CN206023278U - 一种具有转换开关保护功能的锂电池组电源管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有转换开关保护功能的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，还包括与电池组串联、与电池组控制单元相连的电池组开关；转换开关采用磁保持继电器，其中，电池组开关与电池组串联，还包括用于实现预充电开关功能和转换开关保护功能的限流保护器，限流保护器串联在电池组、电池组开关之间并与电池组控制单元相连。采用本实用新型所述的具有转换开关保护功能的锂电池组电源管理系统，能够有效避免在进行大电流切换时对转换开关造成的冲击，保护转换开关，延长转换开关的寿命。

Description

一种具有转换开关保护功能的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，具体涉及一种具有转换开关保护功能的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。

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。但由于电池之间存在一致性的问题，导致“木桶效应”的出现，即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，使得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。其中包括采用旁路电阻的被动式均衡、采用补偿电容的主动式均衡、采用主从式电感线圈的主动式均衡等相关技术。目前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。其存在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。

实用新型专利(申请号201620429393.2)提出了一种锂电池组管理系统，该装置利用移动均衡(断流均衡)的方法，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，并且在电池出现潜在故障时可以将损坏电池从主回路中移除，让其余电池继续提供电力，提高了电池系统的可靠性。但该专利使用的单刀双掷转换开关(磁保持继电器)在考虑成本和可靠性的前提下，其具体实现在80安培以上大电流工作时开关切换会有可能使得开关状态受损或寿命缩短。因此有必要避免转换开关在大电流工作状态时进行开关切换。

目前的动力电池系统都具备断路器(也就是电池组开关)用于接通和断开电池组与电动机系统。但是由于刚开始接通电动机负载时容易产生一个瞬时大电流造成电池受损，所以需要在此之前采取预充电(放电)保护，为此设有相应的预充电开关。预充电开关与断路器并联，且与电池组之间连有限流电阻；接通断路器之前，先闭合预充电开关，电池组通过限流电阻向电动机系统供电，一定时间后才联通断路器，断开预充电开关。在电池正常工作期间，预充电开关基本上是闲置的。

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具有转换开关保护功能的锂电池组电源管理系统。该系统能够在对锂电池组进行大电流切换时保护系统内的转换开关，使转换开关不受到损坏。其原理是在转换开关进行切换之前先降低工作电流到阈值以下，切换完成后再提升工作电流；同时将现有的预充电保护技术运用于转换开关的限流保护。

为达到以上目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种具有转换开关保护功能的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，还包括与所述电池组串联、与所述电池组控制单元相连的电池组开关；所述转换开关采用磁保持继电器，其中，所述电池组开关与所述电池组串联，还包括用于实现预充电开关功能和转换开关保护功能的限流保护器，所述限流保护器串联在所述电池组、电池组开关之间并与所述电池组控制单元相连。

进一步，所述限流保护器包括一个限流开关和一个限流电阻，所述限流开关、限流电阻并联。

进一步，所述限流开关为转换型，采用大功率电磁继电器，包含由一个动触点与两个静触点构成的第二单刀双掷机械开关，所述第二单刀双掷机械开关包括常闭和转换两种状态。

更进一步，所述限流开关采用的所述大功率电磁继电器通过专用的大功率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，所述电池组开关为常开型，采用大功率电磁继电器，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。

更进一步，所述电池组开关采用的所述大功率电磁继电器通过专用的大功率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，所述转换开关为转换型，采用的所述磁保持继电器包含由一个动触点与两个静触点构成的第一单刀双掷机械开关，所述第一单刀双掷机械开关包括常闭和转换两种状态；所述转换开关采用的所述磁保持继电器为多线圈的双稳态结构，包含通过磁力保持所述动触点、静触点开合状态的永久磁铁或高剩磁特性衔铁；所述磁保持继电器的所述动触点、静触点间距大于1.3mm。

更进一步，每个所述转换开关的所述磁保持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。

本实用新型的有益效果有以下几点：

1.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；

2.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；

3.能够有效避免在进行大电流切换时对转换开关造成的冲击，保护转换开关，延长转换开关的寿命；

4.充分利用了现有的限流电阻，实现了新的作用。

附图说明

图1是本实用新型实施例中所述一种具有转换开关保护功能的锂电池组电源管理系统的电路图；

图中：1-电池，2-第一单刀双掷机械开关，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，9-限流开关，10-大功率继电器驱动电路，11-限流电阻，12-第二单刀双掷机械开关。

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，一种具有转换开关保护功能的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，转换开关4连接能够监测电池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；还包括与电池组串联、并与电池组控制单元6相连的电池组开关8；转换开关4采用磁保持继电器，其中，电池组开关8与电池组串联，还包括限流保护器，限流保护器串联在电池组、电池组开关8之间并与池组控制单元6相连。(图1中，每个电池都设置有一个第一单刀双掷机械开关2，电池组中的电池数量为4个，仅为示例。)

转换开关4为转换型，采用的磁保持继电器包含由一个动触点与两个静触点构成的第一单刀双掷机械开关2，第一单刀双掷机械开关2包括常闭和转换两种状态；转换开关4采用的磁保持继电器为多线圈的双稳态结构，包含通过磁力保持动触点、静触点开合状态的永久磁铁或高剩磁特性衔铁；磁保持继电器的动触点、静触点间距大于1.3mm(以抑制触点电弧)，典型值为1.6mm；闭合时触点压力大于500克力(双稳态结构是指在电磁线圈断电后永久磁铁或衔铁仍能保持线圈通电时位置的结构)。

转换开关4的磁保持继电器设有两个静触点、一个动触点,有多个线圈,是一种"双稳态继电器"，也可以看成是一个由电流驱动的"单刀双掷开关"；磁保持继电器的触点间距较小时可以减少动作时间，但容易产生触点电弧。在本实施例中，由于通过的电流较大，磁保持继电器的触点间距应大于1.3mm，以抑制触点电弧。

每个转换开关4的磁保持继电器均通过专用的继电器驱动电路5连接电池组控制单元6并获得电池组控制单元6发出的驱动信号。

限流保护器用于实现预充电开关功能和转换开关保护功能，包括一个限流开关9和一个限流电阻11，其中，限流开关9、限流电阻11为并联。

限流开关9为转换型，采用大功率电磁继电器，包含由一个动触点与两个静触点构成的第二单刀双掷机械开关12，第二单刀双掷机械开关12包括常闭和转换两种状态。

电池组开关8为常开型，采用大功率电磁继电器，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。

相对于转换开关4采用的磁保持继电器，电池组开关8、限流开关9所采用的大功率电磁继电器的体积较大、功率加大，动触点、静触点间距以及闭合时触点压力也都相应增大，使得电池组开关8、限流开关9能够应对大电流的切换所产生的冲击，以提升电池组开关8、限流开关9对大电流的切换能力。

电池组开关8、限流开关9采用的大功率电磁继电器分别通过专用的大功率继电器驱动电路10连接电池组控制单元6并获得电池组控制单元6发出的驱动信号。

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流、电压、温度等状态信息。(在本实施例中，控制单元6通过图1中的电流传感器得到电池组中相关的电流状态信息。)

转换开关4的磁保持继电器、电池组开关8和限流开关9的大功率电磁继电器的信号驱动电源以及电池组控制单元6的直流电源可以由电池组输出端进行DC-DC转换得到，或者来自于外部输入。

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的第一单刀双掷机械开关2处于常闭状态，限流保护器的限流开关9的第二单刀双掷机械开关12处于常闭状态，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1充满时，电池组控制单元6监测到该单体电池1充满信号的同时，发出一个命令(驱动信号)，使与该单体电池1相对应的转换开关4的第一单刀双掷机械开关2跳转到转换状态，将该充满电的单体电池1移出充电回路，其他电池1继续充电。当再有单体电池1充满时，依次重复此动作，直到所有电池1均充满，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第一单刀双掷机械开关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。

在充电过程中，若转换开关4切换之前发现充电电流超过预设值，则需要将限流保护器的限流开关9的第二单刀双掷机械开关12处于转换状态使限流电阻11接入主回路以降低充电电流(即实现限流保护器对转换开关4的保护功能)，然后完成转换开关4切换后再将限流开关9的第二单刀双掷机械开关12处于常闭状态使限流电阻11移出主回路。

在电池组放电开始之前，先将电池组开关8的单刀单掷机械开关3处于断开状态，然后使限流保护器的限流开关9的第二单刀双掷机械开关12处于转换状态，使限流电阻11接入主回路，再将电池组开关8的单刀单掷机械开关3处于闭合状态。经过设定时间完成预放电后，使限流开关9的第二单刀双掷机械开关12处于常闭状态使限流电阻11移出主回路(即实现限流保护器的预充电开关功能)。

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1处于过放电状态时，即控制该单体电池1相对应的转换开关4使相应的第一单刀双掷机械开关2跳转到转换状态，将该过放电状态的单体电池1移出放电回路；依次重复此动作，直到所有电池1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第一单刀双掷机械开关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第一单刀双掷机械开关2回到常闭状态，将电池组中的各个单体电池1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，可以使限流开关9的第二单刀双掷机械开关12处于转换状态，使限流电阻11接入主回路以降低工作电流，如果效果不佳则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1的过热信号，即控制该电池1对应的转换开关4使与该单体电池1相对应的第一单刀双掷机械开关2跳转到转换状态，将对应的单体电池1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)

1.一种具有转换开关保护功能的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)，还包括与所述电池组串联、与所述电池组控制单元(6)相连的电池组开关(8)；所述转换开关(4)采用磁保持继电器，其特征是：所述电池组开关(8)与所述电池组串联，还包括用于实现预充电开关功能和转换开关保护功能的限流保护器，所述限流保护器串联在所述电池组、电池组开关(8)之间并与所述电池组控制单元(6)相连。

2.如权利要求1所述的锂电池组电源管理系统，其特征是：所述限流保护器包括一个限流开关(9)和一个限流电阻(11)，所述限流开关(9)、限流电阻(11)并联。

3.如权利要求2所述的锂电池组电源管理系统，其特征是：所述限流开关(9)为转换型，采用大功率电磁继电器，包含由一个动触点与两个静触点构成的第二单刀双掷机械开关(12)，所述第二单刀双掷机械开关(12)包括常闭和转换两种状态。

4.如权利要求3所述的锂电池组电源管理系统，其特征是：所述限流开关(9)采用的所述大功率电磁继电器通过专用的大功率继电器驱动电路(10)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。

5.如权利要求1所述的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，采用大功率电磁继电器，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5所述的锂电池组电源管理系统，其特征是：所述电池组开关(8)采用的所述大功率电磁继电器通过专用的大功率继电器驱动电路(10)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所述的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，采用的所述磁保持继电器包含由一个动触点与两个静触点构成的第一单刀双掷机械开关(2)，所述第一单刀双掷机械开关(2)包括常闭和转换两种状态；所述转换开关(4)采用的所述磁保持继电器为多线圈的双稳态结构，包含通过磁力保持所述动触点、静触点开合状态的永久磁铁或高剩磁特性衔铁；所述磁保持继电器的所述动触点、静触点间距大于1.3mm。

8.如权利要求7所述的锂电池组电源管理系统，其特征是：每个所述转换开关(4)的所述磁保持继电器均通过专用的继电器驱动电路(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。

9.如权利要求1所述的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。

10.如权利要求9所述的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。