CN113131076A - 一种可并联扩容的电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种可并联扩容的电池系统，包括充电端口、负载端口，以及至少一个电池组，充电端口外接充电器，负载端口外接主机/负载；每个电池组与充电端口和负载端口具有相同的连接结构，且每个电池组各配设有两个电流防反灌模块；电流防反灌模块的一端为阴极，另一端为阳极，电流只能从其阳极向阴极方向移动；电池组的正极连接有充电支路和放电支路，充电支路中，电池组的正极与其中一个电流防反灌模块的阴极连接，该电流防反灌模块的阳极与充电端口的正极连接；放电支路中，电池组的正极与另一个电流防反灌模块的阳极连接，该电流防反灌模块的阴极与负载端口的正极连接。本发明解决了电池并联产生的反灌问题，使不同电压电量的电池组可以直接并联使用。

Description

一种可并联扩容的电池系统
技术领域
本发明涉及电池领域，具体涉及一种可并联扩容的电池系统。
背景技术
锂离子电池因为具有高能量密度、高效率、可重复利用等优点，目前在数码产品、便携式设备、储能、电动汽车等领域有着广泛地应用。
锂电池由于本身电化学特性，在使用时需要增加额外的保护电路，对于电池的过充、过放、过流、过温的不合理使用情况进行全面保护。
锂电池的组成结构一般分为物理单体(电芯)、逻辑单体(并联后的单节电池)、电池组(串并联后的电池)；用电设备需要根据用电电压，续航时间选用合理的串并联数量电池组，成组后的电池还需要增加保护电路，对电池的过充、过放、过流、过温等异常使用进行全面的保护。
在实际应用过程中，用电设备需求因具体应用而产生变化，同一款用电设备因为续航需求有差异，对于电池的容量需求并非一致，而设备厂家希望把电池设计为一个标准模块，当需要低容量电池时使用单个电池组，当电池容量需求变大时，使用同款电池组并联使用达到扩容的目的；另外一些用电设备因为结构设计原因，没有一个完整的空间放置一个电池组，需要把电池拆分为两个或多个电池组，然后再把这些电池组并联扩容使用以满足续航需求。然而，每个电池组成组后的电压、容量不可能完全一致，成组后的电池组不能再进行串并联，否则会存在电池组间的电流反灌，并联的两个电池组如果电量或容量不完全一致，并联后高电压电池会向低电压电池反灌电流，引起电池组保护，无法正常使用，而且会损坏电池，存在安全风险。
专利CN101969215B公开了一种多电池并联应用电路和终端设备，该方案中，在多电池并联应用电路中设置开关模块的技术方案，当电路中任一电池被取出时，该开关模块断开连接，进而使电路中保留的电池和终端设备断开连接，从而避免该保留的电池被终端设备充电至高电压。这样，再接入新的电池时，并联电池间的电流倒灌现象虽然得以避免或减轻，但是，开关模块需要手动切换，实际应用比较繁琐，使得该技术仍然存在一定的电流倒灌风险，不能从根本解决问题。
专利CN101841170B公开一种蓄电池并联供电方法，该方案中，将二个以上供电支路并联，每个供电支路具有蓄电池、升压电路和降压电路，且每一个供电支路配有独立控制单元；蓄电池提供一个低电压，低电压经过升压电路升压后转换成一个高电压，高电压再经降压电路降压获得所需供电电压；供电支路的输出端的正极还串联一个二极管，用于防止另一供电支路电流倒灌，输出端负极串联一个限流电阻，用来均衡各供电支路电流。其主要是使用数字信号处理器单元DSP通过DC/DC升降压开关电源，需要微控制具有高速计算能力，控制方法也较为复杂，而且DC/DC升降压电路在实际应用时会有一部分能量损耗，稳定性差。导致系统成本较高，体积较大。
因此，亟需一种性能可靠、结构更简单、成本低、拓展性强的多电池组扩容方案，以满足当前对锂离子电池等储能设备的应用需求。
发明内容
为了解决现有技术的上述技术问题，本发明提供了一种解决了电池并联时产生的反灌问题，使得不同电压电量的电池组可以直接并联使用的可并联扩容的电池系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种可并联扩容的电池系统，包括充电端口、负载端口，以及至少一个电池组，所述充电端口用于外接充电器，所述负载端口用于外接主机/负载；每个所述电池组与所述充电端口和所述负载端口具有相同的连接结构，且每个所述电池组各配设有两个电流防反灌模块；所述电流防反灌模块的一端为阴极，另一端为阳极，电流只能从其阳极向阴极方向移动；
所述电池组的正极连接有充电支路和放电支路，充电支路中，电池组的正极与其中一个电流防反灌模块的阴极连接，该电流防反灌模块的阳极与充电端口的正极连接；放电支路中，电池组的正极与另一个电流防反灌模块的阳极连接，该电流防反灌模块的阴极与负载端口的正极连接；
所述电池组的负极、所述充电端口的负极和所述负载端口的负极相连。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述电流防反灌模块包括控制器U1和MOS管Q1，MOS管Q1的S极连接电流防反灌模块的阳极，MOS管Q1的D极连接电流防反灌模块的阴极，控制器U1与MOS管Q1的S极、D极和G极分别连接，控制器U1通过对S极与D极电压差进行检测以判断电流方向，从而发送信号到G极以对MOS管Q1的通断进行控制，以使电流只能从电流防反灌模块的阳极向阴极方向移动。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述电流防反灌模块还包括双向稳压二极管TVS、电容CIN和电容COUT，双向稳压二极管TVS连接在MOS管Q1的S极与接地点GND之间，电容CIN连接在MOS管Q1的S极与接地点GND之间，电容COUT连接在MOS管Q1的D极与接地点GND之间。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述控制器U1具有GAT引脚、EN引脚、ANODE引脚、VCAP引脚、CATHODE引脚和GND引脚，控制器U1通过GAT引脚与MOS管Q1的G极连接，通过EN引脚和ANODE引脚与MOS管Q1的S极连接，通过CATHODE引脚与MOS管Q1的D极连接，VCAP引脚与ANODE引脚之间还串联有电容CVCAP。
作为本发明的进一步优选技术方案，每个所述电池组还配设有开关管和电流保护模块，所述开关管串联在电池组的正极与充电支路及放电支路的连接点之间，所述开关管的控制端与所述电流保护模块连接，所述电流保护模块用于对与之对应的电池组的电压、充放电电流及温度进行采样，以及对其电量进行计算，电流保护模块根据采样结果对开关管的通断进行控制，以实现过压保护、欠压保护、充电过流保护、放电过流保护、短路保护、充电过温保护、充电低温保护、放电高温保护、放电低温保护。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述可并联扩容的电池系统还包括管理模块，所述管理模块通过通讯总线与每个所述电流保护模块通讯连接，以获取每个电池组的电压、电流以及故障信息，并计算出所有并列电池组的总电压及电流。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述通信总线为SMbus、IIC、UART、RS232、RS485、CAN中的任一一种。
本发明的可并联扩容的电池系统，通过采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：
1)相对于现有技术，本发明完全解决了电池并联时产生的反灌问题，使得不同电压电量的电池组可以直接并联使用；
2)使用比较简单的硬件(电流防反灌模块+MOS管)可以实现电池组的模块化并联，相对于现有技术，具备低成本、可靠性高的优势。
3)不借助微控制器(IC)或DC/DC电路，具有响应速度快、损耗极低的优势；
4)不限制并联电池模块数量，理论上可以无限制并联拓展。
5)通过该架构，电池组在并联充放电时可以起到自动均衡的效果，即：放电时将优先对高电压电池进行放电，等到电池电压一致后再同时放电；充电时将自动优先对低电压电池进行充电，等到电池电压一致后再同时充电。
附图说明
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。
图1为本发明可并联扩容的电池系统提供的一实例的系统框图。
图2为本发明中电流防反灌模块的电路图。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供了一种可并联扩容的电池系统，包括充电端口、负载端口，以及至少一个电池组，所述充电端口用于外接充电器，所述负载端口用于外接主机/负载；每个所述电池组与所述充电端口和所述负载端口具有相同的连接结构，通过该连接结构，使得在充电或放电时，所有电池组在相应的等效电路中均为并联连接结构，且无论是充电、放电，或充放电同时进行时，不会导致电流反灌，而且，多电池组并联扩容后，具有高电压的电池组也不会向低电压的电池组反灌电流。本发明中的电池为锂电池或其他化学能转换为电能的储能装置。
每个所述电池组各配设有两个电流防反灌模块，电流防反灌模块用于防止对应电池组出现电流反灌，仅允许电流正向流通，该电流防反灌模块的一端为阴极，另一端为阳极，电流只能从其阳极向阴极方向移动，其功能相对于二极管，电流防反灌模块又称作理想二极管。
所述电池组的正极连接有充电支路和放电支路，充电支路中，电池组的正极与其中一个电流防反灌模块的阴极连接，该电流防反灌模块的阳极与充电端口的正极连接，充电端口的正极输出的电流经该电流防反灌模块流向电池组的正极，从而实现对电池组的充电；放电支路中，电池组的正极与另一个电流防反灌模块的阳极连接，该电流防反灌模块的阴极与负载端口的正极连接，电池组的正极输出的电流经电流防反灌模块流向负载端口，从而给负载端口供电。通过该连接结构，实现了电池组在充电和放电时，电流选择性在充电支路中与放电支路中单向流动，确保电路工作正常；所述电池组的负极、所述充电端口的负极和所述负载端口的负极相连，以作为公共接地端。
在一具体实施中，如图2所示，所述电流防反灌模块包括控制器U1和MOS管Q1，MOS管Q1的S极连接电流防反灌模块的阳极，MOS管Q1的D极连接电流防反灌模块的阴极，控制器U1与MOS管Q1的S极、D极和G极分别连接，控制器U1通过对S极与D极电压差进行检测以判断电流方向，从而发送信号到G极以对MOS管Q1的通断进行控制，以使电流只能从电流防反灌模块的阳极向阴极方向移动。例如，当控制器U1检测到MOS管Q1的D、S极有正压差时说明存在正向电流，此时，控制器U1控制MOS管Q1的G极使MOS管Q1导通，使MOS管Q1正向导通压降控制在mv级别，损耗可以忽略不计；当检测到MOS管Q1的D、S极有负压差时说明存在反向电流，此时，控制器U1控制MOS管Q的G极使MOS管Q1关闭，反向电流降为零，控制器U1响应反向电流阻断时间一般小于1us。
在另一具体实施中，所述电流防反灌模块还包括双向稳压二极管TVS、电容CIN和电容COUT，双向稳压二极管TVS连接在MOS管Q1的S极与接地点GND之间，电容CIN连接在MOS管Q1的S极与接地点GND之间，电容COUT连接在MOS管Q1的D极与接地点GND之间，电容CIN和电容COUT的作用是滤波，双向稳压二极管TVS用于静电和异常电压的保护。
在又一具体实施中，所述控制器U1具有GAT引脚、EN引脚、ANODE引脚、VCAP引脚、CATHODE引脚和GND引脚，控制器U1通过GAT引脚与MOS管Q1的G极连接，通过EN引脚和ANODE引脚与MOS管Q1的S极连接，通过CATHODE引脚与MOS管Q1的D极连接，VCAP引脚与ANODE引脚之间还串联有电容CVCAP。
优选地，每个所述电池组还配设有开关管和电流保护模块，所述开关管串联在电池组的正极与充电支路及放电支路的连接点之间，所述开关管的控制端与所述电流保护模块连接，所述电流保护模块用于对与之对应的电池组的电压、充放电电流及温度进行采样，以及对其电量进行计算，电流保护模块根据采样结果对开关管的通断进行控制，以实现过压保护、欠压保护、充电过流保护、放电过流保护、短路保护、充电过温保护、充电低温保护、放电高温保护、放电低温保护。
进一步优选地，所述可并联扩容的电池系统还包括管理模块，所述管理模块通过通讯总线与每个所述电流保护模块通讯连接，以获取每个电池组的电压、电流以及故障信息，并计算出所有并列电池组的总电压及电流。所述通信总线为SMbus、IIC、UART、RS232、RS485、CAN中的任一一种。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种可并联扩容的电池系统，其特征在于，包括充电端口、负载端口，以及至少一个电池组，所述充电端口用于外接充电器，所述负载端口用于外接主机/负载；每个所述电池组与所述充电端口和所述负载端口具有相同的连接结构，且每个所述电池组各配设有两个电流防反灌模块；所述电流防反灌模块的一端为阴极，另一端为阳极，电流只能从其阳极向阴极方向移动；
所述电池组的正极连接有充电支路和放电支路，充电支路中，电池组的正极与其中一个电流防反灌模块的阴极连接，该电流防反灌模块的阳极与充电端口的正极连接；放电支路中，电池组的正极与另一个电流防反灌模块的阳极连接，该电流防反灌模块的阴极与负载端口的正极连接；
所述电池组的负极、所述充电端口的负极和所述负载端口的负极相连。
2.根据权利要求1所述的可并联扩容的电池系统，其特征在于，所述电流防反灌模块包括控制器U1和MOS管Q1，MOS管Q1的S极连接电流防反灌模块的阳极，MOS管Q1的D极连接电流防反灌模块的阴极，控制器U1与MOS管Q1的S极、D极和G极分别连接，控制器U1通过对S极与D极电压差进行检测以判断电流方向，从而发送信号到G极以对MOS管Q1的通断进行控制，以使电流只能从电流防反灌模块的阳极向阴极方向移动。
3.根据权利要求2所述的可并联扩容的电池系统，其特征在于，所述电流防反灌模块还包括双向稳压二极管TVS、电容CIN和电容COUT，双向稳压二极管TVS连接在MOS管Q1的S极与接地点GND之间，电容CIN连接在MOS管Q1的S极与接地点GND之间，电容COUT连接在MOS管Q1的D极与接地点GND之间。
4.根据权利要求2所述的可并联扩容的电池系统，其特征在于，所述控制器U1具有GAT引脚、EN引脚、ANODE引脚、VCAP引脚、CATHODE引脚和GND引脚，控制器U1通过GAT引脚与MOS管Q1的G极连接，通过EN引脚和ANODE引脚与MOS管Q1的S极连接，通过CATHODE引脚与MOS管Q1的D极连接，VCAP引脚与ANODE引脚之间还串联有电容CVCAP。
5.根据权利要求1至4任一项所述的可并联扩容的电池系统，其特征在于，每个所述电池组还配设有开关管和电流保护模块，所述开关管串联在电池组的正极与充电支路及放电支路的连接点之间，所述开关管的控制端与所述电流保护模块连接，所述电流保护模块用于对与之对应的电池组的电压、充放电电流及温度进行采样，以及对其电量进行计算，电流保护模块根据采样结果对开关管的通断进行控制，以实现过压保护、欠压保护、充电过流保护、放电过流保护、短路保护、充电过温保护、充电低温保护、放电高温保护、放电低温保护。
6.根据权利要求5所述的可并联扩容的电池系统，其特征在于，所述可并联扩容的电池系统还包括管理模块，所述管理模块通过通讯总线与每个所述电流保护模块通讯连接，以获取每个电池组的电压、电流以及故障信息，并计算出所有并列电池组的总电压及电流。
7.根据权利要求6所述的可并联扩容的电池系统，其特征在于，所述通信总线为SMbus、IIC、UART、RS232、RS485、CAN中的任一一种。
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