CN211478908U - 一种应用于并联锂电池组的高可靠性智能管理系统 - Google Patents

Abstract

一种应用于并联锂电池组的高可靠性智能管理系统，其特征是：包括主控制单元、分控制单元、通信隔离单元和锂电池组单元；所述锂电池组单元由多个锂电池组并联构成，每个锂电池组由多块单体锂电池串联构成；每个锂电池组与一个分控制单元相连，多个结构相同的分控制单元分别通过通信隔离单元与主控制单元相连；本实用新型结构简单、可靠性强、保护全面，可实时监控锂电池组充电和供电过程中的电压、电流、温度数据，有效防止出现过充、过放、过流及过热等现象，极大地降低了安全隐患；采用充电、供电两套控制保护电路，更具有针对性；在单体锂电池出现故障时，自动调节电路工作参数，可保证电路的持续安全工作，大大提高了锂电池组单元工作的稳定性。

Description

一种应用于并联锂电池组的高可靠性智能管理系统

技术领域

本实用新型涉及锂电池管理技术领域，尤其是涉及了一种应用于并联锂电池组的高可靠性智能管理系统。

背景技术

锂电池具有放电电压稳定，工作温度范围宽，自放电率低，储存寿命长，质量轻及无污染等优点，目前逐步替代了铅酸蓄电池、镉镍蓄电池，广泛应用于计算机、手表、笔记本电脑、电动工具、电动车等各种设备中。

但在锂电池使用中，常常因为过充、过放、过温、过流等现象将电池损坏，特别是在实际应用中，往往采用多组锂电池联合供电，由于单个锂电池的内部特性不完全相同，一块锂电池出现故障，将会导致整个锂电池组的供电效果，不能发挥出锂电池组的最大功效，同时也严重地影响锂电池组的寿命，甚至有可能发生爆炸等重大事故。所以，需要可靠优良的管理系统对锂电池的充放电过程进行控制；在现有技术中，锂电池组管理系统的安全性检测及处理不够全面，有的没有考虑到温度的影响，有的在单体电池故障后电池组无法继续使用，有的对充放电采用统一控制保护电路，这都影响到电池管理系统的可靠性。

实用新型内容

为了克服背景技术中的不足，本实用新型公开了一种应用于并联锂电池组的高可靠性智能管理系统，基于先串后并的锂电池组特性，实现了对锂电池组工作状态的实时监控和调节，电路防护功能全面，在单体锂电池出现故障时，可保证总电路的持续安全工作，大大提高了锂电池组工作的稳定性和可靠性。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种应用于并联锂电池组的高可靠性智能管理系统，包括主控制单元、分控制单元、通信隔离单元和锂电池组单元；所述锂电池组单元由多个锂电池组并联构成，每个锂电池组由多块单体锂电池串联构成；每个锂电池组与一个分控制单元相连，多个结构相同的分控制单元分别通过通信隔离单元与主控制单元相连；所述主控制单元包括主控制器、充电控制电路、供电控制电路、总电路电流采集模块、总电路电压采集模块、通信模块和报警器；总电路电流采集模块、总电路电压采集模块、通信模块和报警器分别与主控制器相连，主控制器的输出端分别通过充电控制电路和供电控制电路与锂电池组单元相连；所述分控制单元包括分控制器、光耦隔离模块、单体锂电池数据采集模块和温度调节模块，单体锂电池数据采集模块的输出端通过光耦隔离模块与分控制器的输入端相连，分控制器的输出端通过温度调节模块与锂电池组相连。

优选的，所述充电控制电路包括依次连接的充电电路保护模块、PWM调制模块和续流模块，所述充电电路保护模块输入端与充电电源相连，续流模块输出端与锂电池组单元相连。

优选的，所述供电控制电路包括依次连接的供电电路保护模块和供电电路开关模块，所述供电电路保护模块输入端与锂电池组单元相连，供电电路开关模块输出端与负载相连。

优选的，所述通信隔离单元包括连接在主控制器输出端与分控制器输入端之间的第一收发隔离电路，和连接在分控制器输出端与主控制器输入端之间的第二发隔离电路。

优选的，所述单体锂电池数据采集模块包括单体电流信号采集单元、单体电压信号采集单元和单体温度信号采集单元。

优选的，所述温度调节模块包括降温单元和升温单元。

优选的，所述锂电池组单元中每一个锂电池组都串联一个用于防止电流突变的电感和控制该锂电池组是否接入电路的常闭控制开关。

由于采用如上所述的技术方案，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型结构简单、可靠性强、保护全面，基于先串后并的锂电池组特性，可以实时监控充电和供电过程中锂电池组的电压、电流、温度，有效防止出现过充、过放、过温及过流等现象，极大地降低了安全隐患；采用充电、供电两套控制保护电路，根据锂电池组充电、供电不同特点采用不同的控制和保护措施，更具有针对性；在单体锂电池出现故障时，自动调节电路工作参数，可保证总电路的持续安全工作，大大提高了锂电池组工作的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型智能管理系统结构示意图；

图2为本实用新型充电控制电路示意图；

图3为本实用新型供电控制电路示意图；

图4为本实用新型通信隔离单元电路示意图。

图中：1、主控制单元；2、分控制单元；3、通信隔离单元；4、锂电池组单元；1-1、主控制器；1-2、充电控制电路；1-3、供电控制电路；1-4、总电路电流采集模块；1-5、总电路电压采集模块；1-6、通信模块；1-7、报警器；2-1、分控制器；2-2、光耦隔离模块；2-3、单体锂电池数据采集模块；2-4、温度调节模块；3-1、第一收发隔离电路；3-2、第二收发隔离电路；1-2-1、充电电路保护模块；1-2-2、PWM调制模块；1-2-3、续流模块；1-3-1、供电电路保护模块；1-3-2、供电电路开关模块。

具体实施方式

通过下面的实施例可以详细的解释本实用新型，公开本实用新型的目的旨在保护本实用新型范围内的一切技术改进，本实用新型并不局限于下面的实施例。

如图1-4所示，本实用新型一种应用于并联锂电池组的高可靠性智能管理系统，包括主控制单元1、分控制单元2、通信隔离单元3和锂电池组单元4。

所述锂电池组单元4由多个锂电池组并联构成，每个锂电池组由多块单体锂电池串联构成；每个锂电池组都串联一个常闭控制开关，在某个单体锂电池出现故障时，通过主控制单元1控制对应常闭控制开关的控制端，使该常闭控制开关断开，从而将故障单体锂电池所在的锂电池组从电路中移除，不影响其它并联的锂电池组正常工作；由于在充电、供电开始阶段或将锂电池组从电路中移除时，会引起电流突变，因此每个锂电池组还串联一个电感，以防止因电流突变，引起锂电池故障。

每个锂电池组与一个分控制单元2相连，多个结构相同的分控制单元2分别通过通信隔离单元3与主控制单元1相连；分控制单元2主要用于进行相应锂电池组中单体锂电池电流、电压和温度等数据的采集，并将其发送到主控制单元1中，同时根据温度数据判断是否出现过热或过冷现象，并进行相应处理；主控制单元1主要进行总电路电流、电压数据监测，并结合分控制单元2发送的单体锂电池电流、电压信息，进行充电或供电回路控制。

所述主控制单元1包括主控制器1-1、充电控制电路1-2、供电控制电路1-3、总电路电流采集模块1-4、总电路电压采集模块1-5、通信模块1-6和报警器1-7；主控制器1-1选用单片机AT89C51，用于进行对电路的过流、过压判定及充电、供电时相关控制信号的生成；总电路电流采集模块1-4和总电路电压采集模块1-5分别与主控制器1-1相连，总电路电流采集模块1-4为设置在总电路上的霍尔电流传感器及其信号调理电路，总电路电压采集模块1-5为设置在总电路上的霍尔电压传感器及其信号调理电路，总电路电流采集模块1-4和总电路电压采集模块1-5实时采集总电路电流和电压信号，并将其进行放大滤波后传送到主控制器1-1中；通信模块1-6和报警器1-7分别与主控制器1-1相连；通信模块1-6为无线通信模块，用户终端可以通过通信模块1-6与主控制器1-1通讯，实时查看锂电池工作状态数据；在锂电池出现过热、过压或过流等故障情况时，可以通过报警器1-7进行报警，以提醒用户注意。

主控制器1-1的输出端分别通过充电控制电路1-2和供电控制电路1-3与锂电池组单元4相连，在充电或供电过程对电路参数进行调节控制。

充电控制电路1-2如图2所示，包括充电电路保护模块1-2-1、PWM调制模块1-2-2和续流模块1-2-3，充电电路保护模块1-2-1输入端与充电电源相连，续流模块1-2-3输出端与锂电池组单元4相连。

充电电路保护模块1-2-1包括二极管D1、双向TVS管D2、电阻R9、电阻R10、三极管Q1、继电器KT1、继电器KT2和电容C3；二极管D1的负极与充电电源正极相连，二极管D1的正极通过电阻R9与充电电源负极相连，三极管Q1的基极与二极管D1和电阻R9间节点相连，三极管Q1的发射极与充电电源负极相连，三极管Q1的集电极连接一个继电器KT1，继电器KT1的常闭开关S1的一端与充电电源正极相连，另一端与电阻R10相连，当充电输入电压高于二极管D1的击穿电压时，二极管击穿，有电流流过电阻R9，三极管Q1导通，继电器KT1通电，继电器KT1的常闭开关S1断开，切断输入，在输入电压过大时，起到了对锂电池组的保护作用；继电器KT1的常闭开关S1与电阻R10间的节点通过双向TVS管D2与充电电源负极相连，双向TVS管D2用于抑制因静电放电、雷电等引起的浪涌电流对电路的冲击；继电器KT2的常开开关S2与电阻R2并联，继电器KT2与主控制器1-1相连,电容C3一端与电阻R10相连，另一端与充电电源负极相连，在充电开始时，R10作为限流电阻，对电容C3充电，可以防止充电开始瞬间过电流对锂电池的损害，起到了系统软启动保护的作用，在充电开始暂态过程结束后，通过主控制器1-1给继电器KT2发送通电信号，控制常开开关S2闭合，电阻R10短路，充电电源直接对锂电池组单元4充电。

PWM调制模块1-2-2包括PMW产生模块、驱动模块和MOS开关管M1，主控制器1-1依次通过PMW产生模块、驱动模块与MOS开关管M1相连；主控制器1-1根据主电路电流和电压情况，计算PWM信号，通过PMW产生模块生成PMW信号，利用驱动模块驱动MOS开关管M1工作，实现对充电电压和电流的调节；PMW产生模块由脉宽调制控制芯片TL494及其外围电路构成，驱动模块由MOS管驱动芯片UCC27321及其外围电路构成。

续流模块1-2-3为与锂电池组单元4并联的二极管D3。

供电控制电路1-3如图3所示，包括依次连接的供电电路保护模块1-3-1和供电电路开关模块1-3-2，供电电路保护模块1-3-1输入端与锂电池组单元4相连，供电电路开关模块1-3-2输出端与负载相连。

供电电路保护模块1-3-1包括双向TVS管D4、电阻R11、继电器KT3、电容C4和数字电位器；双向TVS管D4与锂电池组单元4并联，用于抑制因静电放电、雷电等引起的浪涌电流对电路的冲击；数字电位器的一端与锂电池组单元4正极相连，另一端与电阻R11相连，主控器1-1连接数字电位器的控制端；若需要将某锂电池组从电路中进行移除，由于锂电池内阻存在，故障锂电池组移除后，总电流变小，在充电控制电路1-2中，可以通过PWM调制模块1-2-2实现对总电流的调节；但在供电控制电路1-3中，锂电池组单元4供电电压相对稳定，通常情况下不需要利用PWM信号进行电流和电压的调节，因此用数字电位器代替了PWM调制模块1-2-2，成本低，使用方便，通过改变数字电位器电阻值，进行供电总电流调节，以保证负载的充电电压在正常范围内。

供电电路开关模块1-3-2为MOS开关管M2，主控制器1-1与MOS开关管M2相连；当负载供电电压或电流异常或者锂电池组单元4出现过放现象时，主控制器1-1产生断电信号，控制MOS开关管M2切断供电回路。

分控制单元2包括分控制器2-1、光耦隔离模块2-2、单体锂电池数据采集模块2-3和温度调节模块2-4；单体锂电池数据采集模块2-3的输出端通过光耦隔离模块2-2与分控制器2-1的输入端相连；单体锂电池数据采集模块2-3包括设置于锂电池组内部电路中的多个单体电流信号采集单元、单体电压信号采集单元和单体温度信号采集单元，用于采集各单体锂电池的电流、电压和温度信号，并通过光耦隔离模块2-2发送到分控制器2-1中；光耦隔离模块2-2利用光耦合器实现了单体锂电池数据采集模块2-3与分控制器2-1间数据的隔离传输，大大提高了传输的抗干扰性；分控制器2-1选用单片机AT89C51，根据接收到的单体锂电池工作电流、电压和温度信号，判断单体锂电池是否出现漏电、短路、过热、过冷等异常情况；分控制器2-1的输出端通过温度调节模块2-4与锂电池组相连；温度调节模块2-4包括降温单元和升温单元，如果单体锂电池出现过热、过冷等情况，分控制器2-1通过降温单元和升温单元，控制相应的降温装置和升温装置动作，对锂电池进行温度调节。

主控制器1-1和分控制器2-1通过通信隔离单元3进行通信，以提高信号传输质量，防止外界干扰；通信隔离单元3如图4所示，包括连接在主控制器1-1输出端TX1与分控制器2-1输入端RX2之间的第一收发隔离电路3-1，和连接在分控制器2-1输出端TX2与主控制器1-1输入端RX1之间的第二发隔离电路3-2。

第一收发隔离电路3-1中，TX1端通过端口保护电阻R1连接光耦U1的阴极，光耦U1的阳极通过上拉电阻R2连接电源VCC1，光耦U1的发射极接系统地GND1, 光耦U1的集电极通过端口保护电阻R3和自复保险丝F1与RX2端相连，光耦U1的发射极和集电极间设置电容C1,电容C1和电阻R3间的节点通过上拉电阻R4与电源VCC2相连；第二收发隔离电路3-2中，TX2端通过端口保护电阻R5连接光耦U2的阴极，光耦U2的阳极通过上拉电阻R6连接电源VCC2，光耦U2的发射级接系统地GND2, 光耦U2的集电极通过端口保护电阻R7和自复保险丝F2与RX1端相连，光耦U2的发射极和集电极间设置电容C2,电容C2和电阻R7间的节点通过上拉电阻R8与电源VCC1相连。

第一收发隔离电路3-1和第二收发隔离电路3-2分别通过光耦U1和光耦U2实现了主控制器1-1和分控制器2-1间信号传输的电气隔离，电容C1与电阻R3、电容C2与电阻R7分别构成了第一收发隔离电路3-1和第二收发隔离电路3-2的输出端RC滤波电路，用于滤除输出端信号中的毛刺；自复保险丝F1和自复保险丝F2在电路发生短路或过载时，成高阻态以防止外部大电流流入主控制器1-1或分控制器2-1，故障排除后自恢复保险丝恢复低阻状态，保持通路，从而保证信号的传输安全。

实施本实用新型所述智能管理系统时，在锂电池组单元4进行充电或供电时，分控制单元2通过单体锂电池数据采集模块2-3实时监测各单体锂电池工作电流、电压和温度数据，并将电流、电压数据传送到主控制单元1中，分控制单元2中的分控制器2-1根据单体锂电池电流和电压值判断各个单体锂电池是否出现异常情况，若某一单体锂电池出现异常，分控制器2-1向主控制单元1发送故障信号，主控制单元1控制相应常闭控制开关，将该故障单体锂电池所在锂电池组移出电路；分控制器2-1根据各个单体锂电池的温度数据判端单体锂电池是否出现过热或过冷现象，如果出现过热或过冷现象，则通过相应的温度调节模块2-4进行温度调节。

在利用充电电源对锂电池组单元4进行充电时，主控制单元1实时监测总电路电流和电压数据，以判断总电路是否出现过流或过压现象，若判定出现过流或过压，通过PWM调制模块1-2-2调节主电路电流或电压；充电过程中，若主控制单元1将某个锂电池组移出充电回路，同样通过PWM调制模块1-2-2调节主电路电流；主控制器1-1通过监测的总电流和电压数据，结合分控制器2-1发送的单体锂电池工作电流和电压数据，判断是否充电完毕，若充电完毕，主控制器1-1发送断电信号，通过MOS开关管M1切断充电回路。

在利用锂电池组单元4对负载进行供电时，主控制单元1实时监测总电路电流和电压数据，结合分控制器2-1发送的单体锂电池工作电流和电压数据，判断负载供电电压或电流是否正常或者锂电池组单元4是否出现过放现象，若供电电压或电流异常或者锂电池组单元4出现过放现象，主控制器1-1产生断电信号，通过MOS开关管M2切断供电回路；供电过程中，若主控制单元1将某个锂电池组移出供电回路，主控制单元1通过控制数字电位器来调节总电路电流，以保证负载的正常工作。

本实用新型未详述部分为现有技术。

Claims (7)

1.一种应用于并联锂电池组的高可靠性智能管理系统，其特征是：包括主控制单元（1）、分控制单元（2）、通信隔离单元（3）和锂电池组单元（4）；所述锂电池组单元（4）由多个锂电池组并联构成，每个锂电池组由多块单体锂电池串联构成；每个锂电池组与一个分控制单元（2）相连，多个结构相同的分控制单元（2）分别通过通信隔离单元（3）与主控制单元（1）相连；所述主控制单元（1）包括主控制器（1-1）、充电控制电路（1-2）、供电控制电路（1-3）、总电路电流采集模块（1-4）、总电路电压采集模块（1-5）、通信模块（1-6）和报警器（1-7）；总电路电流采集模块（1-4）、总电路电压采集模块（1-5）、通信模块（1-6）和报警器（1-7）分别与主控制器（1-1）相连，主控制器（1-1）的输出端分别通过充电控制电路（1-2）和供电控制电路（1-3）与锂电池组单元（4）相连；所述分控制单元（2）包括分控制器（2-1）、光耦隔离模块（2-2）、单体锂电池数据采集模块（2-3）和温度调节模块（2-4），单体锂电池数据采集模块（2-3）的输出端通过光耦隔离模块（2-2）与分控制器（2-1）的输入端相连，分控制器（2-1）的输出端通过温度调节模块（2-4）与锂电池组相连。

2.如权利要求1所述的一种应用于并联锂电池组的高可靠性智能管理系统，其特征是：所述充电控制电路（1-2）包括依次连接的充电电路保护模块（1-2-1）、PWM调制模块（1-2-2）和续流模块（1-2-3），所述充电电路保护模块（1-2-1）输入端与充电电源相连，续流模块（1-2-3）输出端与锂电池组单元（4）相连。

3.如权利要求1所述的一种应用于并联锂电池组的高可靠性智能管理系统，其特征是：所述供电控制电路（1-3）包括依次连接的供电电路保护模块（1-3-1）和供电电路开关模块（1-3-2），所述供电电路保护模块（1-3-1）输入端与锂电池组单元（4）相连，供电电路开关模块（1-3-2）输出端与负载相连。

4.如权利要求1所述的一种应用于并联锂电池组的高可靠性智能管理系统，其特征是：所述通信隔离单元（3）包括连接在主控制器（1-1）输出端与分控制器（2-1）输入端之间的第一收发隔离电路（3-1），和连接在分控制器（2-1）输出端与主控制器（1-1）输入端之间的第二发隔离电路（3-2）。

5.如权利要求1所述的一种应用于并联锂电池组的高可靠性智能管理系统，其特征是：所述单体锂电池数据采集模块（2-3）包括单体电流信号采集单元、单体电压信号采集单元和单体温度信号采集单元。

6.如权利要求1所述的一种应用于并联锂电池组的高可靠性智能管理系统，其特征是：所述温度调节模块（2-4）包括降温单元和升温单元。

7.如权利要求1所述的一种应用于并联锂电池组的高可靠性智能管理系统，其特征是：所述锂电池组单元（4）中每一个锂电池组都串联一个用于防止电流突变的电感和控制该锂电池组是否接入电路的常闭控制开关。

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