CN216672645U

CN216672645U - 一种锂离子电池管理系统

Info

Publication number: CN216672645U
Application number: CN202123392714.6U
Authority: CN
Inventors: 王楠; 周喜超; 李振; 李艳; 张卫卫; 赵锦; 田政; 魏明; 徐书安
Original assignee: State Grid Comprehensive Energy Service Group Co ltd
Current assignee: State Grid Comprehensive Energy Service Group Co ltd
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2031-12-30

Abstract

为解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种锂离子电池管理系统，包括：MCU、采集模块、均衡模块、数据存储模块、显示控制模块、通信模块、电源模块、控制端口、功率电路控制模块。所述采集模块与目标电池组连接，输出端与MCU信号连接。所述均衡模块与目标电池组连接，为每节目标电池并联了一路均衡通道，所述均衡模块控制端与MCU信号连接。所述数据存储模块与MCU信号连接，用于储存数据。所述显示控制模块与MCU信号连接，用于展示分析结果。所述通信模块与MCU信号连接，用于与外部系统传递信息。所述功率电路控制模块通过控制端口与MCU信号连接。本实用新型能够满足较先进的处理方案的电池PACK管理需要。

Description

一种锂离子电池管理系统

技术领域

本实用新型属于储能管理技术领域，具体涉及一种锂离子电池管理系统。

背景技术

随着电池技术的不断进步，锂离子电池在储能系统中的应用规模越来越大。储能电站用的锂离子电池组构成方式是先将数十节电池串并联组成PACK，然后将PACK串联达到高电压，再接入储能变流器的来应用。这种方式因电池组中单体电池差异，限制了整组电池能量的高效利用，因此配备了形如专利CN103227494B公开的分布式电池管理系统技术方案，分多层级结构实现电池PACK和整个电池组的分级管理，并且引入PACK内均衡和PACK间均衡技术来提高电池能量利用率。应用现有均衡技术，虽然能实现PACK内及PACK间的电池能量均衡，受均衡功率限制，并不能有效提高电池组能量利用率，而且这种分布式电池管理系统结构复杂、成本高、可靠性不易保证。

为了改善这一状况，较先进的处理方案被提出，是将电池PACK串联大功率DC/DC模块升压后，并联接入储能变流器直流侧。或将PACK直接接入小型变流器后在储能系统交流侧并网，降低了电池一致性差和均衡能力不足对电池组能量利用率的负面影响。该方案需要配备集成式电池PACK管理系统，不仅需要实现电池PACK的参数采集、状态估算、故障诊断、热管理、通讯等多类功能，还要求电池管理模块体积小，并且对系统自身稳定性、功耗、电磁兼容性能等要求苛刻。目前分布式电池管理系统不适用这类方案，因此急需一种能够满足较先进的处理方案的电池PACK管理系统。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的问题，提供了一种锂离子电池管理系统，包括：MCU、采集模块、均衡模块、数据存储模块、显示控制模块、通信模块、电源模块、控制端口、功率电路控制模块。所述采集模块与目标电池组连接，输出端与MCU信号连接。所述均衡模块与目标电池组连接，为每节目标电池并联了一路均衡通道，所述均衡模块控制端与MCU信号连接。所述数据存储模块与MCU信号连接，用于储存数据。所述显示控制模块与MCU信号连接，用于展示分析结果。所述通信模块与MCU信号连接，用于与外部系统传递信息。所述功率电路控制模块通过控制端口与MCU信号连接。

进一步的，所述采集模块包括：AD转换芯片、电压采集模块、温度采集模块和电流采集模块。所述电流采集模块为霍尔电流传感器，用于采集目标电池组充电或者放电过程中的回路电流，并将采集的电流信息通过AD转换芯片发送至MCU。所述温度采集模块用于采集目标电池组中每节电池的温度，并将采集的温度信息通过AD转换芯片发送至MCU。所述电压采集模块为I2C线路集，目标电池组中每一个单体电池均通过电压采集模块中的一条I2C线路与MCU电连接。

进一步的，所述功率电路控制模块由直流接触器K1、熔断器F、断路器K3和限电流回路组成。所述直流接触器K1与熔断器F串联，再与断路器K3串联。所述限电流回路与直流接触器K1并联，由预充电阻R和继电器K2串联组成。所述断路器K3的正极回路部分，一端与直流接触器K1连接，另一端与目标电池组的正极连接、所述断路器K3的负极回路部分，一端与目标电池组负极连接，另一端与电流传感器串联后，再与功率输出负极接口连接。

进一步的，所述显示控制模块包括：LED指示灯、继电器、硬件开关。所述LED指示灯与MCU信号连接，根据MCU的控制信号进行影像展示。所述继电器的控制端与MCU电连通，用于控制其他外接系统的启闭。所述硬件开关为按键开关，其电流输入端与电池组输出端电连通，电流输出端与电源模块输入端电连通。

进一步的，所述锂离子电池管理系统还包括：热管理风扇，所述热管理风扇用于对目标电池组进行降温。

进一步的，所述控制端口包括两路反馈信号端口和三路控制信号端口。所述两路反馈信号端口为干接点，用于将直流接触器K1和继电器的状态分别传回MCU。所述控制信号端口为湿接点，用于将MCU的控制指令信号分别发送至直流接触器K1、继电器和热管理风扇的控制端。

进一步的，所述均衡通道为DC/DC均衡电路。每条DC/DC均衡电路的控制电路均与MCU信号连接。

进一步的，所述电源模块为DC/DC型功率变换电路。其输入端与电池组电连通，其输出端分别为12V、5V和3.3V输出端，并与对应电压需求的其他模块电连通。

进一步的，所述通信模块包括CAN和RS485两种通信线路。所述CAN通信线路用于与外部系统信号连接。所述RS485通信线路用于功率电路控制模块与MCU之间的信号连接。

本实用新型的优点在于：本实用新型提供的锂离子电池管理系统，集成了电池参数采集、电池状态计算、报警和保护、电池均衡、通信和显示控制功能，功能全面，结构简单，成本低，能够满足新型锂离子电池储能系统对安全性、可靠性、成本等方面的要求。同时，系统本实用新型提供的锂离子电池管理系统自身稳定性、电磁兼容性能好且功耗低，满足较先进的处理方案的电池PACK管理需要。

附图说明

图1所示为本实用新型锂离子电池管理系统的结构示意图。

图2所示为本实用新型电源模块的结构示意图。

图3所示为本实用新型功率电路控制模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

一种锂离子电池管理系统，如图1所示，包括：MCU、采集模块、均衡模块、数据存储模块、显示控制模块、通信模块、电源模块、控制端口、功率电路控制模块和热管理风扇。所述采集模块与目标电池组连接，输出端与MCU信号连接。所述均衡模块与目标电池组连接，为每节目标电池并联了一路均衡通道，所述均衡模块控制端与MCU信号连接。所述数据存储模块与MCU信号连接，用于储存数据。所述显示控制模块与MCU信号连接，用于展示分析结果。所述通信模块与MCU信号连接，用于与外部系统传递信息。所述功率电路控制模块通过控制端口与MCU信号连接。所述热管理风扇用于对目标电池组进行降温。

所述采集模块包括：AD转换芯片、电压采集模块、温度采集模块和电流采集模块。所述电流采集模块为霍尔电流传感器，用于采集目标电池组充电或者放电过程中的回路电流，并将采集的电流信息通过AD转换芯片发送至MCU。所述温度采集模块用于采集目标电池组中每节电池的温度，并将采集的温度信息通过AD转换芯片发送至MCU。所述电压采集模块为I2C线路集，目标电池组中每一个单体电池均通过电压采集模块中的一条I2C线路与MCU电连接。

所述AD转换芯片根据需要可以为德州仪器的十六位ADS1110芯片。所述温度传感采用负温度系数的热敏电阻。所述MCU根据需要可以为飞思卡尔的MC9S12XET256芯片，输入电源为5V。

本实用新型的MCU通过电压采集模块与目标电池组的每一个单体电池电连接，用于选择读取任意单体电池电压，并且获取电流采集模块输出的电流信号与温度采集模块输出的温度信号。MCU根据采集到的电压、电流、温度数据，基于MCU内安装的现有程序实时计算电池的SOC、SOH、充放电电量，用于评估电池组能量状态。在电池组一致性超出阈值时MCU控制均衡模块启动，及时改善电池组性能。同时MCU模块还控制显示控制模块实时向用户展示分析结果，例如：以数值的形式表示当前电池的SOC值，SOH值等。并且MCU模块与通信模块连接，实现与外部管理系统进行数据交换。最后MCU模块与数据存储模块连接，存储电池电压、电流、温度、SOC、SOH等历史数据和报警事件记录。

所述功率电路控制模块由直流接触器K1、熔断器F、断路器K3和限电流回路组成。所述直流接触器K1与熔断器F串联，再与断路器K3串联。所述直流接触器K1采用24V直流接触器，通过通断实现电池过充、过放、过温和过放保护。所述熔断器F选用50A-100A范围内某个规格，根据电池额定工作电流确定，实现电池过载保护。所述限电流回路与直流接触器K1并联，由预充电阻R和继电器K2串联组成，用于保护开关器件免于过流失效，预充电阻R阻值大小通常取为十几欧姆，根据电池PACK总电压等级确定。所述断路器K3的正极回路部分，一端与直流接触器K1连接，另一端与目标电池组的正极连接、所述断路器K3的负极回路部分，一端与目标电池组负极连接，另一端与电流传感器串联后，再与功率输出负极接口连接。断路器K3的作用为提供功率回路的手动控制用于安全冗余和系统维护。

所述显示控制模块包括：LED指示灯、继电器、硬件开关。所述LED指示灯与MCU信号连接，根据MCU的控制信号进行影像展示。根据需要，影像展示可以是：LED指示灯矩阵组，根据指令以数值的形式表示当前电池的SOC值，SOH值等，还可以是每节目标电池的均衡通道启闭状态展示，如编号：XXXX号电池对应的均衡通道LED指示灯绿色，表示该节电池均衡通道开启。所述继电器的控制端与MCU电连通，用于控制其他外接系统的启闭。所述硬件开关为按键开关，其电流输入端与电池组输出端电连通，电流输出端与电源模块输入端电连通，是整个系统供电的手工控制开关。

所述控制端口包括两路反馈信号端口和三路控制信号端口。所述两路反馈信号端口为干接点，用于将直流接触器K1和继电器的状态分别传回MCU。所述控制信号端口为湿接点，用于将MCU的控制指令信号分别发送至直流接触器K1、继电器和热管理风扇的控制端。

所述均衡通道为DC/DC均衡电路。每条DC/DC均衡电路的控制电路均与MCU信号连接。所述DC/DC均衡电路可采用专利CN201922265638.9的一种基于DC-DC变换器的复合型均衡电路。当电池组电池一致性超出阈值时，MCU启动均衡模块对SOC偏低的电池进行充电，对SOC偏高的电池进行放电。

所述电源模块为DC/DC型功率变换电路。其输入端与电池组电连通，其输出端分别为12V、5V和3.3V输出端，并与对应电压需求的其他模块电连通。系统的电源由整组电池提供，根据需要可以24串的磷酸铁锂电池作为电源的电池组，该电池组总电压最高可以达到80V左右。电源模块将80V电压变换为低压直流输出多路的12V、5V和3.3V后，分别给系统给的其他模块供电。

所述通信模块包括CAN和RS485两种通信线路。所述CAN通信线路用于与外部系统信号连接。所述RS485通信线路用于功率电路控制模块与MCU之间的信号连接。所述外部系统可以是需要锂电池组信息的各类系统，如车载显示系统等。

本实用新型提供的锂离子电池管理系统，集成了电池参数采集、电池状态计算、报警和保护、电池均衡、通信和显示控制功能。能实时监测储能电池电压、温度和电流，估算电池SOC、SOH和充放电电量，对电池异常和系统故障发出报警和实施保护，均衡单体电池能量，与外接系统通信，确保储能电池安全、稳定运行。且结构简单，配件廉价因此成本低，能够满足新型锂离子电池储能系统对安全性、可靠性、成本等方面的要求。同时，系统本实用新型提供的锂离子电池管理系统结构简单且不涉及复杂控制线路，因此自身稳定性好。各组件受电磁影响较小，因此电磁兼容性能好。各组件主要为电信号传递，因此功耗低。满足较先进的处理方案的电池PACK管理需要。

应该注意到并理解，在不脱离本实用新型权利要求所要求的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本实用新型做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims

1.一种锂离子电池管理系统，其特征在于，包括：MCU、采集模块、均衡模块、数据存储模块、显示控制模块、通信模块、电源模块、控制端口、功率电路控制模块；所述采集模块与目标电池组连接，输出端与MCU信号连接；所述均衡模块与目标电池组连接，为每节目标电池并联了一路均衡通道，所述均衡模块控制端与MCU信号连接；所述数据存储模块与MCU信号连接，用于储存数据；所述显示控制模块与MCU信号连接，用于展示分析结果；所述通信模块与MCU信号连接，用于与外部系统传递信息；所述功率电路控制模块通过控制端口与MCU信号连接；

所述均衡通道为DC/DC均衡电路；每条DC/DC均衡电路的控制电路均与MCU信号连接。

2.根据权利要求1所述锂离子电池管理系统，其特征在于，所述采集模块包括：AD转换芯片、电压采集模块、温度采集模块和电流采集模块；所述电流采集模块为霍尔电流传感器，用于采集目标电池组充电或者放电过程中的回路电流，并将采集的电流信息通过AD转换芯片发送至MCU；所述温度采集模块用于采集目标电池组中每节电池的温度，并将采集的温度信息通过AD转换芯片发送至MCU；所述电压采集模块为I2C线路集，目标电池组中每一个单体电池均通过电压采集模块中的一条I2C线路与MCU电连接。

3.根据权利要求2所述锂离子电池管理系统，其特征在于，所述功率电路控制模块由直流接触器K1、熔断器F、断路器K3和限电流回路组成；所述直流接触器K1与熔断器F串联，再与断路器K3串联；所述限电流回路与直流接触器K1并联，由预充电阻R和继电器K2串联组成；所述断路器K3的正极回路部分，一端与直流接触器K1连接，另一端与目标电池组的正极连接、所述断路器K3的负极回路部分，一端与目标电池组负极连接，另一端与电流传感器串联后，再与功率输出负极接口连接。

4.根据权利要求3所述锂离子电池管理系统，其特征在于，所述显示控制模块包括：LED指示灯、继电器、硬件开关；所述LED指示灯与MCU信号连接，根据MCU的控制信号进行影像展示；所述继电器的控制端与MCU电连通，用于控制其他外接系统的启闭；所述硬件开关为按键开关，其电流输入端与电池组输出端电连通，电流输出端与电源模块输入端电连通。

5.根据权利要求4所述锂离子电池管理系统，其特征在于，所述锂离子电池管理系统还包括：热管理风扇，所述热管理风扇用于对目标电池组进行降温。

6.根据权利要求5所述锂离子电池管理系统，其特征在于，所述控制端口包括两路反馈信号端口和三路控制信号端口；所述两路反馈信号端口为干接点，用于将直流接触器K1和继电器的状态分别传回MCU；所述控制信号端口为湿接点，用于将MCU的控制指令信号分别发送至直流接触器K1、继电器和热管理风扇的控制端。

7.根据权利要求1所述锂离子电池管理系统，其特征在于，所述电源模块为DC/DC型功率变换电路；其输入端与电池组电连通，其输出端分别为12V、5V和3.3V输出端，并与对应电压需求的其他模块电连通。

8.根据权利要求1所述锂离子电池管理系统，其特征在于，所述通信模块包括CAN和RS485两种通信线路；所述CAN通信线路用于与外部系统信号连接；所述RS485通信线路用于功率电路控制模块与MCU之间的信号连接。