专利名称：一种后备电池的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电子电路技术领域，特别涉及一种后备电池。
背景技术：
在信息化时代，数据安全凸显重要。无论是政府部门或大型企业使用的计算机设备或者网络服务器、数据存储器等重要设备，为了防止在动カ电突然掉电使正在工作的设备出现重要数据丢失的情况发生，通常都需要配置标准时间或“长延吋”的储备能源来保证系统的正常使用。后备电池作为ー种储备能源，随着IT信息技术的高速发展和计算机系统的广泛应用应运而生。 用作后备电池的电池类型一般是容量密度高、可反复充放电的锂离子电池和磷酸铁锂电池(铁电池)等二次电池。它们与其他类型电池如镍镉、镍氢等电池比较，具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无“记忆效应”和绿色无污染等特出优点，因此得到越来越广泛的应用，促进了电池技术的更新换代。因为标准备电应用的场合为12V、24V、48V等电压平台，单体锂离子电池等二次电池电压无法满足应用需求，通常需要多个电池串联使用。然而串联使用的锂离子电池等ニ次电池由于制造エ艺和本身特性的局限，个体的差异化比较大。传统后备电池生产厂家研究的重点是提高单只电池性能，忽略了成组应用问题和电池串并联应用对电池性能的影响；而传统电池管理系统(BMS)与电池是分离的，忽视了温度对电池性能的影响，忽视了老化对电池性能的影响，忽视了不同类型、厂家、电压等级的差异，电池组内部分电池存在严重的过充电和过放电隐患，加之锂离子电池等二次电池抗过充能力和过放能力较差，所以安全性和寿命性都无法保证。
实用新型内容本实用新型g在至少解决上述技术问题之一。为此，本实用新型的目的在于提出ー种后备电池。该后备电池能有效监控电池组状态，实行多变量闭环控制，防止电池组过充电和过放电，保障电池组使用的安全且提高电池组的使用寿命。为了实现上述目的，本实用新型提出了ー种后备电池，包括电池组；分别与所述电池组相连的充电单元和放电单元；以及电池管理系统BMS，所述BMS分别与所述电池组、所述充电単元和所述放电単元相连，所述BMS检测所述电池组的运行參数，并根据所述运行參数对所述充电单元和放电单元进行控制。根据本实用新型的后备电池的电池管理系统BMS对电池组进行实时地监测和控制，能有效监控电池状态，实行多变量闭环控制，防止电池组过充电和过放电，保障电池组使用的安全，提高电池组的使用寿命。另外本实用新型的后备电池性能稳定、体积小功率大，可以实现大倍率放电，支持长时间备电和适应低温恶劣环境下的备电需求，且降低了电路设计的复杂度，提高了设计的可靠性，并支持热插拔，方便维护。本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图I为本实用新型实施例的后备电池的模块框图；图2为本实用新型实施例的后备电池的电池管理系统BMS的拓扑示意图；图3为本实用新型实施例的后备电池的充电单元的一种拓扑示意图；图4为本实用新型实施例的后备电池的充电单元的另ー种拓扑示意图；图5为本实用新型实施例的后备电池的放电单元的一种拓扑示意图；图6为本实用新型实施例的后备电池的放电单元的另ー种拓扑示意图；以及图7本实用新型实施例的后备电池的加热单元的拓扑示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过參考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为
基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
以下结合附图1-7描述根据本实用新型实施例的后备电池。參考图1，根据本实用新型实施例的后备电池包括电池组110、充电单元120、放电单元130和电池管理系统140 (BMS)。充电单元120和放电单元130均与电池组110相连。电池管理系统HO(BMS)分别与电池组110、充电单元120和放电单元130相连，电池管理系统HO(BMS)检测电池组110的运行參数，井根据运行參数对充电单元120和放电单元130进行控制。在本实用新型的一些示例中，电池组110的运行參数例如包括电池组110的电压、电池组110的电流以及电池组110的温度等。根据本实用新型的后备电池的电池管理系统BMS对电池组进行实时地监测和控制，能有效监控电池状态，实行多变量闭环控制，防止电池过充电和过放电，保障电池使用的安全，提高电池的使用寿命。另外本实用新型的后备电池性能稳定、体积小功率大，可以实现大倍率放电，支持长时间备电和适应低温恶劣环境下的备电需求；通过严格筛选、配组，避免了多个电池串联用一致性差的问题，降低了电路设计的复杂度，提高了设计的可靠性；同时支持热插拔，方便维护。
以下结合附图2-6分别对本实用新型实施例的后备电池的充电单元120、放电单元130和电池管理系统HO(BMS)做详细描述。如图2所示，电池管理系统HO(BMS)包括ニ极管D1、辅助电源141、运行參数检测单元142以及控制器MCU。ニ极管Dl的正极与整流模块150的输出端(整流模块150的右侧)相连。辅助电源141的输入端与ニ极管Dl的负极相连。运行參数检测单元142与电池组110相连，运行參数检测单元142检测电池组110的运行參数。控制器MCU分别与辅助电源141和运行參数检测单元142相连，控制器MCU根据运行參数对充电单元120和放电单元130进行控 制。參考图2，在本实用新型的进ー步实施例中，电池管理系统HO(BMS)还包括开关模块144,开关模块144的输出端与辅助电源141相连,开关模块144的输入端与电池组110相连，开关模块144的使能端与控制器MCU相连，开关模块144在控制器MCU的控制下通过电池组110对辅助电源141进行供电。再次结合图2，电池管理系统140 (BMS)还可包括报警接ロ 143，在所述运行參数异常时，电池管理系统HO(BMS)通过报警接ロ 143输出运行參数。由此，可使用户了解到电池组110的实时状态，进而保证电池组110使用的安全。如图3所示,本实用新型实施例的充电单元120进ー步包括有缓启动模块121,缓启动模块121的输入端与整流模块150的输出端相连，缓启动模块121对整流模块150输出的电压进行缓冲；升压模块122，升压模块122的输入端与缓启动模块121的输出端相连，升压模块122对缓启动模块121缓冲的电压进行升压；以及开关模块123，开关模块123的输入端与升压模块122的输出端相连,开关模块123的输出端与电池组110相连,开关模块123在电池管理系统HO(BMS)的控制下对电池组110进行充电。进ー步地，充电单元120还包括限流电阻R1，限流电阻Rl的一端与升压模块122的输出端相连，限流电阻Rl的另一端与开关模块123的输入端相连。需理解，限流电阻Rl实际上起到的作用为对升压模块122的输出电压进行降压，即限流电阻Rl的作用为分压，因此，可以用其它具有分压作用的装置，如图4所示，可选地，充电单元120还包括有降压模块124，即用降压模块124取代限流电阻R1。降压模块124的输入端与升压模块122的输出端相连,降压模块124的输出端与开关模块123的输入端相连，降压模块124对升压模块122的输出电压进行降压。參考图5，本实用新型实施例的后备电池的放电单元130进ー步包括放电开关模块131以及失效隔离模块132。放电开关模块131的输入端与电池组110相连，放电开关模块131在电池管理系统HO(BMS)的控制下输出电池组110的电压。失效隔离模块132的输入端与放电开关模块131的输出端相连，失效隔离模块132的输出端与负载160相连，失效隔离模块132在失效隔离模块132的输出端电压大于失效隔离模块132的输入端电压时自动切断。[0034]參考图6，在本实用新型的一些示例中，放电单元130还包括放电降压模块133，放电降压模块133连接在电池组110和放电开关模块131之间，放电降压模块133对放电开关模块131的输出电压进行降压。如图I所示，本实用新型实施例的后备电池进ー步包括加热单元170，加热单元170与电池管理系统HO(BMS)相连，在电池组110的温度低于阈值之后，电池管理系统140 (BMS)控制加热单元170对电池组110进行加热。需要说明的是，上述的阈值根据经验值确定，容易理解通常情况下电池组110的温度过低，将对电池组110的性能造成影响，因此，为了防止电池组110的温度过低对自身性能造成影响，在该实施例中，可以通过加热单元170对电池组110进行加热，以防止电池组110的温度过低。由此，避免电池组110的温度过低对自身的性能造成影响，有效地提升了电池组110的性能。如图7所示，加热单元170进ー步包括有加热模块171，加热模块171的一端与整流模块的输出端相连；加热开关模块172，加热开关模块172与加热模块171的另一端相连，加热开关模块172在电池管理系统HO(BMS)的控制下启动加热模块171对电池组110 进行加热。
以下结合附图I至7对本实用新型实施例的后备电池的工作原理做详细描述。參考图I，本实用新型实施例的后备电池的工作原理如下当交流市电正常时，整流模块150将交流市电转换成+12V给负载160供电，同时启动内置的电池管理系统140 (BMS)控制充电单元120转换+12V给电池组110充电，充电过程中一直检测电池组110的电压、温度和电流(充电电流)，若电池组110的电压、温度和电流正常，则继续使充电单元120对电池组110充电直至充满，若电池组110中的任何ー个电池的电压过高达到设定的保护值，或温度过高达到设定的保护值，或充电电流超过设定的保护值，则电池管理系统HO(BMS)控制充电单元120关闭输出，停止对电池组110充电，对电池组110进行充电保护并通过报警接ロ 143上报电池运行状态和告警信息。若充电过程中电池管理系统HO(BMS)检测到电池组110的温度过低，达到启动加热単元170的设定值，则控制加热单元170启动对电池组110进行加热，当加热后电池组110的温度达到关闭加热单元170的设定值，则控制加热单元170停止对电池组110进行加热。当交流市电掉电后，电池管理系统HO(BMS)在ImS内控制电池组110通过放电单元130给出负载160供电，放电过程中一直检测电池组110的电压、温度和放电电流，若电池组110的电压、温度和放电电流正常，则继续使放电单元130对负载160供电直至备电结束，备电结束后，电池管理系统HO(BMS)给出放电控制信号，切断电池组110供电，若电池组110中的任何一个电池的电压过低达到设定的保护值，或温度过高达到设定的保护值，或放电电流超过设定的保护值，则电池管理系统HO(BMS)控制放电单元130关闭输出，停止对负载160供电，对电池组110进行放电保护并通过报警接ロ 143上报电池运行状态和告警信息。參考图2，电池管理系统140 (BMS)的工作原理如下当交流市电正常时整流模块150输出的+12V通过ニ极管Dl输入到辅助电源141的输入端IN210，使辅助电源141的输出端0UT210输出合适的工作电压给电池管理系统140 (MCU)的供电端VDD，令电池管理系统140 (MCU)稳定工作，编译器(未示出)通过ISP接ロ 213对电池管理系统HO(MCU)写入程序代码，电池管理系统HO(MCU)输出控制信号到开关电路215的使能端EN，令电池组110通过开关模块144输入到辅助电源141，与整流模块150输出的+12V构成双路供电，这样当交流市电掉电后，电池管理系统HO(MCU)的供电端VDD不会随之掉电，提高电池管理系统HO(MCU)工作的可靠性。电压、电流、温度的检测単元142采集充电及放电过程中每ー时刻电池组110的电压、温度及电流变化，输入到MCU，形成多变量闭环控制，输出充电控制信号、放电控制信号和加热控制信号，分别对充电单元120、放电单元130和加热单元170进行有效控制并通过报警接ロ 143上报电池运行状态和告警信息。參考图3，充电单元120的工作原理如下当交流市电正常时整流模块150输出的+12V通过缓启动模块121输入到升压模块122，缓启动模块121位于升压模块122的输入端IN231与整流模块150输出的+12V中间，目的是使升压模块122的输入端IN231电压缓慢上升，避免造成整流模块150输出的+12V产生较大波动，影响对负载160供电。升压模块122的作用是将整流模块150输出的+12V进行电压转换，升压至合适的电压范围以保证电池组110可以完全充满电，保证备电需求。限流电阻Rl的作用是防止大电流充电造成电池组110的过重极化，从而影响电池组·110的一致性，影响使用寿命，开关模块123位于升压模块122和电池组110之间，电池管理系统HO(BMS)输出的充电控制信号输入到开关模块123的使能端EN232，控制开关模块123接通或断开。參考图4，在另外ー种充电单元120的工作原理如下当交流市电正常时整流模块150输出的+12V通过缓启动模块121输入到升压模块122，缓启动模块121位于升压模块122的输入端IN231与整流模块150输出的+12V中间，目的是使升压模块122的输入端IN231电压缓慢上升，避免造成整流模块150输出的+12V产生较大波动，影响对负载160供电。升压模块122的作用是将整流模块150输出的+12V进行电压转换，升压至合适的电压范围作为降压电路233的输入。与图3的区别在于降压电路233替代限流电阻R1。所述降压模块124位于升压模块122与开关电路232中间，作用是将升压模块122升压转换后的输出电压进行DC/DC降压转换以实现对电池组110实行CC/CV模式充电，与图3所示方案比较，该方案的优点是充电效率更高。电池管理系统140 (BMS)输出的充电控制信号输入到开关模块123的使能端EN232，控制开关模块123接通或断开。參考图5，放电单元130的工作原理如下当交流市电正常时整流模块150输出的+12V给负载160供电，电池管理系统140 (BMS)输出放电控制信号到放电开关模块131的使能端EN241控制放电开关模块131断开，切断电池组110对负载160供电。当交流市电掉电时，电池管理系统HO(BMS)输出放电控制信号到放电开关模块131的使能端EN241控制放电开关模块131接通，使电池组110通过失效隔离模块132对负载160供电。供电过程中，当备电结束或者检测到电池组110电压、温度、放电电流有异常，超过设定的保护值，电池管理系统HO(BMS)输出放电控制信号到放电开关模块131的使能端EN241控制放电开关模块131断开，切断电池组110对负载160供电。失效隔离模块132的作用是当失效隔离模块132的输出端0UT240电压比输入端IN240电压高的时候，即电池组110无法对负载160正常供电的时候，自动切断放电回路，防止倒灌现象的产生，并且支持热插拔，方便维护。參考图6，另外ー种放电单元130的工作原理如下当交流市电正常时整流模块150输出的+12V给负载160供电，电池管理系统140 (BMS)输出放电控制信号到放电开关模块131的使能端EN241控制放电开关模块131断开，切断电池组110对负载160供电。当交流市电掉电时，电池管理系统HO(BMS)输出放电控制信号到放电开关模块131的使能端EN241控制放电开关模块131接通，使电池组110通过失效隔离模块132对负载160供电；供电过程中，当备电结束或者检测到电池组110电压、温度、放电电流有异常，超过设定的保护值，电池管理系统HO(BMS)输出放电控制信号到放电开关模块131的使能端EN241控制放电开关模块131断开，切断电池组110对负载160供电。失效隔离模块132的作用是当失效隔离模块132的输出端0UT240电压比输入端IN240电压高的时候，即电池组110无法对负载160正常供电的时候，自动切断放电回路，防止倒灌现象的产生，并且支 持热插拔，方便维护。与图5所示方案比较，増加了放电开关模块131，在一些应用中，电池组110充满电后的电压会高于负载160所能承受的最大电压，如果直接对负载160供电，负载160因为工作电压过高无法正常工作或者损坏。为了既满足对负载160长时间备电又不影响负载160正常工作，所以电池组110不能直接对负载160供电，而是需要通过放电开关模块131进行适当的降压处理再对负载160进行供电。參考图7，加热单元170的工作原理如下当交流市电正常时整流模块150输出+12V给负载160供电；若电池管理系统140 (BMS)检测到电池组110的温度过低，达到启动加热单元170的设定值，则输出加热控制信号到加热开关模块172的使能端EN251控制整流模块150输出的+12V通过加热模块171对电池组110进行加热。当加热后电池组110的温度达到关闭加热单元170的设定值，则输出加热控制信号到加热开关模块172的使能端EN251切断加热模块171对电池组110加热。这样即使在恶劣的低温环境条件下，电池组110的温度仍然能保持在合适的温度范围，可以保证电池组110的充电容量和备电需求。在本说明书的描述中，參考术语“ー个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“ー些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少ー个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本实用新型的原理和宗g的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同限定。
权利要求1.ー种后备电池，其特征在于，包括 电池组； 分别与所述电池组相连的充电单元和放电单元；以及 电池管理系统BMS，所述BMS分别与所述电池组、所述充电単元和所述放电単元相连，所述BMS检测所述电池组的运行參数，井根据所述运行參数对所述充电单元和放电单元进行控制。
2.如权利要求I所述的后备电池，其特征在于，所述运行參数包括所述电池组的电压、电流及温度。
3.如权利要求2所述的后备电池，其特征在于，还包括 加热单元，所述加热単元与所述BMS相连，在所述电池组的温度低于阈值之后，所述BMS控制所述加热单元对所述电池组进行加热。
4.如权利要求I所述的后备电池，其特征在于，所述BMS进ー步包括 ニ极管，所述ニ极管的正极与整流模块的输出端相连； 辅助电源，所述辅助电源的输入端与所述ニ极管的负极相连； 运行參数检测单元，所述运行參数检测单元与所述电池组相连，所述运行參数检测单元检测所述电池组的运行參数；以及 控制器，所述控制器分别与所述辅助电源和所述运行參数检测单元相连，所述控制器根据所述运行參数对所述充电单元和放电单元进行控制。
5.如权利要求4所述的后备电池，其特征在于，所述BMS还包括 报警接ロ，在所述运行參数异常时，所述BMS通过所述报警接ロ输出所述运行參数。
6.如权利要求4所述的后备电池，其特征在于，所述BMS还包括 开关模块，所述开关模块的输出端与所述辅助电源相连，所述开关模块的输入端与所述电池组相连，所述开关模块的使能端与所述控制器相连，所述开关模块在所述控制器的控制下通过所述电池组对所述辅助电源进行供电。
7.如权利要求I所述的后备电池，其特征在于，所述充电単元进ー步包括 缓启动模块，所述缓启动模块的输入端与整流模块的输出端相连，所述缓启动模块对所述整流模块输出的电压进行缓冲； 升压模块，所述升压模块的输入端与所述缓启动模块的输出端相连，所述升压模块对所述缓启动模块缓冲的电压进行升压；以及 开关模块，所述开关模块的输入端与所述升压模块的输出端相连，所述开关模块的输出端与所述电池组相连，所述开关模块在所述BMS的控制下对所述电池组进行充电。
8.如权利要求7所述的后备电池，其特征在于，所述充电单元还包括 限流电阻，所述限流电阻的一端与所述升压模块的输出端相连，所述限流电阻的另ー端与所述开关模块的输入端相连。
9.如权利要求7所述的后备电池，其特征在于，所述充电单元还包括 降压模块，所述降压模块的输入端与所述升压模块的输出端相连，所述降压模块的输出端与所述开关模块的输入端相连，所述降压模块对所述升压模块的输出电压进行降压。
10.如权利要求I所述的后备电池，其特征在于，所述放电単元进ー步包括 放电开关模块，所述放电开关模块的输入端与所述电池组相连，所述放电开关模块在所述BMS的控制下输出所述电池组的电压；以及 失效隔离模块，所述失效隔离模块的输入端与所述放电开关模块的输出端相连，所述失效隔离模块的输出端与负载相连，所述失效隔离模块在所述失效隔离模块的输出端电压大于所述失效隔离模块的输入端电压时自动切断。
11.如权利要求10所述的后备电池，其特征在于，所述放电单元还包括 放电降压模块，所述放电降压模块连接在所述电池组和所述放电开关模块之间，所述放电降压模块对所述放电开关模块的输出电压进行降压。
12.如权利要求3所述的后备电池，其特征在于，所述加热単元进ー步包括 加热模块，所述加热模块的一端与整流模块的输出端相连； 加热开关模块，所述加热开关模块与所述加热模块的另一端相连，所述加热开关模块在所述BMS的控制下启动所述加热模块对所述电池组进行加热。
专利摘要本实用新型提出一种后备电池，包括电池组；分别与电池组相连的充电单元和放电单元；以及电池管理系统BMS，BMS分别与电池组、充电单元和放电单元相连，BMS检测电池组的运行参数，并根据运行参数对充电单元和放电单元进行控制。本实用新型的实施例电池管理系统BMS和电池组绑定为一体，能有效监控电池组状态，实行多变量闭环控制，防止电池组过充电和过放电，保障电池组使用的安全，提高电池组的使用寿命。
文档编号H02J7/00GK202616810SQ20122000904
公开日2012年12月19日 申请日期2012年1月10日 优先权日2011年12月15日
发明者徐旭友, 吴睿龙, 蒲祥松, 代祥军 申请人:深圳市比亚迪锂电池有限公司