CN207617554U - 电动车用锂离子电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电动车用锂离子电池系统，在每一个高压电气回路中均设置有两个控制继电器，有效避免共用继电器方案造成的继电器使用寿命不一致问题和单独继电器造成的继电器粘连后充电或加热失控问题。通过实时检测电流传感器电流采集值，动态调整BMS请求充电机输出电流，使得锂离子电池系统充电电流始终维持在(‑I_C+I₁)～(‑I_C+I₂)(放电为正，充电为负，I_C为当前电池组允许充电电流)之间，有效避免实际充电电流超出电池允许充电电流。从电气连接和控制方法两个方面提高充电和加热安全性，延长电池使用寿命，提高充电效率，保证电池系统稳定性。

Description

电动车用锂离子电池系统

技术领域

本实用新型涉及电动汽车锂离子电池技术领域，特别是涉及一种电动车用锂离子电池系统。

背景技术

近年来电动汽车在我国得到快速的推广和应用，锂离子电池系统作为电动汽车最重要的动力来源也得到了广泛的关注。锂离子电池性能和使用除受自身体系、材料、配方等内部因素影响外，还严重受限于外部环境温度等条件影响。尤其是在低温环境下充电，不仅影响充电效率、缩短电池使用寿命，而且还容易发生电池“析锂”的现象，严重时形成“枝晶”刺破电池隔膜，造成电池短路引发安全事故。

现有的锂离子电池加热系统和充电加热方法中，一般加热回路、充电回路和放电回路共用一个总负继电器，且充电机输出电流按照恒流输出。现有方案一方面造成总负继电器使用频次远高于其他继电器，增加了继电器粘连失控风险。另一方面在低温时充电机输出电流可能部分流入电池对电池进行充电，造成电池低温充电，影响电池使用安全和寿命。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本实用新型提供一种电动车用锂离子电池系统。

本实用新型解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种电动车用锂离子电池系统，包括设有加热片PTC的电池组、电池管理系统BMS、高压箱、充电机和放电负载，所述电池组通过单体电压采集线、电池总压采集线和温度采集线与所述电池管理系统BMS相连接，所述电池组通过电池总正接口、电池总负接口以及加热接口与高压箱相连接；所述高压箱通过放电接口与放电负载相连接，所述高压箱通过充电接口与充电机相连接，所述高压箱通过总压采集线、电流采集线和继电器控制线与所述电池管理系统BMS相连接；所述电池管理系统BMS通过CAN总线和充电机输出电压采集线与充电机相连接。

电压采集线包括单体电压采集线、电池总压采集线。单体电压采集线采集单体电池电压，总压采集线用于采集电池组电压V_b。PTC电压采集线用于采集PTC端电压V_R充电机输出电压采集线用于采集充电机输出电压V_C。温度采集线采集单体电池的温度，通过多个单体电池的温度表示电池组的状态。电流采集线采集电流传感器上流过的电流。

进一步，所述高压箱内包括电流传感器、预充电阻R、预充继电器K5、总正继电器K6、总负继电器K7、加热继电器K1、加热继电器K2、充电继电器K3和充电继电器K4，所述电池组的正负极分别通过加热继电器K1和加热继电器K2与加热片PTC两端连接形成加热回路；所述电池组的正负极分别通过充电继电器K3和充电继电器K4与充电机两端连接形成充电回路；电流传感器串接在靠近电池负极的总回路中；所述电池组的正负极分别通过总正继电器K6和总负继电器K7与放电负载两端连接形成放电回路；所述预充电阻R和预充继电器K5串联后并联在所述总正继电器K6的两端；

电池管理系统BMS与充电机通过CAN总线和充电机输出电压采集线相连接；与电池部分通过单体电压电压、温度采集线和电池总压采集线等相连接；所述电池管理系统BMS与加热继电器K1、加热继电器K2、充电继电器K3和充电继电器K4通过继电器控制线相连接；所述电池管理系统BMS与电流传感器通过电流采集线相连接，与加热片通过加热片总压采集线相连接。

进一步，还包括加热回路保险FUSE，所述加热回路保险FUSE串接在加热回路上，具体的，串接在加热片PTC与加热继电器K1或K2之间。

一种电动车用锂离子电池充电加热方法，上电后，电池管理系统BMS检测电池系统是否有充电连接信号，如果无充电连接信号，电池系统进入放电模式，电池管理系统BMS控制高压箱内总正继电器K6和总负继电器K7闭合放电回路；如果有充电连接信号，电池系统进入充电模式；

当电池系统进入充电模式后，电池管理系统BMS检测电池系统的单体电池的最低温度Tmin、最高温度Tmax和最高电压Vmax，判断此时单体电池最低温度Tmin、最高温度Tmax与设定温度T1、T2和T3的大小；单体电池最低温度Tmin、最高温度Tmax由温度采集线检测，单体电池的最高电压Vmax由单体电压采集线检测。

当Tmin＜T1时，电池系统进入加热模式，电池管理系统BMS调整请求充电机输出电流I_ASK，保持电流传感器检测电流值I_R在I₁～I₂之间；

当T1≤Tmin＜T2时，电池系统进入加热充电模式，电池管理系统BMS调整请求充电机输出电流I_ASK，保持电流传感器检测电流值I_R在(-I_C+I₁)～(-I_C+I₂)之间；

当Tmin≥T2时，进入正常充电模式，电池管理系统BMS调整请求充电机输出电流I_ASK为当前电池组允许充电电流I_C，并控制断开加热继电器K2和K1，停止加热；

当充电到单体电池截止电压时，电池管理系统BMS调整请求充电机输出充电电流值为0，并控制断开充电继电器K3和K4，停止充电；

在整个加热和充电过程中，电池管理系统BMS实时检测电池系统的单体电池的最高温度Tmax，当检测到单体电池的最高温度Tmax＞T3时，立即停止加热和充电过程；

在整个加热和充电过程中，电池管理系统BMS实时检测电池系统的单体电池的最高电压Vmax，当检测到单体电池的最高电压Vmax达到充电截止电压时，立即停止加热和充电过程；

其中，设定温度T1表示电池组不允许充电，只能够加热的温度阈值；设定温度T2表示电池组允许以小电流充电，同时仍需加热的温度阈值；设定温度T3表示电池组可以以正常电流充电，不需要加热的温度阈值；I₁和I₂为参数阈值，I_C为当前电池组允许充电电流；I_ASK为BMS请求充电机输出电流。

进一步，参数阈值I₁和I₂依据电流传感器精度I_Accuracy和充电机输出稳定性△I_charge确定，取I₁＝|I_Accuracy|，I₂＝I₁+|△I_charge|。

进一步，加热回路、充电回路和放电回路各具有两个继电器，分别为加热继电器K1和K2，充电继电器K3和K4以及总正继电器K6和总负继电器K7，同一回路中两个继电器每次闭合/断开的先后顺序依次轮换进行以判断各个继电器是否存在粘连，如果存在粘连则停止流程，如果不存在粘连则继续流程。

具体的，对同一回路中的继电器按照闭合/断开次数进行计数，按照计数的奇偶性进行轮换。

进一步，所述电池管理系统BMS实时检测电池组端电压V_b、加热片PTC两端电压V_R和充电机输出端电压V_C，

当V_C＞V_b/2时，则判断充电继电器K3或K4粘连；

当I_R＞I_粘连或V_R＞V_b/2时，则判断加热继电器K1或K2粘连；

I_Iint为PTC加热片额定加热电流；

I_HOT为PTC加热片实际需求加热电流；

I_粘连为判断继电器是否粘连的电流阈值；

且当加热片PTC两端电压V_R超过加热片PTC最大工作电压时，立即断开加热继电器K1和K2。

进一步，电池管理系统BMS调整充电机输出电流过程，每次充电电流调整速率满足以下公式：

(当前电流传感器检测电流值-电流传感器检测电流目标中值)

其中，△I表示充电电流调整速率，电流传感器检测电流目标中值是指检测电流在I₁～I₂之间，则电流传感器检测电流目标中值为(I₁+I₂)/2。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种电动车用锂离子电池系统，在每一个高压电气回路中均设置有两个控制继电器，有效避免共用继电器方案造成的继电器使用寿命不一致问题和单独继电器造成的继电器粘连后充电或加热失控问题。充电加热方法通过实时检测电流传感器电流采集值，动态调整BMS请求充电机输出电流，使得锂离子电池系统充电电流始终维持在(-I_C+I₁)～(-I_C+I₂)(放电为正，充电为负，I_C为当前电池组允许充电电流)之间，有效避免实际充电电流超出电池允许充电电流。从电气连接和控制方法两个方面提高充电和加热安全性，延长电池使用寿命，提高充电效率，保证电池系统稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型实施例中锂电池系统连接示意图；

图2为本实用新型实施例中锂电池系统电气拓扑结构示意图；

图3为本实用新型实施例中锂电池系统充电加热流程示意图；

图4为本实用新型实施例中锂电池系统进入正常充电模式后的流程示意图。

图中：1、电池组，5、放电负载，7、电流传感器，13、充电机。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1和图2所示，本实用新型的一种电动车用锂离子电池系统，包括设有加热片PTC的电池组1、电池管理系统BMS、高压箱、充电机13和放电负载5，所述电池组1通过单体电压采集线、电池总压采集线和温度采集线与所述电池管理系统BMS相连接，所述电池组1通过电池总正接口、电池总负接口以及加热接口与高压箱相连接；所述高压箱通过放电接口与放电负载5相连接，所述高压箱通过充电接口与充电机13相连接，所述高压箱通过总压采集线、电流采集线和继电器控制线与所述电池管理系统BMS相连接；所述电池管理系统BMS通过CAN总线和充电机13输出电压采集线与充电机13相连接。

电压采集线包括单体电压采集线、电池总压采集线。单体电压采集线采集单体电池电压，总压采集线用于采集电池组1电压V_b。PTC电压采集线用于采集PTC端电压V_R充电机13输出电压采集线用于采集充电机13输出电压V_C。温度采集线采集单体电池的温度，通过多个单体电池的温度表示电池组1的状态。电流采集线采集电流传感器7上流过的电流。

所述高压箱内包括电流传感器7、预充电阻R、预充继电器K5、总正继电器K6、总负继电器K7、加热继电器K1、加热继电器K2、加热回路保险FUSE、充电继电器K3和充电继电器K4，所述电池组1的正负极分别通过加热继电器K1和加热继电器K2与加热片PTC两端相连接形成加热回路，所述加热回路保险FUSE串接在加热回路上，具体的，串接在加热片PTC与加热继电器K1或K2之间，本实施例中加热回路保险FUSE串接在加热片PTC与加热继电器K1之间；所述电池组1的正负极分别通过充电继电器K3和充电继电器K4与充电机13两端相连接形成充电回路；电流传感器7串接在最靠近电池负极的总回路中；所述电池组1的正负极分别通过总正继电器K6和总负继电器K7与放电负载5两端相连接形成放电回路；所述预充电阻R和预充继电器K5串联后并联在所述总正继电器K6的两端。

电池管理系统BMS与充电机13通过CAN总线和充电机13输出电压采集线相连接；电池管理系统BMS与电池组1通过单体电压采集线、温度采集线和电池总压采集线等相连接；所述电池管理系统BMS与加热继电器K1、加热继电器K2、充电继电器K3和充电继电器K4通过继电器控制线相连接；所述电池管理系统BMS与电流传感器7通过电流采集线相连接，与加热片PTC通过加热片总压采集线相连接。

在加热回路、充电回路和放电回路各具有两个继电器，分别为加热继电器K1和K2，充电继电器K3和K4以及总正继电器K6和总负继电器K7，同一回路中两个继电器每次闭合/断开的先后顺序依次轮换进行以判断各个继电器是否存在粘连，如果存在粘连则停止流程，如果不存在粘连则继续流程。例如：以加热继电器K1和K2举例，第一次，先闭合加热继电器K1，然后检查加热继电器K2是否存在粘连；当需要断开时，先断开加热继电器K2，然后再断开加热继电器K1，断开时检测加热继电器K1是否粘连，断开后，继电器闭合/断开次数计数值加1；第二次，先闭合加热继电器K2，然后检查加热继电器K1是否存在粘连；当需要断开时，先断开加热继电器K1，然后再断开加热继电器K2，断开时检测加热继电器K1是否粘连，K1和K2的断开和闭合没有必然的顺序，闭合时先闭合K1，断开时先断开K2，或者闭合时先闭合K2，断开时先断开K1，也是可以的。

一种电动车用锂离子电池充电加热方法，根据电池温度与充电性能的不同状态，该方法将充电和加热分为以下几种模式：加热模式、加热充电模式、正常充电模式以及停止加热和充电模式。

为了便于说明充电加热方法现定义以下参数：

设定温度T1，表示电池组1不允许充电，只能够进行加热的温度阈值；

设定温度T2，表示电池组1允许以小电流充电，同时仍需加热的温度阈值；

设定温度T3，表示电池组1可以以正常电流充电，不需加热的温度阈值；

参数阈值I₁，表示电流允许波动范围下限阈值；

参数阈值I₂，表示电流允许波动范围上限阈值；

I_Accuracy电流传感器7精度；

△I_charge充电机13输出稳定性；

I_R电流传感器7检测电流值；

I_C当前电池组1允许充电电流；

△I充电电流调整速率；

V_b电池组1端电压；

V_R加热片PTC两端电压；

V_C充电机13输出端电压；

I_Iint为PTC加热片额定加热电流；

I_HOT为PTC加热片实际需求加热电流；

I_ASK为BMS请求充电机13输出电流；

I_粘连为判断继电器是否粘连的电流阈值，其中，I_粘连的取值大小根据电流传感器7采集精度确定，可以为10A。

锂电池系统充电加热流程如图3所示，上电后，电池管理系统BMS检测电池系统是否有充电连接信号，如果无充电连接信号，电池系统进入放电模式，电池管理系统BMS控制高压箱内总正继电器K6和总负继电器K7闭合放电回路，电池组1经过放电负载5进行放电，此时，加热回路和充电回路均处于断开状态，即加热继电器K1和K2、充电继电器K3和K4、预充继电器K5均处于断开状态；如果有充电连接信号，电池系统进入充电模式；

预充继电器K5、高压箱内总正继电器K6和总负继电器K7的控制线根据不同应用，可以与电池管理系统BMS连接，也可以与整车VCU连接，根据整车设计来确认。

当电池系统进入充电模式后，电池管理系统BMS实时检测电池系统中单体电池的最低温度Tmin、最高温度Tmax和最高电压Vmax，判断此时单体电池最低温度Tmin与设定温度T1、T2，最高温度Tmax与T3以及最高电压Vmax与充电截止电压的大小；单体电池最低温度Tmin、最高温度Tmax由温度采集线检测，单体电池的最高电压Vmax由单体电压采集线检测。

当Tmin＜T1时，电池系统进入加热模式，BMS控制高压箱内相关继电器K1、K2、K3和K4闭合，电池管理系统BMS调整请求充电机13输出电流I_ASK，保持电流传感器7检测电流值I_R在I₁～I₂(放电为正，充电为负)之间；充电模式下如充电桩电流不足以支持PTC工作，电池组1需放电，补充PTC加热电流需求。

当T1≤Tmin＜T2时，电池系统进入加热充电模式，BMS控制高压箱内相关继电器K1、K2、K3和K4闭合，电池管理系统BMS调整请求充电机13输出电流I_ASK，保持电流传感器7检测电流值I_R在(-I_C+I₁)～(-I_C+I₂)(放电为正，充电为负)之间；

当Tmin≥T2时，进入正常充电模式，BMS控制高压箱内相关继电器K3和K4闭合，电池管理系统BMS调整请求充电机13输出电流值I_ASK为当前电池组1允许充电电流I_C，并控制断开加热继电器K2和K1，停止加热；

当充电到单体电池截止电压时，电池管理系统BMS调整请求充电机13输出充电电流值为0，并控制断开充电继电器K3和K4，停止充电；

在整个加热和充电过程中，电池管理系统BMS实时检测电池系统的单体电池的最高温度Tmax，当检测到单体电池的最高温度Tmax＞T3时，立即停止加热和充电过程；

在整个加热和充电过程中，电池管理系统BMS实时检测电池系统的单体电池的最高电压Vmax，当检测到单体电池的最高电压Vmax达到充电截止电压时，立即停止加热和充电过程；

在整个加热和充电过程中，电池管理系统BMS实时检测电池系统的单体电池的最低电压Vmin，当检测到单体电池的最低电压Vmin低于设定值时，增加BMS请求充电机13输出电流I_ASK，直到单体电池最低电压高于或等于设定值。此处的设定值指放电截止电压，低于该值时，电池组1不允许放电。

如超过一定时间无法调整电流传感器7检测电流值在预期范围内，需断开加热和充电继电器。该时间可以根据实际情况和电池容量进行设定，如10分钟。

参数阈值I₁和I₂依据电流传感器7精度I_Accuracy和充电机13输出稳定性△I_charge确定，取I₁＝|I_Accuracy|，I₂＝I₁+|△I_charge|。

加热回路、充电回路和放电回路各具有两个继电器，分别为加热继电器K1和K2，充电继电器K3和K4以及总正继电器K6和总负继电器K7，同一回路中两个继电器每次闭合/断开的先后顺序依次轮换进行以判断各个继电器是否存在粘连，如果存在粘连则停止流程，如果不存在粘连则继续流程。

具体的，对同一回路中的继电器按照闭合/断开次数进行计数，按照计数的奇偶性进行轮换。

所述电池管理系统BMS实时检测电池组1端电压V_b、加热片PTC两端电压V_R和充电机13输出端电压V_C，根据当前继电器状态和检测电压，进行继电器故障诊断。且当加热片PTC两端电压V_R超过加热片PTC最大工作电压时，立即断开加热继电器K1和K2。

当V_C＞V_b/2时，则判断充电继电器K3或K4粘连；

当I_R＞I_粘连或V_R＞V_b/2时，则判断加热继电器K1或K2粘连；

电池管理系统BMS调整充电机13输出电流过程，每次充电电流调整速率满足以下公式：

(当前电流传感器检测电流值-电流传感器检测电流目标中值)

其中，△I表示充电电流调整速率，电流传感器7检测电流目标中值是指检测电流在I₁～I₂之间，则电流传感器7检测电流目标中值为(I₁+I₂)/2。

下面以每个回路中两个继电器闭合断开的一种情况进行详细说明当电池系统进入充电模式后的工作过程。

如图3所示，当电池管理系统BMS检测到充电连接信号，电池系统进入充电模式后，首先闭合充电继电器K4，检测充电继电器K3是否粘连，当V_C＞V_b/2时，充电继电器K3粘连，断开充电继电器K4，则停止充电流程；否则，充电继电器K3正常，闭合充电继电器K3，继续进行充电流程；

然后判断Tmin与T2的大小，当Tmin≥T2时，进入正常充电模式；

当Tmin＜T2时，闭合加热继电器K2，准备进入加热模式，此时，如果检测到I_R＞I_粘连或V_R＞V_b/2，则判断加热继电器K1粘连，断开加热继电器K2和充电继电器K4，结束流程；否则，判断加热继电器K1正常，则闭合加热继电器K1和充电继电器K3；

然后判断Tmin与T1的大小，此时，如果Tmin≥T1，则使I_HOT＝I_Iint，然后再判断Tmin与T2的大小；如果Tmin＜T1，则BMS请求电流值I_ASK＝I_Iint，并更新电流传感器7检测电流值I_R，将I_R与I₁、I₂比较，可以分为一下几种情况：

当I_R＜I₁时，增加请求电流值I_ASK；否则，

当I_R＞I₂时，减小请求电流值I_ASK；否则，

当I₁＜I_R＜I₂时，保持请求电流值I_ASK；

循环进行上述步骤，直至Tmin≥T1，使I_HOT＝I_ASK，然后再判断Tmin与T2的大小。

此时，比较Tmin与T2，如果Tmin≥T2，进入正常充电模式；否则，Tmin＜T2，使I_ASK＝I_C+I_HOT，并更新电流传感器7检测电流值I_R，将I_R与I₁、I₂、I_C比较，可以分为一下几种情况：

当I_R＞(-I_C+I₁)时，减小请求电流值I_ASK；否则，

当I_R＜(-I_C+I₂)时，增加请求电流值I_ASK；否则，

当(-I_C+I₂)＜I_R＜(-I_C+I₁)时，保持请求电流值I_ASK；

循环进行上述步骤，直至Tmin≥T2，进入正常充电模式。

进入正常充电模式后，首先，判断加热继电器K2是否存在粘连，断开加热继电器K2，比较V_R与V_b/2的值：

(1)当检测到V_R＞V_b/2时，加热继电器K2粘连，断开加热继电器K1，再判断V_R与V_b/2的值，当仍然V_R＞V_b/2时，加热继电器K1也粘连，进行报警并结束充电；否则加热继电器K1正常，进入标准充电流程，当充电完成，则结束充电；

(2)当检测到V_R≤V_b/2时，加热继电器K2正常，断开加热继电器K1，此时进入标准充电流程，当充电完成，则结束充电；

结束充电后，首先断开充电继电器K3，延时200ms，比较V_C与V_b/2的值：

(1)如果V_C＞V_b/2，则充电继电器K3粘连，并报警，断开充电继电器K4，延时200ms，再次判断，如果V_R＞V_b/2，则充电继电器K4粘连，并报警，结束流程；

(2)如果V_C≤V_b/2，则充电继电器K3正常，断开充电继电器K4，延时200ms，结束流程。

上述步骤中延时时间根据需求确定。

该本实用新型在充电、放电、加热每条电流回路都安装有两个继电器，降低继电器“粘连”造成的充电或加热失控问题。加热速度快、安全性高，能够有效解决锂电池低温充电慢、低温充电“析锂”等问题，提高锂离子电池使用安全性，延长其使用寿命。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本实用新型的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种电动车用锂离子电池系统，其特征在于：包括设有加热片PTC的电池组、电池管理系统BMS、高压箱、充电机和放电负载，所述电池组通过单体电压采集线、电池总压采集线和温度采集线与所述电池管理系统BMS相连接，所述电池组通过电池总正接口、电池总负接口以及加热接口与高压箱相连接；所述高压箱通过放电接口与放电负载相连接，所述高压箱通过充电接口与充电机相连接，所述高压箱通过电池总压采集线、电流采集线和继电器控制线与所述电池管理系统BMS相连接；所述电池管理系统BMS通过CAN总线和充电机输出电压采集线与充电机相连接。

2.如权利要求1所述的电动车用锂离子电池系统，其特征在于：所述高压箱内包括电流传感器、预充电阻R、预充继电器K5、总正继电器K6、总负继电器K7、加热继电器K1、加热继电器K2、充电继电器K3和充电继电器K4，所述电池组的正负极分别通过加热继电器K1和加热继电器K2与加热片PTC两端连接形成加热回路；所述电池组的正负极分别通过充电继电器K3和充电继电器K4与充电机两端连接形成充电回路；电流传感器串接在靠近电池负极的总回路中；所述电池组的正负极分别通过总正继电器K6和总负继电器K7与放电负载两端连接形成放电回路；所述预充电阻R和预充继电器K5串联后并联在所述总正继电器K6的两端；

电池管理系统BMS与充电机通过CAN总线和充电机输出电压采集线相连接；与电池部分通过单体电压采集线、温度采集线和电池总压采集线等相连接；所述电池管理系统BMS与加热继电器K1、加热继电器K2、充电继电器K3和充电继电器K4通过继电器控制线相连接；所述电池管理系统BMS与电流传感器通过电流采集线相连接，与加热片通过加热片总压采集线相连接。

3.如权利要求2所述的电动车用锂离子电池系统，其特征在于：还包括加热回路保险FUSE，所述加热回路保险FUSE串接在加热回路上。