电路的第一端口和第二端口相连；当采用恒压源及电压检测电路时，温度测量电路的第一端口连接恒压源及电压检测电路的第一端口，温度测量电路的第二端口连接恒压源及电压检测电路的第二端口和第一电阻的一端，第一电阻阻值已知为R₁，第一电阻另一端连接恒压源及电压检测电路的第三端口，所述恒压源及电压检测电路在自身的第一端口和第二端口之间提供一个恒定电压V₀，同时测量自身第二端口和第三端口之间电压V₁，并将电压V₁传送至模数转换模块，将电压V₁由模拟信号转换为数字信号，当电压V₁以数字信号方式传输到温度计算模块后，温度计算模块根据公式

$R_0=R_1\frac{V_0-V_1}{V_1}$

计算出热敏电阻的阻值R₀，并通过预先存储在温度计算模块中的热敏电阻阻值与温度对应关系计算出被测量锂电池的温度；当采用恒流源及电压检测电路时，温度测量电路的第一端口和第二端口分别连接恒流源及电压检测电路的两个端口，恒流源及电压检测电路对外提供恒定电流I，同时测量自身两个端口之间电压V，并将电压V传送至模数转换模块，温度计算模块根据公式R₀=V/I计算出R₀，并通过预先存储在温度计算模块中的热敏电阻阻值与温度对应关系计算出被测量锂电池的温度；所述温度开关的动作温度与锂电池工作上限温度一致，当温度低于锂电池上限温度，即温度开关的动作温度时，温度开关导通；当温度超过锂电池上限温度，即温度开关动作温度后，温度开关处于断开状态。

在导通状态下，温度开关的阻值小于50mΩ。

所述温度开关采用双金属片作为感温元件，当温度处在温度开关正常工作范围之内时，双金属片处于自由状态，触点处于闭合导通状态；当温度升高至设定的动作温度值时，双金属片受热产生内应力而迅速动作，打开触点，切断电路；当温度降回到所述动作温度时，触点会自动闭合，恢复正常导通状态。

本发明的优点是：利用本发明提供的组合式锂电池温度检测电路，只需要2根信号采集线连接至BMS的温度检测电路，就可以实现锂电池模组温度测量及对全部锂电池的温度保护；该电路可以任意增加温度检测点的数量，而不需要增加信号采集线的数量。

附图说明

图1是常规锂电池温度检测电路示意图。

图2是热敏电阻阻值随温度变化曲线。

图3是组合式锂电池温度检测电路实施例一示意图。

图4是组合式温度测量系统的阻值随温度变化曲线。

图5是使用组合式温度检测电路的锂电池模组示意图。

图6是使用组合式温度检测电路的锂电池系统示意图。

图7是同一锂电池模组中使用多个组合式温度测量系统的连接示意图。

图8是组合式锂电池温度检测电路实施例二示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

在充放电时，锂电池的温度不能过高也不能过低，因为锂电池在过高或过低的温度下充放电时，都会导致锂电池结构或材料的损坏并可能带来安全隐患；另外，在电池内部存在缺陷导致短路或引起化学反应时，会导致锂电池的温度升高，并可能引起灾害发生。因此，在锂电池工作时，必须严格限制在一定的温度范围或温度窗口之内。

图1为常规锂电池温度测量系统示意图，该系统包括温度测量电路1、热敏电阻2、温度信号采集线3。温度测量电路1包括一个已知阻值为R₁的电阻4，恒压源及电压检测电路5-1、数模（A/D）转换模块6、温度计算模块7与温度数据输出端口8。在实际测量时，热敏电阻2被固定在对锂电池内部温度变化最敏感的地方，通过温度信号采集线3经过第一端口A与第二端口B连接至温度测量电路1，热敏电阻2与温度测量电路1中已知电阻4以串联的方式连接。温度测量电路1的第一端口A连接恒压源及电压检测电路5-1的第一端口C，温度测量电路1的第二端口B连接恒压源及电压检测电路5-1的第二端口D和第一电阻4的一端，第一电阻4另一端连接恒压源及电压检测电路5-1的第三端口E。恒压源与电压检测电路5-1在CE之间为电阻回路提供一个恒定电压V₀，同时测量DE之间电压V₁，并将电压V₁传送至A/D转换模块6，将电压V₁由模拟信号转换为数字信号。当电压V₁以数字信号方式传输到温度计算模块7后，系统会根据公式（1）计算出热敏电阻2的阻值R₀，并通过预先存储在温度计算模块中的热敏电阻阻值与温度对应关系计算出被测量锂电池的温度。

$R_0=R_1\frac{V_0-V_1}{V_1}---\left(1\right)$

图2为一个典型的NTC型热敏电阻的阻值与温度的对应关系。锂电池的正常工作温度一般在-20℃~80℃之间，对应的电阻阻值在1.2KΩ~96.9KΩ之间。图中标示了一个工作温度区间在-10℃~60℃之间的锂电池的上下限温度。

利用图1所示的锂电池温度检测电路，可以定量测量锂电池的温度，确保锂电池是在允许的温度窗口内工作。但上述温度检测电路中，每一个温度测量点都需要使用2根信号采集线3将一个热敏电阻2连接至温度测量电路1，信号采集线连接比较复杂，尤其对于一些大型动力型锂电池模组。

为了了解引起锂电池温度变化的各种原因，我们分析了影响锂电池温度的各种因素及其对锂电池温度的影响并将其列于表1中。

表1

从表1可以发现，在可能引起锂电池温度改变的各种因素中，只有气温改变才可能导致锂电池的温度下降，而气温改变对所有锂电池的影响都是一致的，因此只要检测一个锂电池的温度并确认该锂电池没有因气温的降低而低于温度下限，就能确保其它锂电池温度也同样没有低于温度下限。然而由于任何一个锂电池都有可能因为其内部缺陷引起的短路或化学反应导致电池温度升高，并可能超过工作温度上限，因此在高温端必须对每个锂电池温度进行检查，才能完全确保整个锂电池模组的安全。

简单而言，在低温端只需要检测一个锂电池的温度就可以确保整个锂电池模组安全，但在高温端需要检测全部锂电池的温度才能保证锂电池模组的安全。另外，当锂电池工作在正常工作状态，锂电池模组内部温度基本一致，只需要一个温度检测点就可代表锂电池模组温度。根据锂电池系统的上述温度特性，我们设计了图3所示的组合式锂电池模组温度检测电路。与图1所示的常规锂电池模组温度检测电路不同，在图3所示的这种新的检测系统中串接了多个温度开关9，分别表示为Si，i=1,2，...,N-1。热敏电阻2用于检测第1个锂电池的温度，N-1个温度开关9分别监测其余N-1个锂电池的温度，1个热敏电阻和N-1个温度开关9的串联电路的两端分别通过温度信号采集线3与温度测量电路1的第一端口A和第二端口B相连。这种温度开关9是用双金属片作为感温元件，当温度处在温度开关正常工作范围之内时，双金属片处于自由状态，触点处于闭合导通状态；当温度升高至设定的动作温度值时，双金属片受热产生内应力而迅速动作，打开触点，切断电路，从而起到热保护作用。当温度降到安全复位温度时，触点会自动闭合，恢复正常导通状态。在导通状态下，温度开关的阻值很小，一般小于50mΩ。

图3中所使用的温度开关9，其动作温度必须与锂电池工作上限温度相一致。当温度低于锂电池上限温度（温度开关的动作温度）时，温度开关9仅仅相当于一个阻值小于50mΩ的电阻；当温度超过锂电池温度上限（温度开关动作温度）后，温度开关9处于断开状态，此时DE之间的电压V₁=0。

串接温度开关以后，公式（1）需要进行修正为公式（2）

$R_0+[R_{S1}+R_{S2}+......+R_{S(N-1)}]{=R}_1\frac{V_0-V_1}{V_1}---\left(2\right)$

温度开关的阻值R_Si一般小于50mΩ，热敏电阻2在锂电池11正常工作温度范围内的阻值大部分在1KΩ以上，这样20个导通的温度开关9串接在一起的时候，总电阻值还不到热敏电阻2阻值的0.1%，可以忽略不计。所以在此状况下依然可以使用公式（1）计算热敏电阻2的阻值并转换成相应的温度。也就是说，在正常情况下，在常规热敏电阻温度检测电路中串接温度开关9以后并不会影响热敏电阻2温度测量的结果。

图4为组合式温度检测电路的等效电阻阻值与温度的关系曲线，该系统设定锂电池的正常温度范围为-10℃~60℃。在锂电池模组的温度<60℃时，这种组合式温度测量系统与常规的热敏电阻测量系统几乎相同，可以精确测量锂电池模组温度。当气温下降至锂电池正常工作下限温度以下时，热敏电阻2可以探测到这种温度变化，BMS会及时采取措施切断锂电池模组的充放电回路。当热敏电阻2所测量的锂电池11温度超过正常工作温度上限，而其它锂电池11温度还在正常范围以内的时候，组合式温度检测电路会通过热敏电阻2检测到温度异常，BMS也会及时切断充放电回路电流。当锂电池模组中任何一个温度开关9因为检测到过高的温度而断开的时候，恒压源与电压检测电路5-1检测到V₁=0伏。当温度计算模块7接收到V₁=0伏，会直接向BMS中的微处理器传送一个预先设定的特殊信号，微处理器接收到该信号以后，会立即发出指令断开锂电池充放电回路，确保锂电池模组的安全。

总之，利用本发明提供的组合式锂电池温度检测电路，只需要2根信号采集线连接至BMS的温度检测电路，就可以实现锂电池模组温度测量及对全部锂电池的温度保护。

如图3所示，本发明在N个锂电池串接而成的模组中，利用由1个热敏电阻和N-1个温度开关串接在一起组成组合式温度检测电路，替代如图1所示的温度检测电路，在此电路中只用两根信号采集线便能测量电池模组的温度并对全部锂电池进行温度监测。

图5为使用组合式温度检测电路的锂电池模组10示意图，该模组由N个锂电池11串接而成。锂电池模组10电压测量采用背景技术所述的N+1方法，将N+1根电压信号采集线12一端连接到锂电池11，另一端通过电压信号线输出端13连接至BMS。其中第一个锂电池11使用热敏电阻2测量其温度值，其它锂电池11均使用温度开关9来监测其温度。热敏电阻2与其它温度开关9串接在一起，串联电路两端连接温度信号采集线3，再通过温度信号线输出端14连接至BMS。锂电池正负极分别通过锂电池模组正极接口15与锂电池模组负极接口16与外部连接。

图6是使用组合式温度检测电路的锂电池系统示意图，图6左边部分为锂电池模组10，图6右边部分为BMS系统17。BMS系统17包括微处理器（MCU）23的输入端连接温度测量电路1、电压测量电路27、电流测量电路28，微处理器（MCU）23的输出端连接电池保护控制电路24，电池保护控制电路24连接充放电保护开关25的控制端，充放电保护开关25串接在BMS充放电正极接口18和BMS正极电池接口19之间，温度测量电路1的输入端通过温度信号线输入端22与温度信号线输出端14连接，电压测量电路27的输入端通过电压信号线输入端26与电压信号线输出端13连接，电流测量电路28的输入端连接电流检测电阻29，电流检测电阻29串接在BMS充放电负极接口20和BMS负极电池接口21之间。外部负载或充电机的正极会连接至BMS充放电正极接口18，并通过BMS正极电池接口19连接至锂电池模组正极接口15；外部负载或充电机的负极会连接至BMS充放电负极接口20，并通过BMS负极电池接口21连接至锂电池模组负极接口16。

安装在锂电池模组中的热敏电阻2与温度开关9使用2根温度信号采集线3连接至锂电池模组10的温度信号线输出端14，并通过BMS的温度信号线输入端22连接至温度测量电路1。当锂电池11温度均低于上限温度时，温度开关9全部导通，而且其接触电阻很小，不影响温度检测电路1通过热敏电阻2对第一个锂电池11进行温度测量。温度检测电路1会将测量得到的锂电池温度数据传输至微处理器（MCU）23中并与预设温度保护值进行对比，如果因为环境低温的影响使得第一个锂电池11的温度低于下限温度，或者该锂电池11的温度超过上限温度的时候，微处理器23都会发出指令给电池保护控制电路24，断开充放电保护开关25，从而保护锂电池模组的安全。如果任何一个其它锂电池的温度超过上限温度的时候，温度开关9将会立即断开，此时温度测量电路会向微处理器传送一个预先设定的特殊信号，微处理器23接收到该信号以后，会立即发出指令给电池保护控制电路24，断开充放电保护开关25，切断锂电池充放电回路，确保锂电池模组的安全。应用组合式锂电池温度检测电路，仅仅2根温度信号采集线3连接至BMS系统17的温度测量电路1就可以对全部锂电池11进行温度检测。

锂电池的电压信号采集线12连接至锂电池模组的电压信号线输出端13，并通过BMS的电压信号线输入端26连接到电压测量电路27。电压测量电路27会测量每一个锂电池11的电压，并将电压值传送至微处理器23中。另外，锂电池系统的电流测量电路28会通过电流检测电阻29检测回路中的电流大小，并将电流值传送至微处理器23中。如果微处理器23发现任何一个锂电池11的电压值异常，或回路中的电流超出最大允许值，微处理器23会立即发出指令给电池保护控制电路24，断开充放电保护开关25切断充放电回路以保护锂电池11不受损害。

图6所示的锂电池系统，不仅可以检测锂电池11电压与电流变化，还可监测全部锂电池的温度变化，而且仅仅使用2根温度信号采集线3。

所述温度信号线输出端14和温度信号线输入端22仅表示接插端口，其内部实质是图4的第一端口A与第二端口B。

热敏电阻2安装在第一个锂电池上是为便于进行原理描述，在实际应用中热敏电阻位置没有限制，可以安装在锂电池模组10中的任意一个锂电池上。

本发明所提供的组合式温度测量系统的应用，不仅仅局限于图6所示的方式。也可以如图7所示在同一锂电池模组中使用多个组合式温度测量系统，只需把全部温度信号采集线通过温度信号线总输出端连接至温度测量电路即可。

如图8所示为本发明的另一个实施例。通过提供恒流的方法测量热敏电阻的阻值R₀。温度测量电路1中的恒压源及电压检测电路5-1被替换为恒流源及电压检测电路5-2，此时温度测量电路1的第一端口A和第二端口B分别连接恒流源及电压检测电路5-2的两个端口CE，恒流源及电压检测电路5-2对外提供恒定电流I，同时测量自身两个端口之间电压V，并将电压V传送至模数转换模块6，温度计算模块7根据公式R₀=V/I计算出R₀。其余部分类同。

Claims (3)

1. 组合式锂电池温度检测电路，包括温度测量电路（1），所述温度测量电路（1）包括有依次连接的恒压源及电压检测电路（5-1）、模数转换模块（6）、温度计算模块（7）和温度数据输出端口（8），或依次连接的恒流源及电压检测电路（5-2）、模数转换模块（6）、温度计算模块（7）和温度数据输出端口（8），其特征是：在N个锂电池串接而成的模组中，将1个热敏电阻和N-1个温度开关（9）串接在一起，其中热敏电阻用于检测1个锂电池的温度，N-1个温度开关（9）分别监测其余N-1个锂电池的温度，1个热敏电阻和N-1个温度开关（9）的串联电路的两端分别通过温度信号采集线与温度测量电路（1）的第一端口和第二端口相连；当采用恒压源及电压检测电路（5-1）时，温度测量电路（1）的第一端口连接恒压源及电压检测电路（5-1）的第一端口，温度测量电路（1）的第二端口连接恒压源及电压检测电路（5-1）的第二端口和第一电阻的一端，第一电阻阻值已知为R₁，第一电阻另一端连接恒压源及电压检测电路（5-1）的第三端口，所述恒压源及电压检测电路（5-1）在自身的第一端口和第二端口之间提供一个恒定电压V₀，同时测量自身第二端口和第三端口之间电压V₁，并将电压V₁传送至模数转换模块（6），将电压V₁由模拟信号转换为数字信号，当电压V₁以数字信号方式传输到温度计算模块（7）后，温度计算模块（7）根据公式

计算出热敏电阻的阻值R₀，并通过预先存储在温度计算模块（7）中的热敏电阻阻值与温度对应关系计算出被测量锂电池的温度；

当采用恒流源及电压检测电路（5-2）时，温度测量电路（1）的第一端口和第二端口分别连接恒流源及电压检测电路（5-2）的两个端口，恒流源及电压检测电路（5-2）对外提供恒定电流I，同时测量自身两个端口之间电压V，并将电压V传送至模数转换模块（6），温度计算模块（7）根据公式R₀=V/I计算出R₀，并通过预先存储在温度计算模块（7）中的热敏电阻阻值与温度对应关系计算出被测量锂电池的温度；

所述温度开关（9）的动作温度与锂电池工作上限温度一致，当温度低于锂电池上限温度，即温度开关的动作温度时，温度开关（9）导通；当温度超过锂电池上限温度，即温度开关的动作温度后，温度开关（9）处于断开状态。

2.如权利要求1所述的组合式锂电池温度检测电路，其特征是，在导通状态下，温度开关（9）的阻值小于50mΩ。

3.如权利要求1所述的组合式锂电池温度检测电路，其特征是，所述温度开关（9）采用双金属片作为感温元件，当温度处在温度开关正常工作范围之内时，双金属片处于自由状态，触点处于闭合导通状态；当温度升高至设定的动作温度值时，双金属片受热产生内应力而迅速动作，打开触点，切断电路；当温度降回到所述动作温度时，触点会自动闭合，恢复正常导通状态。

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