CN214900281U - 一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电池充电技术领域，具体涉及一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统，包括系统总控制器以及分别与其通信连接的充电器模块和若干单模组控制模块，单模组控制模块与各电池模组一一匹配设置，单模组控制模块配置为根据系统总控制器的控制指令执行开通/关闭大电流充电通路或小电流限流充电通路；本实用新型解决了并联式多电池模组在充放电阶段的环流问题，其在充电阶段就已经修复模组间的端电压差异，有效的在电池系统使用安全的前提下确保了电池系统的充放电效率。

Description

一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统

技术领域

本实用新型涉及电池充电技术领域，具体涉及一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统。

背景技术

在通信后备电源、低压储能等工业应用中，经常要使用大容量的低压蓄电池，限于目前锂电池技术及安装维护便捷性等诸多因素，市面上对于此类应用主流解决方案是直接采用多个锂电池模组并联，以获取更大电池容量。但模组间的内阻的离散性，会使各模组的端电压不一致，尤其随着电池的循环使用次数增加，该问题会愈加凸显。其危害如下：

1.模组的端电压差别会触发模组间的环流、偏流问题，不同模组承担不同的充放电电流，甚至会触发模组间充放电工作模式不一致，影响系统的正常使用，用户体验较差；

2.在某种情况下，偏流严重的模组触发过流保护后，电流分配到其它模组上，引发其它模组依次发生过流保护，最终促使系统宕机；

3.在系统的充放电功率较大时，系统中的端电压较低的模组，会分摊较大的电流，加剧大电流条件下单模组关断MOS开关时的MOS管击穿风险。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统，在确保电池系统使用安全前提下，在充电阶段解决了环流现象的产生，并修复了模组间的端电压差异，为放电阶段减少偏流、环流现象做出了重要贡献。

为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统，包括系统总控制器以及分别与其通信连接的充电器模块和若干单模组控制模块，所述单模组控制模块与各电池模组一一匹配设置，其中，

单模组控制模块配置为根据系统总控制器的控制指令执行开通/关闭大电流充电通路或小电流限流充电通路，具体包括：

单模组控制单元、通信接口单元、受控放电开关、受控充电开关和受控限流直流转换单元，所述受控限流直流转换单元两输入端分别接入充电器模块的两输出端，所述受控限流直流转换单元两输出端中的第一端直接接入电池模组的一输出端，第二端通过受控放电开关接入电池模组另一输出端，所述受控充电开关连接在受控限流直流转换单元同极输入端和输出端之间；

所述单模组控制单元配置为通过通信接口单元接收系统总控制器的控制指令并执行开通或关闭受控放电开关、受控充电开关和受控限流直流转换单元。

优选地，所述单模组控制单元包括单模组控制器以及与其电连接的开关驱动电路和限流直流转换单元驱动电路，所述开关驱动电路用于控制受控放电开关、受控充电开关的开通或关闭，所述限流直流转换单元驱动电路用于控制受控限流直流转换单元的开通或关闭。

优选地，所述单模组控制器为MCU。

优选地，所述受控放电开关、受控充电开关均为MOS管开关电路，所述开关驱动电路为MOS管驱动电路。

优选地，所述受控限流直流转换单元为限流DC/DC转换器电路，所述限流直流转换单元驱动电路为DC/DC驱动电路。

优选地，所述系统总控制器为PCU.

优选地，所述系统总控制器通过CAN总线与充电器模块和单模组控制模块进行通信连接，所述通信接口单元为CAN通信接口单元。

优选地，所述受控放电开关与电池模组输出端间还设置有电流采样电阻。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型在每个电池模组中加入用于充电限流的DC/DC电路以及MOS管开关电路，配置成一路大电流充电通路和一路小电流限流充电通路，并在系统层面和单模组层面加入主控单元PCU和微控单元MCU，PCU依据系统的总体充电策略遥控MCU以实现控制设置在电池模组的DC/DC单元及充放电MOS单元，使充电系统在充电阶段能够修复各电池模组间的端电压差异，从而可以抑制电池系统在充放电过程中的偏流、环流现象，不仅解决了系统充电阶段的环流问题，而且通过对各电池模组的充电限流DC/DC、充放电MOS开关统一控制，减少了单个电池模组关断大电流的概率，近而减少充电MOS击穿的概率，在保证电池系统使用安全的前提下，确保了充电系统的充电效率。

本实用新型的其他突出的有益效果在后续实施例部分会进一步的说明并体现。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型中单模组控制模块电气原理框图结构示意图；

图2为本实用新型充电系统系统电气原理框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设置”应做广义理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

进一步的，在说明书及权利要求书当中使用了某些名称来指称特定组件。应当理解，本领域普通技术人员可能会用不同名称来指称同一个组件。本申请说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的实质性差异作为区分组件的准则。如在本申请说明书和权利要求书中所使用的“包含”或“包括”为一开放式用语，其应解释为“包含但不限定于”或“包括但不限定于”。具体实施方式部分所描述的实施例为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围。

实施例1

参照图1-2，本实施例提供的一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统，包括系统总控制器以及分别与其通信连接的充电器模块和若干单模组控制模块，这里的单模组控制模块与各电池模组一一匹配设置，其中，单模组控制模块配置为根据系统总控制器的控制指令执行开通/关闭大电流充电通路或小电流限流充电通路，具体包括：单模组控制单元、通信接口单元、受控放电开关、受控充电开关和受控限流直流转换单元，所述受控限流直流转换单元两输入端分别接入充电器模块的两输出端，受控限流直流转换单元两输出端中的第一端直接接入电池模组的一输出端，第二端通过受控放电开关接入电池模组另一输出端，所述受控充电开关连接在受控限流直流转换单元同极输入端和输出端之间；

单模组控制单元配置为通过通信接口单元接收系统总控制器的控制指令并执行开通或关闭受控放电开关、受控充电开关和受控限流直流转换单元；

在本实施例中单模组控制单元包括单模组控制器以及与其电连接的开关驱动电路和限流直流转换单元驱动电路，开关驱动电路用于控制受控放电开关、受控充电开关的开通或关闭，所述限流直流转换单元驱动电路用于控制受控限流直流转换单元的开通或关闭。

请参照图1和图2，为了详细说明本实施例的具体结构和工作原理以及参数配置，我们以48V低压蓄电池电池模组为例进行进一步介绍：

预先说明的是在这里单模组控制器采用MCU(Moudle Controller Unit) ，系统总控制器采用PCU （Package Control Unit）分组控制芯片，受控放电开关、受控充电开关均为MOS管开关电路，所述开关驱动电路为MOS管驱动电路；受控限流直流转换单元为限流DC/DC(Direct Current，高压(低压)直流电源变换为低压(高压)直流电源)转换器电路，所述限流直流转换单元驱动电路为DC/DC驱动电路，以上这些控制器和电路均可以采用现有的成熟芯片和电路结构，在这里不做赘述。

在这里系统总控制器通过CAN(Controller Area Network),即控制器局域网络总线与充电器模块和单模组控制模块进行通信连接，包括通过总线CAN1与各电池模组进行通信，通过CAN2与充电器模块通信。

在这里的充电器模块主要是将外部电源转换成电池模组充电时额定电压大小的电源进行输入，可以采用现有市面上通用的充电器电路即可，不做过多赘述；

为方便描述，将电池模组的正极B+和负极B-间的电压称之为总电压Vb，电池模组输出端正极P+和负极P-间的电压称之为端电压Vt，限流DC/DC转换器电路称之为DC/DC，在这里为了匹配48V低压蓄电池，限于尺寸及温升，DC/DC的功率较小，一般充电电流可做到10A；

如图1所示， Qd为放电MOS开关，Qc为充电MOS开关，Ud为DC/DC，Qd 与Qc串联后，再通过电流采样电路Rs接入电池模组负极， Ud则与Qc并联即Qc两端分别接Ud的负极输入端和负极输出端，Ud两输出端分别与电池模组正极B+和负极B-连接，Ud两输入端分别与正极P+和负极P-连接并接入充电器的输出端；在电池系统放电异常时，Qd可以用于切断放电电流，对电池进行放电保护；电池充电异常时，Qc和DC/DC Ud用于切断充电电流，对电池进行充电保护；

如图2所示，单电池模组M1至Mn、PCU通过CAN 总线互联，用于PCU与电池模组间信息交换，PCU可以控制所有模组的充放电MOS 管通断与DC/DC Ud的开关。

充电系统的具体工作流程如下：

在充电启动阶段，如果PCU检测到模组间总电压Vb压差大于1V或模组容量较低时，PCU将控制所有电池模组关断充电MOS Qc并开启DC/DC Ud，使用DC/DC Ud进行充电，所有电池模组P+P-端电压Vt也都将跟随充电器的输出电压，电池模组间不存在环流、偏流现象；

随着充电系统持续充电，电池模组总电压Vb和Vt会缓慢抬升，由于锂电池的平台特性，当模组SOC(state of charge，荷电状态)∈[10, 95]时，电池的电压位于平台区，并联电池模组间的端电压Vt差异较小，因此在检测到所有模组SOC大于10%且Vb的差值在1V以内时，PCU将控制DC/DC Ud关闭，同时开启充电MOS Qc，由于此时电池模组均处于平台区，电池模组间的偏流可控，系统进入大电流充容量阶段；

当电池模组SOC充电至95%以上或电池模组总电压Vb大于52.5V时，电池模组进入充电末端阶段，PCU将控制所有电池模组的充电MOS Qc断开，同时开启DC/DC Ud，电池模组再次进入小电流充电限流模式，所有电池模组的端电压Vt也将跟随充电器输出电压，因此，该阶段单个电池模组的随机充电保护将不会产生偏流问题，因偏流而触发的系统充电进程提前终止的问题也不会发生，系统充电末端单个电池模组在大电流条件下关断充电MOS的潜在风险亦得到控制；

系统满充后，在单个模组的过充保护随机解除并恢复充电时，PCU将提前控制该电池模组关断充电MOS Qc，并开启DC/DC Ud, 此时，该电池模组的端电压Vt将跟随充电器输出电压，系统对个单个模组大电流进行充电的风险也就得到控制；

在系统进入放电阶段后，如果有电压高的模组对电压低的模组进行充电时，PCU将控制关断低压模组的充电MOS Qc以及DC/DC Ud， 也就抑制了环流的产生。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统，其特征在于：包括系统总控制器以及分别与其通信连接的充电器模块和若干单模组控制模块，所述单模组控制模块与各电池模组一一匹配设置，其中，

单模组控制模块配置为根据系统总控制器的控制指令执行开通/关闭大电流充电通路或小电流限流充电通路，具体包括：

单模组控制单元、通信接口单元、受控放电开关、受控充电开关和受控限流直流转换单元，所述受控限流直流转换单元两输入端分别接入充电器模块的两输出端，所述受控限流直流转换单元两输出端中的第一端直接接入电池模组的一输出端，第二端通过受控放电开关接入电池模组另一输出端，所述受控充电开关连接在受控限流直流转换单元同极输入端和输出端之间；

所述单模组控制单元配置为通过通信接口单元接收系统总控制器的控制指令并执行开通或关闭受控放电开关、受控充电开关和受控限流直流转换单元。

2.根据权利要求1 所述的一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统，其特征在于，所述单模组控制单元包括单模组控制器以及与其电连接的开关驱动电路和限流直流转换单元驱动电路，所述开关驱动电路用于控制受控放电开关、受控充电开关的开通或关闭，所述限流直流转换单元驱动电路用于控制受控限流直流转换单元的开通或关闭。

3.根据权利要求2所述的一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统，其特征在于，所述单模组控制器为MCU。

4.根据权利要求2所述的一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统，其特征在于，所述受控放电开关、受控充电开关均为MOS管开关电路，所述开关驱动电路为MOS管驱动电路。

5.根据权利要求2所述的一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统，其特征在于，所述受控限流直流转换单元为限流DC/DC转换器电路，所述限流直流转换单元驱动电路为DC/DC驱动电路。

6.根据权利要求1所述的一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统，其特征在于，所述系统总控制器为PCU。

7.根据权利要求1所述的一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统，其特征在于，所述系统总控制器通过CAN总线与充电器模块和单模组控制模块进行通信连接，所述通信接口单元为CAN通信接口单元。

8.根据权利要求1所述的一种应用于并联式多电池模组的高效充放电系统，其特征在于，所述受控放电开关与电池模组输出端间还设置有电流采样电阻。

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