一種鋰電池電源模塊管理系統(tǒng)及其方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于鋰電池充放電保護技術領域，具體涉及一種鋰電池電源模塊管理系統(tǒng)及其方法。
【背景技術】
[0002]目前，電動汽車以其獨特的節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢引起越來越多的國家的重視，開展了大量的相關研究和開發(fā)工作。其中動力鋰電池電源以其所具備的體積小、質量輕、能量密度大、無記憶效應、使用壽命長、使用范圍廣、工作電壓高和自放電率低等優(yōu)點而成為主流電動力源技術。
[0003]通常地，動力鋰電池成組串聯使用，多組之間再串聯及并聯形成電池包。電池組充電時若有一個電池充電電壓達到設定值(例如4.2V)，即切斷充電回路以避免過充電。但由于電池之間存在一致性的問題，導致“木桶效應”的出現，即電池組總電量受某個單體電池限制，充電只能將一個單體電池充滿，整個電池組不滿，使得電池組放電容量變小。同樣，電池組放電時若有單體達到設定值即需切斷放電回路以避免過放電，進一步縮小電池組放電容量。
[0004]為此人們采用一些充放電均衡技術來試圖改善這個問題。其中包括采用旁路電阻的被動式均衡、采用補償電容的主動式均衡、采用主從式電感線圈的主動式均衡等相關技術。目前的均衡技術都是基于分流原理，在不斷開電池的工作回路的前提下對于偏離多數區(qū)間的單體電池或者進行分流減負，或者進行匯流補充。其存在問題是大功率的分流、匯流效果不易實現，而且當單體電池處于過充電、過放電時仍需持續(xù)工作，一旦均衡控制措施匹配不佳時會加速電池老化;同時也無法簡單地用新電池替換舊電池。
[0005]另一方面，當鋰電池在使用過程中由于某個單體電池內部微短路等原因出現潛在故障時，現有的均衡技術會在相當程度上掩蓋這個問題;而當故障明顯出現后現有的電池管理系統(tǒng)只能在發(fā)出警告信號的同時選擇將電池電源回路快速切斷以避免故障造成損失，從而也使得汽車喪失動力無法行駛。

【發(fā)明內容】

[0006]為了克服目前動力鋰電池電源存在的電池一致性差異所帶來的問題，本發(fā)明的目的是提供一種鋰電池電源模塊管理系統(tǒng)，該裝置能夠以較為簡單、經濟的方式來實現電池單體的過充、過放異常狀態(tài)的保護，從而改善電池組的使用容量并延長電池組的使用壽命，并且在電池出現潛在故障時可以將損壞電池從主回路中移除，讓其余電池繼續(xù)提供電力，提高了電池系統(tǒng)的可靠性。其原理是利用斷流均衡的方法，即對每一個電池并聯一個單刀雙擲開關(機械觸點或電力電子部件)，一旦電池出現過充電、過放電時即轉換開關將電池單獨旁路斷開，避免電池過度使用，同時減輕木桶效應的影響，方便更換新電池。
[0007]為達到以上目的，本發(fā)明采用的技術方案是一種鋰電池電源模塊管理系統(tǒng)，用于管理鋰電池構成的電源模塊，所述電源模塊由若干個電池組構成，所述電池組由若干個電池片串聯構成，所述電池片由一個電池單體或多個并聯的電池單體構成，所述電池片并聯一個第一轉換開關，每個所述電池組中的所述第一轉換開關組成一個開關陣列，所述開關陣列連接電池組控制單元，所述電池組控制單元能夠監(jiān)測所述電池片的充放狀態(tài)的狀態(tài)參數并發(fā)出相應驅動信號控制所述開關陣列中的所述第一轉換開關改變狀態(tài)使相應的所述電池片移出充、放電回路;其中還包括與所述電池組控制單元相連的電源模塊管理單元，與所述電源模塊管理單元連接的充電機，所述電源模塊管理單元根據所述電池組控制單元發(fā)送的所述狀態(tài)參數產生相應指令，控制所述充電機調整對所述電源模塊的充電模式和充電電流大小。
[0008]進一步，所述電源模塊管理單元包括連接有電流傳感器、斷路繼電器、限流保護器的第一 CPU，設置在所述第一 CPU上的第一 CAN通信總線、第二 CAN通信總線、第三CAN通信總線，所述第一 CAN通信總線連接所述電池組控制單元、所述第二 CAN通信總線連接上級系統(tǒng)、所述第三CAN通信總線連接所述充電機;所述第二 CAN總線、第三CAN通信總線分別通過第一光電隔離器設置在所述第一 CPU上;所述充電機的充電模式包括涓流充電模式、恒流充電模式、限流降壓充電模式。
[0009]進一步，所述電池組控制單元包括通過第二光電隔離器與第一CAN通信總線相連的第二 CPU、連接所述第二 CPU和所述開關陣列的電壓測量器、連接所述第二 CPU的溫度傳感器，還包括電流測量器、開關陣列驅動器;所述第一轉換開關為轉換型，采用電機式繼電器，包含由一個動觸點與兩個靜觸點構成的單刀雙擲機械開關，所述單刀雙擲機械開關包括“常閉”和“轉換”兩種狀態(tài)，每個所述第一轉換開關的所述電機式繼電器均通過專用的繼電器驅動電路連接所述電池組控制單元并獲得所述電池組控制單元發(fā)出的所述驅動信號，所述充放狀態(tài)包括“過充”、“過放”、“過熱”狀態(tài)。
[0010]進一步，所述限流保護器包括串聯的充電限流電阻和放電限流電阻，所述充電限流電阻、放電限流電阻分別并聯一個第二轉換開關，所述第二轉換開關為轉換型，采用電機式繼電器，包含由一個動觸點與兩個靜觸點構成的單刀雙擲機械開關，所述單刀雙擲機械開關包括“常閉”和“轉換”兩種狀態(tài)，每個所述第二轉換開關的所述電機式繼電器均通過專用的繼電器驅動電路連接所述第一CPU，在所述第一CPU的控制下，所述充電限流電阻能夠被放入或移出所述充電回路、所述放電限流電阻能夠被放入或移出所述放電回路。
[0011]更進一步，所述電源模塊管理單元和所述電池組控制單元的直流工作電源通過所述電源模塊的輸出端的DC-DC轉換而獲得。
[0012]為達到以上目的，本發(fā)明還公開了一種用于以上所述的鋰電池電源模塊管理系統(tǒng)的鋰電池電源模塊管理方法，包括以下步驟:
[0013]步驟(SI)，所述充電機上電后，向所述電源模塊管理單元發(fā)出數據，表明所述充電機加入充電回路，所述充電機為空閑狀態(tài)；
[0014]步驟(S2)，所述電源模塊管理單元根據所述電池模塊的所述電池組中各個所述電池片實際情況判斷是否啟動所述充電機進行充電，如果“否”，則所述充電機將不允許充電，所述充電機為空閑狀態(tài)，如果“是”，則控制所述充電機啟動充電；
[0015]步驟(S3)，在所述電池模塊的所述電池組進行充電時，所述第一轉換開關處于常閉狀態(tài)，當某一所述電池片處于過充狀態(tài)時，所述電池組控制單元監(jiān)測到該所述電池片過充信號，同時發(fā)出一個指令，使相應的所述第一轉換開關跳轉到轉換狀態(tài)，將該過充的所述電池片移出所述充電回路，依次重復以上操作，直到所述電池模塊的所述電池組中的所有所述電池片全部移出所述充電回路；
[0016]所述電池組控制單元向所述電源模塊管理單元發(fā)送所述電池片的所述狀態(tài)參數，所述電源模塊管理單元根據所述狀態(tài)參數檢查是否存在需要改變充電電流的所述電池片，如果存在電壓低于最小允許單體電池片充電電壓的所述電池片，所述電源模塊管理單元控制所述充電機進入所述涓流充電模式；
[0017]如果不存在需要改變充電電流的所述電池片，所述電源模塊管理單元控制所述充電機進入所述恒流充電模式；
[0018]如果存在電壓高于最大允許單體電池片充電電壓的所述電池片，所述電源模塊管理單元通過相應的所述電池組控制單元將該所述電池片移出所述充電回路，同時控制所述充電機進入所述限流降壓充電模式，階梯式降低充電電壓，每次從所