CN103715737B - 一种锂电池充放电管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池充放电管理系统，包括第一开关、第一开关驱动模块、充电模块、锂电池监控单元、电流检测模块、总电压检测模块、微控制器、锂电池组、第二开关驱动模块、第二开关和电源模块；微控制器与锂电池监控单元、电流检测模块、总电压检测模块、第一开关驱动模块、充电模块以及第二开关驱动模块相连接，接收锂电池监控单元、电流检测模块和总电压检测模块发送的信号，并对这些信号进行分析处理，同时将处理后的控制信号发送给第一开关驱动模块、充电模块和第二开关驱动模块，从而对锂电池充放电进行控制管理。本发明通过实时检测电池组的电压、电流、温度，从而防止车载电池的过充、过放、过温及过流等现象，将电池使用的安全隐患降到最低。

Description

一种锂电池充放电管理系统

技术领域

本发明涉及一种电动自行车用动力电池系统的管理系统领域，具体涉及一种锂电池充放电管理系统。

背景技术

随着锂电池性能的逐渐提高，其作为动力电源应用于电动汽车、混合动力汽车已非常广泛。一般动力电源都需要比较高的电压，几节甚至十几节才可以作为动力电池使用。在多节电池串联使用的情况下，基于每节单体锂电池的内部特性的不一致，会影响整个系统的供电能力，一节单体电池性能发生变化的话，比如出现电压过充、电压过放、充放电电流过大甚至是短路等现象，会影响整组电池的性能，导致整组电池使用寿命缩短或者损害，严重时甚至会发生着火、爆炸等危险事件。为使锂电池组能够最大程度地发挥其优越性能、保证其使用的安全性以及延长使用寿命，人们研究设计了电池管理系统。

目前电池管理系统广泛应用于电动汽车、混合动力汽车等大型车载电池上，但电动自行车领域，考虑到其成本及人们的消费水平，其车载电池尚未安装电池管理系统，这对于铅酸电池及镍氢电池来说还可以，但随着锂电池电动自行车的普及，针对锂电池的特殊性，充放电不当如过充、过放、过温、过流等将损坏电池，造成锂电池的不可修复，严重时还会发生安全事故。在电动自行车的使用过程中，需要实时检测电池组的电压、电流、温度，防止车载电池的过充、过放、过温及过流等现象，实现对锂电池组的保护，并有效防止各种安全隐患的发生，因此电池管理系统应该发展成为锂电池电动自行车的一部分，是锂电池电动车的安全保障。

在现有技术中，关于电动自行车锂电池充放电管理系统仍存在以下几方面的缺陷：

为解决各个单体锂电池充放电不一致，必须在系统中增加均衡模块，但电动自行车内部空间有限，而现有均衡模块体积庞大模块复杂。不利于实际应用。

对锂电池的系统使用时的安全性能检测处理不够完善，应实时检测电池组的电压、电流、温度，防止车载电池的过充、过放、过温及过流等现象，将电池使用的安全隐患降到最低。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种锂电池充放电管理系统，实时监控锂电池的状态参数，并根据状态参数进行过充保护、过放保护以及单体锂电池间的不均衡控制等，从而提高锂电池系统的性能和安全。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种锂电池充放电管理系统，包括第一开关(101)、第一开关驱动模块(102)、充电模块(103)、锂电池监控单元(104)、电流检测模块(105)、总电压检测模块(106)、微控制器(107)、锂电池组(108)、第二开关驱动模块(109)、第二开关(110)和电源模块(111)；

所述电源模块(111)与市电连接，其为系统各个模块提供供电；

所述第一开关(101)控制市电输入与充电模块(103)之间的连接或断开，其输入端与市电连接，其输出端与充电模块(103)连接；

所述第一开关驱动模块(102)与所述第一开关(101)连接，控制所述第一开关(101)的导通或闭合；

所述第二开关(110)控制锂电池组(108)与负载的连接或断开，其输入端与锂电池组(108)连接，其输出端与负载连接；

所述第二开关驱动模块(109)与所述第二开关(110)连接，控制所述第二开关(110)的导通或闭合；

所述充电模块(103)与锂电池组(108)连接，控制所述锂电池组(108)的充电；

所述锂电池组(108)由N个单体锂电池串联组成；

所述锂电池监控单元(104)由N个独立的单体监控模块组成，任一个单体监控模块监控与其相连接的一个单体锂电池的性能参数；

所述单体监控模块至少包括电压采样模块(201)、温度采样模块(202)和过压均衡模块(203)；所述电压采样模块(201)检测单体锂电池的电压值；所述温度采样模块(202)检测单体锂电池的温度值；所述过压均衡模块(203)用于将多余的能量消耗掉，当单体锂电池电压高于预设电压值时，自动开启过压均衡模块消耗多余的能量；

所述电流检测模块(105)与锂电池组(108)相连接，检测充放电时锂电池组(108)的工作电流；

所述总电压检测模块(106)与锂电池组(108)相连接，检测充放电时锂电池组(108)的工作电压；

所述微控制器(107)为本锂电池充放电管理系统的核心，它与锂电池监控单元(104)、电流检测模块(105)、总电压检测模块(106)、第一开关驱动模块(102)、充电模块(103)以及第二开关驱动模块(109)相连接；所述微控制器(107)接收锂电池监控单元(104)、电流检测模块(105)和总电压检测模块(106)发送的信号，并对这些信号进行分析处理，同时将处理后的控制信号发送给第一开关驱动模块(102)、充电模块(103)和第二开关驱动模块(109)，从而对锂电池充放电进行控制管理；

所述微控制器(107)根据所述锂电池监控单元(104)、所述电流检测模块(105)和所述总电压检测模块(106)所采集的信号进行锂电池剩余容量估算，并以此锂电池剩余容量为基准对锂电池充放电进行控制管理；当电动车启动前，采用开路电压法估算锂电池剩余容量；当电动车启动后，采用安时法估算锂电池剩余容量；

所述过压均衡模块(203)包括三端可调稳压器U1、第一三极管Q1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一电容C1以及第二电容C2，其中，

三端可调稳压器U1的1脚与第五电阻R5的一端和第七电阻R7的一端连接；第五电阻R5的另一端与第一电阻R1的一端连接；第一电阻R1的另一端与第一电容C1的一端、第二电阻R2的一端以及第一三极管Q1的发射极连接；

三端可调稳压器U1的2脚与第二电阻R2的另一端和第四电阻R4的一端连接；第四电阻R4的另一端与第一三极管Q1的基极连接；

三端可调稳压器U1的3脚与第七电阻R7的另一端、第一电容C1的另一端、第二二极管D2的阴极、第二电容C2的一端以及第六电阻R6的一端连接；第二二极管D2的阳极与第二电容C2的另一端和第三电阻R3的一端连接；第三电阻R3的另一端与第一三极管Q1的集电极和第一二极管D1的阳极连接；第一二极管D1的阴极与第六电阻R6的另一端连接。

优选地，所述微控制器发送控制信号给充电模块选择充电模式。

优选地，在充电过程中，当所述微控制器检测到某一个单体锂电池处于过压状态时，发出控制信号给所述充电模块，使其以一定的恒定电流对所述锂电池组充电。

优选地，至少有一个单体监控模块包括电压采样模块，所述锂电池监控单元还包括多路选择开关，所述多路选择开关与锂电池组、电压采样模块和微控制器连接，所述微控制器发送控制信号给多路选择开关选择一路导通，使一个单体锂电池与电压采样模块相连接。

通过采用以上技术方案，本发明的有益效果是：

(1)通过在系统中增加过压均衡模块，解决了各个单体锂电池充放电不一致，同时过压均衡模块体积较小，有利于实际应用。

(2)通过实时检测电池组的电压、电流、温度，防止车载电池的过充、过放、过温及过流等现象，将电池使用的安全隐患降到最低。

附图说明

图1是本发明实施例锂电池充放电管理系统的原理框图。

图2是本发明实施例的锂电池在不同环境温度下SOC放电曲线的示意图。

图3是本发明实施例锂电池静态时开路电压与SOC关系曲线示意图。

图4是本发明实施例锂电池充电模式及充电曲线的示意图。

图5是本发明实施例锂电池充放电管理系统中单体监控模块的原理框图。

图6是本发明实施例锂电池充放电管理系统的过压均衡模块的原理图。

图7是本发明实施例锂电池充放电管理系统中锂电池监控单元的原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参见图1，所示为本发明实施例的锂电池充放电管理系统的原理框图。本实施例的锂电池充放电管理系统100包括包括第一开关101、第一开关驱动模块102、充电模块103、锂电池监控单元104、电流检测模块105、总电压检测模块106、微控制器107、锂电池组108、第二开关驱动模块109、第二开关110和电源模块111；

电源模块111与市电连接，其为系统各个模块提供供电；

第一开关101控制市电输入与充电模块103之间的连接或断开，其输入端与市电连接，其输出端与充电模块103连接；

第一开关驱动模块102与第一开关101连接，驱动第一开关101的导通或闭合；

第二开关110控制锂电池组108与负载的连接或断开，其输入端与锂电池组108连接，其输出端与负载连接；

第二开关驱动模块109与第二开关110连接，驱动第二开关110的导通或闭合；

充电模块103与锂电池组108相连接，对锂电池组108进行充电；

锂电池组108由N个单体锂电池串联组成，分别为单体锂电池1、单体锂电池2、单体锂电池3......和单体锂电池N；

锂电池监控单元104至少由N个独立的单体监控模块组成，即由单体监控模块1、单体监控模块2、单体监控模块3......和单体监控模块N组成，任一个单体监控模块监控与其相连接的一个单体锂电池的性能参数；

单体监控模块至少包括电压采样模块201、温度采样模块202和过压均衡模块203，电压采样模块201检测单体锂电池的电压值；温度采样模块202检测单体锂电池的温度值；过压均衡模块203的均衡方式采用电阻耗能的方式，当单体锂电池电压高于预设电压值时，自动开启过压均衡模块消耗多余的能量；

电流检测模块105与锂电池组108相连接，检测充放电时锂电池组108的工作电流；

总电压检测模块106与锂电池组108相连接，检测充放电时锂电池组108的工作电压；

微控制器107为本锂电池充放电管理系统的核心，它与锂电池监控单元104、电流检测模块105、总电压检测模块106、第一开关驱动模块102、充电模块103以及第二开关驱动模块109相连接；

微控制器107接收锂电池监控单元104、电流检测模块105和总电压检测模块106发送的信号，并对这些信号进行分析处理，同时将处理后的信号发送给第一开关驱动模块102、充电模块103和第二开关驱动模块109，从而对锂电池充放电进行控制管理。

在锂电池充放电管理系统中，主要检测锂电池的总电压值、电流值、各个单体锂电池的电压值和单体锂电池的温度值，微控制器107根据这些信号对锂电池充放电开关以及充电模式进行控制管理。

在动力电池的使用过程中，锂电池放电是一个非线性的动态过程，受到温度、充放电次数及电池老化等诸多因素的影响，只有精确估计出锂电池剩余容量(SOC)的情况下，才能实现对锂电池的充放电控制管理。参见图2，所示为本发明实施例的锂电池在不同环境温度下SOC放电曲线，锂电池以0.2C放电倍率完全放电在0℃、20℃和40℃下的SOC曲线图，从图中可以看出，电池温度对SOC的影响很大，本设计所采用电池的充电温度为0至45℃，放电温度为-20至60℃。

因此，在对锂电池SOC的估算中，首先根据单体锂电池的温度值，选择相对应的SOC放电曲线，分别估算出每一个单体锂电池的SOC，再计算出锂电池组的SOC。

当锂电池处于静态，即锂电池没有放电时，采用开路电压法估算电池SOC。参见图3，所示为锂电池静态时开路电压与SOC关系曲线示意图，电池的开路电压与电池的SOC间存在一定的对应关系，通过试验方法测得不同放电电流情况下电池端电压与电池SOC的关系曲线，记录为数据表格存储下来。这样通过实时采样电池放电时的端电压，查表即可求得当前时刻电池的SOC。使用该方法时，锂电池组需要静置一段时间，所以无法检测动态检测开路电压，故此方法无法用于动态电池的SOC估算。

动态SOC估算采用安时法，安时法是通过不停检测电流并进行积分来计算电池吸收或释放的电量，计算公式如式(1)，式中：t0是测量初始时间；t1为测量结束时间；Q0为电池容量；Qt0为测量初始时刻电量；η为充放电效率；i为充放电电流。

$SOC=(Q_{t0}-\underset{t_0}{\overset{t_1}{\∫}}\mathrm{\η}idt)/Q_0---\left(1\right)$

安时法计算简便，但还存在很大缺陷。例如电流测量精度不高将导致积分误差增加，使得SOC值的准确度降低，因此本系统对电流测量精度要求很高。

以下详细介绍下，本系统SOC估算的方法。在电动车启动前，用开路电压法计算电池初始时刻的SOC0。因锂电池在其性能稳定的时候其开路电压与SOC存在着很明显的线性关系，且受温度、电池老化等因素影响较小，故可用公式(2)直接计算得到剩余电量的初始值SOC0，式中Uk为开路电压，a、b为估计系数，a为电池充满电时的开路电压，b为电池充分放完电后的开路电压。

SOC₀＝(U_k-b)/(a-b)(2)

在电动车启动后，用安时积分法计算电池的剩余容量，CB为电池以标定的电流iB为恒流放电所具有的容量；如公式(3)所示：

SOC＝SOC₀-Q_B/C_B(3)

式中 $Q_B=\underset{t_0}{\overset{t_1}{\∫}}{\mathrm{Ki}}_{B}dt---\left(4\right)$

且K＝K1*K2为电流补偿系数，K1为温度补偿系数，K2是锂离子电池以标准电流iB在标准温度下进行放电所放出的电量QB与其他不同的放电电流i在标准温度下放电所放出的电量Q之比，即K₂＝Q_B/Q,K2的值可以通过试验求得。

K1是通过常用公式(5)即对温度进行补偿的公式确定的，其中，标准温度用TB表示，设定温度用T表示。

K₁＝1+0.008(T_B-T)(5)

K2值的确定如下，由派克特(peukert)公式知，电池放电的剩余容量与电池组的放电电流的关系如式(6)所示。

SOC＝K×i^1-n(6)

只要初始条件相同，K和n是相同的，因此有式(7)，从而可以用几组SOC、i来求出K2。其值在1.15～1.42之间，该方程还说明放电电流越大，电池容量越小。

K₂＝C_B/C＝(i/i_B)^n-1(7)

将开路电压与安时法结合得到式(8)，该方法中需要测量的数据有：开路电压Uk、动态电流i及温度T。利用该公式可求得电池组的剩余电量。

$SOC={\mathrm{SOC}}_0-\left(\underset{t_0}{\overset{t_1}{\∫}}{\left(i/i_B\right)}^{1-n}{K}_{2}idt\right)/C_B---\left(8\right)$

参见图4，所示为本发明实施例锂电池充电模式及充电曲线的示意图，本系统对锂电池充电采用三段充电方法，即预充电、恒流充电和恒压充电。图中所示是锂电池充电过程中电压、电流等变化曲线。

电动自行车或者电动电瓶车中的锂电池工作在密封环境中，再加上锂离子电池本身的特殊性，充电过程不当极易发生爆炸等，不仅损坏电池，严重时还会造成安全事故，所以对锂电池要进行严格的充电控制，主要是控制充电电压和限定充电电流。

充电模块103具有至少三种充电模式，分别为预充电模式、恒流充电模式和恒压充电模式；微控制器107发送控制信号选择充电模块103的充电模式。根据锂电池组108的参数选择相应模式对锂电池组108进行充电；

预充电模式是以小电流先充到一定的电压，再进行快速充电。因锂离子电池具有较高的能量比，如果直接进行快速充电，会对电池产生损坏，所以设计了预充电过程，实际中采用的优选方案，在充电开始阶段，若锂电池电压小于标称电压的30％时，微控制器107向充电模块103控制命令，充电模块103进入预充电模式。

恒流充电模式中提供大的恒定电流对锂电池进行充电，从而使得充电速度加快，电池电压快速上升，实际中采用的优选方案，在充电过程中，当SOC大于30％但未达到80％时，微控制器107向充电模块103控制命令，充电模块103保持在恒流充电模式。

恒压充电模式中电流比较小，充电速度慢，当充电电流下降到规定值时，停止充电，实际中采用的优选方案，当SOC大于80％时，微控制器107向充电模块103控制命令，充电模块103进入恒压充电模式，当电流下降到10mA以下，微控制器107向充电模块103控制命令，充电模块103停止充电。

在各个单体锂电池之间的一致性差别不是太大的时候，采用以上方法基本上能实现对锂电池组的充电。但各个单体锂电池之间的一致性差别特别大的时候，比如当处于恒流充电模式的时候，其中一个单体锂电池已经处于过压状态了，此时虽然开启了过压均衡模块，但是本发明实施例过压均衡模块是采用功率电阻耗能的方式，在恒流充电模式下，充电电流很大，均衡模块无法消耗全部能量，会烧坏均衡模块或者因为过充电而造成单体锂电池的损坏。

为了解决上述技术问题，充电模块103还具有过压恒流充电模式，过压恒流充电模式是指当检测到某一个或者几个单体锂电池处于过压状态时，充电模块103以一定的恒定小电流对锂电池组108充电，一定的恒定小电流的大小与过压均衡模块的耗能电阻相适应。此充电模式下，已经处于过压状态下的单体锂电池，其充电能量足以被均衡模块消耗掉，避免了因为过充电而对单体锂电池造成损坏；其他单体锂电池仍然能以恒定小电流进行充电，单体锂电池之间的一致性能得到一定改善，从而整体上提升了锂电池的性能。

参如图6，所示为本发明实施例过压均衡模块的电路原理图，图中U1为并联型三端稳压管TL431，第一三极管是功率三极管S8550，第一二极管D1为发光二极管，第三电阻R3是功率电阻，主要用来消耗电能。一旦电池过充时，TL431便开通，S8550的发射PN结由于承受正压而打开，随即功耗电阻便开始消耗电池电能，直至把电池电压拖到均衡点，通过发光二极管的亮灭判断电池的均衡状态。通过调节第一电阻R1、第五电阻R5和第七电阻R7的阻值来设置均衡点。

锂电池监控单元104由N个单体监控模块组成，如果每个单体监控模块都采用一个电压采集模块，将会增加电路的复杂度，也会影响电压采样的一致性。

为了解决上述问题，参见图7，所示为本实施例锂电池充放电管理系统中锂电池监控单元的原理框图，至少有一个单体监控模块200包括电压采样模块201，锂电池监控单元104还包括多路选择开关112，多路选择开关112与锂电池组108、电压采样模块201和微控制器107连接，微控制器107发送控制信号给多路选择开关112选择一路导通，每一时刻电压采样模块201只采集一个单体锂电池的电压。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种锂电池充放电管理系统，其特征在于，包括第一开关(101)、第一开关驱动模块(102)、充电模块(103)、锂电池监控单元(104)、电流检测模块(105)、总电压检测模块(106)、微控制器(107)、锂电池组(108)、第二开关驱动模块(109)、第二开关(110)和电源模块(111)；

所述电源模块(111)与市电连接，其为系统各个模块提供供电；

所述第一开关(101)控制市电输入与充电模块(103)之间的连接或断开，其输入端与市电连接，其输出端与充电模块(103)连接；

所述第一开关驱动模块(102)与所述第一开关(101)连接，控制所述第一开关(101)的导通或闭合；

所述第二开关(110)控制锂电池组(108)与负载的连接或断开，其输入端与锂电池组(108)连接，其输出端与负载连接；

所述第二开关驱动模块(109)与所述第二开关(110)连接，控制所述第二开关(110)的导通或闭合；

所述充电模块(103)与锂电池组(108)连接，控制所述锂电池组(108)的充电；

所述锂电池组(108)由N个单体锂电池串联组成；

所述锂电池监控单元(104)由N个独立的单体监控模块组成，任一个单体监控模块监控与其相连接的一个单体锂电池的性能参数；

所述单体监控模块至少包括电压采样模块(201)、温度采样模块(202)和过压均衡模块(203)；所述电压采样模块(201)检测单体锂电池的电压值；所述温度采样模块(202)检测单体锂电池的温度值；所述过压均衡模块(203)用于将多余的能量消耗掉，当单体锂电池电压高于预设电压值时，自动开启过压均衡模块消耗多余的能量；

所述电流检测模块(105)与锂电池组(108)相连接，检测充放电时锂电池组(108)的工作电流；

所述总电压检测模块(106)与锂电池组(108)相连接，检测充放电时锂电池组(108)的工作电压；

所述微控制器(107)为本锂电池充放电管理系统的核心，它与锂电池监控单元(104)、电流检测模块(105)、总电压检测模块(106)、第一开关驱动模块(102)、充电模块(103)以及第二开关驱动模块(109)相连接；所述微控制器(107)接收锂电池监控单元(104)、电流检测模块(105)和总电压检测模块(106)发送的信号，并对这些信号进行分析处理，同时将处理后的控制信号发送给第一开关驱动模块(102)、充电模块(103)和第二开关驱动模块(109)，从而对锂电池充放电进行控制管理；

所述微控制器(107)根据所述锂电池监控单元(104)、所述电流检测模块(105)和所述总电压检测模块(106)所采集的信号进行锂电池剩余容量估算，并以此锂电池剩余容量为基准对锂电池充放电进行控制管理；当电动车启动前，采用开路电压法估算锂电池剩余容量；当电动车启动后，采用安时法估算锂电池剩余容量；

所述过压均衡模块(203)包括三端可调稳压器U1、第一三极管Q1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一电容C1以及第二电容C2，其中，

三端可调稳压器U1的1脚与第五电阻R5的一端和第七电阻R7的一端连接；第五电阻R5的另一端与第一电阻R1的一端连接；第一电阻R1的另一端与第一电容C1的一端、第二电阻R2的一端以及第一三极管Q1的发射极连接；

三端可调稳压器U1的2脚与第二电阻R2的另一端和第四电阻R4的一端连接；第四电阻R4的另一端与第一三极管Q1的基极连接；

三端可调稳压器U1的3脚与第七电阻R7的另一端、第一电容C1的另一端、第二二极管D2的阴极、第二电容C2的一端以及第六电阻R6的一端连接；第二二极管D2的阳极与第二电容C2的另一端和第三电阻R3的一端连接；第三电阻R3的另一端与第一三极管Q1的集电极和第一二极管D1的阳极连接；第一二极管D1的阴极与第六电阻R6的另一端连接；

所述微控制器(107)发送控制信号给充电模块(103)选择充电模式；

在充电过程中，当所述微控制器(107)检测到某一个单体锂电池处于过压状态时，发出控制信号给所述充电模块(103)，使其以一定的恒定电流对所述锂电池组(108)充电，所述一定的恒定小电流的大小与过压均衡模块的耗能电阻相适应。

2.根据权利要求1所述的锂电池充放电管理系统，其特征在于，至少有一个单体监控模块包括电压采样模块(201)，所述锂电池监控单元(104)还包括多路选择开关(112)，所述多路选择开关(112)与锂电池组(108)、电压采样模块(201)和微控制器(107)连接，所述微控制器(107)发送控制信号给多路选择开关(112)选择一路导通，使一个单体锂电池与电压采样模块(201)相连接。