CN111439162B - 一体化集成电池电控系统和含有该电控系统的锂电池组 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种一体化集成电池电控系统和含有该电控系统的锂电池组，该电控系统的印刷电路板组件上集成有BMS控制器，总正开关式半导体器件、总负开关式半导体器件、散热组件、熔断器、分流器；该总正开关式半导体器件和总负开关式半导体器件设置于电池电流输出端的主供电回路，该散热组件对该总正和总负开关式半导体器件散热；该熔断器包括两个铜排和设于两个铜排之间的整块保险片或多条保险丝；该分流器与BMS控制器相连，用于检测电路中的电流大小。新方案高度集成了所有电气元件，减小体积，降低重量，统一接口标准化设计，省去线束及连接器，节约生产工时，提高工作效率，节省了成本，便于大规模化生产，具有巨大的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电池控制领域，尤其涉及锂电池组内的集成化电池包控制装置及整合有该控制装置的锂电池组。
背景技术
新能源汽车正朝着电动化、智能化、轻量化、集成化方向发展，提高乘用车的安全性和续航里程是新能源汽车不断改进的方向。电动车的动力锂电池是汽车的核心部件，其中的高压电气系统包括电池控制器、高压熔断器、高压接触器、预充电阻等众多电气件及铜排线束等繁多附件，存在体积大、质量重、连接点多、布局散乱、统一通用性差，成本较高，效率较低。这些技术瓶颈制约着新能源汽车的发展。
图1为现有技术中传统电池包内部结构，包括电池箱体（1）和锂电池组（2）以及电气元件，电气元件包括机械式接触器I（5）、机械式接触器II（6）、机械式接触器III（8）、预充电阻（7）、霍尔电流传感器（3），熔断器I（4），BMS控制器（9），防爆器（13），总正连接器（10）、总负连接器（11）、外部电源连接器（12），各个电气元件均是散落分布在电池包的电池箱体（1）之中的，且其中各个电气元件存在体积大，成本高，安装及连接繁琐等问题；另外，传统熔断器安装方式都是采用螺丝固定在电池箱体上的方式，体积较大，有的需要配备绝缘底座等附件，结构复杂，安装繁琐，装配所需成本较高；此外，传统的电池充电电路中，为了保护箱体内的电子元件免受大电流冲击而遭到损坏，常常利用机械式接触继电器元件来保证电池组在充电周期内的长时间稳定工作，然而机械式接触继电器元件价格昂贵，生产成本相对较高，且由于机械式接触继电器元件体积较大，不符合电控系统小型化的需求。而本发明技术的提出，旨在通过新的集成一体化结构，制造出满足上述要求的产品。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种一体化集成电池电控系统，尤其是提供一种集成化锂电池包一体化集成电池电控系统，以满足节省体积、成本，提高标准化的要求，以解决现有技术中提及的上述技术问题。
为了达到上述目的，本发明的主要手段是提供一种一体化集成电池电控系统，包括：电控箱体；前面板，所述前面板设置在电控箱体前侧；一块印刷电路板组件；所述印刷电路板组件设置于电控箱体内；所述电控系统通过标准接口直接接入锂电池组，通过前面板固定安装于电池箱体前侧的安装孔中, 所述电控箱体和/或前面板与电池箱体安装处设有防水结构；所述前面板上设置有若干电气件接口，所述电气件接口包括总正连接器、总负连接器；所述印刷电路板组件上集成包括有BMS控制器，总正开关式半导体器件、总负开关式半导体器件、散热组件、熔断器、分流器、预充回路；所述总正开关式半导体器件和总负开关式半导体器件分别设置于电池电流输出端的主供电电路和电流回流端的主回流电路，分别用于控制电池电流输出与回流的通断，所述散热组件对所述总正开关式半导体器件和总负开关式半导体器件散热，保证集成化装置长时间稳定工作；所述熔断器包括两个铜排和设于两个铜排之间的整块保险片或多条保险丝；所述分流器与BMS控制器相连，用于检测电路中的电流大小；其中，内部电池通过所述熔断器、分流器、总正开关式半导体器件、总负开关式半导体器件与所述前面板上的总正连接器、总负连接器电连接，共同形成外接电器件的供电端口；所述预充回路包括预充开关式半导体器件与预充电阻，所述预充开关式半导体器件与预充电阻对应电连接；所述预充开关式半导体器件、总正开关式半导体器件、总负开关式半导体器件采用场效晶体管MOSFET和/或复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
进一步的，所述电控箱体上还设置有散热结构，所述散热结构与所述散热组件匹配连接。
进一步的，所述电控箱体上还设置有防爆器。
优选的，所述防爆器为防爆阀。
进一步的，所述印刷电路板组件还集成有智能电源管理系统，所述智能电源管理系统与智能终端和/或云平台共同组成智能信息交互系统。
优选的，所述智能信息交互系统包括数据采集模块、无线模块、诊断及标定系统和控制器，所述数据采集模块、无线模块、诊断及标定系统均与控制器电连接。
另外，本发明还提供一种集成锂电池组，包括壳体，壳体内设有两个以上单体锂电池串联或并联形成的电池组，以及与电池组连接的前述一体化集成电池电控系统。所述一体化集成电池电控系统设置于所述电池箱体一侧，且所述电气件接口从电池箱体输出。
采用本发明所述的一体化集成电池电控系统和安装有该装置的集成化锂电池包，能够达到以下几点有益效果：
这种“集成化的电池包控制装置”，相比现有市场产品，高度集成了所有电气元件，减小了体积，降低了重量，统一接口标准化设计，省去了线束及连接器，节约了生产工时，提高工作效率，节省了成本，相对节约空间比约70%、重量比约20%，节省出来的空间可以用于布置更多电芯，从而在有限的空间内增加了可容纳的电芯数量，有利于提高电池电量和能量密度，提升续航里程；本发明用安装于主供电电路上的总正开关式半导体器件和安装于主回流电路上的总负开关式半导体器件替代了传统的机械式接触继电器元件，在使电子元件免受大电流冲击的同时，大大减低了产品的生产成本，且印刷电路板上集成设置的散热组件能够对开关式半导体器件进行散热，以确保开关式半导体器件免受过热损坏，从而使电池组在充电周期内能够长时间稳定工作；采用本发明这种新的集成化的熔断器方案，改变了安装方式，减小了体积，成本降低约2/3；通过设置防爆器结构，能够在系统压力大于设定压力时，对电池内部进行快速泄压，防止系统发生爆炸，保证使用安全；而构建由智能电源管理系统、智能终端和/或云平台组成的智能信息交互系统，基于无线通讯技术对电池、手机、云端进行信息互联，便于使用者随时了解电池的工作状态，以及对控制系统进行云端升级，从而实现人-电池互通。因此本发明形成的“一体化集成电池电控系统”和具有该电控系统的锂电池组兼具智能性、安全性和低成本性，便于大规模批量化生产，具有巨大的市场应用前景。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅使本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中传统电池包内部结构示意图；
图2为本发明的集成锂电池组内部结构的示意图；
图3为本发明的集成锂电池组优选实施例的立体视图；
图4（a）为本发明的一体化集成电池电控系统电控箱体第一实施例的主视图；
图4（b）为本发明的一体化集成电池电控系统电控箱体第一实施例的侧视图；
图4（c）为本发明的一体化集成电池电控系统电控箱体第一实施例的后视图（隐去电控箱体后盖）；
图5为本发明的一体化集成电池电控系统第一实施例中印刷电路板前方的立体视图；
图6（a）为本发明一种优选实施例的熔断器的结构示意图；
图6（b）为本发明另一种优选实施例的熔断器的结构示意图；
图7为本发明的一体化集成电池电控系统第二实施例外观示意图；
图8为本发明的一体化集成电池电控系统第三实施例中智能信息交互系统的交互原理图；
图9为本发明的一体化集成电池电控系统的印刷电路板上各电气元件间优选的电路布局图。
附图标记说明：
1. 电池箱体；2. 锂电池组；3. 霍尔电流传感器； 4. 熔断器I； 5. 机械式接触器I； 6. 机械式接触器II； 7. 预充电阻； 8. 机械式接触器III； 9. BMS控制器； 10. 总正连接器； 11. 总负连接器； 12. 外部电源连接器； 13. 防爆器； 14. 一体化集成电池电控系统； 15. 电控箱体； 16. 前面板； 17. 散热片； 18. 防水密封条放置空间； 19.集成化BMS控制器； 20. 熔断器II； 21. 分流器； 22. 总正开关式半导体器件； 23. 总负开关式半导体器件； 24. 铜排； 25. 保险丝； 26. 保险片； 27. 防爆阀。
具体实施方式
下面将接合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2为本发明集成锂电池组内部结构示意图，所述锂电池组整体被简化为电池箱体（1）、锂电池组（2）、一体化集成电池电控系统（14），所述一体化集成电池电控系统（14）设置于所述电池箱体（1）一侧。其中，所有电气元件高度集成在印刷电路板之上，整个集成锂电池组结构摒弃掉大量的线束及连接器，且一体化集成电池电控系统（14）内部不含线束，减小了体积与重量，电池箱体（1）内部空间被大大节约，节省出来的空间可以用于布置更多的电芯，从而在有限的空间内增加了可容纳的电芯数量，有利于提高电池电量和能量密度，提升续航里程；此外，系统对内、对外均采用标准的接口设计方案，集成后只需将一体化集成电池电控系统（14）直接接入锂电池组即可，简化了连接方式；由于省去了大量连接件，无需线束且采取标准化设计可以大大节约生产工时，提升工作效率，大大节省了生产成本，有利于大规模批量化生产。另外，本发明还采用有限元分析软件对一体化集成电池电控系统（14）的结构强度、刚度以及振动模态进行仿真分析和试验测试，在此基础上，对一体化集成电池电控系统（14）进行轻量化设计，采用有限元仿真分析和试验方法对轻量化设计结果进行校核验证，提升产品的可靠性和安全性。
图3为本发明集成锂电池组优选实施例的立体视图，电池箱体（1）整体呈长方体构造，所述一体化集成电池电控系统（14）固定安装于电池箱体（1）前侧的安装孔中，总正连接器（10）、总负连接器（11）、外部电源连接器（12）构成了集成锂电池组的外接电气件接口。此外，所述一体化集成电池电控系统（14）上还集成有防爆器（13）和散热片（17）以提高系统的安全性和散热效果，具体结构将在下文进行详细阐述。
为了更清楚的展示一体化集成电池电控系统的结构与功能特征，下面将着重对一体化集成电池电控系统的结构进行重点介绍。
图4（a）、4（b）、4（c）为本发明一体化集成电池电控系统（14）的电控箱第一实施例的外观示意图，包括电控箱体（15）和前面板（16），所述前面板（16）设置在电控箱体（15）的前侧，所述前面板（16）上设置有总正连接器（10）、总负连接器（11），外部电源连接器（12），散热片（17）；所述一体化集成电池电控系统（14）整体呈长方体结构，尺寸为360*120*48.24（mm），所述前面板（16）四周延伸超出电控箱体边缘形成安装凸缘，且所述安装凸缘背面与电池箱体（1）对接的一侧均匀设置有若干防水密封条放置空间（18），从而便于将所述一体化集成电池电控系统（14）固定安装在电池箱体（1）的安装孔内且满足电池防水的气密性要求，安装凸缘与电池箱体之间的固定方式可采用现有技术中任何常规的固定手段，如：铆钉连接、螺栓连接等；但应该理解的是电控箱体和电池箱体连接的部位同样可以设置类似的防水结构。
图5为本发明一体化集成电池电控系统第一实施例印刷电路板组件的结构示意图，所述印刷电路板组件上集成包括有集成化BMS控制器（19），熔断器II（20）、分流器（21）、总正开关式半导体器件（22）、总负开关式半导体器件（23）；锂电池组中的锂电池单体之间可采用本领域任何常规的连接方式，如串联、并联、混联等方式连接至印刷电路板上的总正和总负输入端，并经过所述熔断器II（20）、分流器（21）、总正开关式半导体器件（22）、总负开关式半导体器件（23）与前面板上的总正连接器（10）、总负连接器（11）电连接，共同形成外接电器件的供电端口。
本发明的分流器（21）优选使用便于集成化的高功率微型高精密电阻，其替代现有技术中常规的外置霍尔电流传感器（3），所述高功率微型高精密电阻与BMS控制器相连，利用金属电阻良好的散热性和低温漂特性，结合软件实时温度校验补偿算法，保证系统电流检测精度明显高于传统的霍尔电流检测方案，并且大大缩小了电气元件体积。
为了进一步降低熔断器的组装成本，提高生产效率，本发明的熔断器II（20）同样也采用集成于印刷电路板的结构，如图6（a）、6（b）所示，所述熔断器II（20）包括两个铜排（24）和设置于两个铜排（24）之间的多根保险丝（25）或者保险片（26），保险丝（25）或保险片（26）可利用激光、超声波等焊接工艺焊接于铜排（24）之上，通过严格控制材质（铝、镍或铝镍复合材料等）及长度、厚度、直径、面积等参数，如：优化焊接设备固化焊接的功率，焊接点数量、间距，拉力检测等具体参数，保证过流时热量累积达到熔点时同时快速熔断，保护其他电子元器件不会因为过流损坏，优选的熔断保险方案中，采用电子导电性优良的铝镍复合材料制成的熔断结构与印刷电路板上的铜排通过激光焊接在一起，取代传统的外置保险丝方案，能够增强材料间紧贴性，维持低电阻率和高电子放射能，而且在高温环境下也能维持低电阻率，铝镍复合材料的优异性能结合可靠的激光焊接工艺大力提升系统的安全性与可靠性。进一步的，为了解决大电容负载瞬间产生的大电流冲击对电池及其他电气件的过流损坏，印刷电路板组件进一步集成有预充开关式半导体器件，其与集成在印刷电路板上的预充电阻对应电连接; 另外，传统的机械接触继电器器具有体积大、成本高、驱动电流及功耗大（最大有3A电流）、响应时间长（毫秒级响应时间）的缺点，为了解决上述问题，本发明的预充开关式半导体器件、总正开关式半导体器件、总负开关式半导体器件采用集成在印刷电路板组件上的场效晶体管MOSFET和/或复合全控型电压驱动式功率半导体器件，且上述总正开关式半导体器件和总负开关式半导体器件分别设置于电池电流输出端的主供电电路和电流回流端的主回流电路，分别用于控制电池电流输出与回流的通断，新方案体积小，成本低，驱动电流小,最大毫安（mA）级电流，响应时间为微秒（μS）级别，防护控制快速，安全性能更高。此外，本发明的一体化集成电池电控系统在实际工作时，由于各开关式半导体器件之间散热间距较小，会产生大量热量累积，为了解决散热问题，本发明通过在印刷电路板上增加散热片外置安装结构，把系统内部产生的热量，导出至箱体外，有效解决开关式半导体器件的散热问题，当然，应该理解的是散热片仅是本申请一种较佳的散热结构实施例，任何能够起到散热作用的散热结构均涵盖在本发明的保护范围。
为了进一步提高使用安全性，本发明提供了第二实施例的一体化集成电池电控系统，如图7所示，本实施例与第一实施例相比的区别在于所述电控箱体上进一步设置有防爆器，所述防爆器优选为防爆阀（27）。通过设置防爆阀（27）结构，能够在系统压力大于设定压力时，防爆阀片自行破裂，电池内部进行快速泄压，防止系统发生爆炸，保证使用安全。为了进一步加强防爆性能，本发明的箱体结构采用PUW集成一体化安全防爆设计，内部集成精密顶针式弹簧机构，同时增加E-PTFE防水透气膜材料，不但具有防爆阀的防爆、降低爆破损害功能，同时具备防水透气功能。
为了提高电池系统智能性与交互性，便于用户随时掌握电池系统使用状态，及时带来风险预警，本发明提供了第三实施例的一体化集成电池电控系统，如图8所示，所述印刷电路板组件还进一步集成有智能电源管理系统，所述智能电源管理系统包括数据采集模块、CAN总线、无线模块，诊断及标定系统和控制器，所述数据采集模块、无线模块、诊断及标定系统均与控制器电连接，进一步的，所述智能电源管理系统与智能终端和/或云平台共同组成智能信息交互系统。所述智能交互系统的工作原理大致如下：所述智能电源管理系统中的数据采集模块采集电池工作过程中的一项或多项参数信息，并通过串口通讯的方式将所述参数信息与无线模块进行数据交互，诊断及标定系统通过检测数据快速确定故障原因，无线模块与手机通过无线方式连接通信，手机APP实时显示数据及故障情况，并且上传数据至云服务器后台记录，通过手机APP还可以实现载入升级程序，对电池管理系统进行点对点无线程序升级。
数据采集模块采集电池电压，电流，温度，电量、内阻等数据信息，所述无线模块包括但不限于蓝牙、GPRS 、WIFI、3G、4G、5G；所述智能终端包括但不限于智能手机和PC电脑；所述诊断及标定系统可以通过CAN总线连接PC电脑和/或通过无线方式连接手机APP，其通过数据记录和故障信息可以快速确定故障原因，或者通过设置一些参数的重新写入到控制器中调试验证和程序升级，本发明优选为采用两套诊断及标定系统，即：基于CAN总线和无线通信模块（蓝牙/wifi/4G等）的两套在线诊断和标定系统，采用在线诊断系统实时读取故障码，快速确认故障，基于CCP/XCP标准协议开发标定系统，支持在线实时数据标定，并兼容多种变量参数形式，方便实际应用过程中的功能扩展，提供现场和远程控制两套诊断和标定方案，方便故障的查找和维修，提高诊断和服务效率；另外，本发明优选采用OTA空中升级系统（包括能源管理、热管理、性能优化、车载充电等），综合分析车辆的行驶状况、软件版本、子系统件间状况等影响因素，开发支持软件回滚、断点续传、丢失重传等异常处理机制，避免外界干扰或者其他因素导致刷写异常或者中断；同时对Flash存储备份采用加密&认证的方式，提高系统的安全防护功能，避免外部攻击。
本发明第三实施例的锂电池组优选为车载锂电池组，构建由智能电源管理系统、用户手机APP、远程后台组成的智能信息交互系统，基于无线通讯技术能够对车、手机、云端进行信息互联，电源管理系统通过CAN总线接入整车CAN网络，将车辆运行状态、剩余电量、续航里程等信息，实时显示到APP界面，APP可以作为车辆仪表使用，实现人车互通，CAN总线、无线模块，两套诊断及标定系统，数据采集及服务效率提高，且具有OTA空中升级技术,能够实现快速软件更新，性能更加优化；并且本发明还可进一步包括高级加密标准（AES）256位密钥管理系统，对所有待传输数据采用高级密钥进行编码，保障信息传输的安全性和可靠性。
图9所示为本发明一体化集成电池电控系统优选实施例的电路布局原理图，在印刷电路板组件上同时集成有智能电源管理系统、总正场效晶体管MOSFET、总负场效晶体管MOSFET、熔断器、分流器、预充回路、主供电电路和主回流电路；所述预充回路包括预充场效晶体管MOSFET和预充电阻；所述主供电电路设置有总正场效晶体管MOSFET；所述主回流电路设置有总负场效晶体管MOSFET；其中，内部电源输入端B依次通过所述分流器、熔断器、预充回路与主供电电路组成的并联电路连接输出端B；内部电源输入端A通过总负场效晶体管MOSFET连接输出端A，输出端A、B共同形成外接电器件的供电端口。智能电源管理系统实时采集电流信息，诊断电路是否产生故障，并通过无线模块实时发送到智能终端，并且上传数据至云服务器后台记录，通过智能终端还可以实现载入升级程序，对电池管理系统进行点对点无线程序升级。
应该理解的是，上述表达的图形、说明，仅为本发明的几种较佳实施例而已，并非是对本发明的保护范围进行限制，对本领域技术人员而言，在不脱离本发明精神和范围的前提下，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，都应落入要求保护的本发明权利要求范围内。
Claims (7)
1.一种一体化集成电池电控系统，包括：
电控箱体；
前面板，所述前面板设置在电控箱体前侧；
一块印刷电路板组件；
所述印刷电路板组件设置于电控箱体内；
其特征在于：所述电控系统通过标准接口直接接入锂电池组，通过前面板固定安装于电池箱体前侧的安装孔中，所述电控箱体和/或前面板与电池箱体安装处设有防水结构；所述前面板上设置有若干电气件接口，所述电气件接口包括总正连接器、总负连接器；所述印刷电路板组件上集成包括有BMS控制器，总正开关式半导体器件、总负开关式半导体器件、散热组件、熔断器、分流器、预充回路；所述总正开关式半导体器件和总负开关式半导体器件分别设置于电池电流输出端的主供电电路和电流回流端的主回流电路，分别用于控制电池电流输出与回流的通断，所述散热组件对所述总正开关式半导体器件和总负开关式半导体器件散热，保证集成化装置长时间稳定工作；所述熔断器包括两个铜排和设于两个铜排之间的整块保险片或多条保险丝；所述分流器与BMS控制器相连,用于检测电路中的电流大小；其中，内部电池通过所述熔断器、分流器、总正开关式半导体器件、总负开关式半导体器件与所述前面板上的总正连接器、总负连接器电连接，共同形成外接电器件的供电端口；所述预充回路包括预充开关式半导体器件与预充电阻，所述预充开关式半导体器件与预充电阻对应电连接；所述预充开关式半导体器件、总正开关式半导体器件、总负开关式半导体器件采用场效晶体管MOSFET和/或复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
2.如权利要求1所述的一体化集成电池电控系统，其特征在于：所述电控箱体上还设置有散热结构，所述散热结构与所述散热组件匹配连接。
3.如权利要求1或2所述的一体化集成电池电控系统，其特征在于：所述电控箱体上还设置有防爆器。
4.如权利要求3所述的一体化集成电池电控系统，其特征在于：所述防爆器为防爆阀。
5.如权利要求1或2所述的一体化集成电池电控系统，其特征在于：所述印刷电路板组件还集成有智能电源管理系统，所述智能电源管理系统与智能终端和/或云平台共同组成智能信息交互系统。
6.如权利要求5所述的一体化集成电池电控系统，其特征在于：所述智能电源管理系统包括数据采集模块、无线模块、诊断及标定系统和控制器，所述数据采集模块、无线模块、诊断及标定系统均与控制器电连接。
7.一种集成锂电池组，其特征在于：包括电池箱体，电池箱体内设有两个以上单体锂电池形成的电池组，以及与电池组连接的如权利要求1-6任一项所述的一体化集成电池电控系统，所述一体化集成电池电控系统设置于所述电池箱体一侧，且所述电气件接口从电池箱体输出。
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