CN216290226U - 一种可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及锂电池技术领域，公开了一种可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置，通过采用直流接触器加电力二极管的控制方案替换掉现有电池保护板中普遍使用MOS管阵列作为充放电保护开关的控制方案，利用直流接触器和电力二极管能够长时间持续承受高电压和大电流冲击的突出优点有效解决了锂电池组在串并联操作过程中可能出现的击穿损坏问题。同时，本实用新型提出的可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置在放电主回路保护断开时能够实现充电激活，在充电主回路保护断开时能够实现放电激活，实现在放电和充电之间纯在线式切换的无缝过渡，具有较高的推广应用价值。

Description

一种可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置

技术领域

本实用新型涉及锂电池技术领域，特别涉及一种可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置。

背景技术

铅酸蓄电池自1859年实用新型至今，已经历了近160多年的发展历程，因为其价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分的可靠性等诸多优势使其广泛应用于交通、电力、通信、军事、航海、航空等各个领域。然而，铅酸蓄电池在使用过程中所暴露出来的缺点也是显而易见的，比如能量密度低、使用寿命短、日常维护频繁等。近年来，随着锂电池技术的日趋成熟，相比于铅酸蓄电池，锂电池所具备的能量密度高、寿命长、体积小、重量轻、无污染等优点，开始逐步受到市场的青睐和使用者的好评，并在各个细分领域大有替换铅酸蓄电池的势头。

一般来说，铅酸蓄电池单格标称电压为2Vdc，由6个单格串联起来的蓄电池标称电压就是12Vdc，实际使用中以标称电压为12Vdc的蓄电池模组最为普遍，根据现场应用需求由2～6个12Vdc的蓄电池模组进行串联构成24Vdc、 36Vdc、48Vdc、60Vdc、72Vdc电压平台的电池组以满足不同使用条件也很常见。蓄电池的容量常以“Ah”(安时)来衡量，“Ah”的含义代表该蓄电池可以在1安(A)的放电电流条件下持续放电1小时(h)，实际使用中为了提高蓄电池的放电能力和储备电量，通常采用将多个蓄电池模组进行并联的方式以增加“Ah”数值。

铅酸蓄电池之所以能够在各个领域广泛使用，其中一个重要原因是在同等规格的条件下它可以随意串、并联以满足不同的应用场合，并且可以长期处于浮充状态，不需要专门的电子电路管理单元进行充放电保护，使用起来非常灵活、便捷。

目前，正在蓬勃开展锂电池替换铅酸蓄电池的应用领域有：通信基站 48Vdc备用电源、低速三四轮场地用车、生活备用电源、UPS备用电源、机车启动电源等，而锂电池不同于铅酸蓄电池，锂电池需要搭配电池管理系统 (BMS)或者电池保护板来对其工作过程进行实时监控，防止锂电池发生过充电、过放电、过温、过流或短路等故障现象，另外，铅酸蓄电池的容量是通过正负极柱两端电压来衡量的，不同的电压值对应不同的容量值，但是锂电池的电压—容量曲线对应关系不是很明显，需要采用特定的算法来计算其剩余电量(SOC)，比如常用的有安时积分法、扩展卡尔曼滤波算法、神经网络算法等。

以标称电压为12Vdc的铅酸蓄电池为例，如果用锂电池进行替换，具体采用磷酸铁锂电池PACK成组，按照单节磷酸铁锂电池3.2Vdc的额定电压，就需要4节锂电池串联组成12.8Vdc的额定电压。对于额定电压为12.8Vdc的磷酸铁锂电池组，业内普遍采用MOS管控制方案的电池保护板来对其进行电压、温度采样和逻辑保护判断，具体电气原理如图1所示，采用这种控制原理的电池保护板既可以使用分立器件来实现，也可以使用模拟前端(AFE)和专用保护 IC来实现，例如日本精工(SEIKO)，日本理光(RICOH)，北京中星微(VIMICRO)，杭州士兰 (SILAN)等品牌企业都有单串和多串锂电池保护IC推向市场。

图1所示的电池保护板的电气原理图属于充放电同口方案，VC1～VC4分别为4节电池VBAT1～VBAT4的电压采样端；R8为电池主回路上的电流采样电阻，用来检测回路充放电电流；R1/C1、R2/C2、R3/C3、R4/C4、R5/C5、R6/C6、 R7/C7均为RC低通滤波器，用来滤除线路上的高频噪声和尖峰干扰；Q1为放电控制MOS管，Q2为充电控制MOS管，D1、D2分别为Q1、Q2内部寄生二极管。正常使用时，电池保护控制内核会驱动充放电MOS管处于导通状态，电池正常充放电；在充电过程中当检测到电池电压高于过充电压阈值时，电池保护控制内核会驱动充电MOS管截止，充电回路断开，停止充电；在放电过程中当检测到电池电压低于过放电压阈值时，电池保护控制内核会驱动放电 MOS管截止，放电回路断开，停止放电。在实际应用过程中，电池保护板的过流能力需要匹配电池的容量和放电倍率，如果需要提高电池保护板的过流能力，一般通过MOS管的并联来实现，组成MOS管并联阵列，从理论上讲， N个MOS管的堆叠并联是单个MOS管过流能力的N倍。

然而，采用MOS管控制方案的电池保护板在配套锂电池组使用时却存在一个致命的缺陷：不能像铅酸蓄电池那样随意的串并联。锂电池组在串联操作时，充放电MOS管漏源两端承受的直流耐压会显著提高，具体承受的直流耐压值等于所有串联电池组的直流总压，这个直流总压如果超过了MOS管的极限漏源耐压(VDS(max))，MOS管就会被击穿损坏；锂电池组在并联操作时，如果并联锂电池组之间存在压差，就会导致并联锂电池组之间产生较大环流，即高压锂电池组对低压锂电池组进行充电，两者压差越大，对充电流就会越大，因为电池保护板内各并联MOS管之间由于工艺差异而存在个体离散型，导致各并联MOS管的漏源导通电阻(RDS(on))不尽相同，也就不能够平均分摊这么大的对充环流，RDS(on)最小的MOS管通过的电流最大，产生的热量最多，也就最容易被热击穿损坏。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置，旨在解决锂电池组在串并联操作过程中可能出现的击穿损坏问题，能够无缝替换铅酸蓄电池使用。

为实现上述目的，本实用新型提出的可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置，包括锂电池组、电池管理系统(BMS)、分流器、放电直流接触器、充电直流接触器、放电过渡二极管、充电过渡二极管、充放电接口P+以及充放电接口P-，所述锂电池组具有正极端子B+和负极端子B-，所述充放电接口P+ 与所述正极端子B+电连接，所述充放电接口P-与所述充电直流接触器、放电直流接触器、分流器以及负极端子B-依次串联电连接，所述放电过渡二极管和充电过渡二极管的两端分别与所述充电直流接触器和放电直流接触器的两端并联电连接，所述电池管理系统(BMS)分别与所述锂电池组、分流器、放电直流接触器以及充电直流接触器电连接。

进一步地，所述锂电池组包括4节磷酸铁锂电池组，且所述4节磷酸铁锂电池组依次串联电连接。

进一步地，所述锂电池组的额定工作电压平台为12.8Vdc。

进一步地，所述充电直流接触器和放电直流接触器均为高压大电流保护开关，且所述充电直流接触器和放电直流接触器均分别包括线圈控制端和负载端，所述线圈控制端分别与所述锂电池组电连接，所述负载端分别与高压大电流负载电连接，所述充电直流接触器和放电直流接触器分别用于断开充电主回路和放电主回路。

进一步地，所述充电过渡二极管和放电过渡二极管均为电力二极管。

采用本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：

1、本实用新型提出的一种可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置属于充放电同口方案，由锂电池组、电池管理系统(BMS)、分流器、放电直流接触器、充电直流接触器、放电过渡二极管和充电过渡二极管等部分组成；

2、本实用新型提出的一种可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置采用直流接触器加电力二极管的控制方案替换现有电池保护板中使用MOS管作为充放电保护开关的控制方案，利用直流接触器和电力二极管能够长时间持续承受高电压和大电流冲击的突出优点来解决锂电池组在串并联操作过程中可能出现的击穿损坏问题；

3、本实用新型提出的一种可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置中所采用的充电直流接触器和放电直流接触器属于高压大电流保护开关，可以分别断开充电主回路和放电主回路，它包含线圈控制端和负载端，线圈控制端直接由锂电池组提供操作电源，负载端用来切断高压大电流负荷；

4、本实用新型提出的一种可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置中所采用的充电过渡二极管和放电过渡二极管属于电力二极管，能够承受高电压和大电流冲击，在放电主回路保护断开时可以实现充电激活，在充电主回路保护断开时可以实现放电激活，实现在放电和充电之间纯在线式切换的无缝过渡。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为采用MOS管控制方案的电池保护板电气原理图；

图2为本实用新型提出的一种可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置的原理图；

图3为本实用新型提出的BMS控制电路软件操作流程图。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例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的一部分实施例，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作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，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置。

如图2和图3所示，在本实用新型一实施例中，该可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置，包括锂电池组、电池管理系统(BMS)、分流器、放电直流接触器、充电直流接触器、放电过渡二极管、充电过渡二极管、充放电接口 P+以及充放电接口P-，所述锂电池组具有正极端子B+和负极端子B-，所述充放电接口P+与所述正极端子B+电连接，所述充放电接口P-与所述充电直流接触器、放电直流接触器、分流器以及负极端子B-依次串联电连接，所述放电过渡二极管和充电过渡二极管的两端分别与所述充电直流接触器和放电直流接触器的两端并联电连接，所述电池管理系统(BMS)分别与所述锂电池组、分流器、放电直流接触器以及充电直流接触器电连接。

具体地，所述锂电池组包括4节磷酸铁锂电池组，且所述4节磷酸铁锂电池组依次串联电连接。

具体地，所述锂电池组的额定工作电压平台为12.8Vdc。

具体地，所述充电直流接触器和放电直流接触器均为高压大电流保护开关，且所述充电直流接触器和放电直流接触器均分别包括线圈控制端和负载端，所述线圈控制端分别与所述锂电池组电连接，所述线圈控制端直接由锂电池组提供操作电源，所述负载端分别与高压大电流负载电连接，所述负载端用来切断高压大电流负载，所述充电直流接触器和放电直流接触器分别用于断开充电主回路和放电主回路。

具体地，所述充电过渡二极管和放电过渡二极管均为电力二极管，能够承受高电压和大电流冲击，在放电主回路保护断开时可以实现充电激活，在充电主回路保护断开时可以实现放电激活，实现在放电和充电之间纯在线式切换的无缝过渡。

具体地，所述电池管理系统(BMS)由所述锂电池组供电，所述电池管理系统(BMS)的主要作用有三点：其一是实时采样各单体电池电压及温度信息，其二是数据运算处理，进行电池剩余电量(SOC)、健康状况(SOH)、功率承受能力(SOP)等核心算法估算，其三是逻辑保护判断，根据电池状态信息控制充放电保护开关，防止电池发生过充电、过放电、过温、过流或短路等故障现象；所述分流器用来检测电池主回路中的充放电电流，将电流信号转换为电压信号供BMS采样；所述充电直流接触器和放电直流接触器属于高压大电流保护开关，可以分别断开充电主回路和放电主回路，它包含线圈控制端和负载端，线圈控制端直接由所述锂电池组提供操作电源，负载端用来切断高压大电流负荷；所述充电过渡二极管和放电过渡二极管属于电力二极管，能够承受高电压和大电流冲击，在放电主回路保护断开时可以实现充电激活，在充电主回路保护断开时可以实现放电激活，实现在放电和充电之间纯在线式切换的无缝过渡。

具体地，采用MOS管控制方案的电池保护板之所以不能像铅酸蓄电池那样随意的串并联，主要症结还是在于充放电MOS管的直流耐压和过流能力太小，不能够承受高电压和大电流冲击。因此，与现有技术相比，本实用新型在控制电路部分彻底舍弃了MOS管的控制方案，而是采用直流接触器加电力二极管的控制方案进行替换，利用直流接触器和电力二极管能够长时间持续承受高电压和大电流冲击的突出优点来解决锂电池组在串并联操作过程中可能出现的击穿损坏问题。

本实用新型提出的可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置既可以单独使用，也可以串联和并联使用，以达到提高其工作电压平台和放电倍率的目的。结合图2所示的电气拓扑结构图和图3所示的BMS软件控制流程图，其工作原理和过程描述如下：

(1)电池管理系统(BMS)上电自检，实时采集电池电压、电流及温度信息，如果电池状态正常，则控制充电直流接触器和放电直流接触器吸合，电池主回路畅通；

(2)锂电池组在放电过程中，如果触发电池过放电、过温、过流或短路等保护阈值，BMS则控制放电直流接触器断开，切断电池放电主回路；

(3)在锂电池组处于放电保护动作的情况下，如果外部接入充电装置，充电电流将经由“充电装置输出正极→P+→锂电池组→分流器→充电过渡二极管→充电直流接触器→P-→充电装置输出负极”，此时BMS会检测到充电电流，再结合其放电保护状态，BMS将立即控制放电直流接触器吸合，充电过渡二极管被屏蔽，充电电流将经由“充电装置输出正极→P+→锂电池组→分流器→放电直流接触器→充电直流接触器→P-→充电装置输出负极”，充电主回路恢复正常，避免了充电过渡二极管因长时间通过大电流而产生发热损耗；

(4)锂电池组在充电过程中，如果触发电池过充电、过温、过流等保护阈值，BMS则控制充电直流接触器断开，切断电池充电主回路；

(5)在锂电池组处于充电保护动作的情况下，如果外部接入负载装置，放电电流将经由“锂电池组正极→P+→负载装置正极→负载装置负极→P-→放电过渡二极管→放电直流接触器→分流器→锂电池组负极”，此时BMS会检测到放电电流，再结合其充电保护状态，BMS将立即控制充电直流接触器吸合，放电过渡二极管被屏蔽，放电电流将经由“锂电池组正极→P+→负载装置正极→负载装置负极→P-→充电直流接触器→放电直流接触器→分流器→锂电池组负极”，放电主回路恢复正常，避免了放电过渡二极管因长时间通过大电流而产生发热损耗；

(6)如果多个锂电池组串联使用，充放电直流接触器和电力二极管所承受的直流耐压会增加，BMS各自保护配套的电池组，独立工作，互不影响；如果多个锂电池组并联使用，高压锂电池组将对低压锂电池组进行充电，两者压差越大，对充电流就会越大，充放电直流接触器短时间内将承受较大的对充环流，BMS各自保护配套的电池组，独立工作，互不影响。

具体地，本实用新型针对目前锂电池组替换铅酸蓄电池后不能做到像铅酸蓄电池那样随意串并联的问题，提出了一种可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置，通过采用直流接触器加电力二极管的控制方案替换掉现有电池保护板中普遍使用MOS管阵列作为充放电保护开关的控制方案，利用直流接触器和电力二极管能够长时间持续承受高电压和大电流冲击的突出优点有效解决了锂电池组在串并联操作过程中可能出现的击穿损坏问题。同时，本实用新型提出的可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置在放电主回路保护断开时能够实现充电激活，在充电主回路保护断开时能够实现放电激活，实现在放电和充电之间纯在线式切换的无缝过渡，具有较高的推广应用价值。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置，其特征在于，包括锂电池组、电池管理系统(BMS)、分流器、放电直流接触器、充电直流接触器、放电过渡二极管、充电过渡二极管、充放电接口P+以及充放电接口P-，所述锂电池组具有正极端子B+和负极端子B-，所述充放电接口P+与所述正极端子B+电连接，所述充放电接口P-与所述充电直流接触器、放电直流接触器、分流器以及负极端子B-依次串联电连接，所述放电过渡二极管和充电过渡二极管的两端分别与所述充电直流接触器和放电直流接触器的两端并联电连接，所述电池管理系统(BMS)分别与所述锂电池组、分流器、放电直流接触器以及充电直流接触器电连接，所述锂电池组包括4节磷酸铁锂电池组，且所述4节磷酸铁锂电池组依次串联电连接，所述充电直流接触器和放电直流接触器均为高压大电流保护开关，且所述充电直流接触器和放电直流接触器均分别包括线圈控制端和负载端，所述线圈控制端分别与所述锂电池组电连接，所述负载端分别与高压大电流负载电连接，所述充电直流接触器和放电直流接触器分别用于断开充电主回路和放电主回路。

2.根据权利要求1所述的可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置，其特征在于，所述锂电池组的额定工作电压平台为12.8Vdc。

3.根据权利要求1所述的可替换铅酸蓄电池使用的锂电池装置，其特征在于，所述充电过渡二极管和放电过渡二极管均为电力二极管。

Images