CN110085926B - 一种具有自修复功能的锂电池系统及其自修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自修复功能的锂电池系统及其自修复方法,属于电池故障修复领域,锂电池系统包括双向DC‑DC变换器、超级电容组、处理器、电池检测模块、由多节锂电池和多个开关组成的电池组,超级电容组用于为双向DC‑DC变换器提供电能;电池检测模块用于检测电池组中每一节锂电池的状态数据;状态数据为故障或者正常;当状态数据为故障时,处理器通过控制电池组中多个开关的导通和关断使得双向DC‑DC变换器代替故障锂电池。当系统中出现故障锂电池时,系统对外供电异常,自修复功能是指系统能自动修复对外供电异常,本发明在检测到故障锂电池后用双向DC‑DC变换器代替故障锂电池,使得系统对外供电上恢复正常,具有自修复功能。
Description
技术领域
本发明属于电池故障修复领域,更具体地,涉及一种具有自修复功能的锂电池系统及其自修复方法。
背景技术
电动汽车作为清洁、节能的新型交通工具,已经受到世界各国的政府、学术界、工业界的重视,它在行驶过程中没有污染或排放比传统汽车低,噪音小,节能环保。
电动汽车中普遍采用锂电池系统,一般锂电池系统是将电池电芯直接串联在一起,每个串联节点通过一根导线引出用于测定每节电芯的电压。一般锂电池系统的不足:1、当电池组中的某一节电芯出现故障时,其电学外特性发生改变,使整个电池组的输出电压产生不可预测的波动。2、故障电芯在被发现后仍与电池系统保持电气连接,使电池系统功率输出异常。3、出现故障电芯后,电池系统无法对其进行修复或替代。电池病态工作使得整个电池系统正常工作时间下降,寿命降低。4、电池的更换必须在系统断电的情况下进行,给维护带来不便,使整体性能下降。
由此可见,现有的锂电池系统在单个电池故障后存在输出电压波动、功率输出异常、性能下降、寿命降低的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种具有自修复功能的锂电池系统及其自修复方法,由此解决现有的锂电池系统在单个电池故障后存在输出电压波动、功率输出异常、性能下降、寿命降低的技术问题。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种具有自修复功能的锂电池系统,包括:双向DC-DC变换器、超级电容组、处理器、电池检测模块、由多节锂电池和多个开关组成的电池组。
所述双向DC-DC变换器的高压侧与电池组连接,所述双向DC-DC变换器的低压侧与超级电容组连接;超级电容组用于为双向DC-DC变换器提供电能;
所述电池检测模块一端与电池组中的锂电池连接,另一端与处理器连接,电池检测模块用于检测电池组中每一节锂电池的状态数据并传输至处理器;所述状态数据为故障或者正常;
所述处理器分别与双向DC-DC变换器、电池组中的开关和电池检测模块连接,处理器用于根据状态数据控制电池组中多个开关的导通和关断,当状态数据为故障时,通过控制电池组中多个开关的导通和关断使得双向 DC-DC变换器代替故障锂电池。
进一步地,电池组包括N节锂电池与3N+1个开关构成,其中N+1个开关与N节锂电池交替串联组成串联体,串联体顶层与电池组的正极相连,串联体底层与电池组的负极相连;除位于串联体底层的一节锂电池外,其余锂电池负极均通过一个开关与电池组控制端正极相连;除位于串联体顶层的一节锂电池外,其余锂电池正极均通过一个开关与电池组控制端负极相连;串联体顶层通过一个开关与电池组控制端正极相连;串联体底层通过一个开关与电池组控制端负极相连。
进一步地,双向DC-DC变换器的高压侧正极与电池组控制端正极连接,所述双向DC-DC变换器的高压侧负极与电池组控制端负极连接,所述双向 DC-DC变换器的低压侧正极与超级电容组正输出端连接,所述双向DC-DC 变换器的低压侧负极与超级电容组负输出端连接。
进一步地,双向DC-DC变换器采用隔离式双向全桥拓扑,双向DC-DC 变换器包括低压侧、高频变压器、高压侧和输出电容,低压侧和高压侧均包括四个NMOS晶体管构成的H桥,高频变压器位于低压侧和高压侧之间,输出电容正极与高压侧正极连接,输出电容负极与高压侧负极连接。
进一步地,超级电容组由多个双电层超级电容器并联构成。
进一步地,开关由两个NMOS晶体管背靠背源极相连、栅极相连构成,开关中两个NMOS晶体管的漏极作为端点与锂电池的电极连接,开关中两个NMOS晶体管的栅极作为开关控制端与处理器相连。
按照本发明的另一方面,提供了一种锂电池系统的自修复方法,包括如下步骤:
外部电源在对电池组充电时,同时对超级电容组充电;
电池组正常工作对外放电时,电池检测模块检测电池组中锂电池的状态数据,将状态数据传输至处理器,当电池组中某一节锂电池的状态数据为故障时,处理器控制故障锂电池前一节锂电池负极与电池组控制端正极之间连接的开关导通、控制故障锂电池后一节锂电池正极与电池组控制端负极之间连接的开关导通,同时控制与故障锂电池正极连接的开关关断、控制与故障锂电池负极连接的开关关断;使得以超级电容组供电的双向 DC-DC变换器代替故障锂电池,实现锂电池系统的自修复。
进一步地,处理器控制开关导通的步骤为:处理器输出高电平到开关 Vg引脚,输出低电平到开关Vs引脚;所述处理器控制开关关断的步骤为:处理器同时输出低电平到开关Vg引脚和开关Vs引脚。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
(1)当系统中出现故障锂电池时,系统对外供电异常,自修复功能是指系统能自动修复对外供电异常,本发明系统在检测到故障锂电池后控制用超级电容组供电的双向DC-DC变换器代替故障锂电池,使得系统对外供电上恢复正常,具有自修复功能。使得锂电池系统在单个电池故障后输出电压不变、功率输出不变,提高了锂电池系统的性能和寿命。
(2)本发明通过控制电池组中开关的导通和关断,将故障锂电池从电池组中剔除,并代之以超级电容组供能的双向DC-DC变换器,保持系统整体电压不变。电池组采用锂电池与开关相结合的结构能在发现故障锂电池时完全切断故障锂电池与系统的电气连接,从而使系统自动恢复正常功率输出。同时,可在任何时间任何工作状态下对故障锂电池进行更换,维护简单。
(3)本发明中双向DC-DC变换器采用隔离式双向全桥拓扑,从而实现超级电容组与电池组间耦合时的大范围变压,且功率器件的电压电流应力小,传输功率高。超级电容组采用双电层电容,其极高的充电速度与功率密度能保证故障锂电池被剔除后系统仍能以正常状态下的功率长时间对外输出。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种具有自修复功能的锂电池系统的电路原理图;
图2是本发明实施例提供的开关的电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示,一种具有自修复功能的锂电池系统,包括:双向DC-DC 变换器、超级电容组、处理器、电池检测模块、由多节锂电池和多个开关组成的电池组。
双向DC-DC变换器的高压侧正极与电池组控制端正极连接,所述双向 DC-DC变换器的高压侧负极与电池组控制端负极连接,所述双向DC-DC 变换器的低压侧正极与超级电容组正输出端连接,所述双向DC-DC变换器的低压侧负极与超级电容组负输出端连接;超级电容组用于为双向DC-DC 变换器提供电能,超级电容组由多个双电层超级电容器并联构成。
所述电池检测模块一端与电池组中的锂电池连接,另一端与处理器连接,电池检测模块用于检测电池组中每一节锂电池的状态数据并传输至处理器;所述状态数据为故障或者正常;
所述处理器分别与双向DC-DC变换器、电池组中的开关和电池检测模块连接,处理器用于根据状态数据控制电池组中多个开关的导通和关断,当状态数据为故障时,通过控制电池组中多个开关的导通和关断使得双向 DC-DC变换器代替故障锂电池。
电池组包括N节锂电池与3N+1个开关构成,其中N+1个开关与N节锂电池交替串联组成串联体,串联体顶层与电池组的正极相连,串联体底层与电池组的负极相连;除位于串联体底层的一节锂电池外,其余锂电池负极均通过一个开关与电池组控制端正极相连;除位于串联体顶层的一节锂电池外,其余锂电池正极均通过一个开关与电池组控制端负极相连;串联体顶层通过一个开关与电池组控制端正极相连;串联体底层通过一个开关与电池组控制端负极相连。N≥2。
双向DC-DC变换器采用隔离式双向全桥拓扑,双向DC-DC变换器包括低压侧、高频变压器、高压侧和输出电容,低压侧和高压侧均包括四个 NMOS晶体管构成的H桥,高频变压器位于低压侧和高压侧之间,输出电容正极与高压侧正极连接,输出电容负极与高压侧负极连接。
如图2所示,开关由两个NMOS晶体管背靠背源极相连、栅极相连构成,开关中两个NMOS晶体管的漏极作为端点与锂电池的电极连接,开关中两个NMOS晶体管的栅极作为开关控制端与处理器相连。
实施例1
一种具有自修复功能的锂电池系统,包括:
电池组,所述电池组正输出端和负输出端连接负载;双向DC-DC变换器;所述双向DC-DC变换器高压侧正极连接电池组控制端正极,高压侧负极连接电池组控制端负极;超级电容组,所述超级电容组正输出端与双向 DC-DC变换器低压侧一端相连,负输出端与双向DC-DC变换器低压侧另一端相连;处理器,所述处理器控制端分别与DC-DC变换器控制端、电池组开关控制端、电池检测模块信号输出端相连;电池检测模块,所述电池检测模块信号输入端与电池组中的锂电池相连。
所述电池组由4节硬壳磷酸铁锂电池与13个开关构成,其中5个开关 S1~S5与4节锂电池BT1~BT4交替串联,开关S1与电池组的正极相连, S5与电池组的负极相连;BT1~BT3负极分别通过S7、S9、S11与电池组控制端正极相连;BT2~BT4正极分别通过S8、S10、S12与电池组控制端负极相连。S6连接电池组正极与电池组控制端正极,S13连接电池组负极与电池组控制端负极。所述双向DC-DC变换器采用隔离式双向全桥拓扑,由两组四个NMOS晶体管构成的H桥、高频变压器和输出电容构成,输出电容正极与高压侧正极连接,输出电容负极与高压侧负极连接。所述双向 DC-DC变换器中的NMOS晶体管型号为IRF540N。所述超级电容组由6 个双电层超级电容器并联构成。所述开关包括两个型号为CSD18504的 NMOS晶体管背靠背源极相连、栅极相连,漏极作为端点与电池电极连接,栅极作为开关控制端与处理器相连。所述处理器的信号输入端口与电池检测模块通过信号线相连,收集每块锂电池的状态数据;输出端口与双向 DC-DC变换器的桥臂相连,通过调节输出信号的占空比控制双向DC-DC 变换器的变压比;处理器通过SPI总线与开关控制端连接,控制电池组中开关的通断,所述处理器的型号为STM32F103。所述电池检测模块为超声采集卡,通过向贴在锂电池一侧的换能片发送单周期脉冲信号同时接收另一侧换能片的受迫振动信号来获得锂电池的状态数据。
实施例2
一种具有自修复功能的锂电池系统的自修复方法,包括如下步骤:
电池组充电时,S1~S5、S6、S13闭合,处理器通过控制输出到双向 DC-DC变换器H桥NMOS晶体管栅极信号的占空比实现降压充电,外部电源在对电池组充电的同时对超级电容组充电。充电结束后,S6~S13断开。电池组正常工作对外放电时,电池检测模块检测电池组中锂电池的状态数据,将状态数据传递给处理器,使处理器获得每节锂电池的状态数据;根据每节锂电池的状态数据,处理器控制S1~S13的导通和关断。其中,根据每节锂电池的状态数据,控制电池组中开关的导通和关断的步骤为:当检测到电芯BT2故障时,处理器控制S7、S10导通,调节输出到双向DC-DC 变换器H桥NMOS晶体管栅极信号的占空比使得双向DC-DC变换器输出电压与BT2正常工作时的电压相等,同时控制S2、S3关断。其中,所述处理器控制开关导通的步骤为:处理器输出高电平到开关Vg引脚,输出低电平到开关Vs引脚。所述处理器控制开关关断的步骤为:处理器同时输出低电平到开关Vg、Vs引脚。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,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、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有自修复功能的锂电池系统,其特征在于,包括:双向DC-DC变换器、超级电容组、处理器、电池检测模块、由多节锂电池和多个开关组成的电池组,
所述双向DC-DC变换器的高压侧与电池组连接,所述双向DC-DC变换器的低压侧与超级电容组连接;超级电容组用于为双向DC-DC变换器提供电能;
所述电池检测模块一端与电池组中的锂电池连接,另一端与处理器连接,电池检测模块用于检测电池组中每一节锂电池的状态数据并传输至处理器;所述状态数据为故障或者正常;
所述处理器分别与双向DC-DC变换器、电池组中的开关和电池检测模块连接,处理器用于根据状态数据控制电池组中多个开关的导通和关断,当状态数据为故障时,通过控制电池组中多个开关的导通和关断使得双向DC-DC变换器代替故障锂电池;
所述双向DC-DC变换器采用隔离式双向全桥拓扑,双向DC-DC变换器包括低压侧、高频变压器、高压侧和输出电容,低压侧和高压侧均包括四个NMOS晶体管构成的H桥,高频变压器位于低压侧和高压侧之间,输出电容正极与高压侧正极连接,输出电容负极与高压侧负极连接;
所述超级电容组由多个双电层超级电容器并联构成。
2.如权利要求1所述的锂电池系统,其特征在于,所述电池组包括N节锂电池与3N+1个开关构成,其中N+1个开关与N节锂电池交替串联组成串联体,串联体顶层与电池组的正极相连,串联体底层与电池组的负极相连;除位于串联体底层的一节锂电池外,其余锂电池负极均通过一个开关与电池组控制端正极相连;除位于串联体顶层的一节锂电池外,其余锂电池正极均通过一个开关与电池组控制端负极相连;串联体顶层通过一个开关与电池组控制端正极相连;串联体底层通过一个开关与电池组控制端负极相连。
3.如权利要求1或2所述的锂电池系统,其特征在于,所述双向DC-DC变换器的高压侧正极与电池组控制端正极连接,所述双向DC-DC变换器的高压侧负极与电池组控制端负极连接,所述双向DC-DC变换器的低压侧正极与超级电容组正输出端连接,所述双向DC-DC变换器的低压侧负极与超级电容组负输出端连接。
4.如权利要求1或2所述的锂电池系统,其特征在于,所述开关由两个NMOS晶体管背靠背源极相连、栅极相连构成,开关中两个NMOS晶体管的漏极作为端点与锂电池的电极连接,开关中两个NMOS晶体管的栅极作为开关控制端与处理器相连。
5.如权利要求1-4任一项所述的锂电池系统的自修复方法,其特征在于,包括如下步骤:
外部电源在对电池组充电时,同时对超级电容组充电;
电池组正常工作对外放电时,电池检测模块检测电池组中锂电池的状态数据,将状态数据传输至处理器,当电池组中某一节锂电池的状态数据为故障时,处理器控制故障锂电池前一节锂电池负极与电池组控制端正极之间连接的开关导通、控制故障锂电池后一节锂电池正极与电池组控制端负极之间连接的开关导通,同时控制与故障锂电池正极连接的开关关断、控制与故障锂电池负极连接的开关关断;使得以超级电容组供电的双向DC-DC变换器代替故障锂电池,实现锂电池系统的自修复。
6.如权利要求5所述的自修复方法,其特征在于,所述处理器控制开关导通的步骤为:处理器输出高电平到开关Vg引脚,输出低电平到开关Vs引脚;所述处理器控制开关关断的步骤为:处理器同时输出低电平到开关Vg引脚和开关Vs引脚。
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