CN113013502B - 一种锂电池能量循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂电池能量循环系统。该系统包括：直流电源模块、充放电控制模块、电池保护和均衡电路、锂电池电池组、检测模块、A/D转换模块、STM32中央控制模块、上位机管理界面模块和热管理模块。本发明能够准确检测各个电池的电压、电流和温度，控制电热元件输出功率，对电池组进行充放电均衡控制及保护。

Description

一种锂电池能量循环系统
技术领域
本发明涉及锂电池研究领域，特别是涉及一种锂电池能量循环系统。
背景技术
在大中功率应用场合，需将多个锂离子电池串联起来组成电池组以获得足够的电压，通过对整个电池组的充放电实现对个单体的充放电，但是在实际的使用过程中面临着诸多的问题。(1)锂离子电池对充放电要求很高，当出现过充电、过放电、放电电流过大或电路短路时，会使锂电池温度升高，严重破坏电池性能，导致电池寿命缩短；(2)锂离子电池具有相对平坦充电曲线，因此必须非常准确地监视电池的电压，以及电流和温度；(3)由于电池单体的内部特性不一致，在充放电过程中将出现部分电池过充或者过放的现象；(4)锂电池在工作时还会放出大量的热，降低了能量的利用效率，并且会有鼓包和爆炸等危险存在，需要设计热管理系统对其进行降温处理。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种锂电池能量循环系统，能够准确检测各个电池的电压、电流和温度，控制电热元件输出功率，对电池组进行充放电均衡控制及保护。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种锂电池能量循环系统，包括：直流电源模块、充放电控制模块、电池保护和均衡电路、锂电池电池组、检测模块、A/D转换模块、STM32中央控制模块、上位机管理界面模块和热管理模块，所述电池保护和均衡电路、所述锂电池电池组、所述检测模块、所述A/D转换模块、所述STM32中央控制模块和所述上位机管理界面模块依次连接，所述直流电源模块、所述充放电控制模块和所述锂电池电池组依次连接，所述检测模块包括电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块；
所述锂电池电池组采用双电池箱供电的方式工作，所述锂电池电池组包括第一电池箱、第二电池箱和冷却水泵，所述第一电池箱和所述第二电池箱的电池两侧均布置有温差发电元件和散热元件；
所述热管理模块分别与所述冷却水泵和所述散热元件连接，所述热管理模块用于在温度高于程序设定的阈值时启动，使电池组通过水冷和风扇的方式给电池降温到正常状态。
可选地，还包括液晶显示界面，所述液晶显示界面和所述STM32中央控制模块连接。
可选地，还包括辅助电源电路，所述辅助电源电路和所述检测模块连接。
可选地，所述第一电池箱和所述第二电池箱均包含多块电池。
可选地，所述电压检测模块采用LTC6802。
可选地，所述电流检测模块采用电流传感器。
可选地，所述温度检测模块采用DS18B20温度传感器。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明采用STM32中央控制模块，用来处理底层采集到的数据，实现底层硬件与主控制器之间的通信，电池剩余电量(SOC)的估算以及通过串口与上位机进行数据通信；通过检测模块检测和采集电池的各项数据，可结合热管理模块使得电池组温度维持在一定范围内恒定。
附图说明
为了更清楚地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是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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明锂电池能量循环系统组成系统结构图；
图2为能量循环系统工作流程图；
图3为硬件系统总体结构示意图；
图4为单体电池示意图；
图5为电池箱体示意图；
图6为发电片支架示意图；
图7为发电片支架安装效果图；
图8为S形水冷弯管示意图；
图9为冷却水分流装置示意图；
图10为冷却水泵及散热风扇示意图；
图11为LTC6802典型应用示意图；
图12为温度检测电路示意图；
图13为热管理模块控制电路示意图；
图14为电池均衡电路示意图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
为了提升能量利用的效率，热电元件利用温差将电池工作发出的热量转化为电能，供给处于闲置状态的锂电池，实现“一边放电，一边充电”的效果。将电池热管理系统(即热管理模块11)和热电能量转换系统相结合，设计一套能量循环系统，能够准确检测各个电池的电压、电流和温度，控制电热元件输出功率，对电池组进行充放电均衡控制及保护。
图1为本发明锂电池能量循环系统组成系统结构图。如图1所示，一种锂电池能量循环系统包括：直流电源模块1、充放电控制模块2、电池保护和均衡电路3、锂电池电池组4、检测模块5、A/D转换模块6、STM32中央控制模块7、上位机管理界面模块8和热管理模块11，所述电池保护和均衡电路3、所述锂电池电池组4、所述检测模块5、所述A/D转换模块6、所述STM32中央控制模块7和所述上位机管理界面模块8依次连接，所述直流电源模块1、所述充放电控制模块2和所述锂电池电池组4依次连接，所述检测模块5包括电压检测模块5、电流检测模块5和温度检测模块5。其中直流电源模块1、充放电控制模块2、电池保护和均衡电路3、锂电池电池组4、检测模块5、A/D转换模块6、STM32中央控制模块7和上位机管理界面模块8构成热电能量转换系统。
所述锂电池电池组4采用双电池箱供电的方式工作。采用双电池箱供电的方式(A，B电池组)，当汽车启动时，先启用A电池组进行工作，当电池升温到额定工作温度(这里指的是热电元件最佳工作温度)时，比较此时的散热功率和发热功率，如果发现二者维持相对均衡，则动态调节散热装置的功率维持A电池组温度的相对稳定，同时启动热电装置利用温差进行电能的转化，将电能补充给闲置的电池组；如果检测发现散热器的最大工作功率都不足以与发热功率相匹敌时，立即停用A电池组，让其处于闲置状态，改用B电池组工作，并重复上述过程。通过这样的设计，既可以维持电池组处于正常工作的温度区间，也能让热电装置始终处于最佳工作状态，将电池产生的余热进行最大化的利用。图2为能量循环系统工作流程图。
所述锂电池电池组4包括第一电池箱、第二电池箱和冷却水泵，所述第一电池箱和所述第二电池箱均包含多块电池，各所述电池两侧均布置有温差发电元件和散热元件。图3为硬件系统总体结构示意图。
单体电池如图4，尺寸为16mm×65mm×131mm，5个电池为一组，共分为两组。电池箱体如图5所示，考虑到电池组、发电元件和散热元件的安装和拆卸，内壁设计有沟槽。
根据单体电池尺寸选用TGM-199-2.0-1.2温差发电片，尺寸为62mm×62mm×4mm。发电片支架(如图6)尺寸根据发电片尺寸决定，为便于拆卸设计为合页型，发电片热端紧贴电池表面，安装效果如图7。
散热水排按一定距离焊接在电池箱内侧。为了增大发电片热端和冷端之间的温差，增强发电片的发电效果，在冷端采用S形水冷弯管(如图8)并增加翅片来增大接触面积，从而增强散热效果。下端管口为入水口，上端管口为出水口，侧面紧贴温差发电片。
为了增加散热效果，使冷却水更加均匀地流经各个散热水排，同时减小占用空间，设计的冷却水分流装置如图9所示。
冷却水泵两侧分别设置一对出水口和入水口，并在水泵上方集成散热风扇，如图10所示。
所述热管理模块11分别与所述冷却水泵和所述散热元件连接，所述热管理模块11用于在温度高于程序设定的阈值时启动，使电池组通过水冷和风扇的方式给电池降温到正常状态。电池组不适宜长时间在高温环境中工作，所以通过热管理系统来解决温度过高对电池组产生的影响是很有必要的。当外界温度较低时，电池内部化学反应会产生一定热量，从而缓解外界低温的影响，当电池温度过高时就需要启动相应的降温措施。通过水冷+风扇的方式给电池降温，即一旦温度高于程序设定的阈值时，启动热管理系统，使电池组降温到正常状态。图13为热管理模块控制电路示意图。
本发明还包括液晶显示界面10，所述液晶显示界面10和所述STM32中央控制模块7连接。所述STM32中央控制模块7采用STM32F429IGT6。
本发明还包括辅助电源电路9，所述辅助电源电路9和所述检测模块5连接。
STM32中央控制模块7作为本发明的核心，其主要任务是：接受电池电流电压、电池温度等数据并对其进行分析处理以估算电池SOC，分析剩余电量，发送运行命令进行控制以及与上位机进行数据通信，把各个电池的状态上传给上层显示界面，以更加直观、实时地监视电池组状态。
所述电压检测模块5采用LTC6802。锂电池的电压是一个非常重要的参数，电池的充放电状态和电池的端电压相对应。由于锂电池有相对平坦的放电曲线，必须非常准确检测电池的端电压，以防止电池的过充或过放，以确保电池安全可靠的工作。本发明采用凌力尔特公司的LTC6802进行电池组电压检测，其典型电路如图11所示。LTC6802为大型电池组处理数据采集任务，尤其适用于锂离子电池。一片LTC6802直接连接多达12个单体电池，每节电池的电压都以1.5mV的分辨率数字化成一个12位字。多个LTC6802无需光耦合器或隔离器就可以串联叠加，可以对电压检测电路进行模块化设计，可以很灵活地扩展电池的数量。图11为LTC6802典型应用示意图。
所述电流检测模块5采用电流传感器。锂离子电池对充放电要求比较苛刻，当充放电电流过大或者负载短路造成电流过大时，由于高内阻的特性，电池内部功耗增加，温度升高，导致电池损害或者使之提前报废寿命缩短。因此，必须实时检测串联电池组电流，当发生过流或者负载短路时，迅速关断充放电回路，保护锂电池组。
本发明采用一个电流传感器和一个A/D转换器检测电池组电流。主控制器根据A/D上传的数据，判断电池组的电流状态，在过流或者负载短路时，关断充放电回路开关。
所述温度检测模块5采用DS18B20温度传感器。温度影响电池的充电效率，而且如果电池的温度超过一定值，有可能造成电池的不可恢复性破坏。本发明选用DAL-LAS公司的DS18B20温度传感器，把它粘附在每节电池的外壳上。DS18B20是单片结构，无需外加A/D转换器即可输出9～12位数字量。通信采用单总线协议，多个DS18B20可以并联在一起，通过一条数据线即可完成与主控制器的通信，占用主控制器的端口较少。在充放电过程中，若DS18B20检测到某节或某几节电池表面温度过高，则主控制器关断充放电回路开关，停止充放电，并给出警示信号。图12为温度检测电路示意图。
多个锂电池串联作为电源时，由于各节锂电池内部特性的不一致，会导致各节锂电池充、放电的不一致。当有的电池过充电时，有的电池还没有充满，当有的电池过放电时，有的电池还有比较充足的电，使得整个电池组的利用率和使用寿命降低。所以必须采取有效的均衡方法，使得各个电池能够均衡充放电，避免过充和过放。
均衡电路是当电池组中各个单体电池之间电压不均衡时，将电池组中电压差超过设定阈值的电压进行处理，这部分电量可以转移到电池电量较低的单体电池中，也可以将这部分电量消耗掉，由此实现各单体电池的均衡。为了保证电路均衡的有效性以及电路的简化性，采用带开关控制的分流电阻均衡电路。电池均衡电路图如图14所示。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种锂电池能量循环系统，其特征在于，包括：直流电源模块、充放电控制模块、电池保护和均衡电路、锂电池电池组、检测模块、A/D转换模块、STM32中央控制模块、上位机管理界面模块和热管理模块，所述电池保护和均衡电路、所述锂电池电池组、所述检测模块、所述A/D转换模块、所述STM32中央控制模块和所述上位机管理界面模块依次连接，所述直流电源模块、所述充放电控制模块和所述锂电池电池组依次连接，所述检测模块包括电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块；
所述锂电池电池组采用双电池箱供电的方式工作，所述锂电池电池组包括第一电池箱、第二电池箱和冷却水泵，所述第一电池箱和所述第二电池箱的电池两侧均布置有温差发电元件和散热元件；当汽车启动时，先启用A电池组进行工作，当电池升温到额定工作温度时，比较此时的散热功率和发热功率，如果发现二者维持相对均衡，则动态调节散热装置的功率维持A电池组温度的相对稳定，同时启动热电装置利用温差进行电能的转化，将电能补充给闲置的电池组；如果检测发现散热器的最大工作功率都不足以与发热功率相匹敌时，立即停用A电池组，让其处于闲置状态，改用B电池组工作，并重复上述过程；
所述热管理模块分别与所述冷却水泵和所述散热元件连接，所述热管理模块用于在温度高于程序设定的阈值时启动，使电池组通过水冷和风扇的方式给电池降温到正常状态；
散热水排按一定距离焊接在电池箱内侧，为了增大发电片热端和冷端之间的温差，增强发电片的发电效果，在冷端采用S形水冷弯管并增加翅片来增大接触面积，从而增强散热效果；下端管口为入水口，上端管口为出水口，侧面紧贴温差发电片；
为了保证电路均衡的有效性以及电路的简化性，采用带开关控制的分流电阻均衡电路；
为了增加散热效果，使冷却水更加均匀地流经各个散热水排，同时减小占用空间设计的冷却分流装置；
STM32中央控制模块作为核心，其主要任务是：接受电池电流电压、电池温度等数据并对其进行分析处理以估算电池SOC，分析剩余电量，发送运行命令进行控制以及与上位机进行数据通信，把各个电池的状态上传给上层显示界面，以更加直观、实时地监视电池组状态。
2.根据权利要求1所述的锂电池能量循环系统，其特征在于，还包括液晶显示界面，所述液晶显示界面和所述STM32中央控制模块连接。
3.根据权利要求1所述的锂电池能量循环系统，其特征在于，还包括辅助电源电路，所述辅助电源电路和所述检测模块连接。
4.根据权利要求1所述的锂电池能量循环系统，其特征在于，所述第一电池箱和所述第二电池箱均包含多块电池。
5.根据权利要求1所述的锂电池能量循环系统，其特征在于，所述电压检测模块采用LTC6802。
6.根据权利要求1所述的锂电池能量循环系统，其特征在于，所述电流检测模块采用电流传感器。
7.根据权利要求1所述的锂电池能量循环系统，其特征在于，所述温度检测模块采用DS18B20温度传感器。
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