本实用新型属于锂电池充放电保护技术领域，具体涉及一种锂电池电源模块管理系统。
背景技术：
目前，电动汽车以其独特的节能环保的优势引起越来越多的国家的重视，开展了大量的相关研究和开发工作。其中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主流电动力源技术。
通常地，动力锂电池成组串联使用，多组之间再串联及并联形成电池包。电池组充电时若有一个电池充电电压达到设定值(例如4.2V)，即切断充电回路以避免过充电。但由于电池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。其中包括采用旁路电阻的被动式均衡、采用补偿电容的主动式均衡、采用主从式电感线圈的主动式均衡等相关技术。目前的均衡技术都是基于分流原理，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，而且当单体电池处于过充电、过放电时仍需持续工作，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。
另一方面，当锂电池在使用过程中由于某个单体电池内部微短路等原因出现潜在故障时，现有的均衡技术会在相当程度上掩盖这个问题；而当故障明显出现后现有的电池管理系统只能在发出警告信号的同时选择将电池电源回路快速切断以避免故障造成损失，从而也使得汽车丧失动力无法行驶。
技术实现要素：
为了克服目前动力锂电池电源存在的电池一致性差异所带来的问题,本实用新型的目的是提供一种锂电池电源模块管理系统，该装置能够以较为简单、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。其原理是利用断流均衡的方法，即对每一个电池并联一个单刀双掷开关(机械触点或电力电子部件)，一旦电池出现过充电、过放电时即转换开关将电池单独旁路断开，避免电池过度使用，同时减轻木桶效应的影响，方便更换新电池。
为达到以上目的，本实用新型采用的技术方案是一种锂电池电源模块管理系统，用于管理锂电池构成的电源模块，所述电源模块由若干个电池组构成，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第一转换开关，每个所述电池组中的所述第一转换开关组成一个开关阵列，所述开关阵列连接电池组控制单元；还包括与所述电池组控制单元相连的电源模块管理单元，与所述电源模块管理单元连接的充电机；其中，所述第一转换开关为转换型，采用磁保持继电器。
进一步，所述电源模块管理单元包括连接有电流传感器、断路继电器、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通信总线连接上级系统、所述第三CAN通信总线连接具有涓流充电模式、恒流充电模式、限流降压充电模式的所述充电机；所述第二CAN总线、第三CAN通信总线分别通过第一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第二光电隔离器与第一CAN通信总线相连的第二CPU、连接所述第二CPU和所述开关阵列的电压测量器、连接所述第二CPU的温度传感器，还包括电流测量器、开关阵列驱动器；所述第一转换开关包含由一个动触点与两个静触点构成的、包括“常闭”和“转换”两种状态单刀双掷机械开关，每个所述第一转换开关的所述磁保持继电器均通过专用的继电器驱动电路连接所述电池组控制单元并获得所述电池组控制单元发出的驱动信号。
进一步，所述限流保护器包括串联的充电限流电阻和放电限流电阻，所述充电限流电阻、放电限流电阻分别并联一个第二转换开关，所述第二转换开关为转换型，采用磁保持继电器，包含由一个动触点与两个静触点构成的、包括“常闭”和“转换”两种状态单刀双掷机械开关，每个所述第二转换开关的所述磁保持继电器均通过专用的继电器驱动电路连接所述第一CPU。
更进一步，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和所述电池组控制单元的直流工作电源通过所述电源模块的输出端的DC-DC转换而获得。
本实用新型的有益效果在于：
1.以较为简单的方式实现了锂电池充放电均衡的目标，同时具备适应大功率使用环境、高可靠性的优点。
2.具有控制简单、成本较低的优势，并且可以较好地适应锂电池单体状态差异较大的使用条件。
3.可以对电池片单体实施控制，某个电池片单体的异常状况可以不影响电池组的正常工作，提高了锂电池电源的工作可靠性。
附图说明
图1是本实用新型具体实施方式中所述锂电池电源模块管理系统的示意图；
图2是本实用新型具体实施方式中所述开关阵列与所述电池片的连接关系示意图；
图3是本实用新型具体实施方式中所述限流保护器的示意图；
图中：1-第一CPU，2-断路继电器，3-电流传感器，4-限流保护器，5-第一CAN通信总线，6-第二CAN通信总线，7-第三CAN通信总线，8-充电机，9-上级系统，10-第二CPU，11-电压测量器，12-温度传感器，13-开关阵列，14-电池组，15-电池片，16-磁保持继电器，17-单刀双掷机械开关，18-继电器驱动电路，19-第二光电隔离器，20-第一光电隔离器，21-充电限流电阻，22-放电限流电阻。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。
如图1所示，本实用新型提供的一种锂电池电源模块管理系统，用于管理锂电池构成的电源模块，电源模块由若干个电池组14构成，电池组14由若干个电池片15串联构成，电池片15由一个电池单体或多个并联的电池单体构成，电池片15并联一个第一转换开关，每个电池组14中的第一转换开关组成一个开关阵列13，开关阵列13连接电池组控制单元，电池组控制单元能够监测电池片15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13中的第一转换开关改变状态使相应的电池片15移出充、放电回路(充放状态包括“过充”、“过放”、“过热”状态)；还包括与电池组控制单元相连的电源模块管理单元，与电源模块管理单元连接的充电机8，电源模块管理单元根据电池组控制单元发送的状态参数产生相应指令，控制充电机8调整对电源模块的充电模式和充电电流大小。
电源模块管理单元包括连接有电流传感器3、断路继电器2、限流保护器4、及第一光电隔离器20的第一CPU1，设置在第一CPU1上的第一CAN通信总线5、第二CAN通信总线6、第三CAN通信总线7，其中，第二CAN 总线6、第三CAN通信总线7分别通过第一光电隔离器20设置在第一CPU上。第一CAN通信总线5连接电池组控制单元、第二CAN通信总线6连接上级系统9、第三CAN通信总线7连接充电机8；
充电机8的充电模式包括涓流充电模式、恒流充电模式、限流降压充电模式。
电池组控制单元包括通过第二光电隔离器19与第一CAN通信总线5相连的第二CPU10、连接第二CPU10和开关阵列13的电压测量器11、连接第二CPU10的温度传感器12，还包括电流测量器、开关阵列驱动器(图中未标出)。
如图2所示，第一转换开关为转换型，采用磁保持继电器16，包含由一个动触点与两个静触点构成的单刀双掷机械开关17，第一转换开关的单刀双掷机械开关17包括“常闭”和“转换”两种状态，每个第一转换开关的磁保持继电器16均通过专用的继电器驱动电路18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。
如图3所示，限流保护器4包括串联的充电限流电阻21和放电限流电阻22；充电限流电阻21、放电限流电阻22分别并联一个第二转换开关，第二转换开关同样为转换型，同样采用磁保持继电器16，同样包含由一个动触点与两个静触点构成的单刀双掷机械开关17，第二转换开关中的单刀双掷机械开关17也包括“常闭”和“转换”两种状态，每个第二转换开关的磁保持继电器16均通过专用的继电器驱动电路18连接第一CPU1，在第一CPU1的控制下，充电限流电阻21能够被放入或移出充电回路、放电限流电阻22能够被放入或移出放电回路。(充电限流电阻21、放电限流电阻22不能同时放入充、放电回路。)
第一转换开关和第二转换开关的磁保持继电器16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具有很高剩磁特性的零件制备电磁继电器的衔铁，其触点开合状态平时由永久磁铁或高剩磁特性衔铁所产生的磁力维持；磁保持继电器16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16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16的触点间距应大于1.3mm以抑制触点电弧。
电源模块管理单元和电池组控制单元的直流工作电源通过电源模块的输出端的DC-DC转换而获得。
本实用新型还提供了上述的锂电池电源模块管理系统的一种锂电池电源模块管理方法，包括如下步骤：
步骤S1，充电机8上电后，向电源模块管理单元发出数据，表明充电机8加入充电回路，充电机8为空闲状态。
步骤S2，电源模块管理单元根据电池模块的电池组14中各个电池片15实际情况判断是否启动充电机8进行充电，如果“否”，则充电机8将不允许充电，充电机8为空闲状态，如果“是”，则控制充电机8启动充电。
步骤S3，在电池模块的电池组14进行充电时，第一转换开关处于常闭状态，当某一电池片15处于过充状态时，电池组控制单元监测到该电池片15过充信号，同时发出一个指令，使相应的第一转换开关跳转到转换状态，将该过充的电池片15移出充电回路，依次重复以上操作，直到电池模块的电池组14中的所有电池片15全部移出充电回路；
此外在步骤S3中还包括电源模块管理单元对充电机8的运行模式的具体控制，电源模块管理单元根据各个电池片15的状态参数，按照“安全第一，寿命优先”的原则，即时检测电池组中是否有需要改变充电电流的电池片，选择涓流充电模式、恒流充电模式、限流降压充电模式中的一种。具体内容如下：
电池组控制单元向电源模块管理单元发送电池片15的状态参数，电源模块管理单元根据电池组控制单元发来的电池片15的状态参数检查是否存在需要改变充电电流的电池片；
如果存在电压低于最小允许电池片充电电压的电池片，电源模块管理单元控制向充电机8发送相应指令充电机8进入涓流充电模式，充电电压和电流均处于较低值，当该电池片恢复正常电压范围时即退出涓流充电模式；
如果不存在需要改变充电电流的电池片，开始正常充电，电源模块管理单元控制充电机8进入恒流充电模式，电源模块管理单元会提供最大允许电池模块充电电压、最大允许单体电池片充电电压、最大允许充电电流、电池模块端电压、最高单体电池片电压作为充电限制条件，进行充电；
如果存在电压高于最大允许单体电池片充电电压的电池片时(也就是最高单体电池片电压到达最大允许单体电池片充电电压时)，电源模块管理单元通过控制相应的电池组控制单元将该电池片移出充电回路，为保证剩余的电池片的电压不超限，同时控制充电机8进入限流降压充电模式，阶梯式降低(充电机的)充电电压，每次从充电回路中移出电池片时即按照预设值下降(充电机的)充电电压，随后电源模块管理单元通过电池组控制单元不断将充满电的电池片移出充电回路，直至剩余电池片的最低电压与最大允许单体电池片充电电压的偏差小于预定值时，充电机8停机，停止充电；
在步骤S3中还包括，当充电机8在充电过程中处于异常保护、自身复位、禁止充电等情况时，充电机8转为空闲状态，当充电机8发现与电源模块管理单元之间的通讯异常时，停止充电；
在步骤S3中还包括，当所述充电机8出现控制失效时，或者充电机8为非配套专用的充电机8，且电源模块管理单元发现充电电压和电流与当前充电模式不匹配时，充电机8的失效控制策略如下：
1)电源模块管理单元将向充电机8发出调整指令；
2)指定时间内充电机8无正确反应时，电源模块管理单元计算各个电池组14的电量，若各个电池组14已接近充满状态，则向上级系统9发送警告信号同时通过断路继电器2断开充电回路；
3)若各个电池组14的电量不足，且充电电流大于预设值时，电源模块管理单元发送警告信号同时将限流保护器4中的充电限流电阻21相对应的第二转换开关改变为转换状态，将充电限流电阻21接入充电回路；
4)充电完成后通过断路继电器2断开充电，将限流保护器4中的充电限流电阻21相对应的第二转换开关改变为常闭状态，将充电限流电阻21移出充电回路。
步骤S4，电池组控制单元控制全部第一转换开关跳转到常闭状态，准备放电。
步骤S5，在电池模块的电池组14进行放电时，第一转换开关处于常闭状态，当某一电池片15处于过放状态时，电池组控制单元监测到该电池片15过放信号，同时发出一个指令，使相应的第一转换开关跳转到转换状态，将该过放的电池片15移出放电回路，依次重复以上操作，直到电池模块的电池组14中的所有电池片15全部移出放电回路；在步骤S5中还包括，在所述电池模块放电过程中，若电池组14剩余电量低于预设值，且放电电流超过预设值或使得电池组14的电压下降速度大于预设值时(也就是电池组剩余电量不多，且电池组电压下降较快时)，电源模块管理单元向上级系统9发送警告信号，若在设定时间内情况仍未改善时，将限流保护器4中的放电限流电阻22相对应的第二转换开关改变为转换状态，将放电限流电阻22接入放电回路，降低放电电流以避免锂电池过放电。
步骤S6，电池组控制单元控制全部第一转换开关跳转到常闭状态，准备充电。
在步骤S1步至步骤S6中，电源模块管理单元发现某个电池片15由于内部微短路等原因出现潜在故障时(例如过热时)，向上级系统9发送警告信号，根据上级系统9的反馈决定处理策略，或向相应的所述电池组控制单元发送指令将该电池片15移出充、放电回路。
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。