CN103368217B - 应用于锂离子电池及锂离子电池组的充电管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于锂离子电池及锂离子电池组的充电管理系统，其包括外部电源、单节锂离子电池或锂离子电池组和串联在两者之间的智能充电管理电路，该电路包括Buck-Boost模块、检压检流模块、电源检测模块、电芯电压和温度检测告警模块、逻辑控制模块、反馈模块和充电电流设置模块。通过本发明提供的充电管理系统，能够设置充电电流最大值；当外部电源在一定电压范围内时，能够实现限压恒流充电；在充电过程的前期，可进行大电流恒流充电；当接近充满时，可自动逐级减小充电电流设置值进行小电流限压恒流浮充；也实现了输入低压、输入高压、电芯过压、充电过流和电池过温保护。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池及锂离子电池组的智能管理系统，特别涉及其中的充电控制系统。
背景技术
传统的备用电源是铅酸电池，但是铅酸电池能量密度低、体积大、循环寿命短、维护成本高，被锂离子电池取代已成为一种趋势。然而，锂离子电池取代铅酸电池需要一个过程，目前电源系统所输出的充电电压能够使铅酸电池充满电，但是可能不足以使锂离子电池充满电。为了兼容铅酸电池，提高适应较宽充电电压范围的能力，克服锂离子电池不耐受过充和过温的缺点，延长使用寿命，确保锂离子电池得到安全高效的应用，锂离子电池备用电源需要一个智能的充电管理系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种应用于锂离子电池及锂离子电池组的智能充电管理系统，其可以智能地管理锂离子电池或锂离子电池组的充电过程。
本发明的应用于锂离子电池及锂离子电池组的充电管理系统包括单节锂离子电池或锂离子电池组和外部电源，其还包括串联在所述外部电源和锂离子电池或锂离子电池组之间的智能充电管理电路，该充电管理电路进一步包括有：具有电压和电流控制环的负反馈闭环控制单元，其与所述的外部电源和锂离子电池或锂离子电池组相连接，用以恒流限压充电；电源输入低压和高压保护电路，其与所述的外部电源和负反馈闭环控制单元相连接，用以电源的输入低压和输入高压保护；以及电芯过压、充电过流和电池过温保护电路，其与所述锂离子电池或锂离子电池组和负反馈闭环控制单元相连接，用以锂电池的电芯过压、电池过温和充电过流保护。
作为本发明的较佳实施方式，所述的具有电压和电流控制环的负反馈闭环控制单元进一步包括有充电电流设置模块、反馈模块、Buck-Boost模块和检压检流模块。
作为本发明的较佳实施方式，所述的充电电流设置模块与所述单节锂离子电池或锂离子电池组相连接，其接收来自该锂离子电池或锂离子电池组的电池总压信号并为所述负反馈闭环控制单元提供当前充电电流的预设值，其用以在充电过程前期，进行大电流恒流充电的电流最大值的设置，而当接近充满时，根据单节锂离子电池或锂离子电池组的总电压，自动逐级减小充电电流设置值，进行小电流限压恒流浮充。
作为本发明的较佳实施方式，所述的检压检流模块与所述单节锂离子电池或锂离子电池组相连接，其用以实时检测充电电流和电压并向所述反馈模块提供当前实际的充电电压值和充电电流值，当实际的充电电压值高于锂离子电池能够承受的总压值时，所述反馈模块即向所述Buck-Boost模块输出反馈信号并使得Buck-Boost模块调节输出电压以实现限压充电；同时，其还判断充电电流的告警状态，实时输出充电电压和充电电流的模拟信号以及充电电流告警状态信号。
作为本发明的较佳实施方式，所述的反馈模块同时与所述充电电流设置模块、检压检流模块和Buck-Boost模块相连接，其用以接收并处理所述充电电流设置模块的当前充电电流的预设值以及所述检压检流模块的当前实际的充电电压值和充电电流值，并向所述Buck-Boost模块输出反馈信号使得Buck-Boost模块调节输出电压以实现恒流充电。
作为本发明的较佳实施方式，所述的电源输入低压和高压保护电路进一步包括电源检测模块，其并联于外部电源正负极之间，由输入低压检测电路和输入高压检测电路并联而成。
作为本发明的较佳实施方式，所述的输入低压检测电路和输入高压检测电路分别包括有电阻分压器和电压跟随器，所述的电阻分压器对外部电源进行分压后，输入到所述电压跟随器同相输入端，其输出信号接到所述的Buck-Boost模块相应的保护信号输入接口，即输入低压检测电路的电压跟随器输出信号接到输入低压保护信号输入接口，输入高压检测电路的电压跟随器输出信号接到输入高压保护信号输入接口，从而实现输入低压保护、输入高压保护。
作为本发明的较佳实施方式，所述的电芯过压、充电过流和电池过温保护电路包括依次串联的电芯电压和温度检测告警模块和逻辑控制模块。
作为本发明的较佳实施方式，所述的电芯电压和温度检测告警模块与所述单节锂离子电池或锂离子电池组相连接，其实时监测充电过程中的锂离子电池及锂离子电池组中单节电芯电压和电池温度，判断电芯电压和电池温度的告警状态，并向所述逻辑控制模块输出电芯电压告警状态信号和电池温度告警状态信号。
作为本发明的较佳实施方式，所述的逻辑控制模块与所述Buck-Boost模块通过使能接口相连接，其用以接收来自所述检压检流模块输出的充电电流告警状态信号以及所述电芯电压和温度检测告警模块输出的电芯电压告警状态信号和电池温度告警状态信号，并对所述信号进行“逻辑与”。当所述的充电电流告警状态信号显示为告警时，所述的逻辑控制模块立即锁存充电电流告警状态信号，一段时间后自动解除锁存，所述的锁存时间可以根据实际应用需要或系统默认值设置。当“逻辑与”的结果显示有告警发生，所述的使能接口立即关闭所述Buck-Boost模块；当告警解除后，“逻辑与”的结果显示为正常，所述的使能接口立即打开所述Buck-Boost模块。从而实现电芯过压、充电过流和电池过温保护。
本发明的智能充电管理电路在以下告警监测状态都满足时才可以正常充电：
① 外部电源电压高于输入低压告警门限，低于输入高压告警门限；
② 电芯电压低于电芯过压告警门限；
③ 充电电流小于充电过流告警门限；
④ 电池温度处于设定范围内。
作为本发明的较佳实施方式，所述的逻辑控制模块还用以锁存来自所述检压检流模块输出的充电电流告警状态信号；当所述的充电电流告警状态信号显示为告警时，所述的逻辑控制模块立即锁存充电电流告警状态信号，待预设的锁存时间结束后自动解除锁存，所述的锁存时间可以根据实际应用需要或系统默认值设置。
作为本发明的较佳实施方式，所述的充电电流设置模块为分立器件组成的硬件电路、数模转换器件DAC、专用集成电路ASIC、单片机或嵌入式处理器。
作为本发明的较佳实施方式，所述的电源检测模块、逻辑控制模块、Buck-Boost模块和反馈模块为分立器件组成的硬件电路、可编程逻辑器件CPLD、现场可编程门阵列FPGA、专用集成电路ASIC、单片机或嵌入式处理器。
作为本发明的较佳实施方式，所述的检压检流模块与电芯电压和温度检测告警模块为分立器件组成的硬件电路、模数转换器件ADC、可编程逻辑器件CPLD、现场可编程门阵列FPGA、专用集成电路ASIC、单片机或嵌入式处理器。
本发明的技术效果在于，可设置充电电流最大值；当外部电源在一定电压范围内，或高于或低于当前单节锂离子电池或锂离子电池组的总电压时，都能够实现限压恒流充电功能；在充电过程的前期，可进行大电流恒流充电；当接近充满时，可自动逐级减小充电电流设置值，进行小电流限压恒流浮充。
本发明的技术效果还在于，提供了输入低压、输入高压、电芯过压、充电过流和电池过温保护。
附图说明
图1是本发明较佳实施方式的应用于锂离子电池及锂离子电池组的充电管理系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和较佳实施方式对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明的应用于锂离子电池及锂离子电池组的充电管理装置包含外部电源、锂离子电池或锂离子电池组以及串联于它们之间的智能充电管理电路，该电路包括Buck-Boost（即“升降压”）模块、检压检流模块、反馈模块、充电电流设置模块、电源检测模块、电芯电压和温度检测告警模块和逻辑控制模块。
其中，所述的Buck-Boost模块、检压检流模块、反馈模块和充电电流设置模块组成了一个具有电压和电流控制环的负反馈闭环控制单元。通过充电电流设置模块可得到当前充电电流的预设值，通过检压检流模块可得到当前实际的充电电压和充电电流值。这三个信号被送到反馈模块进行处理，并输出反馈信号、调节Buck-Boost模块的输出电压，进而改变充电电流，使其向着预设值靠近，从而实现恒流充电。
当检压检流模块得到的当前实际的充电电压高于锂离子电池所能够承受的总压值（即预设值），那么，反馈模块输出的反馈信号将调节Buck-Boost模块，以降低其输出电压，从而实现限压充电。
所述的充电电流设置模块，用于设置在充电过程前期，进行大电流恒流充电的电流最大值。当接近充满时，根据单节锂离子电池或锂离子电池组的总电压，自动逐级减小充电电流设置值，进行小电流限压恒流浮充。
本发明的充电管理装置还包括有两个保护电路，即电源输入低压和高压保护电路以及通过Buck-Boost模块使能端实现的电芯过压、充电过流和电池过温保护电路。
（1）电源输入电压和高压保护电路
所述的电源检测模块并联于外部电源正负极之间，由输入低压检测电路和输入高压检测电路并联而成，所述的电路均包括电阻分压器和电压跟随器。所述的电阻分压器对外部电源进行分压后，输入到所述电压跟随器同相输入端，其输出信号接到所述的Buck-Boost模块相应的保护信号输入接口，即输入低压检测电路的电压跟随器输出信号接到输入低压保护信号输入接口，输入高压检测电路的电压跟随器输出信号接到输入高压保护信号输入接口，从而实现电源输入低压保护、输入高压保护。
（2）电芯过压、充电过流和电池过温保护电路
所述的电芯电压和温度检测告警模块实时监测充电过程中的锂离子电池及锂离子电池组中单节电芯电压和电池温度，判断电芯电压和电池温度的告警状态，并输出电芯电压告警状态信号和电池温度告警状态信号。
所述的逻辑控制模块包含三个输入信号，分别是检压检流模块输出的充电电流告警状态信号，与电芯电压和温度检测告警模块输出的电芯电压告警状态信号和电池温度告警状态信号。当充电电流告警状态信号显示为告警时，逻辑控制模块立即锁存充电电流告警状态信号，一段时间后自动解除锁存，锁存时间可以根据实际应用需要或系统默认值设置。
所述的三个信号进行“逻辑与”以后，去控制Buck-Boost模块的使能接口。只要一个告警状态信号显示有告警发生，将立即通过所述的使能接口关闭Buck-Boost模块，从而实现电芯过压、充电过流和电池过温保护。
所述的智能充电管理电路在以下告警监测状态都满足时，才可以正常充电：① 外部电源电压高于输入低压告警门限，低于输入高压告警门限；② 电芯电压低于电芯过压告警门限；③ 充电电流小于充电过流告警门限；④ 电池温度处于设定范围内。
以上所述，仅为本发明较佳的一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换、删减或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种应用于锂离子电池及锂离子电池组的充电管理系统，其包括单节锂离子电池或锂离子电池组和外部电源，其特征在于，还包括串联在所述外部电源和锂离子电池或锂离子电池组之间的智能充电管理电路，该充电管理电路进一步包括有：
具有电压和电流控制环的负反馈闭环控制单元，其与所述的外部电源和锂离子电池或锂离子电池组相连接，用以恒流限压充电；所述的具有电压和电流控制环的负反馈闭环控制单元进一步包括充电电流设置模块、反馈模块、Buck-Boost模块和检压检流模块；
电源输入低压和高压保护电路，其与所述的外部电源和具有电压和电流控制环的负反馈闭环控制单元相连接，用以电源的输入低压和输入高压保护；
电芯过压、充电过流和电池过温保护电路，其与所述锂离子电池或锂离子电池组和具有电压和电流控制环的负反馈闭环控制单元相连接，用以锂电池的电芯过压、电池过温和充电过流保护；
其中，所述的电芯过压、充电过流和电池过温保护电路包括依次串联的电芯电压和温度检测告警模块以及逻辑控制模块；
所述的逻辑控制模块与所述Buck-Boost模块通过使能接口相连接，所述的逻辑控制模块用以接收来自所述检压检流模块输出的充电电流告警状态信号以及所述电芯电压和温度检测告警模块输出的电芯电压告警状态信号和电池温度告警状态信号，并对上述充电电流告警状态信号、电芯电压告警状态信号以及电池温度告警状态信号进行“逻辑与”，当“逻辑与”的结果显示有告警发生，所述的使能接口立即关闭所述Buck-Boost模块；当告警解除后，“逻辑与”的结果显示为正常，所述的使能接口立即打开所述Buck-Boost模块。
2.根据权利要求1所述的应用于锂离子电池及锂离子电池组的充电管理系统，其特征在于，所述的充电电流设置模块与所述单节锂离子电池或锂离子电池组相连接，其接收来自该锂离子电池或锂离子电池组的电池总压信号并为所述的具有电压和电流控制环的负反馈闭环控制单元提供当前充电电流的预设值，其用以在充电过程前期，进行大电流恒流充电的电流最大值的设置，而当接近充满时，根据单节锂离子电池或锂离子电池组的总电压，自动逐级减小充电电流设置值，进行小电流限压恒流浮充。
3.根据权利要求1所述的应用于锂离子电池及锂离子电池组的充电管理系统，其特征在于，所述的检压检流模块与所述单节锂离子电池或锂离子电池组相连接，其用以实时检测充电电流和电压并向所述反馈模块提供当前实际的充电电压值和充电电流值；当实际的充电电压值高于锂离子电池能够承受的总压值时，所述反馈模块即向所述Buck-Boost模块输出反馈信号并使得Buck-Boost模块调节输出电压以实现限压充电；同时，其还判断充电电流的告警状态，实时输出充电电压和充电电流的模拟信号以及充电电流告警状态信号。
4.根据权利要求1所述的应用于锂离子电池及锂离子电池组的充电管理系统，其特征在于，所述的反馈模块同时与所述充电电流设置模块、检压检流模块和Buck-Boost模块相连接，其用以接收并处理所述充电电流设置模块的当前充电电流的预设值以及所述检压检流模块的当前实际的充电电压值和充电电流值，并向所述Buck-Boost模块输出反馈信号使得Buck-Boost模块调节输出电压以实现恒流充电。
5.根据权利要求1所述的应用于锂离子电池及锂离子电池组的充电管理系统，其特征在于，所述的电源输入低压和高压保护电路进一步包括电源检测模块，所述电源检测模块并联于外部电源正负极之间，由输入低压检测电路和输入高压检测电路并联而成。
6.根据权利要求5所述的应用于锂离子电池及锂离子电池组的充电管理系统，其特征在于，所述的输入低压检测电路和输入高压检测电路都包括有电阻分压器和电压跟随器，所述的电阻分压器对外部电源进行分压后，输入到所述电压跟随器同相输入端，其输出信号接到所述的Buck-Boost模块相应的保护信号输入接口，即输入低压检测电路的电压跟随器输出信号接到输入低压保护信号输入接口，输入高压检测电路的电压跟随器输出信号接到输入高压保护信号输入接口。
7.根据权利要求1所述的应用于锂离子电池及锂离子电池组的充电管理系统，其特征在于，所述的电芯电压和温度检测告警模块与所述单节锂离子电池或锂离子电池组相连接，其实时监测充电过程中的锂离子电池及锂离子电池组中单节电芯电压和电池温度，判断电芯电压和电池温度的告警状态，并向所述逻辑控制模块输出电芯电压告警状态信号和电池温度告警状态信号。
8.根据权利要求1所述的应用于锂离子电池及锂离子电池组的充电管理系统，其特征在于，所述的逻辑控制模块还用以锁存来自所述检压检流模块输出的充电电流告警状态信号；当所述的充电电流告警状态信号显示为告警时，所述的逻辑控制模块立即锁存充电电流告警状态信号，待预设的锁存时间结束后自动解除锁存，所述的锁存时间可以根据实际应用需要或系统默认值设置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 201203 Shanghai City, Pudong New Area China Zuchongzhi Road (Shanghai) Free Trade Zone No. 73 Lane 887 Patentee after: Shanghai ZTE energy Polytron Technologies Inc Address before: 201203 Shanghai city Pudong New Area Zuchongzhi Road No. 73 Lane 887 Patentee before: Zhongxing (Shanghai) Pylon Technology Co., Ltd. |
|
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 201203 Pudong New Area, Shanghai, China (Shanghai) free trade trial area, 887 Lane 73, Chong Chong Road. Patentee after: Shanghai PON energy Polytron Technologies Inc Address before: 201203 Pudong New Area, Shanghai, China (Shanghai) free trade trial area, 887 Lane 73, Chong Chong Road. Patentee before: Shanghai ZTE energy Polytron Technologies Inc |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Charging management system applied to lithium ion battery and lithium ion battery pack Effective date of registration: 20190531 Granted publication date: 20150617 Pledgee: Pudong Shanghai technology financing Company limited by guarantee Pledgor: Shanghai PON energy Polytron Technologies Inc Registration number: 2019310000031 |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20200521 Granted publication date: 20150617 Pledgee: Pudong Shanghai technology financing Company limited by guarantee Pledgor: PYLON TECHNOLOGIES Co.,Ltd. Registration number: 2019310000031 |