锂离子动力电池组均衡充电管理系统及其均衡充电方法
【专利摘要】本发明公开了一种锂离子动力电池组均衡充电管理系统及其均衡充电方法，所述系统包括MCU中央控制单元、电池信息监控模块、电池散热模块、若干个均衡充电模块以及若干个电池模块，所述MCU中央控制单元分别与电池信息监控模块、电池散热模块和均衡充电模块连接，所述电池信息监控模块和电池散热模块分别与电池模块连接，所述每个均衡充电模块与每个电池模块一一对应连接；所述方法在当某节电池的电压达到过充电压时，MCU中央控制单元控制均衡充电保护单元开始工作，把电池中的充电电流分离出去，并反馈回充电总线的方式进行均衡充电。本发明能支持大电流均衡充电，充电完成时间短，转换效率高并且发热少，提高电池组的使用寿命和安全性能。
【专利说明】锂离子动力电池组均衡充电管理系统及其均衡充电方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电池均衡充电管理系统，尤其是一种锂离子动力电池组均衡充电管理系统及其均衡充电方法，属于电池管理【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前限制电动车辆产业化的一个主要因素就是电池的性能和寿命，尤其当采用串联电池组作为动力电源时，电池间的不一致性会导致电池具有不同的充电特性，从未增加了电池组充电过程中电池单体发生过充的可能性，使得电池组的性能下降。锂离子电池以其能量密度大、电压平台高等优良的性能成为纯电动汽车的理想动力源。然而，锂离子电池的抗滥用能力较差。锂离子电池，特别是成组锂离子电池的安全性和长寿命成为锂离子电池使用管理中急需解决的问题。锂离子电池单体在生产过程中、长时间静置及长期充放电过程中电池组内各单体荷电量差距会越来越大，呈发散趋势，从而造成电池组内部电池离散性加大，个别电池性能衰减加剧，导致整组电池失效。
[0003]目前，锂离子动力电池组的管理方法有:
[0004]I)耗散电阻分流法，它是一种既可靠有简易的方法。它可以工作与两种模式:监测模式和连续工作模式。在监测模式时，电压监测装置需要监测每个单体电池的电压，一个智能控制器整合单体电压的不平衡状态，进一步控制接通耗散电阻，来消耗高电压单体的能量。在连续工作模式下，所有继电器由相同的信号控制，同时开启或关闭。在充电时，继电器开启，具有较高电压的单体会获得较少的充电电流，相当于在等待其他单体与其平衡。这种方法能量损耗大，在监测模式下需要智能控制，成本较高。
[0005]2)完全分流法。完全分流法用一个主充电器代替串联充电器。这个主充电器是一个电流控制转换器。当其中一个单体达到其最高电压，此单体便会被两个开关完全分流。当这组电池中的最后一个单体充电结束后便结束充电。这个方法十分直接，但是电池组由大量单体组成时，电池组电压会在一个很大的范围内波动，这时就需要一个降压变换器从而增加部分成本和系统复杂度。
[0006]3)采用MCU(微控制器或单片机)管理方式，MCU在锂电池管理系统方面的应用是非常适合的，可以非常方便的根据电池充电的状态实现实时电池均衡管理，目前主要的均衡管理方法是双向无损均衡技术，即给每一个电池配备一个均衡回路，需要两个功率的M0S,但它的问题在于均衡管理系统的控制变得复杂，可靠性下降，成本上升，一旦有一路器件损坏，产生短路的风险极高，几乎无法维护，如果要求较大的均衡电流则各种问题将会更加突出。传统的前期恒流充电+后期恒压充电模式，不仅不能对电池进行均衡充电，而且充电时间最快在2?3小时。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种锂离子动力电池组均衡充电管理系统，该系统电路简化，便于维修，具有过压、过温、过流保护功能，能支持大电流均衡充电，充电完成时间短，转换效率高并且发热少，提高电池组的使用寿命和安全性能。
[0008]本发明的另一目的在于提供一种基于上述系统的均衡充电方法。
[0009]本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0010]锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于:包括MCU中央控制单元、电池信息监控模块、电池散热模块、若干个均衡充电模块以及若干个电池模块，所述MCU中央控制单元分别与电池信息监控模块、电池散热模块和均衡充电模块连接，所述电池信息监控模块和电池散热模块分别与电池模块连接，所述每个均衡充电模块与每个电池模块一一对应连接，其中:
[0011]所述电池信息监控模块，用于监测电池模块中每节电池的电压、电流和温度信息，并将监测的信息反馈至MCU中央控制单元；
[0012]所述MCU中央控制单元，用于对电池信息监控模块反馈的信息进行分析，再对电池散热模块和均衡充电模块发送指令，控制电池模块中的每节电池充电均衡；
[0013]所述每个均衡充电模块，包括充电机、PWM控制器、Flyback转换器和两个功率Mosfet管；所述PWM控制器分别与Flyback转换器和功率Mosfet管连接，所述功率Mosfet管与Flyback转换器连接,构成回馈型均衡充电保护单元；所述Flyback转换器通过充电机与电池模块连接。
[0014]作为一种实施方案，所述MCU中央控制单元通过单片机的输入/输出引脚分别与电池信息监控模块、电池散热模块和均衡充电模块连接。
[0015]作为一种实施方案，所述每个电池模块由4?8节电池串联组成。
[0016]作为一种实施方案，所述电池散热模块由风扇和相应的电路组成，所述风扇用于对电池模块中的电池进行送风散热。
[0017]作为一种实施方案，所述电池信息监控模块由监测芯片和PWM串联组成，所述监测芯片包括电流传感器、电压传感器和温度传感器。
[0018]作为一种实施方案，所述电池模块中的每节电池上有监测芯片，所述监测芯片测得的数值PWM进行DC-DC转换，传输至MCU中央控制单元，继而控制电池散热模块和均衡充电模块。
[0019]作为一种实施方案，所述电池信息监控模块上设置有红外发射器，所述红外反射器与PWM连接，使监测芯片测得的数值通过转换后可以采用红外通信方式传输至MCU中央控制单元。
[0020]作为一种实施方案，所述电压传感器、电流传感器和PWM通过外接电路与电池模块中的每节电池并联，所述温度传感器贴在每节电池的外部，温度传感器连接在温度测量引脚上。
[0021]优选的，所述电流传感器为电流互感器；所述电压传感器为电压互感器；所述PWM控制器为UC2825A ;所述每个电池模块由6节电池串联组成。
[0022]本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0023]锂离子动力电池组均衡充电管理系统的均衡充电方法，其特征在于所述方法包括以下步骤:
[0024]I)开始充电时，充电机对电池模块中的电池进行恒流充电；
[0025]2)在充电过程中，当均衡充电保护单元不工作时，电池模块中的充电电流等于充电机电流；同时，电池信息监控模块不断对每节电池的电压、电流和温度进行数据采集和转换，将得到的数据通过红外发射器反馈至MCU中央控制单元；
[0026]3)根据步骤2)的反馈信息，当某节电池的电压达到过充电压时，MCU中央控制单元根据内部设定好的程序发出指令，控制均衡充电保护单元开始工作，把电池中的充电电流分离出去，从而维持充电电压，分出的电流在均衡充电保护单元的作用下，转化为高电压小电流，由输出端反馈回充电总线；当某节电池的电压持续上升，达到过充电压的安全限时，均衡充电保护单元中的PWM控制器通过比较电路产生误差信号，并把误差信号传送给MCU中央控制单元，调节充电电流，直至误差信号保持零为止；
[0027]4)根据步骤2)的反馈信息，MCU中央控制单元不断地判断每节电池温度的变化值是否超过或达到了预定值Atl，选择是否开启电池散热模块对电池模块进行散热；当电池的温升或温度达到预定值时，开启电池散热模块进行散热；当每节电池的温度继续增加，并且达到最高值时，关闭该节电池的充电电路。
[0028]作为一种实施方案，步骤3)所述均衡充电保护单元开始工作，把电池中的充电电流分离出去，具体为:均衡充电保护单元中的PWM控制器通过比较电路将输入电压与Flyback转换器的电压进行比较，产生不同占空比的双路PWM控制信号，控制两个功率Mosfet管，将Flyback转换器的能量进行转移，实现充电机对电池充电电流的转移。
[0029]本发明相对于现有技术具有如下的有益效果:
[0030]1、本发明的均衡充电管理系统采用的均衡充电模块，通过分离电池的充电电流并反馈回充电总线的方式进行均衡充电，这样不仅能实现均衡充电的目的，而且还保证电池的充电电压稳定，提高充电效率，满足了电池快速充电的要求。
[0031]2、本发明的均衡充电管理系统简化了电路结构，系统运行安全可靠。系统所采用的均衡充电模块由充电机、PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制器、Flyback (反激式)转换器和功率 Mosfet (Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,金氧半场效晶体管)管构成,这大大简化了均衡充电的控制网络，便于产业化批量生产或自动化生产，既能保证生产效率又能保证产品品质。
[0032]3、本发明的均衡充电管理系统能实现大电流均衡充电。由于电动汽车电池容量大，充电的电流也很大，充电也有时间限制，特别是追求快速充电时，均衡电流不能太小，否则就失去了均衡的意义，但大均衡电流也会带来一系列问题，如复杂程度增加，成本增加，可实现性差，这样的系统也少见实例，缺少验证的实际数据，因此本发明采用Flyback转换器的升压型转换式电源解决了大电流的均衡的问题。
[0033]4、本发明的均衡充电管理系统转换效率高，发热少。利用Flyback转换器、PWM控制器和M0SFET，设计了回馈型均衡充电保护单元，其实现方法是:在充电过程中，当均衡充电保护单元不工作时，电池模块(电池组)中的充电电流等于充电机电流，当充电过程中有的电池电压达到过充电压时，均衡充电保护单元开始工作，把电池中的充电电流分离出去，从而维持充电电压；分出的电流在均衡充电保护单元的作用下，转化为高电压小电流，由输出端反馈回充电总线，这种反馈使能量损失几乎为零，同时这种反馈增加了电池模块(电池组)中的充电电流，使得电池模块(电池组)中均衡充电保护单元没有分流的单体电池的充电电流增加，充电效率较高。
[0034]5、本发明的均衡充电管理系统中，电池信息监控模块上设有红外发射器，即采用红外通信方式进行传输，不仅提高系统的抗干扰性、可靠性和安全性，而且均衡与信息和指令系统相互独立，因此即便是均衡部分失灵或损坏，都不至于影响系统的工作，不会导致电池大面积的损坏和严重的安全问题。
[0035]6、本发明的均衡充电管理系统成本低。由于电动汽车的成本大头集中在电池部分，而目前车企普遍认为电池管理系统的价格偏高，进口的管理系统的价格更高，成本是限制电动汽车发展的环节之一，因此使用本发明系统来降低电池部分的成本，从而有效降低电动汽车的成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为本发明的锂离子动力电池组均衡充电管理系统的结构原理框图。
[0037]图2为本发明的锂离子动力电池组均衡充电管理系统中均衡充电模块的结构原理框图。
【具体实施方式】
[0038]实施例1:
[0039]如图1所示，本实施例的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，包括MCU中央控制单元1、电池信息监控模块2、电池散热模块3、若干个均衡充电模块4以及若干个电池模块5，所述MCU中央控制单元I分别与电池信息监控模块2、电池散热模块3和均衡充电模块4连接，所述电池信息监控模块2和电池散热模块3分别与电池模块5连接，所述每个均衡充电模块4与每个电池模块5 —一对应连接，其中:
[0040]所述电池信息监控模块2，用于监测电池模块5中每节电池的电压、电流和温度信息，并将监测的信息反馈至MCU中央控制单元I ;
[0041]所述MCU中央控制单元1，用于对电池信息监控模块2反馈的信息进行分析，再对电池散热模块3和均衡充电模块4发送指令，控制电池模块5中的每节电池充电均衡；
[0042]所述每个均衡充电模块4如图2所示，包括充电机4-1、PWM控制器4_2、Flyback转换器4-3和两个功率Mosfet管4-4 ;所述PWM控制器4_2分别与Flyback转换器4_3和功率Mosfet管4-4连接，所述功率Mosfet管4-4与Flyback转换器4-3连接，构成回馈型均衡充电保护单元；所述Flyback转换器4_3通过充电机4_1与电池模块5连接。
[0043]本实施例中，所述MCU中央控制单元I通过单片机的输入/输出引脚分别与电池信息监控模块2、电池散热模块3和均衡充电模块4连接；所述每个电池模块5由6节电池串联组成；所述电池散热模块3由风扇和相应的电路组成，所述风扇用于对电池模块5中的电池进行送风散热；所述电池信息监控模块2由监测芯片和PWM串联组成，所述监测芯片包括电流传感器、电压传感器和温度传感器，所述电压传感器、电流传感器和PWM通过外接电路与电池模块5中的每节电池并联，所述温度传感器贴在每节电池的外部，温度传感器连接在温度测量引脚上，电流传感器、电压传感器和温度传感器测得的数值通过PWM进行DC-DC转换，传输至MCU中央控制单元I，继而控制电池散热模块3和均衡充电模块4 ;所述电池信息监控模块2上设置有红外发射器，所述红外反射器与PWM连接，使监测芯片测得的数值通过转换后可以采用红外通信方式传输至MCU中央控制单元；所述电流传感器采用电流互感器，所述电压传感器采用电压互感器，所述PWM控制器4-2采用UC2825A。[0044]如图1和图2所示，本实施例的均衡充电方法包括以下步骤:
[0045]I)开始充电时，充电机4-1对电池模块5中的电池进行恒流充电；
[0046]2)在充电过程中，当均衡充电保护单元不工作时，电池模块5中的充电电流等于充电机4-1电流；同时，电池信息监控模块2不断对每节电池的电压、电流和温度进行数据采集和转换，将得到的数据通过红外发射器反馈至MCU中央控制单元I ;
[0047]3)根据步骤2)的反馈信息，当某节电池的电压达到过充电压(4.35V)时，MCU中央控制单元I根据内部设定好的程序发出指令，控制均衡充电保护单元开始工作，把电池中的充电电流分离出去，从而维持充电电压，分出的电流在均衡充电保护单元的作用下，转化为高电压小电流，由输出端反馈回充电总线，这种反馈使能量损失几乎为零，同时这种反馈增加了电池模块5中的充电电流，使得电池模块5中均衡充电保护单元没有分流的单体电池的充电电流增加，充电效率较高；当某节电池的电压持续上升，达到过充电压的安全限(4.5v)时，均衡充电保护单元中的PWM控制器4-2通过比较电路产生误差信号，并把误差信号传送给MCU中央控制单元1，调节充电电流，直至误差信号保持零为止；[0048]4)根据步骤2)的反馈信息，MCU中央控制单元I不断地判断每节电池温度的变化值是否超过或达到了预定值△ tl，选择是否开启电池散热模块3对电池模块5进行散热；当电池的温升或温度达到预定值时，开启电池散热模块3进行散热；当某节电池的温度继续增加，并且达到最高值时，关闭该节电池的充电电路。
[0049]上述步骤2)中，所述电池信息监控模块2不断对每节电池的电压、电流和温度进行数据采集和转换，具体为:所述电池信息监控模块2通过监测芯片测量每节电池的电压、电流和温度，将测得的数值通过PWM进行DC-DC转换。
[0050]上述步骤3)中，所述均衡充电保护单元开始工作，把电池中的充电电流分离出去，具体为:均衡充电保护单元中的PWM控制器4-2通过比较电路将12V输入电压与Flyback转换器4_3的电压进行比较，产生不同占空比的双路PWM控制信号，控制两个功率Mosfet管4-4，将Flyback转换器4_3的能量进行转移，实现充电机4_1对电池充电电流的转移。
[0051]综上所述，本发明的锂离子动力电池组均衡充电管理系统电路简化，便于维修，具有过压、过温、过流保护功能，能支持大电流均衡充电，充电完成时间短，转换效率高并且发热少，提高电池组的使用寿命和安全性能，其通过分离电池的充电电流并反馈回充电总线的方式进行均衡充电，这样不仅能实现均衡充电的目的，而且还保证电池的充电电压稳定，提高充电效率，满足了电池快速充电的要求。
[0052]以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
【权利要求】
1.锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于:包括MCU中央控制单元、电池信息监控模块、电池散热模块、若干个均衡充电模块以及若干个电池模块，所述MCU中央控制单元分别与电池信息监控模块、电池散热模块和均衡充电模块连接，所述电池信息监控模块和电池散热模块分别与电池模块连接，所述每个均衡充电模块与每个电池模块一一对应连接，其中: 所述电池信息监控模块，用于监测电池模块中每节电池的电压、电流和温度信息，并将监测的信息反馈至MCU中央控制单元； 所述MCU中央控制单元，用于对电池信息监控模块反馈的信息进行分析，再对电池散热模块和均衡充电模块发送指令，控制电池模块中的每节电池充电均衡； 所述每个均衡充电模块，包括充电机、PWM控制器、Flyback转换器和两个功率Mosfet管；所述PWM控制器分别与Flyback转换器和功率Mosfet管连接，所述功率Mosfet管与Flyback转换器连接,构成回馈型均衡充电保护单元；所述Flyback转换器通过充电机与电池模块连接。
2.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于:所述MCU中央控制单元通过单片机的输入/输出引脚分别与电池信息监控模块、电池散热模块和均衡充电模块连接。
3.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于:所述每个电池模块由4~8节电池串联组成。
4.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于:所述电池散热模块由风扇和相 应的电路组成，所述风扇用于对电池模块中的电池进行送风散热。
5.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于:所述电池信息监控模块由监测芯片和PWM串联组成，所述监测芯片包括电流传感器、电压传感器和温度传感器。
6.根据权利要求5所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于:所述电池模块中的每节电池上有监测芯片，所述监测芯片测得的数值PWM进行DC-DC转换，传输至MCU中央控制单元，继而控制电池散热模块和均衡充电模块。
7.根据权利要求5所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于:所述电池信息监控模块上设置有红外发射器，所述红外反射器与PWM连接。
8.根据权利要求5-7任一项所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统，其特征在于:所述电压传感器、电流传感器和PWM通过外接电路与电池模块中的每节电池并联，所述温度传感器贴在每节电池的外部，温度传感器连接在温度测量引脚上。
9.锂离子动力电池组均衡充电管理系统的均衡充电方法，其特征在于所述方法包括以下步骤: 1)开始充电时，充电机对电池模块中的电池进行恒流充电； 2)在充电过程中，当均衡充电保护单元不工作时，电池模块中的充电电流等于充电机电流；同时，电池信息监控模块不断对每节电池的电压、电流和温度进行数据采集和转换，将得到的数据通过红外发射器反馈至MCU中央控制单元； 3)根据步骤2)的反馈信息，当某节电池的电压达到过充电压时，MCU中央控制单元根据内部设定好的程序发出指令，控制均衡充电保护单元开始工作，把电池中的充电电流分离出去，从而维持充电电压，分出的电流在均衡充电保护单元的作用下，转化为高电压小电流，由输出端反馈回充电总线；当某节电池的电压持续上升，达到过充电压的安全限时，均衡充电保护单元中的PWM控制器通过比较电路产生误差信号，并把误差信号传送给MCU中央控制单元，调节充电电流，直至误差信号保持零为止； 4)根据步骤2)的反馈信息，MCU中央控制单元不断地判断每节电池温度的变化值是否超过或达到了预定值Atl，选择是否开启电池散热模块对电池模块进行散热；当电池的温升或温度达到预定值时，开启电池散热模块进行散热；当每节电池的温度继续增加，并且达到最高值时，关闭该节电池的充电电路。
10.根据权利要求9所述的锂离子动力电池组均衡充电管理系统的均衡充电方法，其特征在于:步骤3)所述均衡充电保护单元开始工作，把电池中的充电电流分离出去，具体为:均衡充电保护单元中的PWM控制器通过比较电路将输入电压与Flyback转换器的电压进行比较，产生不同占空比的双路PWM控制信号，控制两个功率Mosfet管，将Flyback转换器的能量进行转移 ，实现充电机对电池充电电流的转移。
【文档编号】H02J7/00GK103944228SQ201410165978
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2014年4月23日
【发明者】李小平, 黄伟昭, 李伟善, 胡佳娜, 邱显焕, 张远明 申请人:华南师范大学