一种容错锂离子电池组的结构及故障检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电池管理技术领域，涉及容错锂离子电池组。
【背景技术】
[0002]由于锂离子电池具有高能量密度、高循环次数、无记忆效应等优点，被广泛应用于众多场合。锂离子电池单体输出电压低、电流小，为了获得更高等级的电压和电流，通常将锂离子电池串并联成组使用。在锂离子电池组中，当一个锂离子电池单体发生短路或断路故障时，将会导致整个锂离子电池组不能正常工作，甚至导致火灾等事故，对使用者的人身安全和财产安全带来威胁。
[0003]为了提高锂离子电池组的安全性和可靠性，需要将锂离子电池组中故障的锂离子电池单体隔离。由于锂离子电池组有充电和放电两种工作状态，则流经锂离子电池单体的电流是双向的，所以在隔离锂离子电池单体时需要阻断双向的电流通路。在现有技术中，将每节锂离子电池单体和两个方向相对的MOSFET串联起来，以实现阻断双向电流通路的目的，这一技术方案需要两倍于锂离子电池单体数量的M0SFET，增加了锂离子电池组的成本和体积；也有只使用一个MOSFET的技术方案，但这种方案并不能对发生短路故障的锂离子电池单体进行有效隔离。
[0004]为了实现对故障锂离子电池的检测，通常在每节锂离子电池单体所在支路串入电流测量1C，而这种技术方案会增加主电路的复杂度并且带来额外的损耗。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于以更少的开关器件实现锂离子电池组的容错功能，且以更低的损耗和复杂度实现锂离子电池单体的故障检测。
[0006]本发明采用的技术方案是:
一种容错锂离子电池组的结构，包括锂离子电池单体和金属氧化物半导体场效应晶体管M0SFET，其特征在于，第一锂离子电池单体和第一 MOSFET按照第一锂离子电池负极和第一 MOSFET漏极相连接的方式串联，组成第一容错单元；第一容错单元，第二容错单元直至第η容错单元并联组成第一并联容错锂离子电池组；第一并联容错锂离子电池组，第二并联容错锂离子电池组直至第m并联容错锂离子电池组串联组成容错锂离子电池组；当第一锂离子电池单体发生短路故障后，第一 MOSFET被关断，第一 MOSFET的体二极管因承受来自第二容错单元至第η容错单元的反向电压而截止，因此双向电流通路均被阻断，故障电池单体被有效隔离。
[0007]针对上述的容错锂离子电池组的故障检测方法，是将锂离子电池单体串联的MOSFET漏源电压信号进行线性放大，然后采集放大后的电压信号，再根据MOSFET的导通电阻值，得到流经每个电池单体的电流值，计算可得电池单体的平均电流值，根据平均电流值设置相应的电池单体短路、断路故障的阈值电流，之后将锂离子电池单体电流值和短路、断路故障阈值电流进行对比，从而进行故障的诊断，再通过切换电池单体串联的MOSFET开关，实现故障电池单体的隔离。
[0008]本发明的有益效果如下:
本发明提出的容错锂离子电池组的结构，能够对发生短路或断路故障的锂离子电池单体进行有效隔离，相对每个锂离子电池单体串联两个MOSFET的技术方案，本发明减少了MOSFET的数量，从而减小了锂离子电池组的成本和体积。而本发明提出的故障检测方法，相对传统的在主电流通路串入电流测量IC的方案，复杂度更低，损耗更小。
【附图说明】
[0009]图1为本发明所提出的容错锂离子电池组的结构图。
[0010]图2为本发明所提出的容错锂离子电池组的故障检测示意图。
[0011]图3为本发明实施例的隔离短路故障锂离子电池单体的实验波形。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0013]本发明提出的容错锂离子电池组的结构，如图1所示。第一锂离子电池单体1111和第一 MOSFET 1112按照第一锂离子电池1111负极和第一 MOSFET 1112漏极相连接的方式串联，组成第一容错单元1110 ;第一容错单元1110，第二容错单元1120直至第η容错单元1130并联组成第一并联容错锂离子电池组1100 ;第一并联容错锂离子电池组1100，第二并联容错锂离子电池组1200直至第m并联容错锂离子电池组1300串联组成容错锂离子电池组1000。
[0014]本发明提出的容错锂离子电池组的故障检测方法，如图2所示。在检测锂离子电池单体的故障情况时，先将串联MOSFET导通时的漏源电压信号％311至《dsmn线性放大，然后采集放大后的电压信号，再根据MOSFET的导通电阻值屹?，得到流经电池单体的电流值All至i'dnm，计算可得电池单体平均电流值4^。以容错单元1110为例，当锂离子电池单体1111发生短路故障时，容错单元1120至IlnO会对短路锂离子电池单体1111进行大电流放电，因此故障锂离子电池单体1111上流过的电流会远大于平均电流值；当锂离子电池单体1111发生断路故障时，故障锂离子电池单体1111上流过的电流会远小于平均电流值。按照上述分析，可以依据平均电流值id.设置适当的短路故障阈值电流is。，断路故障阈值电流i。。，之后将锂离子电池单体电流值和故障阈值电流进行对比，当电池单体电流值大于短路故障阈值电流is。时，判断电池单体发生短路故障，当电池单体电流值小于断路故障阈值电流i。。时，判断电池单体发生断路故障，再输出MOSFET的控制信号Sgsll至Sgsmn，再通过驱动电路得到驱动电压&311至Kgsnm控制MOSFET开关状态。
[0015]图3所示的是容错锂离子电池组在带纯阻性负载时，当锂离子电池单体1111发生短路故障时的电压电流波形图。此容错锂离子电池组由7个并联容错锂离子电池组串联而成，而每个并联容错锂离子电池组又由2个容错单元并联组成，idll为流经锂离子电池单体1111的电流波形，匕311是MOSFET 1112的门极驱动电压波形，W。是容错锂离子电池组的输出电压波形。
[0016]由图3所示的波形可见，采用本发明提出的容错锂离子电池组结构及其故障检测方法，当一个锂离子电池单体在^时刻发生短路故障后，流经此电池单体的电流迅速增大，之后故障情况被准确检测出来，然后在?2时刻同一支路上的MOSFET被关断，门极电压开始下降，在?3时刻流经故障锂离子电池的电流降为零，故障锂离子电池单体被有效隔离，整个过程中输出电压基本不变。
[0017]综上，本发明提出的容错锂离子电池组的结构可以对短路或断路故障的锂离子电池进行有效隔离，并且相对现有技术方案具有更低的成本和体积。本发明中提出的容错锂离子电池组的故障检测方法可以快速准确地检测出故障锂离子电池单体，并且相对传统方法具有更低的复杂度和损耗。
[0018]上述【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种容错锂离子电池组的结构，包括锂离子电池单体和金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，其特征在于:第一锂离子电池单体(1111)和第一 MOSFET (1112)按照第一锂离子电池(1111)负极和第一 MOSFET (1112)漏极相连接的方式串联，组成第一容错单元(1110);第一容错单元(1110)，第二容错单元(1120)直至第η容错单元(1130)并联组成第一并联容错锂离子电池组(1100);第一并联容错锂离子电池组(1100)，第二并联容错锂离子电池组(1200 )直至第m并联容错锂离子电池组(1300 )串联组成容错锂离子电池组(1000)； 当某一锂离子电池单体发生短路故障后，与其相连的MOSFET被关断，MOSFET的体二极管因承受来自其它并联容错单元的反向电压而截止，由于双向电流通路均被阻断，因此发生故障的锂离子电池单体被有效隔离。
2.—种如权利要求1所述容错锂离子电池组的结构的电池组故障检测方法，其特征在于:在对锂离子电池单体的故障情况进行检测时，将锂离子电池单体串联的MOSFET导通时的漏源电压信号进行线性放大，然后采集放大后的电压信号，根据MOSFET的导通电阻值，得到流经每个锂离子电池单体的电流值，计算锂离子电池单体的平均电流值，根据平均电流值设置相应的电池单体短路、断路故障的阈值电流，之后将锂离子电池单体电流值和故障阈值电流进行对比，从而进行故障的诊断，再通过切换锂离子电池单体串联的MOSFET开关，实现故障电池单体的隔离。
【专利摘要】本发明公开了一种容错锂离子电池组的结构及故障检测方法。发明中，通过在锂离子电池组中加入MOSFET开关，实现锂离子电池组中故障锂离子电池单体的隔离。通过检测锂离子电池单体串联的MOSFET漏源电压信号，获取锂离子电池单体的电流值，并进行故障的诊断，通过切换电池单体串联的MOSFET开关，实现故障电池单体的隔离。发明使锂离子电池组中故障锂离子电池单体的快速检测和隔离，提高了锂离子电池组的安全性和可靠性。
【IPC分类】G01R31-02, H02H7-18, H02J7-00
【公开号】CN104578307
【申请号】CN201510033438
【发明人】徐德鸿, 刘光远, 施科研
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月23日