本實用新型屬于鋰電池充放電保護技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大容量鋰電池包電源管理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，動力鋰電池電源以其所具備的體積小、質(zhì)量輕、能量密度大、無記憶效應(yīng)、使用壽命長、使用范圍廣、工作電壓高和自放電率低等優(yōu)點而成為電動汽車的主流動力源技術(shù)。通常地，動力鋰電池成組串聯(lián)使用，多組之間再串聯(lián)形成電源模塊。當電源模塊的容量要求較大時，考慮到體積分布和可靠性要求，一般會將若干個電源模塊并聯(lián)形成一個大容量的電池包。

由于電池單體之間存在一致性的問題，導(dǎo)致“木桶效應(yīng)”的出現(xiàn)，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(shè)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。為此人們采用一些充放電均衡技術(shù)來試圖改善這個問題，大體上包括能量耗散型及能量轉(zhuǎn)移型兩類，基本上都是基于分流原理，在不斷開電池的工作回路的前提下對于偏離多數(shù)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(xiàn)，而且當單體電池接近于滿電、欠電時仍需持續(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。

實用新型專利(申請?zhí)?01620244331.4)提出了一種鋰電池電源模塊管理系統(tǒng)，該裝置利用斷流均衡的方法，能夠以較為簡單、經(jīng)濟的方式來實現(xiàn)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(xiàn)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。但該專利使用的單刀雙擲開關(guān)在考慮成本和可靠性的前提下，其具體實現(xiàn)往往難以達到200安培以上大電流長時間工作的要求。因此對于大容量鋰電池方案需要采取將若干個電源模塊并聯(lián)形成一個大容量電池包的方法。與此同時，為了提高充電效率，2-3C(在20-30分鐘內(nèi)完成充電)的大功率快充技術(shù)日益得到推廣應(yīng)用?？斐浼夹g(shù)需要相當于慢充條件下幾倍之多的充電電流，要求鋰電源模塊具備敏捷的充電管理功能，且電源模塊與充電機之間需要直接配合，對于大容量鋰電池方案而言若使用慢充技術(shù)的集中式充電方式就會在充電控制上難以滿足要求。相應(yīng)地，需要在該專利基礎(chǔ)上針對大功率快充條件下多個電源模塊并聯(lián)情形進行必要的改善。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了應(yīng)對快充技術(shù)對大容量鋰電池包充電管理的挑戰(zhàn),本實用新型提供一種大容量鋰電池包電源管理系統(tǒng)，用以解決快充和慢充兩種不同充電模式對于充電機和充電控制的差異化要求。其原理是在快充模式下利用由若干個電池組串聯(lián)構(gòu)成的電源模塊進行再并聯(lián)以降低斷流均衡所使用的單刀雙擲開關(guān)的工作電流，同時各電源模塊單獨連接充電機構(gòu)成分布式充電以保證充電管理的快速可靠響應(yīng)；在慢充模式下各電源模塊并聯(lián)，同時將充電控制功能轉(zhuǎn)交給電池包管理單元負責(zé)。

為達到以上目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是：一種大容量鋰電池包電源管理系統(tǒng)，用于管理鋰電池構(gòu)成的電池包，所述電池包中包括若干個并聯(lián)的電源模塊，所述電源模塊由若干個電池組串聯(lián)構(gòu)成，所述電池組由若干個電池片串聯(lián)構(gòu)成，所述電池片由一個電池單體或多個并聯(lián)的電池單體構(gòu)成，所述電池片并聯(lián)一個轉(zhuǎn)換開關(guān)；所述電源模塊中包括相互連接的電源模塊管理單元和電池組控制單元，每個所述電源模塊連接一個第二充電機；所述大容量鋰電池包電源管理系統(tǒng)包括與所述電源模塊管理單元連接的電池包管理單元，所述電池包管理單元連接一個第一充電機，還包括用于快充/慢充模式切換、實現(xiàn)所述電源模塊獨立快充的選擇單元；其中， 所述轉(zhuǎn)換開關(guān)為轉(zhuǎn)換型，采用磁保持繼電器。

進一步，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)包含一個單刀雙擲機械開關(guān)，所述單刀雙擲機械開關(guān)由一個動觸點與兩個靜觸點構(gòu)成；每個所述電池組中的所述轉(zhuǎn)換開關(guān)組成一個開關(guān)陣列，所述開關(guān)陣列連接所述電池組控制單元；所述磁保持繼電器為多線圈的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，包含通過磁力保持所述動觸點、靜觸點開合狀態(tài)的永久磁鐵或高剩磁特性銜鐵；所述磁保持繼電器的所述動觸點、靜觸點間距大于1.3mm。

進一步，所述電源模塊管理單元包括連接有直流接觸器、電流傳感器、限流保護器的第一CPU，設(shè)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通信總線連接所述電池包管理單元；所述第三CAN通信總線連接所述第二充電機；所述第二CAN總線、第三CAN通信總線分別通過光電隔離器設(shè)置在所述第一CPU上。

進一步，所述電池組控制單元包括通過光電隔離器與第一CAN通信總線相連的第二CPU，連接所述第二CPU的電壓測量器、溫度傳感器，還包括電流測量器。

進一步，所述電源模塊通過一個通訊接口與所述第二充電機相連。

進一步，所述選擇單元包括設(shè)置在每個所述電源模塊的并聯(lián)線路上、用于連接/斷開所述電源模塊的并聯(lián)連接的充電選擇開關(guān)。

更進一步，所述充電選擇開關(guān)是手動/自動機械開關(guān)。

進一步，所述選擇單元還包括設(shè)置在所述電源模塊的所述第二充電機上的一個單獨的充電接口。

進一步，所述選擇單元還包括設(shè)置在所述電源模塊中的充電狀態(tài)指示標志。

進一步，所述電池包中還包括一個設(shè)置在所述第一充電機上的充電接口，所述電池包管理單元通過一個通訊接口與所述第一充電機相連。

本實用新型的有益效果有以下幾點：

1.解決快充和慢充兩種不同充電方式對于充電機和充電控制的差異化要求；

2.在快充模式下可以降低斷流均衡所使用的單刀雙擲開關(guān)的工作電流要求，并保證充電管理的快速可靠響應(yīng)。

附圖說明

圖1是本實用新型具體實施方式中所述大容量鋰電池包電源管理系統(tǒng)的示意圖；

圖2是本實用新型具體實施方式中所述電源模塊的示意圖；

圖3是本實用新型具體實施方式中所述開關(guān)陣列與所述電池片的連接關(guān)系示意圖；

圖中：1-第一充電機，2-通訊接口，3-電池包管理單元，4-電源模塊，5-充電選擇開關(guān)，6-充電接口，7-第二充電機，8-第一CPU，9-光電隔離器，10-第二CPU，11-開關(guān)陣列，12-電池組，13-電池片，14-第一CAN通信總線，15-第二CAN通信總線，16-第三CAN通信總線，17-直流接觸器，18-電流傳感器，19-限流保護器，20-磁保持繼電器，21-單刀雙擲機械開關(guān)，22-繼電器驅(qū)動電路。

具體實施方式

本實用新型所涉及的大容量電池包中的每一個電池片都并聯(lián)有一個轉(zhuǎn)換開關(guān)，這個轉(zhuǎn)換開關(guān)是一種單刀雙擲開關(guān)，在考慮成本和可靠性的前提下，往往難以達到200安培以上大電流長時間工作的要求。因此對于大容量鋰電池方案需要采取先串后并的方法，即先將若干個電池片串聯(lián)形成的 電池組再串聯(lián)構(gòu)成電源模塊，然后將若干個電源模塊并聯(lián)形成一個大容量電池包。每個電源模塊容量較小，即使在2-3C條件下的快充模式，其充電電流增加幾倍也仍處于可接受范圍內(nèi)。要發(fā)揮斷流均衡的優(yōu)勢，需要電源模塊具備敏捷的充電管理功能，且電源模塊與充電機之間需要直接配合，對于大容量鋰電池包方案而言多個獨立充電機的分布式充電方式是有必要的。在此方式下，每個電源模塊的充電過程相互獨立，各自配備有充電接口；還包括充電選擇開關(guān)，即內(nèi)部各個電源模塊相互連接的自動/手動機械開關(guān)，可以斷開以選擇分布式充電模式。

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步描述。

一種大容量鋰電池包電源管理系統(tǒng)(見圖1)，用于管理鋰電池構(gòu)成的電池包，電池包中包括若干個并聯(lián)的電源模塊4，電源模塊4中設(shè)有電源模塊管理單元，每個電源模塊4連接一個第二充電機7(電源模塊4通過一個通訊接口2與第二充電機7相連)。(在圖1中，電源模塊4的數(shù)量為兩個，僅為示意。)

如圖1所示，大容量鋰電池包電源管理系統(tǒng)包括電池包管理單元3，電池包管理單元3與電源模塊4中的電源模塊管理單元連接；還包括與電池包管理單元3連接的一個第一充電機1；還包括用于快充/慢充模式切換、實現(xiàn)電源模塊4獨立快充的選擇單元。

電池包中還包括一個設(shè)置在第一充電機1上的充電接口6，電池包管理單元3通過一個通訊接口2與第一充電機1相連。這個通訊接口2是電池包對第一充電機1的通訊控制端口，能夠通過它控制第一充電機1調(diào)整對電池包的充電模式和充電電流大小。

如圖2所示，電源模塊4中包括相互連接的電源模塊管理單元和電池組控制單元。其中，電源模塊4由若干個電池組12串聯(lián)構(gòu)成，每個電池組12由若干個電池片13串聯(lián)構(gòu)成，每個電池片13由一個電池單體或多個并聯(lián)的 電池單體構(gòu)成(電池單體在圖中未標明)。每個電池片13都并聯(lián)一個轉(zhuǎn)換開關(guān)(見圖3)，轉(zhuǎn)換開關(guān)的繼電器采用磁保持繼電器20，轉(zhuǎn)換開關(guān)包含一個單刀雙擲機械開關(guān)21，單刀雙擲機械開關(guān)21由一個動觸點與兩個靜觸點構(gòu)成，單刀雙擲機械開關(guān)21包括“常閉”和“轉(zhuǎn)換”兩種狀態(tài)；磁保持繼電器20為多線圈的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，包含通過磁力保持動觸點、靜觸點開合狀態(tài)的永久磁鐵或高剩磁特性銜鐵；磁保持繼電器20的動觸點、靜觸點間距大于1.3mm，典型值為1.6mm；閉合時觸點壓力大于500克力(雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)是指在電磁線圈斷電后永久磁鐵或銜鐵仍能保持線圈通電時位置的結(jié)構(gòu))。磁保持繼電器20的觸點間距較小時可以減少動作時間，但容易產(chǎn)生觸點電弧。在本實施例中，由于通過的電流較大，磁保持繼電器20的觸點間距應(yīng)大于1.3mm以抑制觸點電弧。每個轉(zhuǎn)換開關(guān)的磁保持繼電器20均通過專用的繼電器驅(qū)動電路22連接電池組控制單元并獲得電池組控制單元發(fā)出的驅(qū)動信號。每個電池組12中的轉(zhuǎn)換開關(guān)組成一個開關(guān)陣列11，開關(guān)陣列11連接電池組控制單元。

如圖2所示，電源模塊管理單元包括連接有直流接觸器17、電流傳感器18、限流保護器19的第一CPU8，設(shè)置在第一CPU8上的第一CAN通信總線14、第二CAN通信總線15、第三CAN通信總線16，第一CAN通信總線14連接電池組控制單元；第二CAN通信總線15連接電池包管理單元3；第三CAN通信總線16連接第二充電機7；第二CAN總線15、第三CAN通信總線16分別通過光電隔離器9設(shè)置在第一CPU8上。

如圖2所示，電池組控制單元包括通過光電隔離器9與第一CAN通信總線14相連的第二CPU10，連接第二CPU10的電壓測量器、溫度傳感器，還包括電流測量器(電壓測量器、溫度傳感器，電流測量器在圖中未標出)，電池組控制單元能夠監(jiān)測每個電池片13的充放狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)并發(fā)出相應(yīng)驅(qū)動信號控制開關(guān)陣列11中的轉(zhuǎn)換開關(guān)改變狀態(tài)使相應(yīng)的電池片13移出充、放電回路。

如圖1所示，本實用新型所提供的大容量鋰電池包電源管理系統(tǒng)的選擇單元包括充電選擇開關(guān)5，充電選擇開關(guān)5設(shè)置在每個電源模塊4的并聯(lián)線路 上，用于連接/斷開各個電源模塊4之間的并聯(lián)連接，還包括設(shè)置在電源模塊4的第二充電機7上的一個單獨的充電接口6，以及設(shè)置在電源模塊4中的充電狀態(tài)指示標志(圖中未標明)。其中，充電選擇開關(guān)5是手動/自動機械開關(guān)。

當需要對電池包進行快充時，充電選擇開關(guān)5處于斷開狀態(tài)，此時各個電源模塊4之間的并聯(lián)連接被斷開，形成各個電源模塊4獨立連接充電機(第二充電機7)并通過各自單獨的充電接口6進行充電的分布式充電模式，充電控制功能由各個電源模塊4的電源模塊管理單元負責(zé)，降低了斷流均衡所使用的單刀雙擲開關(guān)21的工作電流，保證充電管理的快速可靠響應(yīng)。

當需要對電池包進行慢充時，充電選擇開關(guān)5處于閉合狀態(tài)，各個電源模塊4形成并聯(lián)，形成所有電源模塊4通過與電池包管理單元3連接的第一充電機1(及第一充電機1上的充電接口6)進行充電的集中式充電模式，充電控制功能由電池包管理單元3負責(zé)，電池包管理單元3對第一充電機1進行控制，并協(xié)調(diào)各電源模塊4。此時形成以“電池組-電源模塊-電池包”為層次的三級管理架構(gòu)。

對于電池包管理單元3而言，將存在以下幾種工作模式：

1.分布式充電(快充)：斷開充電選擇開關(guān)5，每個電源模塊4單獨連接和控制各自所屬的第二充電機7進行獨立充電；各個電源模塊4的充電狀態(tài)會發(fā)送給電池包管理單元3，若充電結(jié)束將在各個電源模塊4的“充電狀態(tài)指示標志”上予以提示。

2.集中式充電(慢充)：閉合充電選擇開關(guān)5，各個電源模塊4相互并聯(lián)，由電池包管理單元3統(tǒng)一控制第一充電機1，充電過程中各個電源模塊4將充電狀態(tài)發(fā)給電池包管理單元3。

3.集中式放電：閉合充電選擇開關(guān)5，各個電源模塊4相互并聯(lián)。放電過程中各個電源模塊4獨立管理，并將各自的放電狀態(tài)發(fā)給電池包管理單元3；若某個電源模塊4因電量提前耗盡或突發(fā)異常狀態(tài)(例如過熱)，該電源模塊可以斷開其內(nèi)部直流接觸器17而停止放電。

在充放電期間，各電源模塊4自主控制內(nèi)部的直流接觸器17和限流保護器19，在電流過大時可以通過限流保護器19啟動限流電路或斷開直流接觸器17。

本實用新型所述的裝置并不限于具體實施方式中所述的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型的技術(shù)方案得出其他的實施方式，同樣屬于本實用新型的技術(shù)創(chuàng)新范圍。