CN106208230A - 一种带充电阶段限流功能的电池管理*** - Google Patents

一种带充电阶段限流功能的电池管理*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种带充电阶段限流功能的电池管理***，包括：主控模块、温度检测模块、模拟前端模块、开关电源控制器、限流模块。其中，模拟前端模块包括用于监测电池电压的电压监测单元、用于监测电池充放电电流的充放电电流监测单元、用于监测电池充放电短路的短路电流监测单元。主控模块根据所述电压监测单元的监控信息与充放电电流监测单元的监控信息发送相应的控制信息至开关电源控制器，开关电源控制器根据控制信息控制限流模块，从而实现控制电池的充电电流大小。本发明能够实现电池在不同充电阶段以不同充电恒流进行充电，有效防止短路及过流造成起火、***事故，以及过流发热造成的电池劣化和损坏。

Description

一种带充电阶段限流功能的电池管理***
技术领域
本发明涉及电池管理***技术，尤其涉及一种带充电阶段限流功能的电池管理***。
背景技术
磷酸铁锂动力电池因其循环使用寿命长、安全性能好、成本低等优点，成为储能装置的理想动力源。在世界各国科研机构共同努力下，锂动力电池技术得到迅猛发展，在近几年中，锂动力电池的市场销售量成井喷之势，而应用锂动力电池最多的领域为电动汽车领域。由于电动汽车因其动态性能要求较高，电池容量下降到80%以后就要被替换掉，因此可以想象到未来几年替换下来的二手锂动力电池数目将非常巨大，如何处理这些电池是各国政府不得不面临的课题。由于储能装置特别是通信基站后备电源因其使用环境较好，对能量比要求不高，安装空间相对宽松，正是适得其所。
电池管理***主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过度充电和过度放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。随着电池管理***的发展，电池管理***的功能相比早期更趋于完善，检测精度及可靠性方面也有很大提高，尤其是基站锂动力储能电池管理***。然而，目前的基站锂动力储能电池管理***还没有带充电阶段限流功能。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种带充电阶段限流功能的电池管理***。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带充电阶段限流功能的电池管理***，包括：
主控模块、温度检测模块、模拟前端模块、开关电源控制器、限流模块。其中，模拟前端模块包括用于监测电池电压的电压监测单元、用于监测电池充放电电流的充放电电流监测单元、用于监测电池充放电短路的短路电流监测单元。温度检测模块用于检测电池的温度以及环境的温度。限流模块用于限制电池的充电电流大小。主控模块根据所述电压监测单元的监控信息与充放电电流监测单元的监控信息发送相应的控制信息至开关电源控制器，开关电源控制器根据控制信息控制限流模块，从而实现控制电池的充电电流大小。
进一步地，所述限流模块包括检测电阻、储能电感、MOS管、MOS管驱动、PWM控制器、第一隔离器、第二隔离器、运放、精密电阻、分压电阻。电池的负极分两路，其中一路依次与检测电阻、储能电感、MOS管连接后接地，另一路连接运放的反相输入端；运放的输出端依次与第一隔离器、PWM控制器、MOS管驱动、MOS管连接；精密电阻的一端接入基准电压，另一端与分压电阻连接后接地；第二隔离器的输入端接入信号端子A与信号端子B，第二隔离器的输出端与分压电阻的两端相连接；精密电阻与分压电阻的节点连接运放的同相输入端；检测电阻与储能电感的节点接地。
进一步地，所述主控模块根据所述电压监测单元的监控信息与充放电电流监测单元的监控信息发送相应的控制信息至开关电源控制器，开关电源控制器根据控制信息控制限流模块，从而实现控制电池的充电电流大小，具体为：如果最低单节电池电压低于3.0V，则启动15A充电限流，开关电源控制器调整PWM频率，从而控制开关管导通或截止实现15A恒流充电；如果最低单节电池电压达3.2V，则启动10A充电限流，开关电源控制器调整PWM频率，从而控制开关管导通或截止实现10A恒流充电；如果某节电池电压充至3.5V，则启动5A限流充电，开关电源控制器调整PWM频率，从而控制开关管导通或截止实现5A恒流充电。
进一步地，所述主控模块还用于接收短路电流监测单元的监控信息，如果电池的充电电流大于预设值，则判断为短路，并且直接终止充电，防止短路造成起火、***事故。此外，所述主控模块还用于接收温度检测模块的温度检测信息，并且根据温度检测信息对电池的充电电流大小进行调节，从而实现温度调节，有效实现电池高低温保护。
进一步地，本电池管理***采用恒流充电库仑计积分及ΔQ/ΔV极值修正法对电池荷电状态SOC进行估算。
进一步地，所述主控模块为32位高速低功耗ARM芯片。所述模拟前端模块为模拟前端ML5238芯片。
本发明带充电阶段限流功能的基站锂动力储能电池管理***的有益效果有：
主控模块采用32位高速低功耗ARM芯片，模拟前端ML5238芯片，并且采用开关电源恒流原理辅以主芯片控制，能够实现电池在不同充电阶段以不同充电恒流进行充电，有效防止短路及过流造成起火、***事故，以及过流发热造成的电池劣化和损坏。
附图说明
图1是本发明带充电阶段限流功能的电池管理***的结构示意图；
图2是本发明带充电阶段限流功能的电池管理***限流模块的电路原理图；
图中：1为主控模块、2为温度检测模块、3为模拟前端模块、4为开关电源控制器、5为限流模块、31为电压监测单元、32为充放电电流监测单元、33为短路电流监测单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，带充电阶段限流功能的电池管理***包括主控模块1、温度检测模块2、模拟前端模块3、开关电源控制器4、限流模块5。其中，模拟前端模块3包括用于监测电池电压的电压监测单元31、用于监测电池充放电电流的充放电电流监测单元32、用于监测电池充放电短路的短路电流监测单元33。主控模块1为32位高速低功耗ARM芯片，模拟前端模块3为模拟前端ML5238芯片，开关电源控制器4采用TL494，方案简洁高效，性价比优势明显。
温度检测模块2用于检测电池的温度以及环境的温度，并且将检测信息发送至主控模块1。通过6路温度探头，分别监测电芯、环境、功率的温度，通过上位机设置不同保护值及延时，ARM通过相应算法，决策执行对应动作。所述电芯为4路分布式。
电压监测单元31对电池电压进行监测，将监测信息实时发送至主控模块1。同理，充放电电流监测单元32对电池充放电电流进行检测，将监测到的信息实时发送至主控模块1。短路电流监测单元33对电池充放电时短路进行监测，并且将监测信息实时发送至主控模块1。通过对电压、电流、温度这三个物理量的监测，实时分析电池状态，执行过压、过温、过流及短路保护，实现充放电能量及均衡管理。
如图2所示，限流模块5包括检测电阻、储能电感、MOS管、MOS管驱动、PWM控制器、第一隔离器、第二隔离器、运放、精密电阻、分压电阻。电池的负极分两路，其中一路依次与检测电阻、储能电感、MOS管连接后接地，另一路连接运放的反相输入端；运放的输出端依次与第一隔离器、PWM控制器、MOS管驱动、MOS管连接；精密电阻的一端接入基准电压，另一端与分压电阻连接后接地；第二隔离器的输入端接入信号端子A与信号端子B，第二隔离器的输出端与分压电阻的两端相连接；精密电阻与分压电阻的节点连接运放的同相输入端；检测电阻与储能电感的节点接地。
控制原理为两路控制，A路低电平，光耦隔离输出，控制接入分压电阻，输出PWM1脉宽信号，驱动MOS开关实现5A恒流充电。在A路低电平同时，B路低电平，隔离输出，控制并入分压电阻，输出PWM2脉宽信号，驱动MOS开关实现10A恒流充电。所述信号端子A输入的是A路低电平，信号端子B输入的是B路低电平。
主控模块1根据所述电压监测单元31的监控信息与充放电电流监测单元32的监控信息发送相应的控制信息至开关电源控制器4，开关电源控制器4根据控制信息控制限流模块5，从而实现控制电池的充电电流大小。具体为：如果最低单节电池电压低于3.0V，则启动15A充电限流，即A路置低电平隔离输出，开关电源控制器4调整PWM频率，从而控制开关管导通或截止实现15A恒流充电；如果最低单节电池电压达3.2V，则启动10A充电限流，即A路与B路均隔离输出低电平，开关电源控制器4调整PWM频率，从而控制开关管导通或截止实现10A恒流充电；如果某节电池电压充至3.5V，则启动5A限流充电，此时B路置高，仅A路隔离输出低电平，开关电源控制器4调整PWM频率，从而控制开关管导通或截止实现5A恒流充电。
主控模块1还用于接收短路电流监测单元33的监控信息，如果电池的充电电流大于预设值，则判断为短路，并且直接终止充电，防止短路造成起火、***事故。此外，主控模块1还用于接收温度检测模块2的温度检测信息，并且根据温度检测信息对电池的充电电流大小进行调节，从而实现温度调节，有效实现电池高低温保护。
本电池管理***采用恒流充电库仑计积分及ΔQ/ΔV极值修正法对电池荷电状态SOC进行估算。业内大家SOC估算普遍采用库仑计积分和开路电压结合的办法。磷酸铁锂电压平台比较低，充放电曲线中间比较平坦，所以开路电压无法做到准确。由于电流是动态的，库仑计积分存在误差，随着时间的增加累计误差越来越大，所以采用库仑计积分也必然会误差越来越大。本电池管理***充电管理采用恒流方式，本身已经排除了库仑计积分过程中电流的动态性，除去电池自耗电、极化电压及内阻变化因素，基本保证库仑计积分的精度。在电池包匹配组装完成后，放完电，完成一次恒流限流充电自学习过程，ARM获取ΔQ/ΔV极值点，库仑计积分得极值点SOC以及FCC，SOC/FCC得ΔQ/ΔV极值点容量所占百分比，存储其SOC及百分比。根据ΔQ/ΔV极值点SOC占比，极值点SOC值及满充容量FCC进行自适应调整SOC。
本发明ARM设置有三级保护参数，即Ｉ级过流，Ⅱ级过流及短路三级过流保护，Ⅱ级过流及短路Ⅱ级过流由上位机软件设置保护电流及延时时间，可以说万无一失。短路保护由ARM设置保护电流参数，硬件设置延时，硬件保护快速准确及时，有效避免火灾及***的发生，完全避免纯软件功能实现的短路保护动作因干扰失效的风险。
本电池管理***可实现2级休眠：待机3分钟后仍为无充放电、无通信状态则进入Ｉ级休眠；电流500多微安，通信及充放电可激活；过放保护无充电状况下，BMS***及电芯自耗电会让电池电压进一步降低，如果降低到休眠电压时，***进入深度休眠。深度休眠时，电流1微安左右，大大降低BMS***自耗电，大大延迟电池待机时长。

Claims (8)

1.一种带充电阶段限流功能的电池管理***，其特征在于，包括：
主控模块(1)、温度检测模块(2)、模拟前端模块(3)、开关电源控制器(4)、限流模块(5)；
其中，模拟前端模块(3)包括用于监测电池电压的电压监测单元(31)、用于监测电池充放电电流的充放电电流监测单元(32)、用于监测电池充放电短路的短路电流监测单元(33)；
温度检测模块(2)用于检测电池的温度以及环境的温度；
限流模块(5)用于限制电池的充电电流大小；
主控模块(1)根据所述电压监测单元(31)的监控信息与充放电电流监测单元(32)的监控信息发送相应的控制信息至开关电源控制器(4)，开关电源控制器(4)根据控制信息控制限流模块(5)，从而实现控制电池的充电电流大小。
2.根据权利要求1所述的带充电阶段限流功能的电池管理***，其特征在于，所述限流模块(5)包括检测电阻、储能电感、MOS管、MOS管驱动、PWM控制器、第一隔离器、第二隔离器、运放、精密电阻、分压电阻；电池的负极分两路，其中一路依次与检测电阻、储能电感、MOS管连接后接地，另一路连接运放的反相输入端；运放的输出端依次与第一隔离器、PWM控制器、MOS管驱动、MOS管连接；精密电阻的一端接入基准电压，另一端与分压电阻连接后接地；第二隔离器的输入端接入信号端子A与信号端子B，第二隔离器的输出端与分压电阻的两端相连接；精密电阻与分压电阻的节点连接运放的同相输入端；检测电阻与储能电感的节点接地。
3.根据权利要求1所述的带充电阶段限流功能的电池管理***，其特征在于，所述主控模块(1)根据所述电压监测单元(31)的监控信息与充放电电流监测单元(32)的监控信息发送相应的控制信息至开关电源控制器(4)，开关电源控制器(4)根据控制信息控制限流模块(5)，从而实现控制电池的充电电流大小，具体为：如果最低单节电池电压低于3.0V，则启动15A充电限流，开关电源控制器(4)调整PWM频率，从而控制开关管导通或截止实现15A恒流充电；如果最低单节电池电压达3.2V，则启动10A充电限流，开关电源控制器(4)调整PWM频率，从而控制开关管导通或截止实现10A恒流充电；如果某节电池电压充至3.5V，则启动5A限流充电，开关电源控制器(4)调整PWM频率，从而控制开关管导通或截止实现5A恒流充电。
4.根据权利要求1所述的带充电阶段限流功能的电池管理***，其特征在于，所述主控模块(1)还用于接收短路电流监测单元(33)的监控信息，如果电池的充电电流大于预设值，则判断为短路，并且直接终止充电，防止短路造成起火、***事故。
5.根据权利要求1所述的带充电阶段限流功能的电池管理***，其特征在于，所述主控模块(1)还用于接收温度检测模块(2)的温度检测信息，并且根据温度检测信息对电池的充电电流大小进行调节，从而实现温度调节，有效实现电池高低温保护。
6.根据权利要求1所述的带充电阶段限流功能的电池管理***，其特征在于，本电池管理***采用恒流充电库仑计积分及ΔQ/ΔV极值修正法对电池荷电状态SOC进行估算。
7.根据权利要求1所述的带充电阶段限流功能的电池管理***，其特征在于，所述主控模块(1)为32位高速低功耗ARM芯片。
8.根据权利要求1所述的带充电阶段限流功能的电池管理***，其特征在于，所述模拟前端模块(3)为模拟前端ML5238芯片。
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