CN112701745A - 一种锂电池管理系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂电池管理系统及其控制方法，该系统包括：充放电限流电路，包括放电主开关、充电主开关、储能电感、放电辅助开关、充电辅助开关、第一滤波电容和第二滤波电容，放电主开关与充电主开关串接于锂电池组的第一电极端口，储能电感串接于放电主开关与充电主开关之间，第一滤波电容和放电辅助开关串联且与放电主开关并联，第二滤波电容和充电辅助开关串联且与充电主开关并联，放电辅助开关和充电辅助开关与公共连接点连接，公共连接点与锂电池组的第二电极端口连接；信号采集单元；控制单元，与信号采集单元、放电主开关、充电主开关、放电辅助开关和充电辅助开关信号连接。该系统能够在锂电池组状态异常时，使锂电池系统正常工作。

Description

一种锂电池管理系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电池设备技术领域，特别涉及一种锂电池管理系统及其控制方法。
背景技术
现有技术中，锂电池在使用过程中，如果出现过充电或过放电，会影响电池的使用寿命，严重的情况下，会导致电池起火爆炸等严重的安全事故。因此，锂电池在使用时，通常会搭载电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，简称BMS)，智能化管理及维护各个电池单元，从而实现如下功能：(1)电池端电压的测量；(2)单体电池间的能量均衡，即为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态；(3)电池组总电压测量；(4)电池组总电流测量；(5)SOC计算，即准确估测动力电池组的荷电状态(State of Charge，即SOC)，即电池剩余电量，保证SOC维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池的损伤，(6)动态监测动力电池组的工作状态，即在电池充放电过程中，实时采集电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包的总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。
典型的BMS系统，如图1所示，主要包括单体电压采集电路、温度采集电路、单体电池均衡电路、电池组电压采集电路、电池系统端电压采集电路和充放电电流采集电路，主控单元，以及放电开关Q1和充电开关Q2。基本运行逻辑是：当检测到单体电池电压、温度异常，或者检测到电池端电压、充放电电流或者主控单元计算的SOC超出预设值时，控制充电开关或者放电开关断开，停止锂电池继续充电或者放电，以保护锂电池避免出现过充电或者过放电，或者异常条件下充电或者放电。传统的BMS使用一对儿充放电开关来断开锂电池，因此，任何异常条件下，只能将锂电池断开。但是，在一些特殊应用条件下，比如N+1冗余并联的锂电池系统，设计的初衷是当其中任何一个锂电池发生故障退出，都不影响整个系统的功能。但是如果采用传统的锂电池管理系统，当其中一个发生过电流放电，主控单元控制放电管断开，锂电池从系统中断开，此时会导致其它并联的电池系统发生过流，最终导致连锁反应，并联系统的所有锂电池系统全部会退出系统，完全失去了N+1冗余的设计意义。
发明内容
本发明提供了一种锂电池管理系统及其控制方法，上述锂电池管理系统能够在锂电池组状态异常时，实现限流，能够在不直接将锂电池组从锂电池系统中隔离开来的情况下，使锂电池系统正常工作。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种锂电池管理系统，包括：
充放电限流电路，包括放电主开关、充电主开关、储能电感、放电辅助开关、充电辅助开关、第一滤波电容以及第二滤波电容，其中，所述放电主开关与所述充电主开关串接于锂电池组的第一电极端口与锂电池系统的第一电极端口之间，所述放电主开关与所述充电主开关上分别并联有二极管，所述储能电感串接于所述放电主开关与所述充电主开关之间，所述第一滤波电容和所述放电辅助开关串联连接且二者与所述放电主开关并联连接，所述第二滤波电容和所述充电辅助开关串联连接且二者与所述充电主开关并联连接，所述放电辅助开关与所述第一滤波电容的连接点和所述充电辅助开关与所述第二滤波电容的连接点均与公共连接点连接，所述公共连接点与锂电池组的第二电极端口连接；
信号采集单元，包括温度采集电路、单体电压采集电路、电池组电压采集电路、电池系统端电压采集电路和充放电电流采集电路；
控制单元，与所述信号采集单元、放电主开关控制端、充电主开关控制端、放电辅助开关控制端以及充电辅助开关控制端信号连接，用于：
获取信号采集单元采集的状态信息；
根据状态信息控制放电主开关、充电主开关、放电辅助开关以及充电辅助开关的状态。
上述发明实施例提供的锂电池管理系统中，包括充放电限流电路、信号采集单元以及控制单元，充放电限流电路中第一滤波电容、放电辅助开关以及储能电感可以组成第一斩波电路，第二滤波电容和充电辅助开关以及储能电感组成第二斩波电路，而当信号采集单元检测到锂电池组在充电或放电的过程中状态异常时，控制单元可以通过控制放电主开关、充电主开关、放电辅助开关以及充电辅助开关的动作形成第一斩波电路或第二斩波电路，以实现限流的效果，能够在不直接将锂电池组从锂电池系统中隔离开来的情况下，使锂电池系统正常工作。
可选地，所述控制单元用于：
当放电电流小于预设第一限流阈值时，控制所述放电主开关和充电主开关开通、放电辅助开关和充电辅助开关关断；
当放电电流大于第二限流阀值时，控制所述放电主开关与放电辅助开关交替互补开通和关断、所述充电主开关开通、充电辅助开关关断。
可选地，所述控制单元用于：
当充电电流小于第三限流阀值时，控制所述充电主开关和放电主开关开通、所述放电辅助开关和充电辅助开关关断；
当充电电流大于第四限流阀值时，控制所述充电主开关和充电辅助开关交替互补开通和关断、所述放电主开关开通、放电辅助开关关断。
可选地，所述控制单元用于：
根据第一预设条件调节所述第一限流阀值、第二限流阀值、第三限流阀值和第四限流阀值的数值变化，所述第一预设条件为锂电池组的温度值或者锂电池组的电压值。
可选地，所述控制单元用于：
根据第二预设条件，控制所述放电主开关开通、所述放电辅助开关关断、所述充电主开关和充电辅助开关交替开通和关断。
可选地，所述控制单元用于：
根据第三预设条件，控制所述放电主开关和充电辅助开关同步开通和关断，所述充电主开关和放电辅助开关同步开通和关断，放电主开关和充电主开关交替开通和关断。
可选地，还包括串接于所述公共连接点与所述锂电池组的第二电极端口之间的保护电路，所述保护电路包括反接保护开关，所述控制单元用于：
当锂电池组两个端口的电压极性和锂电池系统两个端口的电压极性与预设极性相同时，控制所述反接保护开关闭合；若否，控制所述反接保护开关断开。
可选地，所述保护电路还包括预充冲击电流限制电阻、防反接预充阻断二极管以及短路保护保险，所述预充冲击电流限制电阻与所述防反接预充阻断二极管串联连接且二者与所述反接保护开关并联连接，所述短路保护保险串接于所述反接保护开关与锂电池组第二电极端口之间。
可选地，包括多个所述充放电限流电路，各个所述充放电限流电路并联连接，各个所述充放电限流电路的公共连接点与所述保护电路连接。
基于相同的发明构思，本发明还提供了一种锂电池管理系统的控制方法，应用于上述任意技术方案中的锂电池管理系统，包括：
获取信号采集单元采集的状态信息；
根据状态信息控制放电主开关、充电主开关、放电辅助开关以及充电辅助开关的状态。
可选地，所述控制方法具体包括：
当放电电流小于预设第一限流阈值时，控制所述放电主开关和充电主开关开通、放电辅助开关和充电辅助开关关断；
当放电电流大于第二限流阀值时，控制所述放电主开关与放电辅助开关交替互补开通和关断、所述充电主开关开通、充电辅助开关关断。
可选地，所述控制方法具体包括：
当充电电流小于第三限流阀值时，控制所述充电主开关和放电主开关开通、所述放电辅助开关和充电辅助开关关断；
当充电电流大于第四限流阀值时，控制所述充电主开关和充电辅助开关交替互补开通和关断、所述放电主开关开通、放电辅助开关关断。
可选地，所述控制方法具体包括：
根据第一预设条件调节所述第一限流阀值、第二限流阀值、第三限流阀值和第四限流阀值的数值变化，所述第一预设条件为锂电池组的温度值或者锂电池组的电压值。
可选地，所述控制方法具体包括：
根据第二预设条件，控制所述放电主开关开通、所述放电辅助开关关断、所述充电主开关和充电辅助开关交替开通和关断。
可选地，所述控制方法具体包括：
根据第三预设条件，控制所述放电主开关和充电辅助开关同步开通和关断，所述充电主开关和放电辅助开关同步开通和关断，放电主开关和充电主开关交替开通和关断。
可选地，所述控制方法具体包括：
当锂电池组两个端口的电压极性和电池系统两个端口的电压极性与预设极性相同时，控制所述保护开关闭合；若否，控制反接保护开关断开。
附图说明
图1为现有技术中的锂电池管理系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种锂电池管理系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种锂电池管理系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种锂电池管理系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种充放电限流电路的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种充放电限流电路的等效电路图；
图7为本发明实施例提供的一种充放电限流电路的等效电路图；
图8为本发明实施例提供的一种各个开关的动作时序和储能电感电流波形示意图；
图9为本发明实施例提供的一种充放电限流电路的等效电路图；
图10为本发明实施例提供的一种充放电限流电路的等效电路图；
图11为本发明实施例提供的一种各个开关的动作时序和储能电感电流波形示意图；
图12为本发明实施例提供的一种充放电限流电路的等效电路图；
图13为本发明实施例提供的一种充放电限流电路的等效电路图；
图14为本发明实施例提供的一种各个开关的动作时序和储能电感电流波形示意图；
图15为本发明实施例提供的一种充放电限流电路的等效电路图；
图16为本发明实施例提供的一种充放电限流电路的等效电路图；
图17为本发明实施例提供的一种充放电限流电路的等效电路图；
图18为本发明实施例提供的一种充放电限流电路的等效电路图；
图19为本发明实施例提供的一种各个开关的动作时序和储能电感电流波形示意图；
图20为本发明实施例提供的一种充放电限流电路的结构示意图；
图21为本发明实施例提供的一种锂电池管理系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结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做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。
锂电池系统作为一种可实现电能到化学能、功率双向可流动的能量存储载体，已广泛受到应用，通常由多组并联的锂电池组构成，每个锂电池组由多个电池单体串联而成。锂电池在使用时，通常会搭载锂电池管理系统，智能化管理及维护各个电池单元。但是传统的锂电池管理系统不适合一些特殊应用条件下的锂电池系统，比如N+1冗余并联的锂电池系统。
为了克服现有技术中的缺陷，请参考图2，本发明实施例提供一种锂电池管理系统，包括：
充放电限流电路，包括放电主开关Q1、充电主开关Q2、储能电感L1、放电辅助开关Q3、充电辅助开关Q4、第一滤波电容C1以及第二滤波电容C2，其中，放电主开关Q1与充电主开关Q2串接于锂电池组的第一电极端口与锂电池系统的第一电极端口之间，所述放电主开关Q1与所述充电主开关Q2上分别并联有二极管，储能电感L1串接于放电主开关Q1与充电主开关Q2之间，第一滤波电容C1和放电辅助开关Q3串联连接且二者与放电主开关Q1并联连接，第二滤波电容C2和充电辅助开关Q4串联连接且二者与充电主开关Q2并联连接，放电辅助开关Q3与第一滤波电容C1的连接点和充电辅助开关Q4与第二滤波电容C2的连接点均与公共连接点连接，公共连接点与锂电池组的第二电极端口连接；
信号采集单元，包括温度采集电路、单体电压采集电路、电池组电压采集电路、电池系统端电压采集电路和充放电电流采集电路；
控制单元，与信号采集单元、放电主开关Q1控制端、充电主开关Q2控制端、放电辅助开关Q3控制端以及充电辅助开关Q4控制端信号连接，用于：
获取信号采集单元采集的状态信息；
根据状态信息控制放电主开关Q1、充电主开关Q2、放电辅助开关Q3以及充电辅助开关Q4的状态。
上述发明实施例提供的锂电池管理系统中，包括充放电限流电路、信号采集单元以及控制单元，充放电限流电路中第一滤波电容C1、放电辅助开关Q3以及储能电感L1可以组成第一斩波电路，第二滤波电容C2和充电辅助开关Q4以及储能电感L1组成第二斩波电路，而当信号采集单元检测到锂电池组在充电或放电的过程中状态异常时，控制单元可以通过控制放电主开关Q1、充电主开关Q2、放电辅助开关Q3以及充电辅助开关Q4的动作形成第一斩波电路或第二斩波电路，以实现限流的效果，能够在不直接将锂电池组从锂电池系统中隔离开来的情况下，使锂电池系统正常工作。
具体地，如图3所示，上述充放电限流电路中放电主开关Q1和充电主开关Q2串接的锂电池的第一电极端口可以为负极端口BAT-，公共连接点连接的锂电池组的第二极端口为正极端口BAT+；或者，如图4所示，放电主开关Q1和充电主开关Q2串接的锂电池的第一电极端口可以为正极端口BAT+，公共连接点连接的锂电池的第二极端口为负极端口BAT-。
具体地，上述信号采集单元中，温度采集电路用于锂电池组中每个单体电池的温度，单体电压采集电路用于采集锂电池组中每个单体电池的电压，电池组电压采集电路用于采集锂电池组总电压；电池系统端电压采集电路用于采集电池系统的端电压，充放电电流采集电路用于采集充电时和放电时锂电池组的充电电流和放电电流。上述锂电池管理系统中还包括单体电池均衡电路，用于为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。锂电池管理系统用于根据采集单元采集到的信号控制放电主开关Q1、充电主开关Q2、放电辅助开关Q3和充电辅助开关Q4的动作。
本发明实施例中，如图5所示，为充放电限流电路的结构示意图，控制单元可以用于当放电电流小于预设第一限流阈值时，即锂电池组中的锂电池没有发生故障时，控制放电主开关Q1和充电主开关Q2开通、放电辅助开关Q3和充电辅助开关Q4关断。当放电主开关Q1开通时，放电电流通过放电主开关Q1和储能电感L1，以及与充电主开关Q2并联的二极管形成电流回路，同时充电主开关Q2开通，能够提高放电效率。
并且，控制器还可以当放电电流大于第二限流阀值时，即锂电池组放电时发生过电流的情况下，控制放电主开关Q1与放电辅助开关Q3交替互补开通和关断、充电主开关Q2开通、充电辅助开关Q4关断。充放电限制电路中放电主开关Q1、放电辅助开关Q3和储能电感L1组成放电斩波电路，此时，充放电限制电路的工作过程可以分为以下三个阶段：
第一阶段：放电主开关Q1开通、放电辅助开关Q3关断，如图6所示，为此阶段的等效电路图，电流回路为虚线箭头标识的路径，电流回路通过储能电感L1储能，通过锂电池组对外释放电能；
第二阶段：放电主开关Q1关断、放电辅助开关Q3开通，如图7所示，为此阶段的等效电路图，电流回路为虚线箭头标识的路径，储能电感L1通过放电辅助开关Q3对外释放能量，此过程中由于放电主开关Q1关断，锂电池组不对外释放能量；
第三阶段：循环重复上述第一阶段和第二阶段过程。为了提高放电效率，第一阶段和第二阶段充电主开关Q2持续开通。
如图8所示，为上述三个阶段各个开关的动作时序和储能电感L1电流波形示意图。上述锂电池组件的运行过程中，在放电斩波电路的作用下能够限制电流输出，使放电电流保持不大于第二限流阀值。具体地，根据基础的电力电子理论知识，锂电池组电压为Vbat，限流输出的电压为Vout＝D*Vbat，其中D为放电主开关Q1的开通占空比，D大于0小于1。因此，限流输出时，输出电压总是小于锂电池组的电压，限制锂电池组放电电流。并且，在辅助放电开关和储能电感L1斩波作用下，原来锂电池组持续放电变成了间歇性放电，锂电池组和储能电感L1共同向外释放连续能量，可以起到限制电池放电电流的作用。
本发明实施例中，控制单元还可以具体用于当充电电流小于第三限流阀值时，即锂电池组中的锂电池没有发生故障时，控制充电主开关Q2和放电主开关Q1开通、放电辅助开关Q3和充电辅助开关Q4关断；其中，充电电流通过充电主开关Q2、储能电感L1以及与放电主开关Q1并联的二极管形成电流回路，为了提高放电效率，放电开关管开通。
并且，控制单元还可以当充电电流大于第四限流阀值时，即锂电池组充电时发生过电流的情况下，控制充电主开关Q2和充电辅助开关Q4交替互补开通和关断、放电主开关Q1开通、放电辅助开关Q3关断。其中，充电主开关Q2、充电辅助开关Q4和储能电感L1组成充电斩波电路，此时，充放电限制电路的具体工作过程可以分为以下三个阶段：
第一阶段：充电主开关Q2开通，充电辅助开关Q4关断，如图9所示，为此阶段的等效电路图，电流回路为虚线箭头标识的路径，电流回路通过储能电感L1储能，此过程由于充电主开关Q2开通，对电池进行充电储能；
第二阶段：充电主开关Q2关断，充电辅助开关Q4开通，如图10所示，为此阶段的等效电路图，电流回路为虚线箭头标识的路径，储能电感L1通过充电辅助开关Q4释放能量，此过程由于充电主开关Q2关断，仅利用储能电感L1储存的能量对电池进行充电；
第三阶段：循环重复上述第一阶段和第二阶段过程。为了提高充电效率，第一阶段和第二阶段放电主开关Q1管可持续开通。
如图11所示，为上述三个阶段各个开关的动作时序和储能电感L1电流波形示意图。与上述放电过程基于同样的原理，在辅助充电开关和储能电感L1斩波作用下，原来外部能量持续对电池充电，变成了外部能量间歇性充电，在储能电感L1的作用下，外部充电能量和储能电感L1共同对电池充电既保持了电池侧充电的连续性，又限制了电池充电的能量，起到限制电池充电电流的作用。
具体地，上述第一限流阀值、第二限流阀值、第三限流阀值以及第四预设限流值可以为预存于控制单元内的限流阀值，具体数值可以根据实际情况限定，在这里不作限制。
可选地，上述第一限流阀值、第二限流阀值、第三限流阀值以及第四限流阀值还可以根据锂电池组状态的变化而变化。
也就是说，控制单元可以用于根据第一预设条件调节第一限流阀值、第二限流阀值、第三限流阀值和第四限流阀值的数值变化。
可选地，第一预设条件可以为锂电池的温度值。例如，当控制单元获取到的温度采集电路采集的实际温度值高于预设温度值或者低于预设温度值，控制单元可以控制预存的初始的第一限流阀值、第二限流阀值、第三限流阀值和第三限流阀值自动下调，而当实际温度值恢复到预设温度值时，控制单元可以自动调第一限流阀值、第二限流阀值、第三限流阀值和第三限流阀值恢复到初始的限流阀值。通过这种方式实现高温和低温下，根据温度调节限流充电和放电电流，避免电池失控。
可选地，第一预设条件也可以为锂电池组的电压值。例如，当电池组电压采集电路采集的电压值高于预设电压值或者低于预设电压值时，控制单元可以控制预存的初始的第一限流阀值、第二限流阀值、第三限流阀值以及第四限流阀值自动下调，而当电压值恢复到预设电压值时，控制单元可以自动调节第一限流阀值、第二限流阀值、第三限流阀值和第四限流阀值恢复到初始的限流阀值。
具体地，当锂电池组放电电压接近放亏时，自动降低第一限流阀值或第二限流阀值，防止电池在接近放亏的时候，短时间隙性大电流放电导致电池损坏。当锂电池组充电电压接近满充时，自动降低第三限流阀值或第四限流阀值，虽然电池的充电电流自动在逐步减小，但是主动下调的第三限流阀值或第四限流阀值，可以保证电池在任何情况下充电电流总是不会超过限流阀值。因为大多数电池都是在充电和放电过程发生失控，此时由于自动下调了第一限流阀值或第二限流阀值，第三限流阀值或第四限流阀值，即使电池失控，由于充电和放电电流被逐步限制，放电和充电电流也不会完全失控，防止故障进一步被扩大。
上述发明实施例中，锂电池管理系统能够使锂电池组实现升压放电功能，具体地，控制单元可以用于根据第二预设条件，控制放电主开关Q1开通、放电辅助开关Q3关断、充电主开关Q2和充电辅助开关Q4交替开通和关断。其中，第二预设条件在这里不做限制，可以根据实际情况而定。充电主开充电辅助开关Q4和储能电感L1组成升压放电斩波电路，充放电限制电路的具体工作过程可以分为以下三个阶段：
第一阶段：放电主开关Q1开通、充电主开关Q2关断、充电辅助开关Q4关断，如图12所示，为此阶段的等效电路图，电流回路为虚线箭头标识的路径，电流回路通过放电主开关Q1、充电辅助开关Q4给储能电感L1储能；
第二阶段：放电主开关Q1开通，充电主开关Q2开通，充电辅助开关Q4关断，如图13所示，为此阶段的等效电路图，电流回路为虚线箭头标识的路径，锂电池组和储能电感L1共同对外释放能量，此时，锂电池组电压叠加储能电感L1的电压对外放电，放电电压高于电池组的电压。此时，锂电池组电压叠加储能电感L1的电压对外放电，放电电压高于锂电池组的电压；
第三阶段：循环重复上述第一阶段和第二阶段过程。整个阶段开关动作时序图如图14所示。
上述发明实施例中，锂电池管理系统能够使锂电池组实现无压差限流充放电功能，具体地，控制单元可以用于根据第三预设条件，控制放电主开关Q1和充电辅助开关Q4同步开通和关断，充电主开关Q2和放电辅助开关Q3同步开通和关断，放电主开关Q1和充电主开关Q2交替开通和关断。放电主开关Q1和充电辅助开关Q4同步开通，充电主开关Q2和放电辅助开关Q3同步关断，电流回路通过电池组，放电主开关Q1，储能电感L1和充电辅助开关Q4，能量在电池组和储能电感L1之间相互传递，放电主开关Q1和充电主开关Q2交替并联和开通，放电辅助开关Q3和充电辅助开关Q4交替开通或者关闭。此时，充放电限流电路的具体工作过程可以分为以下三个阶段：
第一阶段：放电主开关Q1和充电辅助开关Q4同步开通，充电主开关Q2和放电辅助开关Q3同步关断，电流回路通过锂电池组，放电主开关Q1，储能电感L1和充电辅助开关Q4；能量在锂电池组和储能电感L1之间相互传递；
第二阶段：放电主开关Q1和充电辅助开关Q4同步关断，充电主开关Q2和放电辅助开关Q3同步开通，电流回路通过充电主开关Q2、储能电感L1和放电辅助开关Q3；能量通过储能电感L1和外部电源进行交互；
第三阶段：循环重复上述第一阶段和第二阶段过程。
具体的，锂电池组放电时，第一阶段，放电主开关Q1和充电辅助开关Q4同步开通，充电主开关Q2和放电辅助开关Q3同步关断，储能电感L1储能，等效电路及电流路径如图15所示。第二阶段，放电主开关Q1和充电辅助开关Q4同步关断，充电主开关Q2和放电辅助开关Q3同步开通，储能电感L1续流，等效电路及电流路径如图16所示。电池电压为Vbat，放电输出电压Vout＝(1-D)/D*Vbat，其中D为放电主开关Q1的开通占空比，占空比D大于0小于1。可见，当占空比D＝0.5时，输出电压Vout＝Vbat，当D大于0.5时，Vout小于Vbat，当D小于0.5时，Vout大于Vbat。因此，在这种模式下，可以实现无压差限流放电。此时，第三预设条件可以为当放电电流大于第二限流阀值时，也可以为其他预设条件，在这里不做限制，根据实际情况而定。
同样的，锂电池组充电时，第一阶段，充电主开关Q2和放电辅助开关Q3同步开通，放电主开关Q1和充电辅助开关Q4同步关断，储能电感L1储能，等效电路及电流路径如图17所示。第二阶段，充电主开关Q2和放电辅助开关Q3同步关断，放电主开关Q1和充电辅助开关Q4同步开通，储能电感L1续流，等效电路及电流路径如图18所示。电池电压为Vbat，放电输出电压Vout＝D/(1-D)*Vbat，其中D为充电电主开关的开通占空比，占空比D大于0小于1。可见，当占空比D＝0.5时，输出电压Vout＝Vbat，当D大于0.5时，Vout大于Vbat，当D小于0.5时，Vout小于Vbat。因此，在这种模式下，也可以实现无压差限流充电。第三预设条件可以为当充电电流大于第四限流阀值时，也可以为其他预设条件，在这里不做限制，根据实际情况而定。
另外，无压差充放电过程的开关动作时序图如图19所示，充电过程和放电过程的动作时序是完全一样的，这种模式下可以实现充电和放电无缝切换。
上述实施例中，锂电池系统正常工作时，需要锂电池组的正极端口BAT+对应锂电池系统的正极端口P+连接，锂电池的负极端口BAT-对应锂电池系统的负极端口P-。如图20所示，充放电限流电路还包括串接于公共连接点与锂电池组的第二电极端口之间的保护电路，保护电路包括反接保护开关S1，控制单元可以具体用于：当锂电池组两个端口的电压极性和锂电池系统两个端口的电压极性与预设极性相同时，控制反接保护开关S1闭合；若否，控制反接保护开关S1断开。此时，可以防止电池组两个端口的电压极性或电池系统两个端口电压极性与预先设置极性不一致，导致放电主开关Q1和放电辅助开关Q3直通短路发生损坏，或者导致充电主开关Q2和充电辅助开关Q4直通短路发生损坏。
具体地，保护电路还可以包括预充冲击电流限制电阻R1、防反接预充阻断二极管D1以及短路保护保险F1，预充冲击电流限制电阻R1与防反接预充阻断二极管D1串联连接且二者与反接保护开关S1并联连接，短路保护保险F1串接于反接保护开关S1与锂电池组第二电极端口之间。
其中，短路保护保险F1的作用是：为了防止增加放电辅助开关Q3以后，放电辅助开关Q3如果短路失效会直接造成锂电池组短路，严重情况下导致电池起火等严重安全事故，短路保护保险F1快速断开可以防止故障蔓延，与此同时，短路保护保险F1还可以防止增加充电辅助开关Q4以后，充电辅助开关Q4如果短路失效会直接造成充电端口短路，短路保护保险F1快速断开可以防止充电端口故障蔓延。
预充冲击电流限制电阻R1的作用是：反接保护开关S1闭合之前，给电容和电容进行预充电，防止在第一滤波电容C1和第二滤波电容C2没有预充的情况下直接闭合反接保护开关S1，出现较大的冲击电流。
防反接预充阻断二极管D1的作用是：防止电池极性反接，或者充放电端口的极性反接时，还继续通过预充冲击电流限制电阻R1给电容和电容进行反极性充电。也就是说有防反接预充阻断二极管D1的情况下，只有在充放电端口的极性正确的情况下，才会给电容进行预充。
上述保护电路是串联在锂电池组的其中一个电极端口和第一斩波电路和第二斩波电路的公共连接点之间，保护电路可以同时保护充放电限流系统中的第一斩波电路和第二斩波电路，并且，保护电路支路上的电流是第一斩波电路或第二斩波电路工作时，流过的一部分电流，需要的保护器件额定电流小。
上述发明实施例中，如图20所示，锂电池管理系统可以包括多个充放电限流电路，各个充放电限流电路并联连接，各个充放电限流电路的公共连接点与保护电路连接。多个相同的充放电限流电路并联工作，可以分担同一位置单颗器件的损耗。
上述发明实施例中，具体地，放电辅助开关Q3和充电辅助开关Q4可以是MOSFET或者IGBT等。
基于相同的发明构思，如图21所示，本发明实施例还提供了一种锂电池管理系统的控制方法，应用于上述任意技术方案中的锂电池管理系统，包括：
S2101：获取信号采集单元采集的状态信息；
S2102：根据状态信息控制放电主开关、充电主开关、放电辅助开关以及充电辅助开关的状态。
上述发明实施例提供的锂电池管理系统的控制方法中，首先，获取信号采集单元采集的状态信息，然后，根据状态信息控制放电主开关、充电主开关、放电辅助开关以及充电辅助开关的状态，当锂电池组在充电或放电的过程中过电流时，可以控制放电主开关、充电主开关、放电辅助开关以及充电辅助开关的动作形成第一斩波电路或第二斩波电路，以实现限流的效果，能够在不直接将锂电池组从锂电池系统中隔离开来的情况下，使锂电池系统正常工作。
可选地，所述控制方法具体包括：
当放电电流小于预设第一限流阈值时，控制所述放电主开关和充电主开关开通、放电辅助开关和充电辅助开关关断。
当放电电流大于第二限流阀值时，控制所述放电主开关与放电辅助开关交替互补开通和关断、所述充电主开关开通、充电辅助开关关断。
可选地，所述控制方法具体包括：
当充电电流小于第三限流阀值时，控制所述充电主开关和放电主开关开通、所述放电辅助开关开通、充电辅助开关关断；
当充电电流大于第四限流阀值时，控制所述充电主开关和充电辅助开关交替互补开通和关断、所述放电主开关和放电辅助开关关断。
可选地，所述控制方法具体包括：
根据第一预设条件调节所述第一限流阀值、第二限流阀值、第三限流阀值和第四限流阀值的数值变化，所述第一预设条件为锂电池组的温度值或者锂电池组的电压值。
可选地，所述控制方法具体包括：
根据第二预设条件，控制所述放电主开关开通、所述放电辅助开关关断、所述充电主开关和充电辅助开关交替开通和关断。
可选地，所述控制方法具体包括：
根据第三预设条件，控制所述放电主开关和充电辅助开关同步开通和关断，所述充电主开关和放电辅助开关同步开通和关断，放电主开关和充电主开关交替开通和关断。
可选地，所述控制方法具体包括：
当锂电池组两个端口的电压极性和电池系统两个端口的电压极性与预设极性相同时，控制所述保护开关闭合；若否，控制反接保护开关断开。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种锂电池管理系统，其特征在于，包括：
充放电限流电路，包括放电主开关、充电主开关、储能电感、放电辅助开关、充电辅助开关、第一滤波电容以及第二滤波电容，其中，所述放电主开关与所述充电主开关串接于锂电池组的第一电极端口与锂电池系统的第一电极端口之间，所述放电主开关与所述充电主开关上分别并联有二极管，所述储能电感串接于所述放电主开关与所述充电主开关之间，所述第一滤波电容和所述放电辅助开关串联连接且二者与所述放电主开关并联连接，所述第二滤波电容和所述充电辅助开关串联连接且二者与所述充电主开关并联连接，所述放电辅助开关与所述第一滤波电容的连接点和所述充电辅助开关与所述第二滤波电容的连接点均与公共连接点连接，所述公共连接点与锂电池组的第二电极端口连接；
信号采集单元，包括温度采集电路、单体电压采集电路、电池组电压采集电路、电池系统端电压采集电路和充放电电流采集电路；
控制单元，与所述信号采集单元、放电主开关控制端、充电主开关控制端、放电辅助开关控制端以及充电辅助开关控制端信号连接，用于：
获取信号采集单元采集的状态信息；
根据状态信息控制放电主开关、充电主开关、放电辅助开关以及充电辅助开关的状态。
2.如权利要求1所述的锂电池管理系统，其特征在于，所述控制单元用于：
当放电电流小于预设第一限流阈值时，控制所述放电主开关和充电主开关开通、放电辅助开关和充电辅助开关关断；
当放电电流大于第二限流阀值时，控制所述放电主开关与放电辅助开关交替互补开通和关断、所述充电主开关开通、充电辅助开关关断。
3.如权利要求2所述的锂电池管理系统，其特征在于，所述控制单元用于：
当充电电流小于第三限流阀值时，控制所述充电主开关和放电主开关开通、所述放电辅助开关和充电辅助开关关断；
当充电电流大于第四限流阀值时，控制所述充电主开关和充电辅助开关交替互补开通和关断、所述放电主开关开通、放电辅助开关关断。
4.如权利要求3所述的锂电池管理系统，其特征在于，所述控制单元用于：
根据第一预设条件调节所述第一限流阀值、第二限流阀值、第三限流阀值和第四限流阀值的数值变化，所述第一预设条件为锂电池组的温度值或者锂电池组的电压值。
5.如权利要求1所述的锂电池管理系统，其特征在于，所述控制单元用于：
根据第二预设条件，控制所述放电主开关开通、所述放电辅助开关关断、所述充电主开关和充电辅助开关交替开通和关断。
6.如权利要求1所述的锂电池管理系统，其特征在于，所述控制单元用于：
根据第三预设条件，控制所述放电主开关和充电辅助开关同步开通和关断，所述充电主开关和放电辅助开关同步开通和关断，放电主开关和充电主开关交替开通和关断。
7.如权利要求1所述的锂电池管理系统，其特征在于，还包括串接于所述公共连接点与所述锂电池组的第二电极端口之间的保护电路，所述保护电路包括反接保护开关，所述控制单元用于：
当锂电池组两个端口的电压极性和锂电池系统两个端口的电压极性与预设极性相同时，控制所述反接保护开关闭合；若否，控制所述反接保护开关断开。
8.如权利要求7所述的锂电池管理系统，其特征在于，所述保护电路还包括预充冲击电流限制电阻、防反接预充阻断二极管以及短路保护保险，所述预充冲击电流限制电阻与所述防反接预充阻断二极管串联连接且二者与所述反接保护开关并联连接，所述短路保护保险串接于所述反接保护开关与锂电池组第二电极端口之间。
9.如权利要求8所述的锂电池管理系统，其特征在于，包括多个所述充放电限流电路，各个所述充放电限流电路并联连接，各个所述充放电限流电路的公共连接点与所述保护电路连接。
10.一种锂电池管理系统的控制方法，应用于如权利要求1-9任一项所述的锂电池管理系统，其特征在于，包括：
获取信号采集单元采集的状态信息；
根据状态信息控制放电主开关、充电主开关、放电辅助开关以及充电辅助开关的状态。
11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，包括：
当放电电流小于预设第一限流阈值时，控制所述放电主开关和充电主开关开通、放电辅助开关和充电辅助开关关断；
当放电电流大于第二限流阀值时，控制所述放电主开关与放电辅助开关交替互补开通和关断、所述充电主开关开通、充电辅助开关关断。
12.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，包括：
当充电电流小于第三限流阀值时，控制所述充电主开关和放电主开关开通、所述放电辅助开关和充电辅助开关关断；
当充电电流大于第四限流阀值时，控制所述充电主开关和充电辅助开关交替互补开通和关断、所述放电主开关开通、放电辅助开关关断。
13.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，包括：
根据第一预设条件调节所述第一限流阀值、第二限流阀值、第三限流阀值和第四限流阀值的数值变化，所述第一预设条件为锂电池组的温度值或者锂电池组的电压值。
14.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，包括：
根据第二预设条件，控制所述放电主开关开通、所述放电辅助开关关断、所述充电主开关和充电辅助开关交替开通和关断。
15.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，包括：
根据第三预设条件，控制所述放电主开关和充电辅助开关同步开通和关断，所述充电主开关和放电辅助开关同步开通和关断，放电主开关和充电主开关交替开通和关断。
16.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，当所述锂电池管理系统包括保护电路时，所述控制方法还包括：
当锂电池组两个端口的电压极性和锂电池系统两个端口的电压极性与预设极性相同时，控制所述保护开关闭合；若否，控制反接保护开关断开。
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