CN204992655U - 车载动力锂电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种车载动力锂电池系统，其被构成用于对其串联的多组动力锂电池组进行均衡充放电、过流与短路保护，包括:用于控制所述串联的多组动力锂电池组进行均衡充电的执行模组；根据对应的动力锂电池组的状态信息进行工作的保护IC模组；根据串联的多组动力锂电池组的电压信息进行工作和过电流保护的过电流保护IC单元，以及用于对应控制所述串联的多组动力锂电池组的放电电路和充电电路导通或关闭的第一开关单元与第二开关单元。本实用新型在工作时，根据对应的电池组的荷电状态（SOC）实现对各电池组充放均衡、过电流保护以及欠压保护，使得各电池组综合性能趋于一致，充分发挥电池组的性能，并且延长了电池组整体的使用寿命。

Description

车载动力锂电池系统

技术领域

本实用新型涉及车载动力锂电池系统充放管理技术领域，属于电动汽车的车载动力锂电池系统。

背景技术

目前，电动汽车主要使用阀控铅酸电池(VRLA),由于其比能量高、价格低、以及能高比功率放电特性，是目前大批量生产使用的电动汽车用电池。车载动力电池的一个发展趋势是轻量化、高比能量、高比功率、以及较好的循环充放寿命，锂离子/锂集合物可充电电池的比能量和比功率都比铅酸电池高，因此能大大提升电动汽车的动力性能和续驶里程。

以往铅酸电池存在的问题：

过重的电池组;有限的汽车动力性能和续驶里程（铅酸电池的能量密度较低，电池组的自重过大，因此，即使电动汽车的动力系统效率很高，使用铅酸电池的电动汽车一次充电的续航里程也很有限）；

电池组相对有限的循环寿命而导致高昂的运行成本；

汽车配件的使用受到限制（由于电动汽车所能携带的电能有限，所以在车上对电能的使用必须注意节省，车内用电设备的选用必须充分考虑其对电动汽车续航里程的影响。除此之外，动力转向，真空助力器，主动（半主动）悬架以及其他一些车载电器的使用也受限，乘员的舒适性受到影响）。

在实际应用中，锂离子/锂集合物可充电电池用于大功率系统时，通常需要将多节单体电池成组。随着电池数量的增多，必须对电池组进行管理与充放电控制，以达到稳定的放电性能与延长使用寿命。其中，成组的锂电池串联充电时,应保证每组锂电池均衡充电,否则充电使用过程中会影响整组电池的性能和寿命。而现有的单节锂电池保护芯片均不含均衡充电控制功能，多节/多组锂电池保护芯片均衡充电控制功能需外接CPU,通过和保护芯片的串行通信（如：12C总线）来实现，加大了保护电路的复杂程度和设计难度、降低了系统的效率和可靠性、增加了功耗。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述不足，提供一种车载动力锂电池系统，用于解决在多组动力锂电池组进行串联使用时，存在的各动力锂电池组间的荷电差异、降低动力锂电池组整体的使用性能和寿命的问题。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案是：一种车载动力锂电池系统，其被构成用于对其串联的多组动力锂电池组进行均衡充放电、过流与短路保护，所述车载动力锂电池系统包括:用于控制所述串联的多组动力锂电池组进行均衡充电的执行模组,所述执行模组包括与串联的多组动力锂电池组一一对应相连的多个的分流放电支路,所述分流放电支路串联在对应的动力锂电池组的正负极两端，包括控制开关单元和分流电阻，所述控制开关单元的漏极和源极分别与所述对应的动力锂电池组的正负极两端相连，所述分流电阻串联在所述对应的动力锂电池组的正极端与控制开关单元的漏极之间；根据对应的动力锂电池组的状态信息得到对应的动力锂电池组的荷电状态以及对所述对应的动力锂电池组进行控制的保护IC模组，所述保护IC模组包括与所述分流放电支路一一对应相连的多个的电池保护IC单元，所述电池保护IC单元的电量平衡控制用输出端子与对应的控制开关单元的栅极相连,沿所述串联的多组动力锂电池组的负极端到正极端的方向,位于上游位置的一个电池保护IC单元的放电控制用输出端子和充电控制用输出端子各与相邻的位于下游位置的一个电池保护IC单元对应的放电用控制端子和充电用控制端子相连；接收来自所述串联的多组动力锂电池组的电压信息，对串联的多组动力锂电池组进行控制和过电流保护的过电流保护IC单元，所述过电流保护IC单元的负电源输入端子和正电源输入端子各与串联的多组动力锂电池组的正负极两端对应相连；用于对应控制所述串联的多组动力锂电池组的放电电路和充电电路导通或关闭的第一开关单元与第二开关单元，位于最下游位置的电池保护IC单元的放电控制用输出端子与第一开关单元的控制端相连，第二开关单元的控制端与过电流保护IC单元的放电控制用FET门极连接端子相连、同时与所述位于最下游位置的电池保护IC单元的充电控制用输出端子相连。

本实用新型的另一优选方案，所述控制开关单元包括一个自放电MOSFET管。在动力锂电池组的电压达到设定的均衡起点电压后，所述电池保护IC单元控制自放电MOSFET管对对应的动力锂电池组执行导通或关闭。

本实用新型的另一优选方案，所述分流放电支路还包括一个泄放电阻，所述泄放电阻并接在所述放电MOSFET管的栅极与源极之间。

本实用新型的另一优选方案，所述第一开关单元与第二开关单元均包括一级开关和二级开关，所述一级开关为一个双极晶体管，所述二级开关为MOSFET管，第一开关单元的双极晶体管的集电极与第一开关单元的放电MOSFET管的栅极相连，发射极与所述串联的多组动力锂电池组的正极端相连，基极与所述位于最下游位置的电池保护IC单元的放电控制用输出端子相连，第二开关单元的双极晶体管的集电极与第二开关单元的充电MOSFET管的栅极相连，发射极与所述串联的多组动力锂电池组的正极端相连，基极与所述位于最下游位置的电池保护IC单元的充电控制用输出端子相连。

本实用新型的另一优选方案，所述电池保护IC单元的型号为S-8209A。

本实用新型的另一优选方案，所述过电流保护IC单元的型号为S-8239A。

本实用新型的有益效果为：相比以往技术，本实用新型在工作时，电池保护IC单元根据对应的电池组的荷电状态（SOC），通过对对应的电池组的两端电压进行实时检测，期间，当被检测的电池组在充放电过程中出现过充或过放时（高于或低于设定值）时，控制对应的分流放电支路进行充电均衡，进而控制第一开关单元和第二开关单元与相对应的放电电路或充电电路进行导通或关闭，使各电池组的荷电状态（SOC）保持一致；并且，过电流保护IC单元用于检测电池组整体的电流状态和欠压状态，过电流时，控制第二开关单元对充电电路进行关闭，从而关断电路；当欠压状态时，过电流保护IC单元控制第二开关单元对充电电路进行关闭，使放电截止；整个工作过程在电池保护IC单元和过电流保护IC单元的控制下由分流放电支路、第一开关单元和第二开关单元实现自动工作，从而保证了各电池组的充放均衡、过电流保护以及欠压保护，使得各电池组综合性能趋于一致，充分发挥电池组的性能，并且延长了电池组整体的使用寿命。

相比以往技术的结构复杂和设计难度高，具有成本低，工作简单高效的特点，而且故障率低。达到简化结构与改良控制模式，提高电路的可靠性目的。

下面结合附图与实施例，对本实用新型进一步说明。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制，在附图中。

图1是本实用新型实现串联电池组保护电路实施例原理图。

图2是本实用新型中多组动力锂电池组的联接结构示意图。

图3是本实用新型的电池均衡模块的均衡原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

本实施例中提及的锂电池为锂离子可充电电池或锂集合物可充电电池。

本实用新型的多组动力锂电池组以串联成组的方式,每一组动力锂电池组是以10个4V/100000mAh的单体电池并联为一组，再串联成24V/100A系统。作为具体实施例，多组动力锂电池组100由B1、B2、B3、B4、B5和B6六组动力锂电池组串联而成。由于采用了先并联再串联的方式，电池的可靠度远大于先串联再并联方式电池的可靠度。根据可靠性工程原理，并联的单体电池在充放电运行时，单体电池之间的关系是“各尽其力”。有助于延长成组电池的使用寿命。

本实施例的充电电路和放电电路由串联的多组动力锂电池组100和与其连接的CHA（充电输入端口）以及放电输出端口构成。车载动力锂电池系统包括分流放电支路、电池保护IC单元、过电流保护IC单元、第一开关单元和第二开关单元。

本实施例的电池保护IC单元为内置高精度电压监测电路和延迟电路,以及带电量平衡功能的电池保护用IC，包括设置在串联的多组动力锂电池组100的各组动力锂电池组正负极两端的电池保护IC,依次为IC1、IC2、IC3、IC4、IC5和IC6。电池保护IC的VDD（正电源输入端子）与VSS(负电源输入端子)用于与对应的动力锂电池组的正负极连接。该电池保护IC的型号为S-8209A。本实施例中使用六个S-8209A构成六组串连连接的动力锂电池组的保护电路。为采用单个电池保护芯片对任意串联数的成组锂电池进行保护的含均衡充电功能的技术方案。

本实施例的过电流保护IC单元为内置高精度电压监测电路和延迟电路，用于多组串连连接的动力锂电池组的过电流监测IC,该过电流监测IC（IC7）的型号为S-8239A，本实施例中使用一个S-8239A构成六组串连连接的动力锂电池组的过电流的保护。

图1至图3示出了根据本实用新型的一较佳实施例的车载动力锂电池系统实现串联电池组保护电路原理图。包括:用于控制所述串联的多组动力锂电池组100进行均衡充电的执行模组200,所述执行模组200包括与串联的多组动力锂电池组100一一对应相连的多个的分流放电支路600,所述分流放电支路600串联在对应的动力锂电池组的正负极两端，包括控制开关单元和分流电阻，所述控制开关单元的漏极和源极分别与所述对应的动力锂电池组的正负极两端相连，所述分流电阻串联在所述对应的动力锂电池组的正极端与控制开关单元的漏极之间。

本实施例的控制开关单元各设置于串联的多组动力锂电池组100的对应动力锂电池组的正负极两端，该控制开关单元包括一个自放电MOSFET管（参见图1，依次分别为Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15），以及一个泄放电阻（参见图1，依次分别为R9、R10、R11、R12、R13、R14），泄放电阻（R9、R10、R11、R12、R13、R14）分别并接在对应的放电MOSFET管的栅极与源极之间。对应于每一组动力锂电池组，电池保护IC的CB（电量平衡控制用输出端子）与对应的自放电MOSFET管的栅极连接。工作时，动力锂电池组的电压达到设定的均衡起点电压后的过充时，电池保护IC控制自放电MOSFET管（Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15）通过对应的泄放电阻（R9、R10、R11、R12、R13、R14）对对应的动力锂电池组执行耗能均衡。通过分流放电支路600的工作，动态地调节串联的多组动力锂电池组100的内部状态，避免内部过充造成的性能差异，从而改善电池组的整体性能。

本实施例的保护IC模组300包括数量为六个的电池保护IC，沿所述串联的多组动力锂电池组100的负极端到正极端的方向,位于上游位置的一个电池保护IC的DO（放电控制用输出端子）和CO(充电控制用输出端子)各与相邻的位于下游位置的一个电池保护IC对应的CTLD(放电用控制端子)和CTLC(充电用控制端子)相连。本实施例使用六个电池保护IC构成用于根据对应的动力锂电池组的状态信息得到对应的动力锂电池组的荷电状态以及对所述对应的动力锂电池组进行控制。

本实施例的过电流保护IC单元500包括一个过电流监测IC（S-8239A），过电流监测IC的VSS（负电源输入端子）和VDD(正电源输入端子)各与串联的多组动力锂电池组100的正负极两端对应相连,用于接收来自串联的多组动力锂电池组100的电压信息，对串联的多组动力锂电池组100进行控制和过电流保护。

本实施例的第一开关单元与第二开关单元400用于对应控制所述放电电路和充电电路导通或关闭，位于最下游位置的电池保护IC的DO(放电控制用输出端子)与第一开关单元的控制端相连，第二开关单元的控制端与过电流监测IC（IC7）的DO(放电控制用FET门极连接端子)相连、同时与所述位于最下游位置的电池保护IC单元的CO(充电控制用输出端子)相连。

其中，所述第一开关单元与第二开关单元400均包括一级开关和二级开关，所述一级开关为一个双极晶体管(分别为Q18、Q17)，所述二级开关为MOSFET管(分别为Q1、Q2)，第一开关单元的双极晶体管Q18的集电极与第一开关单元的放电MOSFET管Q1的栅极相连，发射极与所述串联的多组动力锂电池组100的正极端相连，基极与所述位于最下游位置的电池保护IC的DO(放电控制用输出端子)相连，第二开关单元的双极晶体管Q17的集电极与第二开关单元的充电MOSFET管Q2的栅极相连，发射极与所述串联的多组动力锂电池组100的正极端相连，基极与所述位于最下游位汽车运行工况的多变性

基于实用性，实际使用中，考虑到外部干扰（电动汽车运行工况的多变性）可能会引起电池组整体电压不稳定的情况，出现电压极短时间的过压或欠压，从而导致电池保护电路错误判断，因此，将位于最下游位置的电池保护IC的CDT（过充点检测延迟、过放电检测延迟用的电容连接端子）并接电容C9达到设定延迟时间目的。电容C9优选为0.01微法，输出端子的延迟时间优选为0.1秒。工作时，能有效降低外部干扰造成电池保护电路误动作的可能性。提升了电路整体的可靠性。

本实用新型为能量耗散型均衡，是把电能高的动力锂电池组的部分电能以热能形式消耗在分流放电支路600中,即把电能通过与对应动力锂电池组并联的电阻转换为热能,以达到均衡的目标。均衡原理合理、工作稳定、易于实现，利于实现低总体拥有成本。

本实用新型应用于电动汽车等的大功率系统中，能很好应用于电动清扫车上，组配在电动清扫车的车体中。

实际应用中，根据电动清扫车的电动机的功率确定电池的类型（如：磷酸铁锂电池）、电池组的电压等级和容量等级。实际应用中，可将热管理模块并入本实用新型中进行使用。

本实用新型的车载动力锂电池系统均衡过程快速、高效，能够有效管理电池充放电状态，提高电池组的使用效率，进而延长电池组整体的使用寿命。

与现有技术相比，本实用新型的车载动力锂电池系统不但具有充电均衡功能，还具有过放、过流、欠压的保护功能，能实现多组电池组的使用状态保护；并且，低总体拥有成本。

以上具体实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.车载动力锂电池系统，其被构成用于对其串联的多组动力锂电池组进行均衡充放电、过流与短路保护，其特征在于，所述车载动力锂电池系统包括:

用于控制所述串联的多组动力锂电池组进行均衡充电的执行模组,所述执行模组包括与串联的多组动力锂电池组一一对应相连的多个的分流放电支路,所述分流放电支路串联在对应的动力锂电池组的正负极两端，包括控制开关单元和分流电阻，所述控制开关单元的漏极和源极分别与所述对应的动力锂电池组的正负极两端相连，所述分流电阻串联在所述对应的动力锂电池组的正极端与控制开关单元的漏极之间；

根据对应的动力锂电池组的状态信息得到对应的动力锂电池组的荷电状态以及对所述对应的动力锂电池组进行控制的保护IC模组，所述保护IC模组包括与所述分流放电支路一一对应相连的多个的电池保护IC单元，所述电池保护IC单元的电量平衡控制用输出端子与对应的控制开关单元的栅极相连,沿所述串联的多组动力锂电池组的负极端到正极端的方向,位于上游位置的一个电池保护IC单元的放电控制用输出端子和充电控制用输出端子各与相邻的位于下游位置的一个电池保护IC单元对应的放电用控制端子和充电用控制端子相连；

接收来自所述串联的多组动力锂电池组的电压信息，对串联的多组动力锂电池组进行控制和过电流保护的过电流保护IC单元，所述过电流保护IC单元的负电源输入端子和正电源输入端子各与串联的多组动力锂电池组的正负极两端对应相连；

用于对应控制所述串联的多组动力锂电池组的放电电路和充电电路导通或关闭的第一开关单元与第二开关单元，位于最下游位置的电池保护IC单元的放电控制用输出端子与第一开关单元的控制端相连，第二开关单元的控制端与过电流保护IC单元的放电控制用FET门极连接端子相连、同时与所述位于最下游位置的电池保护IC单元的充电控制用输出端子相连。

2.如权利要求l所述车载动力锂电池系统，其特征在于，所述控制开关单元包括一个自放电MOSFET管；在动力锂电池组的电压达到设定的均衡起点电压后，所述电池保护IC单元控制自放电MOSFET管对对应的动力锂电池组执行导通或关闭。

3.如权利要求2所述车载动力锂电池系统，其特征在于，所述分流放电支路还包括一个泄放电阻，所述泄放电阻并接在所述放电MOSFET管的栅极与源极之间。

4.如权利要求1所述车载动力锂电池系统，其特征在于，所述第一开关单元与第二开关单元均包括一级开关和二级开关，所述一级开关为一个双极晶体管，所述二级开关为MOSFET管，第一开关单元的双极晶体管的集电极与第一开关单元的放电MOSFET管的栅极相连，发射极与所述串联的多组动力锂电池组的正极端相连，基极与所述位于最下游位置的电池保护IC单元的放电控制用输出端子相连，第二开关单元的双极晶体管的集电极与第二开关单元的充电MOSFET管的栅极相连，发射极与所述串联的多组动力锂电池组的正极端相连，基极与所述位于最下游位置的电池保护IC单元的充电控制用输出端子相连。

5.如权利要求1所述车载动力锂电池系统，其特征在于，所述电池保护IC单元的型号为S-8209A。

6.如权利要求1所述车载动力锂电池系统，其特征在于，所述过电流保护IC单元的型号为S-8239A。