CN102867984B - 锂离子电池***、锂离子电池直流输出控制方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池***，其包括：锂离子电池组，用于对负载供电；电流电压反馈模块，用于采集锂离子电池组在放电过程的电压和电流；以及直流输出控制模块，用于根据锂离子电池组在放电过程的电压和电流的变化来控制锂离子电池组对负载的供电，从而防止锂离子电池组的过放电。本发明还公开了一种锂离子电池直流输出控制方法和设备。根据本发明，可以保证锂离子电池在放电过程中不发生过放电，避免锂离子电池不可恢复的报废。

Description

锂离子电池***、锂离子电池直流输出控制方法和设备

技术领域

本发明涉及移动通信电源领域，并且具体地涉及锂离子电池直流输出控制方法和设备。

背景技术

锂离子电池具有高容量、高电压、无污染、高安全性、高能量密度和优良循环性能等优点，因此备受广泛关注，并且发展势头迅猛。锂离子电池是未来中小型后备电源、恶劣环境等条件下后备电源技术的发展趋势，并且逐渐成为高要求后备电源解决方案的首选。

在通信行业，锂离子电池定位于小型化、分散化、环境恶劣的应用场景，可作为铅酸电池的有效补充。

锂离子电池由于一次过充或过放电，便会造成电池不可恢复的报废。在2008年北京***期间，国内的电动车云集北京展示使用，这些电动车几乎都是配装锂离子电池。在这种锂离子电池电源***中，对电池组的直流输出控制仅仅限于对蓄电池放电过程中的端电压/输出电压进行监测，以所述端电压/输出电压为基础进行负载的切离，防止锂离子电池过放电。然而，这些电动车在正常运行一个多月后，就开始需要更换电池甚至下线。这说明现有的直流输出控制技术对于锂离子电池的放电管理存在一定缺点。

鉴于上述技术问题，发明人通过多年来在电动车及移动通信基站小范围内试点的技术积淀，在理解锂离子电池工作规律的基础上，结合移动通信基站的实际情况和需求，开发出一种锂离子电池直流输出控制方法和设备。该方法和设备的基本思想是在任何时候，例如电池的运行环境不符合所需条件时，保证锂离子电池都不发生过放电，提高锂离子电池***的有效性及实用性，从而解决锂离子电池在单节大容量和串联成高电压电池组时，不便在诸如电动车、移动通信基站等领域推广应用的难题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提出了一种锂离子电池***，包括：锂离子电池组，用于对负载供电；电流电压反馈模块，用于采集锂离子电池组在放电过程的电压和电流；以及直流输出控制模块，用于根据锂离子电池组在放电过程的电压和电流的变化来控制锂离子电池组对负载的供电，从而防止锂离子电池组的过放电。

根据本发明的实施例，所述直流输出控制模块包括四路直流输出控制模块，分别用于控制锂离子电池组对相应群组的负载供电。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电流比正常值低60%时，相应的四路直流输出控制模块减小输出电流，控制输出功率为最大输出功率的50%。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电流比正常值低70%时，相应的四路直流输出控制模块减小输出电流，控制输出功率为最大输出功率的50%。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电流比正常值低80%时，相应的四路直流输出控制模块切离其所控制的负载。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电流比正常值低90%时，相应的四路直流输出控制模块切离其所控制的负载。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电3小时输出电压比标称电压低13％时，相应的四路直流输出控制模块切离其所控制的负载。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电5小时输出电压比标称电压低13％时，相应的四路直流输出控制模块切离其所控制的负载。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电6小时输出电压比标称电压低15％时，相应的四路直流输出控制模块切离其所控制的负载。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电7小时输出电压比标称电压低20％时，所有四路直流输出控制模块切离其所控制的负载。

根据本发明的第二方面，提出了一种锂离子电池直流输出控制方法，包括采集锂离子电池组的放电电压和电流，以及根据锂离子电池组在放电过程的电压和电流的变化来控制锂离子电池组对负载的供电，从而防止锂离子电池组的过放电。

根据本发明的实施例，通过四路直流输出控制来分别控制锂离子电池组对相应群组的负载供电。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电流比正常值低60%时，减小输出电流，控制输出功率为最大输出功率的50%。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电流比正常值低70%时，减小输出电流，控制输出功率为最大输出功率的50%。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电流比正常值低80%时，切离相应群组的负载。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电流比正常值低90%时，切离相应群组的负载。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电3小时输出电压比标称电压低13％时，切离相应群组的负载。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电5小时输出电压比标称电压低13％时，切离相应群组的负载。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电6小时输出电压比标称电压低15％时，切离相应群组的负载。

根据本发明的实施例，当锂离子电池组放电7小时输出电压比标称电压低20％时，切离其所有群组的负载。

根据本发明的第三方面，提出了一种锂离子电池直流输出控制设备，包括直流输出控制模块，所述直流输出控制模块根据锂离子电池组在放电过程的电压和电流的变化来控制锂离子电池组对负载的供电，从而防止锂离子电池组的过放电。

根据本发明的实施例，所述直流输出控制模块包括四路直流输出控制模块，分别用于控制锂离子电池组对相应群组的负载供电。

根据本发明的第四方面，提出了如上所述的锂离子电池***在移动电源中的应用。优选地，所述锂离子电池***的应用领域可涉及在电动车、移动通信基站等领域中的应用。

附图说明

附图用于提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为说明铁锂电池在不同放电速率时的示例性放电曲线；

图2为说明本发明的锂离子电池***的示意性框图；以及

图3为说明本发明的DC/DC输出控制模块的示意性框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

铁锂电池是采用磷酸亚铁锂（LiFePO₄）作为正极材料的锂离子电池。在本发明的各优选实施例中，以铁锂电池作为锂离子电池的实例来描述本发明。然而，本领域技术人员应理解，在本发明中还可以使用其它类型的锂离子电池，例如正极材料为镍钴锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂等的其它锂离子电池。

图1示出铁锂电池在不同放电速率时的示例性放电曲线。从图1可以看出，无论放电速率大小，在经过一个相对平稳的电压平台期之后，铁锂电池端电压将出现急剧下降。在铁锂电池的DC/DC输出控制过程中，如果仅仅利用电池的端电压为依据来控制铁锂电池的放电过程，则在电池端电压急剧下降区域，存在容易使铁锂电池过放电而造成电池不可恢复的报废。这正好解释了背景技术部分中提到的电动车在正常运行一个多月后就开始需要更换电池甚至下线的原因。

参考图2，现在说明根据本发明的锂离子电池***。根据本发明的优选实施例，锂离子电池***100包括：主控制器110，用于设置***的各种参数并处理所采集的数据；锂离子电池组120，用于对负载140供电；以及DC/DC输出控制模块130，用于控制锂离子电池组120对负载140供电。

本发明的锂离子电池***100还包括：电流电压反馈模块150，用于采集锂离子电池组120在放电过程的电压和电流，并将采集到的锂离子电池组120的电压和电流反馈到主控制器110；充放电模块160，用于对锂离子电池组120进行充放电；充放电管理模块170，用于控制所述充放电模块160对锂离子电池组120的充放电；以及计算机终端180，作为人机交互界面，接收人工输入的数据或指令并显示相关结果。

根据本发明的优选实施例，所述主控制器110例如可以利用微处理单片机TMS320LF2407来实现，但是本发明不限于此。

本发明的DC/DC输出控制模块130与主控制器110完成锂离子电池组120放电时各路输出电流和电压大小的监测与控制。

DC/DC输出控制模块130的主要任务是监测锂离子电池组120放电时各路输出的电压/电流的变化情况。常常会出现的运行状态可包括：（1）锂离子电池组120放电3小时输出电压比标称电压低13％，（2）锂离子电池组120放电5小时输出电压比标称电压低13％，（3）锂离子电池组120放电6小时输出电压比标称电压低15％，以及（4）锂离子电池组120放电7小时输出电压比标称电压低20％。

DC/DC输出控制模块130负载切离下电控制保护是在电流电压反馈模块150采集的锂离子电池组120放电时端电压下降情况的基础上做出的，并特别设计3G设备在低功率运行时，DC/DC输出控制模块130根据锂离子电池组120放电时的电流变化情况，利用DC/DC输出控制模块130发回的***内部各模块的运行信息，从而自动对零功率的负载进行切离或对负载进行半载切离运行的方式，从而保证主设备运行所需最大后备时间以及防止铁锂电池由于一次过放电，就会造成蓄电池不可恢复的报废的主要问题。

如本领域技术人员所知晓，蓄电池在输出能量时，其两端电压不断下降，当下降到一定值（终止电压，即规定放电终止时蓄电池的负载电压）时，就必须断掉其能量输出回路，否则可能导致蓄电池过放电，使其寿命缩短甚至报废。这种在终止电压时，使蓄电池断掉负载防止过放电的措施称为一次下电。

当电池两端电压降到一定值时（通常高于终止电压），就断掉一部分次要负载，只给剩下的主要负载供电。之后当电压下降到终止电压时，则将主要负载也断掉，实现对蓄电池的保护。这种两级断开负载的措施即为二次下电。

二次下电的好处是在保证蓄电池不过放电的同时，可以给重要设备提供更长的供电时间，尽量减少通信中断的损失。如果需要实现***的二次下电功能，须将直流输出负载分成主要和次要负载，接到相应的分路上。

为了不必要地模糊对本发明的描述，在此不再赘述一次放电、二次放电以及主要/次要负载的布局。

根据本发明的优选实施例，本发明的锂离子电池直流输出控制方法可包括下述过程：

（1）设置各个参数，由主控制器110发出控制信号；

（2）通过电流电压反馈模块150采集锂离子电池组120在放电过程的电压和电流，得到实时的电压和电流值；

（3）由电流电压反馈模块150将关于锂离子电池组120的各项运行状态的信息提供给主控制器110进行处理；

（4）主控制器110判断锂离子电池组120是否处于不正常的运行状态；并且促使DC/DC输出控制模块130完成相应的负载140切离工作；以及

（5）主控制器110把数据发送到计算机终端180，以呈现给操作人员。

参考图3，对应于图2虚线框所示的部分，用于解释根据本发明的DC/DC输出控制模块130。根据本发明的优选实施例，对锂离子电池组120的直流输出控制是通过四路DC/DC输出控制来实现的，每路的DC/DC输出控制分别控制锂离子电池组对相应群组的负载供电。具体而言，DC/DC输出控制模块130是由四路DC/DC输出控制模块130A、130B、130C和130D组成，分别用于控制锂离子电池组120对负载140A、140B、140C和140D供电。应指出，各个四路DC/DC输出控制模块130A、130B、130C和130D所对应的负载140A、140B、140C和140D可以是任意分组的负载。

现在说明本发明的DC/DC四路输出控制模块对负载进行切离的工作原理。

DC/DC四路输出控制模块所采用的规则主要可包括：

（1）锂离子电池组120中两个以上的单体电池，如1号与16号放电电压与额定值相比下降快，电压低15-20%，充电电压上升快，端电压比额定值高7%，则整组电池容量变小15%。DC/DC四路输出控制模块启动，切离相关的负载输出，减少锂离子电池组120放电电流输出。DC/DC输出控制模块130全部切离。

（2）锂离子电池组120中十个以上的单体电池静置时电池端电压下降至3.0V，总端电压54V下降至49.7V，长期放置电压低，则自放电过大；DC/DC四路输出控制模块全部自动切离，锂蓄电池停止输出放电。

（3）锂离子电池组120中两个以上的单体电池放电时电池端电压与额定值相比下降很快达到30%，电压比平均电压低1伏左右，则有单元电池损坏；DC/DC四路输出控制模块只保留直流输出主设备供电，其余附属设备停止供电。

（4）锂离子电池组120开路电压很低，例如单体电池端电压为2.5V，不能带负载，否则电池损坏或连接不正常；DC/DC四路输出控制模块只保留直流输出主设备供电，其余附属设备停止供电。

具体而言，锂离子电池***100中锂离子电池组120放电过程的保护处理流程可以如下所述：

步骤1，锂离子电池组120放电流比正常值低60%，DC/DC输出控制模块130减小输出电流，控制输出功率为最大输出功率的50%，负载半载切离；

步骤2，锂离子电池组120放电流比正常值低70%，DC/DC输出控制模块130减小输出电流，控制输出功率为最大输出功率的50%，负载半载切离；

步骤3，锂离子电池组120放电流比正常值低80%，负载切离；

步骤4，锂离子电池组120放电流比正常值低90%，负载切离；

步骤5，锂离子电池组120放电3小时输出电压比标称电压低13％，负载切离；

步骤6，锂离子电池组120放电5小时输出电压比标称电压低13％，负载切离；

步骤7，锂离子电池组120放电6小时输出电压比标称电压低15％，负载切离；以及

步骤8，锂离子电池组120放电7小时输出电压比标称电压低20％，所有负载切离。

根据本发明的锂离子电池直流输出控制方法，在例如锂离子电池的运行环境不符合所需条件时，保证锂离子电池都不发生过放电，避免锂离子电池不可恢复的报废，提高锂离子电池***的有效性及实用性，从而解决锂离子电池在单节大容量和串联成高电压电池组时，不便在诸如电动车、移动通信基站等领域推广应用的难题。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明。尽管参考前述实施例对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域技术人员而言，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内作的任何修改、等同替换、改进等，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种锂离子电池***，包括：

锂离子电池组，用于对多个负载供电；

电流电压反馈模块，用于采集锂离子电池组在放电过程的电压和电流；以及

与所述多个负载电连接的直流输出控制模块，所述直流输出控制模块包括四路直流输出控制模块，分别用于根据锂离子电池组在放电过程的电压和电流的变化来控制锂离子电池组对所述多个负载中相应群组的负载的供电，从而防止锂离子电池组的过放电，

其中当锂离子电池组放电流比正常值低60%时，相应的四路直流输出控制模块减小输出电流，控制输出功率为最大输出功率的50%，

其中当锂离子电池组放电流比正常值低80%时，相应的四路直流输出控制模块切离其所控制的负载，

其中当锂离子电池组放电3小时输出电压比标称电压低13％时，相应的四路直流输出控制模块切离其所控制的负载，

其中当锂离子电池组放电7小时输出电压比标称电压低20％时，所有四路直流输出控制模块切离所有的所述多个负载。

2.一种锂离子电池直流输出控制方法，包括采集锂离子电池组的放电电压和电流，

以及根据锂离子电池组在放电过程的电压和电流的变化，通过四路直流输出控制来分别控制锂离子电池组对相应群组的负载供电，从而防止锂离子电池组的过放电，

其中当锂离子电池组放电流比正常值低60%时，减小输出电流，控制输出功率为最大输出功率的50%，

其中当锂离子电池组放电流比正常值低80%时，切离相应群组的负载，

其中当锂离子电池组放电3小时输出电压比标称电压低13％时，切离相应群组的负载，

其中当锂离子电池组放电7小时输出电压比标称电压低20％时，切离其所有群组的负载。

3.一种锂离子电池直流输出控制设备，包括直流输出控制模块，所述直流输出控制模块包括四路直流输出控制模块，分别用于根据锂离子电池组在放电过程的电压和电流的变化来控制锂离子电池组对相应群组的负载供电，从而防止锂离子电池组的过放电，

其中当锂离子电池组放电流比正常值低60%时，减小输出电流，控制输出功率为最大输出功率的50%，

其中当锂离子电池组放电流比正常值低80%时，切离相应群组的负载，

其中当锂离子电池组放电3小时输出电压比标称电压低13％时，切离相应群组的负载，

其中当锂离子电池组放电7小时输出电压比标称电压低20％时，切离其所有群组的负载。