CN105098729B - 一种智能锂电池保护装置及其控制方法 - Google Patents

一种智能锂电池保护装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能锂电池保护装置及其控制方法,本发明通过使用锂电池保护装置对电池电芯进行检测,将检测结果存储在锂电池保护装置中,在空闲时间,使用带有蓝牙、或wifi的手机将锂电池保护装置中的所有检测数据上传至手机端,手机端使用APP软件既可以分析数据从而将锂电池的当前健康状态,放电曲线以及使用过程中各种故障信息都能很清晰的看到。如果想更换锂电池,可以将当前的电池信息上传至云空间,厂家根据云空间里的数据可以联系就近的代理商,更换锂电池。从而降低了用户因使用电池不当而引起的火灾,爆炸等危险的可能性,大大提高了整车安全使用水平。

Description

一种智能锂电池保护装置及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及锂电池领域,尤其涉及一种智能锂电池保护装置及其控制方法。
背景技术
[0002] 锂电池的开发已经有十几年的历史,随着锂电池的技术工艺不断完善以及国家对 新能源的开发鼓励,锂电池应用也越来越广,例如:手机电池、充电宝、电动自行车、电动轿 车、电动大巴、医疗设备或各种数码产品等等。
[0003] 锂电池的各种应用给人们生活带来便捷服务,同时也突显了锂电池安全性的问 题。锂电池在使用过程中发生的爆炸,自燃,等事故也越来越频繁。所以锂电池的保护管理 以及检测就显得尤为重要。
[0004] 发明人在实现本发明的过程中发现现有技术至少存在有以下缺点和不足:
[0005] 目前的锂电池保护板不能客观的反映出锂电池具体健康状态;无法通过便携式手 持设备进行人机交互做到对锂电池的检测;没有系统的后台支持,无法对锂电池进行整体 测试。
发明内容
[0006] 本发明提供了一种智能锂电池保护装置及其控制方法,本发明降低了锂电池在使 用过程中发生火灾爆炸的可能性,同时提高了锂电池在使用过程中的安全性,详见下文描 述:
[0007] 一种智能锂电池保护装置,所述保护装置连接组装好的锂电池,所述保护装置包 括:微处理器、模拟前端电路、均衡电路、以及M0S驱动电路,
[0008] 所述微处理器读取所述模拟前端电路采集到的信息进行分析,根据单组电池的电 压判断单组电池的过充与过放实现电压保护;根据整组锂电池的温度信息判断整组锂电池 的过高温与过低温实现温度保护;根据整组锂电池的电流信息判断是否发生短路、过流或 过载实现电流保护;
[0009] 所述微处理器根据保护状态来控制所述M0S驱动电路的打开与关闭;
[0010] 当充电时,如果单组电池的电压之间的电压差大于设定值,所述微处理器将打开 相应的所述均衡电路对电压高的单组电池进行放电,使单组电池的电压差在设定值之内。
[0011] 所述保护装置还包括:数据存储器,所述数据存储器用于记录信息、发生时间。
[0012] 所述保护装置还包括:天线,所述天线用于将信息传输至外接的终端设备。
[0013] 所述终端设备具体为:手持终端设备或PC机。
[0014] 所述均衡电路包括:若干串均衡电路单元,每串均衡电路单元的电路结构相同,均 由电容、电阻和均衡三极管组成。
[0015] 所述均衡电路单元包括:第一电阻,所述第一电阻的一端连接第一串单组电池的 负极,所述第一串单组电池的正极连接第四电阻的一端;所述第一串单组电池的负极连接 第三电阻的一端;第三电阻的另一端连接均衡三极管的集电极;
[0016]所述均衡三极管的基极连接第二电阻的一端;
[0017]所述第二电阻的另一端、所述第四电阻的另一端均连接第一电容的一端,所述第 一电容的另一端连接所述第一电阻的另一端;所述第四电阻的另一端、所述第一电阻的另 一端分别连接所述模拟前端电路的电源引脚。
[0018] 所述MOS驱动电路包括:两组MOS管,每组MOS管分别连接2个保护电容,一个关断电 阻,其中一组MOS管还连接保险丝。
[0019] —种用于智能锂电池保护装置的控制方法,所述控制方法包括以下步骤:
[0020]外接的终端设备通过蓝牙技术、wifi技术,或者红外技术获取所述智能锂电池保 护装置采集到的锂电池数据;
[0021]外接的终端设备对锂电池数据进行分析处理,拟合充放电曲线或计算锂电池容 量;
[0022]用户通过外接的终端设备判断锂电池的健康程度。
[0023] —种用于智能锂电池保护装置的控制方法,所述控制方法包括以下步骤:
[0024]外接的终端设备通过蓝牙技术、Wifi技术,或者红外技术获取所述智能锂电池保 护装置采集到的锂电池数据;
[0025]外接的终端设备通过云技术将锂电池数据上传到云空间;
[0026]后台人员对云空间内的锂电池数据进行分析,并给出分析结果。
[0027]本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明能够为多串锂电池组提供完善的保 护,可以对电压、电流、温度等锂电池参数进行精准的在线测量,能够对各种故障进行检测 报警并做相关处理工作,该装置具有黑匣子功能,能够实时记录事件发生的时间和代码数 据;并且本发明使用库仑计电量计算技术(S卩,在计算锂电池整租电池容量的时候,微处理 器通过电流在时间上积分,得到准确的充入电量与放出电量这种动态的算法),通过计算和 补偿,可以实现电量的动态准确估算;该装置具有均衡功能,通过独有的均衡机制,保证和 延长电芯的可用容量。本发明通过不同的通讯接口,如UART、LIN、CAN、Energbus、Bluetooth 等,可以与控制器、伩表、手机App、PC以及其他系统单元进行通信,实现电池组信息的实时 监控和其他特殊控制功能的需求。
附图说明
[0028]图1为智能锂电池保护装置的电路结构图;
[0029]图2为均衡电路的电路结构图;
[0030] 图3为M0S驱动电路的电路结构图;
[0031]图4为智能锂电池保护装置的控制方法的流程图;
[0032]图5为基于云技术交互的交互示意图;
[0033]图6为锂电池信息栏界面的示意图;
[0034]图7为直方图页面的示意图;
[0035] 图8为曲线图页面的示意图;
[0036]图9为日志页面的示意图;
[0037]图10为智能锂电池保护装置的控制方法的另一流程图。
[0038]附图中,各标号所代表的部件列表如下:
[0039] 1:微处理器; 2:模拟前端电路;
[0040] 3:均衡电路; 4:M0S驱动电路;
[0041] 5:数据存储器; 6:天线;
[0042] 7:时间电路; 8:终端设备;
[0043] A:保护装置; B:锂电池;
[0044] C:单组电池。
具体实施方式
[0045]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0046] 实施例1
[0047] 一种智能锂电池保护装置,参见图1和图5,该保护装置A连接组装好的锂电池B (该 锂电池由多个单组电池C组成);该保护装置包括:微处理器1、模拟前端电路2、均衡电路3、 M0S驱动电路4、数据存储器5、天线6、以及时间电路(RTC) 7。
[0048] 模拟前端电路2采集锂电池B的总电压、单组电压、温度、电流信息(该些信息总称 为数据信息)。微处理器1读取模拟前端电路2采集到的数据信息进行分析,根据电池的单组 电压判断电池的过充与过放实现电压保护;根据电池的温度信息判断电池的过高温与过低 温实现温度保护;根据电池的电流信息判断是否发生短路,过流,过载实现电流保护。
[0049] 微处理器1根据保护状态来控制M0S驱动电路4的打开与关闭。当充电时,如果电池 的单组电压之间的电压差大于设定值,则微处理器1将打开相应的均衡电路3对电压高的单 组电池进行放电,使单组电池的电压差在设定值之内。
[0050] 在装置运行中会发生电压保护、电流保护、温度保护和复位等情况,微处理器1对 M0S驱动电路4做出相应处理时还会将当前发生的情况信息记录到数据存储器5中,记录包 括事件发生的时间,其中,时间是由微处理器1从时间电路7读取得到的。微处理器1通过天 线6将数据信息传输给外接终端设备8。
[0051]具体实现时,微处理器1可以内置蓝牙功能,与外接终端设备8 (智能手机或PC机 等,本发明实施例对此不做限制)进行数据交互,例如:当智能手机需要电池参数时,智能手 机给智能锂电池保护装置发送通信指令,微处理器1通过天线6接收到通信指令后,通过蓝 牙技术,将所有的数据上传至智能手机。
[0052] 其中,微处理器1可以采用型号为CC2541的微处理器;模拟前端电路2中的主电路 可以采用型号为BQ76930的芯片。具体实现时,还可以采用其他型号的器件,本发明实施例 对此不作限制。
[0053]参见图2,为了获取更好的保护效果,本发明实施例还对均衡电路3进行了设计,该 均衡电路3包括:若干串均衡电路单元,每串均衡电路单元的电路结构相同,均由电容、电阻 和均衡三极管组成,本发明实施例以10串均衡电路单元为例进行说明,具体实现时,本发明 实施例对此不作限制。
[0054]下面以第一串均衡电路单元为例进行详细描述,该第一串均衡电路单元包括:第 一电阻R2,第一电阻R2的一端连接第一串电池的负极,第一串电池的正极连接第四电阻R5 的一端;第三电阻R4的另一端连接均衡三极管Q1的集电极,第一串电池的负极连接第三电 阻的R4—_;均衡二极官Q1的基极连接第二电阻R3的一端;第二电阻R3的另一端、第四电阻 R5的另一端均连接第一电容C1的一端,第一电容C1的另一端连接第一电阻!^2的另一端;第 四电阻R5的另一端、第一电阻R2的另一端分别连接模拟前端电路的电源引脚(g卩,连接U丄, U1的型号为BQ76930,第四电阻R5的另一端连接VC01引脚,第一电阻R2的另一端连接VCOO引 脚;U1的除电源以外的其余引脚接线如下:28脚、29脚接电流采集端的⑶R+⑶R-; 1脚DSG和2 脚CHG接图3的DSG和CHG; 3脚VSS接AGND; 4脚和5脚是11C的接口接微处理器CC2541的IIC接 口; 8脚和9脚是BQ76930内部的LDO输出和输入给微处理器(X2541供电;13脚是一个温度传 感器的测试脚,用来测试整组电池的环境温度;15脚是接最高串的电池组正极)。
[0055]其中,不需要均衡时,两个引脚(vc〇〇引脚、VC01引脚)输入阻抗很高,此处可以看 做为断开状态,此时均衡三极管Q1不导通,那么该均衡电路单元不会有电流流过。
[0056]当第一串电池需要均衡时,那么微处理器CC2541内部决策程序,使能第一串均衡 电路单元,模拟前端电路芯片(BQ76930)的引脚VCOO和VC01内部旁路电阻RcOl开启,则第四 电阻R5、旁路电阻RcOl、第一电阻R2三个电阻串联到电池的正负极,因为旁路电阻此01电阻 比第四电阻R5和第一电阻R2的电阻值要小,可以近似认为第四电阻R5与第一电阻R2两个电 阻串联在电池两端,此时均衡三极管Q1通过第二电阻R3连接到第四电阻R5和第一电阻R2中 间,均衡三极管Q1的控制脚电压为电池的一半电压,均衡三极管Q1导通,第三电阻R4通过均 衡三极管Q1连接到电池的两端,充电时一部分电流通过第三电阻R4流走,这样电量多的电 池就能够少充电,实现了电池的均衡。
[0057]参见图3,为了获取更好的保护效果,本发明实施例还对M0S驱动电路4进行了设 计,该M0S驱动电路4包括:两组M0S管,每组M0S管分别连接2个保护电容,一个关断电阻,即, 第一组M0S管(Q23、Q25并联连接)连接第一保护电容C42、第二保护电容C43、第一关断电阻 R86;第二组M0S管(QM、Q26并联连接)连接第三保护电容C44、第四保护电容C45、第二关断 电阻R87。第二组M0S管还连接保险丝F1。 _8]本发明实施例还对图3中的其余器件、引线进行如下说明:DSG为放电M0S控制口; CHG为充电M0S控制口;⑶R+:为差分电流采集正⑶R-:差分电流采集负;(M :充电口负极;P— 1:放电口负极(分别与BQ76930的1脚、2脚、28脚和29脚连接)。1?84、1?85、1?88和1?89作为电流 的采样电阻,主要用于采集电流。
[0059]其中,由于BMS的充电回路和放电回路采用的是同口低端控制(g卩,充电放电为同 一个端口,微处理器cc2541通过IIC跟BQ7693〇进行通讯,然后BQ76930根据指令控制1脚和2 脚,即放电口和充电口),M0S管存在单向可控性,充电和放电时电流是两个不同的方向,所 以需要两组M0S管共同作用才能够完全切断电源主回路,每组M0S管有两个并联使用的M0S 管,这样可以增加主回路的过电流能力,M0S管控制脚单独增加了关断电阻R86和R87,如果 控制电路与M0S管失去连接时M0S管会处于关断状态。另外M0S管增加了保护电容C42-C45, 该保护电容就像玻璃板外面粘接了一层泡沫,如果外部突然有尖峰脉冲干扰,该保护电容 能够进行吸收,防止M0S管损伤。保险丝F1为一个温度电流双保护保险,它在电路板上与M0S 管紧密接触,M0S管损坏有三种,第一种为断开,这时本身就形成了保护;第二种为半断开, 这时如果有电流流过时会急速发热,如果不把电流断开就有可能引起燃烧,当温度超过1〇〇 度时,保险丝F1会进行保护动作,断开电流;第三种完全导通,这时BMS将无法对电流进行保 护,通过保险丝F1的电流保护作用,实现电流的第二道保护防线。
[0060]本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外,其他器件的型号不做限制, 只要能完成上述功能的器件均可。
[0061]综上所述,本发明实施例通过上述的智能锂电池保护装置降低了锂电池在使用过 程中发生火灾爆炸的可能性,同时提高了锂电池在使用过程中的安全性。
[0062] 实施例2
[0063] —种智能锂电池保护装置的控制方法,参见图4和图5,该控制方法包括以下步骤: [0064] 101:外接的终端设备通过蓝牙技术,wifi技术,或者红外技术获取智能锂电池保 护装置采集到的锂电池数据;
[0065] 1〇2:外接的终端设备对锂电池数据进行分析处理,拟合充放电曲线或计算锂电池 容量;
[0066] g卩,将抽象的锂电池数据参数转变为比较形象的图像数据进行显示。
[0067] 103:用户可以通过外接的终端设备判断锂电池的健康程度。
[0068]参见图6,具体实现时,在智能手机(外接的终端设备)的锂电池信息栏界面中,可 以明确的看到相关的图形数据,包括:锂电池电量、剩余容量、满充容量、出厂容量、锂电池 温度等跟锂电池密切相关的数据。
[0069]参见图7,在直方图的页面中,可以清晰的看到每一串锂电池的状态,相对比较平 稳的锂电池健康程度都是符合要求的,相对落差比较大的电池健康程度已经接近损坏,需 要及时更换。
[0070]参见图8,在曲线图页面中,可以看到每一串锂电池放电曲线,锂电池越差放电越 快,充电也越快;而锂电池相对平稳的,充放电也就比较平稳。
[0071 ]参见图9,在日志页面中,可以读取从电池出厂到最新时间内的所有电池事件,事 件包括,每次充放电的时间,充放电的容量,过压欠压保护,高温保护,等一系列的保护时 间。
[0072]因此,当锂电池健康程度越来越差时,保护事件也就越来越多,直方图和放电曲线 也有相应的报警指示,可以提醒用户及时更换锂电池。
[0073]综上所述,本发明实施例通过上述的步骤101—步骤103可以及时的获取到锂电池 的相关信息,同时提高了锂电池在使用过程中的安全性。
[0074] 实施例3
[0075] —种智能锂电池保护装置的控制方法,参见图5和图i 〇,该控制方法包括以下步 骤:
[0076] 2〇1:外接的终端设备通过蓝牙技术,wifi技术,或者红外技术获取智能锂电池保 护装置采集到的锂电池数据;
[0077] 202:外接的终端设备通过云技术将锂电池数据上传到云空间;
[0078] 203:后台人员对云空间内的锂电池数据进行分析,并给出分析结果。
[0079]其中,该分析结果包括:锂电池的使用建议,以及详细的使用报告,并通知用户当 前锂电池状态是否需要更换,如果需要更换,后台人员会通知用户就近的代理商,将锂电池 进行更换。
[00S0]综上所述,本发明实施例通过上述的步骤201-步骤203可以及时的获取到锂电池 的相关信息,同时提高了锂电池在使用过程中的安全性。 LUUBi」I视现忟不人臾可以理解附图只是一个优选实施例的示意图,上述本发明实施例 序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
[0082]以上所述仅为本发明的较佳实施例,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、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1. 一种智能锂电池保护装置,所述保护装置连接组装好的锂电池,其特征在于,所述保 护装置包括:微处理器、模拟前端电路、均衡电路、以及MOS驱动电路, 所述微处理器读取所述模拟前端电路采集到的信息进行分析,根据单组电池的电压判 断单组电池的过充与过放实现电压保护;根据整组锂电池的温度信息判断整组锂电池的过 高温与过低温实现温度保护;根据整组锂电池的电流信息判断是否发生短路、过流或过载 实现电流保护; 所述微处理器根据保护状态来控制所述MOS驱动电路的打开与关闭; 当充电时,如果单组电池的电压之间的电压差大于设定值,所述微处理器将打开相应 的所述均衡电路对电压高的单组电池进行放电,使单组电池的电压差在设定值之内; 所述均衡电路包括:若干串均衡电路单元,每串均衡电路单元的电路结构相同,均由电 容、电阻和均衡三极管组成; 所述均衡电路单元包括:第一电阻, 所述第一电阻的一端连接第一串单组电池的负极,所述第一串单组电池的正极连接第 四电阻的一端; 所述第一串单组电池的负极连接第三电阻的一端;第三电阻的另一端连接均衡三极管 的集电极; 所述均衡三极管的基极连接第二电阻的一端;所述第二电阻的另一端、所述第四电阻 的另一端均连接第一电容的一端,所述第一电容的另一端连接所述第一电阻的另一端;所 述第四电阻的另一端、所述第一电阻的另一端分别连接所述模拟前端电路的电源引脚。
2. 根据权利要求1所述的一种智能锂电池保护装置,其特征在于,所述保护装置还包 括:数据存储器,所述数据存储器用于记录信息、发生时间。
3. 根据权利要求1所述的一种智能锂电池保护装置,其特征在于,所述保护装置还包 括:天线,所述天线用于将信息传输至外接的终端设备。
4. 根据权利要求3所述的一种智能锂电池保护装置,其特征在于,所述终端设备具体 为:手持终端设备或PC机。
5. 根据权利要求1所述的一种智能锂电池保护装置,其特征在于,所述MOS驱动电路包 括:两组MOS管,每组MOS管分别连接2个保护电容,一个关断电阻,其中一组MOS管还连接保 险丝。
6.—种用于权利要求1-5中任一权利要求所述的智能锂电池保护装置的控制方法,其 特征在于,所述控制方法包括以下步骤: 外接的终端设备通过蓝牙技术、wifi技术,或者红外技术获取所述智能锂电池保护装 置采集到的锂电池数据; 外接的终端设备对锂电池数据进行分析处理,拟合充放电曲线或计算锂电池容量; 用户通过外接的终端设备判断锂电池的健康程度。
7.—种用于权利要求1-5中任一权利要求所述的智能锂电池保护装置的控制方法,其 特征在于,所述控制方法包括以下步骤: 外接的终端设备通过蓝牙技术、wifi技术,或者红外技术获取所述智能锂电池保护装 置采集到的锂电池数据; 外接的终端设备通过云技术将锂电池数据上传到云空间; 后台人员对云空间内的锂电池数据进行分析,并给出分析结果。
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