CN204719213U - 电池健康状况检测模块和系统及带有该检测模块的电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种电池健康状况检测模块和系统及带有该检测模块的电池，解决电池组中的每个单体电池的健康状态监测的问题，对电池组中的单体电池的电压、电流、电池电量以及温度状态进行监测，并将检测模块同每个单体电池做成一体形成一体化的带检测模块的电池；还提供一种电池健康状况检测系统，将检测模块取得的测量、记录数据以无线的方式发送到外部数据接收控制系统，由外部数据接收控制系统进行分析处理，即使电池组已密封，也不影响外部数据接收控制系统对电池组中的每个单体电池健康状况的监控。本实用新型的电池健康状况检测模块包括电流传感放大器电路、电池电压检测器电路、温度传感放大器电路、RTC时间控制器以及微控制单元、模块供电电路。

Description

电池健康状况检测模块和系统及带有该检测模块的电池

技术领域

本实用新型涉及电池状况检测和管理技术领域，特别是涉及一种电池健康状况检测模块和系统以及带有该检测模块的电池。

背景技术

目前，用于提供动力电源的电池组已经渗透到公共生活的各个方面，各种基于充电的电动工具、电动车、不间断电源、通讯基站备份电源等已经在广泛应用，尤其是随着电动车的发展，大容量充电电池被大量使用，在应用中必须由多节单体电池来组成电池组作为车辆的动力源。在实际应用中，必须要检测电池组的当前电量、电池组的温度、电压、电流数据来了解电池组的工作状态，更进一步的要求就是要了解电池组随使用时间增长导致的性能老化状况。不同的电池类型对使用温度、充放电的安全要求也不一样。对于能量密度特别高的锂电池就必须要求对过度充电、过度放电要有比较精确的测量，出现上述两种情况时立即切断充放电通道，更完善有效的要求包括对电池工作时自身温度的测量。以上表述虽然是对电池组说的，但是实际上这些测量要针对电池组内每一个单体电池的充放电状态的检测，无论电池组内哪一节单体电池出现了过充电，或者过放电，电池组管理系统都必须视为异常信号，发出关断指令。虽然制造商通常在电池组出厂时已经对电池组的单体电池进行了选择、适配，尽量保持组内单体电池参数的一致性，但是组内单体电池越多，就越不易精确配对，而且随着时间的推移，电池组内单体电池参数会发生分化现象，整体上降低电池组的充放电效率，由于个别单体电池的参数变化，导致电池组的使用寿命变短。以上问题对锂电池来说尤为明显，极大的限制了锂电池组的能量效率水平和使用寿命。解决电池的过充电、过放电、温度异常及单体电池状态不一致问题是各电池组生产厂的核心技术，也是产品核心竞争力的表现，而电池状态的测量是各家厂商首先要解决的技术问题。

传统的电池状态检测系统是在每节锂电池上加有过充电和过放电的检测电路，然后将这组信号用总线接到外部电池管理系统(BMS)。当电池组中电池数量众多时，有线总线连接就存在布线繁琐、复杂、可扩展性弱的问题，同时线路也容易损坏。由于电池结构、体积的限制，传统的单体电池也不带电池电量检测电路，只能将电池组作为一个整体来测量电池电量，因此很难反映每个单体电池电量状况，也不能对老化严重的单体电池进行定位。如不及时检测找出老化单体电池并给予调整，电池组的容量将变小，效率变低，寿命将缩短，影响整个电池组的高效安全运行。由于无法将电池组中老化严重的单体电池简单标识出来，所以造成了很难通过对老化电池进行日常维护来延长电池组的工作寿命的目的，特别是在很多情况下锂电池组的成本占到整个产品的一半以上。因此造成了明显的浪费。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的缺陷，提供了一种电池健康状况检测模块及带有该检测模块的电池，解决电池组中的每个单体电池的健康状态监测的问题，对电池组中的单体电池的电压、电流、电池电量以及温度状态进行监测，并将检测模块同每个单体电池做成一体形成一体化的带检测模块的电池；

本实用新型还提供一种电池健康状况检测系统，将检测模块取得的测量、记录数据以无线的方式发送到外部数据接收控制系统，由外部数据接收控制系统进行分析处理，即使电池组已密封，也不影响外部数据接收控制系统对电池组中的每个单体电池的健康状况的监控。

本实用新型的技术方案是：

1.一种电池健康状况检测模块，其特征在于，包括电流传感放大器电路、电池电压检测器电路、温度传感放大器电路、RTC时间控制器、微控制单元、无线收发器、以及模块供电电路；所述电流传感放大器电路、电池电压检测器电路、温度传感放大器电路、RTC时间控制器、无线收发器分别连接微控制单元；所述电流传感放大器电路、电池电压检测器电路、温度传感放大器电路分别用于测量电池组中的单体电池的电流、电压和温度，测量得到的温度、电流、电压信号传送给微控制单元，同时RTC时间控制器也将时间数据发送给微控制单元，所述微控制单元对这些测量信号进行处理和存储，并通过充电、放电电流值对时间的积分计算分别得到所述单体电池已充电的电量值和可放电的电量值，同时判断所述单体电池是充电，还是放电状态以及每次充放电的完成的百分比和充放电时间；并控制无线收发器将测量得到的电压、电流、温度数据以及计算得到的电量数据和充放电程度及充放电时间数据以无线的形式发送出去；所述模块供电电路为所述检测模块提供符合要求的工作电源。

2.所述微控制单元包括MCU微控制器、模数转换器、数据存储器，所述电流传感放大器电路、电池电压检测器电路、温度传感放大器电路分别连接模数转换器，所述模数转换器连接数据存储器，所述数据存储器连接所述无线收发器；所述微控制器分别连接所述RTC时间控制器以及模数转换器、数据存储器、无线收发器；所述电流传感放大器电路、电池电压检测器电路、温度传感放大器电路将测量得到的温度、电流、电压信号传送给模数转换器；模数转换器在微控制器的控制下对这些测量信号进行模拟信号到数字信号的转换，转换完成后发送转换结束信号给微控制器，微控制器发送写信号给数据存储器将转换的测量数据写入数据存储器，数据存储器存储完成后发信号给微控制器，微控制器收到信号后控制内部电路对下一个测量信号进行转换存储工作，所述数据存储器存储经模数转换器转换得到的电压、电流、温度数据和充放电程度及充放电时间数据以及经微控制器计算得到的电量数据，并传送给无线收发器。

3.所述温度传感放大器电路通过温度传感器的配合对电池温度进行测量，所述电流传感放大器电路通过磁电流传感器的配合采用非接触方式对电池工作电流进行测量，所述电池电压检测器电路连接单体电池的正负极两端，对单体电池的电压进行测量。

4.所述无线收发器为RF无线收发器，具有PCB隐形天线。

5.所述微控制单元包括非易失数据存储器，用于存储标识所述电池健康状况检测模块的数字地址信息ID。

6.一种带有电池健康状况检测模块的电池，其特征在于，还包括温度传感器、电流传感器，所述温度传感器贴装在单体电池的外表面上，所述电流传感器固定在单体电池的一个端子引出线上，通过非接触的方式测量电池的工作电流，所述温度传感器连接所述检测模块的温度传感放大器电路，所述电流传感器连接所述检测模块的电流传感放大器电路；所述检测模块的电池电压检测器电路并联在单体电池的两端子引出线上。

7.所述电池健康状况检测模块和温度传感器、电流传感器与单体电池封装为一体，单体电池封装体上具有正负极两个端子，用于多个单体电池之间的连接。

8.一种电池健康状况检测系统，其特征在于，包括将若干所述带有电池健康状况检测模块的单体电池串联在一起组成的电池组以及外部数据接收控制系统，所述电池组串联连接负载和外部数据接收控制系统，所述外部数据接收控制系统包括无线收发器、外部数据接收控制模块和控制开关，所述外部数据接收控制模块通过无线收发器接收电池健康状况检测模块发送的每个单体电池的电压、电流、温度的测量数据以及计算得到的电量数据、充放电程度及充放电时间数据，对接收到的信息进行记录分析监测，如果某个电池存在过充电、过放电、温度超标等异常情况，则发出控制信号，通过控制开关断开电池组供电回路或者发送异常信号提示电池组故障。

9.所述外部数据接收控制系统首先按照顺序发送读取电池状态的读取信号，信号中包含标识信息ID，当与电池健康状况检测模块中的ID相同时，再读取相应单体电池的状态信息并进行处理。

10.所述控制开关为功率开关。

本实用新型的技术效果：

1.本实用新型的电池健康状况检测模块可以对充电电池出厂后，历经数百次完整的充放电工作过程、性能逐渐劣化直至其失效的生命历程进行测量和记录。通过无线方式将这些数据向外部电池应用系统发送。借助电池生产厂提供的电池特性曲线及使用寿命曲线，综合实际使用历史，可以随时将电池的带负载能力和预期寿命提供给外部应用系统。

2.外部数据接收控制系统通过无线方式读取电池组单体电池的完整的健康状况信息(电池电压、电流、温度、电量、充放电程度及电池老化程度)，采用无线连接的方式实现了外部数据接收控制系统和每节电池状态检测模块间的可靠沟通。无线沟通方式不存在布线问题，维护成本低，可自由扩展。电池组配置变的非常灵活，影响成本、可靠性的布线不存在了。每个电池带有的检测模块对电池状态进行检测，并将电池状态通过无线方式发送给外部数据接收控制系统，外部数据接收控制系统处理过充电、过放电及温度异常等情况并执行必要的保护措施，当电池老化严重时，提醒使用者对电池进行重新配对等维护工作。

3.本实用新型的带有电池健康状况检测模块的每个单体电池，都有唯一的数字ID标识，方便系统对带有标识号的单体电池做从出厂到报废的完整记录，通过对电池的每次充放电的状态及时间的完整记录，得到真实电池电量和完整电池健康状况表，对电池健康状况表进行分析，方便系统预测电池的老化周期，准确给出真实电池电量，并且能够方便快速定位老化故障电池，并及时对老化故障单体电池进行处理，延长电池组的使用寿命。

4.本实用新型电池健康状况检测模块的电流测量和充放电电流检测采用磁电流传感器进行离线式测量，可以方便实时的进行电流的测量记录，并通过计算可以准确的得到单体电池的电量。传统的动力电池系统不能检测每个单体的电量，并且电流测量方式是在电路中加分流电阻，由于在动力电池系统中电流非常大，即使阻值很小的电阻也会消耗很大的能量，同时阻值很小的电阻也不容易精确控制电阻值。采用磁电流传感器测量方式测量电流，传感器与电池是分离的，可做到不影响电流测量精度，不增加额外能量损失，并能准确得到单体电池的电量。

5.本实用新型中的电池健康状况检测系统，使电池组中的单体电池在微控制器控制下会自动记录自身的状态，自报电量和数据记录，即使是将电池组和原应用系统分离或调换，也不影响这些记录的完整性，电池组是独立的个体。无线沟通的方式实现了外部数据接收控制模块和电池组间的分离；所有以上的数据的通讯都是基于将无线技术应用到每节电池的状态检测模块，即使是电池组已密封，也不影响电池管理系统以无线方式读得单体电池自报的自身健康状况数据。

附图说明

图1为本实用新型的电池健康状况检测模块以及与单体电池连接的实施例原理图。

图2为本实用新型的带有电池健康状况检测模块的电池示意图。

图3为本实用新型的电池健康状况检测系统原理图。

附图标记列示如下：1-单体电池，2-检测模块，3-温度传感器，4-磁电流传感器，5-天线，6-RTC时间控制器，7-电流传感放大器，8-温度传感放大器，9-电池电压检测器，10-模块供电电路，11-MCU微型控制器，12-模数转换器，13-数据存储器，14RF收发器。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例做进一步的详细说明。

如图1所示，为本实用新型的电池健康状况检测模块以及与单体电池连接的实施例原理图。一种电池健康状况检测模块，包括电流传感放大器电路7、电池电压检测器电路9、温度传感放大器电路8、RTC时间控制器(实时时钟)6、模块供电电路10以及微控制单元，微控制单元包括MCU微控制器11、模数转换器(模拟/数字信号转换器和数据接口)12、数据存储器13、RF收发器14；其中，RF收发器包括PCB隐形天线。模块供电电路通过自身连接的电池为整个检测模块提供符合要求的工作电源；电流传感放大器电路、电池电压检测器电路、温度传感放大器电路分别连接模数转换器，模数转换器连接数据存储器，数据存储器连接RF收发器；微控制器分别连接RTC时间控制器以及模数转换器、数据存储器、RF收发器；温度传感器配合温度传感放大器电路对电池温度进行测量，磁电流传感器配合电流传感放大器电路对电池工作电流进行测量，加在电池两端的电池电压检测器电路对电池的电压进行测量，测量得到的温度、电流、电压信号传送给模数转换器；模数转换器在微控制器的控制下对这些测量信号进行转换，转换完成后发送转换结束信号给微控制器，微控制器发送写信号给数据存储器将转换的测量数据写入数据存储器，数据存储器存储完成后发信号给微控制器，微控制器收到信号后控制内部电路对下一个测量信号进行转换存储工作。测量转换的电流值数据还能够由模数转换器发送给微控制器，同时RTC时间控制器的时间数据也发送给微控制器，微控制器对电流数据正负的识别可以知道电池是处于充电状态还是放电状态，微控制器对时间和电流值进行计算得到电池的电量值，同时还能够得到电池的每次充放电的状态及充放电时间；当发送数据时，微控制器控制RF收发器将数据存储器中的电压、电流、温度的测量数据及微控制器中的电量和充放电程度及充放电时间数据发送给RF收发器，RF收发器通过天线以无线的形式发送。

图1中，与本实用新型的电池健康状况检测模块连接的单体电池1上，还包括温度传感器3、电流传感器4，温度传感器3贴装在单体电池1的外表面上，电流传感器4为磁电流传感器，固定在单体电池1的一个端子引出线上，通过非接触的方式测量电池的工作电流，温度传感器连接检测模块的温度传感放大器电路，电流传感器连接检测模块的电流传感放大器电路；检测模块的电池电压检测器电路并联在单体电池的两端引出线。

如图2所示，是本实用新型的带有电池健康状况检测模块的电池示意图。将电池健康状况检测模块2固定在单体电池1的上表面，并且把温度传感器、电流传感器与单体电池封装为一体，单体电池封装体上具有正负极两个端子，用于多个单体电池之间的连接。

如图3所示，为本实用新型的电池健康状况检测系统原理图。一种电池健康状况检测系统，包括将若干个所述带有电池健康状况检测模块的单体电池串联在一起组成的电池组以及外部数据接收控制系统，电池组与负载和外部数据接收控制系统串联连接，外部数据接收控制系统包括无线收发器、外部数据接收控制模块和控制开关，所述控制开关选用功率开关，外部数据接收控制模块通过无线收发器接收电池健康状况检测模块发送的每个单体电池的电压、电流、温度的测量数据以及计算得到的电量数据、充放电程度及充放电时间数据，对接收到的信息进行记录分析监测，如果某个电池存在过充电、过放电、温度超标等异常情况，则发出控制信号，通过功率开关断开电池组供电回路对电池组进行保护，或者发送异常信号提示电池组故障。

每个电池健康状况检测模块都有自己的ID，即每个模块都有自己的数字地址信息，将数字地址信息写入每个模块的非易失数据存储器中，数字地址信息可以通过无线的方式发送给外部数据接收控制系统，通过读取模块数据存储器中的数字地址信息可以知道对应的电池的数字地址信息。所述外部数据接收控制系统首先按照顺序发送读取电池状态的读取信号，信号中包含标识信息ID，当与电池健康状况检测模块中的ID相同时，再读取相应单体电池的状态信息并进行处理。

本实用新型的外部数据接收控制系统包括多电池RF信号收发、数据分析记录、电池组通断控制这三个重要功能。外部数据接收控制系统按照事先约定的通信协议接收电池健康状况检测模块发送的电池健康状态信息并进行进一步的处理。工作时，外部数据接收控制系统发送读取电池健康状况的信号，信号中包含ID的信息，当电池健康状况检测模块中ID与外部数据接收控制系统发送的ID信息相同时，电池健康状况检测模块将电池健康状况检测信息发送给外部数据接收控制系统，外部数据接收控制系统对接收的数据进行记录、计算、分析，必要时配置专业的软件管理系统对测量数据进行管理；接收的数据经数据分析计算得出电池组的电量及电流、电压、温度等信息，软件对电池健康状况检测模块发送的充电、放电、温度等信息进行监测，如果察觉到存在过充电、过放电、温度超标等报警信息，外部数据接收控制系统采取通过控制功率开关断开电池组供电回路或者通知使用故障类型等信息，提醒使用者对故障进行处理。外部数据接收及控制系统发送读取信号时，按照顺序发送读取电池状态的读取信号，读取每个单体电池的状态信息并进行处理。

Claims (10)

1.一种电池健康状况检测模块，其特征在于，包括电流传感放大器电路、电池电压检测器电路、温度传感放大器电路、RTC时间控制器、微控制单元、无线收发器、以及模块供电电路；所述电流传感放大器电路、电池电压检测器电路、温度传感放大器电路、RTC时间控制器、无线收发器分别连接微控制单元；所述电流传感放大器电路、电池电压检测器电路、温度传感放大器电路分别用于测量电池组中的单体电池的电流、电压和温度，测量得到的温度、电流、电压信号传送给微控制单元，同时RTC时间控制器也将时间数据发送给微控制单元，所述微控制单元对这些测量信号进行处理和存储，并通过充电、放电电流值对时间的积分计算分别得到所述单体电池已充电的电量值和可放电的电量值，同时判断所述单体电池是充电，还是放电状态以及每次充放电的完成的百分比和充放电时间；并控制无线收发器将测量得到的电压、电流、温度数据以及计算得到的电量数据和充放电程度及充放电时间数据以无线的形式发送出去；所述模块供电电路为所述检测模块提供符合要求的工作电源。

2.根据权利要求1所述的电池健康状况检测模块，其特征在于，所述微控制单元包括MCU微控制器、模数转换器、数据存储器，所述电流传感放大器电路、电池电压检测器电路、温度传感放大器电路分别连接模数转换器，所述模数转换器连接数据存储器，所述数据存储器连接所述无线收发器；所述微控制器分别连接所述RTC时间控制器以及模数转换器、数据存储器、无线收发器；所述电流传感放大器电路、电池电压检测器电路、温度传感放大器电路将测量得到的温度、电流、电压信号传送给模数转换器；模数转换器在微控制器的控制下对这些测量信号进行模拟信号到数字信号的转换，转换完成后发送转换结束信号给微控制器，微控制器发送写信号给数据存储器将转换的测量数据写入数据存储器，数据存储器存储完成后发信号给微控制器，微控制器收到信号后控制内部电路对下一个测量信号进行转换存储工作，所述数据存储器存储经模数转换器转换得到的电压、电流、温度数据和充放电程度及充放电时间数据以及经微控制器计算得到的电量数据，并传送给无线收发器。

3.根据权利要求2所述的电池健康状况检测模块，其特征在于，所述微控制单元包括非易失数据存储器，用于存储标识所述电池健康状况检测模块的数字地址信息ID。

4.根据权利要求1至3之一所述的电池健康状况检测模块，其特征在于，所述温度传感放大器电路通过温度传感器的配合对电池温度进行测量，所述电流传感放大器电路通过磁电流传感器的配合采用非接触方式对电池工作电流进行测量，所述电池电压检测器电路连接单体电池的正负极两端，对单体电池的电压进行测量。

5.根据权利要求1至3之一所述的电池健康状况检测模块，其特征在于，所述无线收发器为RF无线收发器，具有PCB隐形天线。

6.一种带有电池健康状况检测模块的电池，其特征在于，还包括温度传感器、电流传感器，所述温度传感器贴装在单体电池的外表面上，所述电流传感器固定在单体电池的一个端子引出线上，通过非接触的方式测量电池的工作电流，所述温度传感器连接所述检测模块的温度传感放大器电路，所述电流传感器连接所述检测模块的电流传感放大器电路；所述检测模块的电池电压检测器电路并联在单体电池的两端引出线上。

7.根据权利要求6所述的带有电池健康状况检测模块的电池，其特征在于，所述电池健康状况检测模块和温度传感器、电流传感器与单体电池封装为一体，单体电池封装体上具有正负极两个端子，用于多个单体电池之间的连接。

8.一种电池健康状况检测系统，其特征在于，包括将若干所述带有电池健康状况检测模块的单体电池串联在一起组成的电池组以及外部数据接收控制系统，所述电池组串联连接负载和外部数据接收控制系统，所述外部数据接收控制系统包括无线收发器、外部数据接收控制模块和控制开关，所述外部数据接收控制模块通过无线收发器接收电池健康状况检测模块发送的每个单体电池的电压、电流、温度的测量数据以及计算得到的电量数据、充放电程度及充放电时间数据，对接收到的信息进行记录分析监测，如果某个电池存在过充电、过放电、温度超标等异常情况，则发出控制信号，通过控制开关断开电池组供电回路或者发送异常信号提示电池组故障。

9.根据权利要求8所述的电池健康状况检测系统，其特征在于，所述外部数据接收控制系统首先按照顺序发送读取电池状态的读取信号，信号中包含标识信息ID，当与电池健康状况检测模块中的ID相同时，再读取相应单体电池的状态信息并进行处理。

10.根据权利要求8所述的电池健康状况检测系统，其特征在于，所述控制开关为功率开关。