CN205489623U - 一种锂电池组电源管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种锂电池组电源管理系统，包括在串联的电池组中的每个电池均并联一个转换开关，转换开关连接能够监测电池是否处于过充、过放、过热状态并发出相应驱动信号的电池组控制单元，其中转换开关采用电机式继电器。现有的电池管理系统都是基于分流原理，并不适合电池单体差异较大的使用条件；当均衡匹配不佳时容易加速电池老化。本实用新型所提供的一种锂电池组电源管理系统，采用电机式继电器作为转换开关，具有耐冲击电流大、适应大功率使用环境、可靠性高、功耗低、体积小、成本低廉等优点，能够简化锂电池充放电保护策略，克服电池单体差异大的不利条件，延长电池组使用寿命。

Description

一种锂电池组电源管理系统

技术领域

本实用新型属于锂电池充放电保护技术领域，具体涉及一种锂电池组电源管理系统。

背景技术

目前，电动汽车以其独特的节能环保的优势引起越来越多的国家的重视，开展了大量的相关研究和开发工作。其中动力锂电池电源以其所具备的体积小、质量轻、能量密度大、无记忆效应、使用寿命长、使用范围广、工作电压高和自放电率低等优点而成为主流电动力源技术。然而动力锂电池电源是由多个锂电池电池通过串联、并联等方式组合而成；在电池组中，单体之间的差异总是存在的，由此造成一些不利因素。以容量为例，其差异性是逐步恶化的。组中流过同样电流，相对而言，容量大者总是处于小电流浅充浅放，容量衰减较慢；而容量小者总是处于大电流过充过放，容量衰减加快，两者之间性能参数差异越来越大，结果小容量提前失效，组寿命缩短。即使组中电池容量一致，但由于工艺等因素造成内阻不一致，使得充放电过程中单体电压变化也不一致，影响电池寿命。为此，动力锂电池电源管理成为了电动汽车领域一个重要的技术关键点。

通常地，动力锂电池成组串联使用，多组之间再串联及并联形成电池包。电池组充电时若有一个电池充电电压达到设定值(例如4.2V)，即切断充电回路以避免过充电。这样往往造成“木桶效应”，电池组总电量受某个单体电池限制，充电只能将一个单体电池充满，整个电池组不满，导致电池组放电容量变小。同样，电池组放电时若有单体达到设定值即需切断放电回路以避免过放电，进一步缩小电池组放电容量。为此人们采用一些充放电均衡技术来试图改善这个问题。一个显而易见的措施是给每只电池各增加一个旁路装置进行分流。如每个电池都并联一个MOSFET开关，过充电时通过旁路电阻、 电容分流等。但这些仅适合小功率场合，在大功率条件下效果并不明显，而且会带来发热、难以控制等相关问题。目前人们开始关注一种可以在大功率条件下应用的能量转换式均衡技术，即以反激转换器为中介，当单体电池过充时，把这个电池多余的能量反馈到整个电池组上去；当单体电池过放时，由锂电池组整体向单体电池进行补充电。由于变压转换器的同轴线圈存在一定的能量损失，造成均衡效率降低，同时也造成均衡电路体积大，线圈绕组较难控制，电路成本较高等问题。

上述的均衡技术都是基于分流原理，在不断开电池的工作回路的前提下对于偏离多数区间的单体电池或者进行分流减负，或者进行汇流补充。其主要问题是大功率的分流、汇流效果不易实现，而且当单体电池处于过充电、过放电时仍需持续工作，一旦均衡控制措施匹配不佳时会加速电池老化；同时也无法简单地用新电池替换旧电池。

要克服分流均衡的缺点，可以采用断流均衡的方法，即对每一个电池并联一个单刀双掷开关(机械触点或电力电子部件)，一旦电池出现过充电、过放电时即转换开关将电池单独旁路断开，避免电池过度使用，同时减轻木桶效应的影响，方便更换新电池。此方法虽然简单，但动力电池往往应用于大功率、大电流场合，导致技术上不易实现。若此开关用MOSFET、IGBT功率管实现，则成本大增，且在大电流时易出现过热等不利情况，以及低压与高压部分的隔离措施复杂的问题。若采用电磁式继电器方案，则电磁驱动可靠性问题难以解决，降低安全性。常规的电磁式继电器，其驱动继电器触点闭合和断开的驱动机构都是电磁线圈，在大功率使用中会有烧触点和莫名其妙的跳闸现象,其根本原因是触点压力不够大所造成的。由于这些限制因素，断流均衡的方法在工程上实际也无法应用。

实用新型内容

针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的是提供一种锂电池组电源管理系统。该装置能够以较为简单、经济的方式来实现电池单体的过充、过放异常状态的保护，从而改善电池组的使用容量并延长电池组的使 用寿命，并且具有高可靠性。

为达到以上目的，本实用新型采用的技术方案是：一种锂电池组电源管理系统，包括在串联的电池组中的每个电池均并联一个转换开关，所述转换开关连接能够监测所述电池是否处于过充、过放、过热状态并发出相应驱动信号的电池组控制单元，其中所述转换开关采用电机式继电器。

进一步，所述电池组串联一个连接所述电池组控制单元的电池组开关，所述电池组开关采用电机式继电器。

进一步，所述电机式继电器包括微型电机加涡轮蜗杆减速机构。

进一步，所述转换开关为转换型，采用的所述电机式继电器包含由一个动触点与两个静触点构成的单刀双掷机械开关，所述单刀双掷机械开关包括常闭和转换两种状态。

进一步，所述电池组开关为常开型，采用的所述电机式继电器包含由一个动触点与一个静触点构成的单刀单掷机械开关，所述单刀单掷机械开关包括常开和闭合两种状态。

进一步，每个所述电机式继电器均通过专用的继电器驱动电路连接所述电池组控制单元并获得所述电池组控制单元发出的所述驱动信号。

进一步，所述电池组控制单元与上级管理单元连通。

更进一步，所述电池组控制单元通过CAN通信总线与上级管理单元连通。

进一步，所述电机式继电器通过所述电池组获得电源。

进一步，所述电池组控制单元通过所述电池组获得电源。

本实用新型的有益效果有以下几点：

1.顺应动力锂电池组电源管理进一步精细化的要求，较好地实现了电池单体的过充、过放、过热异常状态的保护，改善了电池组的使用容量并延长电池组的使用寿命；

2.电源管理系统以较为简单的方式实现了充放电均衡的目标，同时具备适应大功率使用环境、高可靠性的优点，电机式继电器耐冲击电流大，可以达到标定电流的60倍以上，能够在强恒定磁场下正常工作，显著地改善了传统继电器在闭合和断开的过程中出现的拉弧、打火或者抖动现象；

3.系统实现方案具有控制简单、成本较低的优势，并且可以较好地适应锂电池单体状态差异较大的使用条件；

4.电机式继电器显著降低了机械开关的接触电阻，可低于0.3mΩ，而且需要的驱动电流小，功耗更低；同时具有体积小，重量轻的优点。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式中所述锂电池组电源管理系统的电路图；

图2是本实用新型具体实施方式中所述继电器驱动电路的电路图；

图中：1-电池，2-单刀双掷机械开关，3-单刀单掷机械开关，4-转换开关，5-继电器驱动电路，6-电池组控制单元，7-CAN通信总线、8-电池组开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，一种锂电池组电源管理系统，包括给串联在电池组中的每一个电池1(的正负极端子)都并联一个由电机式继电器构成的转换开关4，转换开关4所采用的电机式继电器包含由一个动触点与两个静触点构成的单刀双掷机械开关2，单刀双掷机械开关2包括常闭和转换两种状 态(图1中，每个电池都设置有一个单刀双掷机械开关2，电池组中的电池数量为4个，仅为示例)。

还包括设置一个与电池组串联的电池组开关8，电池组开关8同样采用电机式继电器，电池组开关8所采用的电机式继电器包含由一个动触点与一个静触点构成的单刀单掷机械开关3，单刀单掷机械开关3包括常开和闭合两种状态。

还包括一个能够监测电池组中的每个电池1以及整个电池组的状态的电池组控制单元6(电池组控制单元6通过连接在每个电池1上的电压探测端以及温度探测端监测电池1的状态，包括电池是否过充、过放、过热等)，转换开关4和电池组开关8的电机式继电器均通过各自专用的继电器驱动电路5与电池组控制单元6相连，电池组控制单元6能够通过继电器驱动电路5向转换开关4和电池组开关8的电机式继电器发出相应的驱动信号，来调整转换开关4和电池组开关8的状态，应对电池及电池组所出现的异常状态。当电池组控制单元6检测到某一个电池1处于过充、过放、过热异常状态时可以通过向该电池并联的转换开关4发送驱动信号，控制转换开关4的单刀双掷机械开关2改变连接状态，将出现异常的电池从串联阵列(电池组)中转接出去，从而保护电池的工作安全。当电池组控制单元6检测到电池组处于过流过热等异常状况时可以通过向电池组串联的电池组开关8发送驱动信号，控制电池组开关8改变单刀单掷机械开关3的连接状态，关断电路，从而保护电池组的工作安全。

转换开关4和电池组开关8的电机式继电器的驱动装置为微型步进电机加涡轮蜗杆减速机构。电机式继电器通过机械减速传动机构把微型直流电机的旋转运动转化成触点的匀速直线运动。减速传动机构尽管牺牲了运动速度，但增加了触点的接触压力，消除了触点回跳现象；同时它的机械自锁结构能保持其触点压力稳定。电机式继电器属于自保持继电器，只需用正负直流脉冲激励继电器电机，便可完成继电器开合的状态转换，不需要继续通电就能维持继电器的状态不变。

电池组控制单元6通过CAN通信总线7与上级管理单元连通，传输与电池组中的电池相关的电压、温度等状态信息。

转换开关4和电池组开关8的电机式继电器的信号驱动电源和电池组控制单元6的直流电源由电池组输出端进行DC-DC转换得到。在本实施例中，电池组控制单元6为+5V直流电源，电机式继电器为+12V直流电源。

图2为本实用新型实施例中所述的电机式继电器的继电器驱动电路的电路图。本实施例选用两个PNP三极管和两个NPN三极管组成继电器驱动电路，使用电容C1来保护器件，SA和SB连接电机式继电器的控制端，DA和DB直接与MCU的输出信号端连接。当需要使电机式继电器处于转换状态时，只需控制单元输出信号的DA端置高，DB端置低，并将此状态维持100ms即可；而当需要使电机式继电器复位处于常闭状态时，只需控制单元输出信号的DA端置低，DB端置高，并维持100ms；无需改变状态时将电池组控制单元输出信号的DA、DB端都置低即可。

最后，举例说明本实用新型所提供的一种锂电池组电源管理系统的实际应用。

在电池组充电开始后，所有转换开关4的单刀双掷机械开关2处于常闭状态，电池组开关8的单刀单掷机械开关3处于闭合状态，将电池组中的全部电池1串联起来充电；当某个单体电池充满时，电池组控制单元6监测到该单体电池充满信号的同时，发出一个命令(驱动信号)，使与该单体电池相对应的转换开关4的单刀双掷机械开关2跳转到转换状态，将该充满电的单体电池移出充电回路，其他电池继续充电。当再有单体电池充满时，依次重复此动作，直到所有电池1均充满或充电电流超过预设值，电池组控制单元6向上级管理单元发出状态信号，断开电池组开关8的单刀单掷机械开关3，停止充电；随后电池组控制单元6输出驱动信号使所有单刀双掷机械开关2复位(回到常闭状态)，将电池组中的各个单体电 池1串联起来，为电池组放电做好准备。此后检测到充电回路断开时，电池组控制单元6向电池组开关8输出驱动信号，使单刀单掷机械开关3闭合，将电池组联通。

在电池组放电开始后，若电池组控制单元6检测到某个单体电池处于过放电状态时，即控制该单体电池相对应的转换开关4使相应的单刀双掷机械开关2跳转到转换状态，将该过放电状态的单体电池移出放电回路；依次重复此动作，直到所有电池放电完毕或电池组输出电压低于设定值，电池组控制单元6向上级管理单元发出状态信号，同时输出驱动信号使所有单刀双掷机械开关2跳转到转换状态，停止放电。此后检测到放电回路断开时，电池组控制单元6输出驱动信号使所有单刀双掷机械开关2回到常闭状态，将电池组中的各个单体电池串联起来，为电池组充电做好准备。

在充放电过程中，如果电池组控制单元6检测到电池组处于过流状态，即控制断开电池组开关8使单刀单掷机械开关3断开；若电池组控制单元6检测到某个电池的过热信号，即控制该电池对应的转换开关4使与该单体电池相对应的单刀双掷机械开关2跳转到转换状态，将对应的单体电池移出回路；同时向上级管理单元发出状态信号。通过这些方式，增强电池组的工作可靠性。

本实用新型所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本实用新型的技术创新范围。

Claims (10)

1.一种锂电池组电源管理系统，包括在串联的电池组中的每个电池(1)均并联一个转换开关(4)，所述转换开关(4)连接能够监测所述电池(1)是否处于过充、过放、过热状态并发出相应驱动信号的电池组控制单元(6)，其特征是：所述转换开关(4)采用电机式继电器。

2.如权利要求1所述的一种锂电池组电源管理系统，其特征是：所述电池组串联一个连接所述电池组控制单元(6)的电池组开关(8)，所述电池组开关(8)采用电机式继电器。

3.如权利要求1或2所述的一种锂电池组电源管理系统，其特征是：所述电机式继电器包括微型电机加涡轮蜗杆减速机构。

4.如权利要求1所述的一种锂电池组电源管理系统，其特征是：

所述转换开关(4)为转换型，采用的所述电机式继电器包含由一个动触点与两个静触点构成的单刀双掷机械开关(2)，所述单刀双掷机械开关(2)包括常闭和转换两种状态。

5.如权利要求2所述的一种锂电池组电源管理系统，其特征是：所述电池组开关(8)为常开型，采用的所述电机式继电器包含由一个动触点与一个静触点构成的单刀单掷机械开关(3)，所述单刀单掷机械开关(3)包括常开和闭合两种状态。

6.如权利要求1或2所述的一种锂电池组电源管理系统，其特征是：每个所述电机式继电器均通过继电器驱动电路(5)连接所述电池组控制单元(6)并获得所述电池组控制单元(6)发出的所述驱动信号。

7.如权利要求1或2所述的一种锂电池组电源管理系统，其特征是：所述电池组控制单元(6)与上级管理单元连通。

8.如权利要求7所述的一种锂电池组电源管理系统，其特征是：所述电池组控制单元(6)通过CAN通信总线(7)与上级管理单元连通。

9.如权利要求1或2所述的一种锂电池组电源管理系统，其特征是：所述电机式继电器通过所述电池组获得电源。

10.如权利要求8所述的一种锂电池组电源管理系统，其特征是：所述电池组控制单元(6)通过所述电池组获得电源。