一种大容量锂电池包电源管理系统的制作方法

本实用新型属于锂电池充放电保护技术领域，具体涉及一种大容量锂电池包电源管理系统。

背景技术：

目前，动力锂电池电源以其所具备的体积小、质量轻、能量密度大、无记忆效应、使用寿命长、使用范围广、工作电压高和自放电率低等优点而成为电动汽车的主流动力源技术。通常地，动力锂电池成组串联使用，多组之间再串联形成电源模块。当电源模块的容量要求较大时，考虑到体积分布和可靠性要求，一般会将若干个电源模块并联形成一个大容量的电池包。

由于电池单体之间存在一致性的问题，导致“木桶效应”的出现，即电池组总电量受某个单体电池限制，充电只能将一个单体电池充满，整个电池组不满，使得电池组放电容量变小。同样，电池组放电时若有单体达到设定值即需切断放电回路以避免过放电，进一步缩小电池组放电容量。为此人们采用一些充放电均衡技术来试图改善这个问题，大体上包括能量耗散型及能量转移型两类，基本上都是基于分流原理，在不断开电池的工作回路的前提下对于偏离多数区间的单体电池或者进行分流减负，或者进行汇流补充。其存在问题是大功率的分流、汇流效果不易实现，而且当单体电池接近于满电、欠电时仍需持续工作，一旦均衡控制措施匹配不佳时会加速电池老化；同时也无法简单地用新电池替换旧电池。

实用新型专利(申请号201620244331.4)提出了一种锂电池电源模块管理系统，该装置利用断流均衡的方法，能够以较为简单、经济的方式来实现电池单体的过充、过放异常状态的保护，从而改善电池组的使用容量 并延长电池组的使用寿命，并且在电池出现潜在故障时可以将损坏电池从主回路中移除，让其余电池继续提供电力，提高了电池系统的可靠性。但该专利使用的单刀双掷开关在考虑成本和可靠性的前提下，其具体实现往往难以达到200安培以上大电流长时间工作的要求。因此对于大容量锂电池方案需要采取将若干个电源模块并联形成一个大容量电池包的方法。与此同时，为了提高充电效率，2-3C(在20-30分钟内完成充电)的大功率快充技术日益得到推广应用。快充技术需要相当于慢充条件下几倍之多的充电电流，要求锂电源模块具备敏捷的充电管理功能，且电源模块与充电机之间需要直接配合，对于大容量锂电池方案而言若使用慢充技术的集中式充电方式就会在充电控制上难以满足要求。相应地，需要在该专利基础上针对大功率快充条件下多个电源模块并联情形进行必要的改善。

技术实现要素：

为了应对快充技术对大容量锂电池包充电管理的挑战,本实用新型提供一种大容量锂电池包电源管理系统，用以解决快充和慢充两种不同充电模式对于充电机和充电控制的差异化要求。其原理是在快充模式下利用由若干个电池组串联构成的电源模块进行再并联以降低断流均衡所使用的单刀双掷开关的工作电流，同时各电源模块单独连接充电机构成分布式充电以保证充电管理的快速可靠响应；在慢充模式下各电源模块并联，同时将充电控制功能转交给电池包管理单元负责。

为达到以上目的，本实用新型采用的技术方案是：一种大容量锂电池包电源管理系统，用于管理锂电池构成的电池包，所述电池包中包括若干个并联的电源模块，所述电源模块由若干个电池组串联构成，所述电池组由若干个电池片串联构成，所述电池片由一个电池单体或多个并联的电池单体构成，所述电池片并联一个转换开关；所述电源模块中包括相互连接的电源模块管理单元和电池组控制单元，每个所述电源模块连接一个第二充电机；所述大容量锂电池包电源管理系统包括与所述电源模块管理单元连接的电池包管理单元，所述电池包管理单元连接一个第一充电机，还包括用于快充/慢充模式切换、实现所述电源模块独立快充的选择单元；其中， 所述转换开关为转换型，采用磁保持继电器。

进一步，所述转换开关包含一个单刀双掷机械开关，所述单刀双掷机械开关由一个动触点与两个静触点构成；每个所述电池组中的所述转换开关组成一个开关阵列，所述开关阵列连接所述电池组控制单元；所述磁保持继电器为多线圈的双稳态结构，包含通过磁力保持所述动触点、静触点开合状态的永久磁铁或高剩磁特性衔铁；所述磁保持继电器的所述动触点、静触点间距大于1.3mm。

进一步，所述电源模块管理单元包括连接有直流接触器、电流传感器、限流保护器的第一CPU，设置在所述第一CPU上的第一CAN通信总线、第二CAN通信总线、第三CAN通信总线，所述第一CAN通信总线连接所述电池组控制单元；所述第二CAN通信总线连接所述电池包管理单元；所述第三CAN通信总线连接所述第二充电机；所述第二CAN总线、第三CAN通信总线分别通过光电隔离器设置在所述第一CPU上。

进一步，所述电池组控制单元包括通过光电隔离器与第一CAN通信总线相连的第二CPU，连接所述第二CPU的电压测量器、温度传感器，还包括电流测量器。

进一步，所述电源模块通过一个通讯接口与所述第二充电机相连。

进一步，所述选择单元包括设置在每个所述电源模块的并联线路上、用于连接/断开所述电源模块的并联连接的充电选择开关。

更进一步，所述充电选择开关是手动/自动机械开关。

进一步，所述选择单元还包括设置在所述电源模块的所述第二充电机上的一个单独的充电接口。

进一步，所述选择单元还包括设置在所述电源模块中的充电状态指示标志。

进一步，所述电池包中还包括一个设置在所述第一充电机上的充电接口，所述电池包管理单元通过一个通讯接口与所述第一充电机相连。

本实用新型的有益效果有以下几点：

1.解决快充和慢充两种不同充电方式对于充电机和充电控制的差异化要求；

2.在快充模式下可以降低断流均衡所使用的单刀双掷开关的工作电流要求，并保证充电管理的快速可靠响应。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式中所述大容量锂电池包电源管理系统的示意图；

图2是本实用新型具体实施方式中所述电源模块的示意图；

图3是本实用新型具体实施方式中所述开关阵列与所述电池片的连接关系示意图；

图中：1-第一充电机，2-通讯接口，3-电池包管理单元，4-电源模块，5-充电选择开关，6-充电接口，7-第二充电机，8-第一CPU，9-光电隔离器，10-第二CPU，11-开关阵列，12-电池组，13-电池片，14-第一CAN通信总线，15-第二CAN通信总线，16-第三CAN通信总线，17-直流接触器，18-电流传感器，19-限流保护器，20-磁保持继电器，21-单刀双掷机械开关，22-继电器驱动电路。

具体实施方式

本实用新型所涉及的大容量电池包中的每一个电池片都并联有一个转换开关，这个转换开关是一种单刀双掷开关，在考虑成本和可靠性的前提下，往往难以达到200安培以上大电流长时间工作的要求。因此对于大容量锂电池方案需要采取先串后并的方法，即先将若干个电池片串联形成的 电池组再串联构成电源模块，然后将若干个电源模块并联形成一个大容量电池包。每个电源模块容量较小，即使在2-3C条件下的快充模式，其充电电流增加几倍也仍处于可接受范围内。要发挥断流均衡的优势，需要电源模块具备敏捷的充电管理功能，且电源模块与充电机之间需要直接配合，对于大容量锂电池包方案而言多个独立充电机的分布式充电方式是有必要的。在此方式下，每个电源模块的充电过程相互独立，各自配备有充电接口；还包括充电选择开关，即内部各个电源模块相互连接的自动/手动机械开关，可以断开以选择分布式充电模式。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。

一种大容量锂电池包电源管理系统(见图1)，用于管理锂电池构成的电池包，电池包中包括若干个并联的电源模块4，电源模块4中设有电源模块管理单元，每个电源模块4连接一个第二充电机7(电源模块4通过一个通讯接口2与第二充电机7相连)。(在图1中，电源模块4的数量为两个，仅为示意。)

如图1所示，大容量锂电池包电源管理系统包括电池包管理单元3，电池包管理单元3与电源模块4中的电源模块管理单元连接；还包括与电池包管理单元3连接的一个第一充电机1；还包括用于快充/慢充模式切换、实现电源模块4独立快充的选择单元。

电池包中还包括一个设置在第一充电机1上的充电接口6，电池包管理单元3通过一个通讯接口2与第一充电机1相连。这个通讯接口2是电池包对第一充电机1的通讯控制端口，能够通过它控制第一充电机1调整对电池包的充电模式和充电电流大小。

如图2所示，电源模块4中包括相互连接的电源模块管理单元和电池组控制单元。其中，电源模块4由若干个电池组12串联构成，每个电池组12由若干个电池片13串联构成，每个电池片13由一个电池单体或多个并联的 电池单体构成(电池单体在图中未标明)。每个电池片13都并联一个转换开关(见图3)，转换开关的继电器采用磁保持继电器20，转换开关包含一个单刀双掷机械开关21，单刀双掷机械开关21由一个动触点与两个静触点构成，单刀双掷机械开关21包括“常闭”和“转换”两种状态；磁保持继电器20为多线圈的双稳态结构，包含通过磁力保持动触点、静触点开合状态的永久磁铁或高剩磁特性衔铁；磁保持继电器20的动触点、静触点间距大于1.3mm，典型值为1.6mm；闭合时触点压力大于500克力(双稳态结构是指在电磁线圈断电后永久磁铁或衔铁仍能保持线圈通电时位置的结构)。磁保持继电器20的触点间距较小时可以减少动作时间，但容易产生触点电弧。在本实施例中，由于通过的电流较大，磁保持继电器20的触点间距应大于1.3mm以抑制触点电弧。每个转换开关的磁保持继电器20均通过专用的继电器驱动电路22连接电池组控制单元并获得电池组控制单元发出的驱动信号。每个电池组12中的转换开关组成一个开关阵列11，开关阵列11连接电池组控制单元。

如图2所示，电源模块管理单元包括连接有直流接触器17、电流传感器18、限流保护器19的第一CPU8，设置在第一CPU8上的第一CAN通信总线14、第二CAN通信总线15、第三CAN通信总线16，第一CAN通信总线14连接电池组控制单元；第二CAN通信总线15连接电池包管理单元3；第三CAN通信总线16连接第二充电机7；第二CAN总线15、第三CAN通信总线16分别通过光电隔离器9设置在第一CPU8上。

如图2所示，电池组控制单元包括通过光电隔离器9与第一CAN通信总线14相连的第二CPU10，连接第二CPU10的电压测量器、温度传感器，还包括电流测量器(电压测量器、温度传感器，电流测量器在图中未标出)，电池组控制单元能够监测每个电池片13的充放状态的状态参数并发出相应驱动信号控制开关阵列11中的转换开关改变状态使相应的电池片13移出充、放电回路。

如图1所示，本实用新型所提供的大容量锂电池包电源管理系统的选择单元包括充电选择开关5，充电选择开关5设置在每个电源模块4的并联线路 上，用于连接/断开各个电源模块4之间的并联连接，还包括设置在电源模块4的第二充电机7上的一个单独的充电接口6，以及设置在电源模块4中的充电状态指示标志(图中未标明)。其中，充电选择开关5是手动/自动机械开关。

当需要对电池包进行快充时，充电选择开关5处于断开状态，此时各个电源模块4之间的并联连接被断开，形成各个电源模块4独立连接充电机(第二充电机7)并通过各自单独的充电接口6进行充电的分布式充电模式，充电控制功能由各个电源模块4的电源模块管理单元负责，降低了断流均衡所使用的单刀双掷开关21的工作电流，保证充电管理的快速可靠响应。

当需要对电池包进行慢充时，充电选择开关5处于闭合状态，各个电源模块4形成并联，形成所有电源模块4通过与电池包管理单元3连接的第一充电机1(及第一充电机1上的充电接口6)进行充电的集中式充电模式，充电控制功能由电池包管理单元3负责，电池包管理单元3对第一充电机1进行控制，并协调各电源模块4。此时形成以“电池组-电源模块-电池包”为层次的三级管理架构。

对于电池包管理单元3而言，将存在以下几种工作模式：

1.分布式充电(快充)：断开充电选择开关5，每个电源模块4单独连接和控制各自所属的第二充电机7进行独立充电；各个电源模块4的充电状态会发送给电池包管理单元3，若充电结束将在各个电源模块4的“充电状态指示标志”上予以提示。

2.集中式充电(慢充)：闭合充电选择开关5，各个电源模块4相互并联，由电池包管理单元3统一控制第一充电机1，充电过程中各个电源模块4将充电状态发给电池包管理单元3。

3.集中式放电：闭合充电选择开关5，各个电源模块4相互并联。放电过程中各个电源模块4独立管理，并将各自的放电状态发给电池包管理单元3；若某个电源模块4因电量提前耗尽或突发异常状态(例如过热)，该电源模块可以断开其内部直流接触器17而停止放电。

在充放电期间，各电源模块4自主控制内部的直流接触器17和限流保护器19，在电流过大时可以通过限流保护器19启动限流电路或断开直流接触器17。

本实用新型所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本实用新型的技术创新范围。