CN202888895U - 电池组平衡装置及包括该装置的电池组管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电池组平衡装置及包括该装置的电池组管理系统。其中电池组具有2个或更多个单体电池，该电池组平衡装置包括：电池电压检测模块，其检测每个单体电池的单体电池电压；电池平衡控制模块，其与电池电压检测模块相连，根据检测的单体电池电压判断需要进行平衡的单体电池，并生成平衡控制信号以控制需要进行平衡的单体电池的平衡；电池平衡信号发生模块，其接收平衡控制信号，并根据该平衡控制信号生成相应的平衡信号；电池平衡模块，其接收平衡信号，并根据该平衡信号对需要进行平衡的单体电池进行平衡。本实用新型的装置能够实现电池的充放电平衡，在对电池的充放电平衡的控制中实时地采样参数，更好地实现电池平衡。

Description

电池组平衡装置及包括该装置的电池组管理系统

技术领域

本实用新型涉及电池组的管理系统，更具体地，涉及一种在矿用紧急避险设备中使用的电池组的管理系统。 

背景技术

随着煤炭工业的发展以及矿山装备技术的进步，在紧急避险设备中所采用的安全监控系统、救援设备、通信设备、电动车等对防爆电源的要求越来越高。由于煤矿工业对电源隔爆的要求，因此明确禁止具有析氢危险的蓄电池在煤矿中使用。目前在矿用紧急避险设备中普遍使用的是锂离子电源。 

在《矿用防爆锂离子蓄电池电源安全技术要求》中规定单体电池的最大容量不超过60Ah，且不允许单体电池或电池组以任何形式并联。因此，在作为矿用紧急避险设备的动力源时，常需要将若干节单体电池串联形成锂离子电池组，以提高电池组的电压输出并增加电池组容量。然而在多节单体电池串联以后，由于各节单体电池的充放电容量、充电转换效率或初始电量并不完全一致，因此在长时间反复充电、放电之后，各单体电池的差别逐渐变大，影响各单体电池的容量、使用寿命，使得电池组的总体性能降低，甚至会引起电池爆裂、起火等，而这些在煤矿环境中是极其不希望的。 

实用新型内容

本实用新型的目的是有效地管理串联的多个单体电池，从而延长电池组的使用寿命，并提高电池组的性能。 

根据本实用新型的第一方面，提供一种电池组平衡装置，其特征在于，其中所述电池组具有2个或更多个单体电池，该电池组平衡装置包括： 

电池电压检测模块，所述电池电压检测模块检测所述2个或更多个单体电池中的每个单体电池的单体电池电压； 

电池平衡控制模块，所述电池平衡控制模块与所述电池电压检测模块相连，其根据所检测到的单体电池电压判断需要进行平衡的单体电池，并生成平衡控制信号以控制需要进行平衡的单体电池的平衡； 

电池平衡信号发生模块，所述电池平衡信号发生模块接收所述平衡控制信号，并根据该平衡控制信号生成相应的平衡信号；以及 

电池平衡模块，所述电池平衡模块接收所述平衡信号，并根据该平衡信号对需要进行平衡的单体电池进行平衡。 

在一个优选实施方案中，所述电池电压检测模块包括与所述2个或更多个单体电池数目对应的多个差分运算放大器。 

在一个优选实施方案中，所述电池电压检测模块还包括连接至所述多个差分运算放大器的多个缓冲器。 

在一个优选实施方案中，所述多个缓冲器的输出共同输入至一个模数转换器。 

在一个优选实施方案中，所述电池平衡信号发生模块包括电荷泵电路。 

在一个优选实施方案中，所述电池平衡模块包括MOS管和与该MOS管串联的电阻。 

根据本实用新型的第二方面，提供一种电池组管理系统，其特征在于，包括如本实用新型第一方面所述的电池组平衡装置。 

在一个优选实施方案中，所述电池组管理系统还包括与所述电池组平衡装置电连接的输入过流保护装置。 

在一个优选实施方案中，所述电池组管理系统还包括与所述电池组电连接的输出过流保护装置。 

在一个优选实施方案中，所述电池组管理系统还包括与所述电池组电连接的过充、过放以及温度控制保护装置。 

本实用新型能够实现对电池的放电平衡，防止在电池电压过低时仍进行平衡，准确判断是否需要对电池进行平衡，并能实现对各单体电池电压的一致平衡。此外，本实用新型还实现了对电池的充电平衡。在对电池的充放电平衡的控制中实时地采样参数，从而能够更准确地确定平衡基准，更好地实现电池平衡。 

附图说明

通过下文结合附图的详细说明，将更好地理解本实用新型。应理解，这些附图仅出于示例目的，且未必按比例绘制。在附图中： 

图1是根据本实用新型实施方案的电池组管理系统的示意图。 

图2是根据本实用新型的一个实施方案的电池组平衡装置的示意图。 

图3示出的是电池电压检测模块的示意性框图。 

图4示出的是电池平衡控制模块的示意性框图。 

图5a和5b分别示出了根据本实用新型的电池组平衡方法的一个实施方案中的电池充电平衡流程图和电池放电平衡流程图。 

图6是电池平衡信号发生模块以及电池平衡模块的示意图。 

图7是根据本实用新型一个实施方案的输入过流保护装置的示意图。 

图8是根据本实用新型一个实施方案的输出过流保护装置的示意图。 

图9中示出了过充、过放以及温度控制保护装置的示意图。 

具体实施方式

图1是本实用新型实施方案的电池组管理系统1的示意图。如图1所示，电池组管理系统1包括电池组平衡装置101、输入过流保护装置102、输出过流保护装置103以及过充、过放以及温度控制保护装置104。在下文中将详细介绍这些单元的运行。 

图2是根据本实用新型的一个实施方案的电池组平衡装置101的示意图。如图2中所示出的，电池组平衡装置101包括电池电压检测模块1011和平衡控制器1015。其中平衡控制器1015包括电池平衡控制模块1012、电池平衡信号发生模块1013以及电池平衡模块1014，在下文中将详细介绍各模块的功能。 

图3示出的是电池电压检测模块1011的示意性框图。在本文示出的实施方案中，电池组1111共包括8个单体电池，但是应理解，根据实际需要，单体电池的数目不限于本实施方案所示出的数目，可以是2个或者更多个。所采样的各单体电池的电压信号V_DCELL1-V_DCELL8分 别与一个差分运算放大器1211-1218连接，其中电压信号V_DCELL1-V_DCELL8分别输入至差分运算放大器的正极，差分运算放大器的负极接地，差分运算放大器对各个电压信号进行放大。可选的，经差分运算放大器放大后的信号分别进入缓冲器1311-1318。缓冲器1311-1318的输出端共同连接至一个模数转换器（ADC）1411。模数转换器1411顺序获取经放大缓冲后的八个输入信号V_ADCELL1-V_ADCELL8，并将这八个输入信号分别转换成数字电压信号D_VCELL1-D_VCELL8。模数转换器1411将数字电压信号D_VCELL1-D_VCELL8输出至电池平衡控制模块1012，在该电池平衡控制模块1012中对8个单体电池的电压进行平衡控制，这将在下文详细描述。 

图4示出的是电池平衡控制模块1012的示意性框图。如图4示出的，电池平衡控制模块1012包括电池电压获取子模块1102、电池平衡判决子模块1202和平衡控制信号发生子模块1302。电池电压获取子模块1102获取数字电压信号D_VCELL1-D_VCELL8，根据该数字信号D_VCELL1-D_VCELL8，电池电压获取子模块1102判定8个单体电池的电压V_CELL1-V_CELL8，V_CELL1-V_CELL8与所采样的各单体电池的电压信号V_DCELL1-V_DCELL8基本相同。接着电池平衡判决子模块1202对各单体电池的电压V_CELL1-V_CELL8进行判决，对各单体电池的电压判决分为在充电时的判决以及在放电时的判决。电池平衡判决子模块1202判决出需要进行平衡的单体电池后，平衡控制信号发生子模块1302输出对应于需要进行平衡的单体电池的平衡控制信号。 

图5a和5b分别示出了根据本实用新型的电池组平衡方法的一个实施方案中的电池充电平衡流程图和电池放电平衡流程图。 

如图5a示出的，在充电时，电池平衡判决子模块1202从电池电压获取子模块1102中获取电池组1111中的各单体电池的电压后，首先判断电池组中是否有单体电池的电压高于3.55V，这里3.55V是额定容量上限电压U_ulim，但应理解，根据实际需要的不同，该额定容量上限电压U_ulim的值不限于该实施方案中列出的3.55V。如没有单体电池的电压高于3.55V，则此时不需要进行平衡。如有单体电池的电压高于3.55V，意味着此时即将充满电，此时获取各单体电池中的充电最小电压值U_cmin。而对于电池电压大于该充电最小电压值U_cmin的单 体电池，平衡控制信号发生子模块1302产生相应的平衡控制信号，从而驱动电池平衡信号发生模块1013产生相应的平衡信号，使得电池平衡模块1014中相应的平衡放电电路将被打开,进而对单体电池电压大于该充电最小电压值U_cmin的单体电池进行平衡。为实时保持充电最小电压值U_cmin的准确性，每隔时间t2重新获取各单体电池中的充电最小电压值U_cmin，时间t2的选择可以与停止充电的时间相关，例如如果需要在10ms内关断充电，则可将t2设置为略小于10ms,例如8ms。但应理解，对于t2的其他合适选择也是可行的。通过每隔时间t2重新获取各单体电池中的充电最小电压值U_cmin，可实时更新电压值，使得对电池的充电平衡更加准确。当各单体电池中的电压最大值与最小值的关系为U_cmax-U_cmin<U_stop2时，判断此时各单体电池的电压已经达到平衡，则平衡电路关闭，平衡停止。在该实施方案中，U_stop2为一预定值，例如50mV，但应理解这里列出的50mV仅是示意性的，其他可接受的单体电池的电压最大值与最小值的差值也是可行的。 

如图5b示出的，在放电时，电池平衡判决子模块1202从电池电压获取子模块1102中获取电池组1111中的各单体电池的电压后，首先判断电池组中是否有单体电池的电压小于1.5V，如果有，则存在单体电池处于严重过放状态，此时不进行平衡。如果没有，则接着判断电池组中是否有单体电池的电压在大于1.5V小于2.7V的范围内,这里的1.5V为电池严重欠压值U_under，2.7V为额定容量下限电压U_llim，但应理解，根据实际需要的不同，电池严重欠压值U_under可不同于该实施方案中列出的1.5V，额定容量下限电压U_llim也可不同于该实施方案中列出的2.7V。如果没有，则认为放电不充分，此时不需要平衡。如果存在单体电池的电压大于1.5V小于2.7V，则获取各单体电池中的放电最小电压值U_dmin。对于单体电池电压大于该放电最小电压值U_dmin的电池，平衡控制信号发生子模块1302产生相应的平衡控制信号，从而驱动电池平衡信号发生模块1013产生相应的平衡信号，使得电池平衡模块1014中相应的平衡放电电路将被打开,进而对单体电池电压大于该放电最小电压值U_dmin的单体电池进行平衡。与充电时的平衡类似，每隔一段时间t1刷新一次U_dmin。时间t1的选择可以与停止放电的时间相关，例如如果需要在10ms内关断放电，则可将t1设置为略 小于10ms,例如8ms。为简单起见，t1可与t2相同。通过每隔时间t1重新获取各单体电池中的放电最小电压值U_dmin，可实时更新电压值，使得对电池的放电平衡更加准确。当各单体电池中的电压最大值与最小值的关系为U_dmax-U_dmin<U_stop1时，判断此时各单体电池的电压已经达到平衡，则平衡电路关闭，平衡停止。在该实施方案中，U_stop1为一预定值，例如50mV，但应理解这里列出的50mV仅是示意性的，其他可接受的单体电池的电压最大值与最小值的差值也是可行的。 

图6是电池平衡信号发生模块1013以及电池平衡模块1014的示意图。如图6中示出的，平衡控制信号发生子模块1302产生的平衡控制信号输入至电池平衡信号发生模块1013，该电池平衡信号发生模块1013包括电荷泵电路1113，电荷泵电路1113可以为开关电容式电压变换器，其输出多组浮地驱动，该浮地驱动输出至电池平衡模块1014。电池平衡模块1014中的电池平衡放电电路包括MOS管和电阻，MOS管和电阻的串联组成了开关逻辑，每个单体电池与一个电池平衡放电电路连接。当需要对一个或多个单体电池进行平衡放电时，电荷泵电路1113中的对应电路在平衡控制信号发生子模块1302产生的平衡控制信号的控制下输出一个或多个浮地驱动，从而控制MOS管的导通，进而对单体电池进行平衡放电。 

图7是根据本实用新型一个实施方案的输入过流保护装置102的示意图。输入过流保护装置102包括单体电池检测模块和输入过流保护模块。其中单体电池检测模块包括检测电阻Rs1121和差分运算放大器1221。输入的电流信号经单体电池检测模块1021转换为电压信号Vs。输入过流保护模块包括2级差分运算放大器1022a和1022b。电压信号Vs和基准V_ref1进行比较，在该实施方案中V_ref1为2.5V，但是应理解，其他值的V_ref1也是可行的。差分运算放大器1022a的输出经过RC振荡器后输入至差分运算放大器1022b，并在差分运算放大器1022b处与V_ref2进行比较，V_ref2是差分运算放大器1022b的供电电压的一半。当有过流现象发生时，即差分运算放大器1022a的输入，电压信号Vs高，因此差分运算放大器1022a输出高电平，这时对电容器C1进行充电，充电后的电容器C1上的电压变大，因此差分运算放大器1022b输出一个低电平，该低电平使得开关管Q1关断，从而在输入过流时对电池进行保护，开关管Q1为PMOS，但是应理解，具有开关特性的其他开关管也是可行的。开关管Q1的开关时间t由R1、C1确 定，即 $t=-R_1{C}_1\ln \frac{V_{\mathrm{ref}2}{R}_3}{R_2(V_{\mathrm{cc}}-V_{\mathrm{ref}2})},$ 且满足 $\frac{V_{\mathrm{ref}2}{R}_3}{R_2(V_{\mathrm{cc}}-V_{\mathrm{ref}2})}<1,$ 其中V_cc为差分运算放大器1022b的供电电压。 

图8是根据本实用新型一个实施方案的输出过流保护装置103的示意图。与图7中示出的输入过流保护装置102类似，所不同的是在输出过流保护装置103中，单体电池的输出电流作为单体电池检测模块的输入，输出过流保护装置103也包括单体电池检测模块和输出过流保护模块。其中单体电池检测模块包括检测电阻Rs’1121’和差分运算放大器1221’。输入的电流信号经单体电池检测模块转换为电压信号Vs’。输出过流保护模块包括2级差分运算放大器1022a’和1022b’。电压信号Vs’和基准V_ref1’进行比较，在该实施方案中V_ref1’为2.5V，但是应理解，其他值的V_ref1’也是可行的。差分运算放大器1022a’的输出经过RC振荡器后输入至差分运算放大器1022b’，并在差分运算放大器1022b’处与V_ref2进行比较，V_ref2’是差分运算放大器1022b’的供电电压的一半。当有过流现象发生时，即差分运算放大器1022a’的输入，电压信号Vs’高，因此差分运算放大器1022a’输出高电平，这时对电容器C1’进行充电，充电后的电容器C1’上的电压变大，因此差分运算放大器1022b’输出一个低电平，该低电平使得开关管Q1’关断，从而在输出过流时对电池进行保护，开关管Q1’为PMOS，但是应理解，具有开关特性的其他开关管也是可行的。开关管Q1’的开关时间t’由R1’、C1’确定，即 $t^{\&prime;}=-{R_1}^{\&prime;}{C_1}^{\&prime;}\ln \frac{{V_{\mathrm{ref}2}}^{\&prime;}{R_3}^{\&prime;}}{{R_2}^{\&prime;}({V_{\mathrm{cc}}}^{\&prime;}-{V_{\mathrm{ref}2}}^{\&prime;})},$ 且满足 $\frac{{V_{\mathrm{ref}2}}^{\&prime;}{R_3}^{\&prime;}}{{R_2}^{\&prime;}({V_{\mathrm{cc}}}^{\&prime;}-{V_{\mathrm{ref}2}}^{\&prime;})}<1,$ 其中V_cc’为差分运算放大器1022b’的供电电压。 

此外，如下文图9中示出的，模数转换器1032b将输入的电流信号Is转变为数字信号I_ADC，该电流信号Is包括充电时输入至单体电池的输入电流和放电时单体电池输出的输出电流。当过流现象发生时，中央控制器MCU1031输出一个C_SW1信号，该C_SW1信号也控制开关管Q1的关断，开关管Q1的开关时间由中央控制器MCU1031的定时器控制，这实现了对过流的双重保护。 

图9中示出了过充、过放以及温度控制保护装置104。如图9中所示出的，过充、过放以及温度控制保护装置104包括模数转换器1032a、1032b以及中央控制器MCU1031。模数转换器（ADC）1032a将输入的各单体电池的电压信号V_B1-V_B8转变为数字信号V_ADC1-V_ADC8，模数转换器1032b将输入的各单体电池的温度信号T_B1-T_B8转变为T_ADC1-T_ADC8。中央控制器MCU1031接收来自模数转换器1032a 和1032b的数字信号V_ADC1-V_ADC8和T_ADC1-T_ADC8，当存在过充、过放以及温度异常时，中央控制器MCU1031生成一个C_SW1信号。该C_SW1信号为低电平的电压逻辑信号，输入至差分运算放大器1022b的输出端，控制开关管Q1的关断。开关管Q1的开关时间由中央控制器MCU1031的定时器控制。 

应理解，本申请不限于下列说明中列出的或者附图中示出的细节或方法。还应理解，此处使用的措词和术语仅用于说明目的并且不应认为是限制。 

尽管附图中示出和此处所述的示例实施方案是目前优选的，但应理解这些实施方案仅通过示例方式给出。从而，本申请不限于具体实施方案。 

重要地是指出，不同示例实施方案中所示的各单元的构造和布置仅是示例性的。尽管在本公开文本中仅详细描述了一些实施方案，但阅读本公开文本的人将立即明了，在没有实质偏离本公开内容中所述的主题的新颖教导和优势的情况下，许多改型都是可行的，所有这些改型都意在包括在本申请的范围内。本实用新型的范围仅由所附的权利要求所限定。 

Claims (10)

1.一种电池组平衡装置，其特征在于，其中所述电池组具有2个或更多个单体电池，该电池组平衡装置包括：

电池电压检测模块，所述电池电压检测模块检测所述2个或更多个单体电池中的每个单体电池的单体电池电压；

电池平衡控制模块，所述电池平衡控制模块与所述电池电压检测模块相连，其根据所检测到的单体电池电压判断需要进行平衡的单体电池，并生成平衡控制信号以控制需要进行平衡的单体电池的平衡；

电池平衡信号发生模块，所述电池平衡信号发生模块接收所述平衡控制信号，并根据该平衡控制信号生成相应的平衡信号；以及

电池平衡模块，所述电池平衡模块接收所述平衡信号，并根据该平衡信号对需要进行平衡的单体电池进行平衡。

2.根据权利要求1所述的电池组平衡装置，其特征在于，所述电池电压检测模块包括与所述2个或更多个单体电池数目对应的多个差分运算放大器。

3.根据权利要求2所述的电池组平衡装置，其特征在于，所述电池电压检测模块还包括连接至所述多个差分运算放大器的多个缓冲器。

4.根据权利要求3所述的电池组平衡装置，其特征在于，所述多个缓冲器的输出共同输入至一个模数转换器。

5.根据权利要求1-4任一项所述的电池组平衡装置，其特征在于，所述电池平衡信号发生模块包括电荷泵电路。

6.根据权利要求1-4任一项所述的电池组平衡装置，其特征在于，所述电池平衡模块包括MOS管和与该MOS管串联的电阻。

7.一种电池组管理系统，其特征在于，包括

如权利要求1-6任一项所述的电池组平衡装置。

8.根据权利要求7所述的电池组管理系统，其特征在于，还包括与所述电池组平衡装置电连接的输入过流保护装置。

9.根据权利要求7所述的电池组管理系统，其特征在于，还包括与所述电池组电连接的输出过流保护装置。

10.根据权利要求7所述的电池组管理系统，其特征在于，还包括与所述电池组电连接的过充、过放以及温度控制保护装置。

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