一种锂电池用的充放电保护管理系统及方法与流程

本发明属于电池管理系统，具体涉及一种锂电池用的充放电保护管理系统及方法。

背景技术：

1、锂电池是一种高能量密度、高比功率、使用寿命长的二次电池，广泛应用于消费电子、动力电池、储能等领域。锂电池在充放电过程中，如果电压、电流、温度等参数超出安全范围，会导致电池过充、过放、过热等故障，从而影响电池的安全性和使用寿命。

2、现有技术中，实现对锂电池充放电时的电压、电流、温度的保护不够全面。

3、为解决上述问题，本发明提出了一种锂电池用的充放电保护管理系统及方法。该系统可以根据电池的充放电状态和环境温度，将锂电池充放电保护和锂电池充放电管理的有机结合，全方位监测、保护和管理锂电池充放电过程中可能存在的情况。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，用于解决现有技术中涉及锂电池充放电保护、锂电池充放电管理的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种锂电池用的充放电保护管理系统，包括过温保护模块、过电压保护模块、过电流保护模块、电池电流采集模块和soc估算模块；

4、过温保护模块用于对锂电池充放电时锂电池温度进行过温保护，过温保护模块监测到温度达到高温阈值后，输出高电平使能信号，将充放电回路切断；过温保护模块监测到温度下降至低温阈值后，将高电平使能信号变为低电平，恢复充放电回路；

5、过电压保护模块用于对锂电池充放电时锂电池电压进行过电压保护，在锂电池充放电电压过高时，切断充放电回路；

6、过电流保护模块用于对锂电池充放电时锂电池电流进行过电流保护，在采样电流过大时，切断充放电回路；

7、电池电流采集模块用于采集锂电池的电流信息，发送给soc估算模块；

8、soc估算模块用于估算锂电池当前荷电状态，并通过充放电保护管理方法确定充放电策略。

9、优选地，过温保护模块包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、pmos管p1、pmos管p2、pmos管p3、运算放大器op、nmos管n1、电压基准源vbi；

10、其中pmos管p3栅极与电压基准源vbi连接，pmos管p3漏极与pmos管p2源极连接，pmos管p2源极与pmos管p1漏极连接，pmos管p2栅极与pmos管p1栅极连接，pmos管p2漏极通过电阻r1接地，pmos管p1源极接地，nmos管n1源极接地，x点、y点电压作为运算放大器op的输入，nmos管n1源极和漏极跨接在电阻r3两侧，pmos管p3源极通过电阻r2与nmos管n1漏极连接。

11、优选地，过电压保护模块包括二极管d1、二极管d2、nmos管n1、nmos管n2、pmos管p1、pmos管p2、电阻r1、电阻r2、电阻r3；

12、其中电阻r1与电源连接，nmos管n1栅极与nmos管n1源极连接，nmos管n1漏极通过二极管d1、二极管d2接地，nmos管n2漏极接地，nmos管n2源极通过电阻r3与pmos管p1漏极连接，pmos管p1漏极与pmos管p2栅极连接，nmos管n2栅极与pmos管p1栅极连接，pmos管p1源极与电源连接，pmos管p2源极与电源连接，pmos管p2漏极作为输出。

13、优选地，过电流保护模块包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻rbd、运算放大器op、pmos管p1、pmos管p2、比较器cp、施密特触发器smt、反相器inv、电容c、nmos管n1；

14、其中电阻r1一端通过电阻rbd与pmos管p2源极连接，pmos管p2栅极通过电阻r2与运算放大器op负极连接，运算放大器输出端与pmos管p1栅极连接，pmos管p1漏极通过电阻r3接地，pmos管p1源极与运算放大器正极连接，pmos管p2漏极作为输出，比较器cp输出端与施密特触发器smt输入端连接，施密特触发器smt输出端与反相器inv输入端连接，反相器inv输出端作为输入，电容c两端在施密特触发器smt输入端与反相器inv输出端之间跨接。

15、优选地，soc估算模块用于通过锂电池电流信息，通过soc估算方法，估算锂电池当前的荷电状态（soc），并根据锂电池当前的荷电状态，通过充放电保护管理方法确定充放电策略。

16、更进一步地，soc估算方法具体步骤如下：

17、首先，通过电池电流采集模块采集得到的锂电池充放电电流，放电时为正，充电时为负，考虑到充放电时间，由下式得到当前锂电池荷电状态：

18、

19、其中，为初始状态下，锂电池的荷电状态，初始为1，为锂电池的额定容量，为锂电池的充放电电流，为锂电池的充放电时间；

20、其次，由于锂电池在典型的应用场景下，有着较频繁的充放电次数，因此锂电池循环次数累积较快，对电池性能会造成严重影响，因此，本发明实施例考虑到电池循环次数的影响，在soc估算中，加入老化因子，用于修正锂电池soc计算值：，其中，表示当前电池容量；

21、然而锂电池当前容量不随循环次数增多而线性下降，经测试得到的锂电池当前容量与循环次数呈现出非线性关系，使用五次曲线拟合锂电池当前容量与循环次数的关系，老化因子为：

22、

23、因此，锂电池荷电状态soc的估计公式如下：

24、

25、本发明还提供一种锂电池用的充放电保护管理方法，具体步骤如下：

26、步骤s1：系统初始化，开启电池电流采集模块、过温保护模块、过电压保护模块和过电流保护模块；

27、步骤s2：开始对系统循环监测，监测系统内部或外部故障情况，如过电流、过电压、温度异常，以便进行故障保护；

28、如果检测到系统故障，立即触发以下操作：

29、关闭电池电流采集模块和soc估算模块；

30、切断充放电回路；

31、步骤s3：在放电时，开始放电状态监测，开启电池电流采集模块，采集锂电池的电流信息，将采集到的电流信息发送给soc估算模块；

32、soc估算模块根据电流信息通过估算方法计算当前的荷电状态；

33、如果估算的soc低于预设的下限值（设定为20%），则触发以下操作：

34、切断放电回路，停止放电，并恢复充电回路；

35、步骤s4：开始充电，在充电时，开始充电状态监测，开启电池电流采集模块，采集锂电池的电流信息，将采集到的电流信息发送给soc估算模块；

36、soc估算模块根据电流信息通过估算方法计算当前的荷电状态；

37、如果估算的soc达到预设的上限值（设定为80%），则触发以下操作：

38、切断充电回路，停止充电，并恢复放电回路；

39、步骤s5：完成一次电池循环，soc估算模块记录循环次数，重新计算锂电池老化因子，用于估算锂电池荷电状态。回到步骤s3。

40、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

41、1、本发明将锂电池充放电保护和锂电池充放电管理的有机结合，其中锂电池保护通过过温保护、过电压保护、过电流保护三方面，全方位监测锂电池充放电过程中可能存在的异常情况，过温保护模块具有高精度的温度监测，可以实现对温度的高精度监测，有效避免锂电池因过热而受损，过电压保护模块能够有效地保护电路免受输入电源过电压的损害，具有快速响应效果，过电流保护模块能够有效地保护电路免受过大电流的损害，通过使用电压基准源和自偏置低压共源共栅电流镜，该模块能够提供稳定的参考电压和电流输出。

42、2、锂电池充放电管理方面，通过使用霍尔电流传感器，电池电流采集模块能够准确地采集锂电池的电流信息，soc估算模块利用电池电流信息和估算方法来计算锂电池当前的荷电状态，在soc估算中考虑电池循环次数的影响，并引入老化因子修正估算结果，具有准确性、灵活性和节约成本等有益效果，提高了锂电池的管理和使用效率。