锂离子电池组的检测及主动平衡充电系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及锂离子电池，具体指一种锂离子电池组的检测及主动平衡充电系统，包括串联电池组、充电电源、电池电压检测模块、均衡模块、主控模块、限流模块、开关模块、V?I转换模块、I?V转换模块、模数转换器、控制器以及精密电压参考装置，所述的串联电池组包括多个串联的电池；本发明实现了电池组中的单体电芯在线完全平衡，还可允许不同充放电曲线的同容量电芯并组；解决了电池组中单元电池电压检测精度差、串接点检测线断路引起测量不准确的问题；采用基于单体电池库仑法评估整体电池组SOC的方法，并通过推广卡尔曼滤波，将库仑法与电动势法相结合，实现锂离子电池SOC的闭环评估，解决使用电池组容量评估数值不准确的问题。
【专利说明】
锂离子电池组的检测及主动平衡充电系统
技术领域
[0001]本发明涉及锂离子电池，具体指一种锂离子电池组的检测及主动平衡充电系统。
【背景技术】
[0002]近年来，随着锂离子电池的迅猛发展，新型材料的不断问世和应用，工艺技术的日趋成熟和成本的下降，具备优良性能的锂离子电池正完全可以替代铅酸电池成为通信或者是动力领域高要求电源解决方案基础。
[0003]单个蓄电池的电压与容量有限，在很多场合下要组成串连蓄电池组来使用。蓄电池组的电压均衡性的问题是关系到蓄电池组的使用寿命，系统的稳定性和安全性的重要问题。由于单体电池老化程度以及受温度影响不同，每节单体电池的状态就不一致;随着充放电次数的增加，电池间的电压差会逐渐增加，形成电池间的不平衡，从而造成电池组寿命缩短。当电池组用较大电流进行一段时间的放电，如果电池之间的不平衡达到一定程度，容量最小的单体电池上产生的极化反应会对该电池组造成永久性的损坏，因此单体电池之间平衡是否对于电池组的使用寿命及效果起着至关重要的作用。
[0004]而现有的蓄电池组存在以下缺点:1、无法在线管理;2、采用周期性管理，无法实时管理;3、不能够针对整个蓄电池组的放电进行管理。由此可见，现有的蓄电池组的管理技术对电压不平衡导致的蓄电池电压分化未进行有效管理，蓄电池寿命因此受到极大的影响，性能下降已成为不确定性安全隐患。
[0005]后备式通信用电池是通过电池串联在一起以提供更高的电压。由于电池个体之间的差异，以及电池工作的电压平台的限制，这种串联的电池需要电池平衡和电池安全保护来防止电池提前失效和避免出现安全问题。为了解决上述情况，系统需提供一种能精确检测每个电池电压的方案。目前市场已经开发了很多相关系统和技术，来解决这类要求，具体方式有以下几种:
[0006](I)电阻分压法:这类方法由于测量器件性能限制，所检测的高电压必需通过高精密电阻分压器降压到可接受条件。在这种方案下电压越高电阻分压比例越大，同时造成的电压误差也大。因此在高电压系统中要求采样的A/D分辨率很高，就极大提高了产品的成本和产品的实现难度。
[0007](2)容并联镜像法，这种方法首先将电容并联在需检测的电池上，而后断开，系统通过测试电容电压来实现电池电压测试，在这种方案下，电容不停的充放极易引起质量问题，最终影响了测量精度，同时电容过大容易造成回路因过流损坏，而电容过小因回路放电造成测量漂移。
[0008]现有技术主要包括上述以及其他方面的各种系统，在实际应用中存在各种局限性。为此提供一种具有更高的精度、更快的测量速度、和更低的实施成本的用于测量串联的电池电压的系统是很有必要的。
【发明内容】
[0009]针对现有技术中的不足，本发明旨在提供一种锂离子电池组的检测及主动平衡充电系统。
[0010]为解决上述问题，本发明提供以下技术方案:
[0011]—种锂离子电池组的检测及主动平衡充电系统，包括串联电池组、充电电源、电池电压检测模块、均衡模块、主控模块、限流模块、开关模块、V-1转换模块、1-V转换模块、模数转换器、控制器以及精密电压参考装置，所述的串联电池组、充电电源、电池电压检测模块、均衡模块、主控模块以及限流模块共同构成锂离子电池组的单元电池检测电路;所述的串联电池组、开关模块、V-1转换模块、1-V转换模块、模数转换器、控制器以及精密电压参考装置共同组成锂离子电池组的主动平衡充电电路;所述的串联电池组包括多个串联的电池。
[0012]进一步的，所述电池电压检测模块包括有与所述电池数量相等的电池电压检测子模块，所述的每个电池电压检测子模块对应一个电池并串联;所述的均衡模块包括有与所述电池数量相等的能量溢出子模块，所述的每个能量溢出子模块对应一个电池并串联，用于监测与其连接的电池的电压;所述的能量溢出子模块由串联连接的电子开关SW和分流负载组成，所述的限流模块与所述串联电池组的一端连接，且所述的限流模块与所述充电电源连接，用于对充电回路的电流进行控制;所述的主控模块分别与所述电池电压检测模块、均衡模块、限流模块连接，使得所述的主控模块根据所述电池电压监测子模块检测到的电压情况来控制能量溢出子模块和限流模块，所述的限流模块包括电子开关K0C、限流电路以及电子开关KCH，所述的电子开关K0C、限流电路串联并与所述电子开关KCH并联。
[0013]进一步的，所述的开关模块包括与任一电池的正极连接的第一总线BUS_A、控制任一电池的正极与第一总线通的电子开关、与所述的每个电池的负极连接第二总线BUS_B、控制任一电池的负极与第二总线BUS_B接通的电子开关，所述的第一总线BUS_A、第二总线冊5_8与所述精密电压参考装置连接，所述的第一总线冊5_六与所述精密电压参考装置之间设有控制所述第一总线BUS_A与所述精密电压参考装置接通的电子开关SI，所述的第二总线BUS_B与所述精密电压参考装置之间设有控制所述第二总线BUS_B与所述精密电压参考装置接通的电子开关S2;所述的第一总线BUS_A与所述V-1转换模块的正极连接，所述的第二总线BUS_B与所述V-1转换模块的负极连接，所述V-1转换模块输出端的电流与所述第一总线BUS_A和所述的第二总线BUS_B2间电压成线性关系;所述的1-V转换模块与所述V-1转换模块的输出端连接，用于把所述V-1转换模块输出端的电流信号转换为成线性关系的电压信号；所述的1-V转换模块的输出端与所述的模数转换器连接，采集所述电压信号，并将所述电压信号转换为数字信号;所述的模数转换器的输出端与所述的控制器连接，所述的控制器的输出端与所述开关模块连接;使得所述的控制器用于控制开关模块，并对从模数转换器接收到的信息进行处理和显示。
[0014]另外，采用基于单体电池库仑法评估整体电池组S0C，可实现对产品使用状态和风险的评估。首先，根据木桶原理，决定串联电池组容量的是最低容量的串联单元的电芯容量，本项目的SOC评估是选择最低容量的串联单元电芯作为电池整组来评估的。其次，采用库伦法进行SOC预估，由于库伦法是一种开环预测，具有在短时间能够准确估算SOC优点，但是存在无法确定初始值和累计误差越来越大的问题，所以评估法需进一步的优化，再次，在通讯电源中，由于系统具有较长的静置时间，采用开路电压法进行初始值和累计误差的限定及初步校正，再次，基于扩展卡尔曼滤波(EKE)算法的SOC估算实现把库伦法和电动势法有机地结合起来。EKE作为一个状态观测器，其意义在于:在用库伦法计算SOC的同时，估计出电容C上的电压Uc(t)，从而得到电池端电压的估计值作为校正SOC的依据；同时考虑噪声和误差的大小，确定每一步的滤波增益K(k)，得到电动势法在计算SOC时应占的权重，从而得到SOC的最优估计。这样就把库伦法和电动势法有机地结合起来，用电动势法克服了库伦法有累积误差的缺点，实现了SOC的闭环估计。同时，由于在计算过程中考虑了噪声的影响，所以算法对噪声有很强的抑制作用。
[0015]有益效果:本发明的主动平衡充电电路，实现电池组中的单体电芯在线完全平衡，还可允许不同充放电曲线的同容量电芯并组;锂离子电池组的单元电池检测电路解决了电池组中单元电池电压检测精度差、串接点检测线断路引起测量不准确的问题;最后，采用基于单体电池库仑法评估整体电池组SOC的方法，并通过推广卡尔曼滤波，将库仑法与电动势法相结合，实现了锂离子电池SOC的闭环评估，解决使用电池组容量评估数值不准确的问题。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的锂离子电池组中单元电池的主动平衡充电电路。
[0017]图2是本发明的锂离子电池组中的单元电池检测电路。
【具体实施方式】
[0018]下面根据说明书附图详细说明本发明的具体实施例:
[0019]—种锂离子电池组的检测及主动平衡充电系统，包括串联电池组、充电电源、电池电压检测模块、均衡模块、主控模块、限流模块、开关模块、V-1转换模块、1-V转换模块、模数转换器、控制器以及精密电压参考装置，所述的串联电池组、充电电源、电池电压检测模块、均衡模块、主控模块以及限流模块共同构成锂离子电池组的单元电池检测电路;所述的串联电池组、开关模块、V-1转换模块、1-V转换模块、模数转换器、控制器以及精密电压参考装置共同组成锂离子电池组的主动平衡充电电路;所述的串联电池组包括多个串联的电池。
[0020]参照图1，所述电池电压检测模块包括有与所述电池数量相等的电池电压检测子模块，所述的每个电池电压检测子模块对应一个电池并串联;所述的均衡模块包括有与所述电池数量相等的能量溢出子模块，所述的每个能量溢出子模块对应一个电池并串联，用于监测与其连接的电池的电压;所述的能量溢出子模块由串联连接的电子开关SW和分流负载组成，所述的限流模块与所述串联电池组的一端连接，且所述的限流模块与所述充电电源连接，用于对充电回路的电流进行控制;所述的主控模块分别与所述电池电压检测模块、均衡模块、限流模块连接，使得所述的主控模块根据所述电池电压监测子模块检测到的电压情况来控制能量溢出子模块和限流模块，所述的限流模块包括电子开关K0C、限流电路以及电子开关KCH，所述的电子开关K0C、限流电路串联并与所述电子开关KCH并联。
[0021]参照图2，所述的开关模块包括与任一电池的正极连接的第一总线BUS_A、控制任一电池的正极与第一总线通的电子开关、与所述的每个电池的负极连接第二总线BUS_B、控制任一电池的负极与第二总线BUS_B接通的电子开关，所述的第一总线BUS_A、第二总线冊5_8与所述精密电压参考装置连接，所述的第一总线冊5_六与所述精密电压参考装置之间设有控制所述第一总线BUS_A与所述精密电压参考装置接通的电子开关SI，所述的第二总线BUS_B与所述精密电压参考装置之间设有控制所述第二总线BUS_B与所述精密电压参考装置接通的电子开关S2;所述的第一总线BUS_A与所述V-1转换模块的正极连接，所述的第二总线BUS_B与所述V-1转换模块的负极连接，所述V-1转换模块输出端的电流与所述第一总线BUS_A和所述的第二总线BUS_B2间电压成线性关系;所述的1-V转换模块与所述V-1转换模块的输出端连接，用于把所述V-1转换模块输出端的电流信号转换为成线性关系的电压信号；所述的1-V转换模块的输出端与所述的模数转换器连接，采集所述电压信号，并将所述电压信号转换为数字信号;所述的模数转换器的输出端与所述的控制器连接，所述的控制器的输出端与所述开关模块连接;使得所述的控制器用于控制开关模块，并对从模数转换器接收到的信息进行处理和显示。
[0022]另外，采用基于单体电池库仑法评估整体电池组S0C，可实现对产品使用状态和风险的评估。首先，根据木桶原理，决定串联电池组容量的是最低容量的串联单元的电芯容量，本项目的SOC评估是选择最低容量的串联单元电芯作为电池整组来评估的。其次，采用库伦法进行SOC预估，由于库伦法是一种开环预测，具有在短时间能够准确估算SOC优点，但是存在无法确定初始值和累计误差越来越大的问题，所以评估法需进一步的优化，再次，在通讯电源中，由于系统具有较长的静置时间，采用开路电压法进行初始值和累计误差的限定及初步校正，再次，基于扩展卡尔曼滤波(EKE)算法的SOC估算实现把库伦法和电动势法有机地结合起来。EKE作为一个状态观测器，其意义在于:在用库伦法计算SOC的同时，估计出电容C上的电压Uc(t)，从而得到电池端电压的估计值作为校正SOC的依据；同时考虑噪声和误差的大小，确定每一步的滤波增益K(k)，得到电动势法在计算SOC时应占的权重，从而得到SOC的最优估计。这样就把库伦法和电动势法有机地结合起来，用电动势法克服了库伦法有累积误差的缺点，实现了SOC的闭环估计。同时，由于在计算过程中考虑了噪声的影响，所以算法对噪声有很强的抑制作用。
[0023]本发明的主动平衡充电电路，实现电池组中的单体电芯在线完全平衡，还可允许不同充放电曲线的同容量电芯并组;锂离子电池组的单元电池检测电路，解决了电池组中单元电池电压检测精度差、串接点检测线断路引起测量不准确的问题;最后，采用基于单体电池库仑法评估整体电池组SOC的方法，并通过推广卡尔曼滤波，将库仑法与电动势法相结合，实现了锂离子电池SOC的闭环评估，解决使用电池组容量评估数值不准确的问题。
[0024]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作出任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
【主权项】
1.一种锂离子电池组的检测及主动平衡充电系统，其特征在于:包括串联电池组、充电电源、电池电压检测模块、均衡模块、主控模块、限流模块、开关模块、V-1转换模块、1-V转换模块、模数转换器、控制器以及精密电压参考装置，所述的串联电池组、充电电源、电池电压检测模块、均衡模块、主控模块以及限流模块共同构成锂离子电池组的单元电池检测电路；所述的串联电池组、开关模块、V-1转换模块、1-V转换模块、模数转换器、控制器以及精密电压参考装置共同组成锂离子电池组的主动平衡充电电路;所述的串联电池组包括多个串联的电池。2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组的检测及主动平衡充电系统，其特征在于:所述电池电压检测模块包括有与所述电池数量相等的电池电压检测子模块，所述的每个电池电压检测子模块对应一个电池并串联;所述的均衡模块包括有与所述电池数量相等的能量溢出子模块，所述的每个能量溢出子模块对应一个电池并串联，所述的能量溢出子模块由串联连接的电子开关SW和分流负载组成，所述的限流模块与所述串联电池组的一端连接，且所述的限流模块与所述充电电源连接;所述的主控模块分别与所述电池电压检测模块、均衡模块、限流模块连接，所述的限流模块包括电子开关KOC、限流电路以及电子开关KCH，所述的电子开关KOC、限流电路串联并与所述电子开关KCH并联。3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组的检测及主动平衡充电系统，其特征在于:所述的开关模块包括与任一电池的正极连接的第一总线BUS_A、控制任一电池的正极与第一总线BU S_A接通的电子开关、与所述的每个电池的负极连接第二总线BUS_B、控制任一电池的负极与第二总线冊3_8接通的电子开关，所述的第一总线BUS_A、第二总线BUS_B与所述精密电压参考装置连接，所述的第一总线BUS_A与所述精密电压参考装置之间设有控制所述第一总线BUS_A与所述精密电压参考装置接通的电子开关SI，所述的第二总线BUS_B与所述精密电压参考装置之间设有控制所述第二总线BUS_B与所述精密电压参考装置接通的电子开关S2;所述的第一总线BUS_A与所述V-1转换模块的正极连接，所述的第二总线冊5_8与所述V-1转换模块的负极连接，所述的1-V转换模块与所述V-1转换模块的输出端连接，所述的1-V转换模块的输出端与所述的模数转换器连接，所述的模数转换器的输出端与所述的控制器连接，所述的控制器的输出端与所述开关模块连接。
【文档编号】H02J7/00GK105871006SQ201610254838
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】童文贤
【申请人】宁波飞驰达电子科技发展有限公司