CN105978094A - 一种锂离子电池模组均衡充电控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池模组均衡充电控制系统，包括均衡和温度控制电路板，电池管理系统电路板、均衡电阻膜片、散热片和电池模组外壳；均衡和温度控制电路板与电池管理系统电路板相连，并与每个锂离子软包单体电芯相连；电池管理系统电路板安装在电池模组的端头，其通过接插件与外部系统进行数据通信，其通过内部通信总线与电池模组的安全保护电路相连；均衡电阻膜片通过信号线与均衡和温度控制电路板相连，并与散热片紧密相连；散热片布置于长方体电池模组两个较宽的面中的一个面；电池模组外壳与散热片紧密相连。本发明实现了锂离子电池模组均衡充电控制功能，提高电池模组使用效率，延长电池模组循环寿命。

Description

一种锂离子电池模组均衡充电控制系统

技术领域

本发明涉及锂离子电池模组均衡充电控制的技术领域，尤其是指一种锂离子电池模组均衡充电控制系统。

背景技术

电动车辆、储能系统等动力电池组一般是由多个单体电池串联组成。由于电池组中众多单体电池之间存在制造工艺、材质、使用环境、接线方式等差异，单个电池之间存在容量、端电压和内阻的不一致在所难免；由于各个单体动力电池在使用中的安放位置不同，导致温度等使用环境不同，使电池组各单体电池之间的老化和衰减出现差导；在电池组的应用中容量少的单体电池可能会使整个电池组提前终止放电，而容量多的单体电池可能会使整个电池组提前终止充电。上述三种情况，在不断的充放电循环中，使电池组各单体电池之间容量差不断积累和恶化。如使用一般充电方式直接为电池组进行整体充电，必然导致单个电池之间容量不一致性的加剧，降低电池组的整体使用效率，甚至出现个别电池的过电压充放电，严重影响电池组的安全和使用寿命。

根据上述原因，在锂离子串联电池组使用过程中，一般要求在充放电过程中对电池组进行均衡充电，电池串联数量越多，均衡充电的要求越高，难度也越大。目前针对串联锂离子电池组的充电均衡方法主要有以下几种：

1、能量耗散式均衡方法。在串联电池组的各单体电池上并联一个均衡电阻，以达到能量分流的作用。当某个单体电池首先充满时，均衡装置通过均衡电阻释放热能，中止该单体电池的充电，继续对尚未充满的电池充电。该方法简单容易实现，但会产生较大热量，需要采用风扇等装置对其冷却，对应用环境提出了很高的要求。

2、能量转移式均衡方法。常用的有电容法和电感法，利用电容或电感等储能元件将能量进行传递，实现电池之间的电量转移，达到均衡的目的。优点是结构简单、体积可以做的很小。缺点是需要大量的开关器件、均衡电流小，需要的时间也较长；同时由于锂离子电池充放电曲线斜率太小，在电压平台区能量转移式均衡几乎没有什么作用；又因电池在能量转移中，势必形成充电或放电态势，导致名电池之间不停地实行能量转移，在车辆长时间停放过程中可能造成电池组过放，势必影响电池循环寿命。

3、能量转换式均衡方法。常用的有线圈能量转换法，利用变压器实现高压电池与低压电池之间或单体电池与电池组之间的能量转换，具有较佳的均衡效率。缺点是结构复杂，体积较大，成本相对较高，目前这种方法的技术和产品未见有实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种锂离子电池模组均衡充电控制系统，可实现电池模组在充电的后期均衡充电控制，从而减少电池由于串并联导致的不一致性，同时利用物理方法散热，可实现电池模组与电池管理系统的防水、防尘的全封闭要求，提高电池模组使用效率，延长电池模组循环寿命。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种锂离子电池模组均衡充电控制系统，包括均衡和温度控制电路板，电池管理系统电路板、均衡电阻膜片、散热片和电池模组外壳；所述均衡和温度控制电路板通过内部通信总线与电池管理系统电路板相连，其通过信号采集线与每个锂离子软包单体电芯相连用于均衡电流流过；所述电池管理系统电路板安装在电池模组的端头，其通过接插件与外部系统进行数据通信，其通过内部通信总线与电池模组的安全保护电路相连，用于控制安全保护电路动作在极端情况下实施保护，其通过内部通信总线与电池模组的均衡电路相连，用于控制均衡电路开启和关闭，其通过信号采集线与每个锂离子软包单体电芯正负极相连，用于读取单体电芯的电压数据，其通过信号采集线与电池模组的温度传感器相连，用于读取电池模组的温度状态信息，其通过信号采集线与电池模组的电流传感器相连，用于读取电池模组的充放电电流信息；所述均衡电阻膜片通过信号线与均衡和温度控制电路板相连，受均衡和温度控制电路控制，并与散热片紧密相连，以确保均衡控制开启时产生的热量能够快速通过散热片导出；所述散热片布置于长方体电池模组两个较宽的面中的一个面，与电池模组的形变导热垫紧密相连，以使散热时加速热量的发散，也使电池间的温差更加均匀；所述电池模组外壳与散热片紧密相连，通过电池模组外壳与外界空气的接触热交换将电池模组内部热量迅速散出。

所述均衡和温度控制电路板包括均衡充电信号控制和驱动电路、均衡电阻膜片开关信号控制和驱动电路、均衡电阻膜片工作指示灯控制和驱动电路；所述均衡电阻膜片开关信号控制和驱动电路用于控制均衡电阻膜片开始或停止工作；所述均衡电阻膜片工作指示灯控制和驱动电路用于控制均衡电阻膜片工作指示灯正确指示均衡电阻膜片工作状态；电池模组中每个锂离子软包单体电芯对应一个均衡充电信号控制和驱动电路，用于控制启动和停止均衡充电。

所述电池管理系统电路板通过其电池状态采集芯片获取每个锂离子软包单体电芯的状态参数信息，而后经过其单片机运算后通过电池模组内部的通信总线输出均衡、温度控制信号至均衡和温度控制电路板；所述电池管理系统电路板通过电池模组外部的通信总线输出电池模组的电压、SOC、温度状态信息至其他与之通信的控制系统；当充电过程进行至末期时，电池管理系统电路板发出指令控制均衡和温度控制电路板启动均衡充电，当均衡充电完成时，电池管理系统电路板发出指令控制均衡和温度控制电路板停止均衡充电。

所述均衡电阻膜片由电阻丝印制于硅胶薄片上而成，每个锂离子软包单体电芯对应一条均衡电阻丝，互不干涉；每条电阻丝对应一条连接线与均衡和温度控制电路板上的均衡控制开关相连接，能够通过电池管理系统电路板控制电路导通或关断。

所述散热片和电池模组外壳由铝材制造，在电池模组外壳的一面拉出众多筋条，散热片将均衡电阻膜片产生的热量导向外壳，再由外壳向空间散发。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明实现了锂离子电池模组均衡充电控制功能。

2、本发明结构上简单、轻型、紧凑且满足车辆运行过程中防水、防尘、防震的要求，便于实际应用。

3、本发明采用电池管理系统电路板对电池模组统一进行管理，将电压、电流和温度等有效数据信息采集后进行集中运算管理，可实现电池模组智能化控制。

附图说明

图1为锂离子电池模组结构示意图。

图2为本发明的锂离子电池模组均衡充电控制系统示意图。

图3为本发明的锂离子电池模组均衡充电控制系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，锂离子电池模组包括电池模组外壳1，阻燃气囊2，塑料紧固件3，形变导热垫4，导热结构件5，锂离子软包单体电芯6，静电隔离垫7，硅胶垫8，均衡电阻膜片9，散热片10，温度传感器11，电压传感器12，均衡和温度控制电路板13，电子开关14、电池管理系统电路板15，电源输出端16。

具体的，本实施例的锂离子软包单体电芯6，可以为铝塑膜包装的液体锂离子电芯，或铝塑膜包装的固态锂离子电芯，或铝塑膜包装的凝胶态锂离子电芯；本实施例对此不进行限制。如图1所示，每一个锂离子软包单体电芯6都与一个导热结构件5贴紧且呈队列式摆放，该电池模组采用3并20串共60个软包单体电芯组成，再加上热平衡管理系统、均衡管理系统、安全保护系统、电池管理系统和外壳及接插件组成完整的电池模组。如图1所示，为成组后电池模组结构示意图。

如图2所示，本实施例所述的锂离子电池模组均衡充电控制系统，主要由均衡和温度控制电路板13，电池管理系统电路板15、均衡电阻膜片9、散热片10和电池模组外壳1构成。所述均衡和温度控制电路板13通过内部通信总线与电池管理系统电路板15相连，其通过信号采集线与每个锂离子软包单体电芯相连用于均衡电流流过；所述电池管理系统电路板15安装在电池模组的端头，其通过接插件与外部系统进行数据通信，其通过内部通信总线与电池模组的安全保护电路相连，用于控制安全保护电路动作在极端情况下实施保护，其通过内部通信总线与电池模组的均衡电路相连，用于控制均衡电路开启和关闭，其通过信号采集线与每个锂离子软包单体电芯正负极相连，用于读取单体电芯的电压数据，其通过信号采集线与电池模组的温度传感器相连，用于读取电池模组的温度状态信息，其通过信号采集线与电池模组的电流传感器相连，用于读取电池模组的充放电电流信息；所述均衡电阻膜片9通过信号线与均衡和温度控制电路板相连，受均衡和温度控制电路控制，并与散热片10紧密相连，以确保均衡控制开启时产生的热量能够快速通过散热片导出；所述散热片10布置于长方体电池模组两个较宽的面中的一个面，与电池模组的形变导热垫紧密相连，以使散热时加速热量的发散，也使电池间的温差更加均匀；所述电池模组外壳1与散热片10紧密相连，通过电池模组外壳1与外界空气的接触热交换将电池模组内部热量迅速散出。当充电过程进行到末期时，电池管理系统电路板通过电压、电流传感器采集到的信号信息，通过计算得到电池容量状态信息，当满足均衡充电开启条件时，电池管理系统电路板15发出指令信号控制均衡和温度控制电路板13上的均衡开关打开，启动均衡充电过程。当均衡开关打开后软包单体电芯将会和均衡电阻膜片9上的电阻导通，开始均衡充电。在对本实施例提供的一种锂离子电池模组均衡充电控制系统进行组装时，首先将每一个锂离子软包单体电芯6与导热结构件5贴紧，然后呈队列式摆放压紧；电池极耳利用电池极耳支架和压板进行定位，再用螺丝钉将电池极耳紧固在支架上；锂离子软包单体电芯6成组固定安装摆放好后，在电池组的四周贴上导热硅胶垫4，用以增强热传导；随后在电池组的左侧依此安装加热系统，在电池组的右侧安装均衡电阻膜片和散热系统，最后安装外壳和接插件。

所述均衡和温度控制电路板13包括均衡充电信号控制和驱动电路、均衡电阻膜片开关信号控制和驱动电路、均衡电阻膜片工作指示灯控制和驱动电路；所述均衡电阻膜片开关信号控制和驱动电路用于控制均衡电阻膜片开始或停止工作；所述均衡电阻膜片工作指示灯控制和驱动电路用于控制均衡电阻膜片工作指示灯正确指示均衡电阻膜片工作状态；电池模组中每个锂离子软包单体电芯对应一个均衡充电信号控制和驱动电路，用于控制启动和停止均衡充电。

所述电池管理系统电路板15通过其电池状态采集芯片获取每个锂离子软包单体电芯的状态参数信息，而后经过其单片机运算后通过电池模组内部的通信总线输出均衡、温度等控制信号至均衡和温度控制电路板13；所述电池管理系统电路板13通过电池模组外部的通信总线输出电池模组的电压、SOC、温度等状态信息至其他与之通信的控制系统；当充电过程进行至末期时，电池管理系统电路板发出指令控制均衡和温度控制电路板启动均衡充电，当均衡充电完成时，电池管理系统电路板发出指令控制均衡和温度控制电路板停止均衡充电。

所述均衡电阻膜片9由一系列的电阻丝印制于硅胶薄片上而组成，根据电池模组的设计，每个锂离子软包单体电芯对应一条均衡电阻丝，互不干涉；每条电阻丝对应一条连接线与均衡和温度控制电路板上的均衡控制开关相连接，能够通过电池管理系统电路板控制电路导通或关断。

所述散热片10和电池模组外壳1由铝材或导热性能优异的材料制造，在电池模组外壳1的一面拉出众多筋条，散热片10将均衡电阻膜片9产生的热量导向外壳，再由外壳向空间散发。

如图3所示的本实施例上述锂离子电池模组均衡充电控制系统的工作流程图，当系统启动工作时，电池管理系统电路板的软件先判断电池模组是否工作，或是否有人工手动停止行为，或是否安全保护，如无上述情况则需要判断当前电池模组工作状态是否为充电过程，如果是充电过程则进入均衡充电控制判断环节。首先由电池管理系统电路板检测当前电池模组内各软包单体电芯的电压值和各软包单体电芯的容量，并判断是否达到预设的均衡开启条件，如果没有达到均衡开启条件则不需要启动均衡充电控制系统；如果达到均衡开启条件则需要启动均衡充电控制系统工作，并实时采样电池模组内各软包单体电芯的电压值和各软包单体电芯的容量。当电池模组内所有软包单体电芯的电压值和容量都达到均衡完成的条件时，停止均衡充电控制系统工作。如此往复重复上述过程，直至电池模组停止工作。

本实施例中所采用的技术方案，由于采用了均衡电阻膜片、均衡和温度控制电路板和电池管理系统电路板，可以降低单体软包电芯由于串并联使用造成单体间不一致性对电池的影响，使得锂离子电池模组中各软包单体电芯电压和容量在使用的过程中尽可能一致，从而提高软包单体电芯和电池模组的使用效率，延长软包单体电芯和电池模组的使用寿命。

在实际应用中，本实施例提供的锂离子电池模组均衡充电控制系统可以与智能充电机配合使用，组成智能充电系统。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种锂离子电池模组均衡充电控制系统，其特征在于：包括均衡和温度控制电路板，电池管理系统电路板、均衡电阻膜片、散热片和电池模组外壳；所述均衡和温度控制电路板通过内部通信总线与电池管理系统电路板相连，其通过信号采集线与每个锂离子软包单体电芯相连用于均衡电流流过；所述电池管理系统电路板安装在电池模组的端头，其通过接插件与外部系统进行数据通信，其通过内部通信总线与电池模组的安全保护电路相连，用于控制安全保护电路动作在极端情况下实施保护，其通过内部通信总线与电池模组的均衡电路相连，用于控制均衡电路开启和关闭，其通过信号采集线与每个锂离子软包单体电芯正负极相连，用于读取单体电芯的电压数据，其通过信号采集线与电池模组的温度传感器相连，用于读取电池模组的温度状态信息，其通过信号采集线与电池模组的电流传感器相连，用于读取电池模组的充放电电流信息；所述均衡电阻膜片通过信号线与均衡和温度控制电路板相连，受均衡和温度控制电路控制，并与散热片紧密相连，以确保均衡控制开启时产生的热量能够快速通过散热片导出；所述散热片布置于长方体电池模组两个较宽的面中的一个面，与电池模组的形变导热垫紧密相连，以使散热时加速热量的发散，也使电池间的温差更加均匀；所述电池模组外壳与散热片紧密相连，通过电池模组外壳与外界空气的接触热交换将电池模组内部热量迅速散出。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池模组均衡充电控制系统，其特征在于：所述均衡和温度控制电路板包括均衡充电信号控制和驱动电路、均衡电阻膜片开关信号控制和驱动电路、均衡电阻膜片工作指示灯控制和驱动电路；所述均衡电阻膜片开关信号控制和驱动电路用于控制均衡电阻膜片开始或停止工作；所述均衡电阻膜片工作指示灯控制和驱动电路用于控制均衡电阻膜片工作指示灯正确指示均衡电阻膜片工作状态；电池模组中每个锂离子软包单体电芯对应一个均衡充电信号控制和驱动电路，用于控制启动和停止均衡充电。

3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池模组均衡充电控制系统，其特征在于：所述电池管理系统电路板通过其电池状态采集芯片获取每个锂离子软包单体电芯的状态参数信息，而后经过其单片机运算后通过电池模组内部的通信总线输出均衡、温度控制信号至均衡和温度控制电路板；所述电池管理系统电路板通过电池模组外部的通信总线输出电池模组的电压、SOC、温度状态信息至其他与之通信的控制系统；当充电过程进行至末期时，电池管理系统电路板发出指令控制均衡和温度控制电路板启动均衡充电，当均衡充电完成时，电池管理系统电路板发出指令控制均衡和温度控制电路板停止均衡充电。

4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池模组均衡充电控制系统，其特征在于：所述均衡电阻膜片由电阻丝印制于硅胶薄片上而成，每个锂离子软包单体电芯对应一条均衡电阻丝，互不干涉；每条电阻丝对应一条连接线与均衡和温度控制电路板上的均衡控制开关相连接，能够通过电池管理系统电路板控制电路导通或关断。

5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池模组均衡充电控制系统，其特征在于：所述散热片和电池模组外壳由铝材制造，在电池模组外壳的一面拉出众多筋条，散热片将均衡电阻膜片产生的热量导向外壳，再由外壳向空间散发。