CN110265738A - 锂电池组控制系统及锂电池和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂电池组控制系统及锂电池和控制方法，属于锂电池领域。采用的技术方案是：包括微控制单元，在锂电池组内设有温度采集电路、均衡电路、电压采集前端电路和加热膜温度采集电路，锂电池组按顺序从负极端到负载端串联接入放电过流短路采集电路、放电MOSFET开关、充电MOSFET开关和充电过流检测电路，温度采集电路、均衡电路、电压采集前端电路接入微控制单元的信号输入端，微控制单元的信号输出端接入通讯电路、电量状态电路、RS485通讯电路、UART通讯电路和加热控制电路。可以实现电池组蓝牙（或物联网）功能、低温保护功能、低温加热功能、低压保护功能、充电限流功能，能够提高锂电池的使用寿命。

Description

锂电池组控制系统及锂电池和控制方法
技术领域
本发明涉及一种锂电池组控制系统及锂电池和控制方法，属于锂电池领域。
背景技术
近几年来，国家已经将新能源-锂电池列为战略性新兴产业。中国锂电池行业随之突飞猛进发展，锂电池市场也带来了多样化发展，需求日益增加。电动工具、电动叉车、电动自行车、电动汽车所使用的电池也逐渐要被锂电池替换。但目前市场上的锂离子电池只能盲目的使用，根本不了解电池的状态。目前市场上所谓的锂离子电池基本上都是使用硬件保护板，此类锂离子电池不能满足市场多元化的需求，不能完美的实现各种使用的替代需求。低温寒冷地区、电池组的串并联、电池组内部状态及与设备通讯等都需要定制开发，客户长期不维护造成的电池组事故也层出不穷。
发明内容
本专利提供一种锂电池组控制系统及锂电池和控制方法，实现电池组的通讯联网控制、低温保护、低温加热、低压禁充保护、充电限流功能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
锂电池组控制系统，包括微控制单元，在锂电池组内设有温度采集电路、均衡电路、电压采集前端电路和加热膜温度采集电路，锂电池组按顺序从负极端到负载端串联接入放电过流短路采集电路、放电MOSFET开关、充电MOSFET开关和充电过流检测电路，温度采集电路、均衡电路、电压采集前端电路接入微控制单元的信号输入端，微控制单元的信号输出端接入通讯电路、电量状态电路、UART通讯电路和加热控制电路，通讯电路设有RS485通讯接口，电量状态电路连接有LED指示灯，UART通讯电路连接蓝牙通讯模块，加热控制电路连接加热膜的电源输入接口。
作为优选，微控制单元输出端和电压采集电路还连接有两组MOSFET驱动电路，两组MOSFET驱动电路分别连接放电MOSFET开关、充电MOSFET开关，放电MOSFET开关还并联有预放电控制电路，充电MOSFET开关还并联有充电限流控制电路，
作为优选，锂电池组的正极接入MCU电源电路和通讯隔离电源，MCU电源电路接入微控制单元并为微控制单元提供电能，通讯隔离电源接入通讯电路并为通讯电路提供电源。
设有锂电池组控制系统锂电池，锂电池包括至少一个锂电池组和锂电池组控制系统，锂电池组控制系统中的各电路连接于锂电池组的正极及负极，所述加热膜包裹锂电池组，锂电池上设置RS485通讯接口、LED指示灯和蓝牙通讯模块。
作为优选，锂电池包括多个锂电池组和锂电池组控制系统，多个锂电池组之间串联或并联后与锂电池组控制系统相连组成完整的锂电池。
作为优选，锂电池上还设置有物联网模块，物联网模块设置在RS485通讯接口上，锂电池组控制系统设有MOS温度采集电路并接入微控制单元。
控制锂电池的控制方法，包括以下控制内容，锂电池组控制系统采样锂电池组电压、温度、电流信号并传递给微控制单元，微控制单元对采样前端传过来的数据进行分析、处理，启动或关闭对应的保护电路，将数据通过通讯电路及通讯电路传递出来，并将上述数据通过内部设定的参数进行对比分析。
进一步的，通讯电路通过RS485通讯接口将锂电池组的电压、温度、电流实时状态通过报文传递出来，接受终端根据通讯协议解读出锂电池组的相关数据信息。
进一步的，UART通讯电路通过蓝牙模块将锂电池组的电压、温度、电流信息传递出来，蓝牙信号接受终端接受上述信号并实时查看电池组的相关数据及状态。
在进一步的，包括以下控制内容，
1)充电温度保护：充电过程中，温度采集电路采集锂电池组温度，并将锂电池组的温度反馈给为微控制单元，微控制单元对此时锂电池温度与设定温度进行对比，并根据比对结果向充电MOSFET开关发出打开或关闭控制信息，充电MOSFET开关打开则允许充电，充电MOSFET开关关闭则禁止充电；
2)放电温度保护：放电过程中，温度采集电路采集锂电池组温度，并在锂电池组的温度反馈给为控制单元，微控制单元对此时锂电池温度与设定温度进行对比，并根据比对结果向放电MOSFET开关发出打开或关闭控制信息，放电MOSFET开关打开则允许充电，放电MOSFET开关关闭则禁止充电；
3)锂电池低温加热：充电时，温度采集电路采集锂电池组温度，并将锂电池组的温度反馈给为微控制单元，根据电池组的温度，微控制单元发出指令启动加热电路或者关闭加热电路；
4)低压禁止充电：当电压采集前端电路反馈电池组的最低单体电压低于禁止充电电压时，微控制单元发出指令，关闭充充电MOSFET开关，此时电池组禁止充电；
5)充电限流：充电时，充电过流检测电路监测到充电电流大于设定值时，微控制单元发出启动充电限流信号，充电MOSFET开关关闭，停止充电。
本发明的优点在于：可满足市场多元化的需求，本产品能够替代目前市场上的多数锂电池及控制系统，可以实现电池组的串联功能、并联功能、通讯功能、蓝牙（或物联网）功能、低温保护功能、低温加热功能、低压保护（禁止充电）功能、充电限流功能，能够提高锂电池的使用寿命，保护措施完善，安全性能好，符合市场各种使用需求。
附图说明
图1是本发明的连接关系图。
具体实施方式
下面对本发明的具体结构进行进一步的说明：
本发明锂电池组控制系统，主要包括微控制单元，具体为在锂电池组内设有温度采集电路、均衡电路、电压采集前端电路和加热膜温度采集电路，锂电池组按顺序从负极端到负载端串联接入放电过流短路采集电路、放电MOSFET开关、充电MOSFET开关和充电过流检测电路，温度采集电路、均衡电路、电压采集前端电路接入微控制单元的信号输入端，微控制单元的信号输出端接入通讯电路、电量状态电路、UART通讯电路和加热控制电路，通讯电路设有RS485通讯接口，电量状态电路连接有LED指示灯，UART通讯电路连接蓝牙通讯模块，加热控制电路连接加热膜的电源输入接口。物联网模块设置在RS485通讯接口上，锂电池组控制系统设有MOS温度采集电路并接入微控制单元。
锂电池组控制系统对锂电池的充电和放电主要根据放电MOSFET开关、充电MOSFET开关的开关状态来实现，放电MOSFET开关、充电MOSFET开关通过MOSFET驱动电路来控制，因为在微控制单元输出端和电压采集电路还连接有两组MOSFET驱动电路，两组MOSFET驱动电路分别连接放电MOSFET开关、充电MOSFET开关，放电MOSFET开关还并联有预放电控制电路，充电MOSFET开关还并联有充电限流控制电路，
锂电池组的正极接入MCU电源电路和通讯隔离电源，MCU电源电路接入微控制单元并为微控制单元提供电能，通讯隔离电源接入通讯电路并为通讯电路提供电源。
本系统中选用的MOSFET驱动电路和对应的开关需满足高耐压、低内阻、瞬间电流承载能力强的要求，以满足电池组的串并联功能。通讯电路的供电采用隔离电路设计，提高通讯的安全稳定性。
温度采集探头使用高B值的热敏电阻，电阻阻值精度1%，程序通过运算后，温度采集误差应小于2℃。物联网模块要求支持目前的数据卡，方便推广使用。蓝牙通讯能够支持安卓及IOS系统，便于利用现有的手持终端对电池进行监控。
本发明的另一种保护实施例为设有锂电池组控制系统的锂电池，锂电池包括一个锂电池和上述的锂电池组控制系统，多个锂电池组之间串联或并联后与锂电池组控制系统相连组成完整的锂电池。锂电池组控制系统中的均衡电路、电压采集前端电路连接于锂电池组的正极及负极。加热膜包裹锂电池组，加热膜温度采集电路设置在加热膜上，锂电池上设置RS485通讯接口、LED指示灯和蓝牙通讯模块。
本发明的另一种保护实施例为通过控制系统对锂电池控制的方法，
包括以下控制内容，锂电池组控制系统采样锂电池组电压、温度、电流信号并传递给微控制单元，微控制单元对采样前端传过来的数据进行分析、处理，启动或关闭对应的保护电路，将数据通过通讯电路及通讯电路传递出来，并将上述数据通过内部设定的参数进行对比分析。
通讯电路通过RS485通讯接口将锂电池组的电压、温度、电流实时状态通过报文传递出来，接受终端根据通讯协议解读出锂电池组的相关数据信息。UART通讯电路通过蓝牙模块将锂电池组的电压、温度、电流信息传递出来，蓝牙信号接受终端接受上述信号并实时查看电池组的相关数据及状态。
控制方法实施说明：
1）锂电池充电温度保护：充电过程中，温度采集电路采集到的锂电池组温度低于充电低温保护范围反馈给MCU，微控制单元发出指令关闭充电MOSFET开关，此时锂电池组禁止充电；温度采集电路反馈锂电池组的温度高于充电低温保护解除温度时，微控制单元发出指令打开MOSFET开关，此时锂电池组允许充电；当温度采集电路反馈电池组的温度高于充电高温保护时，微控制单元发出指令，关闭充电MOSFET开关，此时锂电池组禁止充电；当温度采集电路反馈锂电池组的温度低于充电高温保护解除温度时，微控制单元发出指令，打开充电MOSFET开关，此时电池组允许充电；
2）锂电池放电温度保护，放电过程中，温度采集电路采集锂电池组温度，并在锂电池组的温度低于放电低温保护范围时间温度反馈给MCU，微控制单元发出指令关闭放电MOSFET开关，此时锂电池组禁止放电；温度采集电路反馈锂电池组的温度高于放电低温保护解除温度时，微控制单元发出指令打开放电MOSFET开关，此时锂电池组允许放电；当温度采集电路反馈电池组的温度高于放电高温保护时，微控制单元发出指令，关闭放电MOSFET开关，此时锂电池组禁止放电；当温度采集电路反馈锂电池组的温度低于放电高温保护解除温度时，微控制单元发出指令，打开放电MOSFET开关，此时电池组允许放电；
3）MOSFET驱动电路温度保护：当MOS温度采集电路反馈MOSFET驱动电路的温度低于MOS低温保护时，微控制单元发出指令，关闭放电MOSFET开关、充电MOSFET开关，此时电池组禁止充放电；当MOS温度采集电路反馈MOSFET驱动电路的温度高于MOS低温保护解除温度时，微控制单元发出指令，打开放电MOSFET开关、充电MOSFET开关，此时锂电池组允许充放电；当MOS温度采集电路反馈MOSFET驱动电路的温度高于MOS高温保护时，微控制单元发出指令，关闭放电MOSFET开关、充电MOSFET开关，此时锂电池组禁止充放电；当采集电路反馈MOS的温度低于MOS低温保护解除温度时，微控制单元发出指令，打开放电MOSFET开关、充电MOSFET开关，此时电池组允许充放电；
4）低温加热：该功能仅充电时启用，当温度采集电路反馈电池组的温度低于低温加热启动温度时，微控制单元发出指令，启动加热电路，给电池组加热；当温度采集电路反馈电池组的温度高于低温加热结束温度时，微控制单元发出指令，关闭加热电路，电池组停止加热；电池组在加热的过程中，当温度采集电路反馈加热膜的温度高于加热膜高温保护温度时，微控制单元发出指令，关闭加热电路，电池组停止加热；加热电路关闭后，加热膜温度下降，当温度采集电路反馈加热膜的温度低于加热膜高温保护恢复温度时，微控制单元发出指令，重新打开加热电路，电池组加热；
5）低压禁止充电功能：当温度采集电路反馈电池组的最低单体电压低于禁止充电电压时，微控制单元发出指令，关闭充电MOSFET开关，此时电池组禁止充电，当电芯电压低于禁止充电电压时，说明电芯存在安全隐患，电池组禁止使用，需要及时更换新的电池组；
6）充电限流功能：充电限流功能主要是限制充电电流，有效的保护充电MOSFET开关，电限流绝大多数用在电池组并联。本装置运用充电限流主要分为以下几种情况：（a）电池组并联且容量较小，直接使用充电限流模块，（b）电池组并联且电池组容量大，通过程序设定，充电电流大于设定值时启动充电限流，反之，以实际电流充电，（c）电池组串联，串联充电时若电池组处于充电低温加热启动临界点，部分电池启动加热膜，电池组的实际充电电流不一致会造成电池组容量偏差，为了保证电池组容量的一致性，微控单元应控制开启限流模块，保证串联电路的不同电池组充电电流一致，保证电池组的一致性。
充电过流功能：充电过流功能主要应用于电池组并联，由于并联前电池组电压不一致，会造成互相充电，微控单元检测充电电流，瞬间充电电流过大时，微控单元会发出关闭导致充电MOSFET开关的指令，以避免充电MOSFET开关击穿。

Claims (9)

1.一种锂电池组控制系统，其特征是，包括微控制单元，在锂电池组内设有温度采集电路、均衡电路、电压采集前端电路和加热膜温度采集电路，锂电池组按顺序从负极端到负载端串联接入放电过流短路采集电路、放电MOSFET开关、充电MOSFET开关和充电过流检测电路，温度采集电路、均衡电路、电压采集前端电路接入微控制单元的信号输入端，微控制单元的信号输出端接入通讯电路、电量状态电路、UART通讯电路和加热控制电路，通讯电路设有RS485通讯接口，电量状态电路连接有LED指示灯，UART通讯电路连接蓝牙通讯模块，加热控制电路连接加热膜的电源输入接口。
2.根据权利要求1所述的锂电池组控制系统，其特征是，微控制单元输出端和电压采集电路还连接有两组MOSFET驱动电路，两组MOSFET驱动电路分别连接放电MOSFET开关、充电MOSFET开关，放电MOSFET开关还并联有预放电控制电路，充电MOSFET开关还并联有充电限流控制电路，
根据权利要求1所述的锂电池组控制系统，其特征是，锂电池组的正极接入MCU电源电路和通讯隔离电源，MCU电源电路接入微控制单元并为微控制单元提供电能，通讯隔离电源接入通讯电路并为通讯电路提供电源。
3.一种设有权利要求1所述的锂电池组控制系统的锂电池，其特征是，锂电池包括至少一个锂电池组和锂电池组控制系统，锂电池组控制系统中的各电路连接于锂电池组的正极及负极，所述加热膜包裹锂电池组，锂电池上设置RS485通讯接口、LED指示灯和蓝牙通讯模块。
4.根据权利要求5所述的锂电池，其特征是，锂电池包括多个锂电池组和锂电池组控制系统，多个锂电池组之间串联或并联后与锂电池组控制系统相连组成完整的锂电池。
5.根据权利要求4所述的锂电池，其特征是，锂电池上还设置有物联网模块，物联网模块设置在RS485(UART)通讯接口上，锂电池组控制系统设有MOS温度采集电路并接入微控制单元。
6.一种控制权利要求4所述的锂电池的控制方法，其特征是，包括以下控制内容，锂电池组控制系统采样锂电池组电压、温度、电流信号并传递给微控制单元，微控制单元对采样前端传过来的数据进行分析、处理，启动或关闭对应的保护电路，将数据通过通讯电路及通讯电路传递出来，并将上述数据通过内部设定的参数进行对比分析。
7.根据权利要求7所述的锂电池的控制方法，其特征是，通讯电路通过RS485通讯接口将锂电池组的电压、温度、电流实时状态通过报文传递出来，接受终端根据通讯协议解读出锂电池组的相关数据信息。
8.根据权利要求7所述的锂电池的控制方法，其特征是，UART通讯电路通过蓝牙模块将锂电池组的电压、温度、电流信息传递出来，蓝牙信号接受终端接受上述信号并实时查看电池组的相关数据及状态。
9.根据权利要求7所述的锂电池的控制方法，其特征是，包括以下控制内容，
充电温度保护：充电过程中，温度采集电路采集锂电池组温度，并将锂电池组的温度反馈给为微控制单元，微控制单元对此时锂电池温度与设定温度进行对比，并根据比对结果向充电MOSFET开关发出打开或关闭控制信息，充电MOSFET开关打开则允许充电，充电MOSFET开关关闭则禁止充电；
放电温度保护：放电过程中，温度采集电路采集锂电池组温度，并在锂电池组的温度反馈给为控制单元，微控制单元对此时锂电池温度与设定温度进行对比，并根据比对结果向放电MOSFET开关发出打开或关闭控制信息，放电MOSFET开关打开则允许充电，放电MOSFET开关关闭则禁止充电；
锂电池低温加热：充电时，温度采集电路采集锂电池组温度，并将锂电池组的温度反馈给为微控制单元，根据电池组的温度，微控制单元发出指令启动加热电路或者关闭加热电路；
低压禁止充电：当电压采集前端电路反馈电池组的最低单体电压低于禁止充电电压时，微控制单元发出指令，关闭充充电MOSFET开关，此时电池组禁止充电,此时电池组默认不可继续使用，保障用户安全，减少损失；
充电限流：充电时，充电过流检测电路监测到充电电流大于设定值时，微控制单元发出启动充电限流信号，充电MOSFET开关关闭，打开充电限流模块，以限流模块的限流电流继续充电。
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