CN209516652U - 具备多功能保护及精准电量计量的多串锂电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具备多功能保护及精准电量计量的多串锂电池管理系统，包括锂电池组、供电电路、电量监测电路、电池保护电路、充电过流保护电路和电流检测电阻；锂电池组至少包括N(N≥5且为整数)串电池；供电电路用于为电量监测电路、充电过流保护电路供电；电量监测电路用于监测电池组剩余电量，外部主机与之通信读取锂电池组的信息；电池保护电路用于实时监测每个单体电池的信息，通过控制充、放电MOS管的导通和关闭实现故障条件的保护；充电过流保护电路用于触发电池保护电路的保护状态，进而控制充、放电MOS完成保护动作。本系统为大于4串的锂离子电池应用提供全面、可靠、高精度的保护及精准的电量计量解决方案。

Description

具备多功能保护及精准电量计量的多串锂电池管理系统

技术领域

本实用新型涉及一种多串锂电池管理系统，尤其涉及一种具备多功能保护及精准电量计量的多串锂电池管理系统，适用于高于4串的锂电池组。

背景技术

随着锂离子电池技术的发展，锂离子电池在多个领域都得到了广泛应用，从新能源汽车到消费级玩具产品，均可以看到锂离子电池的身影。锂离子电池具有充放电倍率性能好、寿命长、能量密度高等优点，但同时由于锂离子电池本身的材料特性，局限了锂离子电池必须在一定的电压、电流、温度范围的内使用。目前，锂离子电池管理系统主要分为几种：

A、使用纯硬件电路保护方法，使用单片集成电路对电池过压、欠压、短路进行保护，典型方案有中国台湾富晶DW-01、日本精工S-8254及其他厂商同等功能方案，但是这些方案往往保护功能有限，只具备基本的电池电压、放电过流保护，不具备温度和充电过流保护功能，无法提供电量计量功能；

B、使用可编程软件控制保护方案，具有全面的过压、欠压、充电过流、放电过流、短路保护等功能，同时具备精准电量计量功能，典型方案有美国德州仪器TI公司出品的BQ40Z50 等系列产品，但是这些方案是针对笔记本电池应用而设计的，只能满足低电池串数的保护和电量计量要求，一般在1至4串以内，对于更高电池串数电池组无法提供有效解决方案。

C、大于4串电池的锂电池组管理系统方案一般采用模拟前端+单片机进行保护和电量计量，单片机电量计量方法一般采用安时积分法和电池开路电压法进行计量，存在累计误差和偏移误差，电量计量精度一般都不高，在电池长期使用后无法提供比较准确的电量计量，无法最大程度利用电池剩余容量，降低用户使用体验。

此外，现有的关于锂离子电池管理系统的专利虽然公开了一些具有保护作用的技术方案，但也具有一定的技术缺陷。如：一种具备多功能保护和电量监测的锂电池管理模块(公开号： 204407963U)，本案的高温保护模块采用温控开关实现电池的温度保护，但该模块仅仅能够实现电池的一个高温点保护，而锂离子电池的充电和放电性能对于温度有不同的要求，像一般的三元锂电池充电温度范围为10℃-45℃，放电温度范围为-20℃-65℃，因此需要对电池的温度保护做更精细化的管理，区分放电和充电状态，对低温和高温状态合理进行保护。并且，本案使用三极管搭建简单电路实现充电短路保护，但锂离子电池对充电电流有严格要求，必须在一定范围内进行充电，在实际应用中，可能会存在用户不按照推荐使用其他充电器，导致充电电流持续大于电池最大充电电流，但这过程中并没有触发到充电短路保护，只是持续充电电流大于电池最大允许充电电流，这样可能会导致锂离子电池发生起火爆炸的安全事故。

再如：智能锂离子电池电量显示方法及装置(公开号：103941194B)，本案采用电池开路电压曲线和电流-时间积分法进行电量计量，但是在电池长期使用后，电池容量会有一定衰减，该算法无法提供衰减补偿，电量计量精度有限。并且，本锂离子电池具有一定的自放电，该算法未考虑电池自放电对于电量计量的影响，电量计量精度有限。

因此，具备一个全面、可靠的保护功能和精准的电量计量功能的管理系统对于高于4串锂电池组具有十分重要的意义。

实用新型内容

针对上述现存的技术问题，本实用新型提供一种具备多功能保护及精准电量计量的多串锂电池管理系统，为高于4串锂电池组提供全面可靠保护功能及精准电量计量功能。

为实现上述目的，本实用新型提供一种具备多功能保护及精准电量计量的多串锂电池管理系统，包括锂电池组、供电电路、电量监测电路、电池保护电路和充电过流保护电路；

所述锂电池组至少包括N串电池，N≥5且为整数，锂电池组连接供电电路；

所述供电电路分别连接电量监测电路、充电过流保护电路的电源输入端，用于为上述电路供电；

所述电量监测电路分别连接锂电池组的正、负极，用于监测锂电池组的剩余电量；且外部主机通过IIC通信接口连接电量监测电路，用于读取锂电池组的信息；

所述电池保护电路分别连接第1至N-1串电池的负极以及第N串电池的负、正极，用于实时监测每个单体电池的信息；且电池保护电路分别连接充电MOS、放电MOS的控制脚，通过控制充、放电MOS管的导通和关闭实现故障条件下的保护；

所述充电过流保护电路连接电池保护电路的CTRC脚，用于触发电池保护电路的保护状态，进而控制充、放电MOS完成保护动作。

进一步，所述的供电电路主要由TPS70933稳压器组成，采用2.7至30V宽输入，3.3V稳压输出，1uA静态电流，为电量监测电路和充电过流保护电路提供3.3V电源。

进一步，所述的电量监测电路主要由BQ34Z100阻抗追踪电量计、8位移位寄存器74HC164 和发光二极管组成，用于实现电池电量的计量和显示。

其中，BQ34Z100阻抗追踪电量计具有功耗低、精度高、适应性好的优点；8位移位寄存器74HC164和5个发光二极管及轻触开关，使得电池电量能够快捷直观的显示出来。

进一步，所述的电池保护电路主要由BQ77905级联电池保护器、S-8215锂电池二级保护器和三端保险丝组成；由BQ77905级联电池保护器通过堆叠接口级联使用实现更高串数电池的保护管理，并在BQ77905级联电池保护器保护失效后由S-8215锂电池二级保护器通过控制三端保险丝的熔断提供二级冗余保护。

上述技术方案在电池发生过压、欠压、放电过流、短路、充电低温、充电过温、放电低温、放电过温的状态下，通过控制充、放电MOS管的导通和关闭，能够实现多种故障条件的保护，保护电池在正常操作范围内使用。并且，为现有电池保护IC保护功能不足提供补充保护，通过S-8215锂电池二级保护器控制三端保险丝熔断实现永久性保护，增加了系统的可靠性，确保电池组安全可靠使用。

进一步，所述的充电过流保护电路包括电流检测电阻、运算放大器、比较器、或非门组成的锁存器；当发生充电过流时，电流在电流检测电阻上形成一个电压，该电压经过运算放大器放大后到达比较器输入端，与参考电压进行对比，比较器检测到电流电压大于参考电压时，经锁存器输出一个高电平至CTRC引脚，控制电池保护电路关断充电MOS管，完成充电过流保护；当发生充电过流保护后，CTRC脚将维持高电平，电池保护电路的保护状态将维持，直至检测到放电电流后，CTRC脚转为低电平，保护状态解除，系统恢复正常。

由于电池保护电路采用的BQ77905没有集成充电过流保护功能，并且行业内大多数电池保护器无充电过流保护功能，只依赖充电器进行保护，在实际应用中，如果充电器失效，或者人为操作不当，未使用与电池组匹配的充电器，将有可能导致电池充电过流，进而导致电池组发生起火、爆炸，存在比较大安全隐患。因此，在本电池管理系统中增加上述充电过流保护功能具有重大意义。

综上，本实用新型使用BQ77905级联电池保护器搭配BQ34Z100电量计构成4串以上电池保护及电量监测系统，并在BQ77905电池保护器保护功能基础上增加充电过流保护电路，实现了充电电流的精准保护，同时在BQ77905电池保护器保护功能基础上增加二级冗余保护功能，确保了电池组安全可靠的使用。

与现有技术相比，本实用新型具有如下技术优势：

1、为大于4串的锂离子电池应用提供全面、可靠、高精度的保护，同时提供精准的电量计量解决方案；

2、对于中压(12V-72V)电池组应用提供准确的电量计量，该电压范围具有丰富的应用场合，如：移动医疗车、电动自行车、电动工具等，SOC最大估算误差在3％以内，平均SOC估算误差为1％；

3.具有高安全、高精度、低功耗、升级灵活的优点。

附图说明

图1为本实用新型原理框图；

图2为本实用新型中电池保护电路的电路图；

图3为本实用新型中电量监测电路的电路图；

图4为本实用新型中充电过流保护电路的电路图；

图5为本实用新型实际测试电量计量准确度结果的SOC精度对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本多串锂电池管理系统，包括锂电池组、供电电路、电量监测电路、电池保护电路、充电过流保护电路和电流检测电阻。

实施时，所述锂电池组包括5串电池，且锂电池组的正极连接供电电路；

所述供电电路分别连接电量监测电路、充电过流保护电路的电源输入端，用于对上述电路供电；

所述电量监测电路连接锂电池组的正、负极，通过监测电池组电压、电流计算电池组的剩余电量；且电量监测电路的通信电路通过IIC通信接口与外部主机通信，外部主机可通过 IIC总线主机读取锂电池组电压、电流、温度、剩余容量、满充容量信息；

所述电池保护电路分别连接第一串电池负极、第二串电池负极、第三串电池负极、第四串电池负极、第五串电池负极、第五串电池正极，用于实时监测每个单体电池的电压、电池电流和电池温度信息；且电池保护电路分别连接充电MOS、放电MOS的控制脚，在电池发生过压、欠压、放电过流、短路、充电低温、充电过温、放电低温、放电过温的状态下，通过控制充、放电MOS管的导通和关闭，实现上述多种故障条件的保护；

所述充电过流保护电路连接电池保护电路的CTRC脚，用于触发电池保护电路的保护状态，进而控制充、放电MOS完成保护动作；

所述电流检测电阻分别连接电池保护电路、电量监测电路和充电过流保护电路，用于为上述电路提供电池组电流信号。

具体的，所述的供电电路由一个超低静态电流LDO稳压电源组成，具体采用TPS70933稳压器，2.7至30V宽输入，3.3V稳压输出，具有1uA的超低静态电流表现，十分适用电池应用，该供电电路为电量监测电路和充电过流保护电路提供3.3V电源。

如图3所示，所述电量监测电路采用TI公司生产的BQ34Z100阻抗追踪电量计，该电量计采用先进的阻抗追踪式算法，具有老化补偿和自放电补偿，通过阻抗追踪算法能够实现1％的电量计量精度，具有功耗低、精度高、适应性好的优点，主机可以通过IIC通信读取电池组电压、电流、温度、剩余容量、满充容量等信息。并且，所述电量监测电路使用8位移位寄存器74HC164和5个发光二极管及轻触开关实现电池电量快捷显示。

如图2所示，所述电池保护电路的电池保护芯片采用TI公司生产的BQ77905电池保护器， BQ77905为3-5串电池保护器，可以支持级联使用，通过堆叠接口级联使用实现更高串数的电池的保护管理，比如20串或更高。并且，在BQ77905保护器基础上增加S-8215锂电池二级保护器，在BQ77905电池保护器保护失效后提供二级冗余保护，通过控制三端保险丝熔断实现永久性保护，增加系统可靠性。

本电池保护电路用于实时监测每个单体电池的电压、电池电流和电池温度信息，在电池发生过压、欠压、放电过流、短路、充电低温、充电过温、放电低温、放电过温的状态下，通过控制充、放电MOS管的导通和关闭，实现上述多种故障条件的保护，从而保护电池在正常操作范围内使用，并在现有技术上增加冗余二级保护功能，确保电池组安全可靠的使用。

如图4所示，所述充电过流保护电路主要由电流检测电阻、运算放大器、比较器、两个或非门组成的锁存器组成。当发生充电过流的时候，电流在电流检测电阻上形成一个电压，该电压经过运算放大器放大后到达比较器输入端，与参考电压进行对比，比较器检测到电流电压大于参考电压，经锁存器，输出一个高电平(3.3V)至CTRC引脚，控制BQ77905关断充电MOS管，完成充电过流保护，并可通过调整运算放大器反馈电阻R52的阻值，灵活调整充电电流保护值。同时，通过设置锁存器实现充电过流保护后保持锁存状态，在发生充电保护后，CTRC脚将维持高电平，BQ77905的保护状态将维持，直至检测到放电电流后，CTRC脚转为低电平，保护状态解除系统恢复正常，避免了因为充电无人值守产生不间断保护、恢复而造成的安全事故。此外，运算放大器、比较器、或非门器件均采用超低功耗器件，所有器件正常工作总电流只有8uA左右，在电池长期存放过程中保持极低的电量消耗。

本充电过流保护电路是根据电池保护电路保护功能不足而改进的，在电池保护电路功能基础上增加充电过流保护功能，同时具有状态锁存功能，使电池管理模块具备全面、可靠的保护功能。图4所示的充电过流保护电路只是上述功能原理的一种实现方式，其他方式如：采用单片机ADC采集电池回路电流，使用软件设置充电过流保护值与之比较，然后控制相应的输出状态，但单片机系统比本实用新型复杂，成本高，且功耗较高，不十分适用便携式电池系统。

在实际测试中，本多串锂电池管理系统能达到多种保护功能，如UV欠压保护、UV欠压恢复、OV过压保护、OV过压恢复、OTD放电高温保护、OTD放电高温恢复、UTD放电低温保护、UTD放电低温恢复、OTC充电高温保护、OTC充电高温恢复、UTC充电低温保护、UTC充电低温恢复、OCC充电过流、OCD放电过流、OSD短路保护等，具体保护测试项和保护参数如表1所示。且本系统电量计量准确度较高、误差较低，平均SOC估算误差在1％左右，测试结果如图5所示。

表1具体保护测试项和保护参数

综上可知，本多串锂电池管理系统具有高安全、高精度、低功耗、升级灵活的优点，为大于4串的锂离子电池应用提供全面、可靠、高精度的保护，同时提供了精准的电量计量解决方案。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.具备多功能保护及精准电量计量的多串锂电池管理系统，其特征在于，包括锂电池组、供电电路、电量监测电路、电池保护电路和充电过流保护电路；

所述锂电池组至少包括N串电池，N≥5且为整数，锂电池组连接供电电路；

所述供电电路分别连接电量监测电路、充电过流保护电路的电源输入端，用于为上述电路供电；

所述电量监测电路连接锂电池组的正、负极，用于监测锂电池组的剩余电量；且外部主机通过IIC通信接口与电量监测电路通信，用于读取锂电池组的信息；

所述电池保护电路分别连接第1至N-1串电池的负极以及第N串电池的负、正极，用于实时监测每个单体电池的信息；且电池保护电路分别连接充电MOS、放电MOS的控制脚，通过控制充、放电MOS管的导通和关闭实现故障条件下的保护；

所述充电过流保护电路连接电池保护电路的CTRC脚，用于触发电池保护电路的保护状态，进而控制充、放电MOS完成保护动作；

所述的充电过流保护电路包括电流检测电阻、运算放大器、比较器、或非门组成的锁存器；当发生充电过流时，电流在电流检测电阻上形成一个电压，该电压经过运算放大器放大后到达比较器输入端，与参考电压进行对比，比较器检测到电流电压大于参考电压时，经锁存器输出一个高电平至CTRC引脚，控制电池保护电路关断充电MOS管，完成充电过流保护；当发生充电过流保护后，CTRC脚将维持高电平，电池保护电路的保护状态将维持，直至检测到放电电流后，CTRC脚转为低电平，保护状态解除。

2.根据权利要求1所述的具备多功能保护及精准电量计量的多串锂电池管理系统，其特征在于，所述的供电电路主要由TPS70933稳压器组成，采用2.7至30V宽输入，3.3V稳压输出，1uA静态电流。

3.根据权利要求1所述的具备多功能保护及精准电量计量的多串锂电池管理系统，其特征在于，所述的电量监测电路主要由BQ34Z100阻抗追踪电量计、8位移位寄存器74HC164和发光二极管组成，用于实现电池电量的计量和显示。

4.根据权利要求1所述的具备多功能保护及精准电量计量的多串锂电池管理系统，其特征在于，所述的电池保护电路主要由BQ77905级联电池保护器、S-8215锂电池二级保护器和三端保险丝组成；由BQ77905级联电池保护器通过堆叠接口级联使用实现更高串数电池的保护管理，并在BQ77905级联电池保护器保护失效后由S-8215锂电池二级保护器通过控制三端保险丝的熔断提供二级冗余保护。