CN106571496A - 一种可扩展模块化动力电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可扩展模块化动力电池系统,其特征在于，包含N个电池组，每个电池组对应的配置有一个MOS管和一个电量计；还包含有一个CPU、一个开关、一个充电电路、一个充电接口、一个过流保护电路和一个放电接口。本发明电池系统可以制定一个以42V/24A.H电池组为一个标准容量级，针对不同的产品搭配不同数量的电池组来解决容量问题，同时对这些电池组进行整体的充放电和电量管理,通过插入数量来改变等效容量。另外，针对不同种类和数量的电池组硬件上可以无缝对接，只需要修改固件即可，具有较强的兼容性，适用范围较广。

Description

一种可扩展模块化动力电池系统
技术领域
本发明属于电池系统及应用领域，涉及对电池系统控制和管理的方法，具体是一种可扩展模块化动力电池系统。
背景技术
现有的电池产品采用单个锂电池组方案，电池电压和容量为42V/24A.H，采用4.2V电芯十串四并的方式排布。电池组整体采用保护板加电芯的方式，充放电接口分开引出，保护板拥有短路保护、过流保护、过压保护和充电管理四大功能。电池组接口除了电源和地信号之外还有一个IIC接口来实时读取电池组的电量和温度。现有的电池产品的框架结构参见图1。
现有的电池产品应用于机器人时，存在不同应用场景的容量适应问题。并且，锂电池的容量和体积之间的矛盾很难解决。现行的材料技术和锂离子的能量密度决定了高容量的电池组体积和质量较大，并且电池组的体积和质量与电池容量是成正比例增长的。以现在较成熟和较常用的聚合物电芯为例，目前我司使用的42V/24A.H电池采用了40节聚合物电芯采用10串4并的方式来实现，重量为4.5kg，体积为6840cm3，这个容量仅仅适用于酒店、餐饮服务型机器人。未来的安防类机器人产品所欲要的容量为42V/72A.H，那么电池组的单体质量和体积相对于42V/24A.H的电池组则成3倍增加，这个是无法接受的。
我司机器人覆盖了餐饮、娱乐、医院、安防等不同领域的应用，在各种应用环境中，对机器人的续航能力要求是不同的。例如餐饮机器人，这种应用只会在需要送餐和迎宾时才会启动机器人，并且可以在工作间隙对机器人进行快速充电处理，这种应用下机器人的功率消耗并不大，一块42V/24A.H的电池完全可以满足需求。但在安防的应用下需要机器人时时刻刻不间断的进行工作，并且由于是在户外，架设充电设备有较大困难，这时，则需要一块更大容量的电池才能满足需求。同样，对于其他应用场景所需要的电池容量也是不同的。如果以最大的容量设计一块电池组，则会造成很大的成本浪费。如果针对每种机器人设计一块电池组，则会大大增加开发成本以及诸多不确定性，因此，急需开发出一套新的电池组方案可以以42V/24A.H电池组为一个标准容量级，针对不同的产品搭配不同数量的电池组来解决容量问题，同时对这些电池组进行整体的充放电和电量管理。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明提出一款可扩展锂电池模块化系统。该系统的设计核心思想在于以42V/24A.H电池为标准容量级，可以根据不同产品的不同需求搭配不同数量的电池组来改变容量。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种可扩展模块化动力电池系统，其特征在于，包含N个电池组，每个电池组对应的配置有一个MOS管和一个电量计；还包含有一个CPU、一个开关、一个充电电路、一个充电接口、一个过流保护电路和一个放电接口；每一个电池组的电源端与MOS管的S级相连，电池组的GPIO连接至CPU，用作插入检测；每一个MOS管的G极与CPU相连，其D极与电量计相连，电量计上还设置有两个线路，一路为I2C总线，与CPU相连，另一路与开关相连；开关设置有导线与CPU的GPIO引脚相连，充电电路、过流保护电路分别接入到开关上，充电电路上设置有充电接口，过流保护电路上设置有放电接口。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
1、容量可自由调配：本方案可插入1-5个电池组，这样便可根据产品不同的应用场景来搭配不同的容量，最小42V/24A.H,最大42V/120A.H。
2、电池组可做统一化生产:由于本方案可插入不同数量的电池组，则只需要生产一个规格的电池组作为标准容量级(42V/24A.H),通过插入数量来改变容量。
3、可适配多种电池：针对不同种类的电池组硬件上可以无缝对接，只需要修改固件即可。
附图说明
图1为现有的电池产品的结构示意图。
图2为本发明一种可扩展模块化动力电池系统一种实施例的框架结构及工作原理示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明做进一步的说明，但不应以此来限制本发明的保护范围。
为了方便说明并且理解本发明的技术方案，以下说明所使用的方位词均以附图所展示的方位为准。
一种可扩展模块化动力电池系统(简称电池系统，参见图1-2)，其特征在于，包含N个电池组，每个电池组对应的配置有一个MOS管和一个电量计；还包含有一个CPU、一个开关、一个充电电路、一个充电接口、一个过流保护电路和一个放电接口。每一个电池组的电源端与MOS管的S级相连，电池组的GPIO连接至CPU，用作插入检测；每一个MOS管的G极与CPU相连，其D极与电量计相连，电量计上还设置有两个线路，一路为I2C总线，与CPU相连，另一路与开关相连。开关设置有导线与CPU的GPIO引脚相连，充电电路、过流保护电路分别接入到开关上，充电电路上设置有充电接口，过流保护电路设置有放电接口。
本发明设计的电池系统每个电池通过MOS管进行开、关控制，通过电量计测量实时电量，MOS管的G极接至CPU的管脚上来控制开启和关断，通过CPU的I2C接口读取每一个电量计的实时数据用来监测插入电池的实时电量。若电池的充电和放电为一个接口，这样充放电不能同时进行，为了产品的便捷性，通过一个分路开关将充电接口和放电接口分开。并且，该电池系统包含过流保护电路等保护措施。
本发明电池系统在应用时，可根据最大电池电量需求预先设置电池组接入组件，在实际应用时，可根据临时需要来增、减插入电池组的数量。
如图2所示，该电池系统最多可以支持五个电池组同时插入的方式，最终以一个充电和一个放电接口接入产品的电源系统。该五个电池组的电量为叠加关系，每个电池组采用42V/24A.H设计，该电池系统最大支持容量为42V/120A.H。实际使用的时候根据产品不同的应用场景来适配相应的容量，因此根据插入不同数量的电池组会有五种情况。为了方便管理，每个电池组都配备了一个电量计，CPU通过插入检测信号分辨出当前插入电池组的数量，通过I2C接口读取出每个电池组的实时电量并通过电量融合算法进行整合，最后通过I2C接口将融合过的电量信息发送给系统进行读取。电量融合算法解决了不定数量电池组电量比例的准确读取。
本发明电池系统中的各个电池组按顺序进行充电或者放电处理，即当一个电池组进行充电或者放电时其余电池组为截止状态即可避免大电流回灌现象。如图2所示，每个电池组前端都设置有一个MOS管，通过CPU的GPIO管脚即可控制MOS管的开、关，即电池组的导通或者截止。在实际工作时，只有一个MOS管是导通状态，CPU通过电量计确认该电池组的实时电量，当电池组没电或者充满电时关闭该电池组的MOS管，同时打开下一个电池组，之后操作完全相同。
本实施例中，开关采用晶闸管；本发明电池系统采用晶闸管和电流计来监测实时的充放电电流和控制关断。正常使用时，晶闸管保持道通状态，当检测到电流超过阈值时，晶闸管马上切断从而对电池组进行保护，防止大电流冲击，损坏电池组。
本发明电池系统，可通过修改固件参数规格，可适用于不同种类的电池组，如锂电池组、铅蓄电池或者其他种类电池组。例如，对于电池组插入端也是采用30V-50V的宽电压输入，可以兼容不同种类的电池，只是在电量读取和融合的过程要考虑到锂电池、铅蓄电池等电池之间的电压不同参数也不同，但只需要修改固件即可，硬件上则可以无缝对接。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (9)

1.一种可扩展模块化动力电池系统，其特征在于，包含N个电池组，每个电池组对应的配置有一个MOS管和一个电量计；还包含有一个CPU、一个开关、一个充电电路、一个充电接口、一个过流保护电路和一个放电接口；每一个电池组的电源端与MOS管的S级相连，电池组的GPIO连接至CPU，用作插入检测；每一个电池组一端与MOS管的S极相连，另一端接入到CPU上；每一个MOS管的G极与CPU相连，其D极与电量计相连，电量计上还设置有两个线路，一路为I2C总线，与CPU相连，另一路与开关相连；开关设置有导线与CPU的GPIO引脚相连，充电电路、过流保护电路分别接入到开关上，充电电路上设置有充电接口，过流保护电路上设置有放电接口。
2.根据权利要求1所述的一种可扩展模块化动力电池系统，其特征在于，所述开关为晶闸管；正常使用时，晶闸管保持道通状态，当电量计检测到电流超过阈值时，晶闸管马上切断从而对电池组进行保护，防止大电流冲击，损坏电池组。
3.根据权利要求1所述的一种可扩展模块化动力电池系统，其特征在于，电池系统中的各个电池组按顺序进行充电或者放电处理，即当一个电池组进行充电或者放电时，其余电池组为截止状态，可避免大电流回灌现象。
4.根据权利要求1所述的一种可扩展模块化动力电池系统，其特征在于，通过CPU的GPIO管脚即可控制MOS管的开关，即电池组的导通或者截止；在实际工作时，只有一个MOS管是导通状态，CPU通过电量计确认该电池组的实时电量，当电池组没电或者充满电时关闭该电池组对应的MOS管，同时打开下一个电池组，之后操作完全相同。
5.根据权利要求1所述的一种可扩展模块化动力电池系统，其特征在于，CPU通过插入检测信号分辨出当前插入电池组的数量，并通过I2C接口读取出每个电池组的实时电量并通过电量融合算法进行整合，最后通过I2C接口将融合过的电量信息发送给系统进行读取。
6.根据权利要求1所述的一种可扩展模块化动力电池系统，其特征在于，所述电池组个数N为5。
7.根据权利要求1或6任一项所述的一种可扩展模块化动力电池系统，其特征在于，所述电池组每一个的容量为42V/24A.H。
8.根据权利要求1或6任一项所述的一种可扩展模块化动力电池系统，其特征在于，所述电池组的种类不受限制。
9.根据权利要求1或6任一项所述的一种可扩展模块化动力电池系统，其特征在于，所述电池组为锂电池组、铅蓄电池组中的一种。
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