CN106130112A - 锂电池充、放电管理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种锂电池充、放电管理系统及方法，所述系统包括微控制器、与微控制器相连接的锂电池监控单元、测量模块、计算模块、第一开关驱动模块、第二开关驱动模块、电源模块；所述电源模块与市电连接，其为系统各个模块提供供电；所述第一开关控制市电输入与充电模块之间的连接或断开，其输入端与市电连接，其输出端与充电模块连接；所述微控制器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。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂电池充、放电管理系统及方法。
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。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种锂电池充放电管理系统及方法，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。
本发明锂电池充、放电管理系统，所述锂电池由N个单体锂电池串联组成，其特征在于，包括微控制器、与微控制器相连接的锂电池监控单元、测量模块、计算模块、第一开关驱动模块、第二开关驱动模块、电源模块；
所述电源模块与市电连接，其为系统各个模块提供供电；
所述第一开关控制市电输入与充电模块之间的连接或断开，其输入端与市电连接，其输出端与充电模块连接；
所述第一开关驱动模块与第一开关连接，控制所述第一开关的导通或闭合；
所述第二开关控制锂电池组与负载的连接或断开，其输入端与锂电池组连接，其输出端与负载连接；
所述第二开关驱动模块与第二开关连接，控制所述第二开关的导通或闭合；
所述充电模块与锂电池组连接，控制所述锂电池组的充电；
所述锂电池监控单元由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、温度采样模块和过压均衡模块；所述电压采样模块检测单体锂电池的电压值；所述温度采样模块检测单体锂电池的温度值；所述过压均衡模块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；
所述微控制器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；
所述测量模块包括测量模块，用于检测所述锂电池单体Li的参数Ci，i依次取1至n；
所述计算模块包括第一计算模块，用于根据所述参数Ci计算所述锂电池单体Li的充电电流Ii；
所述参数包括电流、电压、温度、荷电状态和电池容量，所述计算模块还包括：第二计算模块，用于根据所述温度计算温度补偿系数kt；
第三计算模块，根据所述荷电状态计算荷电状态补偿系数kSOC；
第四计算模块，用于根据修正系数kSOH1和电流补偿系数kSOH2计算电池健康系数kSOH，其中，所述修正系数Q为所述锂电池的电池容量，Qr为所述锂电池的额定容量，所述电流补偿系数kSOH2＝kR-0.5，k为所述锂电池的特性系数，R为所述锂电池的电阻；第五计算模块，用于根据所述温度补偿系数kt、所述荷电状态补偿系数kSOC、所述电池健康系数kSOH、所述锂电池的额定容量Qr和倍率系数kc确定所述锂电池的所述充电电流；所述第五计算模块按照公式I＝kcQrktkSOCkSOH计算所述充电电流；所述微控制器按照充电电流Imin对每个所述锂电池单体进行充电，其中，所述充电电流Imin为充电电流I1至充电电流In中最小的充电电流；
充电时：实时检测电池的温度，定义多个连续的温度范围，每个温度范围对应一个充电截止电压；将电池的温度值与温度范围的边界值进行比对，看落到哪个温度范围内，得到对应的充电截止电压的值，依据的充电截止电压对锂电池组充电；
放电时：电池管理系统实时检测电池的温度，定义多个连续的温度范围，每个温度范围对应一个放电截止电压；将电池的温度值与温度范围的边界值进行比对，看落到哪个温度范围内，得到对应的放电截止电压的值，依据得到的放电截止电压对锂电池组放电。
进一步地，所述过压均衡模块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。
进一步地，还包括锂电池电量检测模块，所述电量检测模块包括：状态监测单元、电量记录单元、阻抗跟踪单元、第六计算模块；其中状态监测单元监测锂电池当前的输出电压、输出电流以及环境温度，电量记录单元记录锂电池充电时的输入电量和放电时的输出电量；阻抗跟踪单元在锂电池每次充电完成之后计算锂电池内部阻抗，第六计算模块则根据输入数据计算锂电池的剩余电量和锂电池的剩余工作时间；
在锂电池充电时，状态检测单元监测出锂电池的输入电流之后等待电量记录单元的查询指令，状态监测单元收到所述查询指令之后即将监测到得锂电池当前输入电流发送给电量记录单元；电量记录单元计算从锂电池开始充电到锂电池充电完成累计的输入电量Qmax，并将所述累计输入电量Qmax发送给第六计算模块，当锂电池充电完成时，阻抗跟踪单元开始工作，计算锂电池的当前内阻，并将所述锂电池的当前内阻发送给第六计算模块；
在锂电池放电时，状态检测单元监测出锂电池的输出电流、输出电压和环境温度之后等待电量记录单元的查询指令，状态监测单元收到所述查询指令之 后即将监测到得锂电池当前输出电流发送给电量记录单元，同时将监测到的锂电池的输出电压和环境温度发送给第六计算模块；电量记录单元计算从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量Q(n)，并将所述累计输出电量Q(n)发送给第六计算模块，由第六计算模块计算出锂电池的剩余电量和剩余工作时间。
进一步地，在锂电池充电完成时，所述计算累计输入电量Qmax通过如下公式进行：
其中，n为电量记录单元发送查询指令的次数，Q(i)为电量记录单元第i次发送查询指令和第i-1次发送查询指令之间锂电池的累积输入电量，Δt为电量记录单元发送查询指令的周期，为预设值；tcharge为锂电池开始充电到充电完成所需的时间且有tcharge＝n×Δt；I(i)为电量记录单元第i次发送查询指令之后查询到得当前输入电流值。
进一步地，所述计算锂电池内阻通过如下方式进行：当锂电池充电完成时，阻抗跟踪单元通过先后两次调整可变电阻的阻值，得到所述可变电阻的电压值和电流值，阻抗跟踪单元通过如下公式计算锂电池内阻RB：
其中，Va1、Ia1为可变电阻第一次调整阻值时可变电阻两端的电压值和电流值，Va2、Ia2为可变电阻第二次调整阻值时可变电阻两端的电压值和电流值；所述可变电阻第一次调整阻值R1的大小等于锂电池的初始内阻值；所述可变电阻第二次调整阻值R2的大小等于锂电池经循环充/放电500次后的内阻值。
进一步地，在锂电池放电时，所述电量记录单元计算从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量Q(n)通过如下公式进行：
其中，n为从锂电池开始放电到当前时刻，电量记录单元发送查询指令的次数；Q(i)为电量记录单元第i次发送查询指令和第i-1次发送查询指令之间锂电池的累积输出电量，Δt为电量记录单元发送查询指令的周期，为预设值；I(i)为电量记录单元第i次发送查询指令之后查询到得当前输出电流值。
进一步地，所述计算锂电池剩余电量通过如下公式进行：
其中，Qr为锂电池剩余电量，Qmax为锂电池充电完成时的累计输入电量，Q(n)为从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量；
所述计算锂电池的剩余工作时间通过如下步骤进行：
(1)通过公式Vstop(i)＝Voc(stop)-RB*I(i)计算锂电池的放电终止电压Vstop(i)，其中，Voc(stop)为放电终止电压Vstop对应的电池开路电压，为锂电池默认参数；RB为锂电池内阻，I(i)为锂电池当前输出电流；
(2)根据状态监测单元发送的当前环境温度和当前输出电流确定锂电池放电曲线，根据当前输出电压和步骤(1)中得到的放电终止电压Vstop(i)确定锂电池的剩余工作时间；锂电池放电曲线为预设参数。
本发明锂电池充、放电管理方法，包括：
充电时：实时检测电池的温度，定义多个连续的温度范围，每个温度范围对应一个充电截止电压；将电池的温度值与温度范围的边界值进行比对，看落到哪个温度范围内，得到对应的充电截止电压的值，依据的充电截止电压对锂电池组充电；
锂电池的充电电流的确定方法具体包括：
检测所述锂电池单体Li的参数Ci，i依次取1至n；
根据所述参数Ci计算所述锂电池单体Li的充电电流Ii；
按照充电电流Imin对每个所述锂电池单体进行充电，其中，所述充电电流 Imin为充电电流I1至充电电流In中最小的充电电流；
所述参数包括电流、电压、温度、荷电状态和电池容量，根据所述参数计算所述锂电池的充电电流包括：
根据所述温度计算温度补偿系数kt；
根据所述荷电状态计算荷电状态补偿系数kSOC；
根据修正系数kSOH1和电流补偿系数kSOH2计算电池健康系数kSOH，其中，所述修正系数Q为所述锂电池的电池容量，Qr为所述锂电池的额定容量，所述电流补偿系数kSOH2＝kR-0.5，k为所述锂电池的特性系数，R为所述锂电池的电阻；以及
根据所述温度补偿系数kt、所述荷电状态补偿系数kSOC、所述电池健康系数kSOH、所述锂电池的额定容量Qr和倍率系数kc确定所述锂电池的所述充电电流；
根据所述温度补偿系数kt、所述荷电状态补偿系数kSOC、所述电池健康系数kSOH、所述锂电池的额定容量Qr和倍率系数kc确定所述锂电池的充电电流包括：按照公式I＝kcQrktkSOCkSOH计算所述充电电流；按照充电电流Imin对每个所述锂电池单体进行充电，其中，所述充电电流Imin为充电电流I1至充电电流In中最小的充电电流；
放电时：电池管理系统实时检测电池的温度，定义多个连续的温度范围，每个温度范围对应一个放电截止电压；将电池的温度值与温度范围的边界值进行比对，看落到哪个温度范围内，得到对应的放电截止电压的值，依据得到的放电截止电压对锂电池组放电。
进一步地，还包括检测锂电池的安全性的步骤，具体包括：
将二个超音波探头分别贴附于一锂电池的二侧；利用超音波探头对该锂电池传递一非破坏性的检测超音波信号，并由该二个超音波探头感测来自该锂电池的一共振压力波信号，该检测超音波信号系经穿透及反射于该锂电池中；
对上述锂电池以预定大小的电流进行恒流恒压充电，直到充电至电池的电压上限，然后再恒压充电至充电电流小于预设数值，放置一段时间后，恒流放电至电池的电压下限，然后根据放电时间和恒流放电电流的大小，判断充电和放电是否正常，若充放电正常，则进行下一步骤；
根据多孔介质均匀化理论简化所述锂电池中电极的复杂孔隙结构，建立锂电池在工作过程中遵循的电荷守恒模型、质量守恒模型和电化学反应动力学模型；
根据所述模型仿真所述锂电池在充电与过充电过程中的电性能与电化学性能；
基于所述锂电池工作过程中电子导电、离子导电、接触电阻、电化学反应以及熵变化所产生的电池内能变化，建立锂电池工作过程中的的热学模型，对所述锂电池的产热过程进行三维仿真，获取温度变化仿真曲线；
对所述锂电池进行充电与过充电，测量在充电与过充电过程中所述锂电池实际的温度变化曲线以及电压变化曲线；
设定热电检测中的温度阈值与电压阈值，将所述温度变化曲线与所述温度阈值及所述温度变化仿真曲线比较，并将所述电压变化曲线与所述电压阈值比较，检测所述锂电池的过充安全性能。
进一步地，所述锂电池的过充安全性能的判断包括：若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线吻合，且所述温度变化曲线未超过所述温度阈值，所述电压变化曲线未超过所述电压阈值，则判断所述锂电池符合安全性能要求；若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线不吻合，但所述温度变化曲线未超过所述温度阈值，所述电压变化曲线未超过所述电压阈值，则判断所述锂电池符合存在内部不均匀的缺陷；若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线不吻合且所述温度变化曲线超过所述温度阈值，或者所述电压变化曲线超过所述电压阈值，则判断所述锂电池不符合安全性能要求。
有益效果
本发明与现有技术具备如下有益效果：
(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是本发明锂电池充放电管理系统的过压均衡模块的原理图；
图2是本发明锂电池电量检测模块组成示意图；
图3是本发明实施例2放电曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
实施例1
本实施例锂电池充、放电管理系统，所述锂电池由N个单体锂电池串联组成，其特征在于，包括微控制器、与微控制器相连接的锂电池监控单元、测量模块、计算模块、第一开关驱动模块、第二开关驱动模块、电源模块；
所述电源模块与市电连接，其为系统各个模块提供供电；
所述第一开关控制市电输入与充电模块之间的连接或断开，其输入端与市电连接，其输出端与充电模块连接；
所述第一开关驱动模块与第一开关连接，控制所述第一开关的导通或闭合；
所述第二开关控制锂电池组与负载的连接或断开，其输入端与锂电池组连接，其输出端与负载连接；
所述第二开关驱动模块与第二开关连接，控制所述第二开关的导通或闭合；
所述充电模块与锂电池组连接，控制所述锂电池组的充电；
所述锂电池监控单元由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、温度采样模块和过压均衡模块；所述电压采样模块检测单体锂电池的电压值；所述温度采样模块检测单体锂电池的温度值；所述过压均衡模块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；
所述微控制器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；
所述测量模块包括测量模块，用于检测所述锂电池单体Li的参数Ci，i依次取1至n；
所述计算模块包括第一计算模块，用于根据所述参数Ci计算所述锂电池单体Li的充电电流Ii；
所述参数包括电流、电压、温度、荷电状态和电池容量，所述计算模块还包括：第二计算模块，用于根据所述温度计算温度补偿系数kt；
第三计算模块，根据所述荷电状态计算荷电状态补偿系数kSOC；
第四计算模块，用于根据修正系数kSOH1和电流补偿系数kSOH2计算电池健康系数kSOH，其中，所述修正系数Q为所述锂电池的电池容量，Qr为所述锂电池的额定容量，所述电流补偿系数kSOH2＝k R-0.5，k为所述锂电池的特性系数，R为所述锂电池的电阻；第五计算模块，用于根据所述温度补偿系数kt、所述荷电状态补偿系数kSOC、所述电池健康系数kSOH、所述锂电池的额定容量Qr和倍率系数kc确定所述锂电池的所述充电电流；所述第五计算模块 按照公式I＝kcQrktkSOCkSOH计算所述充电电流；所述微控制器按照充电电流Imin对每个所述锂电池单体进行充电，其中，所述充电电流Imin为充电电流I1至充电电流In中最小的充电电流；
充电时：实时检测电池的温度，定义多个连续的温度范围，每个温度范围对应一个充电截止电压；将电池的温度值与温度范围的边界值进行比对，看落到哪个温度范围内，得到对应的充电截止电压的值，依据的充电截止电压对锂电池组充电；
放电时：电池管理系统实时检测电池的温度，定义多个连续的温度范围，每个温度范围对应一个放电截止电压；将电池的温度值与温度范围的边界值进行比对，看落到哪个温度范围内，得到对应的放电截止电压的值，依据得到的放电截止电压对锂电池组放电。
本实施例中，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。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。通过锂电池组和管理系统的配合，实现不需要借助外部加热也能对锂电池组进行低温充放电，且不会发生“锂晶枝”现象。
如图1所示，所述过压均衡模块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。
实施例2
如图2所示，本实施例锂电池充、放电管理系统，在实施例1的基础上，所述的锂电池电量监测模块，包括状态监测单元、电量记录单元、阻抗跟踪单元、运算单元和锂电池。
其中状态监测单元监测锂电池当前的输出电压、输出电流以及环境温度，电量记录单元记录锂电池充电时的输入电量和放电时的输出电量；阻抗跟踪单元在锂电池每次充电完成之后计算锂电池内部阻抗，运算单元则根据输入数据计算锂电池的剩余电量和锂电池的剩余工作时间；
在锂电池充电时，状态检测单元监测出锂电池的输入电流之后等待电量记录单元的查询指令，状态监测单元收到所述查询指令之后即将监测到得锂电池当前输入电流发送给电量记录单元；电量记录单元计算从锂电池开始充电到锂电池充电完成累计的输入电量Qmax，并将所述累计输入电量Qmax发送给运算单元，当锂电池充电完成时，阻抗跟踪单元开始工作，计算锂电池的当前内阻，并将所述锂电池的当前内阻发送给运算单元；
在锂电池放电时，状态检测单元监测出锂电池的输出电流、输出电压和环境温度之后等待电量记录单元的查询指令，状态监测单元收到所述查询指令之后即将监测到得锂电池当前输出电流发送给电量记录单元，同时将监测到的锂电池的输出电压和环境温度发送给运算单元；电量记录单元计算从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量Q(n)，并将所述累计输出电量Q(n)发送给运算单元，由运算单元计算出锂电池的剩余电量和剩余工作时间。
具体的实现步骤为：
1.充电阶段
a.从锂电池(实例中的锂电池额定电池容量为8000mAh，额定输出电压为16.8V)开始充电到锂电池充电完成，状态监测单元实时监测锂电池的当前输入电流(实例中采用LT4151进行电流监控，LT4151工作在默认的连续扫描模式)；
b.在锂电池充电过程中，电量记录单元将定时向状态监测单元发送查询指令查询当前时刻输入电流，查询周期为预置值(实例中，查询指令为使能脉冲，由FPGA发出，查询周期为1s)；
c.在收到查询指令后，状态监测单元将锂电池当前输入电流发送给电量记录单元，电量记录单元计算从充电开始到当前时刻锂电池的输入电量，具体的计算公式为：
其中，n为电量记录单元发送查询指令的次数，Q(i)为电量记录单元第i次发送查询指令和第i-1次发送查询指令之间锂电池的累积输入电量，Δt为电量记录单元发送查询指令的周期，为预设值；I(i)为电量记录单元第i次发送查询指令之后查询到得当前输入电流值(实例中，在某次电量记录单元发送查询指令后，状态监测单元返回的锂电池输入电流值为1.25A，则该秒内锂电池的输入电量为)。
d.当充电电路给出充电完成指示时，锂电池充电过程结束，电量记录单元得到电池充满电量Qmax，
其中，n为电量记录单元发送查询指令的次数，Q(i)为电量记录单元第i次发送查询指令和第i-1次发送查询指令之间锂电池的累积输入电量，Δt为电量记录单元发送查询指令的周期，为预设值；tcharge为锂电池开始充电到充电完成所需的时间且有tcharge＝n×Δt；I(i)为电量记录单元第i次发送查询指令之后查询到得当前输入电流值。
由于电量记录单元发送查询指令的周期Δt恒定，则锂电池电量计算公式可以更新为：
(实例中，在某次充电完成后，电池容量为7826mAh)；
e.在充电电路给出充电完成指令后，阻抗跟踪单元启动工作，阻抗跟踪单元通过先后两次调整可变电阻的阻值；在调整前后，状态监测单元将测得的电流值、电压值发送给阻抗跟踪单元，阻抗跟踪单元根据切换前后预设的阻值及 状态监测单元提供的电压值和电流值计算电池内阻，具体的计算公式为：
其中，Va1、Ia1为可调电阻阻值为R1时电阻两端的电压、电流值，Va2、Ia2为可调电阻阻值为R2时电阻两端的电压、电流值，R1的大小等于锂电池的初始内阻值，R2的大小等于锂电池经循环充/放电500次后的内阻值，一般来讲，R1和R2的大小为锂电池出场默认值。RB为电池内阻，VB为电池电压(为了不影响电池寿命，电池放电电流不能过大，因此阻抗跟踪单元需要串接一个阻值较大的电阻，实例中选择阻值为10Ω的精密金属膜电阻；根据系统中应用的锂电池的具体参数，实例中选择可变电阻的阻值分别为：R1＝20mΩ，R2＝50mΩ；在某次充电完成后，阻抗跟踪单元中R1上的电压和电流分别为31.44mV和1572.14mA，R2上的电压和电流分别为78.37mV和1567.46mA，由此计算出的锂电池内阻为30mΩ)。
2.放电阶段
a.从锂电池开始放电到放电结束，状态监测单元实时监测锂电池当前时刻的输出电压、输出电流和环境温度(实例中采用LT4151进行电流监控，采用温感电阻进行温度监控)；
b.从锂电池开始放电到放电结束，电量记录单元将定时向状态监测单元发送查询指令查询当前时刻输出电流(实例中，查询指令为使能脉冲，由FPGA发出，查询周期为1s)；
c.在收到查询指令后，状态监测单元将电池当前输出电流值发送给电量记录单元，电量记录单元根据该数值及查询周期计算累计输出电量Q(n)，具体的计算公式为：
其中，n为从锂电池开始放电到当前时刻，电量记录单元发送查询指令的次数；Q(i)为电量记录单元第i次发送查询指令和第i-1次发送查询指令之间锂电池的累积输出电量，Δt为电量记录单元发送查询指令的周期，为预设值；I(i)为电量记录单元第i次发送查询指令之后查询到得当前输出电流值，(实例中，在某次电量记录单元发送查询指令后，状态监测单元返回的锂电池输出电流值 为0.5A，则该秒内锂电池的输入电量为累计输出电量为1800mAh)。
d.电量记录单元根据电池充满电量和已用电量计算得出电池剩余电量，具体的计算公式为：
Qr＝Qmax-Q(n)
其中，Qr为锂电池剩余电量，Qmax为锂电池充电完成时的累计输入电量，Q(n)为从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量。
(实例中，锂电池剩余电量的表示方法是剩余电量占总电量的百分比，当累计输出电量为1800mAh时，锂电池剩余电量为)
e.运算单元根据电池阻抗和放电终止电压计算放电终止电压对应的电池开路电压，具体的计算公式为：
其中，Vstop(i)为根据电量记录单元第i次查询到得电池输出电流计算出的放电终止电压；Voc(stop)(i)为该放电终止电压对应的锂电池开路电压，为锂电池默认参数；RB为电池内阻，I(i)为电量记录单元第i次查询到得电池输出电流，即当前输出电流；(实例中放电终止电压预设为12V，当输出电流为1.6A，内阻为30mΩ时，Voc(stop)(i)为12.048V)。
f.根据状态监测单元发送的当前环境温度和当前输出电流确定锂电池放电曲线，根据当前输出电压和放电终止电压Vstop(i)确定锂电池的剩余工作时间；锂电池放电曲线为预设参数。
如图3所示，由状态监测单元发送的电压、电流和环境温度信息分别为：当前输出电压为15.2V，输出电流为1.6A，当环境温度为25度时，选择25度、0.2倍率放电曲线(放电曲线为锂电池默认参数)，由于Voc(stop)(i)为12.048V，根据当前输出电压为15.2V和Voc(stop)(i)为12.048V，且完整的电池工作时间为9.4小时(Voc(stop)(i)对应的时间值就是电池能够工作的最长时间，由图3中可以看出，当Voc(stop)(i)为12.048V时，对应的时间值为9.4小时)，则锂电池剩余工作时间为9.4-2.8＝6.6小时。
一般来讲，锂电池默认提供的放电曲线为-20度，0度，25度，45度，60度，80度这几种，当实际温度介于这些曲线之间的时候，则取相邻两条给出的默认曲线的平均值。例如，当前温度为35度，则将25度曲线对应的工作时间和45度曲线对应的工作时间取平均值，作为35度时的锂电池的已工作时间。 35度时，锂电池能够工作的最长时间也为25度时和45度时最长工作时间的平均值。
实施例3
本实施例锂电池充、放电管理方法，包括：
充电时：实时检测电池的温度，定义多个连续的温度范围，每个温度范围对应一个充电截止电压；将电池的温度值与温度范围的边界值进行比对，看落到哪个温度范围内，得到对应的充电截止电压的值，依据的充电截止电压对锂电池组充电；
锂电池的充电电流的确定方法具体包括：
检测所述锂电池单体Li的参数Ci，i依次取1至n；
根据所述参数Ci计算所述锂电池单体Li的充电电流Ii；
按照充电电流Imin对每个所述锂电池单体进行充电，其中，所述充电电流Imin为充电电流I1至充电电流In中最小的充电电流；
所述参数包括电流、电压、温度、荷电状态和电池容量，根据所述参数计算所述锂电池的充电电流包括：
根据所述温度计算温度补偿系数kt；
根据所述荷电状态计算荷电状态补偿系数kSOC；
根据修正系数kSOH1和电流补偿系数kSOH2计算电池健康系数kSOH，其中，所述修正系数Q为所述锂电池的电池容量，Qr为所述锂电池的额定容量，所述电流补偿系数kSOH2＝kR-0.5，k为所述锂电池的特性系数，R为所述锂电池的电阻；以及
根据所述温度补偿系数kt、所述荷电状态补偿系数kSOC、所述电池健康系数kSOH、所述锂电池的额定容量Qr和倍率系数kc确定所述锂电池的所述充电电流；
根据所述温度补偿系数kt、所述荷电状态补偿系数kSOC、所述电池健康系 数kSOH、所述锂电池的额定容量Qr和倍率系数kc确定所述锂电池的充电电流包括：按照公式I＝kcQrktkSOCkSOH计算所述充电电流；按照充电电流Imin对每个所述锂电池单体进行充电，其中，所述充电电流Imin为充电电流I1至充电电流In中最小的充电电流；
放电时：电池管理系统实时检测电池的温度，定义多个连续的温度范围，每个温度范围对应一个放电截止电压；将电池的温度值与温度范围的边界值进行比对，看落到哪个温度范围内，得到对应的放电截止电压的值，依据得到的放电截止电压对锂电池组放电。
实施例4
本实施例锂电池充、放电管理方法，在实施3的基础上，还包括检测锂电池的安全性的步骤，具体包括：
(1)将二个超音波探头分别贴附于一锂电池的二侧；利用超音波探头对该锂电池传递一非破坏性的检测超音波信号，并由该二个超音波探头感测来自该锂电池的一共振压力波信号，该检测超音波信号系经穿透及反射于该锂电池中；
(2)对上述锂电池以预定大小的电流进行恒流恒压充电，直到充电至电池的电压上限，然后再恒压充电至充电电流小于预设数值，放置一段时间后，恒流放电至电池的电压下限，然后根据放电时间和恒流放电电流的大小，判断充电和放电是否正常，若充放电正常，则进行下一步骤；
(3)根据多孔介质均匀化理论简化所述锂电池中电极的复杂孔隙结构，建立锂电池在工作过程中遵循的电荷守恒模型、质量守恒模型和电化学反应动力学模型；
(4)根据所述模型仿真所述锂电池在充电与过充电过程中的电性能与电化学性能；
(5)基于所述锂电池工作过程中电子导电、离子导电、接触电阻、电化学反应以及熵变化所产生的电池内能变化，建立锂电池工作过程中的的热学模型， 对所述锂电池的产热过程进行三维仿真，获取温度变化仿真曲线；
(6)对所述锂电池进行充电与过充电，测量在充电与过充电过程中所述锂电池实际的温度变化曲线以及电压变化曲线；
(7)设定热电检测中的温度阈值与电压阈值，将所述温度变化曲线与所述温度阈值及所述温度变化仿真曲线比较，并将所述电压变化曲线与所述电压阈值比较，检测所述锂电池的过充安全性能。
进一步的，所述锂电池的过充安全性能的判断包括：若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线吻合，且所述温度变化曲线未超过所述温度阈值，所述电压变化曲线未超过所述电压阈值，则判断所述锂电池符合安全性能要求；若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线不吻合，但所述温度变化曲线未超过所述温度阈值，所述电压变化曲线未超过所述电压阈值，则判断所述锂电池符合存在内部不均匀的缺陷；若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线不吻合且所述温度变化曲线超过所述温度阈值，或者所述电压变化曲线超过所述电压阈值，则判断所述锂电池不符合安全性能要求。
对本发明应当理解的是，以上所述的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明，以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限定本发明，凡是在本发明的精神原则之内，所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种锂电池充、放电管理系统，其特征在于，所述锂电池由N个单体锂电池串联组成，其特征在于，包括微控制器、与微控制器相连接的锂电池监控单元、测量模块、计算模块、第一开关驱动模块、第二开关驱动模块、电源模块；
所述电源模块与市电连接，其为系统各个模块提供供电；
所述第一开关控制市电输入与充电模块之间的连接或断开，其输入端与市电连接，其输出端与充电模块连接；
所述第一开关驱动模块与第一开关连接，控制所述第一开关的导通或闭合；
所述第二开关控制锂电池组与负载的连接或断开，其输入端与锂电池组连接，其输出端与负载连接；
所述第二开关驱动模块与第二开关连接，控制所述第二开关的导通或闭合；
所述充电模块与锂电池组连接，控制所述锂电池组的充电；
所述锂电池监控单元由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、温度采样模块和过压均衡模块；所述电压采样模块检测单体锂电池的电压值；所述温度采样模块检测单体锂电池的温度值；所述过压均衡模块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；
所述微控制器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；
所述测量模块包括测量模块，用于检测所述锂电池单体Li的参数Ci，i依次取1至n；
所述计算模块包括第一计算模块，用于根据所述参数Ci计算所述锂电池单体Li的充电电流Ii；
所述参数包括电流、电压、温度、荷电状态和电池容量，所述计算模块还包括：第二计算模块，用于根据所述温度计算温度补偿系数kt；
第三计算模块，根据所述荷电状态计算荷电状态补偿系数kSOC；
第四计算模块，用于根据修正系数kSOH1和电流补偿系数kSOH2计算电池健康系数kSOH，其中，所述修正系数Q为所述锂电池的电池容量，Qr为所述锂电池的额定容量，所述电流补偿系数kSOH2＝kR-0.5，k为所述锂电池的特性系数，R为所述锂电池的电阻；第五计算模块，用于根据所述温度补偿系数kt、所述荷电状态补偿系数kSOC、所述电池健康系数kSOH、所述锂电池的额定容量Qr和倍率系数kc确定所述锂电池的所述充电电流；所述第五计算模块按照公式I＝kcQrktkSOCkSOH计算所述充电电流；所述微控制器按照充电电流Imin对每个所述锂电池单体进行充电，其中，所述充电电流Imin为充电电流I1至充电电流In中最小的充电电流；
充电时：实时检测电池的温度，定义多个连续的温度范围，每个温度范围对应一个充电截止电压；将电池的温度值与温度范围的边界值进行比对，看落到哪个温度范围内，得到对应的充电截止电压的值，依据的充电截止电压对锂电池组充电；
放电时：电池管理系统实时检测电池的温度，定义多个连续的温度范围，每个温度范围对应一个放电截止电压；将电池的温度值与温度范围的边界值进行比对，看落到哪个温度范围内，得到对应的放电截止电压的值，依据得到的放电截止电压对锂电池组放电。
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，所述过压均衡模块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。
3.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，还包括锂电池电量检测模块，所述电量检测模块包括：状态监测单元、电量记录单元、阻抗跟踪单元、第六计算模块；其中状态监测单元监测锂电池当前的输出电压、输出电流以及环境温度，电量记录单元记录锂电池充电时的输入电量和放电时的输出电量；阻抗跟踪单元在锂电池每次充电完成之后计算锂电池内部阻抗，第六计算模块则根据输入数据计算锂电池的剩余电量和锂电池的剩余工作时间；
在锂电池充电时，状态检测单元监测出锂电池的输入电流之后等待电量记录单元的查询指令，状态监测单元收到所述查询指令之后即将监测到得锂电池当前输入电流发送给电量记录单元；电量记录单元计算从锂电池开始充电到锂电池充电完成累计的输入电量Qmax，并将所述累计输入电量Qmax发送给第六计算模块，当锂电池充电完成时，阻抗跟踪单元开始工作，计算锂电池的当前内阻，并将所述锂电池的当前内阻发送给第六计算模块；
在锂电池放电时，状态检测单元监测出锂电池的输出电流、输出电压和环境温度之后等待电量记录单元的查询指令，状态监测单元收到所述查询指令之后即将监测到得锂电池当前输出电流发送给电量记录单元，同时将监测到的锂电池的输出电压和环境温度发送给第六计算模块；电量记录单元计算从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量Q(n)，并将所述累计输出电量Q(n)发送给第六计算模块，由第六计算模块计算出锂电池的剩余电量和剩余工作时间。
4.根据权利要求3所述的锂电池充、放电管理系统，其特征在于，在锂电池充电完成时，所述计算累计输入电量Qmax通过如下公式进行：
其中，n为电量记录单元发送查询指令的次数，Q(i)为电量记录单元第i次发送查询指令和第i-1次发送查询指令之间锂电池的累积输入电量，Δt为电量记录单元发送查询指令的周期，为预设值；tcharge为锂电池开始充电到充电完成所需的时间且有tcharge＝n×Δt；I(i)为电量记录单元第i次发送查询指令之后查询到得当前输入电流值。
5.根据权利要求3所述的锂电池充、放电管理系统，其特征在于，所述计算锂电池内阻通过如下方式进行：当锂电池充电完成时，阻抗跟踪单元通过先后两次调整可变电阻的阻值，得到所述可变电阻的电压值和电流值，阻抗跟踪单元通过如下公式计算锂电池内阻RB：
其中，Va1、Ia1为可变电阻第一次调整阻值时可变电阻两端的电压值和电流值，Va2、Ia2为可变电阻第二次调整阻值时可变电阻两端的电压值和电流值；所述可变电阻第一次调整阻值R1的大小等于锂电池的初始内阻值；所述可变电阻第二次调整阻值R2的大小等于锂电池经循环充/放电500次后的内阻值。
6.根据权利要求3所述的锂电池充、放电管理系统，其特征在于，在锂电池放电时，所述电量记录单元计算从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量Q(n)通过如下公式进行：
其中，n为从锂电池开始放电到当前时刻，电量记录单元发送查询指令的次数；Q(i)为电量记录单元第i次发送查询指令和第i-1次发送查询指令之间锂电池的累积输出电量，Δt为电量记录单元发送查询指令的周期，为预设值；I(i)为电量记录单元第i次发送查询指令之后查询到得当前输出电流值。
7.根据权利要求3所述的锂电池充、放电管理系统，其特征在于，所述计算锂电池剩余电量通过如下公式进行：
其中，Qr为锂电池剩余电量，Qmax为锂电池充电完成时的累计输入电量，Q(n)为从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量；
所述计算锂电池的剩余工作时间通过如下步骤进行：
(1)通过公式Vstop(i)＝Voc(stop)-RB*I(i)计算锂电池的放电终止电压Vstop(i)，其中，Voc(stop)为放电终止电压Vstop对应的电池开路电压，为锂电池默认参数；RB为锂电池内阻，I(i)为锂电池当前输出电流；
(2)根据状态监测单元发送的当前环境温度和当前输出电流确定锂电池放电曲线，根据当前输出电压和步骤(1)中得到的放电终止电压Vstop(i)确定锂电池的剩余工作时间；锂电池放电曲线为预设参数。
8.一种锂电池充、放电管理方法，其特征在于，包括：
充电时：实时检测电池的温度，定义多个连续的温度范围，每个温度范围对应一个充电截止电压；将电池的温度值与温度范围的边界值进行比对，看落到哪个温度范围内，得到对应的充电截止电压的值，依据的充电截止电压对锂电池组充电；
锂电池的充电电流的确定方法具体包括：
检测所述锂电池单体Li的参数Ci，i依次取1至n；
根据所述参数Ci计算所述锂电池单体Li的充电电流Ii；
按照充电电流Imin对每个所述锂电池单体进行充电，其中，所述充电电流Imin为充电电流I1至充电电流In中最小的充电电流；
所述参数包括电流、电压、温度、荷电状态和电池容量，根据所述参数计算所述锂电池的充电电流包括：
根据所述温度计算温度补偿系数kt；
根据所述荷电状态计算荷电状态补偿系数kSOC；
根据修正系数kSOH1和电流补偿系数kSOH2计算电池健康系数kSOH，其中，所述修正系数Q为所述锂电池的电池容量，Qr为所述锂电池的额定容量，所述电流补偿系数kSOH2＝kR-0.5，k为所述锂电池的特性系数，R为所述锂电池的电阻；以及
根据所述温度补偿系数kt、所述荷电状态补偿系数kSOC、所述电池健康系数kSOH、所述锂电池的额定容量Qr和倍率系数kc确定所述锂电池的所述充电电流；
根据所述温度补偿系数kt、所述荷电状态补偿系数kSOC、所述电池健康系数kSOH、所述锂电池的额定容量Qr和倍率系数kc确定所述锂电池的充电电流包括：按照公式I＝kcQrktkSOCkSOH计算所述充电电流；按照充电电流Imin对每个所述锂电池单体进行充电，其中，所述充电电流Imin为充电电流I1至充电电流In中最小的充电电流；
放电时：电池管理系统实时检测电池的温度，定义多个连续的温度范围，每个温度范围对应一个放电截止电压；将电池的温度值与温度范围的边界值进行比对，看落到哪个温度范围内，得到对应的放电截止电压的值，依据得到的放电截止电压对锂电池组放电。
9.根据权利要求8所述的锂电池充、放电管理方法，其特征在于，还包括检测锂电池的安全性的步骤，具体包括：
将二个超音波探头分别贴附于一锂电池的二侧；利用超音波探头对该锂电池传递一非破坏性的检测超音波信号，并由该二个超音波探头感测来自该锂电池的一共振压力波信号，该检测超音波信号系经穿透及反射于该锂电池中；
对上述锂电池以预定大小的电流进行恒流恒压充电，直到充电至电池的电压上限，然后再恒压充电至充电电流小于预设数值，放置一段时间后，恒流放电至电池的电压下限，然后根据放电时间和恒流放电电流的大小，判断充电和放电是否正常，若充放电正常，则进行下一步骤；
根据多孔介质均匀化理论简化所述锂电池中电极的复杂孔隙结构，建立锂电池在工作过程中遵循的电荷守恒模型、质量守恒模型和电化学反应动力学模型；
根据所述模型仿真所述锂电池在充电与过充电过程中的电性能与电化学性能；
基于所述锂电池工作过程中电子导电、离子导电、接触电阻、电化学反应以及熵变化所产生的电池内能变化，建立锂电池工作过程中的的热学模型，对所述锂电池的产热过程进行三维仿真，获取温度变化仿真曲线；
对所述锂电池进行充电与过充电，测量在充电与过充电过程中所述锂电池实际的温度变化曲线以及电压变化曲线；
设定热电检测中的温度阈值与电压阈值，将所述温度变化曲线与所述温度阈值及所述温度变化仿真曲线比较，并将所述电压变化曲线与所述电压阈值比较，检测所述锂电池的过充安全性能。
10.根据权利要求9所述的锂电池充、放电管理方法，其特征在于，所述锂电池的过充安全性能的判断包括：若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线吻合，且所述温度变化曲线未超过所述温度阈值，所述电压变化曲线未超过所述电压阈值，则判断所述锂电池符合安全性能要求；若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线不吻合，但所述温度变化曲线未超过所述温度阈值，所述电压变化曲线未超过所述电压阈值，则判断所述锂电池符合存在内部不均匀的缺陷；若所述温度变化曲线与所述温度变化仿真曲线不吻合且所述温度变化曲线超过所述温度阈值，或者所述电压变化曲线超过所述电压阈值，则判断所述锂电池不符合安全性能要求。
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