模拟电芯、电芯串及电芯系统的制作方法

1.本技术涉及电池领域，具体而言，涉及一种模拟电芯、电芯串及电芯系统。


背景技术：

2.随着目前新能源行业逐步发展，锂电池模组作为基本的储能单元有着重要的地位，而在锂电池的安全问题上，电池保护板起着至关重要的作用，在保护板的开发或者生产过程中，真实电芯无法进行单节电压的瞬间调节，从而无法对保护板的保护功能进行测试验证，且采用真实的电芯进行保护板功能的测试容易引发安全问题，例如，起火。


技术实现要素：

3.本技术的主要目的在于提供一种模拟电芯、电芯串及电芯系统，以解决现有技术中采用真实电芯进行保护板功能测试容易引发安全问题的技术问题。
4.为了实现上述目的，根据本技术的一个方面，提供了一种模拟电芯，该模拟电芯包括电压控制单元和开关单元，所述电压控制单元包括第一放大器和第二放大器，所述第一放大器的正向输入端和所述第二放大器的反向输入端分别输入参考电压信号，所述第一放大器的反向输入端和所述第二放大器的正向输入端分别输入电压差信号；所述开关单元包括第一开关器件和第二开关器件，所述第一放大器的输出端与所述第一开关器件的控制端电连接，所述第二放大器的输出端与所述第二开关器件的控制端电连接，采用所述第一开关器件控制放电电压，所述第一开关器件作为放电方向的主功率管以实现模拟电芯放电，采用所述第二开关器件控制充电电压，所述第二开关器件作为充电方向的主功率管以实现模拟电芯充电。
5.进一步地，所述模拟电芯还包括：主功率电流采样单元，与所述开关单元电连接；电流控制单元，分别与所述电压控制单元和所述开关单元电连接，所述电流控制单元和所述主功率电流采样单元用于限制所述模拟电芯放电时或者充电时的电流。
6.进一步地，所述开关单元还包括直流电源，所述第一开关器件的第二端与所述直流电源的正极电连接，所述直流电源的负极接地，所述第一开关器件的第三端分别与所述第二开关器件的第二端和所述主功率电流采样单元的第一端电连接，所述第二开关器件的第三端为第一输出端，所述主功率电流采样单元的第二端为第二输出端，所述电压差信号为所述第一输出端输出的信号与所述第二输出端输出的信号的差值。
7.进一步地，所述开关单元还包括电容单元，所述电容单元的第一端与所述主功率电流采样单元的第一端电连接，所述电容单元的第二端与所述第二开关器件的第三端电连接。
8.进一步地，所述电流控制单元包括第三放大器、第四放大器、第一单向导通器件和第二单向导通器件，所述第三放大器的正向输入端和所述第四放大器的正向输入端输入采样电流，所述采样电流是所述主功率电流采样单元采集得到的，所述第三放大器的反向输入端输入第一参考电流，所述第四放大器的反向输入端输入第二参考电流，所述第三放大
器输出端与所述第一单向导通器件的负极电连接，所述第一单向导通器件的正极与所述第一放大器的输出端电连接，所述第四放大器的输出端与所述第二单向导通器件的负极电连接，所述第二单向导通器件的正极与所述第二放大器的输出端电连接。
9.进一步地，所述开关单元还包括第三单向导通器件，所述第三单向导通器件的正极与所述第一开关器件的第三端电连接，所述第三单向导通器件的负极与所述第二开关器件的第二端电连接。
10.进一步地，所述模拟电芯还包括：静态电流采样单元，与所述主功率电流采样单元电连接。
11.进一步地，所述静态电流采样单元包括多个阻值不同的电阻单元和多刀机械开关，通过控制所述多刀机械开关的活动部与预定电阻单元连接，实现将不同阻值的所述电阻单元接入回路中，所述预定电阻单元为多个所述电阻单元中的一个。
12.根据本技术的另一方面，提供了一种模拟电芯串，该模拟电芯串包括任意一种所述的模拟电芯，且第一个所述模拟电芯的输出作为第二个所述模拟电芯的输入。
13.根据本技术的另一方面，提供了一种模拟电芯系统，该模拟电芯系统包括串联的多个上述所述的模拟电芯串。
14.应用本技术的技术方案，该模拟电芯包括电压控制单元和开关单元，所述电压控制单元包括第一放大器和第二放大器，所述第一放大器的正向输入端和所述第二放大器的反向输入端分别输入参考电压信号，所述第一放大器的反向输入端和所述第二放大器的正向输入端分别输入电压差信号；所述开关单元包括第一开关器件和第二开关器件，所述第一放大器的输出端与所述第一开关器件的控制端电连接，所述第二放大器的输出端与所述第二开关器件的控制端电连接，采用所述第一开关器件控制放电电压，所述第一开关器件作为放电方向的主功率管以实现模拟电芯放电，采用所述第二开关器件控制充电电压，所述第二开关器件作为充电方向的主功率管以实现模拟电芯充电，即采用模拟电芯模拟真实的电芯，直接采用模拟电芯进行保护板功能的测试可以避免安全问题的产生。通过第一放大器和第一开关器件的共同作用实现了模拟电芯放电，通过第二放大器和第二开关器件的共同作用实现了模拟电芯充电。
附图说明
15.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
16.图1是根据本技术实施例的一种模拟电芯示意图；
17.图2是根据本技术实施例的一种可选地模拟电芯的单板两串原理图；
18.图3是根据本技术实施例的一种可选地模拟电芯的多串串联系统架构图。
19.其中，上述附图包括以下附图标记：
20.10、电压控制单元；20、开关单元；30、电流控制单元；40、电路板；50、静态电流采样单元。
具体实施方式
21.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另
有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
22.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
23.应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
24.根据本技术的实施例，提供了一种模拟电芯，如图1-2所示，该模拟电芯包括：
25.电压控制单元10包括第一放大器u2和第二放大器u3，上述第一放大器u2的正向输入端和上述第二放大器u3的反向输入端分别输入参考电压信号v1ref，上述第一放大器u2的反向输入端和上述第二放大器u3的正向输入端分别输入电压差信号v1-v0；
26.开关单元20包括第一开关器件q1和第二开关器件q2，上述第一放大器u2的输出端与上述第一开关器件q1的控制端电连接，上述第二放大器u3的输出端与上述第二开关器件q2的控制端电连接，采用上述第一开关器件q1控制放电电压，上述第一开关器件q1作为放电方向的主功率管以实现模拟电芯放电，采用上述第二开关器件q2控制充电电压，上述第二开关器件q2作为充电方向的主功率管以实现模拟电芯充电。
27.应用本技术的技术方案，采用模拟电芯模拟真实的电芯，直接采用模拟电芯进行保护板功能的测试可以避免安全问题的产生。通过第一放大器和第一开关器件的共同作用实现了模拟电芯放电，通过第二放大器和第二开关器件的共同作用实现了模拟电芯充电。
28.本技术的一种实施例中，如图2所示，模拟电芯还包括：主功率电流采样单元r1，与开关单元20电连接；电流控制单元30，分别与电压控制单元10和开关单元20电连接，上述电流控制单元30和上述主功率电流采样单元r1用于限制上述模拟电芯放电时或者充电时的电流。
29.在一个可选的实施例中，如图2所示进行说明，开关单元20还包括直流电源dc，第一放大器u2的输出端与第一开关器件q1的第一端电连接，第二放大器u3的输出端与第二开关器件q2的第一端电连接，第一开关器件q1的第二端与直流电源dc的正极电连接，直流电源的负极接地，第一开关器件q1的第三端分别与第二开关器件q2的第二端和主功率电流采样单元的第一端电连接，第二开关器件q2的第三端为第一输出端，主功率电流采样单元的第二端为第二输出端，电压差信号v1-v0为第一输出端输出的信号与第二输出端输出的信号的差值。同理，图2中的u6、u7、q3、q4、v2ref、v2-v1与上述的u2、u3、q1、q2、v1ref、v1-v0的连接关系或者输入的信号信息相同。
30.在另一个可选的实施例中，如图2所示，u2和u3构成电压控制环(即电压控制单元10)，参考电压信号v1ref为电压控制环的设定电压，电压差信号v1-v0为电压控制环电压采样，第一放大器u2控制放电电压，第一开关器件q1作为放电方向的主功率管，第二放大器u3控制充电电压，第二开关器件q2作为充电方向的主功率管，第三单向导通器件d3防止充电时电流反灌，电压控制环的主功率电流采样单元r1，参与充放电电流控制，模拟电芯放电、
充电。
31.在一个可选的实施例中，仍以图2为例进行说明，开关单元20还包括电容单元c1，电容单元c1的第一端与主功率电流采样单元r1的第一端电连接，电容单元c1的第二端与第二开关器件q2的第三端电连接。同理，图2中的c3同上述的c1的连接关系相同。
32.在一个可选的实施例中，仍以图2为例进行说明，电流控制单元30包括第三放大器u1、第四放大器u4、第一单向导通器件d1和第二单向导通器件d2，第三放大器u1的正向输入端和第四放大器u4的正向输入端输入采样电流i1，采样电流是主功率电流采样单元r1采集得到的，第三放大器u1的反向输入端输入第一参考电流i1dch，第四放大器u4的反向输入端输入第二参考电流i1ch，第三放大器u1的输出端与第一单向导通器件d1的负极电连接，第一单向导通器件d1的正极与第一放大器u2的输出端电连接，第四放大器u4的输出端与第二单向导通器件d2的负极电连接，第二单向导通器件d2的正极与第二放大器u3的输出端电连接。同理，图2中的u5、u8、d4、d5、i2、i2dch、i2ch与上述的u1、u4、d1、d2、i1dch的连接关系或者输入的信号信息相同。
33.在另一个可选的实施例中，仍以图2为例进行说明，当模拟电芯放电时，当电流超过第一参考电流i1dch时，由第三放大器u1、第一单向导通器件d1组成的电流环通过第一单向导通器件d1将主功率管第一开关器件q1的驱动脚拉低从而起到限流的作用；模拟电芯充电时，当电流超过第二参考电流i1ch时，由第四放大器u4、第二单向导通器件d2组成的电流环通过第二单向导通器件d2将主功率管第二开关器件q2的驱动脚拉低从而起到限流的作用。
34.在一个可选的实施例中，仍以图2为例进行说明，开关单元20还包括第三单向导通器件d3，第三单向导通器件d3的正极与第一开关器件q1的第三端电连接，第三单向导通器件d3的负极与第二开关器件q2的第二端电连接。同理，图示中的d6与上述的d3的连接关系相同。
35.本技术的一种实施例中，如图2所示，模拟电芯还包括：静态电流采样单元50，与主功率电流采样单元r1电连接。
36.本技术的一种实施例中，如图2所示，静态电流采样单元50包括多个阻值不同的电阻单元r2、r3、r4和多刀机械开关key，通过控制多刀机械开关key的活动部与预定电阻单元连接，实现将不同阻值的电阻单元接入回路中，预定电阻单元为多个电阻单元中的一个。
37.本技术的还提供了一种模拟电芯串，该模拟电芯串包括两个模拟电芯，且第一个模拟电芯的输出作为第二个模拟电芯的输入。
38.本实施例涉及一种具体的模拟电芯串，具体内容仍以图2所示为例进行说明，将两个模拟电芯设置在一个电路板40上，两个模拟电芯共用一个直流电源dc，以节省资源。b0-b2组成一个模拟电芯串，u2和u3构成第一串电压控制环(即电压控制单元10)，参考电压信号v1ref为第一串电压控制环的设定电压，电压差信号v1-v0为第一串电压控制环电压采样，第一放大器u2控制放电电压，第一开关器件q1作为放电方向的主功率管，第二放大器u3控制充电电压，第二开关器件q2作为充电方向的主功率管，第三单向导通器件d3防止充电时电流反灌，第一串电压控制环的主功率电流采样单元r1，参与充放电电流控制，模拟电芯放电时，当电流超过第一参考电流i1dch时，由第三放大器u1、第一单向导通器件d1组成的电流环通过第一单向导通器件d1将主功率管第一开关器件q1的驱动脚拉低从而起到限流
的作用；模拟电芯充电时，当电流超过第二参考电流i1ch时，由第四放大器u4、第二单向导通器件d2组成的电流环通过第二单向导通器件d2将主功率管第二开关器件q2的驱动脚拉低从而起到限流的作用。第一串电压控制环通过r2，r3，r4三档电阻切入回路中实现高精度静态电流的采样。同理，u6，u7构成第二串电压控制环，v2ref为第二串电压控制环的电压设定，v2-v1为第二串电压控制环电压采样，u6控制放电电压，q3作为放电方向的主功率管，u7控制充电电压，q4作为充电方向的主功率管，d6防止充电时电流反灌，r5作为第二串电压控制环主功率电流采样单元，参与充放电电流控制，模拟电芯放电时，当电流超过i2dch的设定值时，由u5、d4组成的电流环通过d4将主功率管q3的驱动脚拉低从而起到限流的作用，模拟电芯充电时，当电流超过i2ch的设定值时，由u8、d5组成的电流环通过d5将主功率管q4的驱动脚拉低从而起到限流的作用，第二串电压控制环通过r6，r7，r8三档电阻切入回路中实现高精度静态电流的采样。
39.根据本技术的另一方面还提供了一种模拟电芯系统，该模拟电芯系统包括串联的多个上述的模拟电芯串。
40.本实施例涉及一种具体的模拟电芯系统m1-mn，具体内容如图3所示，每个单模块为两串，例如，b0-b2、b3-b5、b(n-1)-bn，每串均有一个独立的电压设定vref以及电流设定iref，通过设定值独立控制单串模拟电芯电压输出值以及电流限定值，第一个模块的c2、v2连接到第二个模块的i0、v0，静态电流采样电阻置于模块串接点后，可以有效滤除电芯串联间漏电流，避免对单节静态电流采样精度产生影响，可以依次串联至第n个模块，最多可以为未超过2n串的保护板供电并进行模拟电压相关的测试，每节电芯的电压以及限流独立可控，模块通过can总线的方式与pc连接控制，模块通过拨码的方式区分各自的地址。通过上述结构可以实现模拟电芯充放电无缝切换的效果，允许最大串数单位内任意串数串联，每串电压独立可调，为电池保护板以及bms的研发、生产、测试提供灵活的验证平台。
41.从以上的描述中，可以看出，本技术上述的实施例实现了如下技术效果：
42.应用本技术的技术方案，模拟电芯中的电压控制单元控制所述开关单元的导通或者截止以实现模拟电芯放电和充电，即采用模拟电芯模拟真实的电芯，直接采用模拟电芯进行保护板功能的测试可以避免安全问题的产生。且通过电压控制单元控制开关单元的导通或者截止，实现了模拟电芯充放电的自动切换。
43.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。