CN104578307B - 一种容错锂离子电池组的结构及故障检测方法 - Google Patents

一种容错锂离子电池组的结构及故障检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104578307B
CN104578307B CN201510033438.4A CN201510033438A CN104578307B CN 104578307 B CN104578307 B CN 104578307B CN 201510033438 A CN201510033438 A CN 201510033438A CN 104578307 B CN104578307 B CN 104578307B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fault
lithium
ion battery
tolerant
mosfet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510033438.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104578307A (zh
Inventor
徐德鸿
刘光远
施科研
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN201510033438.4A priority Critical patent/CN104578307B/zh
Publication of CN104578307A publication Critical patent/CN104578307A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104578307B publication Critical patent/CN104578307B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0031—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using battery or load disconnect circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/40—Testing power supplies
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/18—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for batteries; for accumulators

Abstract

本发明公开了一种容错锂离子电池组的结构及故障检测方法。本发明中，通过在锂离子电池组中加入MOSFET开关，实现锂离子电池组中故障锂离子电池单体的隔离。通过检测锂离子电池单体串联的MOSFET漏源电压信号，获取锂离子电池单体的电流值，并进行故障的诊断，通过切换电池单体串联的MOSFET开关，实现故障电池单体的隔离。本发明使锂离子电池组中故障锂离子电池单体的快速检测和隔离，提高了锂离子电池组的安全性和可靠性。

Description

一种容错锂离子电池组的结构及故障检测方法
技术领域
本发明属于电池管理技术领域，涉及容错锂离子电池组。
背景技术
由于锂离子电池具有高能量密度、高循环次数、无记忆效应等优点，被广泛应用于众多场合。锂离子电池单体输出电压低、电流小，为了获得更高等级的电压和电流，通常将锂离子电池串并联成组使用。在锂离子电池组中，当一个锂离子电池单体发生短路或断路故障时，将会导致整个锂离子电池组不能正常工作，甚至导致火灾等事故，对使用者的人身安全和财产安全带来威胁。
为了提高锂离子电池组的安全性和可靠性，需要将锂离子电池组中故障的锂离子电池单体隔离。由于锂离子电池组有充电和放电两种工作状态，则流经锂离子电池单体的电流是双向的，所以在隔离锂离子电池单体时需要阻断双向的电流通路。在现有技术中，将每节锂离子电池单体和两个方向相对的MOSFET串联起来，以实现阻断双向电流通路的目的，这一技术方案需要两倍于锂离子电池单体数量的MOSFET，增加了锂离子电池组的成本和体积；也有只使用一个MOSFET的技术方案，但这种方案并不能对发生短路故障的锂离子电池单体进行有效隔离。
为了实现对故障锂离子电池的检测，通常在每节锂离子电池单体所在支路串入电流测量IC，而这种技术方案会增加主电路的复杂度并且带来额外的损耗。
发明内容
本发明的目的在于以更少的开关器件实现锂离子电池组的容错功能，且以更低的损耗和复杂度实现锂离子电池单体的故障检测。
本发明采用的技术方案是：
一种容错锂离子电池组的结构，包括锂离子电池单体和金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，其特征在于，第一锂离子电池单体和第一MOSFET按照第一锂离子电池负极和第一MOSFET漏极相连接的方式串联，组成第一容错单元；第一容错单元，第二容错单元直至第n容错单元并联组成第一并联容错锂离子电池组；第一并联容错锂离子电池组，第二并联容错锂离子电池组直至第m并联容错锂离子电池组串联组成容错锂离子电池组；当第一锂离子电池单体发生短路故障后，第一MOSFET被关断，第一MOSFET的体二极管因承受来自第二容错单元至第n容错单元的反向电压而截止，因此双向电流通路均被阻断，故障电池单体被有效隔离。
针对上述的容错锂离子电池组的故障检测方法，是将锂离子电池单体串联的MOSFET漏源电压信号进行线性放大，然后采集放大后的电压信号，再根据MOSFET的导通电阻值，得到流经每个电池单体的电流值，计算可得电池单体的平均电流值，根据平均电流值设置相应的电池单体短路、断路故障的阈值电流，之后将锂离子电池单体电流值和短路、断路故障阈值电流进行对比，从而进行故障的诊断，再通过切换电池单体串联的MOSFET开关，实现故障电池单体的隔离。
本发明的有益效果如下：
本发明提出的容错锂离子电池组的结构，能够对发生短路或断路故障的锂离子电池单体进行有效隔离，相对每个锂离子电池单体串联两个MOSFET的技术方案，本发明减少了MOSFET的数量，从而减小了锂离子电池组的成本和体积。而本发明提出的故障检测方法，相对传统的在主电流通路串入电流测量IC的方案，复杂度更低，损耗更小。
附图说明
图1为本发明所提出的容错锂离子电池组的结构图。
图2为本发明所提出的容错锂离子电池组的故障检测示意图。
图3为本发明实施例的隔离短路故障锂离子电池单体的实验波形。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提出的容错锂离子电池组的结构，如图1所示。第一锂离子电池单体1111和第一MOSFET 1112按照第一锂离子电池1111负极和第一MOSFET 1112漏极相连接的方式串联，组成第一容错单元1110；第一容错单元1110，第二容错单元1120直至第n容错单元1130并联组成第一并联容错锂离子电池组1100；第一并联容错锂离子电池组1100，第二并联容错锂离子电池组1200直至第m并联容错锂离子电池组1300串联组成容错锂离子电池组1000。
本发明提出的容错锂离子电池组的故障检测方法，如图2所示。在检测锂离子电池单体的故障情况时，先将串联MOSFET导通时的漏源电压信号u ds11至u dsmn线性放大，然后采集放大后的电压信号，再根据MOSFET的导通电阻值R dson，得到流经电池单体的电流值i d11至i dmn，计算可得电池单体平均电流值i dave。以容错单元1110为例，当锂离子电池单体1111发生短路故障时，容错单元1120至11n0会对短路锂离子电池单体1111进行大电流放电，因此故障锂离子电池单体1111上流过的电流会远大于平均电流值；当锂离子电池单体1111发生断路故障时，故障锂离子电池单体1111上流过的电流会远小于平均电流值。按照上述分析，可以依据平均电流值i dave设置适当的短路故障阈值电流i sc，断路故障阈值电流i oc，之后将锂离子电池单体电流值和故障阈值电流进行对比，当电池单体电流值大于短路故障阈值电流i sc时，判断电池单体发生短路故障，当电池单体电流值小于断路故障阈值电流i oc时，判断电池单体发生断路故障，再输出MOSFET的控制信号S gs11至S gsmn，再通过驱动电路得到驱动电压V gs11至V gsmn控制MOSFET开关状态。
图3所示的是容错锂离子电池组在带纯阻性负载时，当锂离子电池单体1111发生短路故障时的电压电流波形图。此容错锂离子电池组由7个并联容错锂离子电池组串联而成，而每个并联容错锂离子电池组又由2个容错单元并联组成，i d11为流经锂离子电池单体1111的电流波形，V gs11是MOSFET 1112的门极驱动电压波形，u o 是容错锂离子电池组的输出电压波形。
由图3所示的波形可见，采用本发明提出的容错锂离子电池组结构及其故障检测方法，当一个锂离子电池单体在t 1 时刻发生短路故障后，流经此电池单体的电流迅速增大，之后故障情况被准确检测出来，然后在t 2 时刻同一支路上的MOSFET被关断，门极电压开始下降，在t 3 时刻流经故障锂离子电池的电流降为零，故障锂离子电池单体被有效隔离，整个过程中输出电压基本不变。
综上，本发明提出的容错锂离子电池组的结构可以对短路或断路故障的锂离子电池进行有效隔离，并且相对现有技术方案具有更低的成本和体积。本发明中提出的容错锂离子电池组的故障检测方法可以快速准确地检测出故障锂离子电池单体，并且相对传统方法具有更低的复杂度和损耗。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1. 一种容错锂离子电池组的结构，包括锂离子电池单体和金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，其特征在于：第一锂离子电池单体（1111）和第一MOSFET（1112）按照第一锂离子电池（1111）负极和第一MOSFET （1112）漏极相连接的方式串联，组成第一容错单元（1110）；第一容错单元（1110），第二容错单元（1120）直至第n容错单元（1130）并联组成第一并联容错锂离子电池组（1100）；第一并联容错锂离子电池组（1100），第二并联容错锂离子电池组（1200）直至第m并联容错锂离子电池组（1300）串联组成容错锂离子电池组（1000）；
当某一锂离子电池单体发生短路故障后，与其相连的MOSFET被关断， MOSFET的体二极管因承受来自其它并联容错单元的反向电压而截止，由于双向电流通路均被阻断，因此发生故障的锂离子电池单体被有效隔离。
2.一种如权利要求1所述容错锂离子电池组的结构的电池组故障检测方法，其特征在于：在对锂离子电池单体的故障情况进行检测时，将锂离子电池单体串联的MOSFET导通时的漏源电压信号进行线性放大，然后采集放大后的电压信号，根据MOSFET的导通电阻值，得到流经每个锂离子电池单体的电流值，计算锂离子电池单体的平均电流值，根据平均电流值设置相应的电池单体短路、断路故障的阈值电流，之后将锂离子电池单体电流值和故障阈值电流进行对比，从而进行故障的诊断，再通过切换锂离子电池单体串联的MOSFET开关，实现故障电池单体的隔离。
CN201510033438.4A 2015-01-23 2015-01-23 一种容错锂离子电池组的结构及故障检测方法 Active CN104578307B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510033438.4A CN104578307B (zh) 2015-01-23 2015-01-23 一种容错锂离子电池组的结构及故障检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510033438.4A CN104578307B (zh) 2015-01-23 2015-01-23 一种容错锂离子电池组的结构及故障检测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104578307A CN104578307A (zh) 2015-04-29
CN104578307B true CN104578307B (zh) 2017-01-18

Family

ID=53093756

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510033438.4A Active CN104578307B (zh) 2015-01-23 2015-01-23 一种容错锂离子电池组的结构及故障检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104578307B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3985403A4 (en) * 2019-11-13 2022-08-10 LG Energy Solution, Ltd. APPARATUS AND METHOD FOR DIAGNOSING A MALFUNCTION OF THE SWITCHING UNIT INCLUDED IN A MULTIPLE BATTERY PACK

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107046308A (zh) * 2017-03-03 2017-08-15 歌尔股份有限公司 一种充电保护电路及电子设备

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012145897A1 (zh) * 2011-04-27 2012-11-01 海能达通信股份有限公司 一种电池保护装置及保护方法
CN103972990A (zh) * 2014-04-08 2014-08-06 江苏博强新能源科技有限公司 磷酸铁锂电池储能系统
JP5652562B1 (ja) * 2013-09-19 2015-01-14 株式会社豊田自動織機 Ｍｏｓｆｅｔスイッチ素子の異常診断装置及び方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012145897A1 (zh) * 2011-04-27 2012-11-01 海能达通信股份有限公司 一种电池保护装置及保护方法
JP5652562B1 (ja) * 2013-09-19 2015-01-14 株式会社豊田自動織機 Ｍｏｓｆｅｔスイッチ素子の異常診断装置及び方法
CN103972990A (zh) * 2014-04-08 2014-08-06 江苏博强新能源科技有限公司 磷酸铁锂电池储能系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3985403A4 (en) * 2019-11-13 2022-08-10 LG Energy Solution, Ltd. APPARATUS AND METHOD FOR DIAGNOSING A MALFUNCTION OF THE SWITCHING UNIT INCLUDED IN A MULTIPLE BATTERY PACK
US11815556B2 (en) 2019-11-13 2023-11-14 Lg Energy Solution, Ltd. Apparatus and method for diagnosing failure of switch unit included in multi battery pack

Also Published As

Publication number Publication date
CN104578307A (zh) 2015-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103618298B (zh) 一种高压直流断路器
KR101367860B1 (ko) 조전지 및 조전지의 제어 장치
CN102832651A (zh) 用于电池包的电池管理系统及方法
CN207819809U (zh) 一种可识别继电器粘连故障的电机控制器电路系统
CN204928285U (zh) 并联电池组的控制装置及电动车
CN201629586U (zh) 一种电池均衡充电装置
CN106655145A (zh) 一种电池母线电压反接保护电路
CN105098933A (zh) 一种电池单体采集检测装置
CN104578307B (zh) 一种容错锂离子电池组的结构及故障检测方法
CN107040021A (zh) 一种电池模组串联管理电路
CN205959879U (zh) 直流接触器内置预充电电路
CN107394851B (zh) 充电器输出端短路快速保护电路及蓄电池充电器
CN105896627B (zh) 一种基于电池组自重构的系统及其智能控制方法
CN107768195A (zh) 直流接触器内置预充电电路及其控制方法
CN204103553U (zh) 具有场效应管击穿检测的电池管理系统
CN108899972A (zh) 一种充电器的充电控制电路及其控制方法
CN209001614U (zh) 一种充电器的充电控制电路
CN201918713U (zh) 一种太阳能充电控制器的防反接保护电路
CN206293882U (zh) 电机控制器中igbt驱动模块短路检测保护电路
CN204794046U (zh) 聚合物电池保护板电路
CN208596953U (zh) 基于电池组h桥串联结构的三相电机逆变驱动控制电路
CN207098691U (zh) 动力电池系统及其均衡电路和电动汽车
CN204144922U (zh) 电池保护电路
CN206564455U (zh) 一种电子式直流断路器
CN215415616U (zh) 非隔离储能直流充电桩用绝缘检测装置

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