CN202142620U

CN202142620U - 基本单元锂电池组模块及多级锂电池组

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Publication number: CN202142620U
Application number: CN201120115531U
Authority: CN
Inventors: 吴粤滨
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2021-04-19

Abstract

本实用新型公开了一种基本单元锂电池组模块及多级锂电池组。该基本单元锂电池组模块，包括至少两个串联连接的基本锂电池、至少一个平衡锂电池、与所述基本锂电池数量相等的可控制开关、及可控制开关的驱动模块、检测各个所述基本锂电池两端电压值的电压检测模块、以及单元控制器；所述平衡锂电池分别与各个所述基本锂电池并联连接，所述多个可控制开关分别用于独立控制所述平衡锂电池与各个所述基本单元锂电池模块并联连接的通断，所述可控制开关的驱动模块、所述电压检测模块分别与所述单元控制器连接。所述多级锂电池组由所述基本单元锂电池模块组成。本实用新型能提高锂电池充放电效率。

Description

基本单元锂电池组模块及多级锂电池组

技术领域

本实用新型涉及锂电池领域，特别是涉及一种基本单元锂电池组模块及由其组成的多级锂电池组。

背景技术

随着科技的发展，锂电池的应用领域迅速扩大，特别是由多个锂电池构成大容量锂电池组的应用具有广泛的市场，在纯电动汽车行业，在能量储存领域里，锂电池的应用前景更是不可限量。

但是由于锂电池在生产过程中、在充放电过程中及使用环境不同情况下，即使是相同规格的锂电池(单级)，它们之间的容量也具有绝对的不一致性，表现出各个锂电池的电压、电流、充放电时间不同，在多级锂电池成组使用的情况下，这种锂电池容量的不一致性将缩短锂电池组的充电时间和放电时间，从而导致电池组中部分锂电池无法充满电或部分锂电池中的电量无法输出，使得锂电池组效率低及使用寿命缩短，比如，单个锂电池的寿命可以达到2000次，但是12个锂电池串联成组，则这个锂电池组的寿命可能只有400次。这也是无法通过增加基本锂电池数量，而达到增加锂电池组容量及不降低电池组使用寿命的根本原因。

为解决上述问题，锂电池充电均衡技术应运而生，现有技术存在两类均衡方式：

能耗式均衡充电方式

在充电过程中，通过并联的分流电阻消耗电压过高的锂电池的电量，实现放电均衡。这种方式只能在充电过程中实现均衡充电，缺点是只能实现单向的、在充电过程中的均衡，无法实现在放电过程中的均衡，而且浪费能源，同时会产生大量的热量，如果散热不畅，造成锂电池温度升高，内阻增加，将会导致锂电池爆炸。由于无法实现大电流分流，比如：为了避免电阻热量对锂电池的影响，分流通常选择100毫安，均衡效果不明显，而且分流控制复杂，也无法组成多级锂电池组，能耗式充电均衡仅在无安全性要求的领域应用，如：飞行航模电池组有应用，容量一般仅限于三级串联电池组。

非能耗均衡充电方式

将锂电池两端连接到对应的电感(或电容)的两端，以电感(或电容)作为能量转移的载体，当某个锂电池上有多余的能量时，启动开关接通电感(或电容)，将多余的能量转移到电感(或电容)上，再将电感(或电容)上的能量向低电能的锂电池对应的电感(或电容)上转移，再由电感(或电容)储存的能量转移到低电量的锂电池上，实现锂电池组均衡充电。

其缺点同样是只能实现单向的、在充电过程中的均衡，无法实现在放电过程中的均衡，而且控制系统复杂，能量因为多次转移而损耗，大体积的电感或电容元器件占用大量空间，因此无法实现大电流分流方式均衡，所以无法组成大容量、高输出电流/电压的多级锂电池组。

在实际应用中，目前不带均衡装置的锂电池组主要用于民用电动助力车，电工工具方面，成组后的多级锂电池组的电压为24-36V为主；如果作为电动汽车的动力电池，必须提供40-60KW(相当于1.3-1.6升排气量)的电池容量(如：480V，150A)，在这个容量规模下，假如单个锂电池的过充电压极限值为4.2V，过放电压极限值为3.0V，锂电池组成组使用后，经过一定次数的充放电循环后，电化学性能最好的锂电池和电化学性能最差的锂电池的电压差可能在3.3V～3.8V之间(即0.5V)，充电时，最好的锂电池很快达到过充电压限值，结束充电过程，而放电时，最差的锂电池很快达到过放电压限值，结束放电过程，所以锂电池组的充放电效率非常低，而且电池组串联越多，容量越大，充放电次数越多，电池组的整体效率越低，而且由于过充和过放的管理，锂电池组的整体寿命越低，所以，锂电池的不一致性是成组困难的原因。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种基本单元锂电池组模块、由基本单元锂电池组模块组成的多级锂电池组。

一种基本单元锂电池组模块，包括至少两个串联连接的基本锂电池、至少一个平衡锂电池、与所述基本锂电池数量相等的可控制开关、及可控制开关的驱动模块、检测各个所述基本锂电池两端电压值的电压检测模块、以及单元控制器；所述平衡锂电池分别与各个所述基本锂电池并联连接，所述多个可控制开关分别用于独立控制所述平衡锂电池与各个所述基本单元锂电池模块并联连接的通断，所述可控制开关的驱动模块、所述电压检测模块分别与所述单元控制器连接。

优选地，所述可控制开关为无触点矩阵开关。

优选地，所述无触点矩阵开关包括连接在所述基本锂电池正极与平衡锂电池正极之间的前级矩阵开关、以及连接在所述基本锂电池负极与平衡锂电池负极之间的后级矩阵开关。

进一步地，所述前级矩阵开关和所述后级矩阵开关均为双MOSFET管双向导通开关，所述双MOSFET管双向导通开关包括第一MOSFET管和第二MOSFET管，所述第一MOSFET管的源极与所述第二MOSFET管的源极相连，所述第一MOSFET管的栅极和第二MOSFET管的栅极相连后作为控制端与所述驱动模块连接，所述第一MOSFET管的漏极和第二MOSFET管的漏极分别作为双MOSFET管双向导通开关的输入端和输出端。

所述基本锂电池组模块还可以包括与所述基本锂电池串联连接的过充过放保护开关，所述过充过放保护开关的控制端与所述驱动模块连接。

所述基本锂电池组模块还可以包括二次保护自恢复保险丝，所述二次保护自恢复保险丝与所述基本锂电池串联连接。

一种多级锂电池组，包括多个所述的基本单元锂电池组模块，所述多个基本单元锂电池组模块串联连接或并联连接或串并联混合连接。

本实用新型与现有技术对比，具有以下有益效果：1)以电池作为能量载体进行均衡，无能量损耗，不会产生大量的热量，安全、稳定；2)在充电、放电过程中进行动态均衡，以一定的时间为周期不断地平衡各个锂电池之间的充/放电量，相比于现有技术的静态均衡，有更好的均衡效果，能够有效地扩展锂电池的有效能量使用区间，提高电池的充放电效率；3)控制系统简单。

优选方案中，采用双MOSFET管双向导通开关作为控制开关，双MOSFET管双向导通开关一方面具有普通MOSFET开关速度快(10ns级)、高输入阻抗、低电平驱动、抗击穿、导通电阻极小等特点；同时又克服了MOSFET由于寄生二极管存在，在组成锂电池组(串联)建立开关矩阵时，容易产生不可确定的回路，极易损坏电路的元器件和MOSFET本身的问题。相比于与现有的开关，不易损坏，具有更高的稳定性。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式的多级锂电池组的电路结构图；

图2是图1中基本单元锂电池组模块的电路结构图；

图3是图2中的无触点矩阵开关(双MOSFET管双向导通开关)的电路结构；

图4是图3的双MOSFET管双向导通开关的工作原理图；

图5是图2的基本单元锂电池组模块的充电均衡流程图；

图6是图2的基本单元锂电池组模块的充电均衡的特性对比图；

图7是图2的基本单元锂电池组模块的放电均衡流程图；

图8是图2的基本单元锂电池组模块的放电均衡的特性对比图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选具体实施方式对本实用新型进行详细的阐述。

名词解释：1)基本锂电池：是基本单元锂电池组模块的储能电池；2)平衡锂电池：是基本单元锂电池组模块充放电均衡的能力载体，他可以是与基本锂电池完全相同的电池。

如图1所示，本实施例的多级锂电池组由多个基本单元锂电池组模块串联而成，各个基本单元锂电池组模块的额定输出电压V＝11.8伏、输出电流I＝2安培。

本实施例的基本单元锂电池组模块包括三个依次串联连接的基本锂电池B1、B2、B3、一个平衡锂电池B4、六个无触点矩阵开关、一个二次保护自恢复保险丝、一个过充过放保护开关、以及电压检测模块(本实施例采用一个精密采样电阻R作为电压检测模块)、所示六个无触点矩阵开关的驱动模块和单元控制器。

如图2所示，每一个基本锂电池的正极与平衡锂电池B4的正极用导线连接，并在每一个基本锂电池的正极与平衡锂电池B4的正极之间连接一个前级矩阵开关，通过前级矩阵开关控制其通断；每一个基本锂电池的负极与平衡锂电池B4的负极用导线连接，并在每一个基本锂电池的负极与平衡锂电池B4的负极之间连接一个后级矩阵开关，通过后级矩阵开关控制其通断，与同一个基本锂电池连接的前级矩阵开关和后级矩阵开关的控制端相连后与驱动模块连接，即：与同一个基本锂电池连接的前级矩阵开关和后级矩阵开关同时开或关。

精密采样电阻R与平衡锂电池B4并联，其控制端与单元控制器连接，精密采样电阻R用于采集各个基本锂电池两端的电压信号，并传送给单元控制器。

过充过放保护开关与二次保护自恢复保险丝串联后，与基本锂电池B3的负极连接，过充过放保护开关的控制端与驱动模块连接。驱动模块也与单元控制器连接。

本实施例的前级矩阵开关、后级矩阵开关和过充过放保护开关均采用双MOSFET双向导通开关，其结构如图3所示，双MOSFET管双向导通开关包括性能参数相同的第一MOSFET管和第二MOSFET管，第一MOSFET管的源极S1与第二MOSFET管的源极S2相连，第一MOSFET管的栅极G1和MOSFET管的栅极G2相连后作为双MOSFET管双向导通开关的控制端，第一MOSFET管的漏极D1和第二MOSFET管的漏极D2分别作为双MOSFET管双向导通开关的输入端和输出端。如图4所示，双MOSFET管双向导通开关的工作原理是，当在控制端施加一个驱动电压时，两个MOSFET同时导通，电流流向可随双MOSFET管双向导通开关输入端和输出端(即D1、D2端)电压的高低而改变，实现双向导通。即：闭合K1、K2后，如果电池B6的输出电压大于B7的输出电压，则电流由D1端流向D2端；反之，则电流流向也相反。

本实施例的单元控制器还设有通信接口，方便可视化地监控多级锂电池组的工作状态。

下面对上述基本单元锂电池组模块的充电均衡流程和放电均衡流程进行详细描述：

充电均衡流程图如图5所示，包括以下步骤：1)上电后电压检测模块检测基本锂电池B1、B2、B3两端的电压值V1、V2、V3，并传送给单元控制器；2)单元控制器读取V1、V2、V3的值后，比较V1、V2、V3的大小；3)对两端电压值最大的基本锂电池进行分流，具体步骤如下：假设V3最大，则单元控制器发送控制信号给驱动模块，由驱动模块驱动连接在基本锂电池B3和平衡锂电池B4之间的前级矩阵开关和后级矩阵开关，使其在预定的时间t内双向导通，导通后平衡锂电池B4与基本锂电池B3形成并联，即：平衡锂电池B4对基本锂电池B3进行分流，此时，由于平衡锂电池B4的分流作用，基本锂电池B3的充电速度将慢于基本锂电池b1、B2的充电速度，从而能够防止基本锂电池B3迅速达到过充保护电压阈值导致充电停止；在所述预定的时间t结束后，单元控制器再次发送控制信号给驱动模块，断开前级矩阵开关和后级矩阵开关，停止对基本锂电池B3的分流；并重复前述的所有步骤。为了避免锂电池过充，本实施例的充电均衡控制方法还包括下述步骤：判断两端电压值最高的基本锂电池的电压值是否大于预设的过充保护电压阈值，若是，则断开过充过放保护开关。该步骤可以在每次检测出V1、V2、V3后均执行，也可设置独立的执行周期。

如图6所示，为本实施例的基本单元锂电池组模块在有充电均衡时和无充电均衡时的充电特性对比图(为更好的阐述均衡原理和均衡效果，图中仅仅示出平衡锂电池B4、基本锂电池B2和基本锂电池B3的电压)。在无均衡控制时，基本锂电池B3在t1时刻达到过充保护电压，过充过放保护开关断开，充电终止，而此时基本锂电池B2仍然没有达到饱和，充电不完全；在有均衡控制时，上电后，由于基本锂电池B2的初始电压高于基本锂电池B3的初始电压，平衡锂电池B4对基本锂电池B2进行均衡，均衡后基本锂电池B2两端的电压V＝(V_B4+V_B2)/2，由于平衡锂电池B4的分流作用，基本锂电池B2的充电速度下降，经过一段时间后，基本锂电池B3两端的电压会高于基本锂电池B2两端的电压，此时停止对基本锂电池B2的分流，重新开始新的均衡；在这种动态均衡的作用下，各个基本锂电池电压达到过充保护电压阈值的时间趋于一致，在其中一个基本锂电池的电压达到过充保护电压阈值时，其他基本锂电池也接近饱和状态。

放电均衡流程如图7所示，包括以下步骤：1)接入负载后电压检测模块检测基本锂电池B1、B2、B3两端的电压值V1、V2、V3，并传送给单元控制器；2)单元控制器读取V1、V2、V3的值后，比较V1、V2、V3的大小；3)对两端电压值最小的的基本锂电池进行分流，具体步骤如下：假设V3最小，则单元控制器发送控制信号给驱动模块，由驱动模块驱动连接在基本锂电池B3和平衡锂电池B4之间的前级矩阵开关和后级矩阵开关，使其在预定的时间t内双向导通，导通后平衡锂电池B4与基本锂电池B3形成并联，即：平衡锂电池B4对基本锂电池B3进行分流，此时，由于平衡锂电池B4的分流作用，基本锂电池B3的放电速度将慢于基本锂电池B1、B2的放电速度，从而能够防止基本锂电池B3迅速达到过放保护电压阈值导致放电停止；在所述预定的时间t结束后，单元控制器再次发送控制信号给驱动模块，断开前级矩阵开关和后级矩阵开关，停止对基本锂电池B3的分流；重复步骤1)、2)和3)。为了避免锂电池过放，本实施例的放电均衡控制方法还包括下述步骤：判断两端电压值最低的基本锂电池的电压值是否小于预设的过充保护电压阈值，若是，则断开过充过放保护开关。该步骤可以在每次检测出V1、V2、V3后均执行，也可设置独立的执行周期。

如图8所示，为本实施例的基本单元锂电池组模块在有放电均衡时和无放电均衡时的放电特性对比图(为更好的阐述均衡原理和均衡效果，图中仅仅示出平衡锂电池B4、基本锂电池B2和基本锂电池B3的电压)。在无均衡控制时，基本锂电池B3达到过放保护电压时，过充过放保护开关断开，放电终止，而此时基本锂电池B2仍然有大量的电能没有充分释放，放电不完全；在有均衡控制时，上电后，由于基本锂电池B2的初始电压高于基本锂电池B3的初始电压，平衡锂电池B4对基本锂电池B3进行均衡，均衡后基本锂电池B3两端的电压V＝(V_B4+V_B3)/2，由于平衡锂电池B4的分流作用，基本锂电池B3的放电速度下降，经过一段时间后，基本锂电池B2两端的电压会低于基本锂电池B3两端的电压，此时停止对基本锂电池B3的分流，重新开始新的均衡；在这种动态均衡的作用下，各个基本锂电池电压达到过放保护电压阈值的时间趋于一致，在其中一个基本锂电池的电压达到过放保护电压阈值时，其他基本锂电池也基本放电完全。

经测试，在基本锂电池的过充电压极限值为4.2V，过放电压极限值为3.0V的情况下，本实施例的基本锂电池的电压使用区间可达到3.1～4.15V。

在具体的实践中，基本单元锂电池组模块中的基本锂电池串联数量可以是两个或多个，但基本锂电池串联数量过少会使成本过高，平衡锂电池得不到充分的利用，而如果数量过多则会导致平衡能力下降，经测试基本锂电池的数量优选3个、4个、或5个，相应的均衡能力分别为基本锂电池容量的33％、25％、20％。

对于平衡锂电池，最优采用与基本锂电池规格参数完全相同的锂电池。

一个基本单元锂电池组模块中也可以根据基本锂电池的数量或其他实际需求配置两个或多个平衡锂电池，其连接关系原理与本实施例是相同。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种基本单元锂电池组模块，其特征在于：包括至少两个串联连接的基本锂电池、至少一个平衡锂电池、与所述基本锂电池数量相等的可控制开关、及可控制开关的驱动模块、检测各个所述基本锂电池两端电压值的电压检测模块、以及单元控制器；

所述平衡锂电池分别与各个所述基本锂电池并联连接，所述多个可控制开关分别用于独立控制所述平衡锂电池与各个所述基本单元锂电池模块并联连接的通断，所述可控制开关的驱动模块、所述电压检测模块分别与所述单元控制器连接。

2.根据权利要求1所述的基本单元锂电池组模块，其特征在于：所述可控制开关为无触点矩阵开关。

3.根据权利要求2所述的基本单元锂电池组模块，其特征在于：所述无触点矩阵开关包括连接在所述基本锂电池正极与平衡锂电池正极之间的前级矩阵开关、以及连接在所述基本锂电池负极与平衡锂电池负极之间的后级矩阵开关。

4.根据权利要求3所述的基本单元锂电池组模块，其特征在于：所述前级矩阵开关和所述后级矩阵开关均为双MOSFET管双向导通开关，所述双MOSFET管双向导通开关包括第一MOSFET管和第二MOSFET管，所述第一MOSFET管的源极与所述第二MOSFET管的源极相连，所述第一MOSFET管的栅极和第二MOSFET管的栅极相连后作为控制端与所述驱动模块连接，所述第一MOSFET管的漏极和第二MOSFET管的漏极分别作为双MOSFET管双向导通开关的输入端和输出端。

5.根据权利要求4所述的基本单元锂电池组模块，其特征在于：所述基本锂电池的数量为3个、4个或者5个。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的基本单元锂电池组模块，其特征在于：还包括与所述基本锂电池串联连接的过充过放保护开关，所述过充过放保护开关的控制端与所述驱动模块连接。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的基本单元锂电池组模块，其特征在于：还包括二次保护自恢复保险丝，所述二次保护自恢复保险丝与所述基本锂电池串联连接。

8.一种多级锂电池组，其特征在于：包括多个如权利要求1～7任意一项所述的基本单元锂电池组模块，所述多个基本单元锂电池组模块串联连接或并联连接或串并联混合连接。