TWI789162B - 鋰離子電池組管理電路及其實現方法 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種鋰離子電池組管理電路及其實現方法，包括鋰離子電池組管理電路內設有串聯電池組、磁保持繼電器、採樣均衡功能電路、微控制器主機和微控制器從機，採樣均衡功能電路控制不同狀態來導通相對應電池並對該電池進行採樣、補充能量，從而實現對整個電池組每串電池電壓的精確採集與電壓均衡，同時也降低了的物料成本與控制成本，同時通過算術邏輯運算電路可以讓採樣均衡功能電路不論微控制器從機提供什麼的輸出狀態均可以正常工作而且不會出現異常導致電路燒毀；再通過對電流、溫度進行採樣，並計算串聯電池組在充電時、放電時以及靜止狀態時的電量，以及電池的健康狀況檢測。

Description

鋰離子電池組管理電路及其實現方法

本發明涉及一種鋰離子電池組管理電路及其實現方法。

隨著鋰離子電池技術的不斷發展，鋰離子在性能方面的優越性就越發明顯，這是未來動力電池的發展方向，是目前最具發展潛力的動力電池。目前，鋰離子電池已經在電動汽車中使用，為了滿足電動汽車對負載能力和續航能力的需求，需要鋰離子電池具有很大的容量。

現有技術中，電動汽車中廣泛採用將大量鋰離子電池串聯形成電池組，以解決鋰離子電池容量不足的問題。大量鋰離子電池並聯、串聯使用的形式雖然能夠滿足電動汽車對電池容量的需求，但是在電池組長期使用中，會出現電池一致性惡化的現象。如果電池不一致性較大，則會造成電池單體嚴重過充、過放，進而導致電池被嚴重損壞。因此，電池管理系統應運而生，其具有在電池之間實現能量均衡的功能，保證電池組中電池的一致性較好。同時，電池管理系統可以保障電池組能夠安全、可靠的工作，降低和避免不合理的使用 對電池組造成能量的浪費和結構的損害，從而提高電池組的工作效率和延長電池組的迴圈工作壽命。

現有的鋰離子電池管理系統，多採用恆流充電，導致充電策略單一，不能根據電池的特性安排合理的充電方式，往往導致充電效率不高且容易對鋰離子電池造成傷害，縮短其使用壽命。並且，大部分鋰離子電池管理系統採用電阻放電的被動均衡方式對電池進行被動均衡控制，將過高的電壓通過電阻發熱消耗導致均衡效率低，同時容易發生熱量管理問題。同時電壓採樣又嚴重依賴集成芯片，而且集成芯片又有串數限制導致應用靈活性受到限制。

故本案發明人在觀察到上述缺點後，認為仍有進一步再改良之必要，而遂有本發明之產生。

本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種鋰離子電池組管理電路及其實現方法。

為達上述目的，本發明所提供之一種鋰離子電池組管理電路及其實現方法，包括串聯電池組和電池組管理電路，所述電池組管理電路包括微控制器主機和微控制器從機，所述微控制器主機通過隔離通信器連接微控制器從機；所述微控制器主機的輸入端通過DC-DC隔離電源與串聯電池組的正極連接，所述微控制器主機的輸出端通過磁保持繼電器與串聯電池組的正極連接，所述磁保持繼電器主要使用功率NMOS管以及單穩態繼電器來對電池組的充放電進行控制。功率NMOS管主要用於高速的開關電路，但是對於電池組充放電 等保護控制應用場景並不需要特別高的工作頻率。單穩態繼電器主要用於大功率的電池組，由於需要一直給線圈供電以保持其狀態，導致靜態功耗較大。磁保持繼電器只需要提供一個脈衝就可以讓其開\關狀態發生改變，不需要提供維持電流，真正做到零功耗；所述微控制器從機的輸入端通過DC-DC隔離電源與串聯電池組的正極連接，所述微控制器從機通過算術邏輯運算電路、採樣均衡功能電路與串聯電池組實現資料交互。

進一步的，所述串聯電池組的負極設有電流採樣電路，所述電流採樣電路的輸出端與微控制器主機的輸入端連接。

進一步的，所述微控制器從機與採樣均衡功能電路之間設有算術邏輯運算電路，所述算術邏輯運算電路的輸入端與微控制器從機的輸出端連接，所述算術邏輯運算電路的輸出端與所述採樣均衡功能電路的輸入端連接，保證採樣均衡功能電路中的開關正常的工作，特別是保證電池單體不能正負極短接以及電池單體之間不能相互導通而形成環路，否則後果將是災難性的。為此設置算術邏輯運算電路來避免這個風險，使微控制器從機控制埠無論給什麼的狀態，算術邏輯運算電路均有對應且唯一的開關動作。

進一步的，還包括第一隔離電源、第二隔離電源和第三隔離電源和第四隔離電源；所述第一隔離電源設置在DC-DC隔離電源與微控制器主機之間，第一隔離電源的輸入端與DC-DC隔離電源的輸出端連接，第一隔離電源的輸出端與微控制器主機的輸入端連接；所述第二隔離電源設置在DC-DC隔離電源與微控制器從機之間，第二隔離電源的輸入端與DC-DC隔離電源的輸出端連接，第二隔離電源的輸出端與微控制器從機的輸入端連接；所述第三隔離電源設置在DC- DC隔離電源與採樣均衡功能電路之間，第三隔離電源的輸入端分別與DC-DC隔離電源和微控制器從機的輸出端連接，第三隔離電源的輸出端與採樣均衡功能電路的輸入端連接。

進一步的，還包括隔離通信接口，所述隔離通信接口設置在微控制器主機與DC-DC隔離電源之間，所述隔離通信接口通過第四隔離電源與DC-DC隔離電源連接。隔離通信接口讓電池管理系統與外部的中控/其他設備進行資料交換。

進一步的，還包括電池組輸入輸出電壓採樣電路，所述電池組輸入輸出電壓採樣電路分別與串聯電池組的正負極連接，所述電池組輸入輸出電壓採樣電路的輸出端與所述微控制器主機的輸入端連接。

為達上述目的，本發明所提供之一種鋰離子電池組管理電路及其實現方法，包括以下步驟：

S1：通過控制採樣均衡功能電路內的開關，得到串聯電池組的單串電池電壓，設置採樣均衡功能電路的開關為雙向導通開關並且開關的數量與串聯電池組內電池數量相關；開關雙向導通特性使其即可以作電壓採樣用，又可以作為能量均衡使用。

S2：微控制器從機接收採樣均衡功能電路獲取的採樣電壓，根據伏安定律計算出單串電池的內阻；

S3：將計算得出的單串電池的內阻與單串電池設定的內阻進行比對，得到單串電池損壞或電壓掉線的情況；

S4：通過對控制採樣均衡功能電路內的開關的關閉，對單串電池進行關閉；或通過欠壓的單串電池對應的開關向欠壓的單串電池進行充電。

本發明的有益效果是：

1、本發明在採樣均衡功能電路控制不同狀態來導通相對應電池並對該電池進行電壓採樣、內阻採樣、補充能量，從而實現對整個電池組每串電池電壓、內阻的精確採集與電壓均衡。由於控制方式的加入使得電路的結構更加簡潔，同時也降低了一半的物料成本與控制成本，不僅提升了性能，也大幅降低了成本。

2、本發明通過算術邏輯運算電路可以讓採樣均衡功能電路不論微控制器從機提供什麼的輸出狀態均可以正常工作，並且不會出現異常導致電路燒毀。

3、本發明通過對電流、內阻、溫度進行採樣，並配合電壓來分別計算串聯電池組在充電時、放電時以及靜止狀態時的電量，並通過動態計算內阻利用相應演算法得到隨著迴圈次數的增加電池的健康狀況，即電池的衰減情況。

使用磁保護繼電器作為功率開關應用，相較于現有的半導體功率器件成本大幅降低；相較于現有單穩態繼電器要一直供電給線圈讓其導通，磁保護繼電器只需要提供一個開/關的脈衝電平即可以完成導通/關閉的動作，可以讓系統功耗進一步降低。

101:串聯電池組

102:採樣均衡功能電路

103:算術邏輯運算電路

104:磁保持繼電器

105:電流採樣電路

106:DC-DC隔離電源

107:微控制器從機

108:隔離通信器

109:微控制器主機

110:隔離通信接口

111:電池組輸入輸出電壓採樣電路

112:第一隔離電源

113:第二隔離電源

114:第三隔離電源

115:第四隔離電源

201:第一子模組

202:第二子模組

圖1為本發明系統框圖；圖2為本發明實施例中採樣均衡功能電路圖；圖3為本發明實施例中採樣均衡功能電路第一子模組高電平控制電路圖； 圖4為本發明實施例中採樣均衡功能電路第一子模組低電平控制電路圖；圖5為本發明實施例中採樣均衡功能電路第二子模組電路圖；圖6為本發明實施例中算術邏輯運算高電平控制電路圖；圖7為本發明實施例中算術邏輯運算低電平控制電路圖；圖8為本發明實施例中算術邏輯運算電路的高電平控制邏輯狀態圖；圖9為本發明實施例中算術邏輯運算電路的低電平控制邏輯狀態圖；圖10為本發明實施例中微控制器主機和微控制器從機控制方式圖；圖11為本發明實施例中隔離電源和磁保持繼電器控制方式圖；圖12為本發明實施例中系統狀態控制圖。

下面將結合實施例，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域技術人員在沒有付出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

請參閱圖1並配合參閱圖2至圖11，本發明提供一種鋰離子電池組管理電路，包括串聯電池組101和電池組管理電路，電池組管理電路包括微控制器主機109和微控制器從機107，微控制器主機109通過一隔離通信器108連接微控制器從機107。

微控制器主機109的輸入端通過DC-DC隔離電源106與串聯電池組101的正極連接，微控制器主機109的輸出端通過磁 保持繼電器104與串聯電池組101的正極連接，磁保持繼電器104主要使用功率NMOS管以及單穩態繼電器來對電池組的充放電進行控制。功率NMOS管主要用於高速的開關電路，但是對於電池組充放電等保護控制應用場景並不需要特別高的工作頻率。磁保持繼電器104只需要提供一個脈衝就可以讓其開\關狀態發生改變，不需要提供維持電流，真正做到零功耗。

微控制器從機107的輸入端通過DC-DC隔離電源106與串聯電池組101的正極連接，微控制器從機107通過採樣均衡功能電路102與串聯電池組101實現資料交互。

進一步的，串聯電池組101的負極設有電流採樣電路105，電流採樣電路105的輸出端與微控制器主機109的輸入端連接。

進一步的，微控制器從機107與採樣均衡功能電路102之間設有算術邏輯運算電路103，算術邏輯運算電路103的輸入端與微控制器從機107的輸出端連接，算術邏輯運算電路103的輸出端與採樣均衡功能電路102的輸入端連接，算術邏輯運算電路103保證採樣均衡功能電路102中的開關正常的工作，特別是保證電池單體不能正負極短接以及電池單體之間不能相互導通而形成環路，否則後果將是災難性的。為此設置算術邏輯運算電路103來避免這個風險，使微控制器從機107控制埠無論給什麼的狀態算術邏輯運算電路103均有對應且唯一的開關動作。算術邏輯運算電路103具體實施例中有高電平、低電平兩種控制方式。

進一步的，還包括第一隔離電源112、第二隔離電源113、第三隔離電源114和第四隔離電源115； 第一隔離電源112設置在DC-DC隔離電源106與微控制器主機109之間，第一隔離電源112的輸入端與DC-DC隔離電源106的輸出端連接，第一隔離電源112的輸出端與微控制器主機109的輸入端連接； 第二隔離電源113設置在DC-DC隔離電源106與微控制器從機107之間，第二隔離電源113的輸入端與DC-DC隔離電源106的輸出端連接，第二隔離電源113的輸出端與微控制器從機107的輸入端連接； 第三隔離電源114設置在DC-DC隔離電源106與採樣均衡功能電路102之間，第三隔離電源114的輸入端分別與DC-DC隔離電源106和微控制器從機107的輸出端連接，第三隔離電源114的輸出端與採樣均衡功能電路102的輸入端連接。

進一步的，還包括隔離通信接口110，隔離通信接口110設置在微控制器主機109與DC-DC隔離電源106之間，隔離通信接口110通過第四隔離電源115與DC-DC隔離電源106連接。

進一步的，還包括電池組輸入輸出電壓採樣電路111，電池組輸入輸出電壓採樣電路111分別與串聯電池組101的正負極連接，電池組輸入輸出電壓採樣電路111的輸出端與微控制器主機109的輸入端連接。

本發明所提供之一種鋰離子電池組管理電路的實現方法，以8串電池組電池組作為具體實施方式來作為說明：採樣均衡功能電路102具有一第一子模組201及一第二子模組202，第一子模組201設置有雙向導通開關S1-S9，以及第二子模組202設置有雙向導通開關S_A、S_B、S_C、S_D，通過控制開關S1至S9的開通、關閉，在VP與VN之間可以得到串聯電池組101 BAT1至BAT8之間的單串電壓，但是這VP、VN之間的電壓在S1、S2，S3、S4，S5、S6，S7、S8這四組開關分別導通時為正值，在S2、S3，S4、S5，S6、S7，S9、S8這四組開關分別導通時為卻為負值，第二子模組202設置的目的就是為了讓其在S2、S3，S4、S5，S6、S7，S9、S8這四組開關分別導通時換向，最終讓VCC_P、VCC_N之間在S1、S2，S2、S3，S3、S4，S4、S5，S5、S6，S6、S7，S7、S8，S8、S9這8組開關分別導通時對應BAT1-BAT8的單串電壓，這個電壓經過第二子模組202中的包括R17、R18、R19、C1構成的電壓採樣電路最終得到V_Cell_ADC電壓給微控制器從機107。微控制器從機107在做電壓採樣時通過控制Q1和已知阻值電阻R16的導通、關閉從而得到不同的電壓值，從而根據伏安法反推對應電池的內阻，也可以根據內阻的大小的判定是否掉線或電池損壞，同時為了保證開關S1-S9正常的工作，特別是開關S1、S3、S5、S7、S9之間不能同時導通以及開關S2、S4、S6、S8之間也不能同時導通，否則，後果將是災難性的。為此引入了算術邏輯運算電路103來避免這個風險，在圖8、圖9的8串電池組控制的高、低電平實施例中，微控制器從機107控制埠C_A0、C_A1、C_A2無論給什麼 的狀態，算術邏輯運算電路103均有對應且唯一的開關動作。此外，為了防止硬體電路損壞而引發故障，加入F1-F9這9顆保險絲。

而補充方式為：開關S1-S9以及S_A、S_B、S_C、S_D均為雙向導通開關，因為是雙向導通開關，不僅可以得到電池的採樣電壓，也可以反向向對應電池注入電壓、電流，第三隔離電源114通過C_EN控制信號控制U16的導通、關閉便可以決定是否向電池組中電壓較低的電池注入電壓、電流，從而實現整個電池組的電壓平衡。從而最大限度地利用電池組的能量。

設置磁保持繼電器104部分，一般使用功率NMOS管以及單穩態繼電器來對電池組的充放電進行控制。功率NMOS管主要用於高速的開關電路，但是對於電池組充放電等保護控制應用場景並不需要特別高的工作頻率。單穩態繼電器主要用於大功率的電池組，比如新能源汽車的控制就是使用這種方式。本實例中磁保持繼電器104只需要提供一個脈衝就可以讓其開\關狀態發生改變，不需要提供維持電流，真正做到零功耗。在本發明的具體實施方式中所示，微控制器主機109提供閉合控制脈衝信號C_BAT_ON時磁保持繼電器104開關K1閉合電池組正常輸入輸出。當出現過壓、欠壓、過流、短路、過溫、低溫時微控制器主機109提供斷開控制脈衝信號C_BAT_OFF時磁保持繼電器104斷開開關K1電池組關閉輸入輸出，其中使用磁保持繼電器104作為功率開關應用，相較于現有的半導體功率器件成本大幅降低；相較于現有單穩態繼電器要一直供電給線圈讓其導通，磁 保持繼電器104只需要提供一個開/關的脈衝電平即可以完成導通/關閉的動作，可以讓系統功耗進一步降低。

在電池組關閉輸入輸出時，微控制器主機109通過控制信號C_VBAT控制開關管Q4導通，通過R27與R28的作用讓Q6導通，從而將電池組正極電壓VBAT通過電阻R29、R30分壓得到ADC_VBAT送至微控制器主機109。

微控制器主機109通過控制信號C_VPACK+控制開關管Q7導通，通過R31與R32的作用讓Q8導通，從而將電池包正極電壓VPACK+通過電阻R2、R23分壓得到ADC_VPACK+送至微控制器主機109。

通過對這個兩個電壓的採樣從而判定是否需要開啟磁保持繼電器104從而讓電池組正常輸入輸出。本實施例中使用信號控制採樣可以減小採樣電阻上的功率損耗。

電流採樣電路105中，通過R1、U17構成的採樣電路可以將電流信號轉換成電壓信號ADC_I送到微控制器主機109從而判定是否過流、短路，通過隔離通信接口110向中控系統報告電流資料以及使用此電路來做電量SOC(state of charge)計算。

本發明在採樣均衡功能電路102控制不同狀態來導通相對應電池並對該電池進行採樣、補充能量，從而實現對整個電池組每串電池電壓的精確採集、內阻計算與電壓均衡。由於控制方式的加入使得電路的結構更加簡潔，同時也降低了一半的物料成本與控制成本。不僅提高了性能，同時也大幅降低了成本。同時通過算術邏輯 運算電路103可以讓採樣均衡功能電路102不論微控制器從機107提供什麼的輸出狀態均可以正常工作，並且不會出現異常導致電路燒毀。更優的通過對電流、溫度進行採樣，並配合電壓來分別計算串聯電池組101在充電時、放電時以及靜止狀態時的電量，並通過動態計算內阻利用相應演算法得到隨著迴圈次數的增加電池的健康狀況。

參閱圖12，值得一提的是，本發明執行採樣與均衡時，不可以同時進行，當採樣狀態下判定需要均衡時，會進行均衡狀態，均衡計時完成後，又會回到採樣狀態。

上揭實施例僅係說明本發明之技術手段而非限制，舉凡由本發明之等效修改，均應視為本發明之保護範圍。本發明為此領域中之首創，並具實用功效之增進，乃依法提出申請。

101:串聯電池組

102:採樣均衡功能電路

103:算術邏輯運算電路

104:磁保持繼電器

105:電流採樣電路

106:DC-DC隔離電源

107:微控制器從機

108:隔離通信器

109:微控制器主機

110:隔離通信接口

111:電池組輸入輸出電壓採樣電路

112:第一隔離電源

113:第二隔離電源

114:第三隔離電源

115:第四隔離電源

Claims (6)

1. 一種鋰離子電池組管理電路，其特徵在於：包括一串聯電池組和一電池組管理電路，所述電池組管理電路包括一微控制器主機和一微控制器從機，所述微控制器主機通過一隔離通信器連接所述微控制器從機；所述微控制器主機的輸入端通過一DC-DC隔離電源與所述串聯電池組的正極連接，所述微控制器主機的輸出端通過一磁保持繼電器與所述串聯電池組的正極連接；所述微控制器從機的輸入端通過所述DC-DC隔離電源與所述串聯電池組的正極連接，所述微控制器從機通過一採樣均衡功能電路與所述串聯電池組實現資料交互，該採樣均衡功能電路具有一第一子模組及一第二子模組，該第一子模組設置有數雙向導通開關，以及第二子模組設置有數雙向導通開關；所述微控制器從機與所述採樣均衡功能電路之間設有一算術邏輯運算電路，所述算術邏輯運算電路的輸入端與所述微控制器從機的輸出端連接，所述算術邏輯運算電路的輸出端與所述採樣均衡功能電路的輸入端連接。
2. 根據請求項1所述的一種鋰離子電池組管理電路，其特徵在於：所述串聯電池組的負極設有一電流採樣電路，所述電流採樣電路的輸出端與所述微控制器主機的輸入端連接。
3. 根據請求項1所述的一種鋰離子電池組管理電路，其特徵在於：還包括一第一隔離電源、一第二隔離電源、一第三隔離電源和一第四隔離電源； 所述第一隔離電源設置在所述DC-DC隔離電源與所述微控制器主機之間，所述第一隔離電源的輸入端與所述DC-DC隔離電源的輸出端連接，所述第一隔離電源的輸出端與所述微控制器主機的輸入端連接；所述第二隔離電源設置在所述DC-DC隔離電源與所述微控制器從機之間，所述第二隔離電源的輸入端與所述DC-DC隔離電源的輸出端連接，所述第二隔離電源的輸出端與所述微控制器從機的輸入端連接；所述第三隔離電源設置在所述DC-DC隔離電源與所述採樣均衡功能電路之間，所述第三隔離電源的輸入端分別與所述DC-DC隔離電源和所述微控制器從機的輸出端連接，所述第三隔離電源的輸出端與所述採樣均衡功能電路的輸入端連接。
4. 根據請求項3所述的一種鋰離子電池組管理電路，其特徵在於：還包括一隔離通信接口，所述隔離通信接口設置在所述微控制器主機與所述DC-DC隔離電源之間，所述隔離通信接口通過所述第四隔離電源與所述DC-DC隔離電源連接，所述隔離通信接口主要用於電池管理系統與中控進行資料交換。
5. 根據請求項1所述的一種鋰離子電池組管理電路，其特徵在於：還包括一電池組輸入輸出電壓採樣電路，所述電池組輸入輸出電壓採樣電路分別與所述串聯電池組的正負極連接，所述電池組輸入輸出電壓採樣電路的輸出端與所述微控制器主機的輸入端連接。
6. 一種鋰離子電池組管理電路的實現方法，包括以下步驟：S1：通過控制一採樣均衡功能電路內的開關，得到一串聯電池組的單串電池電壓，設置所述採樣均衡功能電路的開關為雙向導通開關並且開關的數量與所述串聯電池組內電池數量相關；開關雙向導通特性使其即可以作電壓採樣用，又可以作為能量均衡使用；S2：一微控制器從機接收所述採樣均衡功能電路獲取的採樣電壓，根據伏安定律計算出對應單串電池的內阻；S3；將計算得出的單串電池的內阻與單串電池設定的內阻進行比對，得到單串電池損壞或電壓掉線的情況；S4：通過對控制所述採樣均衡功能電路內的開關的關閉，對對應單串電池進行關閉；通過對控制所述採樣均衡功能電路內的開關的開啟，對對應單串電池進行充電，讓其電壓與整組電池電壓平衡。

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