鋰離子電池組的檢測及主動平衡充電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及鋰離子電池，具體指一種鋰離子電池組的檢測及主動平衡充電系統(tǒng)，包括串聯(lián)電池組、充電電源、電池電壓檢測模塊、均衡模塊、主控模塊、限流模塊、開關(guān)模塊、V?I轉(zhuǎn)換模塊、I?V轉(zhuǎn)換模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制器以及精密電壓參考裝置，所述的串聯(lián)電池組包括多個串聯(lián)的電池；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了電池組中的單體電芯在線完全平衡，還可允許不同充放電曲線的同容量電芯并組；解決了電池組中單元電池電壓檢測精度差、串接點(diǎn)檢測線斷路引起測量不準(zhǔn)確的問題；采用基于單體電池庫侖法評估整體電池組SOC的方法，并通過推廣卡爾曼濾波，將庫侖法與電動勢法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池SOC的閉環(huán)評估，解決使用電池組容量評估數(shù)值不準(zhǔn)確的問題。
【專利說明】
鋰離子電池組的檢測及主動平衡充電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及鋰離子電池，具體指一種鋰離子電池組的檢測及主動平衡充電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著鋰離子電池的迅猛發(fā)展，新型材料的不斷問世和應(yīng)用，工藝技術(shù)的日趨成熟和成本的下降，具備優(yōu)良性能的鋰離子電池正完全可以替代鉛酸電池成為通信或者是動力領(lǐng)域高要求電源解決方案基礎(chǔ)。
[0003]單個蓄電池的電壓與容量有限，在很多場合下要組成串連蓄電池組來使用。蓄電池組的電壓均衡性的問題是關(guān)系到蓄電池組的使用壽命，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性的重要問題。由于單體電池老化程度以及受溫度影響不同，每節(jié)單體電池的狀態(tài)就不一致;隨著充放電次數(shù)的增加，電池間的電壓差會逐漸增加，形成電池間的不平衡，從而造成電池組壽命縮短。當(dāng)電池組用較大電流進(jìn)行一段時間的放電，如果電池之間的不平衡達(dá)到一定程度，容量最小的單體電池上產(chǎn)生的極化反應(yīng)會對該電池組造成永久性的損壞，因此單體電池之間平衡是否對于電池組的使用壽命及效果起著至關(guān)重要的作用。
[0004]而現(xiàn)有的蓄電池組存在以下缺點(diǎn):1、無法在線管理;2、采用周期性管理，無法實(shí)時管理;3、不能夠針對整個蓄電池組的放電進(jìn)行管理。由此可見，現(xiàn)有的蓄電池組的管理技術(shù)對電壓不平衡導(dǎo)致的蓄電池電壓分化未進(jìn)行有效管理，蓄電池壽命因此受到極大的影響，性能下降已成為不確定性安全隱患。
[0005]后備式通信用電池是通過電池串聯(lián)在一起以提供更高的電壓。由于電池個體之間的差異，以及電池工作的電壓平臺的限制，這種串聯(lián)的電池需要電池平衡和電池安全保護(hù)來防止電池提前失效和避免出現(xiàn)安全問題。為了解決上述情況，系統(tǒng)需提供一種能精確檢測每個電池電壓的方案。目前市場已經(jīng)開發(fā)了很多相關(guān)系統(tǒng)和技術(shù)，來解決這類要求，具體方式有以下幾種:
[0006](I)電阻分壓法:這類方法由于測量器件性能限制，所檢測的高電壓必需通過高精密電阻分壓器降壓到可接受條件。在這種方案下電壓越高電阻分壓比例越大，同時造成的電壓誤差也大。因此在高電壓系統(tǒng)中要求采樣的A/D分辨率很高，就極大提高了產(chǎn)品的成本和產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)難度。
[0007](2)容并聯(lián)鏡像法，這種方法首先將電容并聯(lián)在需檢測的電池上，而后斷開，系統(tǒng)通過測試電容電壓來實(shí)現(xiàn)電池電壓測試，在這種方案下，電容不停的充放極易引起質(zhì)量問題，最終影響了測量精度，同時電容過大容易造成回路因過流損壞，而電容過小因回路放電造成測量漂移。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)主要包括上述以及其他方面的各種系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中存在各種局限性。為此提供一種具有更高的精度、更快的測量速度、和更低的實(shí)施成本的用于測量串聯(lián)的電池電壓的系統(tǒng)是很有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明旨在提供一種鋰離子電池組的檢測及主動平衡充電系統(tǒng)。
[0010]為解決上述問題，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案:
[0011]—種鋰離子電池組的檢測及主動平衡充電系統(tǒng)，包括串聯(lián)電池組、充電電源、電池電壓檢測模塊、均衡模塊、主控模塊、限流模塊、開關(guān)模塊、V-1轉(zhuǎn)換模塊、1-V轉(zhuǎn)換模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制器以及精密電壓參考裝置，所述的串聯(lián)電池組、充電電源、電池電壓檢測模塊、均衡模塊、主控模塊以及限流模塊共同構(gòu)成鋰離子電池組的單元電池檢測電路;所述的串聯(lián)電池組、開關(guān)模塊、V-1轉(zhuǎn)換模塊、1-V轉(zhuǎn)換模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制器以及精密電壓參考裝置共同組成鋰離子電池組的主動平衡充電電路;所述的串聯(lián)電池組包括多個串聯(lián)的電池。
[0012]進(jìn)一步的，所述電池電壓檢測模塊包括有與所述電池?cái)?shù)量相等的電池電壓檢測子模塊，所述的每個電池電壓檢測子模塊對應(yīng)一個電池并串聯(lián);所述的均衡模塊包括有與所述電池?cái)?shù)量相等的能量溢出子模塊，所述的每個能量溢出子模塊對應(yīng)一個電池并串聯(lián)，用于監(jiān)測與其連接的電池的電壓;所述的能量溢出子模塊由串聯(lián)連接的電子開關(guān)SW和分流負(fù)載組成，所述的限流模塊與所述串聯(lián)電池組的一端連接，且所述的限流模塊與所述充電電源連接，用于對充電回路的電流進(jìn)行控制;所述的主控模塊分別與所述電池電壓檢測模塊、均衡模塊、限流模塊連接，使得所述的主控模塊根據(jù)所述電池電壓監(jiān)測子模塊檢測到的電壓情況來控制能量溢出子模塊和限流模塊，所述的限流模塊包括電子開關(guān)K0C、限流電路以及電子開關(guān)KCH，所述的電子開關(guān)K0C、限流電路串聯(lián)并與所述電子開關(guān)KCH并聯(lián)。
[0013]進(jìn)一步的，所述的開關(guān)模塊包括與任一電池的正極連接的第一總線BUS_A、控制任一電池的正極與第一總線通的電子開關(guān)、與所述的每個電池的負(fù)極連接第二總線BUS_B、控制任一電池的負(fù)極與第二總線BUS_B接通的電子開關(guān)，所述的第一總線BUS_A、第二總線冊5_8與所述精密電壓參考裝置連接，所述的第一總線冊5_六與所述精密電壓參考裝置之間設(shè)有控制所述第一總線BUS_A與所述精密電壓參考裝置接通的電子開關(guān)SI，所述的第二總線BUS_B與所述精密電壓參考裝置之間設(shè)有控制所述第二總線BUS_B與所述精密電壓參考裝置接通的電子開關(guān)S2;所述的第一總線BUS_A與所述V-1轉(zhuǎn)換模塊的正極連接，所述的第二總線BUS_B與所述V-1轉(zhuǎn)換模塊的負(fù)極連接，所述V-1轉(zhuǎn)換模塊輸出端的電流與所述第一總線BUS_A和所述的第二總線BUS_B2間電壓成線性關(guān)系;所述的1-V轉(zhuǎn)換模塊與所述V-1轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接，用于把所述V-1轉(zhuǎn)換模塊輸出端的電流信號轉(zhuǎn)換為成線性關(guān)系的電壓信號；所述的1-V轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，采集所述電壓信號，并將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與所述的控制器連接，所述的控制器的輸出端與所述開關(guān)模塊連接;使得所述的控制器用于控制開關(guān)模塊，并對從模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收到的信息進(jìn)行處理和顯示。
[0014]另外，采用基于單體電池庫侖法評估整體電池組S0C，可實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品使用狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)的評估。首先，根據(jù)木桶原理，決定串聯(lián)電池組容量的是最低容量的串聯(lián)單元的電芯容量，本項(xiàng)目的SOC評估是選擇最低容量的串聯(lián)單元電芯作為電池整組來評估的。其次，采用庫倫法進(jìn)行SOC預(yù)估，由于庫倫法是一種開環(huán)預(yù)測，具有在短時間能夠準(zhǔn)確估算SOC優(yōu)點(diǎn)，但是存在無法確定初始值和累計(jì)誤差越來越大的問題，所以評估法需進(jìn)一步的優(yōu)化，再次，在通訊電源中，由于系統(tǒng)具有較長的靜置時間，采用開路電壓法進(jìn)行初始值和累計(jì)誤差的限定及初步校正，再次，基于擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKE)算法的SOC估算實(shí)現(xiàn)把庫倫法和電動勢法有機(jī)地結(jié)合起來。EKE作為一個狀態(tài)觀測器，其意義在于:在用庫倫法計(jì)算SOC的同時，估計(jì)出電容C上的電壓Uc(t)，從而得到電池端電壓的估計(jì)值作為校正SOC的依據(jù)；同時考慮噪聲和誤差的大小，確定每一步的濾波增益K(k)，得到電動勢法在計(jì)算SOC時應(yīng)占的權(quán)重，從而得到SOC的最優(yōu)估計(jì)。這樣就把庫倫法和電動勢法有機(jī)地結(jié)合起來，用電動勢法克服了庫倫法有累積誤差的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了SOC的閉環(huán)估計(jì)。同時，由于在計(jì)算過程中考慮了噪聲的影響，所以算法對噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。
[0015]有益效果:本發(fā)明的主動平衡充電電路，實(shí)現(xiàn)電池組中的單體電芯在線完全平衡，還可允許不同充放電曲線的同容量電芯并組;鋰離子電池組的單元電池檢測電路解決了電池組中單元電池電壓檢測精度差、串接點(diǎn)檢測線斷路引起測量不準(zhǔn)確的問題;最后，采用基于單體電池庫侖法評估整體電池組SOC的方法，并通過推廣卡爾曼濾波，將庫侖法與電動勢法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池SOC的閉環(huán)評估，解決使用電池組容量評估數(shù)值不準(zhǔn)確的問題。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的鋰離子電池組中單元電池的主動平衡充電電路。
[0017]圖2是本發(fā)明的鋰離子電池組中的單元電池檢測電路。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面根據(jù)說明書附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施例:
[0019]—種鋰離子電池組的檢測及主動平衡充電系統(tǒng)，包括串聯(lián)電池組、充電電源、電池電壓檢測模塊、均衡模塊、主控模塊、限流模塊、開關(guān)模塊、V-1轉(zhuǎn)換模塊、1-V轉(zhuǎn)換模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制器以及精密電壓參考裝置，所述的串聯(lián)電池組、充電電源、電池電壓檢測模塊、均衡模塊、主控模塊以及限流模塊共同構(gòu)成鋰離子電池組的單元電池檢測電路;所述的串聯(lián)電池組、開關(guān)模塊、V-1轉(zhuǎn)換模塊、1-V轉(zhuǎn)換模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制器以及精密電壓參考裝置共同組成鋰離子電池組的主動平衡充電電路;所述的串聯(lián)電池組包括多個串聯(lián)的電池。
[0020]參照圖1，所述電池電壓檢測模塊包括有與所述電池?cái)?shù)量相等的電池電壓檢測子模塊，所述的每個電池電壓檢測子模塊對應(yīng)一個電池并串聯(lián);所述的均衡模塊包括有與所述電池?cái)?shù)量相等的能量溢出子模塊，所述的每個能量溢出子模塊對應(yīng)一個電池并串聯(lián)，用于監(jiān)測與其連接的電池的電壓;所述的能量溢出子模塊由串聯(lián)連接的電子開關(guān)SW和分流負(fù)載組成，所述的限流模塊與所述串聯(lián)電池組的一端連接，且所述的限流模塊與所述充電電源連接，用于對充電回路的電流進(jìn)行控制;所述的主控模塊分別與所述電池電壓檢測模塊、均衡模塊、限流模塊連接，使得所述的主控模塊根據(jù)所述電池電壓監(jiān)測子模塊檢測到的電壓情況來控制能量溢出子模塊和限流模塊，所述的限流模塊包括電子開關(guān)K0C、限流電路以及電子開關(guān)KCH，所述的電子開關(guān)K0C、限流電路串聯(lián)并與所述電子開關(guān)KCH并聯(lián)。
[0021]參照圖2，所述的開關(guān)模塊包括與任一電池的正極連接的第一總線BUS_A、控制任一電池的正極與第一總線通的電子開關(guān)、與所述的每個電池的負(fù)極連接第二總線BUS_B、控制任一電池的負(fù)極與第二總線BUS_B接通的電子開關(guān)，所述的第一總線BUS_A、第二總線冊5_8與所述精密電壓參考裝置連接，所述的第一總線冊5_六與所述精密電壓參考裝置之間設(shè)有控制所述第一總線BUS_A與所述精密電壓參考裝置接通的電子開關(guān)SI，所述的第二總線BUS_B與所述精密電壓參考裝置之間設(shè)有控制所述第二總線BUS_B與所述精密電壓參考裝置接通的電子開關(guān)S2;所述的第一總線BUS_A與所述V-1轉(zhuǎn)換模塊的正極連接，所述的第二總線BUS_B與所述V-1轉(zhuǎn)換模塊的負(fù)極連接，所述V-1轉(zhuǎn)換模塊輸出端的電流與所述第一總線BUS_A和所述的第二總線BUS_B2間電壓成線性關(guān)系;所述的1-V轉(zhuǎn)換模塊與所述V-1轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接，用于把所述V-1轉(zhuǎn)換模塊輸出端的電流信號轉(zhuǎn)換為成線性關(guān)系的電壓信號；所述的1-V轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，采集所述電壓信號，并將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與所述的控制器連接，所述的控制器的輸出端與所述開關(guān)模塊連接;使得所述的控制器用于控制開關(guān)模塊，并對從模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收到的信息進(jìn)行處理和顯示。
[0022]另外，采用基于單體電池庫侖法評估整體電池組S0C，可實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品使用狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)的評估。首先，根據(jù)木桶原理，決定串聯(lián)電池組容量的是最低容量的串聯(lián)單元的電芯容量，本項(xiàng)目的SOC評估是選擇最低容量的串聯(lián)單元電芯作為電池整組來評估的。其次，采用庫倫法進(jìn)行SOC預(yù)估，由于庫倫法是一種開環(huán)預(yù)測，具有在短時間能夠準(zhǔn)確估算SOC優(yōu)點(diǎn)，但是存在無法確定初始值和累計(jì)誤差越來越大的問題，所以評估法需進(jìn)一步的優(yōu)化，再次，在通訊電源中，由于系統(tǒng)具有較長的靜置時間，采用開路電壓法進(jìn)行初始值和累計(jì)誤差的限定及初步校正，再次，基于擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKE)算法的SOC估算實(shí)現(xiàn)把庫倫法和電動勢法有機(jī)地結(jié)合起來。EKE作為一個狀態(tài)觀測器，其意義在于:在用庫倫法計(jì)算SOC的同時，估計(jì)出電容C上的電壓Uc(t)，從而得到電池端電壓的估計(jì)值作為校正SOC的依據(jù)；同時考慮噪聲和誤差的大小，確定每一步的濾波增益K(k)，得到電動勢法在計(jì)算SOC時應(yīng)占的權(quán)重，從而得到SOC的最優(yōu)估計(jì)。這樣就把庫倫法和電動勢法有機(jī)地結(jié)合起來，用電動勢法克服了庫倫法有累積誤差的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了SOC的閉環(huán)估計(jì)。同時，由于在計(jì)算過程中考慮了噪聲的影響，所以算法對噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。
[0023]本發(fā)明的主動平衡充電電路，實(shí)現(xiàn)電池組中的單體電芯在線完全平衡，還可允許不同充放電曲線的同容量電芯并組;鋰離子電池組的單元電池檢測電路，解決了電池組中單元電池電壓檢測精度差、串接點(diǎn)檢測線斷路引起測量不準(zhǔn)確的問題;最后，采用基于單體電池庫侖法評估整體電池組SOC的方法，并通過推廣卡爾曼濾波，將庫侖法與電動勢法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池SOC的閉環(huán)評估，解決使用電池組容量評估數(shù)值不準(zhǔn)確的問題。
[0024]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明的技術(shù)范圍作出任何限制，故凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何細(xì)微修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明的技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鋰離子電池組的檢測及主動平衡充電系統(tǒng)，其特征在于:包括串聯(lián)電池組、充電電源、電池電壓檢測模塊、均衡模塊、主控模塊、限流模塊、開關(guān)模塊、V-1轉(zhuǎn)換模塊、1-V轉(zhuǎn)換模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制器以及精密電壓參考裝置，所述的串聯(lián)電池組、充電電源、電池電壓檢測模塊、均衡模塊、主控模塊以及限流模塊共同構(gòu)成鋰離子電池組的單元電池檢測電路；所述的串聯(lián)電池組、開關(guān)模塊、V-1轉(zhuǎn)換模塊、1-V轉(zhuǎn)換模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制器以及精密電壓參考裝置共同組成鋰離子電池組的主動平衡充電電路;所述的串聯(lián)電池組包括多個串聯(lián)的電池。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池組的檢測及主動平衡充電系統(tǒng)，其特征在于:所述電池電壓檢測模塊包括有與所述電池?cái)?shù)量相等的電池電壓檢測子模塊，所述的每個電池電壓檢測子模塊對應(yīng)一個電池并串聯(lián);所述的均衡模塊包括有與所述電池?cái)?shù)量相等的能量溢出子模塊，所述的每個能量溢出子模塊對應(yīng)一個電池并串聯(lián)，所述的能量溢出子模塊由串聯(lián)連接的電子開關(guān)SW和分流負(fù)載組成，所述的限流模塊與所述串聯(lián)電池組的一端連接，且所述的限流模塊與所述充電電源連接;所述的主控模塊分別與所述電池電壓檢測模塊、均衡模塊、限流模塊連接，所述的限流模塊包括電子開關(guān)KOC、限流電路以及電子開關(guān)KCH，所述的電子開關(guān)KOC、限流電路串聯(lián)并與所述電子開關(guān)KCH并聯(lián)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池組的檢測及主動平衡充電系統(tǒng)，其特征在于:所述的開關(guān)模塊包括與任一電池的正極連接的第一總線BUS_A、控制任一電池的正極與第一總線BU S_A接通的電子開關(guān)、與所述的每個電池的負(fù)極連接第二總線BUS_B、控制任一電池的負(fù)極與第二總線冊3_8接通的電子開關(guān)，所述的第一總線BUS_A、第二總線BUS_B與所述精密電壓參考裝置連接，所述的第一總線BUS_A與所述精密電壓參考裝置之間設(shè)有控制所述第一總線BUS_A與所述精密電壓參考裝置接通的電子開關(guān)SI，所述的第二總線BUS_B與所述精密電壓參考裝置之間設(shè)有控制所述第二總線BUS_B與所述精密電壓參考裝置接通的電子開關(guān)S2;所述的第一總線BUS_A與所述V-1轉(zhuǎn)換模塊的正極連接，所述的第二總線冊5_8與所述V-1轉(zhuǎn)換模塊的負(fù)極連接，所述的1-V轉(zhuǎn)換模塊與所述V-1轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接，所述的1-V轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與所述的控制器連接，所述的控制器的輸出端與所述開關(guān)模塊連接。
【文檔編號】H02J7/00GK105871006SQ201610254838
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月14日
【發(fā)明人】童文賢
【申請人】寧波飛馳達(dá)電子科技發(fā)展有限公司