一种锂电池电源模块管理系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明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及其方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
【发明内容】
[0006]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，本发明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。
[0007]为达到以上目的，本发明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，所述电池组控制单元能够监测所述电池片的充放状态的状态参数并发出相应驱动信号控制所述开关阵列中的所述第一转换开关改变状态使相应的所述电池片移出充、放电回路;其中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，所述电源模块管理单元根据所述电池组控制单元发送的所述状态参数产生相应指令，控制所述充电机调整对所述电源模块的充电模式和充电电流大小。
[0008]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;所述充电机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。
[0009]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;所述第一转换开关为转换型，采用电机式继电器，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，所述单刀双掷机械开关包括“常闭”和“转换”两种状态，每个所述第一转换开关的所述电机式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所述驱动信号，所述充放状态包括“过充”、“过放”、“过热”状态。
[0010]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，采用电机式继电器，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，所述单刀双掷机械开关包括“常闭”和“转换”两种状态，每个所述第二转换开关的所述电机式继电器均通过专用的继电器驱动电路连接所述第一CPU，在所述第一CPU的控制下，所述充电限流电阻能够被放入或移出所述充电回路、所述放电限流电阻能够被放入或移出所述放电回路。
[0011]更进一步，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。
[0012]为达到以上目的，本发明还公开了一种用于以上所述的锂电池电源模块管理系统的锂电池电源模块管理方法，包括以下步骤:
[0013]步骤(SI)，所述充电机上电后，向所述电源模块管理单元发出数据，表明所述充电机加入充电回路，所述充电机为空闲状态；
[0014]步骤(S2)，所述电源模块管理单元根据所述电池模块的所述电池组中各个所述电池片实际情况判断是否启动所述充电机进行充电，如果“否”，则所述充电机将不允许充电，所述充电机为空闲状态，如果“是”，则控制所述充电机启动充电；
[0015]步骤(S3)，在所述电池模块的所述电池组进行充电时，所述第一转换开关处于常闭状态，当某一所述电池片处于过充状态时，所述电池组控制单元监测到该所述电池片过充信号，同时发出一个指令，使相应的所述第一转换开关跳转到转换状态，将该过充的所述电池片移出所述充电回路，依次重复以上操作，直到所述电池模块的所述电池组中的所有所述电池片全部移出所述充电回路；
[0016]所述电池组控制单元向所述电源模块管理单元发送所述电池片的所述状态参数，所述电源模块管理单元根据所述状态参数检查是否存在需要改变充电电流的所述电池片，如果存在电压低于最小允许单体电池片充电电压的所述电池片，所述电源模块管理单元控制所述充电机进入所述涓流充电模式；
[0017]如果不存在需要改变充电电流的所述电池片，所述电源模块管理单元控制所述充电机进入所述恒流充电模式；
[0018]如果存在电压高于最大允许单体电池片充电电压的所述电池片，所述电源模块管理单元通过相应的所述电池组控制单元将该所述电池片移出所述充电回路，同时控制所述充电机进入所述限流降压充电模式，阶梯式降低充电电压，每次从所